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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenksystem eines Fahrzeugs mit einem Gehäuse, in dem eine mit einem Elektromotor verbundene, wälzgelagerte Schneckenwelle über eine Verzahnung mit einem Schneckenrad zusammenwirkt, das mit einer Lenkvorrichtung verbunden ist. Zur Lagerung der Schneckenwelle sind zwei axial beabstandete Wälzlager vorgesehen, deren innere Lagerringe der Schneckenwelle und deren äußere Lagerringe einer Aufnahme des Gehäuses zugeordnet sind. Um ein Zahnflankenspiel der Verzahnung zu reduzieren, ist zumindest ein Wälzlager elastisch vorgespannt in einer Aufnahme des Gehäuses eingesetzt.
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In heutigen Kraftfahrzeugen sind vielfach elektromechanische Servolenksysteme, auch Hilfskraftlenksysteme genannt, zur Verbesserung des Fahrkomforts verbaut. Diese auch EPSC-Systeme (Electric Power Steering Column) genannten Servolenksysteme übertragen die von einem Elektromotor erzeugte Hilfskraft mittels eines Schneckengetriebes, auch Reduktionsgetriebe genannt, auf die Lenksäule bzw. auf das Lenkritzel, wodurch die vom Fahrer aufgebrachte Kraft beim Lenken verstärkt wird. Der elektrische Servomotor ist dabei unmittelbar oder mittelbar mit einer Schneckenwelle verbunden, die ihrerseits mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Das Schneckenrad steht in einer Wirkverbindung mit der eigentlichen Lenkwelle, die bspw. über ein Ritzel und eine Zahnstange die Spurstange des Lenksystems verstellt. Um die lenkungsspezifischen Anforderungen dieser Servolenksysteme, insbesondere hinsichtlich der Geräuschentwicklung des Schneckengetriebes zu erfüllen, ist es bekannt, Maßnahmen vorzusehen, um das Zahnflankenspiel der Verzahnung zwischen der in Eingriff stehenden Schneckenwelle und dem Schneckenrad konstant zu halten oder zu verringern. Bevorzugt werden dazu geeignete elastische Elemente eingesetzt, mit denen die Schneckenwelle gezielt vorgespannt wird.
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Aus der
US 7 490 695 B2 ist ein Servolenksystem bekannt, bei dem eine Schneckenwelle an einem motorfernen Ende über ein Lager in Verbindung eines elastischen Elementes vorgespannt in einem Gehäuse gelagert ist, damit die Schneckenwelle mit dem zugehörigen Schneckenrad in Eingriff verbleibt. Weiterhin ist für die Schneckenwelle ein motornahes, ortsfest im Gehäuse positioniertes Lager vorgesehen.
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Die
DE 10 2009 018 674 A1 zeigt ein weiteres Servolenksystem, bei dem die Schneckenwelle über ein Loslager sowie ein Schwenklager gelagert ist. Der Außenring des Schwenklagers weist eine konvexe Außenfläche auf, die mit einer entsprechenden konkaven Innenfläche eines zugehörigen Schwenkrings zusammenwirkt.
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Aus der
EP 2 450 262 B1 ist ein elektrisches Servolenksystem bekannt, bei dem ein Lagerring der Schneckenwellenlagerung von einem aus Metall gefertigten Andruckelement sowie einem elastischen Element beaufschlagt ist.
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Die
US 9 080 646 B2 offenbart ein für ein Servolenksystem bestimmtes Schneckengetriebe, bei dem die Schneckenwelle motorseitig über ein einen Schwenkwinkel zulassendes Wälzlager gelagert ist. Das Lager der Schneckenwelle ist dazu in einer nachstellenden Lagerbuchse eingesetzt, wobei zwischen dem Außenring des Lagers und der Lagerbuchse in einem Ringspalt ein federbelastetes, verstellbares Druckstück angeordnet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für ein Servolenksystem mit einer einfachen und kostengünstig durchführbaren Maßnahme ein geräuschoptimiertes und vibrationsarmes Schneckengetriebe zu schaffen.
