DE102018209543A1

DE102018209543A1 - Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018209543A1
Application number: DE102018209543.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ein Waldt; Gerhard Friederich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (5), in dem eine axial verlaufende Gewindespindel (2) sowie wenigstens eine hiermit antriebsseitig zusammenwirkende Spindelmutter (4) angeordnet sind, wobei die Gewindespindel (2) durch wenigstens eine Führungsanordnung (6) drehschlüssig aber axial verschiebbar mit dem Gehäuse (5) verbunden ist. Um die Lagerung einer Gewindespindel eines Lenkgetriebes innerhalb eines Gehäuses zu optimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jede Führungsanordnung (6) eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1), eine gehäuseseitige Führungsstruktur (8.1) sowie wenigstens einen zwischengeordneten Wälzkörper (7) aufweist, der mit beiden Führungsstrukturen (2.2, 2.4, 9.1, 8.1) einen tangentialen Formschluss bildet und gegenüber wenigstens einer Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1, 8.1) axial beweglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit einem Gehäuse, in dem eine axial verlaufende Gewindespindel sowie wenigstens eine hiermit antriebsseitig zusammenwirkende Spindelmutter angeordnet sind, wobei die Gewindespindel durch wenigstens eine Führungsanordnung drehschlüssig aber axial verschiebbar mit dem Gehäuse verbunden ist.
Bei Lenkgetrieben von Fahrzeugen sind unterschiedliche Typen bekannt. Die heutzutage verbreiteten Servolenkungssysteme basieren auf einer Unterstützung der Lenkkraft, die von einer an das Lenkrad gekoppelten Ritzelwelle auf eine Zahnstange ausgeübt wird. Die Zahnstange ist wiederum direkt oder indirekt an die Lenkhebel der beiderseits des Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugräder gekoppelt. Sowohl die Zahnstange als auch die Ritzelwelle sind normalerweise an bzw. in einem Gehäuse gelagert, das normalerweise stationär am Fahrzeugaufbau befestigt ist. Neben Systemen, bei denen die Hilfskraft auf die Ritzelwelle ausgeübt wird, sind solche Systeme bekannt, bei denen die Hilfskraft auf die Zahnstange wirkt. Dabei ist die Servoeinheit parallel zur Zahnstange oder konzentrisch um die Zahnstange positioniert; bspw. kann ein elektrischer Servomotor über einen Riemenantrieb auf eine Spindelmutter wirken, die wiederum mit einem Gewinde zusammenwirkt, das an einem Abschnitt der Zahnstange ausgebildet ist bzw. an einer in Verlängerung der Zahnstange angeordneten Gewindespindel. Die Drehung der Spindelmutter erzeugt eine in Längsrichtung der Zahnstange wirkende Hilfskraft. Im Stand der Technik werden die seitens der Spindelmutter auf die Gewindespindel wirkenden Drehmomente normalerweise über die Ritzelwelle aufgenommen, d.h. der Eingriff von Ritzel und Zahnstange verhindert ein Verdrehen der Zahnstange/Gewindespindel.
Einerseits kann sich die Aufnahme derartiger Drehmomente durch das Ritzel bzw. die Ritzelwelle nachteilig auf Präzision oder Lebensdauer des Lenkgetriebes auswirken, da es zu erhöhter Reibung und hiermit verbundenem Verschleiß kommen kann. Auch bedingt die Aufnahme der Drehmomente einen erhöhten technischen Aufwand. Vor allen Dingen entfällt bei fortschrittlichen bzw. zukünftigen Lenksystemen wie Steer-By-Wire oder vollkommen autonomen Lenkungen eine mechanische Krafteinkopplung seitens des Lenkrades und somit auch die Notwendigkeit für ein Ritzel und eine Verbindungswelle. Vor diesem Hintergrund sind alternative Lösungen notwendig, um die Gewindespindel effektiv innerhalb des Gehäuses zu lagern.
Die US 9,290,199 B2 offenbart ein elektrisches Servolenksystem. Bei diesem ist eine Zahnstange, die mit einer Ritzelwelle zusammenwirkt, einstückig mit einer Gewindespindel ausgebildet. Die Gewindespindel ist Teil eines Kugelgewindetriebes und wirkt mit einer Spindelmutter zusammen, die entweder koaxial mit einem ringförmigen Rotor eines Elektromotors verbunden ist oder aber über einen Riementrieb von einem Elektromotor angetrieben wird. Ein ähnliches System ist aus der US 8,783,409 B2 bekannt.
