DE102007010003A1

DE102007010003A1 - Lenkgetriebe

Info

Publication number: DE102007010003A1
Application number: DE200710010003
Authority: DE
Inventors: Sandor PALVÖLGYI
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-11

Abstract

Es wird ein Lenkgetriebe mit einer Kugelumlaufmutter, einer in der Kugelumlaufmutter laufenden Kugelumlaufspindel, die durch Verdrehen der Kugelumlaufmutter entlang einer Spindellängsachse axial verschiebbar ist, einer Lenkwinkelüberlagerungsanordnung zum Erzeugen einer Aktivlenkung und einer Winkelstelleinheit zum selektiven Ansteuern der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung beschrieben. Die Kugelumlaufmutter ist mit einem Lenkrad antriebswirksam verbunden und die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung treibt die Kugelumlaufmutter zur Erzeugung eines effektiven Lenkwinkels zusätzlich selektiv an.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für eine Lenkanordnung eines Fahrzeuges, wobei das Lenkgetriebe eine Kugelumlaufmutter, eine in der Kugelumlaufmutter laufende Kugelumlaufspindel, die durch Verdrehen der Kugelumlaufmutter entlang einer Spindellängsachse axial verschiebbar ist, eine Lenkwinkelüberlagerungsanordnung zum Erzeugen einer Aktivlenkung und eine Winkelstelleinheit zum selektiven Ansteuern der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung umfasst.
Ein Lenkgetriebe dieser Art ist aus der US 6,102,151 bekannt. Bei diesem bekannten Lenkgetriebe greift die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung in eine quer zur Fahrtrichtung angeordnete Zahnstange ein und treibt diese an, um einen gewünschte Ziellenkwinkel (effektiven Lenkwinkel) zu erreichen. Auf diese Weise wird eine Aktivlenkung erzeugt, durch die der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel je nach Fahrzustand des Kraftfahrzeugs in positiver oder negativer Richtung korrigiert werden kann. Getrennt von der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung ist eine Lenkkraftunterstützungsanordnung angeordnet, durch die die Kugelumlaufmutter antreibbar ist, so dass die vom Fahrer vorgegebene Lenkkraft durch das von der Lenkkraftunterstützungsanordnung auf die Kugelumlaufmutter aufgebrachte Drehmoment unterstützt werden kann.
Problematisch bei diesem bekannten Lenkgetriebe ist es, dass zum Einbau des Lenkgetriebes innerhalb des Fahrzeuges relativ viel Platz innerhalb des Motorraums erforderlich ist. Insbesondere benötigt das Lenkgetriebe der US 6,102,151 deshalb viel Platz, weil die Lenkkraftunterstüt zungsanordnung und die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung getrennt voneinander ausgebildet sind und der Motor der Lenkkraftunterstützungsanordnung außerhalb des Lenkgetriebes angeordnet ist. Aufgrund der heutzutage üblichen Kompaktbauweise ist jedoch innerhalb des Motorraums insbesondere im Bereich neben dem Motor oftmals nur ein geringer Freiraum vorhanden. Auch zwischen Motor und Rädern ist oftmals nicht ausreichend Platz vorhanden, um ein entsprechendes Lenkgetriebe einzubauen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Lenkgetriebe zusätzlich zu der Kugelumlaufspindel die mit dieser verbundene Zahnstange benötigt, um gleichzeitig die Lenkkraftunterstützung sowie die Lenkwinkelüberlagerung realisieren zu können. Das Lenkgetriebe besitzt somit einen komplizierten Aufbau, was mit relativ hohen Herstellungskosten verbunden ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dieses auch bei sehr beengten Platzverhältnissen im Motorraum problemlos eingebaut werden kann, kostengünstig ist und einen kompakten Aufbau besitzt.
Ausgehend von einem Lenkgetriebe der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kugelumlaufmutter mit einem Lenkrad antriebswirksam verbunden ist und dass die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung die Kugelumlaufmutter zur Erzeugung eines effektiven Lenkwinkels zusätzlich selektiv antreibt. Dadurch, dass die Kugelumlaufmutter antriebswirksam mit dem Lenkrad verbunden ist, sind keine zusätzlichen Komponenten, beispielsweise Zahnstange und Ritzel, erforderlich, um eine Lenkwinkelüberlagerung sowie beispielsweise zusätzlich eine Lenkkraftunterstützung zu verwirklichen. Somit ist das Lenkgetriebe der Erfindung kleiner und einfacher ausgebildet sowie günstiger herzustellen als herkömmliche Lenkgetriebe.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf, wobei das Lenkrad mit dem ersten Eingang, die Winkelstelleinheit mit dem zweiten Eingang und der Ausgang mit der Kugelumlaufmutter antriebswirksam verbunden sind. Das Lenkrad wird somit über die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung mit der Kugelumlaufmutter antriebswirksam verbunden, wobei gleichzeitig über den zweiten Eingang der effektive Lenkwinkel beeinflusst werden kann. Liegt beispielsweise am zweiten Eingang kein Steuersignal der Winkelstelleinheit an, so befindet sich das Lenkgetriebe in einem ersten Betriebsmodus, in dem keine Lenkwinkelkorrektur stattfindet. Bei entsprechend anliegendem Steuersignal der Winkelstelleinheit wird hingegen ein zweiter Betriebsmodus eingestellt, in dem eine gewünschte Lenkwinkelkorrektur erfolgt.
