DE102016211707A1

DE102016211707A1 - Getriebeeinheit für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016211707A1
Application number: DE102016211707.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Georg Figura; Armin Schymczyk; Alexander Ein Waldt; Gerhard Friederich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Schneckenwelle (2), die um eine axial verlaufende Drehachse (D) drehbar ist, mit einem Schneckenrad (3) zusammenwirkt und an einem Gehäuse (30) einerseits des Schneckenrades (3) über ein erstes Drehlager (5, 15, 25) und andererseits durch ein zweites Drehlager (11) gelagert ist, das derart beaufschlagbar ist, dass die Schneckenwelle (2) gegen das Schneckenrad (3) vorgespannt ist. Um den Eingriff zwischen einer Schneckenwelle und einem Schneckenrad zu optimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Drehlager (5, 15, 25) gegenüber dem Gehäuse unter Verformung wenigstens eines Rückstellelements (9, 10, 19, 20, 21, 22) um eine zur Drehachse (D) senkrechte Kippachse (K) kippbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer Schneckenwelle, die um eine axial verlaufende Drehachse drehbar ist, mit einem Schneckenrad zusammenwirkt und an einem Gehäuse einerseits des Schneckenrades über ein erstes Drehlager und andererseits durch ein zweites Drehlager gelagert ist, das derart beaufschlagbar ist, dass die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt ist.
Moderne Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einer Servolenkung ausgestattet, bei der die Lenkbewegungen des Fahrers fahrzeugseitig unterstützt werden oder ggf. sogar fahrzeugseitig ein gewisses Lenkmoment erzeugt werden kann, das den Fahrer auf eine empfohlene Lenkbewegung hinweist. Neben hydraulischen Servolenkungen kommen vor allen Dingen motorbetriebene Servolenkungen zum Einsatz. Bei letzteren wirkt üblicherweise einen elektrischer Servomotor mit einer Antriebswelle auf eine Schneckenwelle, die ihrerseits mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Das Schneckenrad sitzt auf der eigentlichen Lenkwelle auf, die bspw. über einen Ritzel und eine Zahnstange auf eine Spurstange einwirkt. Ähnliche Systeme mit Servomotor, Schneckenwelle und Schneckenrad kommen bei Kraftfahrzeugen auch in anderen Bereichen, z. B. bei Fensterhebern, zum Einsatz.
Wenngleich theoretisch unter Idealbedingungen auch bei einer um eine feste Achse rotierenden Schneckenwelle ein optimaler Eingriff mit dem Schneckenrad möglich wäre, ist es in der Praxis so, dass dieser durch fertigungsbedingte oder montagebedingte Ungenauigkeiten, Abnutzungseffekte, Verschmutzung sowie Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Temperatur beeinträchtigt werden kann. D. h., die o.g. Einflüsse können allein oder in Kombination dazu führen, dass der Eingriff zwischen Schneckenwelle und Schneckenrad zu locker und/oder zu eng ist. Auch ein zu enger Eingriff ist problematisch, da er zu einer erhöhten Reibung führt, das Getriebe schwergängig macht und die Abnutzung verstärkt.
Eine im Stand der Technik bekannte Methode, die dargestellten Probleme zu mindern, besteht darin, die Schneckenwelle auf einer der Antriebswelle zugewandten Seite über ein erstes Wälzlager (normalerweise ein Kugellager) zu lagern, das eine gewisse Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung quer zur axialen Richtung erlaubt, während sie am gegenüberliegenden Ende über ein zweites Wälzlager gelagert ist, das mit einem Getriebegehäuse oder dergleichen über eine Feder verbunden ist, die es in Richtung auf das Schneckenrad beaufschlagt. Somit kann die Schneckenwelle je nach Bedarf um das erste Wälzlager schwenken, um in einem etwa gleichbleibenden Eingriff mit dem Schneckenrad zu bleiben.
Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die Schwenkbarkeit üblicherweise nur über ein größeres Spiel im Bereich des ersten Wälzlagers möglich ist, was wiederum dazu führt, dass dort Vibrationen und mit diesen verbundene Klappergeräusche entstehen können, die unter NVH-Aspekten unerwünscht sind. Auch wird die Präzision des Getriebes dadurch beeinträchtigt, dass sich im Bereich des ersten Wälzlagers die axiale und radiale Position der Schneckenwelle nicht exakt einstellen lassen. Wird das Spiel im Bereich des Wälzlagers reduziert, führt dies in der Regel zu einer erhöhten Reibung, die die Präzision der Steuerung beeinträchtigt und außerdem zu erhöhtem Verschleiß führen kann.
Die US 2016/0031473 A1 offenbart eine Lageranordnung für ein Getriebe einer Servolenkung. Hierbei ist vorgesehen, dass eine an einen Motor gekoppelte Schneckenwelle, die mit einem Schneckenrad zusammenwirkt, an einem motorseitigen Ende mittels dieser Lageranordnung gelagert ist, während sie am gegenüberliegenden Ende durch einen loses Kugellager gelagert ist, das durch ein Federelement so kraftbeaufschlagt ist, dass die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt wird. Die Lageranordnung umfasst ein Kugellager, das in radialer Richtung von einem Mantelelement umgeben ist, welches eine gewisse radiale Verformbarkeit aufweist und radial innen- oder außenseitig einen konvexen Querschnitt aufweist. Über dieses Mantelelement sowie optional über ein zwischengeordnetes elastisches Element stützt sich das Kugellager an einem Getriebegehäuse ab, wodurch die Schneckenwelle samt dem Kugellager gegenüber dem Getriebegehäuse gekippt werden kann. Axial beiderseits des Kugellagers sind jeweils zwischen Paaren von umlaufenden Ringen elastische Elemente angeordnet.
