DE102012204318A1

DE102012204318A1 - Umlaufkugel-Servolenksystem

Info

Publication number: DE102012204318A1
Application number: DE102012204318A
Authority: DE
Inventors: Mauro Pacheco Escobedo; Miroslaw Zaloga; Christopher J. Mielke; George E. Doerr; Scott R. Kloess
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2012-09-27
Also published as: BR102012006480A2; US20120241244A1; US8360197B2; CN102689649A; CN102689649B

Abstract

Ein Servolenksystem umfasst eine Eingangswelle, die funktional mit einem Eingangselement verbunden ist, und ein Sektorzahnrad, das funktional mit einem Lenkstockhebel verbunden ist. Eine erste Kugelspindel ist an der Eingangswelle gebildet. Eine erste Kugelmutter umgibt die erste Kugelspindel und steht mit dieser durch mehrere Kugellager in Drehmomentübertragungsverbindung. Eine erste Zahnstange ist starr an der ersten Kugelmutter angebracht und kämmt mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem. Eine zweite Kugelspindel ist nicht wesentlich koaxial mit der ersten Kugelspindel. Eine zweite Kugelmutter umgibt die zweite Kugelspindel und steht durch die Kugellager mit der zweiten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung. Eine zweite Zahnstange kämmt mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem. Ein Elektromotor ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad selektiv Drehmoment durch die zweite Kugelspindel zuzuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Umlaufkugel-Servolenksysteme für Fahrzeuge.
HINTERGRUND
Fahrzeuge verwenden Lenksysteme, um von dem Fahrer, etwa durch ein Lenkrad, angewiesene Änderungen in Richtung oder Kurs an lenkbare Räder des Fahrzeugs, häufig die Vorderräder, zu übermitteln. Servolenksysteme unterstützen den Fahrer des Fahrzeugs beim Lenken, indem Kraft zu der hinzugefügt wird, die von dem Fahrer geliefert wird, und die Anstrengung verringert wird, die notwendig ist, um das Lenkrad von Hand einzuschlagen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Servolenksystem zum Übertragen von Drehmoment zwischen einem Eingangselement und einem Lenkstockhebel vorgesehen. Das Servolenksystem umfasst eine Eingangswelle, die funktional mit dem Eingangselement verbunden ist, und umfasst auch ein Sektorzahnrad, das funktional mit dem Lenkstockhebel verbunden ist. Eine erste Kugelspindel ist an der Eingangswelle gebildet. Eine erste Kugelmutter umgibt die erste Kugelspindel und steht über mehrere Kugellager mit der ersten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung. Eine erste Zahnstange ist starr an der ersten Kugelmutter angebracht und kämmt mit dem zweiten Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem.
Das Lenksystem umfasst darüber hinaus eine zweite Kugelspindel, die nicht wesentlich koaxial mit der ersten Kugelspindel ist. Eine zweite Kugelmutter umgibt die zweite Kugelspindel und steht durch die mehreren Kugellager mit der zweiten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung. Eine zweite Zahnstange kämmt mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem. Ein Elektromotor ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad selektiv Drehmoment durch die zweite Kugelspindel zuzuführen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der vorliegenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsarten und anderen Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung leicht deutlich werden, wie sie in den beigefügten Zeichnungen definiert sind, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Servolenksystems mit umlaufender Kugel für ein Fahrzeug;
2 ist eine schematische Draufsicht im Teilschnitt eines Mechanismus mit umlaufender Kugel, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, welche einen Elektromotor zeigt, der an der vorderen Seite des Umlaufkugelmechanismus montiert ist;
3 ist eine schematische, perspektivische Teilschnittansicht eines elektrischen Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System von 1, verwendbar ist, die einen Elektromotor zeigt, der an der hinteren oder Eingangswellenseite des Umlaufkugelmechanismus montiert ist;
4 ist eine schematische, perspektivische Teilschnittansicht eines Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, die eine Kraftübertragung auf den Umlaufkugelmechanismus durch eine zweite Kugelspindel zeigt;
5 ist eine schematische, perspektivische Teilschnittansicht eines Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, die eine Kraftübertragung auf den Kugelumlaufmechanismus durch eine zweite Kugelmutter zeigt;
6 ist eine schematische Draufsicht im Teilschnitt eines Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, die einen Doppelbohrungs-Umlaufkugelmechanismus zeigt;
7 ist eine schematische Draufsicht in Teilschnitt eines Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, die einen anderen Doppelbohrungs-Umlaufkugelmechanismus zeigt;
8A ist eine schematische Perspektivansicht eines Umlaufkugelmechanismus, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem System in 1, verwendbar ist, die einen Doppelbohrungs-Umlaufkugelmechanismus mit zwei Elektromotoren zeigt; und
8B ist eine schematische Draufsicht im Schnitt des in 8A gezeigten Umlaufkugelmechanismus, genommen entlang der Schnittlinie 8-8.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, wann immer es über die mehreren Figuren hinweg möglich ist, ist in 1 ein schematisches Diagramm eines Umlaufkugel-Servolenksystems 10 für ein Fahrzeug gezeigt (der Rest davon ist nicht gezeigt). 1 zeigt einige der primären Komponenten des Lenksystems 10, die in Richtung der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet sein können. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 1 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Obgleich die vorliegende Erfindung ausführlich mit Bezug auf Kraftfahrzeuganwendungen beschrieben ist, werden Fachleute die breitere Anwendbarkeit der Erfindung erkennen. Fachleute werden erkennen, dass Ausdrücke, wie etwa ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”nach oben”, ”nach unten” usw. beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, darstellen.
Das Lenksystem 10 überträgt Rotation und Drehmoment von einem Eingangselement, wie etwa einem Lenkrad 12, auf ein Ausgangselement, wie etwa einen Lenkstockhebel 14 (teilweise nicht sichtbar), der einen Relaisstab 16 bewegt. Ein oder mehrere Räder 17 des Fahrzeugs werden durch eine Bewegung des Relaisstabs 16 und angebrachter Komponenten eingeschlagen (nicht separat nummeriert, die aber Zugstäbe, Achsschenkel usw. umfassen). Eine Lenksäule 18 ist an dem Lenkrad 12 angebracht und umfasst verschiedene Gestänge, Sensoren, Schalter und Zubehöre. Das Lenkrad 12 ist lediglich zur Veranschaulichung gezeigt, und andere Arten von Lenkeinrichtungen können mit dem Lenksystem 10 verwendet werden. Ein Umlaufkugelmechanismus 20, von dem Beispiele hierin ausführlicher beschrieben werden, überträgt Drehmoment von dem Lenkrad 12 auf den Lenkstockhebel 14.
In dem in 1 gezeigten Lenksystem 10 wirkt das Lenkrad 12 als das Eingangselement. Eingangssignale – in der Form von Drehmoment und Drehbewegung – werden durch den Bediener oder Fahrer des Fahrzeugs in das Lenksystem 12 eingegeben. Die Vorderräder des Fahrzeugs sind in dem in 1 gezeigten Lenksystem 10 die Ausgangselemente. Daher befindet sich der Umlaufkugelmechanismus 20 zwischen dem Eingang von dem Lenkrad 12 und dem Ausgang zu dem Lenkstockhebel 14 und den Rädern 17. Andere Eingangs- und Ausgangselemente können mit dem Lenksystem 10 und dem Umlaufkugelmechanismus 20 verwendet werden. Zum Beispiel, und ohne Einschränkung, kann der Umlaufkugelmechanismus 20 Eingangssignale von einem Drive-by-Wire-System empfangen, das mit dem Lenkrad 12 nicht direkt verknüpft ist, wobei in diesem Fall das Eingangselement ein Solenoid oder eine kleine Elektromaschine sein kann und die Lenksäule 18 beseitigt oder verkürzt sein kann. Darüber hinaus können der Lenkstockhebel 14 und die Relaisstäbe 16 mit Hinterrädern (nicht gezeigt) des Fahrzeugs verknüpft sein.