Beispielsweise kann durch die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung eine an deren Ausgang wirkende resultierende Drehzahl durch Überlagerung einer am ersten Eingang anliegenden, durch Verdrehen des Lenkrads erzeugten Drehzahl mit einer am zweiten Eingang anliegenden, von der Winkelstelleinheit erzeugten Drehzahl erzeugt werden. Je nach Fahrzustand, der beispielsweise durch entsprechende Sensoren ermittelt werden kann, werden durch die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung somit eine resultierende Drehzahl und damit ein effektiver Lenkwinkel erzeugt, der optimal auf den Fahrzustand angepasst ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung als auch die Winkelstelleinheit koaxial zu der Spindellängsachse innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses angeordnet. Die koaxiale Anordnung der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung sowie der Winkelstelleinheit inner halb eines Lenkgetriebegehäuses ermöglicht eine kompakte Lenkgetriebeanordnung, die leicht Platz innerhalb eines Motorraums findet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung ein Planetengetriebe, dessen Ausgang mit der Kugelumlaufmutter antriebswirksam verbunden ist, wobei die Kugelumlaufmutter durch das Planetengetriebe entsprechend einem vom Fahrer vorgegebenen, auf den ersten Eingang wirkenden Lenkdrehmoment angetrieben wird. Die beiden Eingänge bzw. der Ausgang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung bilden somit die Eingänge bzw. den Ausgang des Planetengetriebes.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Planetengetriebe ein Eingangszahnrad, zumindest ein mit dem Eingangszahnrad kämmendes, an einem Planetenträger drehbar gelagertes Planetenrad sowie ein mit dem Planetenrad kämmendes Ausgangszahnrad. Bevorzugt sind dabei das Eingangszahnrad und/oder der Planetenträger und/oder das Ausgangszahnrad koaxial zu einer gemeinsamen Drehachse, insbesondere zu der Spindellängsachse angeordnet. Auch dadurch wird wiederum eine besonders kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes erreicht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Planetenträger in einem ersten Betriebsmodus, in dem keine Lenkwinkelkorrektur stattfindet, unverdrehbar gehalten, während er in einem zweiten Betriebsmodus, in dem eine Lenkwinkelkorrektur stattfindet, von der Winkelstelleinheit angetrieben ist.
Bevorzugt bilden das Eingangszahnrad den ersten Eingang und/oder der Planetenträger den zweiten Eingang und/oder das Ausgangszahnrad den Ausgang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad als Sonnenräder bzw. Stirnräder ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad als Hohlräder ausgebildet sind oder dass das Eingangszahnrad als Sonnenrad und das Ausgangszahnrad als Hohlrad oder umgekehrt ausgebildet sind.
Grundsätzlich ist jede Ausbildung der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung möglich, bei der zwei Eingänge und ein Ausgang vorgesehen sind und durch den zweiten Eingang selektiv die am ersten Eingang anliegende Drehzahl beeinflusst, d. h. vergrößert oder verkleinert werden kann. Beispielsweise kann die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung auch als Kegelradausgleichsgetriebe ausgebildet sein, bei dem zwei einander gegenüberliegende Halbwellen an ihren jeweiligen Enden mit einander zugewandten Kegelrädern versehen sind, die wiederum über ebenfalls als Kegelräder ausgebildete Ausgleichsräder in Verbindung stehen. Die Ausgleichsräder sind dabei in einem Ausgleichsgehäuse um ihre Drehachsen verdrehbar gelagert, wobei das Ausgleichsgehäuse wiederum um die Halbwellen verdrehbar gelagert ist. In diesem Fall bildet eine der Halbwellen den ersten Eingang, die andere Halbwelle den Ausgang und das Ausgleichsgehäuse den zweiten Eingang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung. Da die beiden Halbwellen gegengleich drehen, muss in diesem Fall eine Richtungsumkehr vorgesehen werden. Ist das Ausgleichsgehäuse in Ruhe, so wird eine 1:1-Übersetzung mit umgekehrter Drehrichtung zwischen erstem Eingang und Ausgang erzeugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Planetenrad zwei koaxial zueinander angeordnete, drehfest miteinander verbundene Planetenradabschnitte, die insbesondere eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen besitzen. Einer der beiden Planetenradabschnitte ist dabei dem Eingangszahnrad und der andere dem Ausgangszahnrad zugeordnet, so dass die Drehung des Eingangszahnrads auf den ersten sowie den damit fest verbundenen zweiten Planetenradabschnitt übertragen und von letzterem wiederum auf das Ausgangszahnrad übertragen wird. Durch die Wahl der Zahnzahl der beiden Planetenradabschnitte kann dabei eine gewünschte Übersetzung vorgegeben werden.
Bevorzugt besitzen das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen, um ebenfalls eine gewünschte Übersetzung erreichen zu können. Dabei sind die Anzahl der Zähne von Eingangsrad und Ausgangsrad an die entsprechende Anzahl von Zähnen der Planetenradabschnitte angepasst.
