DE102011006302A1

DE102011006302A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102011006302A1
Application number: DE201110006302
Authority: DE
Inventors: Hans-Walter Wodtke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Kugelgewindetrieb, mit einer auf einer Gewindespindel (6) drehbar angeordneten Spindelmutter (8), und mit einem Stützlager (11) zur Lagerung der Spindelmutter (8), wobei eine Federkraft eines Federelementes (16) ein Kippmoment auf das Stützlager (11) ausübt. Klappergeräusche der Kugeln im Kugelkanal des Kugelgewindetriebes sind reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb. Kugelgewindetriebe wandeln Drehbewegungen zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel in eine axiale Bewegung zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel um. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen, bei denen elektromotorisch betätigte Kugelgewindetriebe zur Unterstützung von Lenkbewegungen eingesetzt werden.
Aus DE 10 2007 048 075 A1 ist eine elektrische Kraftfahrzeugservolenkung mit einem als Kugelumlaufgetriebe bezeichneten Kugelgewindetrieb bekannt geworden. Eine Zahnstange ist in einem Gehäuse untergebracht und gelagert. In axialer Verlängerung der Zahnstange ist eine Gewindespindel des Kugelgewindetriebes vorgesehen. Die Spindelmutter des Kugelgewindetriebes ist in dem Gehäuse über ein Kugellager gelagert. Der Außenring des Kugellagers wird unter der Kraft einer Tellerfeder gegen eine quer zur Drehachse der Spindelmutter angeordnete Anlagefläche des Gehäuses angefedert. Die Tellerfeder ermöglicht Lagerbewegungen unter Belastungsspitzen, wobei jedoch der Außenring durch eine Anpresskraft der Tellerfeder so stark angepresst wird, dass der erzeugte Reibschluss den Außenring in seinem Sitz in Radialrichtung unter Betriebsbedingungen unbeweglich fixiert.
Aus DE 10 2008 013128 A1 ist eine elektrische Kraftfahrzeugservolenkung mit einem Kugelgewindetrieb bekannt geworden. Eine Zahnstange ist in einem nicht abgebildeten Gehäuse untergebracht und gelagert. In axialer Verlängerung der Zahnstange ist eine Gewindespindel des Kugelgewindetriebes vorgesehen. Die Spindelmutter des Kugelgewindetriebes ist über ein als Kugellager ausgebildetes Stützlager gelagert. Ein Außenring des Stützlagers ist in dem nicht weiter abgebildeten Gehäuse aufgenommen.
Problematisch bei derartigen, elektromechanisch unterstützten Zahnstangen-lenkungen kann ein Spiel der Kugeln in dem von der Spindelmutter und der Gewindespindel begrenzten Kugelkanal sein, das zu unerwünschten Klappergeräuschen führen kann, die als Körperschall übertragen und vom Fahrer des Kraftfahrzeuges wahrgenommen werden. Wird der Kugelkanal verkleinert, kann zwar das Spiel der Kugeln im Kugelkanal reduziert werden; jedoch ist der Fertigungsaufwand erhöht und die Reibung nimmt erheblich zu, wenn die Gewindespindel lokale Formabweichungen aufweist.
Aufgabe der Erfindung war es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Kugelgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass eine Federkraft eines Federelementes ein Kippmoment auf das Stützlager ausübt, erfolgt bei entsprechendem Spiel der Kugeln im Kugelkanal ein Verkippen der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel, wobei der Kugelkanal wenigstens abschnittsweise im Querschnitt verkleinert ist, so dass das Spiel der Kugeln im Kugelkanal deutlich reduziert ist. Die Erfindung hat erkannt, dass das federelastische Verkippen der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel zu einer deutlichen Reduzierung der Klappergeräusche führt, ohne dass dieser Vorteil mit einem erhöhten Fertigungsaufwand verbunden ist.
Wenn die Spindel über ihre axiale Erstreckung stellenweise Formabweichungen aufweist, kann unter der Wirkung des Kippmomentes die Spindelmutter der Formabweichung folgen durch entsprechendes Kippen oder aber die Kippung wird entgegen der Wirkung der Federkraft zurückgenommen. Zwar sind diese Kippbewegungen nur geringfügig, dennoch führen sie zu einer gewünschten abschnittsweisen Verengung des Querschnitts des Kugelkanals.
Eine abschnittsweise Verengung des Kugelkanals an dem einen axialen Ende der Spindelmutter geht mit einer abschnittsweisen Verengung des Kugelkanals am anderen axialen Ende der Spindelmutter auf der diagonal gegenüberliegenden Seite einher.
