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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektromechanischen Lenkung, welche einen Kugelgewindetrieb umfasst.
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Bei einer derartigen Lenkung wird eine rotatorische Bewegung eines Elektromotors mittels eines Kugelgewindetriebs in eine translatorische Bewegung einer Zahnstange übersetzt. Je nach Lenkungstyp ist der Elektromotor entweder koaxial zur Zahnstange oder achsparallel neben derselben angeordnet.
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Der Kugelgewindetrieb umfasst eine Kugelgewindemutter, eine Kugelgewindespindel sowie zwischen Laufbahnen derselben aufgenommene Kugeln. Die Kugelgewindemutter ist in einem Lenkgetriebegehäuse gelagert und wird durch den Elektromotor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes, in Drehbewegung versetzt. Die Kugelgewindespindel ist in der Regel unmittelbar in die Zahnstange integriert, welche durch ein Lenkungsritzel an einer Drehung gehindert ist. Das Antriebsmoment des Elektromotors stützt sich innerhalb der Lenkritzelverzahnung ab. Bei einer Drehbeaufschlagung der Kugelgewindemutter durch den Elektromotor wird somit die Zahnstange in Längsrichtung verschoben.
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Zur Gewährleistung eines Kugelumlaufs ist in der Regel an der Kugelgewindemutter zumindest eine separate Umlenkvorrichtung vorgesehen, um die Kugeln an einer Stelle aus der Kugellaufbahn der Spindel hinaus zu fördern und an anderer Stelle wieder einzuspeisen. Solange sich die Kugeln zwischen der Kugelgewindemutter und der Kugelgewindespindel befinden, sind diese kraftübertragend. In den Umlenkvorrichtungen sind die Kugeln hingegen belastungsfrei.
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Es ist bereits bekannt, ein Umschlagspiel der Kugeln des Kugelgewindetriebs, welches zu einem Umlenkklacken führt, stark einzuschränken, so dass die bei der über das verbleibende geringe Spiel erreichte Geschwindigkeit bis zur Kraftübertragung drastisch reduziert wird. Ein optimales Ergebnis wird durch ”0”-Spiel oder Vorspannung der umlaufenden Kugeln erzielt.
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Bei herkömmlichen Lenkungen dieser Bauart müssen daher die Kugellaufbahnen an der Kugelgewindemutter und der Kugelgewindespindel mit sehr genauen Fertigungstoleranzen hergestellt werden. Zudem werden jeder Paarung aus einer Kugelgewindemutter und einer Kugelgewindespindel abgestimmt auf die jeweiligen Laufbahnen ausgewählte, eng tolerierte Kugeln gleichen Durchmessers zusortiert. Die Kugeln streuen hierbei mit einer Toleranz von weniger als 1 μm.
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Nur durch einen hohen Fertigungsaufwand in Bezug auf die Geometrie der Laufbahnen in Kombination mit einer aufwändigen Spieleinschränkung durch genaueste Kugelsortierung lassen sich Klackgeräusche, die infolge von Spiel auftreten würden, verhindern. Werden die Kugelsätze vorgespannt eingebaut, beeinträchtigt dies die Lebensdauer sowohl der Kugeln als auch der Kugellaufbahnen, dem durch eine entsprechend größere Dimensionierung begegnet werden muss.
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Lässt man unter diesen Voraussetzungen ein geringes, begrenztes Spiel zu, muss dafür Sorge getragen werden, die dann unvermeidlichen Klackgeräusche auf ein vorgegebenes Maß zu reduzieren. Hierzu wird am Ende der Montage der Lenkung eine Spielmessung vorgenommen und anhand des erfassten Spiels auf das Ausmaß der Klackgeräusche geschlossen. Die Korrelationen des gemessenen Spiels zum Klacken unterliegt jedoch aufgrund von Messungenauigkeiten einer gewissen Streuung, so dass die Gefahr besteht, dass trotz Spielmessung eine im Hinblick auf die Klackgeräusche ungenügende Lenkung für gut befunden und an einem Kraftfahrzeug verbaut wird. Dies ist angesichts heutiger Qualitätsansprüche an Personenkraftfahrzeuge unbefriedigend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, elektromechanische Lenkungen mit hoher akustischer Güte mit hoher Zuverlässigkeit herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Lenkung nach erfolgtem Zusammenbau der Antriebskomponenten derselben Mittel zur Erfassung von Körperschall angekoppelt werden, mindestens ein Element der Antriebskette der Lenkung durch einen Bewegungsaktuator des Prüfstands mit einem einen Drehrichtungswechsel enthaltenden Bewegungsregime beaufschlagt wird, der von den Körperschallerfassungsmitteln erfasste Körperschall in Reaktion auf das Bewegungsregime erfasst wird, und der erfasste Körperschall anhand vorgegebener Kriterien ausgewertet und bei Einhaltung derselben die Lenkung für gut befunden wird.
