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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem in einem Fahrzeug mit
einem elektrischen Servomotor zur Lenkunterstützung nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
DE 39 08 217 C2 wird
ein Lenksystem in einem Fahrzeug beschrieben, bei dem ein vom Fahrer
vorgegebener Lenkradwinkel über eine Lenkwelle und ein
Lenkgetriebe auf eine Lenkzahnstange übertragen wird, die
kinematisch und kinetisch mit den gelenkten Rädern des
Fahrzeugs gekoppelt ist und die Räder mit dem gewünschten
Lenkwinkel rechtzeitig verstellt. Zur Lenkunterstützung
ist ein elektrischer Servomotor vorgesehen, der über einen Lenkmechanismus
eine zusätzlich benötigte Hilfskraft in das Lenksystem
einleitet. Der von dem elektrischen Servomotor beaufschlagte Lenkmechanismus
ist an die Lenkwelle des Lenksystems gekoppelt.
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Darüber
hinaus sind Lenksysteme mit Servounterstützung bekannt,
bei denen der elektrische Servomotor über das Lenkgetriebe
ein unterstützendes Moment einleitet. Der Servomotor kämmt üblicherweise über
ein Schneckengetriebe mit der Lenkzahnstange.
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Bei
den bekannten Ausführungen muss ein verhältnismäßig
großer Bauraum für den elektrischen Servomotor
vorgehalten werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem in einem Fahrzeug
mit elektrischer Servounterstützung kompakt und ausreichend
stark auszubilden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem in einem Fahrzeug
umfasst eine Lenkhandhabe – die in der Regel als Lenkrad
ausgeführt ist –, eine Lenkwelle zur Übertragung
des vom Fahrer gewünschten Lenkradwinkels sowie ein Lenkgestänge,
das die Drehbewegung der Lenkwelle auf die lenkbaren Räder überträgt.
Des Weiteren ist ein elektrischer Servomotor vorgesehen, der ein
Unterstützungsmoment im Lenksystem erzeugt. Der Servomotor
umfasst einen Stator und einen im Stator drehbar gelagerten Anker
bzw. Rotor mit einer Rotorwelle, die mit einem Bauteil des Lenksystems
gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist
die Rotorwelle im elektrischen Servomotor als Hohlwelle ausgebildet,
in der das Bauteil des Lenksystems aufgenommen ist, derart, dass
die Drehbewegung der Rotorwelle in eine Stellbewegung des in der
Rotorwelle aufgenommenen Bauteils übertragbar ist.
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Diese
Ausführung weist den Vorteil auf, dass aufgrund der Integration
des bewegbaren Lenksystem-Bauteils in den Innenraum der Rotorwelle
des elektrischen Servomotors eine sehr kompakte Ausführung
realisiert werden kann. Der elektrische Servomotor umgreift das
bewegbare Bauteil des Lenksystems, so dass kein oder nur ein geringfügiger
zusätzlicher Bauraum für den Servomotor vorgehalten werden
muss.
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Die Übertragung
der Drehbewegung der Rotorwelle auf das in der Rotorwelle aufgenommene Bauteil
erfolgt vorzugsweise über ein Getriebe (Drehmoment- und
Drehzahlwandler), wobei je nach Funktion des in der Rotorwelle aufgenommenen
Bauteils eine unterschiedliche Übertragung der Rotationsbewegung
der Rotorwelle auf die Stellbewegung des aufgenommenen Bauteils
in Betracht kommt. Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausführung ist vorgesehen, dass in der Rotorwelle eine
Lenkzahnstange des Lenksystems aufgenommen ist, die eine lineare, translatorische
Stellbewegung zur Verstellung der lenkbaren Räder ausführt.
Die Übertragung der Rotationsbewegung der Rotorwelle in
die translatorische Stellbewegung der Lenkzahnstange erfolgt in
diesem Fall zweckmäßig über einen Spindeltrieb
(Kugelumlaufgetriebe), bei dem eine drehfest mit der Rotorwelle
verbundene Spindelmutter oder ähnliches mit der Verzahnung
auf der Mantelfläche der Lenkzahnstange kämmt.
