-
Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, insbesondere für eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs, und eine Lenkung mit einem solchen Kugelgewindetrieb.
-
Ein Kugelgewindetrieb bzw. Kugelumlaufgetriebe ist ein Wälzschraubtrieb, der Kugeln als Wälzkörper verwendet. Mit einem solchen Trieb ist eine Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt möglich.
-
Die Druckschrift
DE 42 29 583 A1 beschreibt ein Kugelgewindegetriebe, das zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung dient. Dieses umfasst eine Gewindespindel, die von einer Kugelmutter umschlossen ist, und zwischen der Gewindespindel und der Kugelmutter befindlichen, in Gewindegängen beweglichen Kugeln. Die Kugeln sind in einer endlosen Kugelkette angeordnet und werden über einen Kugelrücklaufkanal, der in der Kugelmutter ausgebildet ist, aus den Gewindegängen übernommen und wieder dorthin über einen Kugelrücklaufkanal zurückgeführt. Dieser Kugelrücklaufkanal ist in der Kugelmutter angeordnet und von einem durch eine Feder belasteten Umlenkteil verschlossen. Die Feder besteht dabei aus einem Flachmaterial.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 774 201 B1 ist ein Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dieses Getriebe umfasst eine Gewindespindel, die durch eine Mutter ragt, wobei die Mutter und die Spindel Kugellaufbahnen definieren, die zur Aufnahme von Kugeln dienen, wobei die Kugeln in einer geschlossenen Kette angeordnet sind. Die Mutter ist mit Kugelumlenkstücken in ihrem Übergangsbereich zu den Kugelumlaufbahnen so gestaltet, dass eine etwa stetig progressiv sich verändernde Kontaktfläche der Kugellaufbahnen der Gewindespindel zu den Kugeln zum definierten Ein- und Auslaufen der Kugeln an einer Lasteinlauf- und Lastauslaufzone in dem Übergangsbereich gewährleistet ist.
-
Problematisch bei einem Einsatz eines solchen Kugelgewindetriebes in Lenkungen ist, dass es zu Lenkmomentschwankungen kommen kann. Diese treten bei Verspannungen der Kugelkette in der Rückführung durch Momentschwankungen der Lenkmutter beim Verdrehen gegenüber der Lenkspindel auf. Ursächlich ist die dabei auftretende Längenpulsation der Kugelkette in der Kugelrückführung, die zu pulsierender Verspannung der Kugelkette und dadurch zur Modulation der Reibarbeit zwischen Kugeln und Kugelrückführung führt. Bei bekannten Lösungen sind bspw. eine verminderte Steifigkeit der Kugelrückführung, bspw. durch die Verwendung nachgiebiger Elemente, oder auch der Einsatz großer Radien in der Kugelumlenkung vorgesehen.
-
Durch eine verminderte Steifigkeit, insbesondere durch die Verwendung nachgiebiger Elemente, wird einerseits jedoch die Kugelführung beeinträchtigt, was wiederum zu Lenkmomentschwankungen führen kann. Die zusätzlichen Bauteile kosten zudem Geld und benötigen Bauraum. Weiterhin ist wegen der Bandbreite an Kräften die Auslegung nachgiebiger Elemente schwierig. Diese sollten ohne Vorspannung eingebaut werden, was die Positionierung erschwert und damit die Genauigkeit der Kugelführung vermindert. Dies kann wiederum zu Problemen führen. Weiterhin ist zu beachten, dass nachgiebige Elemente verschleißgefährdet sind.
-
Andererseits benötigen große Radien Bauraum. Dadurch wird die gesamte Konstruktion größer und teurer.
-
Vor diesem Hintergrund werden ein Kugelgewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Lenkung gemäß Anspruch 14 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
-
Der vorgestellte Kugelgewindetrieb dient für eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs. Dieser umfasst eine Kugelspindel bzw. eine Gewindespindel und eine Kugelmutter, zwischen denen Gewindegänge definiert sind. Weiterhin ist eine Kugelrückführung vorgesehen, wobei in den Gewindegängen und der Kugelrückführung Kugeln geführt sind, die in einer Kette, typischerweise in einer endlosen bzw. geschlossenen Kette, angeordnet sind, wobei die Kugelrückführung eine Anzahl von Übergängen zwischen Abschnitten unterschiedlicher Krümmungsradien umfasst. Der Übergang ist dabei die Stelle in der Führung der Kugel, an der sich die Krümmung der Führung ändert. Beim Durchschieben einer unter Vorspannung stehenden Kugelkette durch die Kugelrückführung entsteht an jedem Übergang eine periodische Längenänderung der Kugelkette, die als Längenpulsation bezeichnet wird. Es ist vorgesehen, dass die Übergänge der Kugelführung derart gestaltet sind, dass diese sich weitgehend gegenseitig kompensieren und dadurch eine Längenpulsation der gesamten Kugelkette verringert ist. Kompensieren bedeutet in diesem Fall, dass die Übergänge derart gestaltet und angeordnet sind, dass die Wirkung der einzelnen Längenpulsationen der Kugelkette zusammengenommen gegenüber der einzelnen Längenpulsation reduziert oder gar vollkommen vermieden ist.
