DE102010051268A1

DE102010051268A1 - Elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102010051268A1
Application number: DE102010051268A
Authority: DE
Inventors: André Huk
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-16

Abstract

Eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb umfasst eine Kugelgewindespindel (1) und eine mit dieser über Kugeln in Eingriff stehende Kugelumlaufmutter (2), wobei sowohl an der Kugelgewindespindel (1) als auch an der Kugelumlaufmutter (2) Kugelgewindenuten (3, 4) ausgebildet sind und in einem gemeinsam von den Kugelgewindenuten (3) der Kugelgewindespindel (1) und den Kugelgewindenuten (4) der Kugelumlaufmutter (2) gebildeten Kugelbahnraum Kugeln (5) aufgenommen sind, die die Kugelgewindespindel (1) und die Kugelgewindemutter (2) in Axialrichtung gegeneinander abstützen, wobei an der Kugelumlaufmutter (2) eine Kugelrückführeinrichtung (6) vorgesehen ist, die zwei Endbereiche (E1, E2) des Kugelbahnraumes miteinander verbindet und damit eine Zirkulation der in dem Kugelbahnraum und in der Kugelrückführeinrichtung (6) aufgenommenen Kugeln (5) entlang eines den Kugelbahnraum und die Kugelrückführeinrichtung durchlaufenden Kugellaufweges ermöglicht. Die Anzahl n der Kugeln einer in dem Kugellaufweg aufgenommenen Kugelfüllung ist auf die Länge L des über die Kugelkontaktpunkte gemessenen Kugellaufweges nach Maßgabe eines Partialbefüllungsbeiwertes k derart abgestimmt, dass gilt n < k·nmax, wobei 0,8 < k < 0,95 und nmax = L/D. Hierdurch wird eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb geschaffen, die sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad und ein im Hinblick auf den Einsatz in einer elektromechanischen Lenkung vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb, umfassend eine Kugelgewindespindel und eine mit dieser über Kugeln in Eingriff stehende Kugelumlaufmutter, wobei sowohl an der Kugelgewindespindel als auch an der Kugelumlaufmutter Kugelgewindenuten ausgebildet sind und in einem gemeinsam von den Kugelgewindenuten der Kugelgewindespindel und den Kugelgewindenuten der Kugelumlaufmutter gebildeten Kugelbahnraum Kugeln aufgenommen sind, die die Kugelgewindespindel und die Kugelgewindemutter in Axialrichtung gegeneinander abstützen, wobei im Bereich der Kugelgewindemutter eine Kugelrückführeinrichtung vorgesehen ist, welche zwei Endbereiche des Kugelbahnraumes miteinander verbindet und damit eine Zirkulation der in dem Kugelbahnraum und in der Kugelrückführeinrichtung aufgenommenen Kugeln entlang eines den Kugelbahnraum und die Kugelrückführeinrichtung durchlaufenden Kugellaufweges ermöglicht.
Aus EP 1 774 201 B1 ist eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit einem Kugelgewindetrieb bekannt, bei dem die Kugeln eine geschlossene Kugelkette ohne merkliche Zwischenräume bilden.
Weiterhin ist aus DE 103 46 080 A1 ein Kugelgewindetrieb bekannt, bei dem zwischen den die Kugelfüllung bildenden Kugeln Zwischenstücke angeordnet sind. Hierdurch wird vermieden, dass die Kugeln miteinander in Kontakt treten. Zudem wird die durch die Kugelfüllung gebildete Kugelkette durch ein Federelement leicht unter Druck gesetzt und etwaig zwischen den Kugeln und den Zwischenstücken auftretendes Spiel beseitigt. Die Zwischenstücke sind als kurze Ringbuchsen ausgeführt, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugelnder Kugelfüllung. Die Axiallänge dieser Zwischenstücke ist derart bemessen, dass die zu beiden Seiten des Zwischenstückes in dieses eintauchenden Kugelsektionen nicht miteinander in Berührungskontakt treten.
Aus DE 200 23 478 U1 ist ein weiterer Kugelgewindetrieb bekannt, bei dem ähnlich wie bei dem vorgenannten Kugelgewindetrieb zwischen den benachbarten Kugeln der Kugelfüllung Zwischenstücke vorgesehen sind. Diese Zwischenstücke sind als Zylinderabschnitte ausgeführt und im Bereich ihrer Stirnseiten mit konkaven Kalottenpfannen versehen.
