DE102006048614A1 - Hinterradlenkungs-Aktuator - Google Patents
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Abstract
Ein Aktuator für die Lenkung der Hinterräder eines Kraftfahrzeuges besteht aus einem Gehäuse (1), einem Elektromotor (2), dessen Stator (2.1) gehäusefest ist und dessen Rotor (2.2) mit einer im Gehäuse gelagerten Spindelmutter (4) antriebsverbunden ist, und aus einer Spindel (10), welche an entgegengesetzten Seiten aus dem Gehäuse austritt und mit jeweils einer Spurstange (18.1, 18.2) gelenkig verbunden ist. Um Selbsthemmung, hohen Wirkungsgrad und kleine Einbaumaße miteinander zu vereinbaren, ist der Rotor (2.2) des Elektromotors (2) als rohrförmige Welle (3) ausgebildet, an deren einer Seite die Spindelmutter (4) anschließt, und weist das Gewinde (7) von Gewindespindel (11) und Spindelmutter (4) bei geringer Steigung (40) einen relativ großen Steigungswinkel (44.1) auf, sodass die Gewindespindel (11) einen relativ kleinen Durchmesser (Radius 42.1) hat und die beiderseits an die Gewindespindel (11) anschließenden Spindelteile (12, 22) einen größeren Durchmesser als die Gewindespindel (11) haben.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hinterradlenkungs-Aktuator für die Lenkung der Hinterräder eines Kraftfahrzeuges mittels eines Elektromotors, bestehend aus einem Gehäuse, einem Elektromotor, dessen Stator gehäusefest ist und dessen Rotor mit einer im Gehäuse gelagerten Spindelmutter antriebsverbunden ist, und aus einer mit der Spindelmutter zusammenwirkenden Spindel, welche an entgegengesetzten Seiten aus dem Gehäuse austritt und jeweils mit einer Spurstange gelenkig verbunden wird.
- Die Anforderungen an den Aktuator einer Hinterradlenkung unterscheiden sich grundlegend von denen an den Aktuator beziehungsweise an die Servovorrichtung einer Vorderradlenkung. Da eine Hinterradlenkung vor allem der Verbesserung der Fahrdynamik dient, ist der Hub nur sehr klein, umso genauer muss aber die Einstellung in diesem kleinen Bereich sein. Die Verstellung erfolgt nur durch den Aktuator, der von einer Fahrdynamikregelung angesteuert wird. Der Fahrer nimmt darauf keinen direkten Einfluss. Wird der Aktuator nicht angesteuert, muss er unverrückbar seine Position beibehalten. Er muss somit selbsthemmend sein.
- Aber auch die an jedwede Lenkvorrichtung gestellten Anforderungen müssen in besonders hohem Maße erfüllt sein: Hoher Wirkungsgrad durch kleine Reibungsverluste, Kleine Einbaumaße und Widerstandsfähigkeit gegen starke von den Rädern eingeleitete Kräfte, etwa beim Rempeln einer Gehsteigkante.
- Aus der
US 5,595,089 ist ein Aktuator einer Hinterradlenkung bekannt, bei dem der Rotor des Elektromotors die Spindelmutter über ein zweistufiges Planetengetriebe treibt und das Gewinde einen großen Durchmesser hat. Um bei der großen Fläche der Brustflanken (sie bilden Reibungsflächen) noch einen akzeptablen Wirkungsgrad zu erreichen, ist eine große Steigung erforderlich. Diese wieder erfordert die hohe Übersetzung des Planetengetriebes, um eine hohe Gesamtübersetzung zu erreichen. Das Planetengetriebe aber bringt weitere Reibungsverluste, und macht den Aktuator schwer, teuer und ungenau, weil sie eine Reihe von aufeinanderfolgenden Spielen enthält. - Der Wirkungsgrad der Kraftübertragung zwischen Spindelmutter und Gewindespindel hängt vom Steigungswinkel des Gewindes ab: Je größer der Steigungswinkel, desto kleiner die Reibungsfläche und desto günstiger der Wirkungsgrad, bei einer bestimmten Steigung. Dabei ist der Steigungswinkel der Winkel, den die Tangente an die Brustflanke im Mittenzylinder des Gewindes mit einer achsnormalen Ebene einschließt und ist die Steigung die axiale Erstreckung eines Gewindeganges (einer vollen Umdrehung). Um bei gleicher Steigung einen größeren Steigungswinkel zu erreichen, muss der Durchmesser des Mittenzylinders möglichst klein sein. Die Steigung ihrerseits ist möglichst klein zu wählen, um erstens selbsthemmend zu sein und um zweitens eine so hohe Übersetzung zu erreichen, dass kein zusätzliches Getriebe erforderlich ist, auch nicht bei einem aus Raumgründen erwünschten hochtourigen Elektromotor.