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Hierdurch lässt sich das Klackpotenzial von elektromechanischen Lenkungen mit Kugelgewindetrieb sehr zuverlässig ermitteln und der Verbau akustisch ungenügender Lenkungen vermeiden.
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Durch die Erfassung des auftretenden Körperschalls lässt sich zudem das gesamte Klackpotenzial der Lenkung abschätzen, so dass nicht nur Klackgeräusche der umlaufenden Kugeln, sondern auch aus den Lagern des Kugelgewindetriebs resultierende Geräusche im Hinblick auf eine hohe akustische Güte berücksichtigt werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
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So kann beispielsweise bei Nichteinhaltung anhand des erfassten Körperschalls auf die Geräuschquelle geschlossen werden. Durch Analyse des gemessenen Körperschalls ist eine Differenzierung nach verschiedenen Geräuschquellen möglich. Dies ermöglicht es, den Ort eines Fehlers zu erkennen und gezielte Gegenmaßnahmen zu treffen, beispielsweise die erkannte Fehlerstelle baulich zu modifizieren oder im Extremfall die Lenkung sofort als Ausschuss zu klassifizieren und von einer Modifikation abzusehen.
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Bei Nichteinhaltung der Körperschallkriterien können beispielsweise Kugeln anderer Größe im Kugelgewindetrieb und/oder einer Lagerung des Kugelgewindetriebs eingebaut werden. Insbesondere ist es auch denkbar, anhand des erfassten Körperschalls eine gegebenenfalls unerwünschte Verspannung der Kugeln zu erkennen und dementsprechend die verbauten Kugeln durch Kugeln mit kleinerem Durchmesser zu ersetzen.
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Vorzugsweise werden die relevanten Größen für die Entscheidung über eine Einhaltung oder Nichteinhaltung der Körperschallkriterien durch Fahrversuche erlangt, wodurch die Aussagekraft in Bezug auf die Zuverlässigkeit des Klackpotenzials weiter verbessert wird.
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Der erfasste Körperschall kann hinsichtlich Amplitude und/oder Frequenz und/oder Schallenergie ausgewertet werden.
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Zur Erzeugung einer akustischen Reaktion auf eine definierte Bewegung der Lenkung ist ein Bewegungsaktuator vorgesehen. Dieser kann beispielsweise an eine Zahnstange der Lenkung angekoppelt werden, was sich bei komplett montierter Lenkung sehr einfach bewerkstelligen lässt.
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Alternativ hierzu kann der Bewegungsaktuator auch an ein drehendes Element der Antriebskette der Lenkung angekoppelt werden, was jedoch dessen Zugänglichkeit voraussetzt und in der Regel nur dann möglich ist, wenn das Lenkgetriebegehäuse noch nicht geschlossen ist. Die Ankopplung erfolgt beispielsweise über einen Riemen, so dass die Übertragung von Störgeräuschen seitens des Prüfstands an die Lenkung gering gehalten wird.
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Bei einer koaxialen Anordnung des Elektromotors zur Zahnstange kann ein Rotor desselben unmittelbar mit der Kugelgewindemutter verbunden sein. In diesem Fall kann zur Klackprüfung der Lenkungsaktuator, d. h. der Elektromotor der Lenkung als Bewegungsaktuator zur Aufbringung einer definierten Bewegung der Lenkung verwendet werden.
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Um eine bessere Ausprägung des Klackgeräuschs zu erzielen, kann ferner der Kugelgewindetrieb mit einer Gegenkraft beaufschlagt werden. Die Gegenkraft kann axial und/oder in Umfangsrichtung an der Kugelgewindespindel aufgebracht werden, wenn das Bewegungsregime über die Kugelgewindemutter eingeleitet wird. Umgekehrt ist es möglich, die Kugelgewindemutter zu bremsen, wenn das Bewegungsregime über die Kugelgewindespindel erzeugt wird.
