DE102009033912A1

DE102009033912A1 - Lenkgetriebe und Fahrzeuglenkanordnung

Info

Publication number: DE102009033912A1
Application number: DE200910033912
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schweiger
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27
Also published as: WO2011009810A1

Abstract

Es wird ein Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten Antriebsspindel beschrieben. Die Antriebsspindel umfasst zumindest an ihren beiden Enden jeweils ein Gewinde, wobei an jedem Ende ein Kopplungselement mit einem Gegengewinde angeordnet ist, das mit dem jeweiligen Gewinde der Antriebsspindel in Eingriff ist. Weiterhin wird eine Fahrzeuglenkanordnung mit einem solchen Lenkgetriebe beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten Antriebsspindel sowie eine Fahrzeuglenkanordnung mit einem solchen Lenkgetriebe.
Bekannte Lenkanordnungen sind meist entweder als mechanische Zahnstangenlenkungen ausgebildet, bei denen eine Zahnstange durch ein Lenkritzel verschiebbar ist, oder sie umfassen eine Antriebsspindel, die beispielsweise über eine antreibbare Spindelmutter zum Bewegen der Räder des Kraftfahrzeugs translatorisch verschoben werden kann. EPS (Electric Power Steering) Systeme und EAFS (Electric Active Front Steering) Systeme (Aktivlenkungen) müssen dabei üblicherweise durch relativ komplexe Zusatzeinrichtung realisiert werden.
So verwenden bekannte Lenksysteme beispielsweise separate, an der Lenksäule angeordnete Systeme (sogenannte Lenksäulensteiler) für die Winkelüberlagerung bei aktiver AFS-Funktion oder sie sind als hydraulische Hilfskraftlenkungen mit zusätzlicher Überlagerungseinheit für die AFS-Funktion am Lenkritzel ausgebildet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Lenkgetriebe der eingangs genannten Art anzugeben, das sehr kompakt ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Fahrzeuglenkanordnung umfasst die Merkmale des Anspruchs 16.
Das beschriebene Lenkgetriebe ist durch die kompakte Bauweise sowohl für die Anwendung in Vorderachs- als auch in Hinterachslenksystemen geeignet. Eine Integration des Lenkgetriebes in den Hilfsrahmen ist möglich.
Mit der Erfindung wird eine Reduktion von Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten von bekannten EPS Lenksystemen, insbesondere von solchen mit EAFS-Funktion (Aktivlenkung) erreicht. Weiter kann eine Wirkungsgraderhöhung durch die Verwendung von elektrischen Systemen, die bei Bedarf aktiviert werden, erreicht werden. Durch solche optionale elektrische System können EPS- und/oder Aktivlenksystem realisiert werden. Die bei den bekannten Systemen erforderliche Zahnstangenverzahnung entfällt gänzlich. Durch die ”Steer-by-wire”-Tauglichkeit, den einfachen Aufbau und die optionale AFS-Ausstattung eröffnet sich ein großes Einsatzgebiet.
Insbesondere bei koaxialer Bauweise und z. B. Ausführung mit Kugelgewindetrieb ist das Lenkgetriebe auch für hohe Spurstangenkräfte geeignet. Durch die bevorzugt rohrförmige Bauweise und den klein gehaltenen Außendurchmesser ist die Anwendung als Hinterachslenksystem sowie die Integration in den Hilfsrahmen möglich.
Durch eine Aktuatoreinheit bestehend aus einem Hohlwellenmotor, einer an Ihren Enden als Spindel ausgeführten Antriebswelle und einer Überlagerungsgetriebeeinheit (z. B. Planetenradgetriebe) können die Momentenunterstützung (EPS-Funktion) sowie optional die Winkelüberlagerung (EAFS-Funktion) über jeweils einen Elektromotor erfolgen. Die Umsetzung der Drehbewegung der Antriebswelle in eine der Lenkaktion entsprechende Axialbewegung kenn durch je eine axial im Gehäuse geführte und gegen Verdrehung gesicherte Gewindemutter erfolgen.
Der Servomotor kann an einer rotierenden, axial fixierten Antriebsspindel befestigt sein oder beispielsweise über ein Reduktionsgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, mit der Antriebbspindel in Wirkverbindung stehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
In 1 ist ein Lenkgetriebe mit EPS-System gezeigt. Das Lenkgetriebe umfasst einen als Hohlwellenmotor ausgebildeten Aktuatormotor 2, dessen Rotor 1 drehfest mit einer um ihre Rotationsachse 3a verdrehbaren, in axialer Richtung gegenüber einem nicht dargestellten Gehäuse der Lenkeinrichtung unverschiebbar fixierten Antriebsspindel 3 verbunden ist. Grundsätzlich kann der Rotor 1 auch in die Antriebsspindel 3 integriert sein, beispielsweise durch eingelagerte Magnetstäbe.
Die Enden der Antriebsspindel 3 umfassen jeweils ein als Außengewinde ausgebildetes Gewinde 3b, auf die zwei als Gewindemuttern 4 ausgebildete Kopplungselemente aufgeschraubt sind. Grundsätzlich können die Gewinde 3b auch als Innengewinde ausgeführt sein, in die beispielsweise stab- oder rohrförmige Kopplungselemente mit Außengewinde eingeschraubt sind. Dies ist auch bei den Ausführungsformen der 2 bis 4möglich. Die Gewinde 3b sowie die Gegengewinde sind dabei jeweils in gleicher Richtung geneigt und weisen insbesondere jeweils die gleiche Steigung auf, so dass beim Verdrehen der Antriebsspinde 3 die Kopplungselemente 4 jeweils synchron in dieselbe Richtung verschoben werden. Die Kopplungselemente 4 sind zum Verschwenken von nicht dargestellten Rädern des Kraftfahrzeugs mit diesen wirkverbunden.