- Man sieht, es ist ein Problem, die Forderung nach Selbsthemmung, hohem Wirkungsgrad und kleinen Baumaßen unter einen Hut zu bringen. Die Lösung dieses Problems ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Sie besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
- Der für den hohen Wirkungsgrad nötige hohe Steigungswinkel und eine geringe Steigung werden dadurch erreicht, dass der Durchmesser des Gewindes (also der Durchmesser der so genannten Gewindespindel) möglichst klein bemessen wird, nämlich kleiner als der Durchmesser der sich an das Gewinde anschließenden Abschnitte der Spindel (Durchmesser der so genannten Spindelteile). Das ist bei entsprechender Werkstoffauswahl möglich, wenn man sich von der Vorstellung löst, dass die Spindel eine einstückige dicke Stange sein muss. Wenn die Spindel aus einer Gewindespindel und beiderseits einem Spindelteil besteht, kann die Gewindespindel (das ist der das Gewinde tragende Teil) mit dem kleinen Durchmesser wegen des geringen Hubbereiches sehr kurz sein. Die beiderseits anschließenden dicken Spindelteile sorgen für die nötige Steifigkeit der Spindel als Ganzes. Zudem ist die dünne Gewindespindel über die im Gehäuse gelagerte Spindelmutter sowieso quer zur Achsrichtung abgestützt. Dazu ist eine gute Schmierung der Gewindegänge vorgesehen. Die gebaute Spindel kann über zwei an den Enden vorgesehene Gleitlager im Gehäuse gelagert sein, wobei die Spindelmutter – wie erwähnt – im Bereich des vergleichsweise dünnen Gewindes als dritte (radiale) Lagerstelle dient.
- Somit ergibt sich ein Aktuator, bei dem die Drehbewegung eines Elektromotors direkt – d.h. ohne zusätzliche Getriebestufen – in eine lineare Steilbewegung übersetzt wird, wobei aufgrund eines hohen möglichen Steigungswinkels ein hoher Wirkungsgrad realisiert ist und aufgrund der geringen Steigung die erforderliche Steifigkeit der Spindel gewährleistet ist.
- Um einerseits einen großen Durchmesser der an die Gewindespindel anschließenden Spindelteile und andererseits einen diesbezüglich relativ kleinen Durchmesser der Gewindespindel zu realisieren, ist die Spindel vorzugsweise mehrstückig ausgebildet, insbesondere mit zwei oder drei axial fest aneinander montierten Stücken, so dass vor der Montage der Spindel eine einteilige Spindelmutter auf die Gewindespindel aufgesetzt werden kann (Anspruch 2). Der Innendurchmesser der einteiligen Spindelmutter kann somit geringer sein als der Durchmesser der an das Außengewinde der Spindel anschließenden Spindelteile.
- Um die Spindelmutter auch am Verkanten zu hindern, ist der Rotor des Elektromotors als rohrförmige Welle ausgebildet ist, an deren einen Seite die Spindelmutter anschließt (Anspruch 3). Um diesen Versteifungseffekt zu verstärken, ist es von Vorteil, die Spindelmutter mittels eines doppelten Wälzlagers im Gehäuse zu lagern (Anspruch 9).