Die US 2013/016114 A1 zeigt eine Servolenkung, bei der ein Motor auf eine Kugelgewindemutter wirkt, die ihrerseits eine Kugelgewindespindel antreibt. Die Kugelgewindemutter ist hierbei über ein Kugellager an einem Gehäuse gelagert. Zwischen einem äußeren Lagerring des Kugellagers und der Gehäusewandung sind in axialer Richtung ringförmige elastische Elemente zwischengeordnet. Des Weiteren ist radial außenseitig des äußeren Lagerrings in einer Nut des Gehäuses ein weiterer elastischer Ring angeordnet.
Bei einer in der US 7,490,695 B2 gezeigten Getriebeeinheit für eine Servolenkung ist eine Schneckenwelle an einem motorfernen Ende über ein festes Lager an einem Gehäuse gelagert und über ein Vorspannungskissen und einer Torsionsfeder tangential so vorspannbar, dass sie in Eingriff mit einem zugehörigen Schneckenrad verbleibt. An einem motornahen Ende ist die Schneckenwelle über ein festes Kugellager am Gehäuse gelagert, wobei die Verbindung zwischen der Schneckenwelle und dem Kugellager über eine Reihe von elastischen Elementen gegeben ist, die sowohl eine axiale als auch eine radiale Bewegung der Schneckenwelle erlauben. Des Weiteren ist eine Kippbewegung der Schneckenwelle gegenüber dem Gehäuse möglich.
Die DE 10 2009 018 674 A1 zeigt ein Lenkgetriebe, bei dem ein Motor über eine Schneckenwelle auf ein Schneckenrad wirkt. Die Schneckenwelle ist an einem motorfernen Ende über ein Loslager gelagert und an einem motornahen Ende über ein Schwenklager mit einem Schwenkring, einem Außenring und einem Innenring. Letztere bilden ein Kugellager. Der Außenring weist eine konvexe Außenfläche auf, die mit einer entsprechenden konkaven Innenfläche des Schwenkrings zusammenwirkt. Der Außenring ist schwenkbar und drehfest im Schwenkring aufgenommen. In einer innenliegenden Nut des Schwenkrings ist ein radial vorgespanntes Element aufgenommen, das sich gegenüber dem Außenring und dem Schwenkring abstützt.
Die US 9,080,646 B2 offenbart ein Schneckengetriebe, bei dem eine Schneckenwelle an einem motorseitigen Ende über ein nicht näher erläutertes Wälzlager gelagert ist, das einen kleinen Schwenkwinkel zulässt, und an einem motorfernen Ende über ein Loslager, das in einer nachstellenden Lagerbuchse gelagert ist. Ein Innenring der Lagerbuchse ist mit einem Außenring über ein Schwenklager verbunden, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein Druckstück angeordnet ist, welches sich federbelastet in einen Ringspalt zwischen den Ringen bewegen kann. Der Ringspalt verjüngt sich hierbei in die Richtung der Federbelastung.
In der US 8,459,402 B2 ist eine Servolenkung offenbart, bei der ebenfalls eine Motorwelle mit einer Schneckenwelle gekoppelt ist. Die Kopplung ist hierbei über eine Klauenkupplung gegeben, bei der ein elastisches Element zwischen den beiden Kupplungsteilen angeordnet ist. Die Schneckenwelle, die mit einem Schneckenrad zusammenwirkt, ist an einem Ende über ein gewöhnliches Kugellager gelagert, das seinerseits elastisch an einem Gehäuse gelagert ist. Am anderen, der Motorwelle zugewandten Ende ist die Schneckenwelle über ein Kipplager gelagert, das seinerseits fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Kugeln des Kipplagers laufen hierbei in Laufrillen, deren Innenradius größer ist als der Radius der Kugeln.
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet eine Getriebeeinheit mit einem Schneckengetriebe noch Raum für Verbesserungen. Dies gilt insbesondere für den Eingriff zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad im Hinblick auf die Präzision, den Verschleiß sowie die Geräuschentwicklung des Getriebes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eingriff zwischen einer Schneckenwelle und einem Schneckenrad zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Durch die Erfindung wird eine Getriebeeinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen insbesondere Pkw und Lkw infrage. Namentlich kann es sich um eine Getriebeeinheit für eine Servolenkung handeln, wenngleich auch andere Anwendungen, bspw. für Fensterheber, elektrische Sitzverstellung oder anderes infrage kommen.
Die Getriebeeinheit weist eine Schneckenwelle auf, die um eine axial verlaufende Drehachse drehbar ist und mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Durch die axiale Richtung der Drehachse sind die im Folgenden genannte radiale und tangentiale Richtung definiert. Die Schneckenwelle ist normalerweise dazu vorgesehen, direkt oder indirekt an eine Antriebswelle eines Servomotors gekoppelt zu sein, zu der sie in etwa koaxial verläuft. Hierbei kann eine Kupplung oder Kupplungsanordnung ein Drehmoment von der Antriebswelle auf die Schneckenwelle übertragen. Die Schneckenwelle wiederum kämmt mit dem Schneckenrad, wodurch normalerweise eine Untersetzung der Drehbewegung der Antriebswelle erreicht wird.
