DE102011054983A1

DE102011054983A1 - Sensorbaugruppe für eine elektrische hilfskraftlenkung

Info

Publication number: DE102011054983A1
Application number: DE102011054983A
Authority: DE
Inventors: Harald Grau
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: DE102011054983B4

Abstract

Sensorbaugruppe für eine elektrische Hilfskraftlenkung mit einer Lenkspindel (1), einem Lenkritzel (2), einem Drehmomentsensor (10), einer mechanischen Mitnahme (8), einem Drehstab (3), welcher zwischen der Lenkspindel (1) und dem Lenkritzel (2) angeordnet ist, wobei der Drehstab (3) mit der Lenkspindel (1) und dem Lenkritzel (2) jeweils verpresst ist, wobei der Drehstab (3) durch mindestens zwei Wälzlager (4) gelagert wird. Der gesamte Drehstab (3) ist hochvergütet. Der Drehstab (3) weist einen Torsionsbereich (5) und einen Lagerbereich (6) auf, welche hintereinander angeordnet sind. Die Wälzlager (4) sind nebeneinander in dem Lagerbereich (6) des Drehstabs (3) angeordnet und wälzen direkt auf der Mantelfläche des Drehstabs (3).

Description

Die Erfindung betrifft die Sensorbaugruppe einer elektrischen Hilfskraftlenkung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Montage der Sensorbaugruppe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Allgemein
Bei einer elektrischen Hilfskraftlenkung misst ein Drehmomentsensor das vom Fahrer am Lenkrad aufgebrachte Drehmoment. Daraus wird im Steuergerät die Lenkunterstützung des Motors berechnet. Der Sensor sitzt auf dem Lenkritzel. Ein Magnetring ist an der Lenkspindel befestigt, welche durch den Drehstab mit dem Lenkritzel verbunden ist. Der Messbereich des Sensors deckt den Bereich von +/–8 bis +/–10 Nm ab. Bei höheren Lenkmomenten verhindert eine mechanische Winkelbegrenzung, dass der Drehstab überlastet wird. Bringt der Fahrer am Lenkrad ein Drehmoment auf, verdrehen sich der Drehstab und somit auch der Magnet zum Sensor.
Bei der Montage der Sensorbaugruppe ist das Verbinden des Drehstabs mit der Lenkspindel und dem Lenkritzel von besonderer Bedeutung, da zwischen diesen beiden Verbindungsvorgängen die elektrische Mitte eingestellt werden muss.
Stiftverbindungen
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Verbindung des Drehstabs mit dem Lenkritzel und mit der Lenkspindel jeweils durch eine Verstiftung herzustellen. Aus anderen Lösungen ist es bekannt, den Drehstab in eine Bohrung im Lenkritzel einzupressen. Nach der Mitteneinstellung der mechanischen Winkelbegrenzung wird dann die Verbindung des Drehstabs mit der Lenkspindel wiederum durch eine Verstiftung hergestellt.
Nachteile von Stiftverbindungen
Für die zur Erzeugung der Verstiftung notwendigen Bohrung muss der Werkstoff des Drehstabs in diesem Bereich weichgeglüht sein. Nach dem Herstellen der Bohrung wird der Stift zur Fixierung montiert. Darüber hinaus muss ein Einstich hergestellt werden, um anschließend einen O-Ring zur Abdichtung der Baugruppe zu montieren. Durch diese separaten Bauteile gestaltet sich die Montage entsprechend aufwändig. Die Bohrung als zusätzlicher Arbeitsschritt kann durch den Einsatz von Bohrwasser und die Entstehung von Spänen weitere Probleme erzeugen.
Da der Bohrbereich des Drehstabs weichgeglüht werden muss, ist bei der Gestaltung des Bauteils eine Härteübergangszone vorzusehen, welche zusammen mit dem Platz für den O-Ring die gesamte Baugruppe verlängert.
Um die genannten Nachteile von Stiftverbindungen zu vermeiden, wird in der DE 102 24 344 A1 eine Lösung vorgeschlagen, bei der der Drehstab mit der Ausgangs- und mit der Eingangswelle verpresst werden. Da keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind, gestaltet sich die Montage einfach und kostengünstig.
Lagerung des Drehstabs
Der Drehstab muss durch Wälzlager gelagert werden, wobei sein Torsionsbereich nicht beeinträchtigt werden darf. Um Bauraum zu sparen, wird nach dem Stand der Technik z.B. in der DE 102 24 344 A1 , ein Lagerrohr parallel zum Torsionsbereich des Drehstabs angeordnet. Auf diesem gehärteten Lagerohr befindet sich dann die Lauffläche für zwei Wälzlager. Der Torsionsbereich und der Lagerbereich sind gemäß solchen Lösungen parallel. Der Nachteil ist, dass sich durch das zusätzliche Lagerrohr die Montage aufwändig und teuer gestaltet. Darüber hinaus wird radial mehr Bauraum benötigt.
Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bauteile und Montageschritte zu reduzieren und zu vereinfachen.
Lösung durch die Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe greift die Erfindung zunächst den Gedanken auf, den Drehstab mit der Lenkspindel und mit dem Lenkritzel jeweils durch eine Verpressung zu verbinden. Wie bereits erwähnt, müssen durch den Wegfall von Bohrungen keine unterschiedlichen Härtezonen mehr vorgesehen werden. Durch eine geschlossene Lenkspindel sind auch keine zusätzlichen Abdichtungen erforderlich. Gemäß dieser Erfindung wird der gesamte Drehstab hochvergütet. Mit einer hohen Vergütungsfestigkeit, welche ca. 1550 N/mm² beträgt, kann auf die sonst übliche Randschichthärtung der Lagerlaufflächen verzichtet werden. Durch diesen harten Werkstoff ist es möglich, die beiden Wälzlager auf dem Drehstab anzuordnen, wobei die Wälzkörper direkt auf der Oberfläche des Drehstabs abrollen. Das zusätzliche Lagerrohr fällt damit weg.
