DE102012212608A1

DE102012212608A1 - Aktuator für eine elektronisch gesteuerte elektromechanische Lenkung für schwere Nutzfahrzeuge

Info

Publication number: DE102012212608A1
Application number: DE201210212608
Authority: DE
Inventors: Horst Brehm; Frank Zeisberger; Sergej Mensch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (01) für eine rein elektronisch gesteuerte elektromechanische Lenkung eines Nutzfahrzeuges. Der Aktuator umfasst einen Elektromotor (02) mit einem Stator und einem als Hohlwelle (03) ausgeführten Rotor. Die Hohlwelle (03) ist koaxial mit einer mit einem Lenkgestänge verbundenen Gewindespindel (06) und einer mit der Hohlwelle drehfest verbundenen Spindelmutter (08) angeordnet. Bei einer Drehung der Hohlwelle (03) und damit der Spindelmutter (08) erfolgt eine axiale Bewegung der Gewindespindel (06), wodurch das Lenkgestänge bewegt werden kann. Die Hohlwelle (03) umschließt die Spindelmutter (08) vollständig.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine elektromechanische Lenkung für schwere Nutzfahrzeuge, wie Traktoren, Mähdrescher, Landmaschinen, Baufahrzeuge und ähnliches, bei denen ein Lenkbefehl von einem Sensor (angeordnet am Lenkrad oder einem anderen Eingabegerät) über ein Steuergerät ausschließlich elektrisch zum elektromechanischen Aktor, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet wird, d.h. das Lenkrad vom Fahrwerk mechanisch entkoppelt ist. Es handelt sich hierbei also um eine elektronisch gesteuerte Lenkung.
Solche rein elektronischen Lenksysteme werden auch Steer-by-Wire-Systeme genannt. Vorteilhaft daran ist, dass eine schwere mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Lenkung entfallen und das gesamte Lenksystem damit kleiner ausfallen kann. Durch den Wegfall der Lenksäule ergeben sich neue konstruktive Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Motorraumes. Der Lenkausschlag kann den fahrdynamischen Gegebenheiten angepasst werden. So kann die Funktion des ESP um einen Lenkwinkelausschlag erweitert werden. Die Rückmeldekräfte an den Fahrzeugführer können wahlfrei eingestellt werden. Im Vergleich zur Servolenkung herkömmlicher Art ist der Hilfsenergieverbrauch geringer. Das Verletzungsrisiko durch die Lenksäule bei Unfällen entfällt.
Schwere Nutzfahrzeuge werden derzeit fast ausschließlich mit einer vollhydraulischen Lenkung (auch hydrostatische Lenkung genannt) an der Vorder- oder Hinterachse ausgestattet. Bei einer solchen Lenkung werden die eigentlichen Lenkkräfte ebenfalls nicht vom Fahrzeugführer, sondern von einer vom Motor des Fahrzeugs angetriebenen Hydraulikpumpe aufgebracht. Die Lenkbewegung des Fahrers und/oder die Position des Fahrzeuges werden mittels geeigneter Sensoren erfasst und in einen entsprechenden hydraulischen Druck gewandelt. Da die Funktion der Lenkung vom Druck im Hydraulikkreiskauf abhängt, kann es bei einem Versagen der Hydraulikpumpe zu schwerwiegenden Unfällen kommen. Die Steuerung der Lenkung über Sensoren ist wenig dynamisch, da die elektrischen Sensorsignale mit Hilfe des Antriebes entsprechender Pumpen in korrespondierende Drücke gewandelt werden müssen.
Die WO 2006/117343 beschreibt eine Hinterradlenkung, bei der eine radindividuelle Lenkung der Hinterräder durch eine mittels Elektromotoren elektromechanisch verstellbare Spurstange erfolgt. Der Elektromotor ist mittels eines Riemen-, Zahnrad- oder Stirnradgetriebes mit der Spurstange gekoppelt.