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Als Mittel zur Erfassung von Körperschall werden bevorzugt einer oder mehrere Beschleunigungssensoren verwendet. Insbesondere kann dabei ein Beschleunigungssensor an einen Abschnitt eines Lenkgetriebegehäuses der Lenkung angeschlossen werden. Da die Lenkung über das Gehäuse am Fahrzeug verbaut wird, wird hierdurch eine im Hinblick auf das Störpotenzial des Klackens optimale Beurteilung ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektromechanischen Lenkung nach der Erfindung,
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2 eine Explosionsdarstellung des Kugelgewindetriebs der Lenkung aus 1,
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3 eine Zusammenbaudarstellung des Kugelgewindetriebs der Lenkung aus 1, und in
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4 eine Darstellung der Lenkung auf einem Prüfstand.
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1 zeigt eine elektromechanische Fahrzeuglenkung 1, die beispielhaft als Zahnstangenlenkung mit elektrischer Lenkunterstützung für ein Personkraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Die Fahrzeuglenkung 1 umfasst ein Lenkgetriebegehäuse 2, durch das sich eine Zahnstange 3 erstreckt. An den Enden der Zahnstange 3 ist jeweils eine zu einem lenkbaren Fahrzeugrad 8 führende Spurstange 4 über ein Spurstangengelenk 5 angeschlossen.
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In das Lenkgetriebegehäuse 2 leitet eine Lenksäule 6, die mit einem Lenkrad verbunden ist. Die Lenksäule 6 weist ein Ritzel auf, das innerhalb des Lenkgetriebegehäuses 2 mit einem verzahnten Abschnitt der Zahnstange 3 kämmt, um einen vom Fahrer am Lenkrad aufgebrachten Lenkbefehl in eine Axialbewegung der Zahnstange 3 umzusetzen.
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Die Fahrzeuglenkung 1 umfasst weiterhin einen Elektromotor 7, der achsparallel neben der Zahnstange 3 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, den Elektromotor 7 koaxial zur Zahnstange 3 anzuordnen. Der Elektromotor 7 ist in dem Lenkgetriebegehäuse 2 aufgenommen und an diesem abgestützt. Über den Elektromotor 7 kann an der Zahnstange 3 eine Hilfskraft bereitgestellt werden, um den Fahrer beim Lenken zu unterstützen. Bei einem Ausfall der elektrischen Lenkkraftunterstützung kann das Fahrzeug weiterhin manuell gelenkt werden. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es möglich, einen fahrerseitigen Lenkbefehl bzw. die Stellung des Lenkrads ausschließlich mittels Sensoren zu erfassen und die erfassten Stellungsinformationen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Regeleinrichtung, zur Ansteuerung des Elektromotors 7 zu verwenden.
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Zur Umsetzung des Antriebsmoments des Elektromotors 7 in eine Axialkraft an der Zahnstange 3 dient ein in 2 näher dargestellter Kugelgewindetrieb 10, der eine Kugelgewindemutter 11 und eine Kugelgewindespindel 12 sowie eine Vielzahl von Kugeln 13 aufweist.
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Die Kugelgewindemutter 11 ist an ihrem Innenumfang mit einer gewindeförmigen Kugellaufbahn 14 versehen, welche über die Kugeln 13 mit einer gewindeförmigen Kugellaufbahn 15 der Kugelgewindespindel 12 kämmt, die an der Zahnstange 3 ausgebildet ist. Die Kugelgewindemutter 11 ist über ein Wälzlager 18 im Lenkgetriebegehäuse 2 drehbar gelagert, jedoch gegen eine Axialbewegung relativ zu dem Lenkgetriebegehäuse 2 festgelegt. Bei einer Rotation der Kugelgewindemutter 11 wird die Zahnstange 3 axial verschoben.
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Die Kugellaufbahn 14 der Mutter 11 weist aufeinanderfolgende Laufbahnöffnungen 17 auf (wobei in 2 lediglich eine Öffnung dargestellt ist), durch welche die Kugeln 13 in eine Kugelumlenkeinrichtung 16 geführt bzw. aus dieser wieder in die Paarung der Kugellaufbahnen 14 und 15 der Kugelgewindemutter 11 und der Kugelgewindespindel 12 eingespeist werden, so dass ein Endlosumlauf der Kugeln 13 sichergestellt ist. Während die Kugeln 13 im Eingriffsbereich zwischen den Kugellaufbahnen 14 und 15 Kräfte übertragen, werden diese in der Kugelumlenkeinrichtung 6 im Wesentlichen kraftfrei zurückgeführt.