Aus der US 4,531,603 A ist ein Lenkgetriebe bekannt, bei dem eine Ritzelwelle, die an das Lenkrad gekoppelt ist, mit einer Zahnstange zusammenwirkt. Die Zahnstange ist beweglich innerhalb eines Gehäuses angeordnet, wobei sie durch ein Lager innerhalb des Gehäuses gestützt ist. Eine Mehrzahl von ringförmig geführter Kugeln ist zwischen dem Lager und der Zahnstange angeordnet, wodurch einerseits die Reibung reduziert werden soll, während andererseits auf die Zahnstange einwirkende Drehmomente abgefangen werden sollen.
Die US 2017/0030448 A1 offenbart eine Kugelumlaufmutter für einen Kugelgewindeantrieb, mit einem Grundkörper, der zumindest eine Kugelumlaufbahn aufweist, wobei der Grundkörper ein Schmiedebauteil ist und die Kugelumlaufbahn durch ein spanabhebendes Herstellungsverfahren hergestellt ist. Die Kugelumlaufmutter kann bspw. in einem Kugelgewindeantrieb einer Servolenkung eingesetzt werden.
Die US 2012/0199412 A1 offenbart ein Kugelgewindetrieb für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Dieser umfasst eine Gewindespindel und eine Mutter mit einem auf der Gewindespindel über in Kugelkanälen geführte Kugeln laufenden Mutterkörper. Der Mutterkörper weist ein erstes sowie ein zweites Körperelement auf, die über wenigstens einen zwischen diesen angeordneten elastischen Dämpfungskörper in Wechselwirkung stehen.
Die US 2002/0089273 A1 zeigt eine Führungsstruktur für eine teleskopierende Schienenanordnung für eine Schrankschublade. Diese weist eine äußere Schiene und eine innere Schiene auf, die über ein Kugellager an der äußeren Schiene gelagert ist.
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Lagerung einer Gewindespindel eines Lenkgetriebes innerhalb eines Gehäuses noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre es wünschenswert, einen Drehschluss mit dem Gehäuse zu ermöglichen, ohne dass Drehmomente auf eine Ritzelwelle übertragen werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagerung einer Gewindespindel eines Lenkgetriebes innerhalb eines Gehäuses zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Lenkgetriebe 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 ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug kann bspw. ein PKW oder ein LKW sein. Das Lenkgetriebe weist ein Gehäuse auf, in dem eine axial verlaufende Gewindespindel sowie wenigstens eine hiermit antriebsseitig zusammenwirkende Spindelmutter angeordnet sind. Das Gehäuse kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Es ist in aller Regel positionsfest gegenüber dem Fahrzeugaufbau, also der Karosserie und/oder dem Chassis, angeordnet. Dabei ist der Begriff „Gehäuse“ in diesem Zusammenhang nicht dahingehend auszulegen, dass das Gehäuse vollständig oder überwiegend geschlossen ausgebildet sein muss. Je nach Bauform können auch ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Es bildet im Allgemeinen einen in sich starren Rahmen, in bzw. an dem die Gewindespindel und die Spindelmutter (sowie ggf. weitere Bauteile) angeordnet sind. Es kann die genannten Bauteile auch wenigstens überwiegend umschließen, bspw. um diese vor Verschmutzung oder Beschädigung zu schützen.
Die Gewindespindel und die Spindelmutter sind Teile eines Schraubgetriebes, wobei die Spindelmutter antriebsseitig angeordnet ist und somit durch eine axiale Drehbewegung um die Gewindespindel herum eine axiale Verschiebung der Gewindespindel bewirkt. Als „axial“ ist hier und im Folgenden diejenige Richtung definiert, entlang welcher die Gewindespindel verläuft. Hierdurch sind auch eine tangentiale Richtung sowie eine radiale Richtung definiert. Sowohl die Gewindespindel als auch die Spindelmutter sind üblicherweise aus Metall, bspw. Stahl, ausgebildet. Die Gewindespindel weist ein Außengewinde auf, das wenigstens indirekt mit einem Innengewinde der Spindelmutter zusammenwirkt. Das genannte Außengewinde erstreckt sich dabei in axialer Richtung normalerweise nicht über die gesamte Länge der Gewindespindel, sondern ist auf einen Abschnitt beschränkt. Insbesondere kann das Schraubgetriebe als Kugelgewindetrieb ausgebildet sein, wobei zwischen dem Außengewinde der Gewindespindel und dem Innengewinde der Gewindemutter eine Mehrzahl von Kugeln aufgenommen ist, durch die die Kraftübertragung zwischen der Gewindespindel und der Gewindemutter erfolgt. Der Antrieb der Gewindemutter kann durch einen Elektromotor, bspw. über einen kraftübertragenen Riemen, erfolgen. Der Elektromotor sowie der Riemen können ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Die Gewindespindel ist durch wenigstens eine Führungsanordnung drehschlüssig aber axial verschiebbar mit dem Gehäuse verbunden. Dabei bezeichnet „drehschlüssig“ hier und im Folgenden eine Verbindung, die eine Drehung um eine axiale Drehachse (also in tangentialer Richtung) verhindert oder zumindest auf ein vernachlässigbares Maß beschränkt. Durch die dargestellte Verbindung mittels der wenigstens einen Führungsanordnung ist sichergestellt, dass bei einer antriebseitigen Drehung der Spindelmutter eine axiale Verschiebung der Gewindespindel erfolgt, jedoch keine Drehung der Gewindespindel relativ zum Gehäuse. Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Führungsanordnungen vorgesehen, die tangential versetzt zueinander um die Gewindespindel herum angeordnet sind. Weiter bevorzugt können wenigstens drei Führungsanordnungen oder insbesondere wenigstens vier Führungsanordnungen vorgesehen sein.