Um das Drehmoment, das von dem Lenkrad 12 durch den Fahrzeugbediener übertragen wird, selektiv zu erhöhen, umfasst das Lenksystem 10 auch eine oder mehrere Elektromaschinen, wie einen ersten Elektromotor 22 und einen zweiten Elektromotor 23. Der Umlaufkugelmechanismus 20 überträgt auch Drehmoment und Kraft von dem ersten Elektromotor 22 und dem zweiten Elektromotor 23 auf den Lenkstockhebel 14. Daher kombiniert der Umlaufkugelmechanismus Drehmoment von dem Lenkrad 12, dem ersten Elektromotor 22 und dem zweiten Elektromotor 23, um den Lenkstockhebel 14 und den Relaisstab 16 zu bewegen. Drehmoment und Drehung von dem Lenkrad 12 werden auf eine Eingangswelle 24 (teilweise nicht sichtbar) des Umlaufkugelmechanismus 20 übertragen.
Das Lenksystem 10 zeichnet sich durch das Fehlen eines Verstärkungsmechanismus an der Lenksäule 18 aus, der zwischen dem Lenkrad 12 und der Eingangswelle 24 angeordnet ist, so dass das Lenksystem 10 keine Säulenunterstützung umfasst. Darüber hinaus umfasst der Umlaufkugelmechanismus 20 keine hydraulische Verstärkung oder hydraulische Unterstützung. Der Betrag an Drehmoment und Kraft, der von dem ersten Elektromotor 22 und dem zweiten Elektromotor 23 zugeführt wird, kann auf der Grundlage der Fahrbedingungen des Fahrzeugs verändert werden.
Das Lenksystem 10 kann einen Controller oder ein Steuersystem (nicht gezeigt) umfassen. Das Steuersystem kann eine oder mehrere Komponenten mit einem Speichermedium und einer geeigneten Menge an programmierbarem Speicher umfassen, die in der Lage sind, einen oder mehrere Algorithmen oder Verfahren zu speichern und auszuführen, um eine Steuerung des Lenksystems 10 und möglicherweise anderer Komponenten des Fahrzeugs zu bewirken. Das Steuersystem steht mit zumindest dem ersten Elektromotor 22, dem zweiten Elektromotor 23 und der Eingangswelle 24 oder zu dieser gehörenden Sensoren in Verbindung. Das Steuersystem kann mit zahlreichen Sensoren und Kommunikationssystemen des Fahrzeugs in Verbindung stehen. Jede Komponente des Steuersystems kann eine verteilte Controllerarchitektur, wie etwa eine elektronische Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis (ECU), umfassen. Es können zusätzliche Module oder Prozessoren innerhalb des Steuersystems vorhanden sein.
Nun unter Bezugnahme auf 2 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist ein Umlaufkugelmechanismus 220 gezeigt, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem in 1 gezeigten Lenksystem 10, verwendbar ist. 2 zeigt allgemein eine Draufsicht des Umlaufkugelmechanismus 220. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 2 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 220 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement und einem Elektromotor 222 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 214. Eine Eingangswelle 224 ist funktional mit dem Lenkrad, wie etwa durch eine Lenksäule und ein Gestänge (nicht gezeigt), verbunden und innerhalb eines Gehäuses 225 getragen. Die Eingangswelle 224 kann mit anderen Eingangselementen verbunden sein. Teile des Gehäuses 225 sind entweder entfernt oder im Schnitt gezeigt worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 220 besser zu veranschaulichen. Das Gehäuse 225 (und die anderen gezeigten Gehäuseausgestaltungen) ist nur veranschaulichend und kann gegenüber der in den Figuren gezeigten unterschiedliche Formen annehmen.
Die Eingangswelle 224 weist eine erste Kugelspindel 226 auf, die an einem Ende gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 226 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 224 gebildet. Das Gehäuse 225 kann in mehr als einem Stück gebildet sein und verschiedene Dichtungen und Lager umfassen, um eine Bewegung der Komponenten des Umlaufkugelmechanismus 220 zu erleichtern.
Eine erste Kugelmutter 228 umgibt die erste Kugelspindel 226 und steht mit der ersten Kugelspindel 226 durch mehrere Kugellager 227, die schematisch gezeigt sind, welche zwischen der ersten Kugelspindel 226 und der ersten Kugelmutter 228 zirkulieren, in Drehmomentübertragungsverbindung. Das Gehäuse 225 umgibt die erste Kugelmutter 228 und führt deren Bewegung, so dass die erste Kugelmutter 228 innerhalb des Gehäuses 225 gleitet, aber nicht rotiert. Eine Drehung des Lenkrads bewirkt, dass die Eingangswelle 224 und die erste Kugelspindel 226 rotieren. Wenn die erste Kugelspindel 226 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 228 übertragen und bewirkt eine lineare (links und rechts, wie in 2 betrachtet) Bewegung der ersten Kugelmutter 228.
Die erste Kugelmutter 228 kämmt mit einem Sektorzahnrad 232 zur Übertragung von Drehmoment mit diesem. Das Sektorzahnrad 232 ist, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, starr an dem Lenkstockhebel 214 angebracht und kann durch das Gehäuse 225 oder eine andere Struktur getragen oder abgestützt sein. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 228 eine Drehung des Sektorzahnrads 232, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 232 und des Lenkstockhebels 214 führt.
Der Umlaufkugelmechanismus 220 umfasst einen oder mehrere Sensoren 234, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 224 zu ermitteln. Die Sensoren 234 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 224 von der Bedienereingabe an dem Lenkrad und überwachen auch das Reaktionsdrehmoment, das auf die Eingangswelle 224 durch die Fahrzeugräder übertragen wird. Die Sensoren 234 sind nur schematisch gezeigt und können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen. Darüber hinaus können die Sensoren 234 mit einem oder mehreren Steuersystemen (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von dem Sensor 234 zu verarbeiten.
Der Elektromotor 222 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 232 selektiv Drehmoment durch den Umlaufkugelmechanismus 220 zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 222 abgegeben wird, kann zum Teil auf der Grundlage von den Signalen von den Sensoren 234, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren variabel abgegeben werden. Darüber hinaus kann der Elektromotor 222 zur Verwendung mit anderen Fahrzeugsystemen gesteuert werden, die: elektronische Stabilitätssteuerung, Parkhilfe und Spurabweichung umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Bei Hinterradlenk- oder Drive-by-Wire-Ausgestaltungen können die Sensoren 234 das Lenkrad, das nicht mechanisch mit der Eingangswelle 224 verknüpft zu sein braucht, direkt überwachen.
Eine Antriebseinheit 236 ist zwischen dem Elektromotor 222 und der ersten Kugelmutter 228 angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 222 und dem Sektorzahnrad 232. Teile der Antriebseinheit 236 sind entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 236 besser zu veranschaulichen. In der in 2 gezeigten Ausgestaltung wird die Antriebseinheit 236 durch ein Schneckenrad 238 angetrieben. Die Antriebseinheit 236 ist mit der ersten Kugelspindel 226 an dem Ende des Gehäuses 225 entgegengesetzt von der Eingangswelle 224 – der Vorderseite relativ zu der Vorwärtsbewegungsrichtung des Fahrzeugs – direkt verbunden und wirkt auf dieses. Die erste Kugelspindel 226 überträgt dann Drehmoment auf die erste Kugelmutter 228. Daher verstärkt der Elektromotor 222 das Drehmoment und die Kraft, die an das Sektorzahnrad 232 und die Fahrzeugräder abgegeben werden.