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Diese Aufgabenstellung wird durch eine Lagerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird ein zylindermantelartiger, zumindest den äußeren Lagerring eines Wälzlagers umschließender, elastischer Toleranzring in eine weitestgehend runde Aufnahme des Gehäuses eingesetzt. Dabei ist der Toleranzring über radial aus einer Mantelfläche des Toleranzrings hervortretende, kraftschlüssig in die Aufnahme gepresste elastische Rippen abgestützt.
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Vorteilhaft erfordert der erfindungsgemäße Toleranzring keine zusätzliche spanende Bearbeitung des Lagersitzes, der Aufnahme bzw. der Bohrung im Gehäuse. In Verbindung mit dem Toleranzring kann die Lagerung, das Wälzlager der Schneckenwelle beispielsweise auch in einer begrenzt unrunden Aufnahme des Gehäuses erfolgen.
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Der Toleranzring bewirkt eine radiale Vorspannung der Schneckenwelle, um beispielsweise Bauteiltoleranzen und/oder den Verschleiß eines aus Kunststoff hergestellten Schneckenrades im Lenkgetriebe auszugleichen.
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Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Konzept fertigungsbedingte Ungenauigkeiten kompensiert und funktionsbedingte Kräfte, wie insbesondere Verschiebekräfte zwischen der Welle und dem Innenring, ausgeglichen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen, eine hohe radiale Steifigkeit aufweisenden Toleranzring ist mittels einer einfachen und kostengünstig zu realisierenden Maßnahme dauerhaft eine weitestgehend konstante radiale Vorspannung sichergestellt.
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Die mit dem Toleranzring erzielbare Anfederkraft der zusammenwirkenden Bauteile, der Schneckenwelle und des Schneckenrades, bleibt dabei vorteilhaft über die Gebrauchsdauer bzw. Lebensdauer des Getriebes erhalten.
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Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen, bei denen die Schneckenwelle durch Zusatzelemente radial zum Schneckenrad vorgespannt wird, bietet die Erfindung eine einteilige bauteiloptimierte Lösung. Vorteilhaft ist der einteilig mit dem Lagerring des Wälzlagers verbundene Toleranzring ohne eine Lageorientierung bzw. Ausrichtung von Bauteilen im Gehäuse einsetzbar, was die Montage vereinfacht.
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Weiterhin kann mit dem gemäß der Erfindung ausgeführten Toleranzring der Eingriff zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad im Hinblick auf die Präzision, den Verschleiß, die Vibration sowie die Geräuschentwicklung des Getriebes entscheidend verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt der einteilige, auf dem Lagerring lagefixierte Toleranzring auf der Mantelfläche symmetrisch umfangsverteilt eine Mehrzahl von vorzugsweise quer verlaufenden, radial hervortretenden elastischen Rippen ein. Alternativ dazu können die Rippen ohne eine bestimmte Ordnung, beispielsweise asymmetrisch oder schräg verlaufend angeordnet werden. Bevorzugt weisen die Rippen des Toleranzrings ein dreieckförmiges, radial nach außen sich verjüngendes Querschnittsprofil auf. Bevorzugt schließt der Toleranzring symmetrisch verteilt ≥ zehn Rippen ein, die mit einem Maß S ≤ 5 mm aus der Mantelfläche hervortreten. Die radiale Steifigkeit des Außentoleranzringes, die unmittelbar dessen Anfederkraft oder Anpresskraft bestimmt, ist durch unterschiedliche Parameter beeinflussbar. Dazu zählt insbesondere die Wahl des Werkstoffs, die Härte des verwendeten Werkstoffs sowie die Anzahl der Rippen und deren Gestaltung. Außerdem wird die Anpresskraft durch die Form und Größe der Aufnahme oder Bohrung im Gehäuse bestimmt, in die der Toleranzring gemeinsam mit dem zugehörigen Wälzlager eingepresst wird.
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Aufgrund der radial aus einer Mantelfläche hervortretenden elastischen Rippen oder Rippen des Toleranzrings ist dieser im Einbauzustand sicher in der Gehäuseaufnahme lagefixiert. Dazu ist keine ergänzende spanende Bearbeitung der Aufnahme bzw. der Bohrung im Gehäuse erforderlich. Diese Toleranzringgestaltung ermöglicht durch eine Anpassung der elastischen Rippen weiterhin eine sichere Lagefixierung in einer Gehäuseaufnahme oder Gehäusebohrung, die lokal abgeflacht ist oder abgeflachte Bereiche aufweist. Ferner besteht die Möglichkeit, den Toleranzring sicher in einer Gehäuseaufnahme mit einer ovalen Geometrie zu fixieren.
