DE102017204152A1 - Ball screw with toothing - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend: eine Zahnstange zur Auslenkung eines Rads des Fahrzeugs, eine Spindel (2) zur axialen Verschiebung der Zahnstange, einen Servomotor mit einem Riemen (7) und ein Kugelgewindetrieb mit einer Kugelmutter (3) oder ein Bewegungsgewinde mit einer Bewegungsmutter, wobei auf dem Kugelgewindetrieb oder auf dem Bewegungsgewinde eine Verzahnung (8) zum Eingriff des Riemens (7) vorgesehen ist.

Figure DE102017204152A1_0000
There is provided a steering system for a vehicle, comprising: a rack for deflecting a wheel of the vehicle, a spindle (2) for axially displacing the rack, a servomotor with a belt (7) and a ball screw with a ball nut (3) or a movement thread with a movement nut, wherein on the ball screw or on the movement thread a toothing (8) for engagement of the belt (7) is provided.
Figure DE102017204152A1_0000

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.The present invention relates to a steering system for a vehicle and a vehicle.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Im Stand der Technik sind PKW-Lenkungen des Typs EPSapa bekannt, wobei durch die Kombination aus Kugelmutter und Kugelgewinde, das auf der betreffenden Zahnstange angeordnet ist, und dazwischen befindlichen Wälzkörpern, ein Drehmoment eines Servomotors in eine Zahnstangenkraft in Zahnstangenlängsrichtung umgewandelt wird. Das Drehmoment des Servomotors wird hierbei mittels Zahnriemen formschlüssig über eine kleine Zahnscheibe, die als separates Bauteil mit der Motorwelle verbunden ist, auf eine große Zahnscheibe, die als ein separates Bauteil mit der Kugelmutter verbunden ist, übertragen. Eine derartige Lenkung für einen PKW wird als EPSapa-Lenkung bezeichnet.In the prior art, EPSapa type car steering systems are known wherein a torque of a servomotor is converted into a rack-and-pinion force in the rack-and-pinion longitudinal direction by the combination of the ball nut and the ball screw disposed on the respective rack and the rolling elements therebetween. The torque of the servo motor is in this case by means of toothed belt via a small toothed disc, which is connected as a separate component with the motor shaft, on a large toothed pulley, which is connected as a separate component with the ball nut. Such steering for a car is referred to as EPSapa steering.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Anordnung der großen Zahnscheibe und der kleinen Zahnscheibe zur Kugelmutter des Stands der Technik sind derart ausgebildet, dass sich Drehmomente ergeben, die zu einer Verkippung der Kugelmutter führen. Es ist daher notwendig, diesen Kippmomenten und den daraus entstehenden Kräften entgegenzuwirken. Die sich ergebenden Kräfte resultieren aus den Vorspann- und Antriebskräften. Das Verkippen kann zu einer Geräuschentwicklung führen, da in einem gekippten bzw. geneigten Zustand die Wälzkörper in ihrer idealen Wälzbewegung gestört werden. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Reibung, die zur Geräuschentwicklung führt. Eine gestörte Wälzbewegung birgt nicht nur die Gefahr des hohen Verschleißes, sondern verringert durch Lärmbelästigung den Fahrkomfort für den betreffenden Fahrer.The arrangement of the large toothed pulley and the small toothed disc to the ball nut of the prior art are designed such that torques arise which lead to a tilting of the ball nut. It is therefore necessary to counteract these overturning moments and the resulting forces. The resulting forces result from the biasing and driving forces. The tilting can lead to a noise, since in a tilted or inclined state, the rolling elements are disturbed in their ideal rolling motion. This results in an increased friction, which leads to noise. A faulty rolling motion not only entails the risk of high wear, but also reduces the comfort of driving for the driver in question as a result of noise pollution.

Außerdem dient die Kugelmutter zusätzlich als „Fest“-Lagerstelle der Zahnstange. Es ergeben sich daraus radiale und axiale Kräfte bezüglich der Zahnstange. Um diesen Kräften gerecht zu werden, muss die Lagerung entsprechend aufwändig ausgebildet werden.In addition, the ball nut also serves as a "fixed" bearing point of the rack. This results in radial and axial forces with respect to the rack. In order to cope with these forces, the storage must be made correspondingly complex.

Eine Aufgabe ist daher, ein Lenksystem zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine möglichst wenig aufwändige Anordnung auszeichnet und eine geringe Geräuschentwicklung und eine geringe Reibung sicherstellt.One object is therefore to provide a steering system which is characterized by the least complicated arrangement and ensures low noise and low friction.

Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend: eine Zahnstange zur Auslenkung eines Rads des Fahrzeugs, eine Spindel zur axialen Verschiebung der Zahnstange, einen Servomotor mit einem Riemen und ein Kugelgewindetrieb mit einer Kugelmutter oder ein Bewegungsgewinde mit einer Bewegungsmutter, wobei auf dem Kugelgewindetrieb oder auf dem Bewegungsgewinde eine Verzahnung zum Eingriff des Riemens vorgesehen ist.As a first embodiment of the invention, there is provided a steering system for a vehicle, comprising: a rack for deflecting a wheel of the vehicle, a rack for axially displacing the rack, a servo motor with a belt, and a ball screw with a ball nut or a moving screw with a Movement nut, wherein on the ball screw or on the motion thread a toothing for engagement of the belt is provided.

Durch die Anordnung einer Verzahnung oder sonst ausgebildeten Ausformung bzw. Rillung kann ein Riemen direkt den Kugelgewindetrieb antreiben, ohne direkt eine zusätzliche Zahnscheibe zu benötigen.By arranging a toothing or otherwise formed shaping or grooving, a belt can directly drive the ball screw without directly requiring an additional toothed disk.

Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend ein Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.As a second embodiment of the invention, there is provided a vehicle comprising a steering system according to any one of claims 1 to 8.

Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Exemplary embodiments are described in the dependent claims.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei die Verzahnung an der Bewegungsmutter oder an der Kugelmutter angeordnet ist.According to an exemplary embodiment of the invention, a steering system is provided, wherein the toothing is arranged on the movement nut or on the ball nut.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem ein erstes Wälzlager zwischen einem Gehäuse des Lenksystems und der Kugelmutter aufweist.In a further embodiment of the invention, a steering system is provided, wherein the steering system comprises a first rolling bearing between a housing of the steering system and the ball nut.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem ein zweites Wälzlager zwischen dem Gehäuse und der Kugelmutter aufweist.According to another embodiment of the present invention, a steering system is provided, wherein the steering system comprises a second rolling bearing between the housing and the ball nut.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das erste und/oder das zweite Wälzlager als Axial-Wälzlager ausgebildet ist.According to an exemplary embodiment of the invention, a steering system is provided, wherein the first and / or the second rolling bearing is designed as an axial rolling bearing.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei ein erster Innenring des ersten Wälzlagers und/oder ein zweiter Innenring des zweiten Wälzlagers zum Führen des Riemens vorgesehen ist.In a further embodiment of the invention, a steering system is provided, wherein a first inner ring of the first rolling bearing and / or a second inner ring of the second rolling bearing is provided for guiding the belt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem zum hochautonomen Fahren geeignet ist.According to another exemplary embodiment of the present invention, a steering system is provided, wherein the steering system is suitable for highly autonomous driving.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem für „Steer by Wire“ geeignet ist und/oder wobei das Lenksystem zum Lenken der Hinterachse geeignet ist.In a further embodiment of the invention, a steering system is provided, wherein the steering system is suitable for "steer by wire" and / or wherein the steering system is suitable for steering the rear axle.

Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein Lenksystem mit einem Kugelgewindetrieb derart anzuordnen, dass der Zahnriemen bezüglich der Kugelmutter, insbesondere zu dem sich in axialer Richtung erstreckenden Kraftübertragungsbereich der Kugeln, innerhalb angeordnet ist. Auf diese Weise können sich keine Kippmomente ergeben. Außerdem können zwei Axial-Wälzlager angeordnet werden, wodurch Toleranzabweichungen bezüglich des Gehäuses und des Kugelgewindetriebs ausgeglichen werden. Diese Axial-Wälzlager können so an dem Gehäuse angeordnet sein, dass geometrische Abweichungen bezüglich der Zahnstange und auch deren elastische Verformungen ausgeglichen werden können. As an idea of the invention may be considered to arrange a steering system with a ball screw such that the toothed belt with respect to the ball nut, in particular to the axially extending power transmission range of the balls, is disposed within. In this way, no tilting moments can arise. In addition, two axial roller bearings can be arranged, whereby tolerance deviations with respect to the housing and the ball screw can be compensated. These axial roller bearings can be arranged on the housing so that geometric deviations with respect to the rack and also their elastic deformations can be compensated.

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.Of course, the individual features can also be combined with each other, which can also be partially beneficial effects that go beyond the sum of the individual effects.

