DE102011082327A1

DE102011082327A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102011082327A1
Application number: DE201110082327
Authority: DE
Inventors: Mario KREUTZER; Sigurd Wilhelm
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Kugelgewindetrieb (5), mit einer auf einer Gewindespindel (4) angeordneten Spindelmutter (6), und mit einem von Kugelrillen (7, 8) der Gewindespindel (4) und der Spindelmutter (6) gebildeten schraubenförmig um eine Spindelachse gewundenen endlichen Kugelkanal (9), in dem Kugeln (10) angeordnet sind, und mit einem Käfig (11), in dessen Käfigtaschen (11a) die Kugeln (10) angeordnet sind, wobei der Käfig (11) an einen Rotor (12) eines Elektromotors (13) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, mit einer auf einer Gewindespindel angeordneten Spindelmutter. Kugelgewindetriebe wandeln eine Relativdrehung zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel in eine axiale Relativverschiebung zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel um.
Aus DE 19731626 C1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt geworden, bei dem der ein schraubenförmig um die Spindelachse gewundener endlicher Kugelkanal vorgesehen ist, in dem Kugeln angeordnet sind. Der Kugelkanal ist von Kugelrillen der Gewindespindel und der Spindelmutter gebildet. Die Kugeln sind in Käfigtaschen eines Käfigs angeordnet. Im Betrieb des Kugelgewindetriebs wandert der Käfig gegenüber der Spindelmutter in den axialen Richtungen. In der einen axialen Schieberichtung der Gewindespindel wälzen die Kugeln unter Last an den Kugelrillen ab. Eine zwischen dem Käfig und der Spindelmutter wirksam angeordnete Feder wird gespannt. Eine gegenläufige Rückstellbewegung der Gewindespindel erfolgt lastfrei, die Kugeln können an den Kugelrillen entlang rutschen. Die vorgespannte Feder entspannt unter der Rückstellbewegung und sorgt dafür, dass der Käfig eine definierte Ausgangslage einnimmt.
Nachteilig ist, dass die Rückstellkraft der Feder abnimmt, je weiter sich der Käfig seiner Ausgangslage annähert. Das durch Schlupf verursachte sogenannte Käfigwandern kann nur im lastfreien Zustand des Kugelgewindetriebs mittels der Feder kompensiert werden. Wenn die Kugeln im Kugelkanal vorgespannt sind, ist einerseits das Schlupfrisiko reduziert; andererseits kann sich die Federkraft für eine einwandfreie Rückstellung des Käfigs als nicht ausreichend erweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs anzugeben, bei dem das Käfigwandern zuverlässig kompensiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Kugelgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass der Käfig an einen Rotor eines Elektromotors angeschlossen ist, kann eine schlupfbedingte Abweichung des Käfigs von seiner berechenbaren Sollposition in Bezug auf die Spindelmutter ausgeglichen werden. Einer bestimmten Relativdrehzahl zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel ist eine bestimmte Relativdrehzahl des Käfigs gegenüber der Spindelmutter und der Gewindespindel zugeordnet, wenn die Kugeln schlupffrei entlang des Kugelkanals abwälzen. Bei einem Schlupf der Kugeln kann der erfindungsgemäß vorgesehene Elektromotor den Käfig mit der vorgesehenen Solldrehzahl antreiben, so dass der Schlupf ausgeglichen wird. Der betätigte Elektromotor unterstützt die Käfigbewegung und synchronisiert seine tatsächliche Position mit der berechneten Position in Bezug auf die Spindelmutter und in Bezug auf die axiale Position der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel.
Unter Relativdrehung beispielsweise der rotierenden Spindelmutter rotiert der Käfig schraubenförmig um die Spindelachse herum sowohl gegenüber der Spindelmutter als auch gegenüber der in den Drehrichtungen stillstehenden Gewindespindel, die axial gegenüber der Spindelmutter verschoben wird. Diese schraubenförmige Bewegung des Käfigs kann von dem angeschlossenen Rotor unterstützt werden.
Der Käfig kann als Hülse ausgebildet sein, mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten Käfigtaschen, in denen jeweils eine Kugel angeordnet sein kann. Bei diesem einfach aufgebauten Kugelgewindetrieb kann der Käfig besonders einfach an den Rotor angeschlossen werden, beispielsweise, indem der koaxial zu der Gewindespindel angeordnete hohle Rotor an ein axiales Ende des Käfigs drehfest angebunden wird.
Als Elektromotor ist vorzugsweise ein Servomotor vorgesehen, der positionsgeregelt ist. Als Servomotor werden elektrische Motoren verschiedener Bauart bezeichnet, die mit einem Servoregler einen Servoantrieb bilden. Die Servomotoren können in einem geschlossenen Regelkreis betrieben werden.