Das Lenkgetriebe kann Teil eines Systems zur Hilfskraftlenkung bzw. Lenkkraftunterstützung sein, wobei eine an ein Lenkrad gekoppelte Ritzelwelle auf eine Zahnstange wirkt, die wiederum an Lenkhebel von Rädern des Fahrzeugs gekoppelt ist. In diesem Fall ist die Gewindespindel parallel zur Zahnstange angeordnet oder ggf. auch einstückig mit dieser ausgebildet. In jedem Fall entspricht die axiale Bewegungsrichtung der Gewindespindel der Bewegungsrichtung der Zahnstange (bezogen auf das Fahrzeug also der Y-Achse). Es ist allerdings auch eine Anwendung für „steer-by-wire“-Systeme denkbar, bei denen keine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Rädern des Fahrzeugs gegeben ist. Dabei kann die Gewindespindel direkt oder indirekt auf die Aufhängung der gelenkten Räder (bspw. die Lenkhebel) wirken. Auch ist es möglich, dass für jedes gelenkte Rad jeweils eine Gewindespindel sowie eine Spindelmutter vorgesehen sind, also keine mechanische Kopplung zwischen den beiderseitigen Rädern besteht. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Lenkgetriebe bei einem autonomen bzw. selbstfahrenden Fahrzeug eingesetzt werden, das zumindest zeitweise fahrerunabhängig fahren kann.
Erfindungsgemäß weist jede Führungsanordnung eine spindelseitige Führungsstruktur, eine gehäuseseitige Führungsstruktur sowie wenigstens einen zwischengeordneten Wälzkörper auf, der mit beiden Führungsstrukturen einen tangentialen Formschluss bildet und gegenüber wenigstens einer Führungsstruktur axial beweglich ist. Die spindelseitige Führungsstruktur ist der Gewindespindel zugeordnet. Insbesondere kann sie an der Gewindespindel ausgebildet sein, bspw. einstückig mit dieser. Normalerweise ist sie wenigstens drehschlüssig oder positionsfest bezüglich der Gewindespindel angeordnet. Die spindelseitige Führungsstruktur der jeweiligen Führungsanordnung könnte auch als innere oder innenseitige Führungsstruktur bezeichnet werden, insofern als die Gewindespindel innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die gehäuseseitige Führungsstruktur ist dem Gehäuse zugeordnet und kann insbesondere am Gehäuse ausgebildet sein, bspw. einstückig mit diesem. Auch hierbei ist wiederum eine wenigstens drehschlüssige, insbesondere positionsfeste Verbindung mit dem Gehäuse bevorzugt. Die gehäuseseitige Führungsstruktur kann auch als äußere oder außenseitige Führungsstruktur bezeichnet werden. Die beiden Führungsstrukturen dienen jeweils der Führung des genannten wenigstens ein Wälzkörpers bzw. - zusammen mit dem wenigstens einen Wälzkörper - der Führung der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse. Der jeweilige Wälzkörper ist zwischen den Führungsstrukturen angeordnet und kann Kräfte zwischen diesen übertragen. Er bildet in tangentialer Richtung einen Formschluss mit jeder der beiden Führungsstrukturen. Somit ist eine Verschiebung des Wälzkörpers gegenüber jeder der Führungsstrukturen in tangentialer Richtung zumindest beschränkt und normalerweise vernachlässigbar. Durch den tangentialen Formschluss mit dem Wälzkörper ist somit auch eine tangentiale Verschiebung der Führungsstrukturen zueinander wenigstens beschränkt, woraus der Drehschluss zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse resultiert. Andererseits ist der wenigstens eine Wälzkörper gegenüber zumindest einer Führungsstruktur (also der spindelseitigen und/oder der gehäuseseitigen) axial beweglich. Dies bedeutet normalerweise, dass der Wälzkörper an oder innerhalb der genannten Führungsstruktur abrollen kann. Hierüber wird wiederum die axiale Beweglichkeit der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse realisiert.
