DE102009033430A1

DE102009033430A1 - Lenkaktuator

Info

Publication number: DE102009033430A1
Application number: DE200910033430
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schweiger; Peter Del Negro
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-01-20

Abstract

Es wird ein Lenkaktuator mit einem Lenkgehäuse, einer in dem Lenkgehäuse angeordneten Antriebsspindel und einem mit der Antriebsspindel antriebswirksam verbundenen Elektromotor beschrieben, wobei die Antriebsspindel ein Bewegungsgewinde zum Umsetzen einer von dem Elektromotor erzeugten Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung der Antriebsspindel aufweist. Erfindungsgemäß wirkt das Bewegungsgewinde zur Erzeugung der Translationsbewegung der Antriebsspindel mit einem gehäusefesten Gegengewinde zusammen. Weiterhin wird eine Fahrzeuglenkanordnung mit einem solchen Lenkaktuator beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lenkaktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin ist die Erfindung auf eine Fahrzeuglenkanordnung mit einem solchen Lenkaktuator gerichtet.
Bei den bekannten am Markt befindlichen EPS (Electric Power Steering) Systemen mit Antrieb über Gewindemutter und Gewindespindel erfolgt die Umsetzung der Drehbewegung des Lenkrades in eine der Lenkaktion entsprechende Axialbewegung über eine axial fixierte, mittels Hohlwellenmotor oder über Zahnriementrieb angetriebene Gewindemutter und eine axial bewegliche, gegen Verdrehung gesicherte Hubspindel. In dieser Konfiguration muss die Mutter axial fixiert und die Spindel gegen Verdrehung gesichert werden. Dies erhöht den Bauraumbedarf, erfordert zusätzliche Bauteile (Gewindemutter, Elemente zur Verdrehsicherung, Führungselemente, Wälzlager, ...) und bewirkt unerwünschte Reibungswiderstände.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Lenkaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Lenkaktuator werden Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten gegenüber bekannten EPS Lenksystemen, insbesondere von solchen mit EAFS-Funktion (Aktivlenkung) reduziert. Außerdem wird eine Wirkungsgraderhöhung durch die Verwendung von elektrischen Systemen, die bei Bedarf aktiviert werden, erreicht.
Durch die Spindellagerung über das Bewegungsgewinde im Lenkgehäuse wird erstmals eine Lösung mit rotierender und zugleich axial bewegter Antriebsspindel realisiert. Durch die ”Steer-by-wire”-Tauglichkeit, den einfachen Aufbau und die optionale AFS-Ausstattung eröffnet sich ein großes Einsatzgebiet. Durch den optionalen koaxialen Antrieb ist der Lenkaktuator auch für Fahrzeuge mit hohen Spurstangenkräften geeignet und eine sehr kompakte Bauweise möglich. Eine Ausführung der Antriebsspindel als Kugelgewindespindel zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist möglich.
Der Lenkaktuator ist prinzipiell bei einer Vorderradlenkung wie auch bei einer Hinterradlenkung einsetzbar.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
Die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen werden bevorzugt für die Lenkung der Vorderräder eines Kraftfahrzeugs verwendet. Grundsätzlich können sie jedoch auch bei einer Hinterradlenkung eingesetzt werden.
In 1 ist eine Antriebsspindel 1 über ein Bewegungsgewinde 2 (z. B. Trapezgewinde, Kugelumlaufgewinde) in einem ein Gegengewinde 6 aufweisenden Lenkgehäuse 3 gelagert. Eine Servounterstützung erfolgt über ein mit der Ankerwelle eines Antriebsmotors 4 (Aktuatormotor EPS) verbundenes Antriebsritzel 5, welches mit dem an der Antriebsspindel 1 schraubenförmig mit Gewindesteigung p_g 7 verlaufenden Bewegungsgewinde 2 in Eingriff steht. Dies ermöglicht eine der Drehbewegung überlagerte Axialbewegung der Antriebsspindel (Dreh-Hub-Bewegung).