Zum genauen Erfassen der Rotorposition kann der Servomotor mit einer Messeinrichtung versehen sein, die den zurückgelegten Drehwinkel bezüglich einer Anfangsposition des Motors erfasst. Wenn der Rotor drehfest mit dem Käfig verbunden ist, stimmen die zurückgelegten Drehwinkel des Käfigs und des Rotors überein. Als weitere Messgröße könnte die axiale Position des Käfigs gegenüber der Spindelmutter messtechnisch erfasst werden. Der zurückgelegte Drehwinkel des Käfigs und dessen axiale Position gegenüber der Spindelmutter können jeweils von einem Geber erfasst und als Steuer- oder Regelgröße an den Servomotor weiter gegeben werden. Die elektronische Regelung vergleicht das Signal dieses Gebers mit einem vorgegebenen Positions-Sollwert. Liegt eine Abweichung vor, so wird der Motor in diejenige Richtung gedreht, die einen geringeren Verfahrweg zum Sollwert sicherstellt. Dies führt dazu, dass sich die Abweichung verringert. Dieser Vorgang wird sooft durchgeführt, bis eine Ist-Position des Käfigs innerhalb eines Toleranzbereiches mit der Sollposition des Käfigs übereinstimmt. Dies ist der einfachste Fall, die Positionsregelung. Dadurch, dass der Servomotor bei Betätigung des Kugelgewindetriebes kontinuierlich zugeschaltet werden kann, werden schon geringe Abweichungen des Käfigs von seiner Sollposition sofort erkannt und ohne größere schraubenförmige Nachstellbewegungen kompensiert. Seitens des Rotors auf den Käfig einwirkende Stellkräfte können auf dieses Weise minimiert werden.
Alternativ können als Gebersignal die Drehzahl der angetriebenen Spindelmutter sowie des Käfigs erfasst werden. Einer bestimmten Drehzahl der angetriebenen Spindelmutter ist eine bestimmte Soll-Drehzahl des Käfigs zugeordnet. Sobald eine Abweichung der tatsächlichen Drehzahl des Käfigs von dessen Soll-Drehzahl erkannt wird, kann unter Betätigung des Elektromotors eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden.
Wenn der Rotor eine schraubenförmige Bewegung gegenüber dem Stator durchführt, ist es zweckmäßig, den Stator mit über seinen Umfang verteilt angeordneten stromdurchflossenen Spulen und den Rotor mit über seinen Umfang verteilt angeordneten Magneten zu versehen, die mit den Spulen zusammenwirken. Die Spulen und die Magneten sind so über den Umfang und in axialer Richtung verteilt angeordnet, dass innerhalb der axialen Endlagen des Käfigs gegenüber der Spindelmutter eine einwandfreie Funktion des Elektromotors gewährleistet ist.
Der Käfig kann über einen Zugmitteltrieb an den Rotor des Elektromotors angeschlossen sein. In diesem Fall kann der Elektromotor mit seinem Rotor in achsparallelem Abstand zu der Spindelachse angeordnet sein. Als Zugmittel kommt insbesondere ein Zahnriemen in Betracht, der geräuscharm arbeitet.
Der Elektromotor kann einen koaxial auf der Gewindespindel angeordneten Stator aufweisen, der beispielsweise in einem den Kugelgewindetrieb aufnehmenden Gehäuse gehaltert ist. Der Stator hat bei dieser Anordnung eine wirksame axiale Erstreckung, die den Verfahrweg des Käfigs in den axialen Richtungen umfasst. Diese Anordnung berücksichtigt den Umstand, dass der Rotor gegenüber dem Stator eine schraubenförmige Bewegung durchführt, also axial gegenüber dem Stator verschoben wird. Wirksam bedeutet demzufolge, dass die Funktion des Stators über den gesamtem Verfahrweg des Käfigs erhalten bleibt. Der Stator und die Spindelmutter können in kompakter Bauweise des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes koaxial zueinander angeordnet sein.