-
Dabei kann die Lage der Übergänge zueinander und/oder die Krümmungsradien der Übergänge derart gewählt sein, dass die Längenpulsation verringert ist und damit klein bleibt.
-
Die Ermittlung der Auswirkung der Lage der Übergänge zueinander und der Krümmungsradien kann rechnerisch oder zeichnerisch am CAD erfolgen. Hierauf wird im Rahmen der Figurenbeschreibung eingegangen.
-
In einer Ausführung werden bei dem Kugelgewindetrieb von der Kugelrückführung auf einer Seite bzw. Halbseite Kugeln aus den Gewindegängen übernommen und auf der anderen Seite Kugeln von der Kugelrückführung in die Gewindegänge zurückgeführt, wobei die Kugelrückführung im wesentlichen aus zwei symmetrischen Teilen besteht und wobei die Übergänge in der Kugelrückführung in beiden Teilen jeweils für sich kompensiert sind. Die Übergänge zwischen Kugelrückführung und Gewindegang ist jeweils durch ein Bauteil, das als Kugelführung bezeichnet wird und Teil der Kugelrückführung ist, realisiert.
-
Die Kugelrückführung ist typischerweise mit insgesamt sechs Übergängen, drei pro Seite, ausgebildet.
-
Weiterhin kann mindestens ein Übergang, vorzugsweise beide Übergänge, von dem Kugelgewinde in die Kugelrückführung mit einem Knick von maximal 10 Grad ausgeführt sein.
-
Dieser Übergang von dem Kugelgewinde in die Kugelrückführung kann sogar tangential verlaufen.
-
Weiterhin können Übergänge innerhalb der Kugelrückführung mit einem Knick von maximal 10 Grad ausgeführt sein oder sogar tangential verlaufen.
-
Vorteilhaft ist es, wenn die Kugeln zumindest in der Kugelführung mit wenig Spiel geführt sind und die Kugeln so der vorgegebenen Führung durch die Kugelrückführung relativ exakt folgen, so dass die Kugeln die Ideallinie nicht wesentlich verlassen.
-
Die aufgeführten Maßnahmen können alternativ oder ergänzend vorgenommen werden.
-
Es wird weiterhin eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einer Lenkwelle und einer Zahnstange, die mit einem Kugelgewindetrieb der vorstehend beschriebenen Art gekoppelt sind, vorgestellt.
-
Es wurde somit erkannt, dass Lenkmomentschwankungen bei verspannter Kugelkette in der Kugelrückführung durch eine Minimierung der Längenpulsation der Kugelkette vermindert werden können.
-
In einer besonderen Ausführung ist bei dem Kugelgewinde der Übergang zwischen der Kugelspindel bzw. dem Kugelgewinde und der Kugelrückführung tangential ausgebildet, die Kugelführung als Gerade-Radius-Gerade ausgeführt, wobei statt der Geraden auch größere Radien verwendet werden können, die Bogenlänge des Radius ein Vielfaches der Bogenlänge zweier Kugeln plus ungefähr 0,243 mal die Bogenlänge zweier Kugeln, wobei die Bogenlänge zweier Kugeln durch die Bogenlänge zwischen den Mittelpunkten zweier aufeinanderfolgender Kugeln auf dem Radius ist. Zudem sind die beiden Hälften bzw. Seiten der Kugelrückführung symmetrisch ausgeführt. Auch wenn zwischen aufeinanderfolgenden Kugeln jeweils mindestens ein Abstandshalter vorgesehen ist, so dass aufeinanderfolgende Kugeln jeweils den dazwischen liegenden Abstandshalter berühren, werden ein erster Übergang Gerade zu Radius und ein zweiter Übergang Radius zu Gerade vorliegen. Es kann auch ein erster Übergang großer Radius zu Radius und ein zweiter Übergang Radius zu großer Radius vorgesehen sein.