Der elektrische Servomotor ist mit einem karosseriefesten Bauteil
des Kraftfahrzeugs verbunden und behält bei einer Bewegung
des Rotors seine ortsfeste Position bei. Die Lenkzahnstange dagegen wird
bei Betätigung des Servomotors translatorisch verstellt.
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Grundsätzlich
kommt aber auch eine Beaufschlagung der Lenkwelle durch den Servomotor
in Betracht. In diesem Fall ist die Lenkwelle durch den Innenraum
der hohlen Rotorwelle geführt, wobei die Rotationsbewegung
der Rotorwelle in eine Rotationsbewegung der Lenkwelle übertragen
wird. Die Übertragung erfolgt zweckmäßigerweise
wieder über die Kupplung und das Kugelumlaufgetriebe. Es
ist aber auch grundsätzlich möglich, die Lenkwelle
drehfest mit der Rotorwelle zu arretieren, so dass die mit übersetzende
Drehbewegung der Rotorwelle unmittelbar in eine entsprechende Drehbewegung
der Lenkwelle umgesetzt wird.
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Alternativ
zu einer Beaufschlagung der Lenkzahnstange oder der Lenkwelle kommt
auch eine Anordnung des Servomotors an einem sonstigen bewegbaren
Bauteil des Lenksystems in Betracht. Über die Kupplung
und das Getriebe kann die Rotation der Rotorwelle je nach Einsatzort
im Lenksystem in eine translatorische oder rotatorische Stellbewegung
umgesetzt werden.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass
der Stator in einem Motorgehäuse des Servomotors aufgenommen
und in diesem Motorgehäuse fixiert ist. Dies erfolgt insbesondere über
als Sicken ausgebildete Befestigungsmittel, die in die Wandung des
Motorgehäuses eingebracht sind und den Stator mit einer
Klemmkraft beaufschlagen. Die Sicken bieten zugleich für
die Montage eine optische Orientierung für ein lagerichtiges Zusammenbauen
der elektrischen Verbindungen und des Servomotors zum Lenkstangengehäuse.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Motorgehäuse
zweiteilig aufgebaut, wobei die beiden Motorgehäuseteile
miteinander verbunden sind, und zwar entweder axial ineinander zu stecken
oder über axial aneinander grenzende, radial auskragende
Befestigungsflansche miteinander zu verbinden sind. Gemäß einer
weiteren Ausführung kann es außerdem zweckmäßig
sein, das Motorgehäuse mit einem Lenkgetriebe- bzw. Lenkzahnstangengehäuse
zu verbinden. Diese Ausführung eignet sich insbesondere
für den Fall, dass die Lenkzahnstange im Inneren der Rotorwelle
aufgenommen ist. Über die Verbindung von Motorgehäuse
und Lenkzahnstangengehäuse wird eine besonders kompakte Ausführung
erzielt.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit
einem elektrischen Servomotor, über den ein Unterstützungsmoment
im Lenksystem erzeugbar ist,
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2 einen
Schnitt durch den elektrischen Servomotor in einer ersten Ausführung,
gemäß der die Lenkzahnstange in der als Hohlwelle
ausgebildeten Rotorwelle des Servomotors aufgenommen ist, wobei
die Bewegungsübertragung zwischen Rotorwelle und Lenkzahnstange über
ein als Spindeltrieb bzw. Kugelumlaufgetriebe ausgeführtes
Kopplungsgetriebe erfolgt,
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3 einen
Servomotor im Lenksystem mit einer in der Rotorwelle aufgenommenen
Lenkzahnstange, wobei das Motorgehäuse des Servomotors an
ein Lenkgetriebegehäuse angrenzt und mit diesem verbunden
ist,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Servomotors
im Lenksystem mit zweiteiligem Motorgehäuse, wobei die
beiden Motorgehäuseteile jeweils topfförmig ausgebildet
und axial ineinander zu stecken und anzuordnen sind,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Servomotors
im Lenksystem, bei dem das Motorgehäuse ebenfalls zweiteilig
ausgebildet ist und die beiden Motorgehäuseteile über
einen axial aneinandergrenzenden Befestigungsflansch zu verbinden
und über Sicken zum Statorlamellenpaket leicht zuzuordnen
sind,
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6 ein 5 entsprechendes
Ausführungsbeispiel, jedoch in einer anderen Ansicht,
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, mit in die Wandung des Motorgehäuses
eingebrachte Sicken zur Halterung des Stators, über die
auch ein Reaktionsmoment aufzunehmen und über Befestigungspunkte
zum Zahnstangengehäuse weiterzuleiten ist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das
in 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem
Kraftfahrzeug 1 umfasst eine als Lenkrad 2 ausgeführte
Lenkhandhabe, über die ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwinkel δL auf die lenkbaren Räder 6 – Vorderräder
und/oder Hinterräder – übertragen wird.
