DE102017205666A1

DE102017205666A1 - Lenkung mit einer Stelleinrichtung sowie Verwendung der Lenkung mit Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102017205666A1
Application number: DE102017205666.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Klank; Jens Vortmeyer; Hans-Jürgen Pfisterer; Adrain Sacchi; Christoph Anneken
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: JP2019519419A; DE102017205666B4; WO2017202565A1; KR20190005234A; CN109195861A; US20190092378A1; US11008036B2

Abstract

Lenkung mit einer Stelleinrichtung (1), insbesondere für eine Hinterachslenkung, aufweisend einen Spindeltrieb (3) mit einer Spindel (5) und einer ortsfest im Gehäuse (2) der Lenkung drehbar von einem Elektromotor (9) angetriebenen Spindelmutter (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) als den Spindeltrieb (3) antreibenden Vernier-Motor ausgebildet ist und in den Spindeltrieb (3) integriert ist. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der Stelleinrichtung (1) für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkung mit einer Stelleinrichtung, welche eine Spindel mit einem Spindelgewinde sowie eine Spindelmutter mit einem Muttergewinde aufweist, welches mit dem Spindelgewinde in Eingriff steht. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der Stelleinrichtung.
Lenkungen mit Stelleinrichtungen mit einem Gewindetrieb zur axialen Verlagerung einer Spindel sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Bei einer ersten Ausführungsform zum Lenken der Räder an einer Vorderachse gemäß JP 2002079947 A2 wird ein sogenannter Verniermotor eingesetzt, der durch eine spezielle Ausbildung sowie Ansteuerung einer Vielzahl von Spulen ein hohes Drehmoment bei geringem Bauraum aufweist. Dieser Spindelantrieb ist am Ende eines Lenkgetriebes angeordnet, wodurch die Lenkung eine große axiale Erstreckung aufweist und damit einen hohen Bauraumbedarf hat.
Die Ausbildung und Vorteile eines Vernier-Elektromotors sind mit Blick auf unterschiedliche Anwendungen in der DE 60204965 T2 offenbart.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik, verfolgt die Erfindung das Ziel einer weiteren Verbesserung einer Lenkung mit einer Stelleinrichtung.
Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen die Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, mit einer Stelleinrichtung auszubilden, die einen Spindeltrieb mit einer Spindel und eine ortsfest im Gehäuse der Lenkung drehbar gelagerten Spindelmutter aufweist. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Elektromotor, der als Vernier-Motor ausgebildet ist und als Antrieb mit dem Spindeltrieb gekoppelt ist.
Durch den elektrischen Drehantrieb wird die Spindelmutter in Drehung versetzt und wirkt mit dem Außengewinde der Spindel derart zusammen, dass dadurch letztlich die Axialbewegung der Spindel erzeugt wird – je nach Drehrichtung wird die Spindel linear in die eine oder andere Richtung axial verlagert. Der Elektromotor (E-Motor) ist vorzugsweise als bürstenloser Vernier-Elektromotor ausgebildet. Diese Art von E-Motoren bilden einen in hohem Maße effizienten Elektromotor aus, der im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren eine verbesserte Volumeneffizienz aufweist. Ein Vernier-Motor kann bei geringerem Volumen ein höheres Drehmoment erzeugen als ein herkömmlicher E-Motor mit entsprechend größerem Volumen. Mit anderen Worten kann ein E-Motor verkleinert werden und gleichzeitig eine höhere Leistung aufweisen. Anders gesagt kann die gleiche Größe wie bei einem herkömmlichen E-Motor beibehalten werden und die Leistung ist vergleichsweise beträchtlich höher. Es kann somit für die Stelleinrichtung bzw. die Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, eine insgesamt sehr kompakt bauende Lenkung dargestellt werden, so dass der benötigte Bauraum für die Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung enorm reduziert werden kann.
Der Vernier-Motor ist nicht nur kleiner als ein vergleichbarer Elektromotor. Er ist auch leichter und leistungseffizienter als ein vergleichbarer herkömmlicher E-Motor mit ausreichend Drehmoment zum Antrieb des Spindeltriebes einer Lenkung, insbesondere bei einer Hinterachslenkung mit axial gegenüber einem Gehäuse verlagerbarer Spindel. Durch die Bauart kann nämlich das Gewicht der Magnete reduziert werden. Dadurch müssen weniger seltene Erden zur Herstellung der Magnete verwendet werden, was den Vernier-Motor deutlich kostengünstiger macht als ein vergleichbarer E-Motor mit gleicher Leistung.
In einer ersten Ausführungsform ist der Vernier-Motor mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse der Spindel sowie der Spindelmutter angeordnet. Dabei ist die Spindelmutter durch den Vernier-Motor mittels eines Getriebes, vorzugsweise mittels eines Zugmitteltriebes mit Antriebsriemen oder mittels eines Rädergetriebes, insbesondere Planetengetriebes, antreibbar. Von besonderem Vorteil ist der durch den Vernier-Motor und somit der insgesamt für Stelleinrichtung bzw. Lenkung benötigte geringere Bauraum, wenn der E-Motor achsparallel an dem Gehäuse der Stelleinrichtung angeordnet ist.
