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Die Erfindung betrifft ein Servolenksystem für Kraftfahrzeuge, mit einer Lenkwelle, die an einem axialen Ende ein Ritzel aufweist, einer Zahnstange, die einen Verzahnungsabschnitt zur Einleitung einer Gesamtlenkkraft aufweist, und einem Elektromotor, der ein Antriebsrad zum Bereitstellen einer Lenkhilfskraft aufweist.
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Solche elektromechanischen Servolenksysteme sind bereits in unterschiedlichen Ausführungen im Stand der Technik beschrieben. So ist der Elektromotor beispielsweise an einer Lenksäule im Fahrzeuginnenraum angeordnet und leitet eine Lenkhilfskraft direkt in die Lenkwelle ein. Ferner kann der Elektromotor als Ritzelantrieb im Bereich zwischen Lenkwelle und Zahnstange angeordnet sein und seine Lenkhilfskraft direkt in das Ritzel einleiten. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Servolenksystems überträgt der Elektromotor die Lenkhilfskraft mittels eines zusätzlichen, separaten Ritzels direkt auf die Zahnstange.
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Ein Nachteil bei einer Krafteinleitung in die Lenkwelle oder in das Ritzel der Lenkwelle ist die erforderliche Begrenzung der Gesamtlenkkraft auf üblicherweise etwa 8–10 kN, um eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung zu gewährleisten. Bei einer direkten Übertragung auf die Zahnstange lässt sich die maximal übertragbare Gesamtlenkkraft deutlich erhöhen. Hierfür werden jedoch ein weiteres, separates Ritzel sowie ein zusätzlicher Verzahnungsabschnitt in der Zahnstange benötigt, was sowohl den Fertigungsaufwand für das Servolenksystem als auch den Bauraumbedarf im Bereich der Zahnstange deutlich erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes, elektromechanisches Servolenksystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, welches bei geringem Fertigungsaufwand die Übertragung großer Gesamtlenkkräfte ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Servolenksystem der eingangs genannten Art, bei dem das Ritzel und der Verzahnungsabschnitt Teil eines Übersetzungsgetriebes sind, wobei das Übersetzungsgetriebe ein erstes Zahnrad umfasst, das mit dem Antriebsrad des Elektromotors kämmt und sowohl mit dem Ritzel als auch mit der Zahnstange außer Eingriff steht. Hierbei können die Verzahnungsparameter zwischen einem Zahnrad des Übersetzungsgetriebes und dem Antriebsrad des Elektromotors, dem Ritzel der Lenkwelle oder dem Verzahnungsabschnitt der Zahnstange individuell so an die Randbedingungen der jeweiligen Verbindung angepasst werden, dass sich im Servolenksystem die maximal übertragbare Kraft auf die Zahnstange erhöht. Außerdem lässt sich das Übersetzungsgetriebe mit überschaubarem Mehraufwand und geringem zusätzlichen Bauraumbedarf in das Servolenksystem integrieren.
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In einer Ausführungsform des Servolenksystems weist eine Ritzelverzahnung des Ritzels einen größeren Zahnabstand auf als eine Zahnstangenverzahnung der Zahnstange. Als Zahnabstand wird in diesem Zusammenhang jeweils der durchschnittliche Abstand zweier Zähne auf Höhe des Teilkreises bezeichnet. Auf die Zahnstangenverzahnung muss die Gesamtlenkkraft übertragen werden, das heißt die manuell aufgebrachte Lenkkraft und zusätzlich die vom Elektromotor bereitgestellte Lenkhilfskraft, sodass bei dieser Verbindung ein geringer Zahnabstand gewählt wird, um die übertragbare Kraft zu maximieren.
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Vorzugsweise umfasst das Übersetzungsgetriebe eine Getriebewelle mit drei drehfest auf der Getriebewelle angeordneten Zahnrädern, wobei das erste Zahnrad mit dem Antriebsrad des Elektromotors, ein zweites Zahnrad mit dem Ritzel und ein drittes Zahnrad mit dem Verzahnungsabschnitt der Zahnstange kämmt. Der herkömmliche kämmende Eingriff zwischen Ritzel und Zahnstange ist stets ein Kompromiss zwischen einer möglichst feinen Verzahnung, um die maximal übertragbare Kraft zu erhöhen, und einer möglichst groben Verzahnung, um durch eine vorgegebene Lenkraddrehung eine hinreichend große axiale Verschiebung der Zahnstange zu erzielen. Nunmehr können die Verzahnungsparameter der miteinander kämmenden Verzahnungen individuell an die Randbedingungen der jeweiligen Verbindung angepasst werden, was zu einer verbesserten Systemleistung führt. Insbesondere lässt sich dadurch die auf die Zahnstange übertragbare Kraft steigern, ohne dass das Verhältnis zwischen Lenkraddrehung und axialer Zahnstangenverschiebung beeinflusst wird.
