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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannte Lenksysteme in Fahrzeugen weisen eine Lenkwelle auf, über die der Fahrer durch Betätigen des Lenkrades einen Lenkwinkel vorgibt, welcher über eine Kopplung der Lenkwelle mit einer Zahnstange in einen Radlenkwinkel der lenkbaren Räder des Fahrzeuges umgesetzt wird. Zur Lenkkraftunterstützung kann ein elektrischer Servomotor eingesetzt werden, der beispielsweise gemäß der
DE 197 03 903 A1 unmittelbar auf die Lenkwelle wirkt und diese mit einem unterstützenden Servomoment beaufschlagt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem in einem Fahrzeug mit einfachen konstruktiven Maßnahmen mit kompakter Lenkunterstützung auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Mittels des erfindungsgemäßen Lenksystems kann in Fahrzeugen ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwinkel in einen Radlenkwinkel der lenkbaren Räder umgesetzt werden. Das Lenksystem umfasst eine Lenkspindel bzw. -welle, die mit einem vom Fahrer betätigbaren Lenkrad verbunden ist, sowie ein Lenkgestänge, das eine Zahnstange umfasst, welche von der Lenkwelle betätigbar und über die der gewünschte Winkel an den lenkbaren Rädern einstellbar ist. Zur Lenkkraftunterstützung wird ein elektrischer Servomotor eingesetzt, der vorteilhafterweise mit der Lenkwelle gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des Servomotors wird die Drehbewegung der Lenkwelle mit einem unterstützenden Moment beaufschlagt.
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Die kinematische Kopplung zwischen der Motorwelle des elektrischen Servomotors und der Lenkwelle erfolgt über Getriebebauteile, die beispielsweise als Schnecke und Schneckenrad ausgeführt sind, wobei die Schnecke von der Motorwelle angetrieben wird und das Schneckenrad drehfest mit der Lenkwelle verbunden sein kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Schnecke einteilig mit der Motorwelle ausgebildet.
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Die Lenkwelle und der Servomotor können in einem gemeinsamen Lagergehäuse aufgenommen sein, wobei die Motorlängsachse zweckmäßigerweise zumindest annähernd orthogonal und seitlich versetzt zur Lenkwellenachse verläuft. Der Servomotor kann an einem Lagerflansch des Lagergehäuses gehalten sind. Die Aufnahme des Servomotors im oder am Lagergehäuse erfolgt insbesondere in der Weise, dass Servomotoren mit unterschiedlich langen Statoren verwendet werden können.
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Zur Steuerung des elektrischen Servomotors dienen elektronische Komponenten auf einer Elektronikplatine, die am Lagergehäuse gehalten ist. Die Elektronikplatine weist eine Ausnehmung auf, durch die die Lenkwelle hindurchgeführt ist, wobei im montierten Zustand die Ebene der Elektronikplatine zumindest annähernd senkrecht zur Längsachse der Lenkwelle liegt. Das in dieser Weise ausgeführte Lenksystem ist kompakt ausgebildet und weist sowohl in Achsrichtung als auch in Radialrichtung – bezogen auf die Lenkwellenlängsachse – kleine Abmessungen auf. Die in das Lagergehäuse integrierte Elektronikplatine erfordert keinen oder einen nur minimal größeren Bauraum. In das Lagergehäuse ist eine Ausnehmung zur Aufnahme der Lenkwelle eingebracht, in die die Elektronikplatine einsetzbar bzw. die von der Elektronikplatine abdeckbar ist.