-
Abstandshalter können beliebig geformte Bauteile sein, die je zwei aufeinanderfolgende Kugeln auf definiertem Abstand halten. Als Abstandshalter können auch Kugeln verwendet werden, die kleiner sind, so dass nur jeweils jede zweite Kugel im Gewindeteil Kraft übertragen kann. In diesem Fall ist die Bogenlänge zweier Kugeln ebenfalls definiert durch die Bogenlänge zwischen den Mittelpunkten zweier aufeinanderfolgender Kugeln, in diesem Fall von zwei leicht unterschiedlich großen Kugeln.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt eine Kugelkette mit zwei Übergängen.
-
2 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Kugelgewindetriebs.
-
3 zeigt Kugelketten.
-
4 zeigt die Längenpulsation.
-
5 zeigt Ausführungen einer Kugelkette mit Abstandshalter.
-
1 zeigt einen Teil einer Kugelkette 10 mit zwei Übergängen 11 jeweils zwischen Geraden 12 (Krümmungsradius ist unendlich) und Radius 13 (Krümmungsradius ist der Radius), die ohne Knick ausgebildet sind. 1b zeigt eine Kugelkette 20 mit Übergängen 21, wobei der eine Übergang 21 einen Knick 22 umfasst. In jedem dieser Übergänge 21 kommt es beim Durchschieben einer geschlossenen Kugelkette zu einer periodischen Längenänderung der Kugelkette 20, einer Längenpulsation.
-
Ein Übergang ist somit die Stelle zwischen zwei Krümmungsradien. An diesen Übergängen kommt es beim Durchschieben der Kugeln zu einer periodischen Längenänderung der Kugelkette bzw. zu einer Änderung des Abstands zwischen benachbarten Kugeln der Kugelkette, bezogen auf die Mittellinie der Führung, was die Längenpulsation bewirkt.
-
Zu beachten ist, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, einen Übergang zwischen Gerade und Radius zu haben. Es kann auch ein Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher Krümmungsradien vorgesehen sein.
-
1a und 1b zeigen somit jeweils eine Kugelkette 10 bzw. 20 mit Übergängen 11 bzw. 21 einer Gerade-Radius-Geraden mit Knick 22 (1b) und ohne Knick (1a).
-
Es wurde erkannt, dass es bei Lenkungen mit Kugelumlaufgetriebe vorkommen kann, dass die Kugelkette im Kugelrücklauf verspannt ist. Die Kugeln stehen also gegenseitig unter Spannung. Die Kraft für die Verspannung wird durch die Kugeln im Kugelgewinde aufgebracht und verursacht gegenläufige Drehmomente für aus- und einlaufende Kugeln an der Kugelmutter. Durch Reibung in der Kugelrückführung heben sich die Drehmomente nicht auf. Die Reibung ist abhängig von der Kraft der Verspannung der Kugelkette. Weiterhin weist die Kugelrückführung notwendigerweise Stellen auf, an denen sich der Krümmungsradius ändert. Es können auch Stellen vorkommen, an denen ein Knick in der Kugelrückführung auftritt. Ein Übergang, bei dem der Knick durch einen Radius mit Bogenlänge kleiner als etwa ein halber Kugeldurchmesser gerundet ist, gilt ebenfalls als Knick. Das Verhalten der Kugelkette ist dabei in etwa gleich. Eine Kombination dieser beiden Geometrien ist ebenfalls möglich.
-
Laufen die Kugeln durch eine dieser Stellen, so wird die Kugelkette dabei länger oder kürzer. Die Längenänderung wiederholt sich für jeden Kugeldurchgang. 1a und 1b zeigen Beispiele hierfür.
-
Außerdem ist zu beachten, dass regelmäßig mehrere Übergänge vorhanden sind und sich die Längenänderungen je nach Lage der Stellen zueinander addieren. Dabei kann es zu einer Kompensationen oder einer Verstärkung kommen. Weil der Abstand der verschiedenen Stellen viele Kugeldurchmesser betragen kann, ist die Kompensation oder Verstärkung stark toleranzabhängig bezogen auf Kugeldurchmesser und Kugelführung.
-
Zudem liegen bei Kugelgewinden mit unterschiedlicher Gangzahl die beiden Übergänge aus dem Kugelgewinde in die Kugelrückführung in unterschiedlichem Abstand zueinander. Die Differenz entspricht jeweils der Gangzahldifferenz multipliziert mit der Gewindesteigung. Damit liegen die Stellen auf beiden Seiten der Kugelführung unterschiedlich weit voneinander entfernt. Die Kompensation oder Verstärkung ist damit auch stark von der Gangzahl des Kugelumlaufs abhängig.