Aus DE 102 04 878 A1 ist ein Kugelgewindetrieb einer Werkzeugmaschine bekannt. Bei diesem Kugelgewindetrieb ist die Kugelzahl der Kugelfüllung derart abgestimmt, dass die Summe der Lücken zwischen den Kugeln während des Rollens geringer ist als 1/20 des Durchmessers einer Kugel des Kugelgewindetriebs.
Bei Kraftfahrzeuglenkungen kommen bisher Kugelgewindetriebe zum Einsatz, welche geschlossene Kugelketten verwenden, wobei die einzelnen Kugeln gegebenenfalls durch Zwischenstücke an einem unmittelbaren Kontakt untereinander gehindert sind. Dies ist dahingehend vorteilhaft, dass die Kugeln nicht mit gegensinniger Drehbewegung aneinander reiben, so dass der Verschleiß gering bleibt. Allerdings beeinträchtigen die Zwischenstücke die Tragfähigkeit. Zudem müssen diese im Hinblick auf die Einsatzbedingungen einer Lenkung hinsichtlich Temperatureinsatzbereich, Lebensdauer und Belastung aufwändig ausgelegt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb zu schaffen, die sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad und ein im Hinblick auf den Einsatz in einer elektromechanischen Lenkung vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Fahrzeuglenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb, umfasst eine Kugelgewindespindel und eine mit dieser über Kugeln in Eingriff stehende Kugelumlaufmutter, wobei sowohl an der Kugelgewindespindel als auch an der Kugelumlaufmutter Kugelgewindenuten (ausgebildet sind und in einem gemeinsam von den Kugelgewindenuten der Kugelgewindespindel und den Kugelgewindenuten der Kugelumlaufmutter gebildeten Kugelbahnraum Kugeln aufgenommen sind, die die Kugelgewindespindel und die Kugelgewindemutter in Axialrichtung gegeneinander abstützen, wobei an der Kugelumlaufmutter eine Kugelrückführeinrichtung vorgesehen ist, die zwei Endbereiche des Kugelbahnraumes miteinander verbindet und damit eine Zirkulation der in dem Kugelbahnraum und in der Kugelrückführeinrichtung aufgenommenen Kugeln entlang eines den Kugelbahnraum und die Kugelrückführeinrichtung durchlaufenden Kugellaufweges ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lenkung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Anzahl n der Kugeln einer in dem Kugellaufweg aufgenommenen Kugelfüllung auf die Länge L des über die Kugelkontaktpunkte gemessenen Kugellaufweges nach Maßgabe eines Partialbefüllungsbeiwertes k derart abgestimmt ist, dass gilt n < k·n_max, wobei 0,8 < k < 0,95 und n_max = L/D.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Lenkung zu schaffen, bei der ohne signifikante Tragfähigkeitseinbuße und unter Verzicht auf Zwischenelemente zwischen den Kugeln einem Kontaktdruckaufbau zwischen abfolgenden und sich dabei ggf. kontaktierenden Kugeln der Kugelfüllung hinreichend vorgebeugt werden kann und die Kugeln sowohl im Bereich der Kugelrückführeinrichtung als auch im Bereich innerhalb der Kugelumlaufmutter leichtgängig entlang des Kugellaufweges wandern können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kugelumlaufmutter derart gestaltet, dass sich der Kugellaufweg über wenigstens zwei Windungen der Kugelgewindespindel erstreckt. Hierdurch wird bei der erfindungsgemäßen Partialbefüllung des Kugellaufraumes eine hohe Tragfähigkeit des Gewindetriebs erreicht, selbst wenn der gesamte durch die Reduzierung der Kugelfüllung entstehende Leerabschnitt sich temporär in dem die Spindel umgebenden Kugelbahnraum erstreckt.