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung durchsetzt der an der Seite des Elektromotors anschließende Spindelteil größeren Durchmessers den rohrförmigen Rotor (Anspruch 4). Dieser oder der andere Spindelteil hat vorzugsweise eine zentrale Längsbohrung, in die die Gewindespindel fest eingeschraubt ist (Anspruch 3). So kann die Gewindespindel beim Zusammenbau des Aktuators in die einteilige Spindelmutter eingeschraubt werden. Erst danach wird der Spindelteil größeren Durchmessers fest eingeschraubt. Letzterer kann wenn nötig auch im Inneren des Rotors abgestützt beziehungsweise gegenüber diesem abgedichtet sein.
- In einer Weiterbildung hat die Spindelmutter beiderseits einer Kragen erweiterten Innendurchmessers, welcher jeweils gleich dem Aussendurchmesser des jeweiligen Spindelteiles größeren Durchmessers ist, sodass beiderseits des Gewindes der Spindelmutter jeweils eine Kammer veränderlichen Volumens besteht, wobei die Summe der Volumina der beiden Kammern bei rotierender Spindelmutter konstant bleibt (Anspruch 6). So wird die Fettfüllung im Be trieb zwischen den beiden Kammern hin- und hergequetscht und sorgt so für eine dauerhafte Schmierung der Gewindeteile.
- Das Gewinde kann eine gewöhnliches Gewinde mit im Längsschnitt dreieckigen Gewindegängen sein. Eine weitere geringfügige Verbesserung des Wirkungsgrades wird erreicht, wenn das Gewinde ein Trapezgewinde ist (Anspruch 7). Um einer Beschädigung der Gewindeteile bei sehr hoher Stoßbelastung vorzubeugen, können die Brustflanken des Trapezgewindes gegen den Kopfkreis zu in eine Rundung mit großem Radius übergehen (Anspruch 8). Damit wird bei Deformation der Gewindespindel auftretende Kantenpressung in den Gewindegängen von Spindelmutter und Gewindespindel verringert.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
-
1 : Einen Längsschnitt durch den Aktuator, -
2 : Ein Diagramm zur Erläuterung des Steigungswinkels, -
3 : Einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Gewindegang. - In
1 ist das Gehäuse insgesamt, ohne Bedachtnahme auf montagebedingte Gehäuseteilungen mit1 bezeichnet. Es enthält einen Elektromotor2 , dessen Stator2.1 an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist, und dessen Rotor2.2 auf einer rohrförmigen Welle3 sitzt. Diese geht auf einer Seite unmittelbar in eine Spindelmutter4 über, sie ist entweder mit ihr fest verbunden (wie dargestellt) oder einstückig. Die rohrförmige Welle3 mit der Spindelmutter4 ist auf der Seite der Spindelmutter4 in einem ersten Lager5 und auf der der Spindelmutter4 abgewandten Seite in einem zweiten Lager6 im Gehäuse1 gelagert. Das erste Lager5 ist zur Aufnahme erheblicher Lagerkräfte besonders stark dimensioniert, hier als Doppelkugellager ausgebildet. Die Spindelmutter4 hat über einen Teil ihrer axialen Erstreckung ein Gewinde7 (ein Innengewinde) kleinen Durchmessers und kleiner Steigung, wie weiter unten zu erläutern. An das Gewinde7 anschließend hat die Gewindemutter4 in beiden axialen Richtungen Kragen8.1 ,8.2 größeren Durchmessers als der Durchmesser des Gewindes7 . - Die insgesamt mit
10 bezeichnete Spindel besteht aus einer Gewindespindel11 kleinen Durchmessers, deren Gewinde mit dem Gewinde7 der Spindelmutter4 zusammenwirkt, und einem in1 rechts daran unmittelbar anschließenden Spindelteil12 größeren Durchmessers. Mit anderen Worten besitzt der Gewindeabschnitt (Gewindespindel11 ) der Spindel10 einen geringeren Durchmesser – insbesondere einen geringeren Außendurchmesser – als die sich an den Gewindeabschnitt anschließenden Abschnitte der Spindel10 (Spindelteile12 ,22 ). Der Spindelteil12 hat auf der der Gewindespindel11 zugewandten Seite eine zentrische Längsbohrung13 , in die die Gewindespindel11 eingesteckt und fest eingeschraubt ist. Der Spindelteil12 ist an seinem in1 rechten Teil in einem Schiebelager15 mit Verdrehsicherung abgestützt und endet in einem Anschlussstück16 , das mittels eines Bolzens17 mit ihm fest verbunden ist. An dem Anschlussstück16 greift, verbunden durch eine Schwenkachse19 , eine zu einem Rad führende Spurstange18.1 an. - An die in