Das Lenkrad 2 ist drehfest mit einer Lenkwelle 3 verbunden,
die über ein Lenkgetriebe 4 kinematisch mit einem
Lenkgestänge 5 gekoppelt ist, das eine Lenkzahnstange 8 umfasst.
Die Lenkbewegung, die vom Fahrer vorgegeben wird, führt über
die Lenkwelle 3, das Lenkgetriebe 4 und das Lenkgestänge 5 zu
einem Radlenkwinkel δV in den Rädern 6.
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Zur
Unterstützung des vom Fahrer vorgegebenen Handlenkmomentes
ist ein elektrischer Servomotor 7 im Lenksystem angeordnet, über
den in das Lenksystem ein zusätzliches Unterstützungsmoment eingespeist
wird. Der Servomotor 7 ist als Elektromotor ausgeführt,
insbesondere als permanenterregter Synchronmotor. Die Einstellung
des Servomotors 7 erfolgt über Stellsignale eines
Regel- bzw. Steuergerätes, das über fahrzeuginterne
Leitungen, insbesondere einen CAN-Bus, mit einem zentralen Regel- bzw.
Steuergerät kommuniziert.
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Wie
mit strichlierter Linie eingetragen, kann das Lenkgetriebe 4 und
gegebenenfalls auch der zugeordnete Servomotor auch im Bereich der
Lenkwelle 3 angeordnet sein.
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In 2 ist
ein elektrischer Servomotor 7 im Schnitt dargestellt. Der
Servomotor 7 umfasst in einem Motorgehäuse 9 einen
Stator 10 und einen darin drehbar gelagerten Anker bzw.
Rotor 11. Der Rotor 11 besitzt eine als zylindrische
Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle 12, die gegenüber
dem ortsfesten Stator 10 um die Rotorachse 13 rotiert,
die zugleich die Stator- bzw. Motorachse bildet. Die Rotorwelle 12 ist über
Wälzlager 14 und 15, bei denen es sich
um Kugel, Rollen- oder Nadellager oder dergleichen handelt, drehbar
im Motorgehäuse 9 gelagert. Im Inneren der Rotorwelle 12 ist
die Lenkzahnstange 8 aufgenommen, die jedoch nicht fest
mit der Rotorwelle 12 verbunden ist, da die Lenkzahnstange 8 eine
translatorische Stellbewegung ausführen muss. Die mechanische
Kopplung zwischen der Rotorwelle 12 und der Lenkzahnstange 8 erfolgt über
eine Kupplung zu einem Getriebe 16, welches sich axial
außerhalb des Stators 10 im Motorgehäuse 9 befindet. Über
die Kupplung zum Getriebe 16 wird die Rotationsbewegung
der Rotorwelle 12 in eine axiale, translatorische Stellbewegung
der Lenkzahnstange 8 umgesetzt. Dies erfolgt über
eine Ausführung des Kopplungsgetriebes als Spindeltrieb,
indem beispielsweise eine fest mit der Rotorwelle verbundene Spindelmutter
mit der Verzahnung auf der Mantelfläche der Lenkzahnstange 8 kämmt.