Der Partialbefüllungsbeiwert k liegt gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei einer Kugelumlaufmutter mit wenigstens zwei tragenden Windungen im Bereich von 0,86 bis 0,91, insbesondere bei 0,90. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesem Vorzugsbereich bezüglich der Verschiebekräfte deutlich besseren Funktionswerte als bei einer geschlossenen Kugelkette mit oder ohne Zwischenstücke ergeben. So wird insbesondere die Reibung reduziert. Zudem werden Hakeligkeiten, d. h. durch Staueffekte der Kugeln bedingte Störungen, zuverlässig vermieden. Ein zu großes Spiel zwischen den Kugeln hat sich gleichermaßen als ungünstig erwiesen.
Die Kugelrückführeinrichtung ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt und derart ausgebildet, dass die Kugeln diese leichtgängig durchlaufen können.
Diese Kugelrückführeinrichtung ist vorzugsweise von außen her an die Kugelumlaufmutter angesetzt und an dieser gesichert, wodurch eine einfache Montierbarkeit gewährleistet wird.
Die Sicherung dieser Kugelrückführeinrichtung an der Kugelumlaufmutter kann in vorteilhafter Weise im Zusammenspiel mit einem Antriebsrad erfolgen das auf der Kugelumlaufmutter sitzt und die Kugelrückführeinrichtung übergreift. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Kugelrückführeinrichtung auch durch die Struktur des Antriebsrades ausgesteift wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Kugelkontaktkreis durch die Kontaktpunkte der in dem Kugelraum befindlichen Kugeln definiert. Der Durchmesser D der Kugeln liegt bevorzugt im Bereich von 0,12 bis 0,3, weiter bevorzugt im Bereich von 0,16 bis 0,24 des Durchmessers des Kugelkontaktkreises. Dieser Bereich ist im Hinblick auf die Last- und Bauraumanforderungen elektromechanischer Fahrzeuglenkungen besonders geeignet.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Variante einer elektromechanischen Lenkung mit Kugelgewindetrieb, wobei vorliegend lediglich der Kugelgewindetrieb mit partial befülltem Kugelzirkulationsweg dargestellt ist; und
2 eine Schemadarstellung zur weiteren Veranschaulichung und Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzeptes zur Befüllung des Kugelzirkulationsweges nach Maßgabe eines Partialbefüllungsbeiwerts.
In 1 ist ein Kugelgewindetrieb einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung dargestellt. Die Lenkung kann, abgesehen von den nachfolgend erläuterten Veränderungen des Kugelgewindetriebs, beispielsweise gemäß DE 10 2006 041 717 A1 , DE 10 2006 041 718 A1 , DE 10 2007 049 832 A1 oder DE 10 2009 004 438 A1 ausgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb umfasst eine Kugelgewindespindel 1 und eine Kugelumlaufmutter 2, die auf der Kugelgewindespindel 1 sitzt, wobei sowohl in der Kugelumlaufmutter 2 als auch auf der Kugelgewindespindel 1 jeweils Kugelgewindenuten 3, 4 ausgebildet sind.
In einem gemeinsam von den Kugelgewindenuten 3 der Kugelgewindespindel 1 und den Kugelgewindenuten 4 der Kugelumlaufmutter 2 gebildeten Kugelbahnraum sind Kugeln 5 aufgenommen, die die Kugelgewindespindel 1 und die Kugelgewindemutter 2 in Axialrichtung gegeneinander abstützen und damit miteinander koppeln.
Im Bereich der Kugelumlaufmutter 2 ist eine Kugelrückführeinrichtung 6 vorgesehen, die zwei Endbereiche des Kugelbahnraumes miteinander verbindet und einen Kugeltransfer zwischen den beiden Endbereichen ermöglicht.
Der hier dargestellte erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anzahl n der in dem über die Kugelrückführeinrichtung und den Kugelbahnraum führenden Kugellaufweg aufgenommenen Kugeln der Kugelfüllung auf die Länge L des Kugellaufweges nach Maßgabe eines Partialbefüllungsbeiwertes k derart abgestimmt ist, dass gilt n < k·n_max, wobei 0,8 < k < 0,95, n_max = L/D und D der Durchmesser der Kugeln ist. Durch diese Maßnahme wird es möglich, die Kugeln 5 unter Verzicht auf etwaige Führungszwischenstücke in den Kugellaufraum einzuführen, ohne dass das mechanische Betriebsverhalten durch ausgeprägte direkte Kontaktierung der Kugeln 5 beeinträchtig wird.