Die hohe Vergütungsfestigkeit des Drehstabes ist auch für eine korrekte Verpressung des Drehstabs mit der Lenkspindel erforderlich. Die harte Verzahnungskontur des Drehstabes prägt sich in das weichere Material der Lenkspindel ein. Ohne einen Festigkeitsunterschied der Bauteile zueinander (hier ca. 600 N/mm²) kommt es zu keiner sauberen Umformung. Ein Fressen der Bauteile wäre die Folge. Die daraus resultierende hohe Aufpresskraft der Lenkspindel würde die zulässige Knickkraft des Drehstabes übersteigen.
Um den Drehstab weiter zu vereinfachen, weist der Lagerbereich des Drehstabs, auf dem die beiden Wälzlager angeordnet sind, eine durchgehende zylindrische Form mit gleichem Durchmesser auf. Dieser Bereich wird gleichzeitig für die Fixierung durch eine Verpressung im Lenkritzel verwendet.
Der Drehstab besteht somit aus einem Torsionsbereich und einem Lagerbereich, welche hintereinander angeordnet sind, wobei der Lagerbereich gleichzeitig für die Fixierung durch eine Verpressung im Lenkritzel verwendet wird. Der Lagerbereich muss für die Aufnahme der zwei Wälzlager eine entsprechend hohe Oberflächenqualität, vorzugsweise IT5, aufweisen. Als Wälzlager werden in einer bevorzugten Ausführung zwei Nadellager verwendet. Auch eine Gleitlagerung auf dem Drehstab ist denkbar.
Da der Lagerbereich des Drehstabs beide Wälzlager aufnimmt und darüber hinaus zur Fixierung mit dem Lenkritzel genutzt wird, vereinfacht sich die Herstellung des Drehstabs erheblich.
Verlängerte mechanische Mitnahme
Wie bereits beschrieben, muss die mechanische Mitnahme im Eingriff stehen noch bevor es zu einer festen Verbindung zwischen Lenkspindel und Drehstab kommt bzw. bevor die Lenkspindel komplett auf den Drehstab geschoben ist. Die mechanische Mitnahme muss daher im Vergleich zu bisherigen Lösungen axial verlängert werden. Die Länge der mechanischen Mitnahme ergibt sich durch Summierung der Längenüberdeckung bei der Mitteneinstellung und der Länge des Bereichs der Verpressung von Drehstab und Lenkspindel.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch die Sensorbaugruppe
2 die Lenkspindel und das Lenkritzel mit der mechanischen Mitnahme
3 die Schritte bei der Montage der Sensorbaugruppe
1 zeigt die erfindungsgemäße Sensorbaugruppe einer elektrischen Hilfskraftlenkung mit einer Lenkspindel 1 und einem Lenkritzel 2. Ein Drehmomentsensor 10 ist an dem Lenkritzel 2 befestigt und misst die Positionsänderung eines Sensormagnets 9, welcher an der Lenkspindel 1 angeordnet ist. Ein Drehstab 3 befindet sich zwischen der Lenkspindel 1 und dem Lenkritzel 2. Der Drehstab 3 weist auf einer Seite eine Kerbverzahnung 11 auf und ist damit im geschlossenen zylindrischen Innenprofil der Lenkspindel 1 verpresst. Auf der anderen Seite ragt der Drehstab 3 in eine Bohrung 7 des Lenkritzels hinein und ist mit dem Lenkritzel 2 durch einen Pressverband 12 verbunden.
Der Drehstab 3 besteht aus einem Torsionsbereich 5 und einem Lagerbereich 6, welche hintereinander angeordnet sind. Der Lagerbereich 6 weist eine durchgehende zylindrische Form mit gleichem Durchmesser auf und ist mit dem Lenkritzel 2 durch den Pressverband 12 verbunden. In der Lenkspindel 1 sind zwei Nadellager 4 angeordnet, welche direkt auf der Oberfläche des Lagerbereiches 6 des Drehstabs 3 wälzen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die doppelte Lagerung in der Nähe des Sensorsmagnets 9 angeordnet, was vorteilhaft den Kippwinkel des Magnets zum Drehmomentsensor 10 reduziert.
In der 2 ist die mechanische Mitnahme 8 zu sehen, welche zwischen der Lenkspindel 1 und dem Lenkritzel 2 angeordnet ist. Die mechanische Mitnahme 8 ist in diesem Beispiel als Zapfen an der Lenkspindel 1 und Schlitz am Lenkritzel ausgestaltet. Diese mechanische Mitnahme 8 ist axial länger entwickelt als bekannte Lösungen, damit die Zapfen bereits während der Mitteneinstellung in den Schlitz greifen.
Montage der Baugruppe
Die 3 zeigt drei Schritte bei der Montage der Sensorbaugruppe. Bei der Montage der Baugruppe wird zunächst der Drehstab in bekannter Weise in eine Bohrung des Lenkritzels eingepresst (3A). Anschließend wird die Lenkspindel, in der die beiden Wälzlager eingepresst sind, über den Drehstab geschoben bis die mechanische Mitnahme im Eingriff steht (3B). An dieser Stelle muss mit der mechanischen Mitnahme die Mittenposition eingestellt werden. Die Lenkspindel ist dabei natürlich noch nicht komplett über den Drehstab geschoben. Erst im letzten Schritt, nachdem die Mittenposition eingestellt wurde, wird die Lenkspindel komplett über den Drehstab geschoben. Dabei wird die Lenkspindel mit dem Drehstab verpresst (3C).
Bei dieser zweiten Verpressung muss die Montagekraft kleiner sein als die zulässige Knickkraft des Torsionsstabes. Um die Umformkräfte erheblich zu reduzieren, kann die Lenkspindel im Verbindungsbereich vor dem Aufpressen induktiv auf max. 650°C erwärmt werden. Dadurch weitet sich die Bohrung der Lenkspindel auf und die Festigkeit reduziert sich temporär um ca. 50%. Nach der Abkühlung stellt sich die ursprüngliche Vergütungsfestigkeit wieder ein.
Bezugszeichenliste