Das Stützlager weist vorzugsweise einen Innenring, einen Außenring und zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper auf, die an Laufbahnen des Innenrings und des Außenrings abwälzen. Der Innenring kann auch einstückig mit der Spindelmutter ausgebildet sein. Das Kippmoment kann um eine die Spindelachse schneidende Kippachse wirken; das Kippmoment wird über das Stützlager auf die Spindelmutter übertragen
Das Stützlager ist vorzugsweise als Vierpunkt-Kugellager ausgebildet. Diese bekannten Kugellager eignen sich zur Übertragung radialer Lagerkräfte, können aber auch Kippmomente zwischen dem Außenring und dem Innenring übertragen. Der Außenring und der Innenring weisen an ihren einander zugewandten Umfangsseiten Kugelrillen auf, an denen die Kugeln abwälzen. Die Kugelrillen können auch an anderen Maschinenteilen ausgebildet sein.
Das Federelement kann so angeordnet sein, dass die Federkraft auf den Außenring ausgeübt wird.
Der Außenring kann unter der Federkraft mit einer Stirnseite gegen eine konvex geformte Anlagefläche angefedert sein, deren Scheitelachse mit radialem Abstand zur Spindelachse angeordnet ist. Die Anlagefläche ist erfindungsgemäß in anderen Worten ausgedrückt leicht ballig ausgeführt, so dass ein planes Anliegen des Außenringes an der Anlagefläche ausgeschlossen ist. Die Scheitelachse bildet in diesem Fall die Kippachse, um die der Außenring kippt. Die Scheitelachse kann quer zur Spindelachse angeordnet sein.
Eine andere Weiterbildung kann vorsehen, dass der Außenring an seiner Stirnseite ballig ausgeführt ist, wobei die gehäuseseitige Anlageflache eben ausgeführt ist. Auch in diesem Fall kann das wirksame Kippmoment ein erwünschtes Kippen des Außenrings und somit ein Kippen der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel bewirken.
Die konvex geformte Anlagefläche kann ringförmig geschlossen und um die Spindelachse herum ausgebildet sein. Die erfindungsgemäßen federelastischen Kippbewegungen des Stützlagers können auch gewährleistet sein, wenn lediglich axial hervorstehende Anlagepunkte ausgebildet sind, die die Kippachse bilden können.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in zwei Figuren abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges mit elektromechanischer Lenkhilfe und
2 einen Ausschnitt aus 1 im Längsschnitt.
Die Zahnstangenlenkung umfasst eine Zahnstange 1, an deren beiden Enden die inneren Spurstangengelenke 2 von Spurstangen 3 angeschlossen sind. Die Spurstangen 3 sind mit den Achsschenkeln lenkbarer Räder verbunden. Eine Verlagerung der Zahnstange 1 in ihrer Axialrichtung bewirkt eine Verschwenkung der Räder.
Die Zahnstange 1 weist einen ersten nicht sichtbaren Verzahnungsbereich auf, mit dem ein Ritzel (= Lenkritzel) 4 kämmt. Ein Druckstück 5 bewirkt einen spielfreien Eingriff der Zahnstange 1 in das Ritzel 4. Diese Verzahnung dient zur manuellen Betätigung der Lenkung durch Drehung eines mit dem Ritzel 4 drehfest verbundenen Lenkrades.
Die Zahnstange 1 ist ferner einer Gewindespindel 6 versehen, die an in ihrem Außenumfang eine schraubenförmig um ihre Spindelachse gewundene Kugelrille 7 aufweist. Die Gewindespindel 6 ist Teil eines Kugelgewindetriebes, dessen Spindelmutter 8 auf der Gewindespindel 6 angeordnet ist. Ein elektrisch betriebener Getriebemotor 9 treibt über einen Zahnriemen 10 die Spindelmutter 7 an. Die Spindelmutter 7 ist über Stützlager 11 in einem in 2 lediglich angedeuteten Gehäuse 12 drehbar gelagert.
In an sich bekannter Weise wird der Getriebemotor 9 über ein aus dem Drehmoment in der Lenksäule abgeleitetes Signal zur Unterstützung der Lenkbewegung angesteuert. Das erforderliche Handdrehmoment am Lenkrad wird reduziert.
Andererseits werden auch Rückstellkräfte des Fahrwerks und Fahrbahneinflüsse über die Spurstangen 3 und die inneren Spurstangengelenke 2 auf die Zahnstange 1 übertragen.
2 zeigt den Kugelgewindetrieb im Längsschnitt. Die Spindelmutter 8 ist an ihrem Innenumfang mit einer schraubenförmig um die Spindelachse der Gewindespindel 6 gewundenen Kugelrille 18 versehen. Die Kugelrillen 18 und 7 begrenzen einen Kugelkanal 19, in dem an diesen Kugelrillen 18, 7 abwälzende Kugeln 20 angeordnet sind. Der Querschnitt des Kugelkanals 19 ist bei Kugelgewindetrieben grundsätzlich so bemessen, dass die Kugeln 20 einwandfrei abwälzen können. Der Kugelkanal 19 ist im Ausführungsbeispiel endlos ausgebildet, wobei der zwischen der Spindelmutter 8 und der Gewindespindel 6 gelegene Abschnitt des Kugelkanals 19 auch als Lastabschnitt 19a bezeichnet wird, in dem die Kugeln 20 unter Last abwälzen. Ein am Außenumfang der Spindelmutter 8 gelegenes Umlenkstück 21 weist einen Umlenkabschnitt 22 für die Kugeln 20 auf. Der Umlenkabschnitt 22 verbindet einen Anfang mit einem Ende des schraubenförmig gewundenen Lastabschnitts 19a.