In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform ist der Vernier-Motor koaxial zur Spindel angeordnet. Im Gegensatz zur vorgenannten achsparallelen Anordnung kann durch eine koaxiale Bauweise eine noch kompaktere Bauform der Stelleinrichtung bzw. der Lenkung bereitgestellt werden. Dieses Prinzip ist von herkömmlichen Hohlwellenmotoren bei Lenkungen zwar schon bekannt. Allerdings wird auch hier durch den speziellen Vernier-Motor eine enorme Bauraumreduzierung ermöglicht. Bevorzugt weist der Vernier-Motor einen gegenüber dem Gehäuse drehfest angeordneten Stator auf, wobei ein innerhalb des Stators drehbar gelagerter Rotor mit der Spindelmutter gekoppelt ist. Bei dieser Art E-Motoren sind außen am Stator Magnete angeordnet, die jedoch gegenüber herkömmlichen E-Motoren in ihrer Größe deutlich geringer ausfallen und somit der Bauraum des Motors insgesamt reduziert ist. Aus diesem Grund reduziert sich der Außendurchmesser der Stelleinrichtung. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Kopplung mit der Spindelmutter unmittelbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Spindelmutter durch den Rotor mittelbar über ein zwischengeschaltetes Getriebe. Mit anderen Worten ist die Kopplung des Rotors mit der Spindelmutter mittels eines Getriebes ausgebildet. Dieses z.B. als Zahnradgetriebe ausgebildete Getriebe findet innerhalb des Rotors aufgrund der Bauweise des Vernier-Motors ausreichend Wirkungsraum. Durch die über das Getriebe mögliche Übersetzung lässt sich ein breiter Anwendungsraum bei Stelleinrichtungen mit einem kompakten elektrischen Linearantrieb abdecken.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Lenkung bzw. Stelleinrichtung als Aktuator einer Hinterachslenkung bzw. in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Aufgrund des geringeren Energiebedarfs des erfindungsgemäßen Vernier-Elektromotors aufgrund der oben bereits angesprochenen höheren Leistungsdichte wird weniger Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges für die Verstellung der Hinterräder entnommen als bei Einsatz einer Stelleinrichtung mit herkömmlichem Elektromotor. Über den geringeren Energieeinsatz bei der Verstellung hinaus ergeben sich zudem geringere Betriebsgeräusche für den Aktuator. Zudem ist die Gewichtsreduzierung im Sinne der Wirtschaftlichkeit bei Fahrzeugen mit Hinterachslenkung.
Der vorgenannte Antrieb mittels Vernier-Motor eignet sich auch für andere Anwendungen, beispielsweise bei Fensterhebern in Fahrzeugtüren oder ähnlichen Stellantrieben. Auch hier wird ein kompakter, energieeffizienter sowie drehmomentstarker Antrieb benötigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigt eine einzige Figur eine Stelleinrichtung mit einem kompakten elektromotorischen Antrieb
Die einzige Figur zeigt in einem Längsschnitt den Aufbau eines einfach, d.h. lediglich auf ein Rad wirkenden, elektrisch antreibbaren Aktuators 1 (auch Stelleinrichtung genannt) für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges. Der Aktuator 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 2 auf, in welchem ein Spindelantrieb 3, welcher eine Spindelmutter 4 und eine mit der Spindelmutter 4 in Eingriff stehende, axial verschiebbare Spindel 5 umfasst, angeordnet ist. Die Spindel 5 weist ein Spindel- oder Außengewinde 5a und die Mutter 4 ein Mutter- oder Innengewinde 4a auf, welche als Bewegungsgewinde, vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet sind. Die Spindelmutter 4, welche über zwei Wälzlager 6, 7 drehbar gegenüber dem Gehäuse 2 abgestützt ist, wird über einen Riementrieb 8 von einem Elektromotor 9 angetrieben. Das Gehäuse 2 umfasst drei Gehäuseteile, nämlich einen mittleren Gehäuseteil 2a, in welchem die Spindelmutter 4 gelagert ist, einen fahrzeugseitigen Teil 2b, über welchen der Aktuator 1 gelenkig am Fahrzeug befestigt ist, und einen radseitigen Gehäuseteil 2c, an dessen Stirnseite ein Gleitlager 10 angeordnet ist. Die Spindel 5 weist ein stirnseitiges Ende 5b auf, welches dreh- und schubfest mit einem Aufschraubzapfen 11 verbunden ist. Der Aufschraubzapfen 11 weist einen Gleitlagerabschnitt (ohne Bezugszahl) auf, der in dem Gleitlager 10 geführt ist. An dem aus dem Gehäuse 2c herausragenden Ende 11a des Aufschraubzapfens 11 ist über einen Gelenkzapfen 12a ein Gelenk 12 befestigt, welches über ein nicht dargestelltes Lenkgestänge, z. B. eine Spurstange oder auch direkt mit einem lenkbaren Hinterrad des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann, welches mittels eines Radträgers drehbar und lenkbar am Fahrzeugaufbau gelagert ist. Der aus dem Gehäuse 2c herausragende äußere Teil 11a des Aufschraubzapfens 11 ist durch eine flexible Dichtung, ausgebildet als Faltenbalg 13, abgedichtet, der einerseits das Gehäuse 2c und andererseits den Gelenkzapfen 12a umschließt. Das Gleitlager 10 und der im Gleitlager 10 verschiebbare Gleitlagerabschnitt des Aufschraubzapfens 11 weisen eine Verdrehsicherung auf, die hier nicht dargestellt ist. Es ist aus der Zeichnung der geringe Bauraum ersichtlich, der durch den Elektromotor benötigt wird. Dadurch wird insgesamt eine schlanke Bauform der Stelleinrichtung bzw. des Aktuators erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Gehäuse
2a: mittlerer Gehäuseteil
2b: fahrzeugseitiger Gehäuseteil
2c: radseitiger Gehäuseteil
3: Spindelantrieb
4: Spindelmutter
4a: Muttergewinde
5: Spindel
5a: Spindelgewinde
5b: Spindelende
6: Wälzlager
7: Wälzlager
8: Riementrieb
9: Elektromotor
10: Gleitlager
11: Aufschraubzapfen
11a: äußerer Teil
11b: innerer Teil
12: Gelenk
12a: Gelenkzapfen
13: Faltenbalg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002079947 A2 [0002]
DE 60204965 T2 [0003]