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Die Ausnehmung in der Elektronikplatine, durch die die Lenkwelle geführt ist, ist entweder als Loch ausgebildet, das ringsum von der Elektronikplatine umschlossen ist, oder als U-förmige Ausnehmung, die sich bis zum Rand der Elektronikplatine erstreckt.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund des Hindurchführens der Lenkwelle durch die Ausnehmung in der Elektronikplatine eine lagerichtige Zentrierung der Elektronikplatine im Lagergehäuse gegeben ist. In Drehrichtung um die Lenkwellenlängsachse kann die gewünschte Position der Elektronikplatine durch Anschläge bzw. Formschlusselemente am Lagergehäuse festgelegt sein. Insgesamt ist hierdurch die Montage vereinfacht.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass die Elektronikplatine sowohl mit einer Leistungselektronik als auch mit einer Steuerungselektronik bestückt ist. In dieser Ausführungsvariante befinden sich sowohl die Leistungselektronik als auch die Steuerungselektronik auf einer gemeinsamen Platine, die mit der Ausnehmung zum Hindurchführen der Lenkwelle versehen ist. In einer alternativen Ausführung ist dagegen vorgesehen, dass die Leistungselektronik und die Steuerungselektronik sich auf unterschiedlichen Platinen befinden, die aber zweckmäßigerweise zusammenhängen, beispielsweise dergestalt, dass beide Platinen in einem gemeinsamen Elektronikgehäuse aufgenommen sind. Die mit der Ausnehmung für die Lenkwelle versehene Platine ist zweckmäßigerweise Träger der Leistungselektronik, wohingegen die zweite Platine die Steuerungselektronik aufnimmt. Gegebenenfalls sind die beiden Platinen mit der Leistungselektronik bzw. der Steuerungselektronik zueinander winklig ausgerichtet, insbesondere in einem 90°-Winkel. Bei der Montage können die Leistungselektronik und die Anschlussfahnen bzw. -kontakte des Servomotors ggf. in einem gemeinsamen Arbeitsschritt auf der Elektronikplatine verschweißt werden.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung ist an der Stirnseite der Motorwelle des Servomotors ein Magnetelement angeordnet, das Teil einer Rotorlagesensorik ist und dem ein gehäusefest angeordneter Magnetfeldsensor auf einer Elektronikplatine zugeordnet ist. Über die Rotorlagesensorik kann die aktuelle Drehlage der Motorwelle bestimmt werden. Der Magnetfeldsensor befindet sich insbesondere auf derjenigen Elektronikplatine, die sich orthogonal zur Motorwellenlängsachse erstreckt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um diejenige Platine, die zusätzlich zu derjenigen mit der Ausnehmung für die Lenkwelle vorgesehen ist und bevorzugt einen Winkel von zumindest annähernd 90° mit dieser einschließt.
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In der Ausführung der Getriebeteile zur Kopplung des elektrischen Servomotors mit der Lenkwelle als Schnecke und Schneckenrad ist die die Ausnehmung enthaltende Platine vorzugsweise benachbart zum Schneckenrad angeordnet. Das Schneckenrad und die Elektronikplatine erstrecken sich in parallelen Ebenen. Es kann zweckmäßig sein, zwischen der Elektronikplatine und dem Schneckenrad eine Schutzscheibe anzuordnen, welche die Platine bzw. die darauf angeordneten Elektronikkomponenten vor Verunreinigungen und Schmierfett schützt, das vom Schneckenrad herrührt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem der Lenkwelle des Lenksystems zugeordneten Servomotor,
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2 ein Lagergehäuse einschließlich Servomotor und einer den Servomotor steuernden Leistungs- und Steuerungselektronik,
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3 die Ausführung gemäß 2, jedoch mit aufgesetzter Gehäuseschale des den Servomotor aufnehmenden Gehäuseabschnittes,
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4 einen Schnitt durch ein Lagergehäuse zur Aufnahme der Lenkwelle und des Servomotors längs zur Motorwellenlängsachse,
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5 ein Lagergehäuse mit Servomotor, auf dessen Motorwelle stirnseitig ein Magnetelement aufsetzbar ist, mit einer der Stirnseite der Motorwelle vorgelagerten Steuerungselektronik.
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6 in perspektivischer Darstellung das Lagergehäuse, mit einer Elektronikplatine, in die eine Ausnehmung eingebracht ist, durch die die Lenkwelle hindurchgeführt ist,
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7 einen Schnitt durch das Lagergehäuse entlang der Lenkwellenlängsachse.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 gezeigte Lenksystem 1 in einem Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 4, ein Lenkgestänge 5 mit einer Zahnstange sowie lenkbare Räder 6. Der Fahrer gibt durch Betätigung des Lenkrades 2 einen Lenkwinkel δLW in der mit dem Lenkrad verbundenen Lenkwelle 3 vor, die über das Lenkgetriebe 4 die Zahnstange des Lenkgestänges 5 in Querrichtung verstellt, woraufhin an den lenkbaren Rädern der Radlenkwinkel δV eingestellt wird.