Die Schneckenwelle ist hierbei an einem Gehäuse gelagert, und zwar einerseits des Schneckenrades über ein erstes Drehlager und andererseits durch ein zweites Drehlager, das derart beaufschlagbar ist, dass die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt ist. Das Gehäuse bildet einen normalerweise gegenüber dem Fahrzeug stationären Bezugsrahmen, über den die Relativpositionen der beweglichen Getriebeteile wenigstens teilweise definiert sind. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Es kann mehr oder weniger offen ausgestaltet sein, in welchem Fall man es auch als "Rahmen" oder dergleichen bezeichnen könnte. Es ist auch möglich, dass die hier genannten Getriebekomponenten, ggf. zusammen mit weiteren Getriebekomponenten, größtenteils vom Gehäuse umschlossen sind. Die Drehbarkeit der Schneckenwelle ist selbstverständlich gegenüber dem Gehäuse gegeben und wird über das erste und zweite Drehlager realisiert. Bei den Drehlagern handelt es sich üblicherweise um Wälzlager, insbesondere Kugellager. Ggf. könnte aber auch wenigstens eines der Drehlager als Gleitlager ausgebildet sein. Die beiden Drehlager befinden sich einerseits und andererseits des Schneckenrades bzw. eines Eingriffsbereichs, in dem die Schneckenwelle mit dem Schneckenrad zusammenwirkt. Anders ausgedrückt, das Schneckenrad bzw. der Eingriffsbereich befindet sich entlang der Schneckenwelle zwischen den beiden Drehlagern. Normalerweise befinden sich die Drehlager an entgegengesetzten Enden oder im Bereich von entgegengesetzten Enden der Schneckenwelle.
Das zweite Drehlager ist derart beaufschlagbar, dass die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt ist. Die Beaufschlagung des zweiten Drehlagers kann bspw. über ein elastisches Vorspannelement erfolgen, das zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Drehlager angeordnet ist. Hierbei kann es sich um eine aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff bestehende Feder oder aber auch um ein aus einem Elastomer bestehendes Element handeln. Durch die Vorspannung des Drehlagers ist eine Vorspannung der Schneckenwelle in Richtung auf das Schneckenrad hin gegeben. Die entsprechende Vorspannung wirkt darauf hin, dass die Schneckenwelle in Eingriff mit dem Schneckenrad verbleibt, wobei ein entsprechendes Vorspannelement aufgrund seiner elastischen Eigenschaft gleichzeitig ein gewisses Ausweichen der Schneckenwelle ermöglichen kann, wodurch die Reibungskräfte zwischen Schneckenwelle und Schneckenrad begrenzt werden können. Das zweite Drehlager kann insbesondere als Loslager ausgebildet sein, das sich wenigstens in Richtung der Abstandsachse innerhalb eines gewissen Bereichs bewegen kann.
Erfindungsgemäß ist das erste Drehlager gegenüber dem Gehäuse unter Verformung wenigstens eines Rückstellelements um eine zur Drehachse senkrechte Kippachse kippbar. D. h., das erste Drehlager ist nicht stationär am Gehäuse angeordnet, sondern weist eine zumindest geringfügige Schwenkbarkeit gegenüber diesem auf. Die Begriffe "kippen" und "schwenken" sind hierbei als gleichbedeutend zu verstehen. Entscheidend ist hierbei zum einerseits, dass das Drehlager insgesamt kippbar ist und somit im Falle eines Wälzlagers nicht nur einen innerer Lagerring gegenüber einem äußeren Lagerring kippbar ist, was sich in der Regel nur über ein erhöhtes Spiel des Wälzlagers erreichen lässt und zum einen die Präzision des Lagers und somit der gesamten Getriebeeinheit beeinträchtigt und zum anderen zu unerwünschter Geräuschentwicklung führen kann. Gleichzeitig erfolgt das Schwenken bzw. Kippen unter Verformung wenigstens eines Rückstellelements, d. h. das Drehlager ist diesbezüglich nicht frei gegenüber dem Gehäuse beweglich. Vielmehr wird hierbei wenigstens ein Rückstellelement, das selbstverständlich elastisch ausgebildet ist, verformt, was wiederum dazu dient, die Positionierung des Lagers gegenüber dem Gehäuse zu verbessern und eine unkontrollierte Bewegung, die wiederum zu einem Aneinanderschlagen und Geräuschentwicklung führen könnte, zu unterdrücken, wobei auch ein unerwünschtes Lösen vermieden ist und Spielfreiheit gegeben ist. Das Rückstellelement erzeugt hierbei eine rückstellende Kraft bzw. ein rückstellendes Drehmoment. Daneben kommen dem wenigstens einen Rückstellelement normalerweise zusätzliche Funktionen zu, insofern als es axiale und/oder radiale Kräfte aufnehmen kann, was zur Einstellung der Steifigkeit des Systems in der entsprechenden Richtung beiträgt. Es versteht sich, dass das wenigstens eine Rückstellelement idealer Weise zwischen dem ersten Drehlager und dem Gehäuse angeordnet ist, ggf. unter Zwischenschaltung wenigstens eines weiteren Bauteils. Bevorzugt sind das bzw. die Rückstellelemente symmetrisch bezüglich der Drehachse angeordnet.