Ein erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb eignet sich in günstiger Weise für eine Zahnstangenlenkung mit elektromechanischer Lenkhilfe. Bei einer derartigen Zahnstangenlenkung weist die Zahnstange einen Verzahnungsabschnitt für den Eingriff eines Lenkritzels sowie einen Spindelabschnitt als Gewindespindel des Kugelgewindetriebes. Die elektromechanische Lenkhilfe weist den Kugelgewindetrieb auf, sowie einen Zahnriementrieb. Der Zahnriementrieb umfasst einen Antriebsmotor mit Antriebsritzel, sowie eine auf der Spindelmutter drehfest angeordnete Zahnriemenscheibe und einen Zahnriemen, der das Antriebsritzel und die Zahnriemenscheibe umschlingt. Vom Fahrer über das Lenkrad ausgeübte Lenkbewegungen erzeugen ein Drehmoment in der Lenkspindel, dass gemessen und in ein Signal umgewandelt werden kann, das in einem Steuergerät des zum Antreiben der Spindelmutter vorgesehenen Antriebsmotor verarbeitet wird. Bei dieser Anwendung kann ein erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb bei Ausfall des Antriebsmotors die Durchschiebekraft der Zahnstange deutlich reduzieren: bei Ausfall des Spindelmutter-Motors ist die Lenkeinrichtung lediglich mit Handkraft zu betätigen; die Zahnstange treibt in diesem Fall rückwärts die Spindelmutter an, wobei unter Relativdrehung der Gewindespindel und der Spindelmutter zusätzlich der mit den oftmals vorgespannten Kugeln versehene Käfig mitgedreht werden muss. Der erfindungsgemäß vorgesehene Elektromotor kann die die schraubende Bewegung des Käfigs unterstützen, so dass die aufzubringende Durchschiebekraft für die Spindel reduziert ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in zwei Figuren abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Zahnstangenlenkung mit elektromechanischer Lenkhilfe in perspektivischer Darstellung, und
2 eine Einzelheit aus 1 in gebrochener Darstellung.
1 zeigt eine elektromechanisch unterstützte Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges. Eine Zahnstange 1 weist einen Verzahnungsabschnitt 2 für den Eingriff eines nicht abgebildeten Lenkritzels auf, das über eine Lenkspindel an ein Lenkrad angeschlossen ist. Die Zahnstange 1 weist axial benachbart zu dem Verzahnungsabschnitt 2 einen Spindelabschnitt 3 für eine elektromechanische Lenkhilfe auf. Der Spindelabschnitt 3 ist als einstückig an die Zahnstange 1 angeformte Gewindespindel 4 eines Kugelgewindetriebes 5 ausgebildet.
Die elektromechanische Lenkhilfe umfasst den Kugelgewindetrieb 5 sowie einen hier nicht abgebildeten Zahnriementrieb. Der Zahnriementrieb weist einen Elektromotor mit Antriebsritzel auf, sowie eine drehfest auf der Spindelmutter 6 angeordnete Zahnriemenscheibe und einen Zahnriemen, der das Antriebsritzel und die Zahnriemenscheibe umschlingt.
Der Kugelgewindetrieb 5 weist eine auf der Gewindespindel 4 drehbar angeordnete Spindelmutter 6 auf. Die Spindelmutter 6 ist über ein nicht weiter abgebildetes Wälzlager in einem Flansch 6a axial und radial gelagert. Der Flansch 6a wird an ein nicht abgebildetes Gehäuse angeflanscht.
Kugelrillen 7, 8 der Gewindespindel 4 und der Spindelmutter 6 bilden einen schraubenförmig um eine Spindelachse gewundenen endlichen Kugelkanal 9, in dem Kugeln 10 angeordnet sind.
2 zeigt deutlich die gebrochen dargestellte, längsgeschnittene Spindelmutter 6 mit der am Innenumfang schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Kugelrille 8.
Die Kugeln 10 sind in einem hülsenförmigen Käfig 11 aufgenommen, wobei jeweils eine Kugel 10 in einer Käfigtasche 11a des Käfigs 11 aufgenommen ist. Der Käfig 11 hält die Kugeln 10 auf Abstand zueinander.
Der Käfig 11 ist an einen Rotor 12 eines als Servomotor ausgebildeten Elektromotors 13 angeschlossen. Der Elektromotor 13 weist einen hülsenförmigen Stator 14 auf, der an einem Motorflansch 15 befestigt ist. Der Motorflansch 15 wird an das nicht abgebildete Gehäuse angeflanscht.
Der Stator 14 ist mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten stromdurchflossenen Spulen versehen, die in der Figur nicht dargestellt sind. Der hülsenförmige Rotor 12 ist in axialer Verlängerung des hülsenförmigen Käfigs 11 angeordnet. Der Rotor 12 und der Käfig 11 sind koaxial auf der Gewindespindel 4 angeordnet und drehfest miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind der Käfig 11 und der Rotor 12 einstückig miteinander verbunden. Der Rotor 12 ist mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten 16 versehen, die mit den Spulen des Stators 14 zusammenwirken. Die Anordnung der Permanentmagneten 16 kann an die schraubenförmige Bewegungsbahn des Rotors 12 gegenüber dem Stator 14 angepasst sein.