Eine an den Spindelenden erforderlich Drehentkoppelung zu rein translatorisch bewegbaren Abschnitten der Antriebsspindel 1 erfolgt über gleit- oder wälzgelagerte Kugelgelenke 8 oder über axial vorgespannte Wälzlager. Grundsätzlich können die rein translatorisch bewegbaren Abschnitte als zusätzliche Teile oder durch die Spurstangen des Kraftfahrzeugs gebildet werden.
Eine Lenksäule 9 ist mit dem Steg als Eintriebselement einer Planetenstufe 10 drehfest verbunden. Der Abtrieb erfolgt über das Sonnenrad, welches drehfest mit einem Lenkritzel 11 verbunden ist und wiederum mit einer an der Antriebsspindel 1 schraubenförmig mit Gewindesteigung p_g verlaufenden Verzahnung 12 im Eingriff steht. Diese Verzahnung kann dabei durch das Bewegungsgewinde 2 oder durch ein separates Gewinde gebildet sein und in letzterem Fall eine von p_g unterschiedliche Gewindesteigung besitzen. Das Hohlrad 14 der Planetenstufe 10 ist gehäusefest. Weiterhin ist ein Drehmomentsensor 13 im Lenkgehäuse 3 integriert und dabei vor der Planetenstufe 10 angeordnet.
Bei der in 2 dargestellten Ausführung mit integrierter EAFS-Funktion ist das Hohlrad 14 über eine zusätzliche Außenverzahnung 15 mittels eines selbsthemmenden Schneckentriebs 16 mit einem Aktuatormotor 17 für die Winkelüberlagerung (Aktuatormotor AFS) verbunden. Durch die Selbsthemmung wird bei inaktiver AFS-Funktion (Aktuatormotor AFS unbestromt) eine konstante Übersetzung von Lenkraddrehwinkel zu Spindelhub gewährleistet. Bei aktiver AFS-Funktion kann über das Hohlrad 14 mittels des Aktuatormotors 17 eine zusätzliche Winkelüberlagerung aufgebracht und somit das Übersetzungsverhältnis von Lenkraddrehwinkel zu Spindelhub beeinflusst werden. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 2 der in 1 dargestellten Ausführungsform.
Eine in 3 dargestellte Ausführungsform verwendet eine rotierende und axial verschiebbare, auf einer Betätigungsstange 22 in axialer Richtung über Axiallager oder Anlaufscheiben 23 fixierte, jedoch mit dieser nicht drehfest verbundenen Gewindehülse 25 als Antriebselement der Betätigungsstange. Die Gewindehülse 25 und die Betätigungsstange 22 bilden zusammen eine zweiteilige Antriebsspindel 1. Die Gewindehülse 25 ist über das im Lenkgehäuse 3 befindliche Innengewinde (Gegengewinde 6) zentriert und gelagert.
Der Antrieb der Gewindehülse 25 erfolgt über ein mit der Ankerwelle des Antriebsmotors 4 verbundenes Antriebsritzel 5, welches mit dem an der Gewindehülse 25 schraubenförmig mit Gewindesteigung p_g 7 verlaufenden Bewegungsgewinde 2 in Eingriff steht.
Die Verdrehsicherung der Betätigungsstange 22 relativ zum Gehäuse 3 muss nicht mehr – wie beim Stand der Technik erforderlich – das gesamte Antriebsmoment, sondern nur noch das in der Axiallagerung entstehende Reibmoment abstützen. Die Gefahr des Verklemmens der Antriebspindel 1 im Gehäusegewinde 6 durch an der Betätigungsstange 22 eingeleitete Querkräfte wird somit deutlich reduziert. Eine Drehentkoppelung an den Spindelenden kann entfallen.
Die Lenksäule 9 ist mit dem Steg als Eintriebselement der Planetenstufe 10 drehfest verbunden. Der Abtrieb erfolgt über das Sonnenrad, welches drehfest mit dem Lenkritzel 11 verbunden ist und wiederum mit dem an der Gewindehülse 25 schraubenförmig mit Gewindesteigung p_g verlaufenden Bewegungsgewinde 2 in Eingriff steht. Das Hohlrad 14 kann wie bei der Ausführung nach 1 gehäusefest sein, so dass eine konstante Übersetzung zwischen Lenkraddrehbewegung und Spindelhub gegeben ist. In 3 ist – wie bei der Ausführung nach 2 – eine Ausführung als Aktivlenkung mit einem Aktuatormotor 17 dargestellt. Der Drehmomentsensor 13 ist im Lenkgehäuse 3 integriert und vor dem Planetensatz angeordnet.