Hinsichtlich der Ausbildung und Anordnung des bzw. der Rückstellelemente bestehen unterschiedlichste Möglichkeiten, von denen einige nachfolgend diskutiert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind als Rückstellelemente in Übergangsbereichen zwischen einer Mantelseite und Stirnseiten des ersten Drehlagers gummielastische Elemente angeordnet, die sich in axialer sowie in radialer Richtung wenigstens indirekt am Gehäuse abstützen. Bevorzugt stützt sich jedes der gummielastischen Elemente sowohl axial als auch radial ab. Die Mantelseite ist hierbei die radial außen liegende Seite und die Stirnseiten sind die axial hinten und vorne liegenden Seiten. Die Übergangsbereiche können hierbei Teile der Mantelseite umfassen, die an die Stirnseite angrenzen, und/oder Teile der Stirnseiten, die an die Mantelseite angrenzen. Ebenso ist es möglich, dass sich ein Teil eines solchen Übergangsbereichs nicht klar der Mantelseite oder einer Stirnseite zuordnen lässt, sondern gewissermaßen zwischengeordnet ist. Ein gummielastisches Element kann aus Gummi oder einem anderen Elastomer, bspw. Silikon, bestehen. Auch eine Verbundbauweise, ggf. mit nicht-elastischen Teilbereichen, ist denkbar. Bevorzugt ist einen solches gummielastisches Element derart angeordnet, dass sich das erste Drehlager hierüber sowohl radial als auch axial an dem Gehäuse abstützt, so das sowohl radiale als auch axiale Kräfte zwischen Drehlager und Gehäuse übertragen werden. Die Abstützung kann hierbei ggf. indirekt über ein zwischengeordnetes weiteres Bauteil gegeben sein. Die gummielastischen Elemente können in tangentialer Richtung vollständig oder teilweise umlaufen, d. h. es kann sich hierbei um gummielastische Ringe oder Ringabschnitte handeln. Auch bei einem vollständig umlaufenden Ring ist es denkbar, dass dieser (axial nicht durchgehende) Ausnehmungen aufweist. Soweit es sich bei dem Drehlager um ein Wälzlager mit einem inneren Lagerring und einem äußeren Lagerring handelt, sind die genannten Rückstellelemente in Übergangsbereichen zwischen einer Mantelseite und den Stirnseiten des äußeren Lagerrings angeordnet.
Hierbei können die gummielastischen Elemente einen L-förmigen Querschnitt aufweisen. D. h. im Querschnitt lassen sich zwei Schenkel unterscheiden, von denen einer an der Mantelseite und der andere an einer Stirnseite angeordnet ist. In Abwandlung der L-Form kann auch eine leichte Abrundung vorgesehen sein, bis hin zu einer Form, die man eher als viertelkreisförmig bezeichnen kann. Die gummielastischen Elemente stellen bevorzugt einen Formschluss zum ersten Drehlager her, der ggf. auch durch einen Stoffschluss ergänzt sein kann, indem ein derartiges gummielastisches Element unmittelbar an dem Drehlager anvulkanisiert wird. Es ist auch möglich, dass bei einem gummielastischen Element die eigentliche elastische Schicht auf einer aus Metall oder Kunststoff gebildeten Trägerschicht aufgebracht ist. Hierdurch lassen sich ggf. die Kraftverteilung und das Verformungsverhalten in gewünschter Weise beeinflussen.
Alternativ können die gummielastischen Elemente einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es kann sich hierbei bspw. um gewöhnliche O-Ringe handeln, allerdings sind auch hier Bauformen denkbar, bei denen ein gummielastisches Element tangential nicht vollständig umläuft. Um eine sichere Positionierung solcher gummielastischen Elemente im Übergangsbereich zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass eine Oberfläche des ersten Drehlagers dort im Winkel zur axialen Richtung und zur radialen Richtung verläuft. D. h., der entsprechende Bereich ist sowohl gegenüber der Mantelseite als auch gegenüber der Stirnseite abgeschrägt bzw. angefast. Es wäre auch denkbar, dort eine umlaufende Nut zur Aufnahme des gummielastischen Elements vorzusehen, die bspw. konkav ausgebildet sein kann.