-
Bei dem vorgestellten Kugelgewindetrieb wird die Längenpulsation minimiert und zwar vorzugsweise innerhalb möglichst kurzer Abschnitte, insbesondere wird die Längenpulsation je Übergangsseite minimiert, die verbleibenden Längenpulsationen kompensiert, und zwar an Stellen, die möglichst dicht beieinander und außerdem möglichst auf der gleichen Seite der Kugelspindel liegen, Weiterhin wird die Zahl der Übergangsstellen minimiert.
-
2 zeigt eine Ausführung eines Kugelgewindetriebs, der insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Kugelspindel 52 mit Gewindegängen 54, in denen Kugeln 56 geführt sind. Diese Kugeln 56 bilden eine Kugelkette 58. Weiterhin ist eine Kugelrückführung 60 dargestellt, die ebenfalls die Kugeln 56 bzw. die Kugelkette 58 führt. Diese ist in einer Kugelmutter 70 ausgebildet. Am Übergang von Kugelspindel 52 und Kugelrückführung 60 sind Kugelführungen 62 vorgesehen. Diese sind so gestaltet, dass die Übergänge vorzugsweise tangential verlaufen. Diese Kugelführungen 62 sind jeweils auf beiden Seiten 64 bzw. 66 vorgesehen, an denen Kugeln 56 von der Kugelrückführung 60 in die Kugelspindel 52 überführt werden oder umgekehrt.
-
Die Kugelführungen 62 bilden, eventuell zusammen mit weiteren Bauteilen, weitere Abschnitte der Kugelrückführung, die bspw. wie in 1a und 1b die Umlenkung der Kugeln aus dem tangentialen Abgang aus dem Gewinde in eine achsparallele Bohrung, wie dies in 2 zu sehen ist, bilden.
-
Es können somit mehrere Maßnahmen getroffen werden, um die Längenpulsation zu verringern:
So sollte der Übergang von der Kugelspindel in die Kugelrückführung tangential verlaufen. Ist dies nicht möglich, dann sollte der Knick so klein wie möglich, typischerweise maximal 10 Grad, ausgeführt werden. Die Übergänge innerhalb der Kugelrückführung sollten tangential verlaufen. Ist dies nicht möglich, dann sollte der Knick so klein wie möglich, typischerweise maximal 5 Grad, ausgeführt werden. Hier ist wegen des kleineren Radius der Knickwinkel deutlich störender.
-
Die Lage der Übergangsstellen zueinander sollte so gewählt werden, dass die Längenpulsation minimiert wird.
-
Die Längenpulsation sollte durch geeignete Übergänge und deren Lage zueinander innerhalb jeder Seite der Kugelrückführung für sich kompensiert werden. Die Restpulsation sollte so klein sein, dass das daraus resultierende Lenkmoment um maximal 0,2 Nm schwankt. Das kann im Regelfall dadurch geschehen, dass die verbleibende Längenpulsation kleiner 0,01 mm ist.
-
Die Kugelrückführung wird typischerweise mit insgesamt sechs Übergangsstellen ausgeführt, jeweils drei Übergänge pro Seite. Diese sind je Seite in dieser Reihenfolge: Übergang von der Kugelgewindetrieb-Gewindespindel in eine Gerade mit Hilfe der Kugelrückführung, Übergang von der Gerade in einen Umlenkradius innerhalb der Kugelrückführung, Übergang vom Umlenkradius in eine Gerade innerhalb der Kugelrückführung- in Verlängerung liegt die Rückführbohrung der Kugelgewindetrieb-Mutter.
-
Die Übergänge des Umlenkradius innerhalb der Kugelrückführung sollen so zueinander liegen, dass die Längenpulsation der beiden Übergänge sich gegenseitig, zumindest teilweise, kompensieren. Die Restpulsation sollte in einem Bereich von maximal 0,01 mm liegen. Dazu sollten die Übergänge, gemessen entlang des Wegs der Kugelmittelpunkte, um ein Vielfaches der Bogenlänge zweier Kugeln plus ungefähr 0,243 mal die Bogenlänge zweier Kugeln auseinander liegen.
-
Zusätzlich sollte der Übergang aus dem Gewinde maximal 10 Grad Knick haben, besser ist ein tangentialer Übergang.
-
Zudem sollte das Spiel zwischen der Führung der Kugeln und den Kugeln im Bereich der Übergänge kleiner als 0,3 mm im Durchmesser sein. Anzustreben ist weniger als 0,1 mm.
-
Von Vorteil ist, dass durch die vorgeschlagene Ausbildung des Kugelgewindetriebs keine Zusatzkosten entstehen. Die geringe Pulsation der Länge führt zu einer geringen Pulsation der Verspannung und damit zu einer geringen Momentenwelligkeit beim Lenken.