Generell kann die Lenkwinkelüberlagerungseinheit als Planetengetriebe oder als sonstiges Getriebe ausgebildet sein, mit dem die Erzeugung einer Lenkwinkelüberlagerungseinheit möglich ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ausgangszahnrad einstückig mit der Spindelumlaufmutter ausgebildet. Grundsätzlich können Ausgangszahnrad und Spindelumlaufmutter auch getrennt voneinander ausgebildet sind und zur Übertragung des auf das Ausgangszahnrad wirkenden Drehmoments fest miteinander verbunden sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Lenkkraftunterstützungsanordnung vorgesehen, die die Kugelumlaufmut ter zusätzlich selektiv antreibt. Erfindungsgemäß wirken somit sowohl die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung als auch die Lenkkraftunterstützungsanordnung unmittelbar auf die Kugelumlaufmutter ein, so dass ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäß ausgebildeten Lenkgetriebes erzielt wird und keine zusätzlichen Elemente wie z. B. eine Ritzel-Zahnstangen-Kombination erforderlich sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lenkkraftunterstützungsanordnung koaxial zu der Spindellängsachse innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses angeordnet. Dadurch wird wiederum ein sehr kompakter Aufbau des Lenkgetriebes erreicht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Lenkkraftunterstützungsanordnung, die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung und die Winkelstelleinheit entlang der Spindellängsachse hintereinander liegend angeordnet. Auch dies führt zu einem sehr kompakten und geschlossenen Aufbau des Lenkgetriebes.
Bevorzugt umfasst die Lenkkraftunterstützungsanordnung einen Elektromotor und einen durch den Elektromotor antreibbaren Planetenradsatz. Der Elektromotor umfasst dabei insbesondere einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor um die Spindellängsachse drehbar gelagert ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine erste Hohlwelle vorgesehen, durch die die Lenkkraftunterstützungsanordnung mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist, wobei sich die Kugelumlaufspindel durch die erste Hohlwelle hindurch erstreckt. Durch die Verbindung mittels einer Hohlwelle kann eine gewünschte, Platz sparende koaxiale Ausbildung des Lenkgetriebes erreicht werden.
Vorteilhaft ist eine zweite Hohlwelle vorgesehen, durch die das Lenkrad drehwirksam mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist, wobei sich die Kugelumlaufspindel durch die zweite Hohlwelle hindurch erstreckt. Auch diese Hohlwelle ermöglicht wiederum eine sehr Platz sparende Ausbildung des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die erste Hohlwelle durch die zweite Hohlwelle hindurch. Auf diese Weise wird erreicht, dass alle Baugruppen des Lenkgetriebes sehr kompakt hintereinander liegend angeordnet werden können und gleichzeitig die erforderlichen drehfesten Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten möglich sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Winkelstelleinheit ein Untersetzungsgetriebe und einen Elektromotor, wobei der Kraftfluss von dem Elektromotor durch das Untersetzungsgetriebe an die Kugelumlaufmutter erfolgt. Durch die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes kann ein schnell laufender Elektromotor verwendet werden. Der Elektromotor kann einen Stator und einen Rotor umfassen, die konzentrisch zur Spindellängsachse angeordnet sind, wobei der Rotor um die Spindellängsachse verdrehbar ist. Weiterhin kann das Untersetzungsgetriebe insbesondere als um die Spindellängsachse drehbar gelagertes Exzentergetriebe ausgebildet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das vom Fahrer vorgegebene Lenkdrehmoment um eine Achse gerichtet, die quer oder schräg zur Spindellängsachse verläuft. Auf diese Weise kann das Lenkgetriebe entsprechend Platz sparend quer zur Fahrzeuglängsachse eingebaut werden.
Vorteilhaft ist die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung innerhalb eines Umlenkgehäuses angeordnet, wobei das Umlenkgehäuse innerhalb des Lenkgetriebegehäuses drehbar um die Spindellängsachse gelagert ist. Insbesondere kann dabei das Umlenkgehäuse gleichzeitig den Planetenträger für das die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung bildende Planetengetriebe bilden, um eine besonders kompakte Ausbildung des Lenkgetriebes zu erreichen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen, durch welches das von dem Fahrer vorgegebene Lenkdrehmoment auf die Kugelumlaufmutter übertragen wird. Dieses Übersetzungsgetriebe bildet somit eine Übersetzungsstufe zwischen dem Lenkrad und der Kugelumlaufmutter, mit der eine gewünschte Übersetzung eingestellt werden kann.
Weiterhin kann zwischen einer schräg oder quer zur Spindellängsachse angeordneten Lenkgelenkwelle und der Kugelumlaufmutter ein Getriebe vorgesehen sein, durch das eine durch das Lenkdrehmoment bewirkte Drehung der Lenkgelenkwelle in eine Drehung der Kugelumlaufmutter umgesetzt wird. Dadurch ist eine Anordnung des Lenkgetriebes quer zur Längsachse des Fahrzeugs möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird vorliegend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Lenkanordnung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Lenkgetriebe,
2 eine kinematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes,
3 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäß ausgebildete Lenkgetriebe,
4 eine detaillierte Ansicht eines Abschnittes des Lenkgetriebes aus 3 und
5 einen Querschnitt durch das Lenkgetriebe nach 4 entlang der Linie 5-5.