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Das Ritzel und das zweite Zahnrad des Übersetzungsgetriebes sind bevorzugt als Kegelräder ausgebildet. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Winkel zwischen Lenksäule und Zahnstange einfach durch eine entsprechende Wahl des Kegelwinkels der Kegelräder kompensieren.
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Desweiteren können der Verzahnungsabschnitt der Zahnstange und das dritte Zahnrad des Übersetzungsgetriebes mit einer Schrägverzahnung ausgebildet sein. Verglichen mit einer ebenfalls denkbaren Geradverzahnung lassen sich durch die Schrägverzahnung größere Lenkkräfte bei kleinerem Lenkungsspiel übertragen.
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Vorzugsweise ist zwischen Ritzel der Lenkwelle und abtriebsseitigem, mit dem Ritzel kämmenden Zahnrad, das üblicher Weise das zweite Zahnrad ist, eine positive Übersetzung vorgesehen ist. Dadurch ist gewährleistet, dass aus einer vorgegebenen Lenkraddrehung ein hinreichend großer Lenkeinschlag resultiert.
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Wenn das mit dem Ritzel kämmende Zahnrad einen kleineren Teilkreisdurchmesser als das mit der Zahnstange kämmende, die Zahnstange antreibende Zahnrad (üblicherweise das dritte Zahnrad) hat, erfolgt neben der Übersetzung ins Schnelle durch die Ritzelpaarung zwischen dem Lenkwellenritzel und dem damit kämmenden Zahnrad eine weitere Übersetzung ins Schnelle.
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Der Teilkreisdurchmesser des ersten Zahnrads ist insbesondere größer als der des zweiten und des dritten Zahnrads, so dass das durch den Elektromotor eingebrachte Drehmoment aufgrund der Untersetzung zwischen dem Antriebsrad des Elektromotors und dem damit kämmenden Zahnrad erhöht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform des Servolenksystems ist das Antriebsrad des Motors als Schnecke und das erste Zahnrad des Übersetzungsgetriebes als Schneckenrad ausgebildet. Mit einem solchen Schneckengetriebe ist eine präzise Verschiebung der Zahnstange durch den Elektromotor möglich, wobei alternativ jedoch auch ein Zahnriemengetriebe zum Einsatz kommen kann.
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In einer speziellen Ausführungsvariante ist das Übersetzungsgetriebe des Servolenksystems mit einem Planeten- oder Gleitkeilgetriebe gekoppelt. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Aufwand eine Lenkwinkelüberlagerungsfunktion realisieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäßes, elektromechanisches Servolenksystem 10 für Kraftfahrzeuge, mit einer Lenkwelle 12, die an einem axialen Ende ein Ritzel 14 zur Übertragung einer manuell aufgebrachten Lenkkraft FM aufweist. Das Servolenksystem 10 umfasst außerdem eine Zahnstange 16, die einen Verzahnungsabschnitt 18 zur Einleitung einer Gesamtlenkkraft FT aufweist, sowie einen Elektromotor 20, der ein Antriebsrad 22 zum Bereitstellen einer Lenkhilfskraft FS aufweist.
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Das Ritzel 14 und der Verzahnungsabschnitt 18 der Zahnstange 16 sind Teil eines Übersetzungsgetriebes 24, wobei das Übersetzungsgetriebe 24 ein erstes Zahnrad 26 umfasst, welches ausschließlich mit dem Antriebsrad 22 des Elektromotors 20 kämmt. Sowohl mit dem Ritzel 14 als auch mit der Zahnstange 16 steht das erste Zahnrad 26 hingegen außer Eingriff. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass eine Verzahnung des ersten Zahnrads 26 weder in eine Verzahnung des Ritzels 14 noch in eine Verzahnung der Zahnstange 16 eingreift. Trotzdem sind das erste Zahnrad 26, das Ritzel 14 und die Zahnstange 16 durch das Übersetzungsgetriebe 24 miteinander gekoppelt.