Bei dem hier gezeigten Kugelgewindetrieb ist die Kugelumlaufmutter 2 über eine Wälzlagereinrichtung 7 gelagert. Diese Wälzlagereinrichtung 7 umfasst einen äußeren Lagering 8 und Wälzkörper 9. Die Wälzkörper 9 laufen bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer Wälzfläche 10, die unmittelbar durch einen Umfangsflächenabschnitt der Kugelumlaufmutter 2 bereitgestellt ist. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wälzlagereinrichtung 7 als Rillenkugellager ausgeführt. Die an der Kugelumlaufmutter 2 vorgesehene äußere Wälzfläche 10 ist als Kugelrille ausgeführt.
Die Kugelrückführungseinrichtung 6 ist aus einem Lagermaterial oder hochfesten Kunststoffmaterial z. B. PEEK gefertigt und radial von außen her an die Kugelumlaufmutter 2 angesteckt. Die Kugelrückführungseinrichtung 6 kann z. B. im Zusammenspiel mit einem Antriebsrad 11 an der Kugelumlaufmutter 2 gesichert sein. Das Antriebsrad 11 ist beispielsweise über ein hier nicht näher dargestelltes Zugmittel eines Zugmitteltriebs mit einer elektromechanischen Antriebseinrichtung gekoppelt.
In 2 ist in Form einer perspektivischen Darstellung eine Kugelfüllung dargestellt. Diese Kugelfüllung kann entlang eines Kugellaufweges reversierend zirkulieren. Der Kugellaufweg umfasst ein erstes Teilstück T1 das letztlich der Axialkraftübertragung zwischen der Kugelgewindespindel und der Kugelgewindemutter dient. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich dieses Teilstück T1 über mehrere Windungen, z. B. über 540° bis 1080°, vorliegend beispielhaft über im Wesentlichen 600°. Dieses Teilstück T1 verläuft entlang einer durch die Kugelkontaktstellen definierten Bahn B mit der Länge LM. Die Endbereiche E1, E2 des ersten Teilstücks T1 werden durch ein zweites Teilstück T2 miteinander verbunden. Das zweite Teilstück T2 erstreckt sich in der hier ebenfalls nicht näher dargestellten, teils im Außenbereich der Kugelumlaufmutter 2 verlaufenden Kugelrückführeinrichtung 6. Dieses zweite Teilstück T2 hat entlang der durch die Kugelkontaktstellen verlaufenden Bahn die Länge LR.
Die Anzahl der in den von den Kugel 5 durchlaufbaren Bahnraum eingebrachten Kugeln 5 ist auf die Summe der Teilstücklängen LM und LR sowie des Kugeldurchmessers unter Berücksichtigung eines Partialbefüllungsbeiwertes abgestimmt. Hierdurch wird erreicht, dass sich an stets wechselnden Bereichen des von den Kugeln 5 durchlaufenen Bahnraumes größere Abstände zwischen den Kugeln 5 einstellen können, die den Aufbau des Kontaktdruckes zwischen sich kontaktierenden Kugeln 5 begrenzen.
Bei einem Lenkgetriebe, dessen Kugelgewindetrieb maximal 44 Kugeln aufnehmen kann, sind erfindungsgemäß lediglich 42 Kugeln eingefüllt. Die Spindel weist einen durch die Kugelmittelpunkte definierten Kugelmittenkreisdurchmesser im Bereich von 20 bis 40 mm, vorzugsweise 24 bis 36 mm auf. Der Durchmesser D der Kugeln 5 liegt im Bereich von 3 bis 7 mm, die Steigung des Gewindes im Bereich von 5 bis 10 mm.