Andere Ausgestaltungen der Antriebseinheit 236, von denen manche hierin besprochen werden, können mit dem Umlaufkugelmechanismus 220 verwendet werden. Zum Beispiel, und ohne Einschränkung, kann die Antriebseinheit 236 durch eine Kette oder einen Riemen anstatt durch das Schneckenrad 238 angetrieben werden, oder die Antriebseinheit 236 kann andere Zahnräder, Kettenräder usw. umfassen. Darüber hinaus kann die Lage der Verbindung von der Antriebseinheit 236 variieren, solange die Verknüpfung zwischen dem Elektromotor 222 und dem Sektorzahnrad 232 für eine ausreichende Drehmomentübertragung und Lenkunterstützung aufrechterhalten wird.
Alternativ kann der Umlaufkugelmechanismus 220 mit Hinterradlenksystemen benutzt werden. In einer derartigen Ausgestaltung braucht der Umlaufkugelmechanismus 220 die Eingangswelle 224 nicht zu umfassen, und die Eingangssignale würden von dem Steuersystem kommen, das das Lenkrad überwachen und Fahrerbefehle in Drehmoment umwandeln kann, das benötigt wird, um die Hinterräder (nicht gezeigt) einzuschlagen. Bei Hinterradanwendungen kann der Umlaufkugelmechanismus 220 den Elektromotor 222 als alleinige Drehmomentquelle zum Einschlagen der Hinterräder verwenden.
Nun unter Bezugnahme auf 3 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist ein Umlaufkugelmechanismus 320 gezeigt, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem in 1 gezeigten Lenksystem 10, verwendbar ist. 3 zeigt allgemein eine Seitenansicht des Umlaufkugelmechanismus 320, der ähnlich wie der in 2 gezeigte Umlaufkugelmechanismus 220 ist. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 3 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 320 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement und einem Elektromotor 322 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 314. Eine Eingangswelle 324 ist funktional mit dem Lenkrad verbunden und innerhalb eines Gehäuses 325 getragen. Teile des Gehäuses 325 sind entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 320 besser zu veranschaulichen. Die Eingangswelle 324 weist eine erste Kugelspindel 326 auf, die an einem Ende gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 326 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 324 gebildet.
Eine erste Kugelmutter 328 umgibt die erste Kugelspindel 326 und steht durch mehrere Kugellager (nicht gezeigt), die zwischen der ersten Kugelspindel 326 und der ersten Kugelmutter 328 zirkulieren, mit der ersten Kugelspindel 326 in Drehmomentübertragungsverbindung. Das Gehäuse 325 umgibt die erste Kugelmutter 328 und führt deren Bewegung. Eine Drehung des Lenkrads bewirkt, dass die Eingangswelle 324 und die erste Kugelspindel 326 rotieren. Wenn die erste Kugelspindel 326 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 328 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (allgemein links und rechts, wie in 3 betrachtet) der ersten Kugelmutter 328.
Die erste Kugelmutter 328 kämmt mit einem Sektorzahnrad 332 und steht mit diesem in Eingriff (weitgehend sichtverdeckt) zur Drehmomentübertragung mit diesem. Das Sektorzahnrad 332 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 314 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 328 eine Drehung des Sektorzahnrads 332, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 332 und des Lenkstockhebels 314 führt.
Der Umlaufkugelmechanismus 320 umfasst einen oder mehrere Sensoren 334, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 324 oder der ersten Kugelspindel 226 zu ermitteln. Die Sensoren 334 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 324, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwachen auch das Reaktionsdrehmoment, das durch die Fahrzeugräder zurück auf die Eingangswelle 324 übertragen wird. Die Sensoren 334 können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen und können mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von dem Sensor 334 zu verarbeiten.
Der Elektromotor 322 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 332 selektiv Drehmoment durch den Umlaufkugelmechanismus 320 zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 322 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren 334, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine Antriebseinheit 336 ist zwischen dem Elektromotor 322 und der ersten Kugelmutter 328 angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 322 und dem Sektorzahnrad 332. Teile der Antriebseinheit 336 sind entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 336 besser zu veranschaulichen. In der in 3 gezeigten Ausgestaltung wird die Antriebseinheit 336 durch ein Schneckenrad 338 angetrieben und ist mit der ersten Kugelspindel 326 direkt verbunden und wirkt auf diese.
Die Antriebseinheit 336 von 3 wirkt auf das Ende des Gehäuses 325 benachbart zu der Eingangswelle 324, was zulässt, dass der Elektromotor 322 und die Antriebseinheit 336 auf der Lenkradseite des Umlaufkugelmechanismus angeordnet sein können. Die Verbindungen zwischen der Antriebseinheit 336 und der ersten Kugelspindel 326 sind schematisch gezeigt, und einzelne Zahnradzähne sind nicht veranschaulicht. Die erste Kugelspindel 326 überträgt dann Drehmoment auf die erste Kugelmutter 328. Daher verstärkt der Elektromotor 322 das Drehmoment und die Kraft, die an das Sektorzahnrad 332 und die Fahrzeugräder abgegeben werden.
Nun unter Bezugnahme auf 4 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–3 ist ein Umlaufkugelmechanismus 420 gezeigt, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem in 1 gezeigten Lenksystem 10, verwendbar ist. 4 zeigt allgemein eine Seitenansicht des Umlaufkugelmechanismus 420. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 4 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 420 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement und einem Elektromotor 422 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 414. Eine Eingangswelle 424 ist funktional mit dem Lenkrad verbunden und innerhalb eines Gehäuses 425 getragen. Eine Querschnittsebene ist durch das Gehäuse 425 genommen worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 420 besser zu veranschaulichen. Die Eingangswelle 424 weist eine erste Kugelspindel 426 auf, die an einem Ende gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 426 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 424 gebildet.
Eine erste Kugelmutter 428 umgibt die erste Kugelspindel 426 und steht durch mehrere Kugellager (nicht gezeigt), die zwischen der ersten Kugelspindel 426 und der ersten Kugelmutter 428 zirkulieren, mit der ersten Kugelspindel 426 in Drehmomentübertragungsverbindung. Das Gehäuse 425 umgibt die erste Kugelmutter 428 und führt deren Bewegung. Eine Drehung des Lenkrads bewirkt, dass die Eingangswelle 424 und die erste Kugelspindel 426 rotieren. Wenn die erste Kugelspindel 426 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 428 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (im Allgemeinen links und rechts, wie in 4 betrachtet) der ersten Kugelmutter 428.
Die erste Kugelmutter 428 kämmt mit einem Sektorzahnrad 432 (weitgehend sichtverdeckt) zur Drehmomentübertragung mit diesem. Das Sektorzahnrad 432 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 414 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 428 eine Rotation des Sektorzahnrads 432, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 432 und des Lenkstockhebels 414 führt.
Der Umlaufkugelmechanismus 420 umfasst einen oder mehrere Sensoren 434, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 424 oder der ersten Kugelspindel 226 zu ermitteln. Die Sensoren 434 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 424, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwacht auch das Reaktionsdrehmoment, das durch die Fahrzeugräder zurück auf die Eingangswelle 424 übertragen wird. Die Sensoren 434 können mehrere unterschiedliche Typen von Sensoren umfassen und können mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen um Signale oder Befehle von den Sensoren 434 zu verarbeiten.
Der Elektromotor 422 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 432 selektiv Drehmoment durch den Umlaufkugelmechanismus 420 zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 422 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren 434, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine Antriebseinheit 436 ist zwischen dem Elektromotor 422 und der ersten Kugelmutter 428 angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 422 und dem Sektorzahnrad 432. Teile der Antriebseinheit 436 sind ebenfalls geschnitten worden, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 436 besser zu veranschaulichen.
