DE102010038715A1

DE102010038715A1 - Kugelgewindetrieb für ein Lenkgetriebe

Info

Publication number: DE102010038715A1
Application number: DE102010038715A
Authority: DE
Inventors: Alexander Vähning; Helmut Bareis
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-31
Also published as: DE102010038715B4

Abstract

Es werden ein Kugelgewindetrieb (10) und ein Lenkgetriebe mit einem solchen Kugelgewindetrieb (10) vorgestellt. Der Kugelgewindetrieb (10) weist eine mittels eines Kugellagers (20) gelagerte Kugelgewindemutter (13) auf, wobei das Kugellager (20) mehrere Kugeln (42) aufweist, die zwischen einem Außenring (22) und einem Innenring (21) angeordnet sind, wobei an zumindest einer der beiden Stirnseiten des Kugellagers (20) ein Federelement (24) vorgesehen ist, wobei das Federelement (24) mit einem Absatz (28) zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgewindetrieb für ein Lenkgetriebe und ein Lenkgetriebe mit einem solchen Kugelgewindetrieb.
Lenkvorrichtungen für Kraftfahrzeuge übertragen einen über ein Lenkrad eingeleiteten Lenkwinkel an ein Stellglied. Bei elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen wird eine solche Unterstützung durch einen Elektromotor bereitgestellt. Zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung wird bspw. ein Kugelgewindebetrieb eingesetzt.
Kugelgewindetriebe umfassen üblicherweise eine mittels eines Kugel- bzw. Wälzlagers gelagerte Kugelgewindemutter, wobei das Kugellager mehrere Kugeln aufweist, die zwischen einem Außenring und einem Innenring gelagert bzw. angeordnet sind. Derartige Kugelgewindetriebe können im Betrieb axialen Stößen ausgesetzt sein, wodurch es im Laufe der Zeit zu Beschädigungen des Kugelgewindetriebes und zu störenden Klappergeräuschen kommen kann. Weiterhin kann es durch die unterschiedliche durch Wärme bedingte Ausdehnung von Außenring und Innenring zu einem vergrößerten Lagerspiel kommen. Dies ist insbesondere nach dem Betriebsstart zu bemerken. Auch dieses erhöhte Lagerspiel verursacht Geräusche, die vermieden werden sollen.
Als Kugellager wird häufig ein Vierpunktlager verwendet. Dabei werden sehr hohe Anforderungen an das Axialspiel gestellt, um ein Umlenkklappern zu vermeiden. Ein Kugellager mit kleinem Axialspiel verursacht jedoch hohe Herstellungskosten und vergrößert die Reibung.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 048 075 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bzw. ein Kugelumlaufgetriebe mit einem einseitig gefederten Kugellager bekannt. Die einseitig am Kugellager anliegende Feder dient dazu, Kippmomente und eine Wärmeausdehnung auszugleichen und gleichzeitig das Kugellager in einem Gehäuse zu fixieren. Aufgrund der einseitigen Federung des Kugellagers können jedoch keine Stöße aufgenommen werden.
In der Druckschrift EP 1 237 777 B1 ist ein Kugelgewindetrieb beschrieben, der über ein Kugellager im Gehäuse gelagert ist. Der Kugelgewindetrieb dient dazu, eine Drehbewegung in eine Längsbewegung einer Schubstange umzuwandeln.
Die Druckschrift EP 2 049 393 B1 beschreibt ein Lenkgetriebe, das in einer Servolenkung zum Einsatz kommt und eine in einem Gestell drehbare, aber axial unverschiebbare Mutter umfasst, wobei die Mutter in einem Radiallager gelagert ist. Das Radiallager stützt sich mit seinem Innenring unmittelbar an der Mutter und mit seinem Außenring unmittelbar mittels eines Fortsatzes an dem Gestell ab. Es ist weiterhin ein Element mit elastomeren Eigenschaften vorgesehen, das als Zwischenlage beim Abstützen vorgesehen ist.