Figurenlistelist of figures

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:

  • 1 einen Einsatz zusätzlicher elastischer Zwischenelemente mit definiertem Steifigkeitsverhalten in Zahnstangenlängs- und querrichtung,
  • 2 einen Ausschnitt der 1 in einer Vergrößerung mit dem Einsatz zusätzlicher elastischer Zwischenelemente 4, 11 mit definiertem Steifigkeitsverhalten in Zahnstangenlängs- und querrichtung,
  • 3 einen Einsatz eines Biegebalkenprinzips in radialer Richtung bezüglich Zahnstangenlängsrichtung,
  • 4 einen Ausschnitt der 3 in einer Vergrößerung mit dem Einsatz eines Biegebalkenprinzips 5 in radialer Richtung bezüglich Zahnstangenlängsrichtung und
  • 5 in einer perspektivischen Ansicht den Einsatz eines Biegebalkenprinzips in radialer Richtung bezüglich Zahnstangenlängsrichtung.
Further details and advantages of the invention will become apparent from the embodiments illustrated in the drawings. Show it:
  • 1 a use of additional elastic intermediate elements with defined stiffness behavior in rack longitudinal and transverse direction,
  • 2 a section of the 1 in an enlargement with the use of additional elastic intermediate elements 4, 11 with defined stiffness behavior in rack longitudinal and transverse direction,
  • 3 a use of a bending beam principle in the radial direction with respect to the rack longitudinal direction,
  • 4 a section of the 3 in an enlargement with the use of a bending beam principle 5 in the radial direction with respect to rack longitudinal direction and
  • 5 in a perspective view the use of a bending beam principle in the radial direction with respect to rack longitudinal direction.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS

1 zeigt Axial-Wälzlager 1 zum Übertragen von Kräften und Momenten zwischen der Kugelmutter 3 und dem Lenkgehäuse 9. Zusätzlich werden Innenringe 6 der Axial-Wälzlager 1 dazu verwendet, sicherzustellen, dass die Führung des Riemens 7 über der Verzahnung erfolgt. Hierbei werden die Innenringe 6 als Anschlag und Führung eingesetzt. Es werden elastische Elemente 4 und 11 mit definierten Steifigkeitseigenschaften genutzt, um einen Toleranzausgleich und Ausgleichsbewegungen in axialer und radialer Richtung zu ermöglichen und sicherzustellen. Durch den Angriff des Riemens 7 innerhalb des Kraftübertragungsbereiches der Kugeln, der sich in axialer Richtung erstreckt, können Kippmomente die durch die Riemenkräfte hervorgerufen werden (Vorspannkräfte und Antriebskräfte) auf die Kugelmutter 3 vermieden werden. Außerdem wird die große Zahnscheibe durch eine Zahnung auf der Kugelmutter 3 ersetzt, wodurch eine Vereinfachung des Lenksystems erreicht werden kann. 1 shows axial roller bearings 1 for transmitting forces and moments between the ball nut 3 and the steering housing 9 , In addition, inner rings 6 the axial roller bearing 1 used to ensure that the leadership of the belt 7 over the toothing takes place. Here are the inner rings 6 used as a stop and guide. There are elastic elements 4 and 11 used with defined stiffness properties to allow and ensure tolerance compensation and compensation movements in the axial and radial directions. By the attack of the belt 7 Within the force transmission range of the balls, which extends in the axial direction, tilting moments that are caused by the belt forces (biasing forces and driving forces) on the ball nut 3 be avoided. In addition, the large toothed disc by a toothing on the ball nut 3 replaced, whereby a simplification of the steering system can be achieved.

2 zeigt die Vergrößerung des relevanten Bereichs des Lenksystems mit der Kugelmutter 3 mit einer Verzahnung 8, in die der Riemen 7, der als Zahnriemen ausgebildet ist, eingreifen kann. Erfindungsgemäß greift der Riemen 7 vollständig innerhalb des sich in axialer Richtung erstreckenden Kraftübertragungsbereiches der Kugeln an der Kugelmutter 3 an, wodurch Kippmomente vermieden werden können. Es werden außerdem elastische Elemente 4, 11 dargestellt, die zum Toleranzausgleich in axialer Richtung und zur Ermöglichung von Ausgleichbewegungen in radialer Richtung dienen. 2 shows the enlargement of the relevant portion of the steering system with the ball nut 3 with a toothing 8th into which the belt 7 , which is designed as a toothed belt, can intervene. According to the invention, the belt engages 7 completely within the axially extending power transmission range of the balls on the ball nut 3 on, which tilting moments can be avoided. There are also elastic elements 4 . 11 shown, which serve to compensate for tolerances in the axial direction and to enable compensation movements in the radial direction.

3 zeigt die Anordnung des Riemens 7 innerhalb des Kraftübertragungsbereiches und die Axial-Wälzlager 1, wobei Innenringe 6 der Wälzlager 1 zum Führen des Riemens 7 vorgesehen sind. Außerdem sind elastische Elemente 4, 5 dargestellt, die eine Ausgleichsbewegung in axialer und radialer Richtung ermöglichen. 3 shows the arrangement of the belt 7 within the power transmission area and the axial rolling bearings 1 , where inner rings 6 the rolling bearing 1 are provided for guiding the belt 7. There are also elastic elements 4 . 5 shown, which allow a compensating movement in the axial and radial directions.