1 linke Seite der Gewindespindel11 schließt ebenfalls unmittelbar ein Spindelteil22 größeren Durchmessers an. Er ist hier einteilig mit der Gewindespindel11 ausgeführt. An dem Übergang zwischen dem Spindelteil größeren Durchmessers22 und der Gewindespindel11 ist eine Schulter23 . Das von der Spindelmutter4 abgewandte Ende des Spindelteiles22 ist wieder in einem Schiebelager25 mit Verdrehsicherung abgestützt und hat ein Anschlussstück26 für den Anschluss der anderen Spurstange18.2 , entsprechend der Spurstange18.1 auf der anderen Seite. - Zwischen dem Gehäuse
1 und den Anschlussstücken16 ,26 ist jeweils ein Faltenbalg27.1 ,27.2 vorgesehen, um Schmutz von den Schiebelagern15 ,25 fernzuhalten. An dem linken Spindelteil größeren Durchmessers22 ist ein am Gehäuse1 befestigter linearer Wegsensor28 vorgesehen, an der der Spindel mutter4 abgewandten Seite der rohrförmigen Welle3 ein Impulszähler29 . Diese beiden Sensoren28 ,29 bilden die Rückführsignale für die nicht dargestellte Steuerung des Aktuators. Die Stromzufuhr30 zum Elektromotor ist nur angedeutet. - Die Spindelmutter
4 besitzt an beiden Enden einen Kragen8.1 ,8.2 erweiterten Innendurchmessers, welcher gleich dem Außendurchmesser des jeweiligen anschließenden Spindelteiles12 ,22 größeren Durchmessers ist. Somit ist beiderseits des Gewindes7 der Spindelmutter4 eine jeweilige Kammer31 ,32 veränderlichen Volumens gebildet. Die Summe der Volumina der beiden Kammern31 ,32 bleibt bei axialer Bewegung der Spindel10 relativ zu der Spindelmutter4 konstant, so dass die Schmiermittelfüllung im Bereich zwischen den beiden Kammern hin- und hergequetscht wird und somit für eine gute dauerhafte Schmierung der Gewindeteile sorgt. -
2 zeigt in der linken Bildhälfte eine schematische Ansicht zweier mittlerer Schraubenlinien43.1 ,43.2 und in der rechten Bildhälfte deren Abwicklung in einer Ebene. Auf der linken Seite ist die Drehachse der Spindelmutter4 mit41 und die Steigung (lineare Verschiebung in einem Gewindegang von 360 Grad) mit40 bezeichnet. Die Schraubenlinie43.1 ist einem mittleren Radius42.1 der einander berührenden Flächen des Gewindes (siehe auch3 ) zugeordnet. Ihr Steigungswinkel44.1 ist der Winkel, den eine Tangente in einem Punkt mit einer zur Achse41 normalen Ebene einschließt. - Zum Vergleich ist eine zweite Schraubenlinie
43.2 eingezeichnet, die bei gleicher Steigung40 einen größeren mittleren Radius42.2 hat. Bei dieser ist der Steigungswinkel44.2 erheblich kleiner. Auf der rechten Seite der2 erscheinen die abgewickelten Schraubenlinien43.1 ,43.2 als gerade und die Steigungswinkel44.1 ,44.2 sind unter Berücksichtigung der Skalierung der Achse44 direkt ablesbar. Auf der Achse44 ist je nach Maßstab der Radius beziehungsweise eine diesem proportionale Größe (der Umfang) aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass bei gegebener Steigung40 ein möglichst großer Steigungswinkel44.1 hauptsächlich durch Verringerung des mittleren Radius42.1 des Gewindes7 erreichbar ist. - Der Längsschnitt durch einen Gewindegang in
3 zeigt ein Trapezgewinde, dessen mittlerer Radius42.1 hier eingetragen ist. Da die Gewinde der Spindelmutter4 und der Gewindespindel11 naturgemäß gleich sind, kann es sich hier sowohl um das eine als auch um das andere handeln. Das Trapezge winde wird von zwei Brustflächen46.1 ,46.2 gebildet, die sich zwischen den Fußflächen45 und Kopfflächen47 erstrecken. Am Übergang der Brustflächen46.1 ,46.2 zur Kopffläche47 ist eine Ausrundung48 mit großem Radius49 vorgesehen. Diese Ausrundung48 schließt stettig an die Brustfläche46.1 an, bildet an der Kopffläche47 jedoch eine zurückgesetzte Kante50 . - Insgesamt ist so ein sehr einfach aufgebauter und montierbarer Aktuator mit hoher Übersetzung und optimalem Wirkungsgrad geschaffen.