Es wird ein Kugelgewindetrieb für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs angestrebt, bei dem bei einem vorhandenen Axialspiel durch geeignete Maßnahmen eine Reduzierung der Geräusche, insbesondere der Klappergeräusche, ermöglicht wird.
Der vorgestellte Kugelgewindetrieb ist insbesondere für ein Lenkgetriebe einer Kraftfahrzeuglenkung vorgesehen, und weist eine mittels eines Kugellagers gelagerte Kugelgewindemutter auf, wobei das Kugellager mehrere Kugeln aufweist, die zwischen einem Außenring und einem Innenring angeordnet sind. An zumindest einer der beiden Stirnseiten des Kugellagers ist ein Federelement vorgesehen, wobei das Federelement mit einem Absatz zusammenwirkt.
Es ist somit eine Ausführung denkbar, bei der nur an einer der beiden Stirnseiten des Kugellagers ein Federelement vorgesehen ist, das mit einem Absatz zusammenwirkt. Zweckmäßigerweise sind jedoch zwei Federelemente vorgesehen, wobei dann an jeder Stirnseite jeweils ein Federelement vorgesehen ist. Dieses Federelement bzw. diese Federelemente wirkt bzw. wirken dann mit jeweils einem Absatz zusammen und zwar regelmäßig im Bereich des Außenrings des Kugellagers. Durch den besonderen Aufbau wird erreicht, dass das Federelement in einem progressiven Bereich betrieben wird. In Einbaulage können die Federelemente auch schon etwas vorgespannt sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Federelement bzw. Federelemente im Bereich des Innenrings angeordnet ist bzw. sind. Dies kann alternativ oder ergänzend zu Federelementen im Bereich des Außenrings vorgesehen sein.
Im Betrieb wird das Federelement mittels einer Bewegung des Außenrings verbogen, wobei es mit dem Absatz zusammenwirkt und zwar derart, dass es um einen durch den Absatz definierten Punkt gebogen wird, bis es bspw. wiederum an einer Gegenfläche zum Anliegen kommt bzw. an dieser anstößt. Diese Gegenfläche, die mit dem Federelement und dem Absatz zusammenwirkt, kann durch eine Scheibe, die bspw. den Absatz trägt, gebildet sein. Nunmehr befindet sich das Federelement im progressiven Bereich, da ein weiteres Verformen bzw. Verbiegen des Federelements eine erhöhte Kraft und insbesondere eine stetig anwachsende Kraft erforderlich macht.
Die Gegenfläche begrenzt somit die Auslenkung des Federelements und bewirkt, dass ab einer gewissen Auslenkung das Federelement, das um den Absatz gebogen wird, plangedrückt wird, was einen erhöhten Kraftaufwand erforderlich macht.
Durch Betreiben des Federelements bzw. der Federelemente im progressiven Bereich können insbesondere aufgrund des steilen Verlaufs im progressiven Bereich der Kennlinie stoßartige Belastungen in axialer Richtung des Kugellagers zuverlässig gedämpft werden. Daher werden auch störende Klappergeräusche infolge eines Spiels im Kugellager, das auch durch unterschiedliche Erwärmung verursacht sein kann, deutlich reduziert.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das Federelement ein zweckmäßigerweise ebener Federring ist. Dieser Federring ist dann regelmäßig dem Verlauf des Außenrings bzw. dem Verlauf der Stirnseite des Außenrings angepasst. Dabei kann der Federring direkt in Kontakt zu dem Außenring gelangen. Es kann aber auch zwischen Federelement bzw. Federring ein weiteres Element als Zwischenstück, bspw. eine Scheibe, vorgesehen sein. Als Material für das Federelement oder den Federring kommt bspw. Federstahl in Betracht.
Es kann bspw. vorgesehen sein, dass das Federelement im Einbau vorgespannt ist. Auf diese Weise kann genau vorgegeben werden, in welchem Bereich der Kennlinie des Federelements dieses betrieben wird. Die Kennlinie zeigt dabei den Verlauf der Kraft über der Auslenkung und damit die Kraft, die erforderlich ist, um eine bestimmte Auslenkung des Federelements zu bewirken.