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Bevorzugt ist der Toleranzring über radial nach innen ausgerichtete, beidseitig an dem äußeren Lagerring abgestützte Borde axial geführt und formschlüssig befestigt. Ergänzend dazu bietet es sich an, den Toleranzring stoffschlüssig, beispielsweise mittels Klebung oder Vulkanisation mit dem äußeren Lagerring zu verbinden. Um die Montage, das Einpressen des Toleranzrings in die Aufnahme des Gehäuses zu vereinfachen, weist der Toleranzring außenseitig zumindest auf einer Seite, vorteilhaft auf beiden Seiten eine umlaufende Fase oder Abschrägung auf. Weiterhin ist vorgesehen, den Toleranzring wenigstens auf einer Stirnseite mit axial vorstehenden Rippen zu versehen, die ein axiales Vorspannen des Wälzlagers vereinfachen.
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Als Werkstoff für den Toleranzring eignet sich insbesondere ein gummielastisches Material wie beispielsweise ein Elastomer. Da Kunststoffe häufig nach einer gewissen Betriebszeit bzw. Lebensdauer eine Kriechneigung zeigen, werden für den Toleranzring gezielt Werkstoffe mit einem höheren Kriechmodul bzw. einer hohen Materialhärte eingesetzt. Diese Maßnahme vermeidet eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung des Kunstoffs unter Last. Ergänzend oder alternativ dazu bietet es sich an, einen Werkstoff mit eingelagerten Versteifungen einzusetzen, um einen Toleranzring mit einer in radialer Richtung variierenden Steifigkeit zu schaffen, der nahezu kein Setzverhalten aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigt:
- 1: eine schematisierte Darstellung eines gemäß der Erfindung aufgebauten Schneckengetriebes für ein Servolenksystem;
- 2: einen erfindungsgemäßen Toleranzring, der mit einem Wälzlager eine Baueinheit bildet in einer Schnittansicht;
- 3: die Baueinheit gemäß 2 in der Vorderansicht;
- 4: die Baueinheit gemäß 2 eingesetzt in einem Gehäuse mit einer abgeflachten Aufnahme;
- 5: die Baueinheit gemäß 2 eingesetzt in einem Gehäuse mit einer oval ausgeführten Aufnahme.
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Die 1 zeigt teilweise vereinfacht und schematisiert ein elektrisches Servolenksystem 1, das in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das Servolenksystem 1 umfasst als Schneckengetriebe 7 eine um eine Drehachse D drehbare Schneckenwelle 2 sowie ein drehbares Schneckenrad 3, die übereinstimmend in einem Gehäuse 4 drehbar gelagert sind. Wenngleich das Gehäuse 4 in 1 einteilig dargestellt ist, kann es in der Realität aus mehreren starr miteinander verbundenen Gehäuseteilen bestehen. Die Schneckenwelle 2 steht in einem Eingriffsbereich 5 mit dem Schneckenrad 3 in einer Wirkverbindung, wobei eine Verzahnung (nicht gezeigt) der Schneckenwelle 2 mit einem Zahnkranz (nicht gezeigt) des Schneckenrades 3 verzahnt ist. Mittels einer schematisch dargestellten Kupplung 6 ist die Schneckenwelle 2 mit einem nicht abgebildeten Servomotor und das Schneckenrad 3 mit einer Lenkwelle (nicht gezeigt) des Lenksystems verbunden. Weiterhin ist die Schneckenwelle 2 über zwei axial beabstandete, in getrennten Aufnahmen 9, 10 des Gehäuses 4 eingesetzte, als Rillenkugellager ausgeführte Wälzlager 8, 24 drehbar gelagert. Übereinstimmend sind innere Lagerringe 11 der Wälzlager 8, 24 auf der Schneckenwelle 2 lagefixiert. Der äußere Lagerring 23 des kupplungsnahen Wälzlagers 24 ist von einem Zwischenring 22 umschlossen, der unmittelbar in die Aufnahme 9 des Gehäuses 4 eingepresst ist. Zur Darstellung eines Schwenklagers ist zwischen dem Lagerring 23 und dem Zwischenring 22 eine gerundete Kontaktfläche 21 vorgesehen. Dazu bildet der äußere Lagerring 23 eine konvexe Mantelfläche, die an einer konkav gestalteten Innenkontur des Zwischenrings 22 abgestützt ist. Der äußere Lagerring 12 des weiteren Wälzlagers 8 ist von einem einteiligen, elastischen Toleranzring 14 umschlossen, der formschlüssig und/oder stoffschlüssig an dem Lagerring 12 befestigt und kraftschlüssig in der Aufnahme 10 dauerfest eingesetzt ist. Zwischen den übereinstimmenden inneren Lagerringen 11 und den unterschiedlichen äußeren Lagerringen 12, 23 der Wälzlager 8, 24 sind als Kugeln ausgeführte Wälzkörper 13 geführt.