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Zur Lenkkraftunterstützung dient ein elektrischer Servomotor 7, der über ein Getriebe ein unterstützendes Antriebsmoment in die Lenkwelle 3 einleitet. Das Getriebe umfasst eine Schnecke auf einem Wellenabschnitt der Motorwelle des Servomotors 7 und ein mit der Schnecke in Eingriff stehendes Schneckenrad, welche drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist. Die Lenkwelle 3 sowie die Motorwelle des elektrischen Servomotors 7 sind in einem Lagergehäuse 8 des Lenksystems 1 aufgenommen.
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In den 2 und 3 sowie in der Schnittdarstellung gemäß 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Lagergehäuse 8 dargestellt, das mit einem zweigeteilten Motorlagergehäuse 10 versehen ist. Eine Gehäuseschale 10a des Motorlagergehäuses 10 ist einteilig mit dem Gehäuseabschnitt ausgebildet, der eine Aufnahmeöffnung 9 für die Lenkwelle aufweist. Eine zweite Gehäuseschale 10b ist auf die erste Gehäuseschale 10a aufsetzbar. Die erste und die zweite Gehäuseschale 10a, 10b sind nicht symmetrisch ausgebildet; die abnehmbare, zweite Gehäuseschale 10b weist im Bereich der statorseitigen Stirnseite einen vertikalen, torbogenförmigen Abschnitt auf, welcher in eine korrespondierende Ausnehmung an der gehäusefesten Gehäuseschale 10a einsetzbar ist.
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Das Lagergehäuse 8 weist in einem ersten Gehäuseabschnitt eine Aufnahmeöffnung 9 für die Lenkwelle auf. Ein zweiter Gehäuseabschnitt des Lagergehäuses 8 bildet das Motorlagergehäuse 10 zur Aufnahme des elektrischen Servomotors 7, wobei sich die Längsachse 13 des Motorlagergehäuses 10 orthogonal und seitlich versetzt zur Längsachse 14 der Aufnahmeöffnung 9 bzw. der eingesetzten Lenkwelle erstreckt. Insgesamt setzt sich das Motorlagergehäuse 10 aus einem Motorwellengehäuse 11, in welchem die Motorwelle 15 des Servomotors 7 aufgenommen ist, und einem Statorgehäuse 12 zur Aufnahme des Stators 16 des Servomotors zusammen.
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Die Motorwelle 15 ist in zwei gehäuseseitigen Einzellagern 17 und 18 gelagert, von denen das dem Stator 16 benachbarte Einzellager 17, welches axial dem Stator unmittelbar vorgelagert ist, als Loslager und das statorferne Einzellager 18 als Festlager ausgebildet ist. Die beiden Einzellager 17 und 18 liegen axial auf gegenüberliegenden Seiten bezogen auf eine Schnecke 19, die mit dem in 4 andeutungsweise dargestellten Schneckenrad 20 kämmt, welches drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist. Das Einzellager 18 befindet sich benachbart zur freien Stirnseite der Motorwelle 15. Der gesamte, den Stator 16 axial überragende Wellenabschnitt, welcher auch Träger der Schnecke 19 ist, ist einteilig mit der Motorwelle 15 ausgeführt bzw. wird von der Motorwelle 15 gebildet. Dadurch ist die Lagerung der Motorwelle 15 im Lagergehäuse 8 mit lediglich zwei Einzellagern 17, 18 möglich.