In einer in 4 dargestellten weiteren Ausführungsform erfolgt der Eingriff des Lenkritzels 11 über eine konventionelle Zahnstangenverzahnung 26. Somit kann eine Verdrehsicherung der in Buchsen 27 gleit- oder wälzgeführten Betätigungsstange 22 gänzlich entfallen. Auch bei dieser Ausführung kann wiederum eine Planetenstufe 10 mit oder ohne Aktuatormotor 17 vorgesehen sein.
Die in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen werden bevorzugt für die Lenkung der Hinterräder verwendet. Grundsätzlich können Sie jedoch auch für die Lenkung der Vorderräder, insbesondere bei einer Steer-by-Wire-Lösung eingesetzt werden.
Die 5 und 6 zeigen jeweils einen Lenkaktuator mit einem im Lenkgehäuse 3 über ein Bewegungsgewinde 2 gelagerten Antriebsspindel 1 mit koaxial angeordnetem Servomotor 4, wobei der Rotorkern 21 des Servomotors 4 in die Antriebsspindel 1 integriert und der Stator 20 gehäusefest angeordnet sind.
Diese Bauweise eignet sich besonders für Anwendungen mit kleinen Hüben, geringer Spindelsteigung (auch im Bereich der Selbsthemmung) und begrenzten Lenkkräften und ist somit bevorzugt für die Anwendung als Zentralaktuator in Hinterachslenksystemen geeignet.
Eine für die Anwendung als Vorderachslenkung erforderliche Anbindung zur Lenksäule kann – wie zu den 1 bis 4 beschrieben – beispielsweise über ein Lenkritzel mit zwischengeschalteter Planetenstufe. Dadurch kann die erforderliche Gewindesteigung reduziert werden und mit geringem Aufwand eine zusätzliche EAFS-Funktionalität integriert werden.
Grundsätzlich kann das Konzept als elektromechanischer Linearaktuator auch für andere Anwendungen im Kfz-Bereich eingesetzt werden z. B. als elektromechanischer Linearzylinder insbesondere für die Betätigung von Verdecksystemen und in verkleinerter Bauweise als kompakter Einzelaktuator für Anwendungen in E-Brake Systemen, als aktiver Stabilisator, Schaltaktuator, Kupplungssteller, etc.
Bei dem in 5 dargestellten System ist die Antriebsspindel 1 über das Bewegungsgewinde 2 (z. B. Trapezgewinde, Kugelumlaufgewinde) im Lenkgehäuse 3 gelagert.
Der Stator 20 des Antriebsmotors 4 ist gehäusefest ausgeführt. Über einen in der Antriebsspindel 1 integrierten aus Magnetstäben bestehenden Rotorkern 21 erfolgt die Übertragung des Antriebsmomentes. Die Rotorlänge überragt die Statorlänge beidseitig um die die erforderliche Hublänge.
An den Spindelenden erfolgt die erforderliche Drehentkoppelung zu den rein translatorisch bewegbaren Abschnitten der Antriebsspindel bzw. zu den Spurstangen über gleit- oder wälzgelagerte Kugelgelenke 8 oder über axial vorgespannte Wälzlager. Grundsätzlich kann bei der Ausführungsform nach 5 auch wieder durch einen zusätzlichen Aktuatormotor 17 eine Lenkwinkelüberlagerung realisiert werden, wie es zu den 2 und 3beschrieben wurde. Der Eingriff des Lenkritzels 11 kann, wie zur 4 beschrieben, über eine konventionelle Zahnstangenverzahnung erfolgen.
6 zeigt eine Ausführungsform als Zentralaktuator für ein Hinterachslenksystem. Das Innengewinde 6 im Lenkgehäuse 3 muss nicht wie dargestellt durchgängig vorhanden sein, sondern kann zur Reduktion von Reibung lokal freigestellt sein, wie es durch eine gestrichelte Linie 18 angedeutet ist (z. B. Gehäuseinnengewinde 6 nur im linken und rechten Randbereich, während der Mittelbereich auf größeren Durchmesser freigestellt ist).
Bezugszeichenliste