Insgesamt wird also der notwendige Drehschluss der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse über wenigstens einen (normalerweise mehrere) Wälzkörper realisiert, durch die die Gewindespindel mittels der beiden genannten Führungsstrukturen an das Gehäuse gekoppelt ist. Die drehschlüssige Verbindung ist zuverlässig und belastbar und es sind keine weiteren Maßnahmen nötig, um den Drehschluss sicherzustellen. Sofern die Gewindespindel mit einer Zahnstange verbunden ist, ist es bspw. nicht notwendig, über die Zahnstange und ein mit dieser zusammenwirkendes Ritzel etwaige Drehmomente aufzunehmen, die durch das Zusammenwirken von Gewindespindel und Spindelmutter entstehen. Bezüglich der Aufnahme solcher Drehmomente ist das Zusammenwirken von Zahnstange und Ritzel überflüssig, womit sich das erfindungsgemäße Lenkgetriebe auch gut für Steer-By-Wire und autonome Lenksysteme eignet. Gleichzeitig lassen sich durch die Verwendung von Wälzkörpern die auftretenden Reibungskräfte zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse minimieren, womit das erfindungsgemäße Lenkgetriebe effizient, verschleißarm und energiesparend arbeitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens ein Wälzkörper als Kugel ausgebildet. Alternativ könnte ein Wälzkörper auch als Rolle bzw. Walze ausgebildet sein. Die entsprechende Drehachse der Rolle wäre dabei normalerweise in tangentialer Richtung ausgerichtet, so dass der Wälzkörper in axialer Richtung abrollen kann. Für einen optimalen Betrieb müssten allerdings Maßnahmen zur korrekten Ausrichtung der Drehachse getroffen werden, was den Aufbau des Linkgetriebes verkompliziert. Insofern führt die Ausbildung des Wälzkörpers als Kugel im Allgemeinen zu einer Vereinfachung und geringeren Kosten.
Um die axiale Beweglichkeit des Wälzkörpers zu gewährleisten, kann insbesondere wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur als axial verlaufende Nut an einer Außenseite der Gewindespindel ausgebildet sein. Der Querschnitt der Nut ist dabei normalerweise an die Form des Wälzkörpers angepasst, d.h. bei einem kugelförmigen Wälzkörper entspricht der Querschnitt der Nut einem Kreissegment. Die Nut verläuft axial entlang der Außenseite der Gewindespindel und kann bspw. in diese eingefräst sein. Durch den Verlauf der Nut ist eine axiale Bewegung des Wälzkörpers gegenüber der Gewindespindel vorgegeben. Da üblicherweise mehrere Führungsanordnungen vorgesehen sind, sind bei dieser Ausgestaltung normalerweise auch mehrere Nuten vorgesehen, die tangential zueinander versetzt an der Außenseite der Gewindespindel ausgebildet sind.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, kann bei der o.g. Ausführungsform wenigstens eine gehäuseseitige Führungsstruktur an einem drehschlüssig mit dem Gehäuse verbundenen Führungskörper ausgebildet sein. Der Führungskörper kann unter Umständen auch als Teil des (mehrteiligen) Gehäuses aufgefasst werden. In jedem Fall ist er mit dem Gehäuse drehschlüssig verbunden, so dass eine axiale Verdrehung durch seitens des Wälzkörpers einwirkende Drehmomente unmöglich ist. Die Verbindung mit dem Gehäuse kann dabei kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig gegeben sein. Das Material des Führungskörpers kann mit dem des (restlichen) Gehäuses übereinstimmen oder es kann sich hiervon unterscheiden. Der Führungskörper kann insbesondere ringartig um die Gewindespindel herum angeordnet sein.
Die o.g. Ausbildung der spindelseitigen Führungsstruktur als Nut führt dazu, dass der Wälzkörper axial gegenüber der Gewindespindel beweglich ist. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur als axial lokalisierte Ausnehmung ausgebildet sein, durch welche ein Wälzkörper gegenüber der Gewindespindel axial festgelegt ist. Die Ausnehmung kann dabei entweder an der Gewindespindel selbst oder an einem weiter unten beschriebenen Trägerkörper ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung ist die Ausdehnung der Führungsstruktur in axialer Richtung begrenzt, d.h. es handelt sich um eine axial lokalisierte (man könnte auch sagen, in axialer Richtung kurz ausgebildete) Führungsstruktur, welche als Ausnehmung ausgebildet ist. Hierdurch ist keine bzw. nur eine vernachlässigbare axiale Beweglichkeit des Wälzkörpers gegenüber der Gewindespindel gegeben. Die genaue Geometrie der Ausnehmung kann in Abhängigkeit von der Art des Wälzkörpers gewählt werden. Für einen kugelfömigen Wälzkörper kann eine Ausnehmung mit kreisförmigem Querschnitt zweckmäßig sein. Da der Wälzkörper gegenüber der Gewindespindel nicht oder nur minimal beweglich ist, ist in diesem Zusammenhang eine axiale Beweglichkeit des Wälzkörpers gegenüber der gehäuseseitigen Führungsstruktur notwendig. Letztere kann bspw. als axial verlaufende Nut an einer Innenseite des Gehäuses oder an der Innenseite eines mit dem Gehäuse verbundenen Führungskörpers ausgebildet sein.
Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, die spindelseitige Führungsstruktur nicht unmittelbar an der Gewindespindel auszubilden. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur an einem drehschlüssig mit der Gewindespindel verbundenen Trägerkörper ausgebildet ist. Der Trägerkörper ist mit der Gewindespindel wenigstens drehschlüssig verbunden und kann insbesondere an dieser arretiert sein, also positionsfest an dieser angeordnet. Insofern, als eine axiale Beweglichkeit der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse notwendig ist, sind Ausgestaltungen denkbar, in denen der Trägerkörper eine axiale Beweglichkeit gegenüber der Gewindespindel aufweist. Der Trägerkörper trägt die jeweilige(n) spindelseitige Führungsstruktur(en) und somit im Weiteren auch den bzw. die Wälzkörper. Ein Vorteil eines derartigen Trägerkörpers ist, dass er separat von der Gewindespindel gefertigt und bei Bedarf auch separat ausgetauscht werden könnte. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Trägerkörper aus einem anderen Material gefertigt sein kann als die Gewindespindel. Bspw. könnte die Gewindespindel aus Metall bestehen, während der Trägerkörper aus Kunststoff besteht, wodurch unter Umständen Reibung zwischen dem Wälzkörper und dem Trägerkörper reduziert werden kann. Auch wäre es denkbar, dass sich eine gewisse Elastizität des Trägerkörpers Fertigungsungenauigkeiten bei einem der Bauteile ausgeglichen werden könnten. Unter Umständen kann auch ein temperaturbedingtes Spiel ausgeglichen werden, beispielsweise wenn das Gehäuse aus Aluminium besteht und die Gewindespindel aus Stahl.
Die hier verwendeten unterschiedlichen Begriffe „Führungskörper“ und „Trägerkörper“ dienen zur Unterscheidung und sind nicht dahingehend auszulegen, dass eine gehäuseseitige Führungsstruktur (am Führungskörper) anders ausgestaltet sein muss als eine spindelseitige Führungsstruktur (am Trägerkörper). So kann beispielsweise jede der Führungsstrukturen als Nut oder aber als lokalisierte Ausnehmung ausgebildet sein. Statt von Führungskörper und Trägerkörper könnte man z.B. auch von gehäuseseitigem Führungskörper und spindelseitigem Führungskörper sprechen.
Grundsätzlich kann jede Führungsanordnung mit einem einzelnen Wälzkörper realisiert sein. Unter Umständen ist es aber vorteilhaft, dass wenigstens eine Führungsanordnung eine Mehrzahl von axial hintereinander angeordneten Wälzkörpern aufweist. Dies kann z.B. dazu führen, dass die Führung der Gewindespindel innerhalb des Gehäuses präziser wird. Auch ist es hierdurch möglich, die auf den jeweiligen Wälzkörper wirkenden Kräfte zu verringern und dadurch dessen Verschleiß zu reduzieren.
Die wenigstens eine Führungsanordnung bzw. die spindelseitige Führungsstruktur kann in unterschiedlichen axialen Positionen bezüglich der Gewindespindel angeordnet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur im Bereich eines Endes der Gewindespindel angeordnet ist. D.h., sie kann entweder in einem Endbereich der Gewindespindel selber ausgebildet sein oder bspw. wie oben beschrieben in einem Trägerkörper, der seinerseits in einem Endbereich der Gewindespindel angeordnet ist.
Gemäß einer anderen, normalerweise alternativen Ausführungsform sind zwei Spindelmuttern auf axial gegenüberliegenden Seiten der wenigstens einen Führungsanordnung angeordnet. Man könnte auch sagen, die wenigstens eine Führungsanordnung ist axial zwischen zwei Spindelmuttern angeordnet. Aus konstruktiven Gründen versteht es sich, dass in diesem Fall die Gewindespindel zwei getrennte Gewinde aufweisen muss, die den beiden Spindelmuttern zugeordnet sind.