Gummielastische Stoffe sind in ihrem Volumen und/oder ihrer Elastizität relativ stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Dies kann sich nachteilig auf die Reproduzierbarkeit einer Rückstellkraft auswirken. Um dies zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass wenigstens einseitig zwischen wenigstens einem gummielastischen Element und dem Gehäuse eine Federanordnung zur Erzeugung einer axial wirkenden Vorspannung angeordnet ist. D. h., die Federanordnung, die wenigstens ein Federelement aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff umfassen kann, beaufschlagt das gummielastische Element in axialer Richtung und hält dieses somit unter einer gewissen Vorspannung, was die Temperaturabhängigkeit der erzeugten Rückstellkraft deutlich reduziert. Hierbei nutzt man aus, dass das Federelement aufgrund des andersartigen, nicht-gummielastischen Materials deutlich weniger temperaturabhängig ist. Bei dem Federelement kann es sich um eine ringförmige, tangential umlaufende Feder, bspw. eine Tellerfeder oder Wellenfeder, handeln. Zur gleichmäßigeren Druckverteilung kann zwischen dem gummielastischen Element und dem Federelement ein scheibenförmiges Zwischenelement angeordnet sein, das im Wesentlichen inelastisch ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind als Rückstellelemente in axialer Richtung zwischen den Stirnseiten des ersten Drehlagers und dem Gehäuse wenigstens teilweise umlaufende Federelemente angeordnet. Im Falle eines Wälzlagers sind die Rückstellelement zwischen den Stirnseiten des äußeren Lagerrings und dem Gehäuse angeordnet. Die Federelemente können wiederum aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff gebildet sein und die Form geschlossener oder geöffneter Ringe haben. Es kann sich z. B. um Tellerfedern oder Wellenfedern handeln. Die Federelemente können insbesondere randseitig der jeweiligen Stirnseite, also im Übergangsbereich zur Mantelseite, angeordnet sein bzw. dort am ersten Drehlager anliegen. Sie beaufschlagen das Drehlager randseitig in axialer Richtung, wodurch sie einerseits eine Rückstellkraft gegenüber axialen Verschiebungen erzeugen, und andererseits einen rückstellendes Drehmoment gegenüber einer Schwenkbewegung des ersten Drehlagers um die Kippachse. Hierbei ist es in aller Regel notwendig, dass das erste Drehlager zusätzlich zur Abstützung in axialer Richtung in radialer Richtung in einer Weise gelagert bzw. abgestützt ist, die einerseits eine gewisse Positionssicherung ermöglicht, andererseits aber auch die Kippbarkeit nicht beeinträchtigt. Hierfür bestehen verschiedene Möglichkeiten.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass das erste Drehlager (bzw. im Falle eines Wälzlagers der äußere Lagerring) eine konvexe Außenfläche aufweist, die in einer hiermit korrespondierenden konkaven Innenfläche des Gehäuses aufgenommen ist. Im Querschnitt sollte der Verlauf der jeweiligen Außen- bzw. Innenfläche in etwa einem Kreis mit Mittelpunkt im Zentrum des Drehlagers, also auf der Drehachse, entsprechen. Insgesamt kann die Außenfläche bzw. die Innenfläche einem Abschnitt einer Kugeloberfläche entsprechen, wodurch prinzipiell eine Schwenkbarkeit um eine beliebige Achse möglich wäre.
Gemäß einer Alternative kann die Innenfläche des Gehäuses einen wenigstens teilweise umlaufenden, nach innen gerichteten Vorsprung, also eine umlaufende oder teilweise ausgeprägte Ringwulst aufweisen, an dem die Mantelseite des ersten Drehlagers anliegt. Ein solcher Vorsprung kann auch als innenliegende Rippe bezeichnet werden. Seine axiale Ausdehnung ist hierbei deutlich kleiner als diejenige des Drehlagers. D. h., das erste Drehlager ist durch solch einen Vorsprung weniger flächig als vielmehr linienartig gestützt. Beiderseits des Vorsprungs befinden sich somit Bereiche die in Relation radial nach außen zurückweichen und in die sich das Drehlager beim Kippen teilweise hinein bewegen kann. Der Vorsprung ist normalerweise einstückig mit angrenzenden Bereichen des Gehäuses gefertigt und insofern im Wesentlichen inelastisch. Er kann in tangentialer Richtung unterbrochen sein bzw. es können eine Reihe von tangential beabstandeten Vorsprüngen einander abwechseln.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass radial zwischen dem ersten Drehlager und dem Gehäuse ein wenigstens teilweise umlaufender, zylindermantelartiger Ring angeordnet ist, der eine Mehrzahl von tangential beabstandeten, elastischen radialen Vorsprüngen aufweist. Ein solcher Ring kann u.U. auch als Toleranzring bezeichnet werden. Der Ring kann hierbei offen oder geschlossen ausgebildet sein. Ist der Ring geöffnet, sind noch größere Toleranzen erreichbar. Insbesondere kann der Ring aus Metallblech oder einem vergleichbaren Material mit elastischen Eigenschaften gefertigt sein, ggf. auch aus einem Verbundstoff. Die Vorsprünge können insbesondere durch Umformung, bspw. durch Prägen eines Blechs gebildet sein. Die Vorsprünge stehen in radialer Richtung gegenüber der Umgebung vor, wobei sämtliche Vorsprünge radial nach innen oder radial nach außen weisen können oder einige Vorsprünge nach innen und andere nach außen, bspw. abwechselnd. Durch Dicke und Elastizität des Materials sowie durch die Form der Vorsprünge lässt sich deren Steifigkeit und somit die bei einer Verformung wirkende Rückstellkraft einstellen. Insgesamt dienen die Vorsprünge nicht nur dazu, das Kippen des ersten Drehlagers zu ermöglichen, sondern auch die Steifigkeit bzw. Elastizität der Anbindung in radialer Richtung festzulegen.