1: Lenkspindel
2: Lenkritzel
3: Drehstab
4: Wälzlager
5: Torsionsbereich
6: Lagerbereich
7: Bohrung im Lenkritzel
8: Mechanische Mitnahme
9: Sensormagnet
10: Drehmomentsensor
11: Kerbverzahnung (Lenkspindel)
12: Pressverband (Lenkritzel)

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

DE 10224344 A1 [0007, 0008]

Claims

Sensorbaugruppe für eine elektrische Hilfskraftlenkung mit einer Lenkspindel (1), einem Lenkritzel (2), einem Drehmomentsensor (10), einer mechanischen Mitnahme (8), einem Drehstab (3), welcher zwischen der Lenkspindel (1) und dem Lenkritzel (2) angeordnet ist, wobei der Drehstab (3) mit der Lenkspindel (1) und dem Lenkritzel (2) jeweils verpresst ist, wobei der Drehstab (3) durch mindestens zwei Wälzlager (4) gelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Drehstab (3) hochvergütet ist, dass der Drehstab (3) einen Torsionsbereich (5) und einen Lagerbereich (6) aufweist, welche hintereinander angeordnet sind, und dass die Wälzlager (4) nebeneinander in dem Lagerbereich (6) des Drehstabs (3) angeordnet sind und direkt auf der Mantelfläche des Drehstabs (3) wälzen.
Sensorbaugruppe für eine elektrische Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbereich (6) eine durchgehende zylindrische Form mit gleichem Durchmesser aufweist und in eine Bohrung (7) im Lenkritzel (2) hineinragt und dort mit dem Lenkritzel (2) verpresst ist.
Sensorbaugruppe für eine elektrische Hilfskraftlenkung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Länge der mechanischen Mitnahme durch Summierung der notwendigen Längenüberdeckung bei der Mitteneinstellung und der Länge des Bereichs der Verpressung von Drehstab und Lenkspindel ergibt.
Sensorbaugruppe für eine elektrische Hilfskraftlenkung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (4) als Nadellager ausgeführt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Sensorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Verfahrensschritt der Drehstab (3) in eine Bohrung (7) des Lenkritzels (2) eingepresst wird, – dass im nächsten Schritt die Lenkspindel (1) über den Drehstab (3) geschoben wird bis die mechanische Mitnahme (8) im Eingriff steht – dass im nächsten Schritt an der mechanischen Mitnahme (8) die mechanische Mitte eingestellt wird und – dass im letzten Schritt die Lenkspindel (1) komplett über den Drehstab (3) geschoben wird, wobei die Lenkspindel (1) dabei mit dem Drehstab (3) verpresst wird.
Verfahren zum Herstellen einer Sensorbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (1) vor dem Aufpressen induktiv auf max. 650°C erwärmt wird.