1 zeigt eine Lenkanordnung 1, die ein Lenkrad 2 sowie ein mit dem Lenkrad 2 über eine Lenkgelenkwelle 4 verbundenes Lenkgetriebe 6 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs umfasst.
Das Lenkgetriebe 6 umfasst ein Lenkgetriebegehäuse 21, das quer zum Fahrzeug angeordnet ist. Durch das Lenkgetriebegehäuse 21 ist eine Kugelumlaufspindel 12 hindurchgeführt, deren Enden an beiden seitlichen Enden des Lenkgetriebegehäuses 21 hinausragen und gelenkig mit Spurstangen 14 verbunden sind, durch die beim Verdrehen des Lenkrads 2 Räder 16 des Fahrzeugs verschwenkt werden können. Das Lenkgetriebegehäuse 21 ist dabei entlang einer Spindellängsachse B der Kugelumlaufspindel 12 und damit quer zum Fahrzeug angeordnet.
Das Lenkgetriebegehäuse 21 umfasst weiter einen Gehäuseabschnitt 42, der entlang einer Achse C verläuft. Durch den Gehäuseabschnitt 42 ist eine mit der Lenkgelenkwelle 4 gelenkig verbundene Eingangswelle 5 hindurchgeführt, die um die Achse C verdrehbar gelagert ist.
Weiterhin sind Sensoren 18, 20 vorgesehen, über die vorgegebene Parameter, wie beispielsweise Lenkwinkel oder Drehgeschwindigkeit des Lenkrads 2 erfasst werden können, und deren Ausgänge mit Eingängen einer Steuerung 22 verbunden sind. Ein Ausgang der Steuerung 22 ist wiederum mit einem Eingang des Lenkgetriebes 6 verbunden, wodurch eine Aktivlenkung des Fahrzeugs gebildet wird. Insbesondere können durch die Steuerung 22 eine Lenkwinkelüberlagerungsfunktion und eine Lenkkraftunterstützungsfunktion des Lenkgetriebes 6 auf der Grundlage eines Lenkwinkelsignals, eines Lenkgeschwindigkeitssignals sowie beispielsweise einer Fahrzeuggeschwindigkeit angesteuert werden. Beispielsweise kann bei einem Verdrehen des Lenkrads 2 der letztlich auf die Räder 16 wirkende effektive Drehwinkel über die Steuerung 22 abhängig vom Fahrzustand, der durch von den Sensoren 18, 20 oder sonstigen geeigneten Sensoren erfasste Parameter gekennzeichnet ist, beeinflusst werden, indem dem durch das Lenkrad 2 erzeugten Drehwinkel ein zusätzlicher Drehwinkel in positiver oder negativer Richtung überlagert wird.
Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe 6 wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 näher erläutert.
In dem Lenkgetriebegehäuse 21 sind ein Übersetzungsgetriebe 23, ein Winkelgetriebe 24, eine Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27, eine Winkelstelleinheit 29 sowie eine Lenkkraftunterstützungsanordnung 33 angeordnet. Weiterhin erstreckt sich die Kugelumlaufspindel 12 durch das Lenkgetriebegehäuse 21 hindurch, wobei die Lenkwinkelüberlagerungsan ordnung 27, die Winkelstelleinheit 29 und die Lenkkraftunterstützungsanordnung 33 jeweils koaxial zu der Spindellängsachse B angeordnet sind. Auf der Kugelumlaufspindel 12 ist eine Kugelumlaufmutter 26 verdrehbar, jedoch axial unverschiebbar angeordnet, die sowohl mit der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 als auch mit der Lenkkraftunterstützungsanordnung 33 verbunden ist. Das Lenkgetriebegehäuse 21 besteht im Wesentlichem aus zwei abgestuften hohlzylindrischen Gehäusehälften 21a, 21b, wie es insbesondere aus 3 erkennbar ist. Grundsätzlich kann das Übersetzungsgetriebe 23 auch in einem separatern Gehäuse außerhalb des Lenkgetriebegehäuses 21 angeordnet sein.
Die Eingangswelle 5 ist mit dem Übersetzungsgetriebe 23 verbunden, so dass beim Verdrehen des Lenkrads 2 eine Drehbewegung der Lenkgelenkwelle 4 über die Eingangswelle 5 in das Übersetzungsgetriebe 23 geleitet und gemäß deren Lenkwinkelübersetzung entsprechend verändert wird. Die veränderte Drehbewegung wird durch das Winkelgetriebe 24 zu der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 geführt wobei das Winkelgetriebe 24 beispielsweise als Schraubrad-, Kegelrad-, Kronenrad- oder Hypoidkegelradgetriebe ausgeführt werden kann.