Wie in 2 dargestellt, kann optional eine Reduktionsgetriebeeinheit 12 zwischen dem Rotor 1 des Hohlwellenmotors 2 und der Antriebsspindel 3 angeordnet sein. Dies gilt auch für die in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen.
Die Kopplungselemente 4 sind in dem Gehäuse des Lenkgetriebes gemäß Doppelpfeilen 14 axial verschiebbar geführt, jedoch gegen Verdrehung gesichert und dienen zur Umsetzung einer Drehbewegung der Antriebsspindel 3 in eine einer Lenkaktion entsprechende Axialbewegung.
Eine solche Drehbewegung kann über eine Lenkwelle 5 erreicht werden, die mit dem Eintriebselement eines optionalen Untersetzungsgetriebes 6 verbunden ist. Das Untersetzungsgetriebe ist als Planetengetriebe ausgebildet, wobei der Planetenträger das Eintriebselement und das Sonnenrad den Ausgang bildet. Während das Hohlrad des Planetengetriebes gehäusefest angeordnet ist, ist das Sonnenrad als Abtriebselement mit einem als Kegelzahnrad ausgebildeten Lenkritzel 7 drehfest verbunden. Das Lenkritzel 7 greift spielarm bzw. durch axiale Vorspannung spielfrei in ein weiteres drehfest mit der Antriebsspindel 3 verbundenes Kegelzahnrad 8 ein, so dass bei einem Verdrehen der Lenkwelle 5 die Antriebsspindel 3 verdreht wird. Grundsätzlich ist auch eine andere Kopplung zwischen der Lenkwelle 5 und der Antriebsspindel 3 möglich.
An der Lenkwelle 5 kann ein Drehmomentsensor 13 vorgesehen sein, der insbesondere vor dem Untersetzungsgetriebe 6 und vorteilhaft innerhalb des Lenkgehäuses angeordnet sowie zur Ermittlung des von der Lenkwelle 5 übertragenen Drehmoments ausgebildet ist.
Zur Erzeugung einer Winkelüberlagerung bei aktiver AFS-Funktion kann das Hohlrad des Untersetzungsgetriebes 6 über eine zusätzliche Außenverzahnung 9 über einen Schneckentrieb 10 selbsthemmend mit einem Aktuatormotor 11 verbunden sein, wie es in den 3 und 4 dargestellt ist. Je nach Anwendungsfall kann dabei der Aktuatormotor 11 parallel zur Antriebsspindel (3) oder senkrecht dazu (4) angeordnet sein. Auch sonstige beliebige Winkel sind möglich.
Durch die Selbsthemmung des Schneckentriebs 10 wird bei inaktiver AFS-Funktion (Aktuatormotor AFS unbestromt) eine konstante Übersetzung von Lenkraddrehwinkel zu Spindelhub gewährleistet. Bei Ausführung ohne AFS-Funktion ist das Hohlrad der Überlagerungsgetriebeeinheit gehäusefest ausgeführt. Die Hohlrad-Außenverzahnung und der Aktuatormotor AFS entfallen in diesem Fall.
Je nach Anwendung können der Hohlwellenmotor 2 und/oder der Aktuatormotor 11 vorgesehen sein oder entfallen. Insbesondere bei Verwendung in einer Hinterachslenkung oder bei einem Steer-by-Wire System kann die Anbindung an eine Lenkwelle 5 entfallen und die Drehbetätigung der Antriebsspindel nur über den Elektromotor 2 erfolgen. In Verbindung mit einer Anbindung an eine Lenkwelle 5 wird der Elektromotor 2 hingegen als Servomotor (Drehmomentunterstützung durch EPS-System) genutzt.
In einer besonderen Ausführungsform können die Kopplugselemente 4 zur Verminderung von Axialspiel und Gleitreibung mit einem Kugelgewinde ausgeführt sein. In einer weiteren besonderen Ausführungsform als Kugelgewindemutter kann diese Kugelgewindemutter derart gestaltet sein, dass die Kugelrückführung des Kugelumlaufs über spezielle an der äußeren Mantelfläche integrierte Nuten erfolgt und somit die Kugelgewindemutter im Gehäuse zusätzlich in axialer Richtung wälzgeführt ist. Die Verdrehsicherung kann am abgesetzten Durchmesser erfolgen.
Mit der Erfindung ist eine einfache und kompakte Realisierung von EPS-(Momentenüberlagerung) und EAFS-Funktion (Winkelüberlagerung) in einer Lenkgetriebeeinheit möglich. Diese kann insbesondere in koaxialer Bauweise, basierend auf einem Spindeltrieb mit rotierender Antriebsspindel, einer optionalen Reduktionsgetriebeeinheit, einer Überlagerungsgetriebeeinheit (z. B. Stirnrad-Planetengetriebe) und zwei Elektromotoren erfolgen. Das System zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. Die bei den bekannten Konzepten erforderliche Zahnstangenverzahnung entfällt gänzlich. Durch eine rohrförmige Bauweise und den klein gehaltenen Außendurchmesser ist dieser Lenkaktuator für die Integration in den Hilfsrahmen geeignet. Bei Anwendung als Hinterachslenksystem ist die Spindel bevorzugt selbsthemmend ausgeführt oder es kann ein zusätzlicher Sperrmechanismus (Bremse, Sperrstift, ...) vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Elektromotor
3: Antriebsspindel
3a: Rotationsachse
3b: Gewinde
4: Kopplungselemente
5: Lenkwelle
6: Untersetzungsgetriebe
7: Lenkritzel
8: Kegelzahnrad
9: Außenverzahnung
10: Schneckentrieb
11: Aktuatormotor
12: Reduktionsgetriebeeinheit
13: Drehmomentsensor
14: Doppelpfeil