Dabei kann die Vorspannkraft derart gewählt sein, dass Vorspannweg und Vorspannkraft im Bereich einer geringen Steigung des progressiven Bereichs der Kennlinie liegen. Somit können Klappergeräusche, die aus dem Spiel im Kugellager resultieren, gedämpft werden. Da das Spiel verglichen mit dem zur Dämpfung benötigten Federweg regelmäßig verhältnismäßig gering ist, können der Vorspannweg und die Vorspannkraft in der Nähe des Übergangs liegen, hinter dem die Kennlinie ansteigt.
In einer weiteren Ausführung ist das Kugellager ein Vierpunktlager. Mit einem solchen Vierpunktlager sind höhere Axialkräfte aufnehmbar.
Der Außenring kann direkt in Kontakt mit dem Federelement bzw. den Federelementen kommen. In einer alternativen Ausführung kann zwischen dem Außenring und dem Federelement eine Scheibe angeordnet sein. Sind an beiden Stirnseiten des Außenrings Federelemente vorgesehen, so bietet es sich an, auch an beiden Seiten zwischen Außenring und jeweiligem Federelement eine Scheibe vorzusehen.
Bei dieser Ausführung kann die Scheibe mit dem Außenring einstückig ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Scheibe im Außenring integriert ist. Der Außenring trägt dann eine Art Fortsatz, der wiederum als Scheibe wirkt.
Es wird weiterhin ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem Kugelgewindetrieb der vorstehend beschriebenen Art vorgestellt.
Dieses Lenkgetriebe kann in einem Lenksystem, bspw. einem Servolenksystem, eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Durch Einsatz des beschriebenen Kugelgewindetriebs in dem Lenkgetriebe werden Geräusche stark reduziert oder gar vollständig vermieden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Kugelgewindetriebs in einer Schnittdarstellung.
2 zeigt ein Federelement im unbelasteten Zustand.
3 zeigt das Federelement in einem Zwischenzustand.
4 zeigt das Federelement im Endzustand.
5 zeigt die Kennlinie des Federelements aus den 2 bis 4.
6 zeigt in einer Draufsicht eine Ausführung eines Federrings.
In 1 ist ein Kugelgewindetrieb dargestellt, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen ist. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Gehäuse 11, eine Zahnstange 12, eine Lenkmutter bzw. eine Kugelgewindemutter 13, ein Kugellager 20, einen Innenring 21, einen Außenring 22, eine erste Scheibe 23, ein Federelement 24, eine zweite Scheibe 26 mit Absatz 28, eine Mutter 30 und eine Riemenscheibe 31.
Im Betrieb wird die Drehbewegung der Kugelgewindemutter 13 in eine Längsbewegung der Zahnstange 12 umgewandelt. Zur Lagerung der Kugelgewindemutter 13 dient das Kugellager 20, das wiederum mehrere Kugeln 42, von denen hier nur eine dargestellt ist, den Außenring 22 und den Innenring 21 umfasst. Durch thermische Ausdehnung, insbesondere durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von Außenring 22 und Innenring 21, kommt es zu einem Lagerspiel, das wiederum zu Klappergeräuschen führt. Diese Klappergeräusche sollen reduziert oder sogar ganz vermieden werden.
1 verdeutlicht die Lagerung des Kugelgewindetriebs 10. Die Kugelgewindemutter bzw. die Lenkmutter 13 ist mit dem Kugellager 20 in dem Gehäuse 11 gelagert. Der Innenring 21 ist fest mit der Kugelgewindemutter 13 verbunden. Der Außenring 22 ist beidseitig angefedert und kann eine axiale Bewegung und/oder eine Schwenkbewegung ausführen. Diese beidseitige Federung dient der Reduzierung störender Geräusche.