Der Umlaufkugelmechanismus 420 umfasst ferner eine zweite Kugelspindel 440, die im Wesentlichen koaxial mit der ersten Kugelspindel 426 ist. Die zweite Kugelspindel 440 steht auch durch die mehreren Kugellager mit der ersten Kugelmutter 428 in Drehmomentübertragungsverbindung. Daher kann Drehmoment von einer oder beiden von der ersten Kugelspindel 426 und der zweiten Kugelspindel 440 auf die erste Kugelmutter 428 übertragen werden. In der in 4 gezeigten Ausgestaltung wird die Antriebseinheit 426 durch ein Schneckenrad 438 angetrieben und ist durch ein daran angebrachtes Zahnrad mit der zweiten Kugelspindel 440 direkt verbunden und wirkt auf diese.
In der in 4 gezeigten Ausgestaltung wirkt die Antriebseinheit 436 auf das Ende des Gehäuses 425 entgegengesetzt von der Eingangswelle 424. Die Verbindungen zwischen der Antriebseinheit 436 und der zweiten Kugelspindel 440 sind schematisch gezeigt, und einzelne Zahnradzähne sind nicht veranschaulicht. Die zweite Kugelspindel 440 und die erste Kugelspindel 426 übertragen dann kombiniertes Drehmoment auf die erste Kugelmutter 428. Daher verstärkt der Elektromotor 422 das Drehmoment und die Kraft, die an das Sektorzahnrad 432 und die Fahrzeugräder abgegeben werden.
Nun unter Bezugnahme auf 5 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–4 ist ein Umlaufkugelmechanismus 520 gezeigt, der mit Servolenksystemen, wie etwa dem in 1 gezeigten Lenksystem 10, verwendbar ist. 5 zeigt allgemein eine Seitenansicht des Umlaufkugelmechanismus 520. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 5 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 520 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement und einem Elektromotor 522 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 514. Viel von dem Elektromotor 522 ist in der Ansicht in 5 verdeckt. Eine Eingangswelle 524 ist funktional mit dem Lenkrad verbunden und ist innerhalb eines Gehäuses 525 getragen. Eine Querschnittsebene ist durch das Gehäuse 525 genommen worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 520 besser zu veranschaulichen.
Die Eingangswelle 524 weist eine erste Kugelspindel 526 auf, die an einem Ende gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 526 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 524 gebildet. Das Gehäuse 525 kann in mehr als einem Stück gebildet sein und kann verschiedene Dichtungen und Lager umfassen, um eine Bewegung der Komponenten des Umlaufkugelmechanismus 520 zu erleichtern.
Eine erste Kugelmutter 528 umgibt die erste Kugelspindel 526 und steht mit der ersten Kugelspindel 526 durch mehrere Kugellager (nicht gezeigt), die zwischen der ersten Kugelspindel 526 und der ersten Kugelmutter 528 zirkulieren, in Drehmomentübertragungsverbindung. Das Gehäuse 525 umgibt die erste Kugelmutter 528 und führt deren Bewegung.
Eine Drehung des Lenkrads bewirkt, dass die Eingangswelle 524 und die erste Kugelspindel 526 rotieren. Wenn die erste Kugelspindel 526 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 528 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (im Allgemeinen links und rechts, wie in 5 betrachtet) der ersten Kugelmutter 528.
Die erste Kugelmutter 528 kämmt mit einem Sektorzahnrad 532 (weitgehend sichtverdeckt) und steht mit diesem für eine Drehmomentübertragung dazwischen in Eingriff. Das Sektorzahnrad 532 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 514 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 528 eine Drehung des Sektorzahnrads 532, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 532 und des Lenkstockhebels 514 führt. Das Gehäuse 525 und das Sektorzahnrad 532 verhindern eine Rotation der ersten Kugelmutter 528, so dass sie eine Translation ausführen, aber nicht rotieren kann.
Der Umlaufkugelmechanismus 520 umfasst einen oder mehrere Sensoren 534, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 524 oder der ersten Kugelspindel 226 zu ermitteln. Die Sensoren 534 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 524, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwacht auch das Reaktionsdrehmoment, das durch die Fahrzeugräder zurück auf die Eingangswelle 524 übertragen wird. Die Sensoren 534 können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen und können mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von den Sensoren 534 zu verarbeiten.
Der Elektromotor 522 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 532 durch den Umlaufkugelmechanismus 520 selektiv Drehmoment zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 522 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren 534, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine Antriebseinheit 536 ist zwischen dem Elektromotor 522 und der ersten Kugelmutter 528 angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 522 und dem Sektorzahnrad 532. Teile der Antriebseinheit 536 sind ebenfalls geschnitten worden, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 536 besser zu veranschaulichen.
Der Umlaufkugelmechanismus 520 umfasst ferner eine zweite Kugelspindel 540, die im Wesentlichen koaxial mit der ersten Kugelspindel 526 ist. Die zweite Kugelspindel 540 ist integral, als ein Stück, mit der ersten Kugelmutter 528 gebildet. Daher bewegen sich die erste Kugelmutter 528 und die zweite Kugelspindel 540 gemeinsam. Anders als die in 4 gezeigte zweite Kugelspindel 440 gleitet die in 5 gezeigte zweite Kugelspindel 540 nur und rotiert nicht.
Der Umlaufkugelmechanismus 520 umfasst auch eine zweite Kugelmutter 542, die die zweite Kugelspindel 540 umgibt, und steht durch die mehreren Kugellager, die zwischen der zweiten Kugelspindel 540 und der zweiten Kugelmutter 542 zirkulieren, mit der zweiten Kugelspindel 540 in Drehmomentübertragungsverbindung. Der Umlaufkugelmechanismus 520 kann zwei separate Sätze Kugellager innerhalb der mehreren Kugellager umfassen. Das Gehäuse 525 umgibt auch die zweite Kugelmutter 540 und führt deren Bewegung. Anders als die erste Kugelmutter 528 rotiert die zweite Kugelmutter 542, führt aber keine Translation innerhalb des Gehäuses 525 aus.
In der in 5 gezeigten Ausgestaltung wird die Antriebseinheit 536 durch eine Kette oder einen Riemen 538 angetrieben und ist durch ein Reduktionsgetriebe oder einen daran angebrachten Flansch mit der zweiten Kugelmutter 542 direkt verbunden und wirkt auf diese. In der in 5 gezeigten Ausgestaltung wirkt die Antriebseinheit 536 auf das Ende des Gehäuses 525 entgegengesetzt von der Eingangswelle 524. Die Verbindungen zwischen der Antriebseinheit 536 und der zweiten Kugelmutter 542 sind schematisch gezeigt. Die zweite Kugelmutter 542 überträgt Drehmoment von dem Elektromotor 522 auf die zweite Kugelspindel 540, die an der ersten Kugelmutter 528 angebracht ist.
Das kombinierte Drehmoment von dem Elektromotor durch die zweite Kugelmutter 542 und von dem Lenkrad durch die erste Kugelspindel 526 wird auf die erste Kugelmutter 528 übertragen. Daher verstärkt der Elektromotor 522 das Drehmoment und die Kraft, die an das Sektorzahnrad 532 und die Fahrzeugräder abgegeben werden.
Die hierin beschriebenen und in den Figuren gezeigten Umlaufkugelmechanismen können auch mit Hinterradlenksystemen in Drive-by-Wire-Ausgestaltungen verwendet werden. In einer solchen Ausgestaltung können die Umlaufkugelmechanismen Eingangssignale von dem Lenkrad in Drehmomentbefehle für einen oder mehrere Elektromotoren umwandeln, die dann die Bewegung der Hinterräder steuern werden.