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In den 2 und 3 ist die aus dem Wälzlager 8 und dem Toleranzring 14 bestehende Baueinheit 18 in zwei Abbildungen dargestellt. Der außenseitig den äußeren Lagerring 12 umschließende Toleranzring 14 ist weiterhin über zwei Borde 15 beidseitig an dem Lagerring 12 abgestützt. Auf einer Mantelfläche 16 des Toleranzrings 14 sind bevorzugt symmetrisch umfangsverteilt, lokal radial nach außen gerichtete, einstückig mit dem Toleranzring 14 verbundene, als Rippen 17 ausgeführte Vorsprünge angeordnet. Wie in 3 gezeigt, weisen die Rippen 17 ein dreieckförmiges Querschnittsprofil auf, das vorzugsweise mit einem Maß S ≤ 5 mm aus der Mantelfläche 16 hervortritt. Als Maßnahme, um die Montage, das Einpressen der Baueinheit 18 in die Aufnahme 10 des Gehäuses 4 zu vereinfachen, schließt der Toleranzring 14 an beiden Seiten im Außenbereich eine Fase 19 ein. Weiterhin umfasst der Toleranzring 14 auf beiden Stirnseiten im Bereich der Borde 15 zumindest partiell angeordnete, axial vorstehende Rippen 25.
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Die 4 zeigt die Baueinheit 18 eingesetzt in dem Gehäuse 4 mit einer lokalen Abflachung 20. Die im Bereich der Abflachung 20 auf den Toleranzring 14 wirkende Radialkraft FR wird weitestgehend von den Rippen 17 im Abflachungsbereich durch eine entsprechende Verformung kompensiert, ohne Einfluss auf die Lageposition des Wälzlagers 8 und folglich der Schneckenwelle 2.
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Gemäß 5 ist die Baueinheit 18 in dem Gehäuse 4 mit einer oval gestalteten Aufnahme 9 abgebildet. Vergleichbar mit der in 4 gezeigten Abflachung 20 sind die Rippen 17 in dem verengten Bereich verpresst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenksystem
- 2
- Schneckenwelle
- 3
- Schneckenrad
- 4
- Gehäuse
- 5
- Eingriffsbereich
- 6
- Kupplung
- 7
- Schneckengetriebe
- 8
- Wälzlager
- 9
- Aufnahme
- 10
- Aufnahme
- 11
- Lagerring (innen)
- 12
- Lagerring (außen)
- 13
- Wälzkörper
- 14
- Toleranzring
- 15
- Bord
- 16
- Mantelfläche
- 17
- Rippen
- 18
- Baueinheit
- 19
- Fase
- 20
- Abflachung
- 21
- Kontaktfläche
- 22
- Zwischenring
- 23
- Lagerring (außen)
- 24
- Wälzlager
- 25
- Rippe
- D
- Drehachse
- FR
- Radialkraft
- S
- Rippenhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7490695 B2 [0003]
- DE 102009018674 A1 [0004]
- EP 2450262 B1 [0005]
- US 9080646 B2 [0006]