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Konkret umfasst das Übersetzungsgetriebe 24 eine Getriebewelle 28 mit drei drehfest auf der Getriebewelle 28 angeordneten Zahnrädern 26, 30, 32, wobei das erste Zahnrad 26 mit dem Antriebsrad 22 des Elektromotors 20 kämmt, ein zweites Zahnrad 30 mit dem Ritzel 14 kämmt, und ein drittes Zahnrad 32 mit dem Verzahnungsabschnitt 18 der Zahnstange 16 kämmt.
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Die positive Übersetzung zwischen dem Ritzel 34 und dem Zahnrad 30 ist dabei so gewählt, dass eine hinreichend große Axialverschiebung der Zahnstange 16 bei einer vorgegebenen Lenkraddrehung gewährleistet. Dadurch, dass das Zahnrad 32 zudem einen größeren Teilkreis als das drehmomentgekoppelte Zahnrad 30 hat führt zu einer weiteren Übersetzung der Drehung des Lenkrads in eine Verschiebung der Zahnstange 16.
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Der Teilkreisdurchmesser des ersten Zahnrads 26 ist größer als der des zweiten und dritten Zahnrads 30, 32, so dass das durch den Elektromotor eingebrachte Drehmoment aufgrund der Untersetzung zwischen dem Antriebsrad 22 und dem Zahnrad 26 erhöht wird. Dadurch lassen sich sehr hohe Unterstützungskräfte bei kleinem Bauraum realisieren.
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Der Zahnabstand der Zähne des Zahnrads 32 ist relativ gering, auf jeden Fall kleiner als der des Ritzels 34, so dass die insgesamt sehr hohen Drehmomente, die sich durch die Summe des hohen Servodrehmoments mit der Lenkhilfskraft FS und des manuellen Drehmoments mit der Lenkkraft FM ergeben, zuverlässig auf die Zahnstange 16 übertragen werden.
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Durch den geringeren Zahnabstand entsteht eine feinere, weniger schräge Verzahnung, sodass eine größere Kraftübertragungsfläche zur Verfügung steht.
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Gemäß 1 sind das Ritzel 14 und das zweite Zahnrad 30 des Übersetzungsgetriebes 24 als Stirnräder mit Schrägverzahnung ausgebildet. Verglichen mit einer (ebenfalls denkbaren) Geradverzahnung der Stirnräder ermöglicht die Schrägverzahnung eine größere Lenkkraftübertragung bei geringerem Lenkungsspiel. Abhängig von der Anordnung der Einzelbauteile, insbesondere abhängig vom Winkel zwischen der Lenkwelle 12 und der Zahnstange 16 können das Ritzel 14 und das zweite Zahnrad 30 des Übersetzungsgetriebes 24 alternativ auch als Kegelräder ausgebildet sein.
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Der Verzahnungsabschnitt 18 der Zahnstange 16 und das dritte Zahnrad 32 des Übersetzungsgetriebes 24 sind ebenfalls mit einer Schrägverzahnung ausgebildet, wobei alternativ auch eine Geradverzahnung denkbar ist. Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht die Schrägverzahnung jedoch eine größere Lenkkraftübertragung bei geringerem Lenkungsspiel.
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Das Antriebsrad 22 des Elektromotors 20 ist im vorliegenden Fall als Schnecke und das erste Zahnrad 26 des Übersetzungsgetriebes 24 als Schneckenrad ausgebildet. Das Schneckengetriebe ermöglicht eine äußerst präzise und weitgehend spielfreie Axialbewegung der Zahnstange 16. Alternativ kann jedoch auch ein Zahnriemengetriebe zum Einsatz kommen.
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In einer besonderen Ausführungsvariante ist das Übersetzungsgetriebe 24 des Servolenksystems 10 mit einem (nicht dargestellten) Planeten- oder Gleitkeilgetriebe gekoppelt oder ein solches ist. Dadurch lässt sich auf einfache und vorteilhafte Weise eine Lenkwinkelüberlagerungsfunktion in das elektromechanische Servolenksystem 10 integrieren.