Nun unter Bezugnahme auf 6 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–5 ist ein Umlaufkugelmechanismus 620 gezeigt, der mit Servolenksystemen, die das in 1 gezeigte Lenksystem 10 einschließen, und mit anderen Lenksystemen verwendbar ist. 6 zeigt allgemein eine Draufsicht des Umlaufkugelmechanismus 620. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 6 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 620 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement und einem Elektromotor 622 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 614. Anders als die in den 1–5 gezeigten Ausgestaltungen, in welchen die meisten Komponenten koaxial sind, weist der Umlaufkugelmechanismus 620 eine Doppelbohrungsausgestaltung auf.
Eine Eingangswelle 624 ist funktional mit dem Lenkrad oder einem anderen Eingangselement verbunden und ist innerhalb eines Gehäuses 625 getragen, das in mehreren Stücken gebildet sein und separate Räume umfassen kann. Teile des Gehäuses 625 sind entweder entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 620 besser zu veranschaulichen.
Die Eingangswelle 624 weist eine erste Kugelspindel 626 auf, die an einem Ende gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 626 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 624 gebildet, kann aber auch separat gebildet und starr angebracht sein. Das Gehäuse 625 kann in mehr als einem Stück gebildet sein und kann verschiedene Dichtungen und Lager umfassen, um eine Bewegung der Komponenten des Umlaufkugelmechanismus 620 zu erleichtern.
Einen erste Kugelmutter 628 umgibt die erste Kugelspindel 626 und steht durch mehrere erste Kugellager 627, die schematisch gezeigt sind, welche zwischen der ersten Kugelspindel 626 und der ersten Kugelmutter 628 zirkulieren, mit der ersten Kugelspindel 626 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die erste Kugelspindel 626 kann als die primäre Kugelspindel oder die manuelle Kugelspindel bezeichnet werden (wenn das Lenkrad das Eingangselement ist).
Eine Drehung des Lenkrads bewirkt, dass die Eingangswelle 624 und die erste Kugelspindel 626 rotieren. Wenn die erste Kugelspindel 626 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 628 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (im Allgemeinen links und rechts, wie in 6 betrachtet) der ersten Kugelmutter 628.
Die erste Kugelmutter 628 weist eine erste Zahnstange 630 auf, die an einer Seite davon gebildet ist. Die erste Zahnstange 630 steht mit einem Sektorzahnrad 632 zur Drehmomentübertragung mit diesem in Eingriff. Die erste Zahnstange 630 kämmt mit mehreren ersten Sektorzähnen 633 an dem Sektorzahnrad 632.
Das Sektorzahnrad 632 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 614 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 628 eine Rotation des Sektorzahnrads 632, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 632 und des Lenkstockhebels 614 führt. Das Gehäuse 625 und das Sektorzahnrad 632 verhindern im Wesentlichen eine Rotation der ersten Kugelmutter 628, so dass sie eine Translation ausführen, aber nicht rotieren kann.
Der Umlaufkugelmechanismus 620 kann einen oder mehrere Sensoren 634 umfassen, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 624 oder der ersten Kugelspindel 626 zu ermitteln. Die Sensoren 634 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 624, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwachen auch das Reaktionsdrehmoment, das von den Fahrzeugrädern zurück auf die Eingangswelle 624 übertragen wird. Die Sensoren 634 können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen und können mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von den Sensoren 634 zu verarbeiten. Darüber hinaus können die Sensoren 634 in Hinterradlenk- oder Drive-by-Wire-Ausgestaltungen das Lenkrad direkt überwachen, das nicht mechanisch mit der Eingangswelle 624 verknüpft zu sein braucht.
Der Elektromotor 622 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 632 durch den Umlaufkugelmechanismus 620 selektiv Drehmoment zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 622 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren 634, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine Antriebseinheit 636 ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 622 und dem Sektorzahnrad 632. Teile der Antriebseinheit 636 können geschnitten oder entfernt worden sein, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 636 besser zu veranschaulichen. In der in 6 gezeigten Ausgestaltung umfasst die Antriebseinheit 636 eine Kette oder einen Riemen 638.
Der Umlaufkugelmechanismus 620 umfasst ferner eine zweite Kugelspindel 640 und eine zweite Kugelmutter 642. Die zweite Kugelmutter 642 umgibt die zweite Kugelspindel 640 und steht durch mehrere zweite Kugellager (durch die zweite Kugelmutter 642 sichtverdeckt), die zwischen der zweiten Kugelspindel 640 und der zweiten Kugelmutter 642 zirkulieren, mit der zweiten Kugelspindel 640 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die zweite Kugelspindel 640 kann als die sekundäre Kugelspindel oder die Unterstützungskugelspindel bezeichnet werden.
Die zweite Kugelspindel 640 und die zweite Kugelmutter 642 sind nicht koaxial mit der ersten Kugelspindel 626 und der ersten Kugelmutter 628. In der gezeigten Ausgestaltung befindet sich die zweite Kugelspindel 640 auf der entgegengesetzten Seite des Sektorzahnrads 632 von der ersten Kugelspindel 626, ist aber im Allgemeinen planar mit der ersten Kugelspindel 626. Abhängig von dem Sektorzahnrad 632 brauchen jedoch die erste Kugelspindel 626 und die zweite Kugelspindel 640 nicht planar zu sein, oder die zweite Kugelspindel 640 kann oberhalb oder unterhalb (in oder aus der Ansicht von 6) der ersten Kugelspindel 626 angeordnet sein.
In der in 6 gezeigten Ausgestaltung sind die Antriebseinheit 636 und der Riemen 638 durch ein Zahnrad oder einen daran angebrachten Flansch mit der zweiten Kugelmutter 642 direkt verbunden und wirken auf diese. Die Verbindungen zwischen der Antriebseinheit 636 und der zweiten Kugelmutter 642 sind schematisch gezeigt. Die zweite Kugelmutter 642 überträgt Drehmoment von dem Elektromotor 622 auf die zweite Kugelspindel 640, die starr an einer zweiten Zahnstange 644 angebracht ist. Anders als die erste Zahnstange 630 und die erste Kugelmutter 628 ist die zweite Zahnstange 644 separat von der zweiten Kugelmutter 642 gebildet. Stattdessen bewegt sich die zweite Zahnstange 644 in Übereinstimmung mit der zweiten Kugelspindel 640.
Die zweite Zahnstange 644 steht mit mehreren zweiten von zweiten Sektorzähnen 645 in Eingriff. Das Sektorzahnrad 632 ist daher ausgestaltet, um Drehmoment von sowohl der ersten Zahnstange 630 als auch der zweiten Zahnstange 644 aufzunehmen. Die mehreren ersten und zweiten Sektorzähne 633 und 645 sind in 6 als separate Gruppen gezeigt, können aber tatsächlich im Wesentlichen durchgehend um das Sektorzahnrad 632 herum gebildet sein.
Die in 6 gezeigte zweite Kugelspindel 640 gleitet, wenn die zweite Kugelmutter 642 unter Kraft von dem Elektromotor 622 rotiert. Die zweite Kugelmutter 642 rotiert, führt aber keine Translation aus. Der Umlaufkugelmechanismus 620 kombiniert Drehmoment von dem Elektromotor 622 durch die zweite Kugelmutter 642 und die zweite Kugelspindel 640 (die Unterstützungskugelspindel) und von der Eingangswelle 624 durch die erste Kugelspindel 626 (die primäre Kugelspindel).
Das kombinierte Drehmoment wird durch die erste Zahnstange 630 und die zweite Zahnstange 644 auf beide Seiten des Sektorzahnrads 632 übertragen und an den Lenkstockhebel 614 abgegeben. Daher verstärkt der Elektromotor 622 das Drehmoment und die Kraft, die an den Lenkstockhebel 614 und die Fahrzeugräder abgegeben werden. Die zweite Kugelspindel 640 kann einen anderen Steigungswinkel als die erste Kugelspindel 626 aufweisen. Daher kann es andere Grade an Drehmomentvervielfachung zwischen der zweiten Kugelmutter 642 und der zweiten Kugelspindel 640 als zwischen der ersten Kugelmutter 628 und der ersten Kugelspindel 626 geben.