Die vorstehend erläuterte Lenkung zeichnet sich im Vergleich geschlossenen Kugelketten, d. h. Kugelketten ohne die Möglichkeit von Leerräumen zwischen den Kugeln durch deutlich verringerte Verschiebekräfte und reduzierte Reibung aus. Insbesondere werden Hakeligkeiten, nämlich durch Staueffekte der Kugeln bedingte Störungen, zuverlässig vermieden. Gleichzeitig wird eine für den Einsatz in einer elektromechanischen Lenkung hohe Tragfunktion bei Gewährleistung kompakter Außenmaße erzielt. Ein zu großes Spiel zwischen den Kugeln wäre in einer elektromechanischen Lenkung diesbezüglich hingegen kontraproduktiv.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste

1: Kugelgewindespindel
2: Kugelumlaufmutter
3: Kugelgewindenuten
4: Kugelgewindenuten
5: Kugeln
6: Kugelrückführeinrichtung
7: Wälzlagereinrichtung
8: Lagering
9: Wälzkörper
10: Wälzfläche
11: Antriebsrad
n: Anzahl Kugeln
D: Durchmesser der Kugeln
L: Länge des Kugelzirkulationsweges
k: Partialbefüllungsbeiwert
T1: Teilstück
T2: Teilstück
E1: Endbereich
E2: Endbereich
LR: Längenmaß
LM: Längenmaß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1774201 B1 [0002]
DE 10346080 A1 [0003]
DE 20023478 U1 [0004]
DE 10204878 A1 [0005]
DE 102006041717 A1 [0020]
DE 102006041718 A1 [0020]
DE 102007049832 A1 [0020]
DE 102009004438 A1 [0020]

Claims

Elektromechanische Fahrzeuglenkung mit Kugelgewindetrieb, umfassend eine Kugelgewindespindel (1) und eine mit dieser über Kugeln in Eingriff stehende Kugelumlaufmutter (2), wobei sowohl an der Kugelgewindespindel (1) als auch an der Kugelumlaufmutter (2) Kugelgewindenuten (3, 4) ausgebildet sind und in einem gemeinsam von den Kugelgewindenuten (3) der Kugelgewindespindel (1) und den Kugelgewindenuten (4) der Kugelumlaufmutter (2) gebildeten Kugelbahnraum Kugeln (5) aufgenommen sind, die die Kugelgewindespindel (1) und die Kugelgewindemutter (2) in Axialrichtung gegeneinander abstützen, wobei an der Kugelumlaufmutter (2) eine Kugelrückführeinrichtung (6) vorgesehen ist, die zwei Endbereiche (E1, E2) des Kugelbahnraumes miteinander verbindet und damit eine Zirkulation der in dem Kugelbahnraum und in der Kugelrückführeinrichtung (6) aufgenommenen Kugeln (5) entlang eines den Kugelbahnraum und die Kugelrückführeinrichtung durchlaufenden Kugellaufweges ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der Kugeln einer in dem Kugellaufweg aufgenommenen Kugelfüllung auf die Länge L des über die Kugelkontaktpunkte gemessenen Kugellaufweges nach Maßgabe eines Partialbefüllungsbeiwertes k derart abgestimmt ist, dass gilt n < k·n_max, wobei 0,8 < k < 0,95 und n_max = L/D.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufmutter (2) derart gestaltet ist, dass sich der Kugellaufweg über wenigstens zwei Windungen der Kugelgewindespindel (1) erstreckt.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partialbefüllungsbeiwert k bei einer Kugelumlaufmutter (2) mit wenigstens zwei tragenden Windungen im Bereich von 0,86 bis 0,91 liegt.
Kugelgewindetrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kugelkontaktkreis durch die Kontaktpunkte der in dem Kugelraum befindlichen Kugeln (5) definiert wird und der Durchmesser D der Kugeln (5) im Bereich von 0,12 bis 0,3, vorzugsweise im Bereich von 0,16 bis 0,24 des Durchmessers des Kugelkontaktkreises liegt.
Kugelgewindetrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrückführeinrichtung (6) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt und derart ausgebildet ist, dass die Kugeln (5) diese leichtgängig durchlaufen können.
Kugelgewindetrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrückführeinrichtung (6) von außen her an die Kugelumlaufmutter (2) angesetzt und an dieser gesichert ist.
Kugelgewindetrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung der Kugelrückführeinrichtung (6) an der Kugelumlaufmutter im Zusammenspiel mit einem Antriebsrad (11) erfolgt, das auf der Kugelumlaufmutter (2) sitzt und die Kugelrückführeinrichtung (6) übergreift.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel einen Kugelmittenkreisdurchmesser im Bereich von 24 bis 36 mm aufweist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugeldurchmesser (D) 3 bis 7 mm beträgt.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Kugelgewindes 5 bis 10 mm beträgt.