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Zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer weist der Kugelgewindetrieb 10 zwischen der Kugelgewindemutter 11 und der Kugelgewindespindel 12 bei eingebauten Kugeln 13 ein definiertes begrenztes Axialspiel auf. Alle Kugeln 13 sind einheitlich einer Durchmesserklasse entnommen. Jedoch können auch Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen werden, wobei die Durchmesservariation der Kugeln 13 jedoch auf einen engen Bereich beschränkt ist. Die Durchmesser der Kugeln 13 können dabei zufallsverteilt sein. Beispielsweise können Kugeln 13 aus unterschiedlichen Durchmesserklassen vorgesehen sein, wobei der Durchmesserunterschied benachbarter Durchmesserklassen 2 bis 3 μm beträgt. Sind alle Kugeln 13 der gleichen Durchmesserklasse entnommen, variiert deren Durchmesser um maximal 2 bis 3 μm. Kommen Kugeln 13 aus beispielsweise drei benachbarten Klassen zum Einsatz, variiert der Kugeldurchmesser aller Kugeln 13 um maximal 6 bis 9 μm.
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Bei einem größeren Spiel der Kugeln 13 können beim Übertritt der Kugeln 13 in die Kugelumlenkeinrichtung 16 und von dort zurück zwischen die Kugelgewindemutter 11 und die Kugelgewindespindel 12 sowie weiterhin bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung der Kugeln 13 Klackgeräusche auftreten, welche grundsätzlich unerwünscht sind. Mit der vorliegenden Erfindung wird bezweckt, diese Geräusche zuverlässig auf ein gewünschtes geringes Niveau zu reduzieren bzw. im Idealfall auszuschalten.
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Dies gelingt durch eine neue Prüfroutine während der Herstellung, welche die herkömmliche Spielmessung der umlaufenden Kugeln 13 überflüssig machen kann. Dazu wird die Lenkung nach erfolgtem Zusammenbau der Antriebskomponenten, insbesondere der Antriebskette vom Elektromotor 7 bis zur Zahnstange 3, an einen Prüfstand 100 verbracht, an dem die Lenkung mit einem Drehrichtungswechsel enthaltenden Bewegungsregime beaufschlagt wird.
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Der Prüfstand weist hierzu einen geeigneten Bewegungsaktuator 101 auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in 4 über einen Riemen 104 an das Getriebe 9 zwischen Motor 7 und Zahnstange 3 ankoppelt. Durch den Riemen 104 wird der Kugelgewindetrieb 10 der Lenkung in Bewegung versetzt, so dass sich die Kugeln 13 entlang ihrer Laufbahnen sowie durch die Kugelumlenkeinrichtung 16 bewegen. Dabei auftretende Klackgeräusche werden durch an die Lenkung angekoppelte Mittel zur Erfassung von Körperschall 102 erfasst. Letztere sind beispielsweise Beschleunigungssensoren, deren Signale durch eine geeignete Auswertungseinrichtung 103 verarbeitet werden, um eine Aussage hinsichtlich der akustischen Güte der untersuchten Lenkung zutreffen. In der Auswertungseinrichtung 103 können die erfassten Signale hinsichtlich Amplitude, Frequenz und/oder Schallenergie ausgewertet werden.
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Um eine bessere Ausprägung des Klackgeräuschs zu erzielen, kann der Kugelgewindetrieb mit einer Gegenkraft beaufschlagt werden. Diese Gegenkraft kann axial und/oder in Umfangsrichtung an der Kugelgewindespindel 12 aufgebracht werden. Hierzu kann ein definierter Reibwiderstand vorgesehen werden, gegen den sich die Kugelgewindespindel 12 noch bewegen kann.
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Ob eine Lenkung für gut befunden wird, wird anhand in der Auswertungseinrichtung 103 abgelegter Kriterien entschieden, wobei die relevanten Größen für die Entscheidung über eine Einhaltung oder Nichteinhaltung der Körperschallkriterien durch Fahrversuche erlangt werden.