Das Übersetzungsgetriebe 23 ist in dem zwei Gehäusehälften 42a, 42b umfassenden Gehäuseabschnitt 42 unterbracht und umfasst erste und zweite Planetenradsätze 44, 46. Der erste Planetenradsatz 44 weist ein Sonnenrad 44_S , einen Planetenträger 44_PT , Planetenräder 44_PR sowie ein Hohlrad 44_HR auf. In ähnlicher Weise umfasst der zweite Planetenradsatz 46 ein Sonnenrad 46_S , einen Planetenträger 46_PT , Planetenräder 46_PR sowie ein Hohlrad 46_HR , wobei Sonnenrad 44_S und Planetenträger 46_PT drehfest miteinander verbunden bzw. einstückig ausgebildet sind. Während die Planetenräder 44_PR , 46_PR an den jeweiligen Planetenträgern 44_PT , 46_PT drehbar gelagert sind, sind die Hohlräder 44_HR , 46_HR drehfest mit dem Gehäuseabschnitt 42 verbunden. Der Planetenträger 44_PT ist drehfest mit der Eingangswelle 5 verbunden und wird durch diese angetrieben. Das Sonnenrad 44_S sowie der damit verbundene Planetenträger 46_PT wiederum durch die Planetenräder 44_PT angetrieben, wobei der Planetenträger 46_PT die Planetenräder 46_PR und dadurch letztlich das Sonnenrad 46_S antreibt.
Das Sonnenrad 46_S ist über eine um eine Achse C drehbar gelagerte Ausgangswelle 48 drehfest mit dem Winkelgetriebe 24 verbunden. Dazu ist am Ende der Ausgangswelle 48 ein Zahnrad 50 vorgesehen, das mit einem Zahnrad 52 kämmt und zusammen mit diesem das Winkelgetriebe 24 bildet. Das Zahnrad 52 ist drehfest auf einer ersten Hohlwelle 54 angeordnet, die koaxial zu der Spindellängsachse B angeordnet ist und durch die sich die Kugelumlaufspindel 12 hindurch erstreckt. Da die Achse C schräg zur Spindellängsachse B verläuft können die Zahnräder 50, 52 beispielsweise als Schraubenräder ausgebildet sein.
Die Hohlwelle 54 erstreckt sich entlang der Kugelumlaufspindel 12 in Richtung zu der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 und ist drehfest mit einem einen ersten Eingang 55 der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 bildenden Eingangszahnrad 56 verbunden. Insbesondere kann die Hohlwelle 54 einstückig mit dem Eingangszahnrad 56 ausgebildet sein, wie es aus 3 zu erkennen ist.
Die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 ist als Planentengetriebe 28 ausgebildet, wobei das Eingangszahnrad 56 das eingangsseitige Sonnenrad bildet, das mit Planetenrädern 60 kämmt. Die Planetenräder 60 besitzen jeweils zwei koaxial zueinander angeordnete, fest miteinander verbundene Planetenradabschnitte 58, 64, wobei der Durchmesser und die Zahnzahl des Planetenradabschnitts 58 jeweils kleiner als der Durchmesser und die Zahnzahl des Planetenradabschnitts 64 sind.
Weiterhin ist ein Umlaufgehäuse 63 vorgesehen, das über Schrägwälzlager 72 gegenüber dem Lenkgetriebegehäuse 21 verdrehbar aber unverschiebbar gelagert ist. Das Umlaufgehäuse 63 bildet einen Planetenträger 61 des Planetengetriebes 28 und umfasst zwei Gehäusehälften 63a, 63b, zwischen denen die Planetenräder 60 drehbar gelagert sind.
Die zweiten Planetenradabschnitte 64 der Planetenräder 60 kämmen jeweils mit einem Ausgangszahnrad 66 der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27, das drehfest mit der Kugelumlaufmutter 26 verbunden ist. Insbesondere kann das Ausgangszahnrad 66, das ein ausgangsseitiges Sonnenrad des Planetengetriebes 28 bildet, einstückig mit der Kugelumlaufmutter 26 ausgebildet sein, wie es in 3 dargestellt ist. Das Ausgangszahnrad 66 bildet somit einen Ausgang 67 und das Umlaufgehäuse 63 einen zweiten Eingang 62 der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27.
Die Anzahl der Planetenräder 60 kann der Belastung und der Montierbarkeit entsprechend variieren, mindestens eins ist jedoch erforderlich. Um eine gewünschte Übersetzung zu erreichen, besitzt der Planetenradabschnitt 64 eine größere Anzahl von Zähnen sowie einen größeren Durchmesser als der Planetenradabschnitt 58, wobei die beiden Sonnenräder 56, 66 eine jeweils daran angepasst unterschiedliche Zähnezahl sowie einen entsprechend angepassten unterschiedlichen Durchmesser besitzen.
Die Kugelumlaufmutter 26 sowie die Hohlwelle 54 sind in dem Umlaufgehäuse 63 mittels Kugellager 70, beispielsweise Doppelschrägkugellager drehbar aber axial unverschiebbar gelagert. An dem von dem Winkelgetriebe 24 abgewandten Ende des Umlaufgehäuses 63 ist eine Scheibe 74 befestigt, in der eine Anzahl von sich parallel zur Spindellängsachse B erstreckenden Stiften 76 eingesetzt ist. Über diese Stifte 76 ist der zweite Eingang 62 der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 mit der Winkelstelleinheit 29 gekoppelt.