Auf der Spindelmutter 8 ist eine Riemenscheibe 13 drehfest angeordnet, die von dem Riemen 10 umschlungen ist. Die Spindelmutter 8 ist über das Stützlager 11 in dem Gehäuse 12 gelagert Das Stützlager 11 ist als Vierpunktlager 11a ausgebildet und weist einen Außenring 13 und einen – hier einstückig mit der Spindelmutter 8 ausgebildeten – Innenring 14 auf. Kugeln 15 wälzen an Kugelrillen 16, 17 des Innenrings 14 und des Außenrings 13 ab.
Zwischen dem Gehäuse 12 und dem Außenring 13 ist ein hier als Schraubenfeder ausgebildetes Federelement 16 wirksam angeordnet. Das Federelement 16 ist einerseits an einer gehäuseseitigen Anlage und andererseits an dem Außenring 13 abgestützt. Unter der Federkraft des Federelementes 16 wird der Außenring 13 axial gegen eine gehäuseseitige Anlagefläche 17 angefedert. Die Anlagefläche 17 ist leicht konvex in Richtung auf den Außenring 13 gewölbt. Die hier lediglich schematisch abgebildete Anlagefläche 17 ist kreisringförmig um die Gewindespindel 6 herum angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die Wölbung durch zwei ebene Kreisringabschnitte 23, 24 gebildet ist, die nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die beiden Kreisringabschnitte 23, 24 schneiden einander in einer Scheitelachse S, die mit radialem Abstand a zu der Spindelachse ausgebildet ist.
Die Scheitelachse S ist im Ausführungsbeispiel quer zur Spindelachse der Gewindespindel 6 angeordnet. Alternativ ist auch eine geneigt zur Spindelachse angeordnete Scheitelachse S möglich; wesentlich ist die Kippfähigkeit des Stützlagers 11 innerhalb eines Kippwinkels, um Formungenauigkeiten der Gewindespindel 6 auszugleichen. die sich auf die Spindelmutter 8 während des Überfahrens der Gewindespindel 6 insoweit auswirken, dass der Lastabschnitt 19a des Kugelkanals 19 in seinem Querschnitt verändert wird. Das federelastische Kippen des Stützlagers 11 um die Scheitelachse S ermöglicht, dass die Spindelmutter 8 der Querschnittsänderung folgt, so dass das Radialspiel der Kugeln 20 im Lastabschnitt 19a herausgedrückt wird.
Als Federelement können je nach Konstruktion Schraubenfedern, Tellerfedern oder auch andere Federformen zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: Zahnstange
2: Spurstangengelenk
3: Spurstange
4: Ritzel
5: Druckstück
6: Gewindespindel
7: Kugelrille
8: Spindelmutter
9: Getriebemotor
10: Zahnriemen
11: Stützlager
12: Gehäuse
13: Außenring
14: Innenring
15: Kugel
16: Federelement
17: Anlagefläche
18: Kugelrille
19: Kugelkanal
19a: Lastabschnitt
20: Kugel
21: Umlenkstück
22: Umlenkabschnitt
23: Kreisringabschnitt
24: Kreisringabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048075 A1 [0002]
DE 102008013128 A1 [0003]

Claims

Kugelgewindetrieb, mit einer auf einer Gewindespindel (6) drehbar angeordneten Spindelmutter (8), und mit einem Stützlager (11) zur Lagerung der Spindelmutter (8), dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft eines Federelementes (16) ein Kippmoment auf das Stützlager (11) ausübt.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem das Stützlager (11) einen Innenring (14), einen Außenring (13) und zwischen dem Innenring (14) und dem Außenring (13) angeordnete Wälzkörper aufweist, die an Laufbahnen des Innenrings (14) und des Außenrings (13) abwälzen.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, bei dem das Stützlager (11) Kippmomente um eine die Spindelachse schneidende Kippachse aufnimmt.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem das Stützlager (11) als Vierpunkt-Kugellager (11a) ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, bei dem der Außenring (13) stirnseitig gegen eine konvex geformte Anlagefläche (17) angefedert ist, deren Scheitelachse S mit radialem Abstand zur Spindelachse angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 6, bei dem die Scheitelachse S quer zur Spindelachse angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem die konvex geformte Anlagefläche (17) kreisringförmig um die Spindelachse herum ausgebildet ist.