Nun unter Bezugnahme auf 7 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–6 ist ein Umlaufkugelmechanismus 720 gezeigt, der mit Servolenksystemen, die das in 1 gezeigte Lenksystem 10 einschließen, und mit anderen Lenksystemen verwendbar ist. 7 zeigt allgemein eine Draufsicht des Umlaufkugelmechanismus 720. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 7 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 720 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement mit Drehmoment von einem Elektromotor 722 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 714. Der Umlaufkugelmechanismus 720 weist eine Doppelbohrungsausgestaltung auf.
Eine Eingangswelle 724 ist funktional mit dem Lenkrad oder mit einem anderen Eingangselement verbunden und innerhalb eines Gehäuses 725 getragen, das in mehreren Stücken gebildet sein und separate Räume enthalten kann. Teile des Gehäuses 725 sind entweder entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 720 besser zu veranschaulichen.
Die Eingangswelle 724 weist eine erste Kugelspindel 726 auf, die an einem Ende davon gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 726 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 724 gebildet, kann aber auch separat gebildet und starr angebracht sein. Das Gehäuse 725 kann in mehr als einem Stück gebildet sein und kann verschiedene Dichtungen und Lager umfassen, um eine Bewegung der Komponenten des Umlaufkugelmechanismus 720 zu erleichtern.
Eine erste Kugelmutter 728 umgibt die erste Kugelspindel 726 und steht durch mehrere erste Kugellager 727, die schematisch gezeigt sind, welche zwischen der ersten Kugelspindel 726 und der ersten Kugelmutter 728 zirkulieren, mit der ersten Kugelspindel 726 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die erste Kugelspindel 726 kann als die primäre Kugelspindel oder die manuelle Kugelspindel bezeichnet werden (wenn das Lenkrad das Eingangselement ist).
Eine Drehung der Eingangswelle 724 bewirkt, dass die erste Kugelspindel 726 rotiert. Wenn die erste Kugelspindel 726 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 728 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (im Allgemeinen links und rechts, wie in 7 betrachtet) der ersten Kugelmutter 728. Die erste Kugelmutter 728 weist eine erste Zahnstange 730 auf, die an einer Seite davon gebildet ist. Die erste Zahnstange 730 steht mit einem Sektorzahnrad 732 zur Drehmomentübertragung mit diesem in Eingriff. Die erste Zahnstange 730 kämmt mit mehreren ersten Sektorzähnen 733 an dem Sektorzahnrad 732.
Das Sektorzahnrad 732 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 714 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 728 eine Rotation des Sektorzahnrads 732, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 732 und des Lenkstockhebels 714 führt. Das Gehäuse 725 und das Sektorzahnrad 732 verhindern im Wesentlichen eine Rotation der ersten Kugelmutter 728, so dass sie eine Translation ausführen aber nicht rotieren kann.
Der Umlaufkugelmechanismus 720 kann einen oder mehrere Sensoren 734 umfassen, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 724 oder der ersten Kugelspindel 726 zu ermitteln. Die Sensoren 734 überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 724, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwachen auch das Reaktionsdrehmoment, das durch die Fahrzeugräder zurück auf die Eingangswelle 724 übertragen wird. Die Sensoren 734 können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen und können mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von den Sensoren 734 zu verarbeiten. Darüber hinaus können in Hinterradlenk- oder Drive-by-Wire-Ausgestaltungen die Sensoren 734 das Lenkrad direkt überwachen, das nicht mechanisch mit der Eingangswelle 724 verknüpft zu sein braucht.
Der Elektromotor 722 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 732 selektiv Drehmoment durch den Umlaufkugelmechanismus 720 zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem Elektromotor 722 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren 734, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine Antriebseinheit 736 ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 722 und dem Sektorzahnrad 732. Teile der Antriebseinheit 736 können geschnitten oder entfernt worden sein, um die Funktionsweise der Antriebseinheit 736 besser zu veranschaulichen. In der in 7 gezeigten Ausgestaltung umfasst die Antriebseinheit 736 eine Kette oder einen Riemen 738.
Der Umlaufkugelmechanismus 720 umfasst ferner eine zweite Kugelspindel 740 und eine zweite Kugelmutter 742. Die zweite Kugelmutter 742 umgibt die zweite Kugelspindel 740 und steht durch mehrere zweite Kugellager 743, die zwischen der zweiten Kugelspindel 740 und der zweiten Kugelmutter 742 zirkulieren, mit der zweiten Kugelspindel 740 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die zweite Kugelspindel 740 kann als die sekundäre Kugelspindel oder die Unterstützungskugelspindel bezeichnet werden.
Die zweite Kugelspindel 740 und die zweite Kugelmutter 742 sind nicht koaxial mit der ersten Kugelspindel 726 und der ersten Kugelmutter 728. In der gezeigten Ausgestaltung befindet sich die zweite Kugelspindel 740 auf der entgegengesetzten Seite des Sektorzahnrads 732 von der ersten Kugelspindel 726, ist aber im Allgemeinen planar mit der ersten Kugelspindel 726. Abhängig von dem Sektorzahnrad 732 brauchen jedoch die erste Kugelspindel 726 und die zweite Kugelspindel 740 nicht planar sein, oder die zweite Kugelspindel 740 kann oberhalb oder unterhalb (in oder aus der Ansicht von 7) der ersten Kugelspindel 726 angeordnet sein.
In der in 7 gezeigten Ausgestaltung sind die Antriebseinheit 736 und der Riemen 738 durch ein Zahnrad oder einen daran angebrachten Flansch mit der zweiten Kugelspindel 740 direkt verbunden und wirken auf diese. Die Verbindungen zwischen der Antriebseinheit 736 und der zweiten Kugelspindel 740 sind schematisch gezeigt. Die zweite Kugelspindel 740 überträgt Drehmoment von dem Elektromotor 722 auf die zweite Kugelmutter 742, die an einer zweiten Zahnstange 744 angebracht ist. In der gezeigten Ausgestaltung ist die zweite Zahnstange 744 an der Außenseite der zweiten Kugelmutter 742 gebildet, so dass die zweite Zahnstange 744 und die zweite Kugelmutter 742 sich gemeinsam bewegen.
Die zweite Zahnstange 744 steht mit mehreren zweiten der zweiten Sektorzähne 745 in Eingriff. Das Sektorzahnrad 732 ist daher ausgestaltet, um Drehmoment von sowohl der ersten Zahnstange 730 als auch der zweiten Zahnstange 744 aufzunehmen. Die mehreren ersten und zweiten Sektorzähne 733 und 745 sind in 7 als separate Gruppen gezeigt, können aber im Wesentlichen durchgehend um das Sektorzahnrad 732 herum gebildet sein.
Die in 7 gezeigte zweite Kugelspindel 740 rotiert unter Kraft von dem Elektromotor 722 und bewirkt, dass die zweite Kugelmutter 742 linear gleitet. Die zweite Kugelspindel 740 rotiert, führt aber keine Translation innerhalb des Gehäuses 725 aus. Der Umlaufkugelmechanismus 720 kombiniert Drehmoment von dem Elektromotor 722 durch die zweite Kugelspindel 740 (die Unterstützungskugelspindel) und von der Eingangswelle 724 durch die erste Kugelspindel 736 (die primäre Kugelspindel).