1: Antriebsspindel
1': Drehabschnitt der Antriebsspindel
1'': rein translatorischer bewegbarer Abschnitt der Antriebsspindel
2: Bewegungsgewinde
3: Lenkgehäuse
4: Antriebsmotor
5: Antriebsritzel
6: Gegengewinde
7: Gewindesteigung
8: Kugelgelenke
9: Lenksäule
10: Planetenstufe
11: Lenkritzel
12: Verzahnung
13: Drehmomentsensor
14: Hohlrad
15: Außenverzahnung
16: Schneckentrieb
17: Aktuatormotor
18: gestrichelte Linie
20: Stator
21: Rotorkern
22: Betätigungsstange
23: Anlaufscheiben
25: Gewindehülse
26: Zahnstangenverzahnung
27: Buchsen

Claims

Lenkaktuator mit einem Lenkgehäuse (3), einer in dem Lenkgehäuse (3) angeordneten Antriebsspindel (1) und einem mit der Antriebsspindel (1) antriebswirksam verbundenen Elektromotor (4), wobei die Antriebsspindel (1) ein Bewegungsgewinde (2) zum Umsetzen einer von dem Elektromotor (4) erzeugten Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung der Antriebsspindel (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsgewinde (2) zur Erzeugung der Translationsbewegung der Antriebsspindel (1) mit einem gehäusefesten Gegengewinde (6) zusammenwirkt.
Lenkaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) über ein Antriebsritzel (5) mit dem Bewegungsgewinde (4) der Antriebsspindel (1) wirkverbunden ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) schräg zur Antriebsspindel (1) angeordnet ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) einen gehäusefesten Stator (20) und einen mit der Antriebsspindel (1) drehfest verbundenen und insbesondere in die Antriebsspindel (1) integrierten Rotor (21) umfasst.
Lenkaktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) koaxial zur Antriebsspindel (1) angeordnet ist.
Lenkaktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (1) einen Drehabschnitt (1') und zumindest einen rein translatorisch bewegbaren Abschnitt (1) umfasst, dass das Bewegungsgewinde (2) an dem Drehabschnitt (1') ausgebildet ist und dass der Drehabschnitt (1) gegenüber dem rein translatorisch bewegbaren Abschnitt (1'') axial unverschiebbar aber verdrehbar ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (1) zwei rein translatorisch bewegbare Abschnitte (1'') umfasst, von denen jeweils einer an einem Ende des Drehabschnitts (1') insbesondere über Koppelelemente (8) befestigt ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehabschnitt (1') als Gewindehülse (25) ausgebildet ist, die von dem rein translatorisch bewegbaren Abschnitt (1'') durchsetzt wird.
Lenkaktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (1) mit einer Lenkwelle (9) antriebswirksam verbunden ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (9) mit einem Lenkritzel (11) wirkverbunden ist und dass das Lenkritzel (11) mit dem Bewegungsgewinde (2) der Antriebsspindel (1) zusammenwirkt.
Lenkaktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (9) mit einem Lenkritzel (11) wirkverbunden ist und dass das Lenkritzel (11) mit einem Zahnstangenabschnitt (26) der Antriebsspindel (1) zusammenwirkt.
Lenkaktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnstangenabschnitt (26) an einem rein translatorisch bewegbaren Abschnitt (1'') der Antriebsspindel (1) ausgebildet ist.
Lenkaktuator nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lenkwelle (9) und dem Lenkritzel (11) ein Untersetzungsgetriebe (10), insbesondere ein Planetengetriebe angeordnet ist, wobei die Lenkwelle (9) mit einem ersten Eingang und das Lenkritzel (11) mit einem Ausgang des Untersetzungsgetriebes (10) wirkverbunden sind.
Lenkaktuator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (10) als Winkelüberlagerungsgetriebe mit einem zweiten Eingang ausgebildet ist und dass der zweite Eingang mit einem Aktuator (17), insbesondere einem Elektromotor wirkverbunden ist.
Lenkaktuator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (17) über ein selbsthemmendes Getriebeelement, insbesondere über einen Schneckentrieb (16) mit dem zweiten Eingang verbunden ist.
Lenkaktuator nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentsensor (13) zur Erfassung des über die Lenkwelle (9) übertragenen Drehmoments vorgesehen ist.
Fahrzeuglenkanordnung mit einem Lenkaktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.