Claims

Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten Antriebsspindel (3), die zumindest an ihren beiden Enden jeweils ein Gewinde (3b) umfasst, wobei an jedem Ende ein Kopplungselement (4) mit einem Gegengewinde angeordnet ist, das mit dem jeweiligen Gewinde (3b) der Antriebsspindel (3) in Eingriff ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (4) als Gewindemuttern ausgebildet sind.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (4) gegenüber dem Gehäuse axial verschiebbar aber unverdrehbar gelagert sind.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (3) gegenüber dem Gehäuse verdrehbar aber axial unverschiebbar gelagert ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (2) zum Antreiben der Antriebsspindel (3) vorgesehen ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) konzentrisch zur Antriebsspindel (3) angeordnet ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) einen gehäusefesten Stator sowie einen Rotor (1) umfasst, der mit der Antriebsspindel (3) drehfest verbunden, insbesondere in diese integriert ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) einen gehäusefesten Stator sowie einen Rotor (1) umfasst und dass der Rotor (1) über eine Reduktionsgetriebeeinheit (12), insbesondere ein Planetengetriebe, mit der Antriebsspindel (3) verbunden ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als Hohlwellenmotor ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Lenkwelle (5) antriebswirksam verbindbares oder verbundenes Lenkritzel (7) zum drehbaren Antreiben der Antriebsspindel (3) mit dieser in Wirkverbindung steht.
Lenkgetriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkritzel (7) als Kegelrad ausgebildet ist, das mit einem drehfest mit der Antriebsspindel (3) verbundenen Kegelrad (8) in Eingriff steht.
Lenkgetriebe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lenkritzel (7) ein Untersetzungsgetriebe (6), insbesondere ein Planetengetriebe vorgeschaltet ist, wobei ein Eingang des Untersetzungsgetriebes (6) mit der Lenkwelle (5) verbindbar oder verbunden ist und das Lenkritzel (7) mit einem Ausgang des Untersetzungsgetriebes (6) verbunden ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (6) als Winkelüberlagerungsgetriebe mit einem zweiten Eingang ausgebildet ist und dass der zweite Eingang mit einem Aktuator (11), insbesondere einem Elektromotor wirkverbunden ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) über ein selbsthemmendes Getriebeelement, insbesondere über einen Schneckentrieb (10) mit dem zweiten Eingang verbunden ist.
Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentsensor (13) zur Erfassung des über die Lenkwelle (5) übertragenen Drehmoments vorgesehen ist.
Fahrzeuglenkanordnung mit einem Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungselemente (4) zum Verschwenken von Rädern des Fahrzeugs mit den Rädern, insbesondere über an den Rädern angelenkte Spurstangen, wirkverbunden sind.
Fahrzeuglenkanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (3) schräg zu einer mit der Antriebsspindel (3) antriebswirksam verbundenen Lenkwelle (5) angeordnet ist.