Es sind also zwei Schraubgetriebe vorgesehen, die über zwei getrennte Elektromotoren angetrieben werden können. Insbesondere kann es sich um zwei Kugelgewindetriebe handeln.
Optional kann eine Mehrzahl von Wälzkörpern in einem Käfig aufgenommen sein, der sich tangential wenigstens teilweise um die Gewindespindel herum erstreckt und wenigstens in tangentialer Richtung einen Formschluss mit den Wälzkörpern bildet. Der Käfig ist dabei normalerweise in radialer Richtung zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse angeordnet bzw. zwischen der wenigstens einen spindelseitigen Führungsstruktur und der wenigstens einen gehäuseseitigen Führungsstruktur. Er weist normalerweise - im Unterschied zu Trägerkörper bzw. Führungskörper - keine direkte Verbindung zur Gewindespindel oder zum Gehäuse auf, ist aber aufgrund seines Formschlusses mit den Wälzkörpern, die wiederum einen Formschluss mit den Führungsstrukturen bilden, die Gewindespindel und Gehäuse zugeordnet sind, gegenüber letztgenannten nicht frei beweglich. Es ist ausdrücklich möglich, dass die Getriebeeinheit sowohl einen Käfig als auch einen Trägerkörper und/oder einen Führungskörper aufweist. Der Käfig kann dazu dienen, den Zusammenbau der Getriebeeinheit zu vereinfachen und insbesondere die Laufpräzision dadurch zu verbessern, dass er die Relativposition der aufgenommenen Wälzkörper sichert. In dem Käfig können eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufgenommen sein, die verschiedenen Führungsanordnungen zugeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Wälzkörper einer einzigen Führungsanordnung in dem Käfig aufgenommen sein. Zusätzlich zu einem Formschluss in tangentialer Richtung bildet der Käfig normalerweise mit den Wälzkörpern einen Formschluss in axialer Richtung. Er kann für jeden Wälzkörper eine eigene Aufnahme aufweisen. Der Käfig kann bspw. als Metallteil aus Blech oder Draht oder auch als Kunststoffteil ausgebildet sein.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine teilweise Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
2 eine teilweise Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
3 eine teilweise Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in 3;
5 eine teilweise Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
6 eine Schnittdarstellung entlang der Linie VI-VI in 5;
7 eine teilweise Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
8 eine Schnittdarstellung entlang der Linie VIII-VIII in 7;
9 eine teilweise Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit; sowie
10 eine Schnittdarstellung entlang der Linie X-X in 9.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die bspw. in einem Steer-By-Wire-Lenksystem oder in einem autonomen Lenksystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, ggf. aber auch als Teil einer Servolenkung. Erkennbar ist eine entlang einer axialen Richtung A verlaufende Gewindespindel 2, die zusammen mit einer zugehörigen Spindelmutter 4 innerhalb eines - hier nur schematisch gezeigten - Gehäuses 5 angeordnet ist. Die Gewindespindel 2 weist ein Außengewinde 2.1 auf, das mit einem Innengewinde 4.1 der Spindelmutter 4 über eine Mehrzahl von umlaufenden Kugeln 3 zusammenwirkt.
Die Gewindespindel 2 und die Spindelmutter 4 bilden somit Teile eines Kugelgewindetriebes. Die Spindelmutter 4 wird über einen hier nicht dargestellten Elektromotor angetrieben, der bspw. über einen Riemenantrieb angekoppelt sein kann. Die hieraus resultierende Drehbewegung der Spindelmutter 4 führt zu einer axialen Bewegung der Gewindespindel 2, die wiederum auf wenigstens einen - ebenfalls nicht dargestellten - Lenkhebel eines Fahrzeugrades übertragen wird. Im Falle von Steer-By-Wire oder autonomer Lenkung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass für jedes der beidseitig vorgesehenen Fahrzeugräder eine eigene Getriebeeinheit 1 mit eigenem Antrieb vorgesehen ist.