-
Nachfolgend wird die Bestimmung der Pulsation einer Kugelkette näher erläutert:
Die Bestimmung der Pulsation kann mit Hilfe aktueller CAD-Systeme oder numerisch erfolgen. Die Vorgehensweise ist dabei gleich. Zunächst wird die Bahn der Mittelpunkte der Kugeln festgelegt. Im realen Fall wird diese mit kleiner Abweichung durch die Führung der Kugeln in einem Kanal sichergestellt. Bei engen Umlenkradien wird die kurvenäußere Begrenzung des Kanals auf die Bahn der Mittellinie plus den halben Kugelradius gelegt. Die Kugeln liegen im Regelfall bei verspannter Kugelkette an dieser kurvenäußeren Begrenzung an. Anfang und Ende der untersuchten Bahnkurve müssen die gleiche Krümmung aufweisen.
-
3a und 3b zeigen ein Beispiel für eine Kugelkette 80 bzw. 82 mit der Bahnkurve 84 Gerade-Radius-Gerade. Ausgehend von einer ersten Kugel auf der Geraden werden die weiteren Kugeln so platziert, dass sie jeweils die vorherige Kugel berühren und ihr Mittelpunkt auf der Bahnkurve liegt. Gezeigt sind zwei so entstandene Kugelketten 80 und 82 mit unterschiedlicher Stellung der ersten Kugel, kenntlich an den durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien.
-
Die Kettenlänge der Kugelkette 80 bzw. 82 ist definiert durch die Länge entlang der Bahnkurve 84, gezeigt in 3a und 3b durch die dicken Linien. Die Kettenlänge ist dabei je nach gewählter Anfangsposition leicht unterschiedlich. Die Anfangsposition wird ausgehend von einer ersten Position (3a) in mehreren Schritten um insgesamt einen Kugeldurchmesser verschoben und jeweils die Kettenlänge bestimmt. Von jeder gefundenen Kettenlänge wird die Länge der Kugelkette mit Anfangsposition (3a) abgezogen. Dadurch erhält man ein Delta der Kettenlängen im Vergleich zur ersten Kugelkette. Ziel ist es, das Delta klein zu halten. Das kann durch geeignete Wahl der Krümmungen und der Bogenlängen der Bahnkurve 84 geschehen. Der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Delta ist die Längenpulsation.
-
4a und 4b zeigen die Deltas von Anordnungen wie in 3a und 3b mit unterschiedlich guter Kompensation der beiden Übergänge Gerade-Radius und Radius-Gerade. Dabei zeigt die Y-Achse das Delta Kettenlänge in µm, die X-Achse die Verschiebung der Kette in Bruchteilen eines Kugeldurchmessers.
-
Vorteilhaft für die Anordnung Gerade-Radius-Gerade, d. h. kleine Längenpulsation, ist es, wenn die Bogenlänge des Radius ein Vielfaches der Bogenlänge zweier Kugeln plus ungefähr 0,243 mal die Bogenlänge zweier Kugeln aufweist. Die Bogenlänge zweier Kugeln ist definiert durch die Bogenlänge zwischen den Mittelpunkten zweier aufeinanderfolgender Kugeln auf dem Radius. Der Wert gilt auch dann, wenn man statt der Geraden Radien verwendet, die im Vergleich zum dazwischen liegenden Radius deutlich größer sind.
-
5 zeigt eine weitere Ausführung einer Kugelkette, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. diese Kugelkette 100 umfasst eine Anzahl an Kugeln 102, wobei zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kugeln 102 ein Abstandshalter 104 vorgesehen ist.
-
Die Abstandshalter 104 sind bei dieser Ausführung als flache Scheiben ausgebildet. Alternativ können auch Scheiben mit konkaven oder konvexen Seiten, die in Berührung mit den Kugeln 102 stehen, vorgesehen sein. Die Abstandshalter 104 können bspw. aus Kunststoff oder aus Stahl gefertigt sein.
-
Die Abstandshalter 104 können auch als Stahl- oder Kunststoffkugeln ausgebildet sein. Diese weisen einen kleineren Durchmesser als die Kugeln 102 auf.
-
Es kann grundsätzlich auch mehr als ein Abstandshalter 104 zwischen Kugeln 102 vorgesehen sein.
-
Die hierin beschriebenen Maßnahmen bezüglich der Krümmungsradien von Übergängen beziehen sich auf zwei aufeinanderfolgende Kugeln 102.
-
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
-
- DE 4229583 A1 [0003]
- EP 1774201 B1 [0004]