Claims (10)
- Hinterradlenkungs-Aktuator für die Lenkung der Hinterräder eines Kraftfahrzeuges mittels eines Elektromotors, bestehend aus einem Gehäuse (
1 ), einem Elektromotor (2 ), dessen Stator (2.1 ) gehäusefest ist und dessen Rotor (2.2 ) mit einer im Gehäuse gelagerten Spindelmutter (4 ) antriebsverbunden ist, und aus einer mit der Spindelmutter zusammenwirkenden Spindel (10 ), welche an entgegengesetzten Seiten aus dem Gehäuse austritt und zur Verbindung mit jeweils einer Spurstange (18.1 ,18.2 ) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Spindel (10 ) aus einer Gewindespindel (11 ) und beiderseits einem jeweiligen Spindelteil (12 ,22 ) besteht, der jeweils zur Verbindung mit einer Spurstange (18.1 ,18.2 ) ausgebildet ist, b) und die Gewindespindel (11 ) einen kleineren Durchmesser besitzt als die beiderseits an die Gewindespindel (11 ) anschließenden Spindelteile (12 ,22 ). - Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (
10 ) wenigstens zweistückig ausgebildet ist, insbesondere bestehend aus dem einen Spindelteil (22 ) mit Gewindespindel (11 ) einerseits und dem anderen Spindelteil (12 ) andererseits, die starr miteinander verbunden sind. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Spindelteile (
12 ) eine zentrale Längsbohrung (13 ) hat, in die die Gewindespindel (11 ) fest eingeschraubt ist. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (
2.2 ) des Elektromotors (2 ) als rohrförmige Welle (3 ) ausgebildet ist, an deren einen Seite die Spindelmutter (4 ) anschließt. - Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Spindelteile (
12 ) größeren Durchmessers den rohrförmigen Rotor (3 ) durchsetzt. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (
4 ) beiderseits einen Kragen (8.1 ,8.2 ) erweiterten Innendurchmessers hat, welcher jeweils im Wesentlichen gleich dem Aussendurchmesser des jeweiligen Spindelteiles (12 ,22 ) größeren Durchmessers ist, sodass beiderseits des Gewindes der Spindelmutter (4 ) jeweils eine Kammer (31 ,32 ) veränderlichen Volumens besteht, wobei die Summe der Volumina der beiden Kammern bei rotierender Spindelmutter (4 ) konstant bleibt. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (
7 ) ein Trapezgewinde ist. - Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brustflanken (
46.1 ,46.2 ) des Trapezgewindes gegen die Kopffläche (47 ) zu in eine Rundung (48 ) mit großem Radius (49 ) übergehen. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (
4 ) mittels eines doppelten Wälzlagers (5 ) im Gehäuse (1 ) gelagert ist. - Aktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (
10 ) an dem jeweiligen von der Spindelmutter (4 ) abgewandten Ende der Spindelteile (12 ,22 ) im Gehäuse (1 ) gelagert ist.
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