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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Lenksysteme mit einer Ritzel-Zahnstangenanordnung und/oder einem Kugelgewindetrieb bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgrund der höheren möglichen Zahnstangenkräfte ist ein Kugelgewindetrieb einer Ritzel-Zahnstangenanordnung überlegen. Allerdings müssen für die Einzelteile eines Kugelgewindetriebes sehr hochwertige und daher teure Werkstoffe verwendet werden. Daraus ergeben sich zeit- und kostenintensive Fertigungs- und Montageschritte.
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Eine Aufgabe ist daher, einen Ersatz für einen Kugelgewindetrieb für ein Lenksystem zur Verfügung zu stellen, der bei gleichbleibenden Sicherheitsanforderungen aus kostengünstigen Werkstoffen hergestellt ist und gleichzeitig zeit- und kostengünstig hergestellt und montiert werden kann.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem mit einer Lenkunterstützung zur Lenkung eines Rads eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem aufweist: eine Zahnstange zur Ansteuerung des Rads, eine Spindel, die mit der Zahnstange fest verbunden ist, und eine Bewegungsmutter zur axialen Bewegung der Spindel, wobei zwischen der Spindel und der Bewegungsmutter ein Zwischenstoff zur Gleitbewegung der Bewegungsmutter mit der Spindel angeordnet ist.
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Als Spindel wird der Teil der Spindelgewindestange verstanden, der mit der Bewegungsmutter bzw. der Kugelmutter wechselwirkt, um die Getriebefunktion zu realisieren. Die Spindelgewindestange wird auch als Zahnstange bezeichnet.
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Durch die Anordnung einer Zwischenschicht, beispielsweise ein Kunststoff, zwischen der Bewegungsmutter und der Spindel, die zur Reibungs- und Verschleißminimierung als Ersatz für die ansonsten zur Reibungs- und Verschleißminimierung notwendigen Wälzkörper zwischen Kugelmutter und Spindel dient, ergibt sich statt eines Rollbewegungsgewindetriebs ein Gleitbewegungsgewindetrieb. Der erfindungsgemäße Gleitbewegungsgewindetrieb zeichnet sich zum einen durch eine kostengünstige Herstellbarkeit aus, da aufgrund der im Vergleich zum Kugelgewindetrieb (KGT) großflächigen Kraftübertragung und die sich dadurch ergebende Absenkung der lokalen Flächenpressungen bei gleichbleibender aufgeprägter Belastung bzgl. Oberflächenhärte der beteiligten Kontaktpartner geringere Anforderungen, bezogen auf den Verschleiß über der Lebensdauer, gestellt werden können, da durch die verwendete Zwischenschicht das Verschleißverhalten positiv beeinflusst wird und die Verschleißbeständigkeit nicht über sehr hohe Oberflächenhärten der beteiligten Reibpartner sichergestellt werden muss. Hierdurch können kostengünstige Werkstoffe für die Bewegungsmutter und die Spindel in Betracht gezogen werden. Bei unveränderter Materialwahl lässt sich der notwendige Bauraum der Bewegungsmutter, hierbei ist die Anzahl der zur Kraftübertragung notwendigen Gewindegänge relevant, durch den flächigen Kontakt im Gegensatz zum Kugelgewindetrieb verkleinern, da bei diesem zwischen den Wälzkörpern und der Kugelmutter und Spindel angenähert lediglich Punktkontakt zur Kraftübertragung vorliegt.
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Zum anderen können auch die Anforderungen bzgl. der Oberflächengüte, entweder in den Gewindegängen der Bewegungsmutter oder auch der Spindel abgesenkt werden, je nachdem an welcher Stelle die definierte Relativbewegung zwischen den Reibpartnern im Betrieb stattfindet. Findet die Relativbewegung beispielsweise zwischen der Zwischenschicht und der Spindel statt, kann die Oberflächengüte in den Gewindegängen der Bewegungsmutter entsprechend grob gestaltet werden, da hier keine Relativbewegung vorgesehen ist. Die vorhandene Zwischenschicht, insbesondere ein Kunststoff, dient im Kontakt als Reibpartner und beeinflusst den Reibwert und verbessert das Verschleißverhalten. Die Zwischenschicht, beispielsweise ein Kunststoff, stellt eine spielarme und formschlüssige Verbindung zwischen der Bewegungsmutter und der Spindel sicher, wodurch sich eine hohe Lenkgenauigkeit bei relativ wenig Reibung ergibt und gleichzeitig keine Geräuschentwicklung zu erwarten ist.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die Getriebefunktionalität dadurch erzeugt, dass zwischen einem Bewegungsmutterrohling, ein geometrischer Körper dessen Innenkontur über der Spindel positioniert werden kann ohne diesen zu berühren, der über der Spindel der Spindelgewindestange in Betriebsposition angeordnet ist, ein Zwischenstoff eingespritzt wird. Der Zwischenstoff wird ausgehärtet, wobei die Negativform der Spindel abgebildet wird, damit die passgenaue Gegenform zum Gewinde auf der Spindel verwirklicht und ein spielfreies bzw. besonders spielarmes Gleitbewegungsgewinde realisiert werden kann.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird der Zwischenstoff fest mit der Bewegungsmutter verbunden, wodurch die relative Gleitbewegung im Betrieb in der Kontaktfläche zwischen dem Zwischenstoff und der Spindel stattfindet.