Das kombinierte Drehmoment wird durch die erste Zahnstange 730 und die zweite Zahnstange 744 auf beide Seiten des Sektorzahnrads 732 übertragen und an den Lenkstockhebel 714 abgegeben. Daher verstärkt oder unterstützt der Elektromotor 722 das Drehmoment und die Kraft, die an den Lenkstockhebel 714 und die Fahrzeugräder abgegeben werden. Die zweite Kugelspindel 740 kann einen anderen Steigungswinkel als die erste Kugelspindel 726 aufweisen. Daher kann es andere Niveaus an Drehmomentvervielfachung zwischen der zweiten Kugelmutter 742 und der zweiten Kugelspindel 740 als zwischen der ersten Kugelmutter 728 und der ersten Kugelspindel 726 geben.
Nun unter Bezugnahme auf 8A und 8B und unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–7 sind zwei Ansichten eines Kugelumlaufmechanismus 820 gezeigt, der mit Servolenksystemen, die das in 1 gezeigte Lenksystem 10 einschließen, und mit anderen Lenksystemen verwendbar ist. 8A zeigt eine Perspektivansicht des Umlaufkugelmechanismus 820, und 8B zeigt eine Schnittansicht des Umlaufkugelmechanismus 820, genommen entlang der Schnittlinie 8-8 in 8A. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in jene, die in 8 gezeigt sind, eingearbeitet sein und mit diesen verwendet werden.
Der Umlaufkugelmechanismus 820 kombiniert Drehmoment von einem Lenkrad (nicht gezeigt) oder einem anderen Eingangselement mit Drehmoment von einem ersten Elektromotor 822 und überträgt Drehmoment auf einen und von einem Lenkstockhebel 814. Der Umlaufkugelmechanismus 820 weist eine Doppelbohrungsausgestaltung auf und umfasst darüber hinaus einen zweiten Elektromotor 823.
Eine Eingangswelle 824 ist funktional mit dem Lenkrad oder mit einem anderen Eingangselement verbunden und ist innerhalb eines Gehäuses 825 getragen, das in mehreren Stücken gebildet sein und separate Räume umfassen kann. Teile des Gehäuses 825 sind in 8B entweder entfernt oder geschnitten worden, um die Funktionsweise des Umlaufkugelmechanismus 820 besser zu veranschaulichen.
Die Eingangswelle 824 weist eine erste Kugelspindel 826 auf, die an einem Ende davon gebildet ist. Die gezeigte erste Kugelspindel 826 ist als ein integrales, einstückiges Element mit der Eingangswelle 824 gebildet, kann aber auch separat gebildet und starr angebracht sein. Das Gehäuse 825 kann in mehr als einem Stück gebildet sein und kann verschiedene Dichtungen und Lager umfassen, um eine Bewegung der Komponenten des Umlaufkugelmechanismus 820 zu erleichtern.
Eine erste Kugelmutter 828 umgibt die erste Kugelspindel 826 und steht durch mehrere erste Kugellager 827, die schematisch gezeigt sind, welche zwischen der ersten Kugelspindel 826 und der ersten Kugelmutter 828 zirkulieren, mit der ersten Kugelspindel 826 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die erste Kugelspindel 826 kann als die primäre Kugelspindel oder die manuelle Kugelspindel bezeichnet werden (wenn das Lenkrad das Eingangselement ist).
Eine Drehung der Eingangswelle 824 bewirkt, dass die erste Kugelspindel 826 rotiert. Wenn die erste Kugelspindel 826 rotiert, wird die Rotation auf die erste Kugelmutter 828 übertragen und bewirkt eine lineare Bewegung (im Allgemeinen links und rechts, wie in 8B betrachtet) der ersten Kugelmutter 828. Die erste Kugelmutter 828 weist eine erste Zahnstange 830 auf, die an einer Seite davon gebildet ist. Die erste Zahnstange 830 steht mit einem Sektorzahnrad 832 zur Drehmomentübertragung mit diesem in Eingriff. Die erste Zahnstange 830 kämmt mit mehreren ersten Sektorzähnen 833 an dem Sektorzahnrad 832.
Das Sektorzahnrad 832 ist starr, wie etwa durch eine Kerbverzahnungs- oder Keilnutverbindung, an dem Lenkstockhebel 814 angebracht. Daher bewirkt eine lineare Bewegung der ersten Kugelmutter 828 eine Rotation des Sektorzahnrads 832, so dass eine Bewegung des Lenkrads zu einer Bewegung des Sektorzahnrads 832 und des Lenkstockhebels 814 führt. Das Gehäuse 825 und das Sektorzahnrad 832 verhindern im Wesentlichen eine Rotation der ersten Kugelmutter 828, so dass sie eine Translation ausführen aber nicht rotieren kann.
Der Umlaufkugelmechanismus 820 kann einen oder mehrere Sensoren (nicht gezeigt) umfassen, die ausgestaltet sind, um Drehmoment und Winkelorientierung an der Eingangswelle 824 oder der ersten Kugelspindel 826 zu ermitteln. Die Sensoren überwachen das Drehmoment und die Verschiebung der Eingangswelle 824, die von den Bedienereingaben an dem Lenkrad übermittelt werden, und überwachen auch das Reaktionsdrehmoment, das durch die Fahrzeugräder zurück auf die Eingangswelle 824 übertragen wird. Die Sensoren können mehrere Sensoren unterschiedlicher Typen umfassen und mit einem Steuersystem (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um Signale oder Befehle von den Sensoren zu verarbeiten. Darüber hinaus können in Hinterradlenk- oder Drive-by-Wire-Ausgestaltungen die Sensoren das Lenkrad direkt überwachen, welches nicht mechanisch mit der Eingangswelle 824 verknüpft zu sein braucht.
Der erste Elektromotor 822 ist ausgestaltet, um dem Sektorzahnrad 832 selektiv Drehmoment durch den Umlaufkugelmechanismus 820 zuzuführen. Der Betrag an Drehmoment, der von dem ersten Elektromotor 822 abgegeben wird, kann zum Teil auf den Signalen von den Sensoren, dem Steuersystem oder anderen Komponenten und Sensoren beruhen.
Eine erste Antriebseinheit 836 ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Elektromotor 822 und dem Sektorzahnrad 832. Teile der ersten Antriebseinheit 836 sind geschnitten oder entfernt worden, um die Funktionsweise der ersten Antriebseinheit 836 besser zu veranschaulichen. In der in den 8A und 8B gezeigten Ausgestaltung umfasst die erste Antriebseinheit 836 ein erstes Schneckenrad 838 (weitgehend sichtverdeckt).
In der in den 8A und 8B gezeigten Ausgestaltung sind die erste Antriebseinheit 836 und das erste Schneckenrad 838 durch ein Zahnrad oder einen daran angebrachten Flansch mit der ersten Kugelspindel 826 direkt verbunden und wirken auf diese. Die Verbindungen zwischen der ersten Antriebseinheit 836 und der ersten Kugelspindel 826 sind schematisch gezeigt. Die erste Kugelspindel 826 überträgt Drehmoment von dem ersten Elektromotor 822 auf die erste Kugelmutter 828, die an der ersten Zahnstange 830 angebracht ist.
Der Umlaufkugelmechanismus 820 umfasst ferner eine zweite Kugelspindel 840 und eine zweite Kugelmutter 842. Die zweite Kugelmutter 842 umgibt die zweite Kugelspindel 840 und steht durch mehrere zweite Kugellager 843, die zwischen der zweiten Kugelspindel 840 und der zweiten Kugelmutter 842 zirkulieren, mit der zweiten Kugelspindel 840 in Drehmomentübertragungsverbindung. Die zweite Kugelspindel 840 kann als die sekundäre Kugelspindel oder die Unterstützungskugelspindel bezeichnet werden, weil sie nicht in direkter Verbindung mit dem Eingangselement (dem Lenkrad) durch die Eingangswelle 824 steht.