Der Stator 14 erstreckt sich mit den Spulen in den axialen Richtungen soweit, dass der Verfahrweg des Käfigs 11 gegenüber der Spindelmutter 6 umfasst ist. Auf diese Weise ist die Funktion des Servomotors innerhalb des axialen Verfahrweges des Käfigs 11 und des Rotors 12 gewährleistet. Die Anordnung der Spulen kann an die schraubenförmige Bewegungsbahn des Rotors 12 angepasst sein.
Der axiale Verfahrweg bezeichnet den doppelten Hub, um den die Zahnstange 1 entlang der Zahnstangenachse jeweils aus einer Neutralstellung heraus verlagert werden kann. Die Neutralstellung ist bei Geradeausfahrt des Kraftfahrzeuges eingestellt.
In der Neutralstellung sind der Käfig 11 und der Rotor 12 in einer Mittenlage gegenüber der Spindelmutter 6 und dem Stator 14 angeordnet. Aus dieser Mittenlage heraus können der Käfig 11 und der Rotor 12 in beide axialen Richtungen verlagert werden.
Unter Rotation der Spindelmutter 6 wälzen die Kugeln 10 an den Kugelrillen 7, 8 ab und schrauben sich entlang des schraubenförmigen Kugelkanals 9. Der Käfig 11 und der Rotor 12 folgen dieser schraubenförmigen Bewegung, wobei eine axiale Verlagerung des Käfigs 11 gegenüber der Spindelmutter 6 sowie eine axiale Verlagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 14 erfolgt.
Der als Servomotor ausgebildete Elektromotor korrigiert gegebenenfalls die axiale Position des Käfigs 11 gegenüber der Spindelmutter 6. Einer bestimmten axialen Lage der Gewindespindel 4 gegenüber Spindelmutter 6 ist eine bestimmte Lage des Käfigs 11 gegenüber der Spindelmutter 6 zugeordnet. Sollte aufgrund eines Schlupfes eine Abweichung bei dieser Zuordnung gemessen werden, sorgt der Servomotor für entsprechende Nachstellbewegungen des Käfigs 11. Eine gegebenenfalls auftretende Abweichung von der Sollposition des Käfigs 11 wird auf diese Weise zuverlässig kompensiert oder verhindert.
In anderen Worten ausgedrückt: einer bestimmten Drehzahl der Spindelmutter 6 gegenüber der Gewindespindel 4 ist eine bestimmte Drehzahl des Käfigs 11 gegenüber der Gewindespindel 4 und der Spindelmutter 6 zugeordnet.
Alternativ zu dem hier beschriebenen Servomotor ist es auch denkbar, einen Hohlwellenmotor zu verwenden. der Rotor wird in diesem Fall derart mit dem Käfig verbunden, dass sich der Käfig axial bewegen kann du nur das Drehmoment übertragen wird.
Bezugszeichenliste

1: Zahnstange
2: Verzahnungsabschnitt
3: Spindelabschnitt
4: Gewindespindel
5: Kugelgewindetrieb
6: Spindelmutter
7: Kugelrille
8: Kugelrille
9: Kugelkanal
10: Kugel
11: Käfig
11a: Käfigtasche
12: Rotor
13: Elektromotor
14: Stator
15: Motorflansch
16: Permanentmagnet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19731626 C1 [0002]

Claims

Kugelgewindetrieb (5), mit einer auf einer Gewindespindel (4) angeordneten Spindelmutter (6), und mit einem von Kugelrillen (7, 8) der Gewindespindel (4) und der Spindelmutter (6) gebildeten schraubenförmig um eine Spindelachse gewundenen endlichen Kugelkanal (9), in dem Kugeln (10) angeordnet sind, und mit einem Käfig (11), in dessen Käfigtaschen (11a) die Kugeln (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (11) an einen Rotor (12) eines Elektromotors (13) angeschlossen ist.
Kugelgewindetrieb (5) nach Anspruch 1, bei dem der Elektromotor (13) einen koaxial zu der Gewindespindel (4) angeordneten Stator (14) aufweist, dessen wirksame axiale Erstreckung den axialen Verfahrweg des Käfigs (11) gegenüber der Spindelmutter (6) umfasst.
Kugelgewindetrieb (5) nach Anspruch 1, bei dem der Käfig (11) sowie der drehfest an den Käfig (11) angeschlossene Rotor (12) jeweils hülsenförmig ausgebildet und koaxial zu der Spindelachse angeordnet sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, bei dem der hülsenförmige Stator (14) und die Spindelmutter (6) koaxial zueinander angeordnet sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, bei dem der Rotor (12) mit über seinen Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (16) und der Stator (14) mit einer Vielzahl von stromdurchflossenen Spulen versehen sind, die mit den Permanentmagneten (16) des Stators (14) zusammenwirken.