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In einer noch weiteren alternativen Ausführungsform wird der Zwischenstoff fest mit der Spindel verbunden, wodurch die relative Gleitbewegung im Betrieb in der Kontaktfläche zwischen dem Zwischenstoff und der Bewegungsmutter stattfindet.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei zwischen der Spindel und der Bewegungsmutter keine Wälzkörper zum Abwälzen der Bewegungsmutter über der Spindel angeordnet sind.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem einen Gewindetrieb mit der Spindel und der Bewegungsmutter umfasst, wobei der Gewindetrieb als Gleitbewegungsgewindetrieb und nicht als Rollbewegungs- oder Kugelgewindetrieb ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei der Gewindetrieb eine hohe Gewindesteigung zur Steigerung des Wirkungsgrads aufweist.
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Durch eine Erhöhung des Steigungswinkels des Gewindes kann eine Erhöhung des Wirkungsgrads erreicht werden. Hierdurch wird eine Steigerung der Lenkdynamik erzielt. Außerdem kann ein Downsizing des Elektro-Servomotors ermöglicht werden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei die Bewegungsmutter und die Spindel mehrere Gewindegänge parallel zueinander zur Steigerung der Tragfähigkeit aufweisen.
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Durch eine Mehrgängigkeit der Gewinde von Kugelmutter bzw. Bewegungsmutter und Spindel kann die Tragfähigkeit des betreffenden Triebs gesteigert werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei die Bewegungsmutter Gewindegänge aufweist, die bei Vorhandensein des Zwischenstoffs nicht im Kontakt mit den Gewindegängen der Spindel stehen und die bei Nicht-Vorhandensein des Zwischenstoffs zur Sicherstellung der Lenkbarkeit des Fahrzeugs im Kontakt mit den Gewindegängen der Spindel stehen.
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Nicht-Vorhandensein bedeutet, dass der Zwischenstoff 9 den Raum zwischen Bewegungsmutter 3 und Spindel 2 nicht wie vorgesehen vollständig ausfüllt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei zumindest abschnittsweise eine Gewindeflanke der Spindel derart angeordnet ist, dass bei Nicht-Vorhandensein des Zwischenstoffs die Gewindeflanke in die Bewegungsmutter ragt.
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Hierdurch ergibt sich im Fehlerfall, bei Versagen der Zwischenschicht zwischen Bewegungsmutter und Spindel, eine metallische Rückfallebene, wobei eine metallische Zahnflanke der Spindel in das metallische Gewinde der Bewegungsmutter greift.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei der Zwischenstoff in die Bewegungsmutter einlegbar ist und/oder wobei der Zwischenstoff ein Kunststoff ist.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei der Zwischenstoff aus mehreren Teilen zusammensetzbar ist und/oder wobei die Teile zur spielarmen Anordnung in der Bewegungsmutter gegeneinander verspannt sind.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem eine Hinterachslenkung des Fahrzeugs ist. Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, einen Gewindetrieb für ein Lenksystem zur Verfügung zu stellen, der zwischen Bewegungsmutter und Spindel Kunststoff aufweist. Außerdem kann eine hohe Gewindesteigung gewählt werden. Hierdurch kann eine Steigerung des Wirkungsgrads erzielt werden. Durch den hohen Wirkungsgrad wird zum einen die Lenkdynamik verbessert und außerdem kann ein Downsizing des betreffenden Elektro-Servomotors ermöglicht werden. Allerdings ergibt sich durch die hohe Gewindesteigung eine Verringerung der Tragfähigkeit, da gleichzeitig wenige tragende Gewindegänge im Eingriff stehen. Dieser Nachteil kann durch eine Mehrgängigkeit des Gewindetriebs kompensiert werden.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
- 1 ein Gleitbewegungsgewindetrieb, der durch einen Servomotor 5 angetrieben wird,
- 2 der Gleitbewegungsgewindetrieb,
- 3 ein erfindungsgemäßer Trieb mit einem ersten Ausschnitt 10 und einem zweiten Ausschnitt 11,
- 4 den Ausschnitt 10 des Gleitbewegungsgewindetriebs der 3 mit einer Schicht des Zwischenstoffs 9,
- 5 einen alternativen Ausschnitt 10 des Gleitbewegungsgewindetriebs der 3,
- 6 einen alternativen Ausschnitt 11 des Gleitbewegungsgewindetriebs der 3 analog zum Ausschnitt 10 der 5,
- 7 einen Gleitbewegungsgewindetrieb mit einer Schicht des Zwischenstoffs 9 und
- 8 einen Gleitbewegungsgewindetrieb mit einem Zwischenstoff 9.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Gleitbewegungsgewindetrieb mit einer Bewegungsmutter 3 und einer Spindel 2, wobei die Bewegungsmutter/Mutter/Kugelmutter 3 über einen Riemen 4 durch den Servomotor 5 angetrieben wird. Über den Gleitbewegungsgewindetrieb wird die Rotationsbewegung der Welle des Servomotors 5 in eine Längsbewegung der Spindel 2 umgewandelt, wodurch die Spindelgewindestange/Zahnstange 7 je nach Lenkeinschlag eines Lenkrads bewegt werden kann, womit der Winkel der zu lenkenden Rädern geändert werden kann.