Die Steifigkeit der einzelnen Vorsprünge lässt sich weiter dadurch beeinflussen, dass der Ring angrenzend an wenigstens einen Vorsprung wenigstens eine Ausnehmung aufweist. Im Falle eines Blechs kann eine solche Ausnehmung bspw. ausgestanzt ausgefräst oder ausgeschnitten werden. Normalerweise handelt es sich hierbei um eine in radialer Richtung durchgehende Ausnehmungen. Es können paarweise Ausnehmungen beiderseits eines Vorsprungs vorgesehen sein. Insbesondere kann eine Ausnehmung tangential seitlich bezüglich des Vorsprungs angeordnet sein.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer Getriebeeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Getriebeeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Getriebeeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Getriebeeinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Getriebeeinheit gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Getriebeeinheit gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine teilweise Schnittdarstellung eines Toleranzrings der Getriebeeinheit aus 6;
8 eine teilweise Schnittdarstellung eines Toleranzrings für eine Getriebeeinheit gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Darstellung des Toleranzrings entsprechend der Richtung IX in 8; sowie
10 eine Darstellung des Toleranzrings aus 8 in einer geöffneten Version.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt in einer teilweisen Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die bspw. in einer Servolenkung eines Pkws eingesetzt werden kann. Die Darstellung ist teilweise vereinfacht und schematisiert. Die Getriebeeinheit 1 weist eine um eine Drehachse D drehbar gelagerte Schneckenwelle 2 sowie ein Schneckenrad 3 auf, das ebenso wie die Schneckenwelle 2 gegenüber einem Gehäuse 30 drehbar gelagert ist. Wenngleich das Gehäuse 30 hier einteilig dargestellt ist, kann es in der Realität aus mehreren Teilen bestehen, die starr miteinander verbunden sind. Eine Schnecke 2.3 der Schneckenwelle wirkt hierbei in einem Eingriffsbereich 4 mit einem Zahnkranz 3.1 des Schneckenrades 3 zusammen. Die Schneckenwelle 3 ist an einem ersten Ende 2.1 über eine hier nur schematisch dargestellte Kupplung 32 mit einer Antriebswelle 31 eines nicht dargestellten Servomotors verbunden.
Weiterhin ist die Schneckenwelle 2 im Bereich des ersten Endes 2.1 über ein erstes Kugellager 5 sowie zwei gummielastische Ringe 9, 10 am Gehäuse 30 gelagert. Das erste Kugellager 5 umfasst einen inneren Lagerring 6 sowie einen äußeren Lagerring 7. Beide Lagerringe 6, 7 sind konzentrisch zur Drehachse D ausgebildet. Der äußere Lagerring 7 stützt sich über die Ringe 9, 10 jeweils sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung am Gehäuse 30 ab. Diese liegen in Übergangsbereichen 7.4, 7.5, die sich an der Grenze zwischen einem radial außen liegenden Mantelbereich 7.1 und axial vorne und hinten liegenden Stirnbereichen 7.2, 7.3 befinden, am äußeren Lagerring 7 an. Um eine bessere Aufnahme der Ringe 9, 10, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, zu ermöglichen, sind die Übergangsbereiche 7.4, 7.5 sowohl gegenüber dem Mantelbereich 7.1, als auch gegenüber den Stirnbereichen 7.2, 7.3 abgeschrägt bzw. angefast. Alternativ könnte auch eine konkave Form der Übergangsbereiche 7.4, 7.5 vorgesehen sein. Aufgrund der Elastizität der Ringe 9, 10 sind zum einen die radiale und axiale Position des ersten Kugellagers 5 nicht vollständig festgelegt, zum anderen ist auch eine gewisse Schwenkbarkeit gegeben, die mit einer elastischen Verformung der Ringe 9, 10 einhergeht.. Obwohl das erste Kugellager 5 im Wesentlichen spielfrei ausgebildet ist, kann die Schneckenwelle 2 daher zusammen mit dem ersten Kugellager 7 (in geringem Maße) um eine Kippachse K gekippt werden, die die Drehachse D schneidet und senkrecht zu dieser verläuft.
An einem dem ersten Ende 2.1 gegenüberliegenden zweiten Ende 2.2 ist die Schneckenwelle in einem zweiten Kugellager 11 gelagert, das über eine hier schematisch dargestellte Feder 33 mit einem Gehäuse 30 verbunden ist. Durch die Feder 33 ist die Schneckenwelle 2 gegen das Schneckenrad 3 vorgespannt. Hierdurch wird im Zusammenspiel mit der kippbaren bzw. schwenkbaren Lagerung der Schneckenwelle 2 dafür gesorgt, dass stets ein optimaler Eingriff zwischen der Schneckenwelle 2 und dem Schneckenrad 3 besteht. Da das erste Kugellager 5 allerdings spielfrei ausgebildet ist, wird die Präzision und Effizienz der Getriebeeinheit 1 nicht beeinträchtigt. Außerdem ist durch die elastische Abstützung des ersten Kugellagers 5 über die gummielastischen Ringe 9, 10 ein Aneinanderschlagen des ersten Kugellagers 5 und des Gehäuses 30 weitgehend ausgeschlossen, womit hier auch keine störenden Geräusche entstehen können.