Die Funktionsweise wird nunmehr in Verbindung mit den 2 bis 5 erläutert. 2 zeigt das Federelement 24 im unbelasteten Zustand, 3 das Federelement 24 in einem Zwischenzustand und 4 das Federelement 24 im Endzustand. Diese Zustände sind mit den Ziffern 1, 2 und 3 bezeichnet. Diese Ziffern finden sich in 5 wieder, die die Kennlinie des Federelements 24 aus den 2 bis 4 und damit das Kraft/Weg-Diagramm dieses Elements wiedergibt. Dabei gibt die Ziffer 1 den ersten Kennlinienabschnitt, die Ziffer 2 den zweiten Kennlinienabschnitt und die Ziffer 3 den dritten Kennlinienabschnitt wieder.
Die zur Geräuschdämpfung erforderliche Anfederung erfolgt mit zwei stirnseitig angeordneten Federelementen 24, in diesem Fall mit zwei ebenen, planen Federringen oder auch Federscheiben. Im ersten Kennlinienabschnitt wird im Zusammenwirken mit dem Absatz 28 ein linearer Kraftanstieg bewirkt, d. h. das Federelement 24 kann sich wie eine Tellerfeder um den Absatz 28 frei durchbiegen, bis es an die zweite Scheibe 26, die als Gegenfläche dient, anstößt. Im dritten Kennlinienabschnitt wird der äußere Bereich des Federelements 24 durch die erste Scheibe 23 plangedrückt, d. h. der äußere Bereich der Federscheibe geht in eine Festeinspannung über. Diese Übergangsphase ergibt einen enormen Kraftanstieg und in Verbindung mit dem Absatz 28 eine gezielte Vorspannung.
In Mittelstellung (zweiter Abschnitt) sind die Federelemente 24 etwas vorgespannt. Das bedeutet, man befindet sich im flachen, linearen Kraftanstieg.
Durch diese Kombination des flachen Kraftanstiegs und des Übergangs in den starken Kraftanstieg wird eine Geräuschentwicklung, die durch ein Kugellageraxialspiel hervorgerufen wird, minimiert. Die erste Scheibe 23 kann im Außenring 22 integriert sein. Der Außenring 22 sollte etwas überstehen, um die Durchbiegung des Federelements 24 nicht zu behindern.
In 6 ist in einer Draufsicht ein Federring 50 dargestellt, der als Federelement dienen kann. Dieser Federring 50 ist bspw. aus einem Federstahl gefertigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048075 A1 [0005]
EP 1237777 B1 [0006]
EP 2049393 B1 [0007]

Claims

Kugelgewindetrieb, insbesondere für ein Lenkgetriebe einer Kraftfahrzeuglenkung, mit einer mittels eines Kugellagers (20) gelagerten Kugelgewindemutter (13), wobei das Kugellager (20) mehrere Kugeln (42) aufweist, die zwischen einem Außenring (22) und einem Innenring (21) angeordnet sind, wobei an zumindest einer der beiden Stirnseiten des Kugellagers (20) ein Federelement (24) vorgesehen ist, wobei das Federelement (24) mit einem Absatz (28) zusammenwirkt.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem das Federelement (24) ein ebener Federring (50) ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Federelement (24) im Einbau vorgespannt ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Kugellager (20) ein Vierpunktlager ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen Außenring (22) und Federelement (24) eine erste Scheibe (23) angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 5, bei dem die erste Scheibe (23) mit dem Außenring (22) einstückig ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Gegenfläche vorgesehen ist, die mit dem Federelement (24) zusammenwirkt.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 7, bei dem die Gegenfläche als eine zweite Scheibe (26) ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 8, bei dem die zweite Scheibe (26) den Absatz (28) trägt.
Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem Kugelgewindetrieb (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.