Um zu verhindern, dass die seitens der Spindelmutter 4 einwirkenden Drehmomente zu einer Drehung der Gewindespindel 2 gegenüber dem Gehäuse 5 führen, sind eine Mehrzahl von Führungsanordnungen 6 vorgesehen, die einen Drehschluss zwischen der Gewindespindel 2 und dem Gehäuse 5 herstellen, während sie gleichzeitig eine axiale Verschiebung erlauben. Jede Führungsanordnung 6 weist eine als spindelseitige Führungsstruktur dienende, axial entlang der Oberfläche der Gewindespindel 2 verlaufende Nut 2.2 auf. Insgesamt ist somit eine Mehrzahl von Nuten 2.2 vorgesehen, die tangential zueinander versetzt entlang des Umfangs der Gewindespindel 2 verteilt sind. Jede der Nuten 2.2 dient als Laufrinne für eine Mehrzahl von Kugeln 7 der jeweiligen Führungsanordnung 6. Radial außenseitig ist ein ringförmiger Führungskörper 8 angeordnet, der fest mit dem Gehäuse 5 verbunden ist. Er weist eine Reihe von Nuten 8.1 auf, von denen jede als gehäuseseitige Führungsstruktur der jeweiligen Führungsanordnung 6 dient, indem sie die Kugeln 7 aufnimmt. Dabei ist die Nut 8.1 so dimensioniert, dass die Kugeln 7 innerhalb der Nut 8.1 drehbar, aber nicht oder allenfalls vernachlässigbar in axialer oder tangentialer Richtung verschiebbar sind. Alles in allem bilden die Kugeln 7 der jeweiligen Führungsanordnung 6 somit einen tangentialen Formschluss sowohl mit der Nut 2.2 (also der spindelseitigen Führungsstruktur) als auch mit der Nut 8.1 (der gehäuseseitige Führungsstruktur) und sind axial gegenüber der Nut 2.2 beweglich.
Insgesamt wird somit der gewünschte Drehschluss und die gleichzeitige axiale Verschiebbarkeit der Gewindespindel 2 gegenüber dem Gehäuse 5 erreicht, wobei nur eine geringe Reibung auftritt, da die Kugeln 7 entlang der Nut 2.2 abrollen, was lediglich zu Rollreibung führt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die in vielen Aspekten der in 1 dargestellten Ausführungsform entspricht und insoweit nicht nochmals erläutert wird. Im Unterschied zu 1 sind hierbei allerdings zwei Spindelmuttern 4 vorgesehen, die axial auf gegenüberliegenden Seiten der Führungsanordnungen 6 angeordnet sind. Entsprechend weist die Gewindespindel 2 auch zwei Außengewinde 2.1 mit zugehörigen Kugeln 3 auf. Jede der Spindelmuttern 4 wird durch einen eigenen elektrischen Antrieb angetrieben, wodurch zum einen die Antriebskraft verstärkt werden kann, zum anderen aus Sicherheitsgründen für eine Redundanz bei Ausfall eines der Antriebe gesorgt wird.
3 und 4 zeigen eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, bei der im Bereich eines Endes 2.3 der Gewindespindel 2 eine Reihe von konkav-sphärischen Ausnehmungen oder Vertiefungen 2.4 (in diesem Fall: vier) ausgebildet sind, in denen jeweils eine Kugel 7 einer Führungsanordnung 6 angeordnet ist. Jede Vertiefung 2.4 dient dabei als spindelseitige Führungsstruktur, durch die die jeweilige Kugel in diesem Fall nicht nur in tangentialer, sondern auch in axialer Richtung A durch Formschluss festgelegt ist. Radial außenseitig ist ein mit dem Gehäuse 2 verbundener Führungskörper 8 vorgesehen, der innenseitig axial verlaufende Nuten 8.1 aufweist, die als gehäuseseitige Führungsstrukturen dienen. Auch bei dieser Ausführungsform ist durch den tangentialen Formschluss der Kugeln 7 mit den spindelseitigen Führungsstrukturen und den gehäuseseitigen Führungsstrukturen sichergestellt, dass zu keinem Verdrehen der Gewindespindel 2 gegenüber dem Gehäuse 5 kommt. Alternativ zu der hier gezeigten Ausgestaltung könnte auch der Führungskörper 8 lokalisierte Vertiefungen (entsprechend den Vertiefungen 2.4) aufweisen, in denen die Kugeln 7 aufgenommen sind, während die Gewindespindel 2 axial verlaufende Nuten aufweist.
5 und 6 zeigen eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die sich von der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass im Bereich des Endes 2.3 der Gewindespindel 2 ein Trägerkörper 9 starr mit der Gewindespindel 2 verbunden ist, der bspw. aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein kann. Er wird separat von der Gewindespindel 2 gefertigt und kann optional auch einzeln ersetzt werden. Der Trägerkörper 9 weist außenseitig Vertiefungen 9.1 auf, die in Form und Funktion denen Vertiefungen 2.4 der dritten Ausführungsform entsprechen. Alternativ zu der hier gezeigten Ausgestaltung könnte auch der Führungskörper 8 lokalisierte Vertiefungen aufweisen, in denen die Kugeln 7 aufgenommen sind, während der - entsprechend länger ausgestaltete - Trägerkörper 9 axial verlaufende Nuten aufweist.