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die weitgehend mit der in 1 dargestellten Ausführungsform identisch ist und insofern nicht nochmals beschrieben wird. Im Unterschied zur Ausführungsform in 1 wird hier ein gummielastischer Ring 10 in axialer Richtung durch eine Federanordnung 12 beaufschlagt und hierdurch vorgespannt, was ermöglicht, temperaturbedingte Veränderungen des Volumens und der Elastizität der Ringe 9, 10 zu kompensieren. Die Federanordnung 12 umfasst hierbei eine Tellerfeder 13 die sich am Gehäuse 30 abstützt und ihrerseits eine kreisringförmige Distanzscheibe 14 beaufschlagt, welche der Kraftverteilung dient. Die Distanzscheibe 14 liegt direkt am gummielastischen Ring 10 an.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die wiederum weitgehend mit der Ausführungsform aus 1 identisch ist. Abweichend hiervon ist allerdings ein erstes Kugellager 15 mit einem inneren Lagerring 16 sowie einem äußeren Lagerring 17 vorgesehen, der in Übergangsbereichen 17.4, 17.5 zwischen einem Mantelbereich 17.1 und Stirnbereichen 17.2, 17.3 nicht abgeschrägt ist. In diesen Übergangsbereichen 17.4, 17.5 liegen gummielastische Ringe 19, 20 formschlüssig an, die einen L-förmigen Querschnitt haben. Die Ringe 19, 20 können separat gefertigt und beim Zusammenbau zwischen dem Gehäuse 30 und dem ersten Kugellager 15 eingesetzt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass sie direkt am äußeren Lagerring 17 anvulkanisiert werden und somit auch stoffschlüssig verbunden sind.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, bei der ein äußerer Lagerring 27 eines ersten Kugellagers 25 an einer Mantelseite 27.1 eine konvexe Außenfläche 27.4 aufweist, die insgesamt als Abschnitt einer Kugeloberfläche ausgebildet ist. Diese konvexe Außenfläche 27.4 ist in einer konkaven Innenfläche 30.1 eines Gehäuses 30 aufgenommen, wobei die Form und Dimension der Innenfläche 30.1 mit der Außenfläche 27.4 korrespondieren. Beiderseits axial gelegene Stirnbereiche 27.2, 27.3 des äußeren Lagerrings 27 sind durch Tellerfedern 21, 22 beaufschlagt, die sich beiderseits am Gehäuse 30 abstützen. Auch diese Anordnung ermöglicht eine Kippbewegung des Drehlagers 25 sowie der darin angeordneten Schneckenwelle 2 um die Kippachse K, wobei sich die elastischen Tellerfedern 21, 22 entsprechend verformen und so ein rückstellendes Drehmoment erzeugen. Durch die Abstimmung der Außenfläche 27.4 und der Innenfläche 30.1 ist eine in radialer Richtung im Wesentlichen spielfreie Aufnahme gewährleistet, die sich wiederum positiv auf die Präzision der Getriebeeinheit und die Verhinderung einer Geräuschentwicklung auswirkt.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die der Ausführungsform in 4 ähnelt. Allerdings kommt hier einen Kugellager 15 zum Einsatz, das mit dem in 3 dargestellten identisch ist und einen äußeren Lagerring 17 mit einer einfach zylindrische Mantelseite 17.1 umfasst. Um einerseits eine gewünschte Kippbewegung um die Kippachse K zu realisieren und andererseits kein unnötiges Spiel in radialer Richtung zuzulassen, weist die Innenfläche 30.1 des Gehäuses 30 einen umlaufenden, nach innen gerichteten Vorsprung 30.2 auf. An diesem liegt die Mantelseite 17.1 des ersten Kugellagers 15 an. Im Zuge einer Kippbewegung bewegt sich der äußere Lagerring 17 des Kugellagers 15 in die axial seitlich des Vorsprungs 30.2 liegenden Bereiche hinein, in denen die Innenfläche 30.1 radial nach außen zurückweicht. Der Vorsprung 30.2 muss nicht zwangsläufig tangential vollständig umlaufen, sondern kann unterbrochen sein bzw. es können eine Mehrzahl tangential beabstandeter Vorsprünge 30.2 vorgesehen sein.
6 zeigt eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die vom Aufbau weitgehend identisch mit der Ausführungsform in 5 ist. Allerdings ist die Innenfläche 30.1 des Gehäuses 30 zylindermantelförmig ausgebildet, weist also keinen Vorsprung auf. Stattdessen ist in radialer Richtung zwischen dem ersten Kugellager 15 (bzw. dem äußeren Lagerring 17 desselben) und dem Gehäuse 30 ein zylindermantelartiger Toleranzring 23 angeordnet. Dieser Toleranzring 23, der in 7 einzeln mit Blickrichtung entlang der Drehachse D dargestellt ist, weist eine Mehrzahl von tangential beabstandeten, elastischen Vorsprüngen 23.1 auf. Die Vorsprünge 23.1 erstrecken sich radial nach innen und können im Zuge einer Umformung in den Toleranzring 23 eingeformt werden. Wie in der teilweisen Schnittdarstellung in 7 erkennbar ist, bestehen diese Vorsprünge 23.1 ebenso wie der Rest des Toleranzrings 23 aus einem Blech von im Wesentlichen konstanter Dicke. Die Funktion des Toleranzrings 23, der in Abweichung der hier dargestellten Ausführung auch nicht-geschlossen ausgebildet sein kann, besteht einerseits darin, die radiale Steifigkeit der Anbindung des Kugellagers 15 an das Gehäuse 30 einzustellen. Andererseits kann durch die Elastizität der Vorsprünge 23.1 die Funktion der Tellerfedern 21, 22 unterstützt werden, bei einer Kippbewegung einen rückstellendes Drehmoment zu erzeugen.