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Durch Analyse der erfassten Körperschallsignale in Reaktion auf ein vorgegebenes und durch den Bewegungsaktuator 101 aufgebrachtes Bewegungsregime ist ferner eine Differenzierung hinsichtlich etwaiger Geräuschquellen möglich. So lassen sich beispielsweise nicht nur Klackgeräusche identifizieren, welche aus den umlaufenden Kugeln 13 resultieren, sondern beispielsweise auch Umschlaggeräusche der Lagerung der Kugelgewindemutter 10 im Lenkgetriebegehäuse 2. Insbesondere können Umschlaggeräusche des Wälzlagers 18 der Kugelgewindemutter 10 identifiziert werden.
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Werden die Körperschallkriterien überschritten, können geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, um die gewünschte akustische Güte der Lenkung einzustellen. War beispielsweise das Spiel der umlaufenden Kugeln 13 zu groß, können die verwendeten Kugeln 13 durch Kugeln größeren Durchmessers versetzt werden. Gleiches gilt analog für die Lagerung der Kugelgewindemutter 10.
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Anhand der erfassten Körperschallsignale lässt sich ferner eine Vorspannung der Kugeln 13 erkennen, so dass im Hinblick auf ein gewünschtes geringes Spiel der Kugeln 13 durch Verwendung von Kugeln einer kleineren Größenklasse Abhilfe geschaffen werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Körperschallmessung lässt sich das Klackpotenzial des Kugelgewindetriebs sowie der Lagerung zuverlässig bewerten. Hierdurch kann in der Serienfertigung eine hohe akustische Güte der hergestellten Lenkungen gewährleistet werden. Insbesondere wird das Risiko, eine nach der Prüfroutine zwar für gut befundene, tatsächlich jedoch in akustischer Hinsicht unbefriedigende Lenkung an einem Kraftfahrzeug zu verbauen, im Vergleich zu herkömmlichen Prüfroutinen reduziert.
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Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel greift der Bewegungsaktuator 101 des Prüfstands an dem Getriebe 9 an. Es ist jedoch möglich, die für die Prüfung erforderliche Bewegung auch an anderer Stelle in die Lenkung einzubringen, beispielsweise durch eine axiale Hin- und Herbewegung der Zahnstange 3. Dabei kann eine Gegenkraft durch Einleitung eines Moments in die Kugelgewindemutter erzeugt werden, um deutlichere Signale zu erzielen.
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Insbesondere kann der Bewegungsaktuator über einen Riemen an ein drehendes Element in der Antriebskette der Lenkung, beispielsweise an die Motorwelle, die Kugelgewindemutter oder ein Getriebeglied angekoppelt werden.
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Bei Lenkungen, bei denen ein Rotor des Elektromotors starr mit der Kugelgewindemutter verbunden ist, wie dies insbesondere bei Lenkungen mit koaxial zur Zahnstange angeordnetem Elektromotor der Fall ist, kann der Elektromotor der Lenkung zur Erzeugung der Prüfbewegung für die Klackprüfung herangezogen werden. Die Prüfung findet dann in einem modifizierten Lenkgetriebegehäuse statt. Am Prüfstand wird in diesem Fall kein eigener Bewegungsaktuator benötigt. Die Aufbringung einer Gegenkraft zur deutlicheren Ausprägung der Klackgeräusche kann in der oben erläuterten Weise über die Kugelgewindespindel vorgenommen werden.
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Zur Verbesserung der Auswertungsgenauigkeit kann ferner der Körperschall an mehreren Stellen gemessen werden.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht dieser beschränkt, sondern fast alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanische Lenkung
- 2
- Lenkgetriebegehäuse
- 3
- Zahnstange
- 4
- Spurstange
- 5
- Spurstangengelenk
- 6
- Lenksäule
- 7
- Elektromotor
- 8
- Fahrzeugrad
- 9
- Getriebe
- 10
- Kugelgewindetrieb
- 11
- Kugelgewindemutter
- 12
- Kugelgewindespindel
- 13
- Kugel
- 14
- Kugellaufbahn
- 15
- Kugellaufbahn
- 16
- Kugelumlenkung
- 17
- Laufbahnöffnung
- 18
- Wälzlager
- 100
- Prüfstand
- 101
- Bewegungsaktuator
- 102
- Körperschallsensor
- 103
- Auswertungseinrichtung
- 104
- Riemen