Aus der DE 44 42 546 C1 ist eine durch einen Servomotor unterstützte Zahnstangenlenkung bekannt. Ein mit der Lenkung verbundenes Ritzel kämmt mit einer Zahnstange ab, die in bekannter Weise ein Lenkgestänge antreibt. Das Ritzel ist in Richtung zweier Endlagen beweglich und in jeder Endlage mit jeweils einem Reibrad kraftschlüssig gekuppelt. Die Reibräder werden durch einen Motor jeweils in entgegengesetzter Richtung angetrieben und können bei Kontakt mit dem Ritzel den Antrieb der Zahnstange unterstützen.
Die DE 10 2009 002 931 A1 beschreibt eine lenkbare Fahrzeugachse für ein Nutzfahrzeug. Die Spurstangen zur Lenkung des Achskopfes sind über einen elektrischen Linearmotor in der Art eines Tauchspulmotors ohne Verwendung eines Getriebes angetrieben. Die Spurstange selbst bildet den Läufer des Linearmotors.
In der DE 10 2008 021 591 A1 ist eine elektromechanische Hilfslenkung (Servolenkung) beschrieben, bei der die Lenkbewegung der Lenksäule (Eingangswelle) durch einen koaxial um die Eingangswelle angeordneten Hohlwellenmotor mit Untersetzungsgetriebe unterstützt wird.
In der DE 10 2006 008 911 A1 ist eine Lenkung mit einem Hohlwellen-Elektromotor und einem Zwischengetriebe beschrieben. Die Hohlwelle ist dabei drehfest mit einer Riemenscheibe verbunden. Das Riemengetriebe bildet ein Zwischengetriebe zum Wälzkörper-Schraubengetriebe.
Aus der DE 198 57 805 A1 ist eine hochdynamische Lineareinheit mit einem Kugelumlaufgewindetrieb und einem integrierten Elektroantrieb, der als Hohlwellenmotor ausgebildet ist, bekannt. Die Leistung dieser Lineareinheit ist für ein Nutzfahrzeug nicht ausreichend.
Die DE 10 2005 035 872 A1 betrifft eine elektromotorisch betätigte Stelleinheit für kleine Verstellwege zur Einstellung der Spur oder des Sturzes der beiden Räder einer Achse eines Kraftfahrzeuges. Die Stelleinheit umfasst einen Elektromotor, der als Hohlwellenmotor ausgebildet ist und die Gewindespindel umgibt, die als Planetenwälzgewindespindel ausgeführt sein kann.
Die elektromechanische Lenkung, wie sie derzeit aus dem Bereich der PKW bekannt ist, kann aufgrund der begrenzten Bordnetzspannung maximal eine elektrische Leistung zur Lenkunterstützung aufbringen.
Die Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, einen Aktuator für eine elektronisch gesteuerte elektromechanische Lenkung für schwere Nutzfahrzeige bereitzustellen, die die Nachteile der vollhydraulischen Lenkung überwindet und eine ausreichend große Leistung zur rein elektronischen Lenkung schwerer Nutzfahrzeuge besitzt.
Die Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst der Aktuator zum Betrieb einer elektronisch gesteuerten elektromechanischen Lenkung eines schweren Nutzfahrzeuges einen Elektromotor mit einer Hohlwelle. Die Hohlwelle umschließt eine Spindelmutter und eine Gewindespindel (diese natürlich nur abschnittsweise), welche beispielsweise bei der Zahnstangenlenkung in an sich bekannter Weise mit einer Spurstange gekoppelt sind.
Die Gewindespindel dient bei der Zahnstangenlenkung zur Verlagerung der Spurstange. Sie kann auch selbst als Spurstange oder Spurhebel ausgebildet sein.
Die Spindelmutter ist drehfest mit der Hohlwelle verbunden, und wird beim Betrieb des Elektromotors in Drehung versetzt. Da ein Innengewinde der Spindelmutter mit einem Außengewinde der Gewindespindel direkt oder über ein Getriebe in formschlüssigem Kontakt steht, wird die Gewindespindel in axialer Richtung verlagert, wenn die Spindelmutter rotiert. Dieses Lenkprinzip ist dem Fachmann bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Hohlwelle und Spindelmutter einstückig ausgeführt. In dieser Ausführungsform ist also das Innengewinde direkt auf der Hohlwelle ausgebildet. Die Hohlwelle bildet dabei über ihre gesamte Länge die Spindelmutter, die beispielsweise für einen Trapezgewindetrieb, einen Kugelgewindetrieb oder einen Planetenrollengewindetrieb ausgelegt werden kann.