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In 2 und 4 ist außerdem eine Leistungselektronik 23 dargestellt, welche eine Reihe von Leistungselektronikkomponenten auf einer Platine zur Steuerung des Servomotors umfasst. Die Leistungselektronik 23 ist auf einer gehäuseseitigen Befestigungsplattform 24 angeordnet, die sich an das Statorgehäuse 12 anschließt und als ebene Platte ausgebildet ist, welche sich tangential zum Motorwellengehäuse 11 sowie parallel zur Motorwelle erstreckt. Auf der dem Stator 16 des Servomotors gegenüberliegenden Seite weist die Elektronik einen abgewinkelten Abschnitt 25 auf, der die Steuerungselektronik auf einer Platine bildet. Die Steuerungselektronik 25 erstreckt sich orthogonal zur Motorwellenlängsachse 13 und befindet sich axial vor der freien Stirnseite der Motorwelle des Servomotors. Die Steuerungselektronik 25 kann ggf. einen Magnetfeldsensor aufweisen, der das Magnetfeld eines Magnetelementes 21 sensiert, das an der freien Stirnseite der Motorwelle aufgesteckt ist und gemeinsam mit der Motorwelle 15 umläuft. Das Magnetelement 21 und der Magnetfeldsensor bilden gemeinsam eine Rotorlagesensorik zur Ermittlung der aktuellen Drehlage der Motorwelle 15.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind das Magnetelement 21 und der axial vorgelagerte Magnetfeldsensor 22 der Rotorlagesensorik dargestellt.
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In den 6 und 7 ist das Lagergehäuse 8 mit montierter Lenkwelle 3 sowie elektrischem Servomotor 7 dargestellt. Die elektronischen Komponenten der Leistungselektronik 23 sind auf einer Elektronikplatine 40 angeordnet, welche eine Ausnehmung 41 aufweist, durch die im montierten Zustand die Lenkwelle 3 hindurchgeführt ist. Die Ebene der Elektronikplatine 40 liegt senkrecht zur Längsachse 14 der Lenkwelle 3. Die Leistungselektronik 23 befindet sich auf der Oberseite der Elektronikplatine 40 und ist mit dem Stator 16 des elektrischen Servomotors verbunden, der an einem Statorflansch 28 des Lagergehäuses 8 angeordnet ist. Der Statorflansch 28 liegt in einer Ebene orthogonal zur Elektronikplatine 40. Die Motorwellenlängsachse verläuft orthogonal zur Lenkwellenlängsachse 14 sowie parallel zu dieser versetzt. Die Motorwelle des elektrischen Servomotors ist in einem Motorwellengehäuse 11 aufgenommen, das einteilig mit dem Lagergehäuse 8 ausgebildet ist und unterhalb der Elektronikplatine 40 verläuft.
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In 7 ist das Lagergehäuse 8 mit einem aufgesetzten Deckel 42 gezeigt, der vorteilhafterweise aus Kunststoff besteht. Der Deckel 42 weist einen Dom 43 auf, durch den die Lenkwelle 3 hindurchgeführt ist. Im montierten Zustand überdeckt der Deckel 42 die Elektronikplatine 40 einschließlich der darauf aufgenommenen Leistungselektronik 23 sowie ggf. auch den Servomotor 7. Der Deckel 42 kann aus Kunststoff gefertigt sein, ggf. aus faserverstärktem Kunststoff.
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Die Motorwelle 15 ist Träger der Schnecke, die mit dem Schneckenrad 20 kämmt, welche drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist. Die Lenkwelle 3 ist auf axial gegenüberliegenden Seiten des Schneckenrades 20 in Drehlagern aufgenommen, die als Exzenterlager zur radialen Verstellbarkeit der Lenkwelle 3 ausgebildet sein können.
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Aus Schutzgründen kann es zweckmäßig sein, unmittelbar unterhalb der Elektronikplatine 40 eine gehäusefeste Schutzscheibe 44 anzuordnen, welche die Funktion hat, vom Schneckenrad 20 stammendes Schmierfett von der Elektronikplatine 40 fernzuhalten. Die Schutzscheibe 44 erstreckt sich in Radialrichtung mindestens so weit wie das Schneckenrad 20.
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Die Steuerungselektronik kann ebenfalls auf der Elektronikplatine 40 angeordnet sein. Möglich ist aber auch eine Ausführung, bei der die Steuerungselektronik auf einer weiteren Platine angeordnet ist, welche sich zu der Leistungselektronik in einem Winkel, insbesondere in einem 90°-Winkel erstreckt, so wie dies im Ausführungsbeispiel gemäß den 2 bis 5 dargestellt ist. Auch in diesen Fällen ist es aber zweckmäßig, dass die Elektronikplatine, welche sich senkrecht zur Lenkwellenlängsachse 14 erstreckt, eine zentrale Ausnehmung aufweist, durch die die Lenkwelle 3 hindurchgeführt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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