Die Winkelstelleinheit 29 umfasst ein Exzentergetriebe 30 sowie einen ersten Elektromotor 32, die innerhalb des Lenkgetriebegehäuses 21 hintereinander liegend koaxial zu der Spindellängsachse B angeordnet sind.
Das Exzentergetriebe 30 umfasst ein mit dem Lenkgetriebegehäuse 21 fest verbundenes Hohlrad 80, eine Exzenterwelle 82 sowie zwei Planetenräder 84, 86. Die Exzenterwelle 82 ist über ein Lager 81 um die Spindellängsachse B drehbar an dem Lenkgetriebegehäuse 21 gelagert und besitzt eine Längsbohrung 83, durch die sich die Kugelumlaufspindel 12 hindurch erstreckt. Ausgehend von dem dem Lager 82 zugeordneten freien Ende der Exzenterwelle 82, besitzt diese zunächst einen konzentrischen Abschnitt 87, an den sich zwei um 180° gegeneinander versetzte exzentrische Ringabschnitte 92, 94 sowie ein weiterer konzentrischer Abschnitt 95 anschließen. Der Abschnitt 95 ist dabei über ein Lager 96 drehbar an der Scheibe 74 gelagert.
Die Planetenräder 86, 84 sind jeweils über Lager 89, 91 an den exzentrischen Ringabschnitten 92 bzw. 94 gelagert, wie es insbesondere auch aus 5 deutlich erkennbar ist, so dass auch die beiden Planetenräder 84, 86 um 180° gegeneinander versetzt sind. Die Ringabschnitte 92, 94 sind um Achsen D bzw. E zentriert, die gegenüber der Spindellängsachse B in entgegengesetzten Richtungen versetzt sind.
Die Stifte 76 ragen in Gleitbuchsen 88, 90 hinein, die in kreisförmige Öffnungen der Planetenräder 84 bzw. 86 eingesetzt sind, so dass die Stifte beim Verdrehen der Planetenräder 84 und 86 von diesen mitgenommen werden. Die Planetenräder 84, 86 sind von der Exzenterwelle 82 angetrieben und rollen um 180° gegeneinander versetzt in dem Hohlrad 80 ab.
Der Elektromotor 32 umfasst einen fest im Lenkgetriebegehäuse 21 verankerten Stator 102 sowie einen um die Spindellängsachse B verdrehbaren Rotor 100, durch den die Exzenterwelle 82, die Planetenräder 84, 86, die Stifte 76 und damit das den zweiten Eingang 62 der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 bildende Umlaufgehäuse 63 antreibbar sind. Solange sich der Rotor 100 nicht dreht, bleibt hingegen auch das Umlaufgehäuse 63 im Stillstand. In diesem ersten Betriebsmodus übertragen die Zahnräder 58, 64 des Planetengetriebes 28 die Drehbewegung von dem Eingangszahnrad 56 auf das Ausgangszahnrad 66 mit einer von der Zähnezahl der Zahnräder abhängigen gleich bleibenden Übersetzung. Wird jedoch in einem zweiten Betriebsmodus das Umlaufgehäuse 63 mittels des Elektromotors 32 angetrieben, wird dessen Drehzahl dem Ausgangszahnrad 66 überlagert, wodurch eine variable Übersetzung entsteht. Auf diese Weise wird die vom Lenker vorgegebene Lenkbewegung beeinflusst und eine Aktivlenkung verwirklicht.
Die jeweils resultierende Drehbewegung des Ausgangszahnrads 66 wird auf die Kugelumlaufmutter 26 übertragen, die innerhalb des Lenkgetriebegehäuses 21 verdrehbar aber axial unverschiebbar gelagert ist. Bei einer Verdrehung der Kugelumlaufmutter 26 wird daher die durch die Kugelumlaufmutter 26 hindurch geführte Kugelumlaufspindel 12 axial entlang der Spindellängsachse B bewegt, wodurch die Bewegung der Räder 16 mit dem gewünschte effektiven Lenkwinkel erzeugt wird.
Zusätzlich zu der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung 27 ist in dem von der Winkelstelleinheit 29 abgewandten Ende des Lenkgetriebegehäuses 21 die Lenkkraftunterstützungsanordnung 33 vorgesehen, durch die eine Drehmoment- oder Lenkkraftunterstützung erfolgt. Die Lenkkraftunterstützungsanordnung 33 umfasst einen zweiten Elektromotor 34 und ein beispielsweise als Planetengetriebe 38 ausgebildetes Untersetzungsgetriebe, das über eine koaxial zu der Spindellängsachse B angeordnete Hohlwelle 40 mit der Kugelumlaufmutter 26 drehwirksam verbunden ist. Dabei ist zum einen die Kugelumlaufspindel 36 in der Hohlwelle 40 axial frei bewegbar und zum anderen die Hohlwelle 40 innerhalb der Hohlwelle 54 verdrehbar angeordnet.