Der Stator des Elektromotors ist in einem Gehäuse des Aktuators in an sich bekannter Weise angeordnet.
Besonders geeignet für den erfindungsgemäßen Aktuator sind sogenannte Torque-Motoren. Diese arbeiten als Direktantrieb und können ein besonders großes Drehmoment aufbringen.
Innen- und Außengewinde von Spindelmutter und Gewindespindel sind beispielsweise durch ein Kugelumlaufgetriebe oder ein Planetenwälzgetriebe antriebswirksam miteinander gekoppelt. Es ist aber ebenso möglich, auf das Getriebe zu verzichten und für Gewindespindel und Spindelmutter ein Trapezgewinde zu verwenden. Die Dimensionierung der Steigung des Trapezgewindes muss an die Motorleistung angepasst werden.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass gegenüber einer vollhydraulischen Lenkung die komplette Hydraulikanlage entfallen kann. Aufgrund des besseren Wirkungsgrades des Elektromotors ergeben sich geringere Kraftstoffkosten. Der Temperatureinfluss auf die Lenkfähigkeit ist im Vergleich zu einer hydraulischen Lenkung sehr gering.
Vorteilhafterweise kann eine variable Lenkübersetzung rein elektrisch realisiert werden, so dass aufwendige Getriebeteile entfallen, die gerade bei schweren Nutzfahrzeugen einen hohen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben und aufgrund hoher Verschmutzungsgefahr einen relativ hohen Wartungsaufwand benötigen. Die variable Lenkübersetzung wird vorteilhafterweise durch eine Steuereinrichtung des Aktuators realisiert, welche die Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit von einem Lenksignal und oder von einer Geschwindigkeit des Nutzfahrzeuges steuert. Das Lenksignal kann dabei von einem Lenkradeinschlag oder einer automatischen Lenkung des Nutzfahrzeuges geliefert werden. Bei einer automatischen oder vollautomatischen Lenkung werden die Lenksignale beispielsweise lasergestützt, kameragestützt, oder GPS-gestützt ermittelt.
Die elektromechanische Lenkung ist im Vergleich zur vollhydraulischen Lenkung wesentlich einfacher und kostengünstiger zu montieren, da Kabel einfacher zu verlegen sind, als Rohrleitungen. Die Ansteuerung ist wesentlich aufwandsärmer, da elektrische Signale nicht erst gewandelt werden müssen, um eine Hydraulik anzusteuern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Aktuators für eine elektromechanische Lenkung mit einem Kugelgewindetrieb;
2: eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer Hohlwelle, die einstückig mit einer Spindelmutter ausgebildet ist;
3: eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer Hohlwelle, die als Trapezgewindetrieb ausgebildet ist.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktuator 01 in einer Vorderansicht, einer Seitenansicht und einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A.
Der Aktuator 01 umfasst einen Elektromotor 02 mit einem als Hohlwelle 03 ausgeführten Rotor und einem in bekannter Weise dimensionierten Stator 04, der gewöhnlich Motorwicklungen trägt (nicht dargestellt).
Durch die Hohlwelle 03 hindurch erstreckt sich eine Gewindespindel 06. Die Gewindespindel 06 ist über einen Kugelgewindetrieb 07 mit einer Spindelmutter 08 gekoppelt. Die Gewindegänge von Gewindespindel 06 und Spindelmutter 08 sind dabei an den zu verwendenden Kugelgewindetrieb 07 angepasst.
In bekannter Weise kann anstelle des Kugelgewindetriebes ein Planetenwälzgewindetrieb verwendet werden.
Die Spindelmutter 08 ist mit der Hohlwelle 03 des Elektromotors 02 drehfest, in dieser Ausführungsform mittels Schrauben 09 verbunden. Dabei ist die Spindelmutter 08 von der Hohlwelle 03 umschlossen. Es können selbstverständlich über die axiale Länge der Hohlwelle 03 verteilt auch mehrere Spindelmuttern 08 angeordnet sein.