4 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 3 mit der Kugelmutter 3, an deren Mitte, insbesondere im sich in axialer Richtung erstreckenden Kraftübertragungsbereich der Kugeln, der Riemen 7 angreift, um Kippmomente auszuschließen. Außerdem weist die Kugelmutter 3 eine Verzahnung 8 auf, in die die Verzahnung des Riemens 7 eingreifen kann. 4 shows an enlargement of a section of the 3 with the ball nut 3 , At the center, in particular in the axially extending force transmission region of the balls, the belt 7 attacks to prevent tilting moments. In addition, the ball nut 3 a gearing 8th in which the teeth of the belt 7 can intervene.

5 zeigt die elastischen Elemente 4, 5 zum axialen Toleranzausgleich und radialen Ausgleichsbewegungen. Die Elemente 5 können beispielsweise als Biegebalken ausgebildet sein, wodurch sich eine axiale Steifigkeit und eine radiale Elastizität ergibt, welche sehr genau und reproduzierbar ausgelegt werden können. 5 shows the elastic elements 4 . 5 for axial tolerance compensation and radial compensation movements. The Elements 5 For example, they can be designed as bending beams, which results in an axial rigidity and a radial elasticity, which can be interpreted very accurately and reproducibly.

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.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements or method steps, just as the term "a" and "an" does not exclude multiple elements and steps.

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.The reference numerals used are for convenience of reference only and are not to be considered as limiting, the scope of the invention being indicated by the claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Axial-WälzlagerAxial roller bearing
22
Spindelspindle
33
Kugelmutterball nut
44
elastisches Elementelastic element
55
elastisches Element/Biegebalkenelastic element / bending beam
66
Innenringinner ring
77
Riemenbelt
88th
Zahnung auf der Kugelmutter zum Eingriff des Riemens/Zahnriemens 7Toothing on the ball nut for engagement of the belt / toothed belt 7
99
Gehäusecasing
1111
elastisches Elementelastic element

Claims (9)

Lenksystem für ein Fahrzeug, umfassend: eine Zahnstange zur Auslenkung eines Rads des Fahrzeugs, eine Spindel (2) zur axialen Verschiebung der Zahnstange, einen Servomotor mit einem Riemen (7) und ein Kugelgewindetrieb mit einer Kugelmutter (3) oder ein Bewegungsgewinde mit einer Bewegungsmutter, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kugelgewindetrieb oder auf dem Bewegungsgewinde eine Verzahnung (8) zum Eingriff des Riemens (7) vorgesehen ist.A steering system for a vehicle, comprising: a rack for deflecting a wheel of the vehicle, a spindle (2) for axially displacing the rack, a servo motor with a belt (7) and a ball screw with a ball nut (3) or a moving screw with a moving nut , characterized in that on the ball screw or on the movement thread a toothing (8) for engagement of the belt (7) is provided. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (8) an der Bewegungsmutter (3) oder an der Kugelmutter (3) angeordnet ist.Steering system after Claim 1 , characterized in that the toothing (8) on the moving nut (3) or on the ball nut (3) is arranged. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem ein erstes Wälzlager (1) zwischen einem Gehäuse (9) des Lenksystems und der Kugelmutter (3) aufweist.Steering system according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the steering system comprises a first rolling bearing (1) between a housing (9) of the steering system and the ball nut (3). Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem ein zweites Wälzlager (1) zwischen dem Gehäuse (9) und der Kugelmutter (3) aufweist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that the steering system comprises a second rolling bearing (1) between the housing (9) and the ball nut (3). Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Wälzlager (1) als Axial-Wälzlager ausgebildet ist.Steering system according to one of Claims 3 or 4 , characterized in that the first and / or the second rolling bearing (1) is designed as an axial rolling bearing. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Innenring (6) des ersten Wälzlagers (1) und/oder ein zweiter Innenring (6) des zweiten Wälzlagers (1) zum Führen des Riemens (7) vorgesehen ist.Steering system according to one of Claims 3 to 5 , characterized in that a first inner ring (6) of the first rolling bearing (1) and / or a second inner ring (6) of the second rolling bearing (1) for guiding the belt (7) is provided. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem zum hochautonomen Fahren geeignet ist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that the steering system is suitable for high-autonomous driving. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem für „Steer by Wire“ geeignet ist und/oder wobei das Lenksystem zum Lenken der Hinterachse geeignet ist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that the steering system is suitable for "steer by wire" and / or wherein the steering system is suitable for steering the rear axle. Fahrzeug umfassend ein Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Vehicle comprising a steering system according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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