Claims

Lenkung, vorzugsweise Hinterachslenkung, mit einer Stelleinrichtung (1), aufweisend einen Spindeltrieb (3) mit einer Spindel (5) und einer ortsfest im Gehäuse (2) der Lenkung drehbar gelagerten Spindelmutter (4) sowie einem Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) als Vernier-Motor ausgebildet ist und als Antrieb mit dem Spindeltrieb (3) gekoppelt ist.
Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernier-Motor (9) mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse der Spindel (5) sowie der Spindelmutter (4) angeordnet ist, wobei die Spindelmutter (4) durch den Vernier-Motor (9) mittels eines Getriebes, vorzugsweise mittels eines Zugmitteltriebes mit Antriebsriemen (8) oder mittels eines Rädergetriebes, vorzugsweise Planetengetriebes, antreibbar ist.
Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernier-Motor (9) koaxial zur Spindel (5) angeordnet ist.
Lenkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernier-Motor (9) einen gegenüber dem Gehäuse (2) drehfest angeordneten Stator aufweist, wobei ein innerhalb des Stators drehbar gelagerter Rotor mit der Spindelmutter (4) gekoppelt ist.
Lenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des Rotors mit der Spindelmutter (4) mittels eines Getriebes ausgebildet ist.
Hinterachslenkung mit einer Stelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.