7 und 8 zeigen eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die als Variante der in 5 dargestellten Ausführungsform angesehen werden kann. Sie unterscheidet sich hiervon dadurch, dass zwischen dem Trägerkörper 9 und dem Führungskörper 8 ein ringförmiger Käfig 10 vorgesehen ist, der Aufnahmen 10.1 aufweist, in denen die Kugeln 7 aufgenommen sind. Der Käfig 10, der bspw. aus Metallblech oder Kunststoff gebildet sein kann bildet in axialer und tangentialer Richtung einen Formschluss mit den Kugeln 7 und sichert so deren Position relativ zueinander. Dabei ist normalerweise ein geringfügiges Spiel zwischen den Kugeln 7 und dem Käfig 10 gegeben, um erhöhte Reibungskräfte zu vermeiden. Durch das Vorhandensein des Käfigs 10 können die Stabilität und die Laufruhe der jeweiligen Führungsanordnung 6 verbessert werden. Ein vergleichbarer Käfig 10 könnte auch in Kombination mit der in 3 dargestellten Ausführungsform verwendet werden.
9 und 10 zeigen eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, bei welcher jede Führungsanordnung 6 zwei Kugeln 7 aufweist, die in einer axial verlaufenden Nut 9.1 des Trägerkörpers 9 aufgenommen sind. Radial außenseitig laufen die Kugeln 7 wiederum in einer Nut 8.1 des Führungskörpers 8. Zwischen dem Trägerkörper 9 und dem Führungskörper 8 erstreckt sich ein ringförmiger Käfig 10, der wiederum Aufnahmen 10.1 für die Kugeln 7 aufweist. Durch die axiale Lokalisierung der jeweiligen Aufnahme 10.1 ist die axiale Position der jeweiligen Kugel 7 - bis auf ein geringfügiges Spiel - festgelegt. Bei der hier gezeigten Variante, bei der jede Führungsanordnung 6 zwei axial hintereinander angeordneten Kugeln aufweist, ist unter Umständen eine bessere oder stabilere Führung der Gewindespindel 2 gegenüber dem Gehäuse 5 gegeben. Es versteht sich, dass auch die in 3 dargestellte Ausführungsform in entsprechender Weise modifiziert werden könnte. Außerdem könnte der Käfig 10 bei der hier in 6 gezeigten Ausführungsform auch weggelassen werden.
Bezugszeichenliste

1: Getriebeeinheit
2: Gewindespindel
2.1: Außengewinde
2.2, 8.1: Nut
2.3: Ende
2.4, 9.1: Vertiefung
3, 7: Kugel
4: Spindelmutter
4.1: Innengewinde
5: Gehäuse
6: Führungsanordnung
8: Führungskörper
9: Trägerkörper
10: Käfig
10.1: Aufnahme
A: axiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9290199 B2 [0004]
US 8783409 B2 [0004]
US 4531603 A [0005]
US 2017/0030448 A1 [0006]
US 2012/0199412 A1 [0007]
US 2002/0089273 A1 [0008]

Claims

Lenkgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (5), in dem eine axial verlaufende Gewindespindel (2) sowie wenigstens eine hiermit antriebsseitig zusammenwirkende Spindelmutter (4) angeordnet sind, wobei die Gewindespindel (2) durch wenigstens eine Führungsanordnung (6) drehschlüssig aber axial verschiebbar mit dem Gehäuse (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Führungsanordnung (6) eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1), eine gehäuseseitige Führungsstruktur (8.1) sowie wenigstens einen zwischengeordneten Wälzkörper (7) aufweist, der mit beiden Führungsstrukturen (2.2, 2.4, 9.1, 8.1) einen tangentialen Formschluss bildet und gegenüber wenigstens einer Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1, 8.1) axial beweglich ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wälzkörper (7) als Kugel ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1) als axial verlaufende Nut an einer Außenseite der Gewindespindel (2) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine gehäuseseitige Führungsstruktur (8.1) an einem drehschlüssig mit dem Gehäuse (5) verbundenen Führungskörper (8) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1) als axial lokalisierte Ausnehmung ausgebildet ist, durch welche ein Wälzkörper (7) gegenüber der Gewindespindel (2) axial festgelegt ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1) an einem drehschlüssig mit der Gewindespindel (2) verbundenen Trägerkörper (9) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Führungsanordnung (6) eine Mehrzahl von axial hintereinander angeordneten Wälzkörpern (7) aufweist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine spindelseitige Führungsstruktur (2.2, 2.4, 9.1) im Bereich eines Endes der Gewindespindel (2) angeordnet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spindelmuttern (4) auf axial gegenüberliegenden Seiten der wenigstens einen Führungsanordnung (6) angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wälzkörpern (7) in einem Käfig (10) aufgenommen sind, der sich tangential wenigstens teilweise um die Gewindespindel (2) herum erstreckt und wenigstens in tangentialer Richtung einen Formschluss mit den Wälzkörpern (7) bildet.