Die 8 und 9 zeigen eine Variante eines Toleranzrings 24, der bei einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1 zum Einsatz kommen kann, die ansonsten der in 6 dargestellten Ausführungsform gleicht. Auch dieser Toleranzring 24 weist eine Mehrzahl von innenliegenden Vorsprüngen 24.1 auf. Allerdings sind hierbei tangential beiderseits jedes Vorsprungs 24.1 durchgehende Schlitze 24.2 vorgesehen. Qualitativ wird jeder der Vorsprünge 24.1 hierdurch im Vergleich zu den Vorsprüngen 23.1 elastischer bzw. "weicher". Das genaue Ausmaß der Elastizität kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, bspw. die axiale Ausdehnung der Schlitze 24.2, ihre tangentiale Ausdehnung sowie ihren Abstand voneinander, der wiederum mit der tangentialen Ausdehnung jedes der Vorsprünge 24.1 zusammenhängt. Die Schlitze 24.2 können bspw. ausgestanzt oder ausgefräst werden.
Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Toleranzring 24 geöffnet. Dies bedeutet, dass ein Umfangselement aus dem Toleranzring 24 im Vergleich zu der Ausgestaltung nach 8 entfernt ist, was durch heraustrennen oder direkt bei der Herstellung geschehene kann. Durch diese Ausgestaltung ist eine noch größere Toleranz erreichbar. Die Öffnung kann jegliche Dimension und Lage haben, welche im Sinne der Erfindung zielführend ist.
Bezugszeichenliste

1: Getriebeeinheit
2: Schneckenwelle
2.1: erstes Ende
2.2: zweites Ende
2.3: Schnecke
3: Schneckenrad
3.1: Zahnkranz
4: Eingriffsbereich
5, 11, 15, 25: Kugellager
6, 16, 26: innerer Lagerring
7, 17, 27: äußerer Lagerring
7.1, 17.1, 27.1: Mantelseite
7.2, 7.3, 17.2, 17.3, 27.2, 27.3: Stirnseite
7.4, 7.5, 17.4, 17.5: Übergangsbereich
9, 10, 19, 20: gummielastischer Ring
12: Federanordnung
13, 21, 22: Tellerfeder
14: Distanzscheibe
23, 24: Toleranzring
23.1, 24.1: Vorsprung
24.2: Schlitz
27.4: Außenfläche
30: Gehäuse
30.1: Innenfläche
30.2: Vorsprung
31: Antriebswelle
32: Kupplung
D: Drehachse
K: Kippachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0031473 A1 [0006]
US 2013/016114 A1 [0007]
US 7490695 B2 [0008]
DE 102009018674 A1 [0009]
US 9080646 B2 [0010]
US 8459402 B2 [0011]

Claims

Getriebeeinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Schneckenwelle (2), die um eine axial verlaufende Drehachse (D) drehbar ist, mit einem Schneckenrad (3) zusammenwirkt und an einem Gehäuse (30) einerseits des Schneckenrades (3) über ein erstes Drehlager (5, 15, 25) und andererseits durch ein zweites Drehlager (11) gelagert ist, das derart beaufschlagbar ist, dass die Schneckenwelle (2) gegen das Schneckenrad (3) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehlager (5, 15, 25) gegenüber dem Gehäuse unter Verformung wenigstens eines Rückstellelements (9, 10, 19, 20, 21, 22) um eine zur Drehachse (D) senkrechte Kippachse (K) kippbar ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rückstellelemente in Übergangsbereichen (7.4, 7.5, 17.4, 17.5) zwischen einer Mantelseite (7.1, 17.1, 27.1) und Stirnseiten (7.2, 7.3, 17.2, 17.3, 27.2, 27.3) des ersten Drehlagers (5, 15, 25) gummielastische Elemente (9, 10, 19, 20) angeordnet sind, die sich in axialer sowie in radialer Richtung wenigstens indirekt am Gehäuse (30) abstützen.
Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellelemente (9, 10, 19, 20, 21, 22) als gummielastische Elemente (9, 10, 19, 20) einen L-förmigen Querschnitt aufweisen.
Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellelemente (9, 10, 19, 20, 21, 22) als gummielastische Elemente (9, 10, 19, 20) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einseitig zwischen wenigstens einem gummielastischen Element (9, 10, 19, 20) und dem Gehäuse (30) eine Federanordnung (12) zur Erzeugung einer axial wirkenden Vorspannung angeordnet ist.
Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rückstellelemente (9, 10, 19, 20, 21, 22) in axialer Richtung zwischen den Stirnseiten (7.2, 7.3, 17.2, 17.3, 27.2, 27.3) des ersten Drehlagers (5, 15, 25) und dem Gehäuse (30) wenigstens teilweise umlaufende Federelemente (21, 22) angeordnet sind.
Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehlager (5, 15, 25) eine konvexe Außenfläche (27.4) aufweist, die in einer hiermit korrespondierenden konkaven Innenfläche (30.1) des Gehäuses (30) aufgenommen ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (30.1) des Gehäuses einen wenigstens teilweise umlaufenden, nach innen gerichteten Vorsprung (30.2) aufweist, an dem die Mantelseite (7.1, 17.1, 27.1) des ersten Drehlagers anliegt.
Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial zwischen dem ersten Drehlager (5, 15, 25) und dem Gehäuse (30) ein wenigstens teilweise umlaufender, zylindermantelartiger Ring (23, 24) angeordnet ist, der eine Mehrzahl von tangential beabstandeten, elastischen radialen Vorsprüngen (23.1, 24.1) aufweist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (23, 24) angrenzend an wenigstens einen Vorsprung (23.1, 24.1) wenigstens eine Ausnehmung (24.2) aufweist.