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2 zeigt den Gleitbewegungsgewindetrieb mit der Bewegungsmutter 3 und der Spindel 2, wobei die Spindel 2 mit der Spindelgewindestange 7 lösbar oder unlösbar fest verbunden ist.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Trieb, wobei der Trieb keine Wälzkörper zwischen Bewegungsmutter 3 und Spindel 2 aufweist. Stattdessen wird in den Zwischenraum von Bewegungsmutter 3 und Spindel 2 ein Zwischenstoff 9, beispielweise ein Kunststoff, angeordnet.
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4 zeigt den Ausschnitt 10 des Triebs der 3 mit der Verzahnung der Spindel 2 und der Bewegungsmutter 3, wobei der Zwischenstoff 9 zur Mutter 3 eine plane, ebene Oberfläche aufweist.
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5 zeigt einen alternativen Ausschnitt 10 des Triebs der 3 mit der Verzahnung der Spindel 2 und einer Verzahnung der Bewegungsmutter 3, wobei keine Wälzkörper zwischen Bewegungsmutter 3 und Spindel 2 angeordnet sind. Stattdessen ist ein eingespritzter Zwischenstoff 9, insbesondere ein Kunststoff, vorhanden. Daher tritt an dieser Stelle keine Rollreibung, sondern Gleitreibung auf. Um die erhöhte Reibung einer Gleitreibung zu kompensieren, kann eine Erhöhung des Gewindesteigungswinkels vorgenommen werden. Eine Erhöhung des Gewindesteigungswinkels wird dadurch erreicht, dass auf gleicher axialer Ausdehnung der Spindel 2, eine kleinere Anzahl Gewindegänge angeordnet wird. Vorteilhafterweise kann hierdurch ein kostengünstiger Trieb realisiert werden. Durch den Zwischenstoff 9, der insbesondere eingespritzt werden kann, ergibt sich ein spielarmer Kontakt zwischen Bewegungsmutter 3 und Spindel 2.
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6 zeigt einen Ausschnitt 11 des Triebs der 3 analog zum Ausschnitt 10 der 5 mit einem Notlaufbereich 8. Der Notlaufbereich 8 ist derart ausgebildet, dass sich erst ein direkter Kontakt zwischen der Bewegungsmutter 3 mit der Spindel 2 bei Versagen des Zwischenstoffs 9 ergibt. Versagen bzw. Nicht-Vorhandensein bedeutet, dass der Zwischenstoff 9 den Raum zwischen Bewegungsmutter 3 und Spindel 2 nicht wie vorgesehen ausfüllt.
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7 zeigt einen Zwischenstoff 9, der nicht eingespritzt ist, sondern als eigenes Bauteil gefertigt und im Nachhinein zwischen der Mutter 3 und Spindel 2 platziert wird. Der Zwischenstoff 9 muss hierbei so platziert und fixiert werden, dass die Funktion des Gleitbewegungsgewindes sichergestellt ist und wobei die Gleitbewegung an der definierten Stelle, insbesondere zwischen dem Zwischenstoff 9 und der Spindel 2 stattfindet. Durch eine vorgespannte Platzierung des Zwischenstoffs 9 kann Spielfreiheit und damit eine Vermeidung einer Geräuschentwicklung auch bei auftretendem Verschleiß durch den Effekt des Nachstellens sichergestellt werden. Da der Kunststoff 9 eingelegt ist, kann sich auch ein Spalt 12 zwischen einzelnen Kunststoffteilen 9 ergeben, wodurch die Funktionalität jedoch nicht beeinträchtigt wird.
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8 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei der Zwischenstoff 9, insbesondere Kunststoff, keine plane Oberfläche aufweist, sondern entsprechend der Zahnung der Mutter 3 und der Spindel 2ausgebildet ist.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stangenlager/Stangenführung und Verdrehsicherung
- 2
- Spindel
- 3
- Bewegungsmutter /Mutter/Kugelmutter
- 4
- Riemen
- 5
- Servomotor
- 6
- Gehäuse
- 7
- Zahnstange/Spindelgewindestange
- 8
- Notlaufbereich
- 9
- Zwischenstoff (Bsp. umgespritzter Kunststoff)
- 10
- Ausschnitt
- 11
- Ausschnitt
- 12
- Spalt
