DE102018215408A1 - Ball screw drive for a steering system of a motor vehicle with spacers between adjacent balls - Google Patents
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Abstract
Es ist eine Kombination einer Getriebemutter 12 und einer Mehrzahl von Kugeln 11 vorgesehen, die für ein als Kugelgewindetrieb 9 ausgebildetes Lenkgetriebe eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs ausgelegt ist. Die Kugeln 11 sind in einem Kugelumlauf aufgenommen. Der Kugelumlauf umfasst mindestens eine Kugelgewindenut 10, 13, die an einer Innenseite der Getriebemutter 12 sowie, bei dem Lenkgetriebe, zusätzlich in einer Lenkstange 2 des Lenkgetriebes ausgebildet ist. Weiterhin ist ein in der Getriebemutter 12 ausgebildeter Rückführkanal 20 vorgesehen, der die Enden der Kugelgewindenut(en) 10 ,13 miteinander verbindet. Zwischen Paaren benachbarter Kugeln 11 ist jeweils ein kreisringförmiges Distanzstück 24 angeordnet. Die Mantelflächen 25 der Distanzstücke 24 sind jeweils im Querschnitt zulaufend, insbesondere spitz oder gekrümmt zulaufend, ausgebildet. Die Anzahlen und Dimensionen der Kugeln 11 und der Distanzstücke 24 sind derart bemessen, dass diese den von der/den Kugelgewindenut(en) 10 ,13 und dem Rückführkanal 20 ausgebildeten Kugelumlauf nur teilweise ausfüllen, so dass sich zwischen benachbarten Kugeln 11 und Distanzstücken 24 Abstände ausbilden können, die in Summe mindestens dem Durchmesser einer der Kugeln 11 entsprechen. Dieses erfindungsgemäß bewusst vorgesehene, relativ große Spiel zwischen den Kugeln 11 und den Distanzstücken 24 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine automatisierte Montage des Lenkgetriebes.A combination of a gear nut 12 and a plurality of balls 11 is provided, which is designed for a steering gear of a steering system of a motor vehicle designed as a ball screw 9. The balls 11 are received in a ball orbit. The ball recirculation comprises at least one ball screw groove 10, 13, which is formed on an inside of the gear nut 12 and, in the steering gear, additionally in a steering rod 2 of the steering gear. Furthermore, a return channel 20 formed in the gear nut 12 is provided, which connects the ends of the ball screw groove (s) 10, 13 to one another. An annular spacer 24 is arranged between pairs of adjacent balls 11. The lateral surfaces 25 of the spacers 24 are each tapering in cross-section, in particular tapering in a pointed or curved manner. The numbers and dimensions of the balls 11 and the spacers 24 are dimensioned such that they only partially fill the ball circulation formed by the ball screw groove (s) 10, 13 and the return channel 20, so that there are 24 distances between adjacent balls 11 and spacers can form, which in total correspond to at least the diameter of one of the balls 11. This relatively large clearance between the balls 11 and the spacers 24, which is deliberately provided according to the invention, advantageously enables automated assembly of the steering gear.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Gehäuse längsaxial verschiebbar gelagerten Lenkstange und mit einem Lenkmotor, der über einen Kugelgewindetrieb auf die Lenkstange wirkt, wozu die Lenkstange und eine Getriebemutter des Kugelgewindetriebs jeweils eine Kugelgewindenut ausbilden, in denen Kugeln angeordnet sind, wodurch eine Drehbewegung der drehantreibend mit dem Lenkmotor verbundenen Getriebemutter in eine translatorische Bewegung der Lenkstange entlang deren Längsachse gewandelt wird.The invention relates to a steering system for a motor vehicle with a steering rod mounted longitudinally axially displaceably in a housing and with a steering motor which acts on the steering rod via a ball screw, for which purpose the steering rod and a gear nut of the ball screw each form a ball screw groove in which balls are arranged, whereby a rotational movement of the gear nut connected to the steering motor in a rotationally driving manner is converted into a translatory movement of the steering rod along its longitudinal axis.
Ein solches Lenksystem kann dabei insbesondere in Form eines Hilfskraftlenksystems ausgebildet sein, durch das beim Lenken ein unterstützendes Drehmoment erzeugt wird, um das von einem Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs auf eine Lenksäule aufzubringende Lenkmoment zu reduzieren.Such a steering system can be designed in particular in the form of an auxiliary power steering system, by means of which a supporting torque is generated during steering, in order to reduce the steering torque to be applied to a steering column by a vehicle driver of the motor vehicle.