Die zweite Kugelspindel 840 und die zweite Kugelmutter 842 sind nicht koaxial mit der ersten Kugelspindel 826 und der ersten Kugelmutter 828. In der gezeigten Ausgestaltung befindet sich die zweite Kugelspindel 840 auf der entgegengesetzten Seite des Sektorzahnrads 832 von der ersten Kugelspindel 826, ist aber im Allgemeinen planar mit der ersten Kugelspindel 826. Abhängig von dem Sektorzahnrad 832 brauchen jedoch die erste Kugelspindel 826 und die zweite Kugelspindel 840 nicht planar zu sein oder die zweite Kugelspindel 840 kann oberhalb oder unterhalb (wie in 8A betrachtet oder in oder aus der Ansicht von 8B) der ersten Kugelspindel 826 angeordnet sein.
Eine zweite Antriebseinheit 837 ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen dem zweiten Elektromotor 823 und dem Sektorzahnrad 832. Teile der zweiten Antriebseinheit 837 sind geschnitten oder entfernt worden, um die Funktionsweise der zweiten Antriebseinheit 837 besser zu veranschaulichen. In der in den 8A und 8B gezeigten Ausgestaltung umfasst die zweite Antriebseinheit 837 ein zweites Schneckenrad 839.
In der in den 8A und 8B gezeigten Ausgestaltung sind die zweite Antriebseinheit 837 und das zweite Schneckenrad 839 durch ein Zahnrad oder einen daran angebrachten Flansch mit der zweiten Kugelspindel 840 direkt verbunden und wirken auf diese. Die Verbindungen zwischen der zweiten Antriebseinheit 837 und der zweiten Kugelspindel 840 sind nur schematisch gezeigt. Die zweite Kugelspindel 840 überträgt Drehmoment von dem zweiten Elektromotor 823 auf die zweite Kugelmutter 842, die an einer zweiten Zahnstange 844 angebracht ist. In der gezeigten Ausgestaltung ist die zweite Zahnstange 844 an der Außenseite der zweiten Kugelmutter 842 gebildet, so dass die zweite Zahnstange 844 und die zweite Kugelmutter 842 sich gemeinsam bewegen.
Die zweite Zahnstange 844 steht mit mehreren zweiten von zweiten Sektorzähnen 845 in Eingriff. Das Sektorzahnrad 832 ist daher ausgestaltet, um Drehmoment von sowohl der ersten Zahnstange 830 als auch der zweiten Zahnstange 844 aufzunehmen. Die mehreren ersten und zweiten Sektorzähne 833 und 845 sind in 8 als separate Gruppen gezeigt, können aber im Wesentlichen durchgehend um das Sektorzahnrad 832 herum gebildet sein.
Die in 8 gezeigte zweite Kugelspindel 840 rotiert unter Kraft von dem zweiten Elektromotor 823 und bewirkt, dass die zweite Kugelmutter 842 linear gleitet. Die zweite Kugelspindel 840 rotiert, führt aber keine Translation innerhalb des Gehäuses 825 aus. Der Umlaufkugelmechanismus 820 kombiniert Drehmoment von dem zweiten Elektromotor 823 durch die zweite Kugelspindel 840, von dem ersten Elektromotor 822 durch die erste Kugelspindel 826 und von der Eingangswelle 824 durch die erste Kugelspindel 826.
Das kombinierte Drehmoment aller drei Quellen wird durch die erste Zahnstange 830 und die zweite Zahnstange 844 auf beide Seiten des Sektorzahnrads 832 übertragen und an den Lenkstockhebel 814 abgegeben. Daher verstärken oder unterstützen sowohl der erste Elektromotor 822 als auch der zweite Elektromotor 823 das Drehmoment und die Kraft, die an dem Lenkstockhebel 814 und die Fahrzeugräder abgegeben werden. Die zweite Kugelspindel 840 kann einen anderen Steigungswinkel als die erste Kugelspindel 826 aufweisen. Daher kann es andere Niveaus an Drehmomentvervielfachung zwischen der zweiten Kugelmutter 842 und der zweiten Kugelspindel 840 als zwischen der ersten Kugelmutter 828 und der ersten Kugelspindel 826 und auch andere Niveaus an Verstärkung, die durch den zweiten Elektromotor 823 und den ersten Elektromotor 822 aufgebracht werden, geben.
Die ausführliche Beschreibung der Zeichnungen oder Figuren ist unterstützend und beschreibend für die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung ist allein durch die Ansprüche definiert. Obgleich einige der besten Ausführungsarten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Servolenksystem zum Übertragen von Drehmoment zwischen einem Eingangselement und einem Lenkstockhebel, umfassend: eine Eingangswelle, die funktional mit dem Eingangselement verbunden ist; ein Sektorzahnrad, das funktional mit dem Lenkstockhebel zur Drehmomentübertragung mit diesem verbunden ist; eine erste Kugelspindel, wobei die erste Kugelspindel an der Eingangswelle gebildet ist; eine erste Kugelmutter, die die erste Kugelspindel umgibt und durch mehrere Kugellager mit der ersten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung steht; eine erste Zahnstange, die starr an der ersten Kugelmutter angebracht ist, wobei die erste Zahnstange mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem kämmt; eine zweite Kugelspindel, wobei die zweite Kugelspindel nicht wesentlich koaxial mit der ersten Kugelspindel ist; eine zweite Kugelmutter, die die zweite Kugelspindel umgibt und durch die mehreren Kugellager mit der zweiten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung steht; eine zweite Zahnstange, die mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem kämmt; und einen Elektromotor, der ausgestaltet ist, um dem Sektorzahnrad durch die zweite Kugelspindel selektiv Drehmoment zuzuführen.
Lenksystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Antriebseinheit, die zwischen dem Elektromotor und der ersten Kugelmutter angeordnet ist.
Lenksystem nach Anspruch 2, wobei die zweite Zahnstange starr an der zweiten Kugelspindel angebracht ist.
Lenksystem nach Anspruch 3, wobei die Antriebseinheit mit der zweiten Kugelmutter direkt verbunden ist und auf diese wirkt.
Lenksystem nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen Sensor, der ausgestaltet ist, um Drehmoment an der Eingangswelle zu ermitteln.
Lenksystem nach Anspruch 2, wobei die zweite Zahnstange starr an der zweiten Kugelmutter angebracht ist.
Lenksystem nach Anspruch 6, wobei die Antriebseinheit mit der zweiten Kugelspindel direkt verbunden ist und auf diese wirkt.
Lenksystem nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Sensor, der ausgestaltet ist, um Drehmoment an der Eingangswelle zu ermitteln.
Lenksystem nach Anspruch 8, wobei das Eingangselement ein Lenkrad ist, so dass die Eingangswelle mit dem Lenkrad in Verbindung steht.
Servolenksystem zum Übertragen von Drehmoment auf einen Lenkstockhebel, umfassend: ein Sektorzahnrad, das funktional mit dem Lenkstockhebel zur Drehmomentübertragung mit diesem verbunden ist; eine erste Kugelspindel; eine erste Kugelmutter, die die erste Kugelspindel umgibt und durch mehrere Kugellager mit der ersten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung steht; eine erste Zahnstange, die starr an der ersten Kugelmutter angebracht ist, wobei die erste Zahnstange mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem kämmt; eine zweite Kugelspindel, wobei die zweite Kugelspindel nicht wesentlich koaxial mit der ersten Kugelspindel ist; eine zweite Kugelmutter, die die zweite Kugelspindel umgibt und durch die mehreren Kugellager mit der zweiten Kugelspindel in Drehmomentübertragungsverbindung steht; eine zweite Zahnstange, die mit dem Sektorzahnrad zur Drehmomentübertragung mit diesem kämmt; und einen Elektromotor, der ausgestaltet ist, um dem Sektorzahnrad durch die zweite Kugelspindel selektiv Drehmoment zuzuführen.