Eine Verriegelungsvorrichtung 11 zur Verriegelung der Lenkung des Nutzfahrzeuges ist in bekannter Weise auf der Gewindespindel 06 angeordnet.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators, bei der die Spindelmutter einstückig mit der Hohlwelle 03 ausgebildet ist. Auf der inneren Mantelfläche 12 der Hohlwelle 03 ist dabei ein Innengewinde ausgebildet, das mit dem Außengewinde der Gewindespindel 06 über Wälzkörper 13 in formschlüssigen Kontakt steht, so dass bei einer Drehung der Hohlwelle 03 eine axiale Bewegung der Gewindespindel 06 erfolgt. Ein nicht dargestellter Kugelrücklauf ist in dieser Ausführungsform in die Hohlwelle 03 integriert. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass das vom Elektromotor 02 aufgebrachte Drehmoment über eine größere wirksame Länge, nämlich über die gesamte Länge des Rotors auf die Gewindespindel übertragen werden kann.
Alternativ zu dieser Bauform kann die Hohlwelle 03 ein Trapezinnengewinde 16 aufweisen, wie in 3 dargestellt. Das Trapezinnengewinde 16 steht direkt mit einen Trapezaußengewinde 17 der Gewindespindel 06 in antriebswirksamen formschlüssigen Kontakt und bildet mit diesem einen Trapezgewindetrieb.
Das Gehäuse des Elektromotors 02 ist in den dargestellten Ausführungsformen in bekannter Weise mit Kühlrippen 14 versehen, um die Verlustleistung der Motorwicklungen abzuführen.
Bezugszeichenliste

01: Aktuator
02: Elektromotor
03: Hohlwelle
04: Stator
05
06: Gewindespindel
07: Kugelgewindetrieb
08: Spindelmutter
09: Schraube
10
11: Verriegelungsvorrichtung
12: Mantelfläche
13: Wälzkörper
14: Kühlrippen
15
16: Trapezinnengewinde
17: Trapezaußengewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/117343 [0004]
DE 4442546 C1 [0005]
DE 102009002931 A1 [0006]
DE 102008021591 A1 [0007]
DE 102006008911 A1 [0008]
DE 19857805 A1 [0009]
DE 102005035872 A1 [0010]

Claims

Aktuator (01) für eine rein elektronisch gesteuerte elektromechanische Lenkung eines Nutzfahrzeuges umfassend: – einen Elektromotor (02) mit einem als Hohlwelle (03) ausgeführten Rotor, – eine mit einem Lenkgestänge verbundenen Gewindespindel (06), die sich durch die Hohlwelle (03) erstreckt und – eine mit der Hohlwelle (03) drehfest verbundene Spindelmutter (08), die mit der Gewindespindel (06) kraftschlüssig gekoppelt ist, wobei durch eine Drehung der Hohlwelle eine axiale Bewegung der Gewindespindel (06) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (03) die Spindelmutter (08) vollständig umschließt.
Aktuator (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (03) und die Spindelmutter (08) einstückig ausgebildet sind.
Aktuator (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (06) und die Hohlwelle (03) jeweils ein Trapezgewinde tragen, die direkt ineinander eingreifen und einen Trapezgewindetrieb bilden.
Aktuator (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (06) als Planetenwälzgewindespindel ausgeführt ist und mit der Spindelmutter (08) über einen Planetenrollengewindetriebe gekoppelt ist.
Aktuator (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (06) als Kugelumlaufspindel ausgeführt ist und mit der Spindelmutter über einen Kugelgewindetrieb gekoppelt ist.
Aktuator (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sensor zur Lageerfassung der Gewindespindel (06) umfasst.
Aktuator (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (02) ein Hochvoltmotor ist.
Aktuator (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuereinrichtung umfasst, die eine Drehzahl des Elektromotors (02) und damit eine Lenkübersetzung in Abhängigkeit von einem Lenksignal und/oder von einer Geschwindigkeit des Nutzfahrzeuges steuert.
Aktuator (01) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für eine vollautomatische Lenkung des Nutzfahrzeuges konfiguriert ist, bei der das Lenksignal lasergestützt, kameragestützt oder GPS-gestützt ermittelt wird.