Die drehfeste Verbindung zwischen der Hohlwelle 40 und der Kugelumlaufmutter 26 erfolgt über ein Keilwellenprofil 110, das an dem freien Ende der Hohlwelle 40 ausgebildet ist. Das andere Ende der Hohlwelle 40 weist einen radial erweiterten Abschnitt auf, der als Planetenträger 38_PT des Planetengetriebes 38 ausgebildet ist. Das Planetengetriebe 38 umfasst weiterhin an dem Planetenträger 38_PT drehbar gelagerte Planetenräder 38_PR sowie ein mit dem Lenkgetriebegehäuse 21 fest verbundenes Hohlrad 38_HR und ein Sonnenrad 38_S . Das Sonnenrad 38_S ist mit einem Rotor 104 drehfest verbunden, der zusammen mit einem fest mit dem Lenkgetriebegehäuse 21 verbundenen Stator 106 den zweiten Elektromotor 34 bildet.
Zur Lenkkraftunterstützung wird der Elektromotor 34 von der Steuerung 22 angesteuert, so dass das erzeugte Drehmoment über die Hohlwelle 40 direkt auf die Spindelumlaufmutter 26 übertragen und dem vom Lenker über das Lenkrad 2 aufgebrachten Lenkdrehmoment überlagert wird.
Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe besitzt einen kompakten und einfachen Aufbau, so dass es ohne Probleme innerhalb des Motorraums eines Fahrzeugs eingebaut werden kann. Durch den Einbau quer zur Fahrtrichtung und die konsequente koaxiale Anordnung der einzelnen Komponenten zur Spindellängsachse wird innerhalb des Motorraums im Bereich des Motors praktisch kein Platz benötigt. Zudem verwendet das Lenkgetriebe keine zusätzlichen Komponenten, beispielsweise Zahnstange und Ritzel, um eine mit der Lenkwinkelüberlagerung kombinierte Lenkkraftunterstützung zu verwirklichen. Somit sind auch die Herstellungskosten gegenüber herkömmlichen Lenkgetrieben reduziert.

1: Fahrzeuglenkanordnung
2: Lenkrad
4: Lenkgelenkwelle
6: Lenkgetriebe
5: Eingangswelle
12: Kugelumlaufspindel
14: Spurstange
16: Räder
18, 20: Sensoren
21: Lenkgetriebegehäuse
21a, 21b: Gehäusehälften
22: Steuerung
23: Übersetzungsgetriebe
24: Winkelgetriebe
26: Kugelumlaufmutter
27: Lenkwinkelüberlagerungsanordnung
28: Planetengetriebe
29: Winkelstelleinheit
30: Exzentergetriebe
32: Elektromotor
33: Lenkkraftunterstützungsanordnung
34: Elektromotor
38: Planetengetriebe
38_S: Sonnenrad
38_PT: Planetenträger
38_PR: Planetenrad
38_HR: Hohlrad
40: Hohlwelle
42: Gehäuseabschnitt
42a, 42b: Gehäusehälfte
44, 46: Planetenradsatz
44_S, 46_S: Sonnenrad
44_PT, 46_PT: Planetenträger
44_PR, 46_PR: Planetenrad
44_HR, 46_HR: Hohlrad
48: Ausgangswelle
50, 52: Zahnrad
54: Hohlwelle
55: erster Eingang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung
56: Eingangszahnrad
58: Planetenradabschnitt
60: Planetenräder
61: Planetenträger
62: zweiter Eingang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung
63: Umlaufgehäuse
63a, 63b: Gehäusehälften
64: Planetenradabschnitt
66: Ausgangszahnrad
67: Ausgang der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung
70: Kugellager
72: Schrägwälzlager
74: Scheibe
76: Stifte
80: Hohlrad
81: Lager
82: Exzenterwelle
83: Längsbohrung
84, 86: Planetenräder
87: konzentrischer Abschnitt der Exzenterwelle
88, 90: Gleitbuchsen
89, 91: Lager
92, 94: exzentrische Ringabschnitte der Exzenterwelle
95: konzentrischer Abschnitt der Exzenterwelle
96: Lager
100, 104: Rotor
102, 106: Stator
110: Keilwellenprofil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6102151 [0002, 0003]

Claims

Lenkgetriebe mit einer Kugelumlaufmutter (26), einer in der Kugelumlaufmutter (26) laufenden Kugelumlaufspindel (12), die durch Verdrehen der Kugelumlaufmutter (26) entlang einer Spindellängsachse (B) axial verschiebbar ist, einer Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) zum Erzeugen einer Aktivlenkung und einer Winkelstelleinheit (29) zum selektiven Ansteuern der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27), dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufmutter (26) mit einem Lenkrad (2) antriebswirksam verbunden ist und dass die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) die Kugelumlaufmutter (26) zur Erzeugung eines effektiven Lenkwinkels zusätzlich selektiv antreibt.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) einen ersten und einen zweiten Eingang (55, 62) sowie einen Ausgang (67) aufweist, wobei das Lenkrad (2) mit dem ersten Eingang (55), die Winkelstelleinheit (29) mit dem zweiten Eingang (62) und der Ausgang (67) mit der Kugelumlaufmutter (26) antriebswirksam verbunden sind.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) als auch die Winkelstelleinheit (29) koaxial zu der Spindellängsachse (B) innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses (21) angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwinkelüberlagerungeanordnung (27) ein Planetengetriebe (28) umfasst, dessen Ausgang (67) mit der Kugelumlaufmutter (26) antriebswirksam verbunden ist, wobei die Kugelumlaufmutter (26) durch das Planetengetriebe (28) entsprechend einem vom Fahrer vorgegebenen, auf den ersten Eingang (55) wirkenden Lenkdrehmoment angetrieben wird.
Lenkgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (28) ein Eingangszahnrad (56), zumindest ein mit dem Eingangszahnrad (56) kämmendes, an einem Planetenträger (61) drehbar gelagertes Planetenrad (60) sowie ein mit dem Planetenrad (60) kämmendes Ausgangszahnrad (66) umfasst.
Lenkgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad (56) und/oder der Planetenträger (61) und/oder das Ausgangszahnrad (66) koaxial zu einer gemeinsamen Drehachse, insbesondere zu der Spindellängsachse (B) angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (61) in einem ersten Betriebsmodus, in dem keine Lenkwinkelkorrektur stattfindet, unverdrehbar gehalten ist, und in einem zweiten Betriebsmodus, in dem eine Lenkwinkelkorrektur stattfindet, von der Winkelstelleinheit (29) angetrieben ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad (56) den ersten Eingang (55) der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) bildet.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (61) den zweiten Eingang (62) der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) bildet.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangszahnrad (66) den Ausgang (67) der Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) bildet.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad (56) und das Ausgangszahnrad (66) als Sonnenräder ausgebildet sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad als Hohlräder ausgebildet sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad als Sonnenrad und das Ausgangszahnrad als Hohlrad oder umgekehrt ausgebildet sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenrad (60) zwei koaxial zueinander angeordnete, drehfest miteinander verbundene Planetenradabschnitte (58, 64) umfasst, die insbesondere eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen besitzen.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad (56) und das Ausgangszahnrad (66) eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen besitzen.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangszahnrad (66) einstückig mit der Spindelumlaufmutter (26) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lenkkraftunterstützungsanordnung (33) vorgesehen ist, die die Kugelumlaufmutter (26) zusätzlich selektiv antreibt.
Lenkgetriebe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkkraftunterstützungsanordnung (33) koaxial zu der Spindellängsachse (B) innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses (21) angeordnet ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkkraftunterstützungsanordnung (33), die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) und die Winkelstelleinheit (29) entlang der Spindellängsachsachse (B) hintereinander liegend angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkkraftunterstützungsanordnung (33) einen Elektromotor (34) und ein durch den Elektromotor (34) antreibbares Planetengetriebe (38) umfasst.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (34) einen Stator (106) und einen Rotor (104) umfasst und dass der Rotor (104) um die Spindellängsachse (B) drehbar gelagert ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle (40) vorgesehen ist, durch die die Lenkkraftunterstützungsanordnung (33) mit der Kugelumlaufmutter (26) verbunden ist, und dass sich die Kugelumlaufspindel (12) durch die Hohlwelle (40) hindurch erstreckt.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle (54) vorgesehen ist, durch die das Lenkrad (2) drehwirksam mit der Kugelumlaufmutter (26) verbunden ist, und dass sich die Kugelumlaufspindel (12) durch die Hohlwelle (54) hindurch erstreckt.
Lenkgetriebe nach den Ansprüchen 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hohlwelle (40) durch die Hohlwelle (54) hindurch erstreckt.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstelleinheit (29) ein Untersetzungsgetriebe (30) und einen Elektromotor (32) umfasst, wobei der Kraftfluss von dem Elektromotor (32) durch das Untersetzungsgetriebe (30) an die Kugelumlaufmutter (26) erfolgt.
Lenkgetriebe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (32) einen Stator (102) und einen Rotor (100) umfasst, die konzentrisch zur Spindellängsachse (B) angeordnet sind, und dass der Rotor (100) um die Spindellängsachse (B) verdrehbar ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe als um die Spindellängsachse (B) drehbar gelagertes Exzentergetriebe (30) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Fahrer vorgegebene Lenkdrehmoment um eine Achse (C) gerichtet ist, die quer zur Spindellängsachse (B) verläuft.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwinkelüberlagerungsanordnung (27) innerhalb eines Umlenkgehäuses (63) angeordnet ist und dass das Umlenkgehäuse (63) innerhalb des Lenkgetriebegehäuses (21) drehbar um die Spindellängsachse (B) gelagert ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Übersetzungsgetriebe (23) vorgesehen ist, durch welches das von dem Fahrer vorgegebene Lenkdrehmoment auf die Kugelumlaufmutter (26) übertragen wird.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer schräg oder quer zur Spindellängsachse (B) angeordneten Lenkgelenkwelle (4) und der Kugelumlaufmutter (26) ein Getriebe (24) vorgesehen ist, durch das eine durch das Lenkdrehmoment bewirkte Drehung der Lenkgelenkwelle (4) in eine Drehung der Kugelumlaufmutter (26) umgesetzt wird.
Fahrzeuglenkanordnung (1) mit einem Lenkgetriebe (6) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche.
Fahrzeuglenkanordnung (1) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindellängsachse (B) quer zur Längsachse (A) eines Fahrzeuges verläuft.
Fahrzeuglenkanordnung (1) nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindellängsachse (B) parallel zu einer Vorderachse des Fahrzeugs verläuft und insbesondere mit dieser zusammenfällt.