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Auf
der der Kupplung zum Getriebe 16 axial gegenüberliegenden
Seite befindet sich im Motorgehäuse 9 eine Sensoreinrichtung 17, über
die die Drehzahl, die aktuelle Rotorlage und die Drehrichtung des
Rotors zu erfassen ist. Die Sensoreinrichtung 17 ist insbesondere
als magnetische Sensoreinrichtung ausgeführt.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht
bezüglich der Bauteilfunktionen dem nach 2,
es ist jedoch kompakter, robuster ausgebildet und wirtschaftlicher
herzustellen. Auch in 3 ist der elektrische Servomotor
mit dem Stator 10 und dem Rotor 11 in dem Motorgehäuse 9 mit
einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 12 versehen,
in der koaxial zur Rotorachse 13 die Lenkzahnstange 8 aufgenommen
ist. Die Bewegungsübertragung zwischen der Drehbewegung
der Rotorwelle 12 und der axialen Stellbewegung der Lenkzahnstange 8 erfolgt über
die Kupplung zum Getriebe 16, das in einem Zahnstangengehäuse 18 aufgenommen
ist, welches Bestandteil des Lenkgetriebegehäuses ist.
Das Motorgehäuse 9 des elektrischen Servomotors 7 grenzt axial
an das Zahnstangengehäuse 18 an und ist mit diesem
verbunden. In dieser Ausführung ist der Bauraum in Achsrichtung
gesehen minimiert.
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Im
Ausführungsbeispiel nach 4 ist der elektrische
Servomotor 7 mit einem zweiteiligen Motorgehäuse 9 ausgestattet,
das die beiden jeweils topfförmigen Motorgehäuseteile 9a und 9b umfasst, die
in der dargestellten Montageposition axial ineinander gesteckt sind.
Jedem Motorgehäuseteil 9a bzw. 9b ist
jeweils ein Wälzlager 14 bzw. 15 zur
Lagerung des Rotors 11 zugeordnet.
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Wie 4 weiters
zu entnehmen, ist die Hohlwelle 12 an einer axialen Stirnseite
zu einem topfförmigen Abschnitt 12a größeren
Durchmessers erweitert, in den Kupplungsklauen bzw. -zähne
eingebracht sind und der zur Aufnahme der Kupplung zum Getriebe 16 dient, über
das die Bewegungen von Rotorwelle 12 und Lenkzahnstange 8 kinematisch
und kinetisch gekoppelt sind.
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In
den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines elektrischen Servomotors 7 für ein Lenksystem
in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Der Servomotor 7 umfasst
ein zweiteilig aufgebautes Motorgehäuse 9 mit
den Motorgehäuseteilen 9a und 9b, die
axial an jeweils einem radial auskragenden Befestigungsflansch 19 aneinander
stoßen und über diese Befestigungsflansche, die
an jedem der beiden Motorgehäuseteilen 9a bzw. 9b ausgebildet
sind, miteinander verbunden sind. Die beiden Motorgehäuseteile 9a und 9b überlappen
sich axial nicht, sondern stoßen nur im Bereich der Befestigungsflansche 19 axial
bzw. stirnseitig aneinander.
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Im Übrigen
ist den 5 und 6 ein Phasenstromanschluss 20a zu
entnehmen, über den die Bestromung des Servomotors 7 durchgeführt
wird. Als Sensoreinrichtung sind Sensor-Magnetringe 17a, 17b vorgesehen,
die in die Wälzlager integriert sind.
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Im
Ausführungsbeispiel nach 7 sind in das
Motorgehäuse 9 des elektrischen Servomotors 7 über
den Umfang verteilt Sicken 21 eingebracht, die sich jeweils
in Achsrichtung erstrecken und die Wandung des Motorgehäuses 9 radial
nach innen verformen. Die Sicken 21 beaufschlagen den Stator 10 mit einer
Klemm- bzw. Haltekraft, so dass der Stator 10 fest im Motorgehäuse 9 gehalten
ist und Reaktionsmomente des Stators aufgenommen und weiter an das
Zahnstangengehäuse geleitet werden können. Die
Sicken 21 bieten zugleich eine optische Orientierung für
die lagerichtige Montage der Bauteile des Servomotors. Die Phasenstromanschlüsse 20a und die
Sensorsignalanschlüsse 20b sind radial angeordnet
und über einen einfachen Steckvorgang an das Steuergerät
anzuschließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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