Ein Hilfskraftlenksystem mit einem Kugelgewindetrieb ist aus der
Bei dem Kugelgewindetrieb gemäß der
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Kugelgewindetrieb, wie er aus der
Diese Aufgabe wird mittels eines als Kugelgewindetrieb ausgebildeten Lenkgetriebes gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst. Eine Kombination einer Getriebemutter und einer Mehrzahl von Kugeln für ein solches Lenkgetriebe sowie ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe sind Gegenstände der Patentansprüche 1 und 8. Weiterhin wird gemäß dem Patentanspruch 9 ein Verfahren zur Montage eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Kombination und damit des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sowie des erfindungsgemäßen Lenksystems sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved by means of a steering gear designed as a ball screw according to
Erfindungsgemäß ist eine Kombination einer Getriebemutter und einer Mehrzahl von Kugeln, die hohl oder massiv ausgebildet sein können, vorgesehen, wobei diese Kombination für ein als Kugelgewindetrieb ausgebildetes Lenkgetriebe eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs ausgelegt ist. Die Kugeln sind in einem Kugelumlauf aufgenommen oder darin zumindest aufgrund entsprechender Dimensionierungen der Kugeln und des Kugelumlaufs aufnehmbar. Der Kugelumlauf umfasst eine oder zwei Kugelgewindenuten, die an einer Innenseite der Getriebemutter sowie, bei einem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe, zusätzlich in zumindest einem Abschnitt einer Lenkstange des Lenkgetriebes ausgebildet ist/sind. Dabei verlaufen die Kugelgewindenuten der Getriebemutter und der Lenkstange nebeneinander und bilden so einen spiralförmig verlaufenden, umfangsseitig weitestgehend (d.h. mit Ausnahme der zwischen der Lenkstange und der Getriebemutter ausgebildeten Spalte) geschlossenen Gewindekanal mit annähernd kreisförmigen Öffnungsquerschnitten zur Aufnahme der Kugeln aus. Weiterhin ist ein in der Getriebemutter ausgebildeter Rückführkanal vorgesehen, der die Enden der Kugelgewindenut(en) miteinander verbindet. Zwischen mehreren und vorzugsweise allen Paaren benachbarter Kugeln ist jeweils ein kreisringförmiges Distanzstück angeordnet, wobei diese Distanzstücke vorzugsweise identisch ausgebildet sind. Die (äußere) umlaufende Mantelfläche der Distanzstücke ist jeweils zulaufend ausgebildet. Die Anzahlen und Dimensionen der Kugeln und der Distanzstücke sind dabei derart bemessen, dass diese den Kugelumlauf nur teilweise ausfüllen, so dass sich zwischen benachbarten Kugeln und Distanzstücken Abstände ausbilden können, die in Summe mindestens dem Durchmesser einer, vorzugsweise der Summe der Durchmesser von mindestens zwei, drei, vier, fünf oder mehr Kugeln entsprechen.According to the invention, a combination of a gear nut and a plurality of balls, which can be hollow or solid, is provided, this combination being designed for a steering gear of a steering system of a motor vehicle designed as a ball screw. The balls are received in a ball recirculation or can be accommodated therein at least due to the corresponding dimensions of the balls and the ball recirculation. The ball recirculation comprises one or two ball screw grooves which are / are formed on an inside of the gear nut and, in the case of a steering gear according to the invention, additionally in at least a section of a steering rod of the steering gear. The ball screw grooves of the gear nut and the steering rod run side by side and thus form a spiral, largely circumferentially (i.e. with the exception of the gap formed between the steering rod and the gear nut) closed thread channel with approximately circular opening cross-sections for receiving the balls. Furthermore, a return channel formed in the gear nut is provided, which connects the ends of the ball screw groove (s) to one another. An annular spacer is arranged between several and preferably all pairs of adjacent balls, these spacers preferably being of identical design. The (outer) peripheral surface of the spacers is tapered. The numbers and dimensions of the balls and the spacers are dimensioned such that they only partially fill the ball circulation, so that distances can form between adjacent balls and spacers, which in total are at least the diameter of one, preferably the sum of the diameters of at least two , three, four, five or more balls.
Dieses erfindungsgemäß bewusst vorgesehene, relativ große Spiel zwischen den Kugeln und den Distanzstücken ermöglicht in vorteilhafter Weise eine automatisierte Montage des Kugelgewindetriebs, weil dadurch alle für eine abschließende Montage des Kugelgewindetriebs benötigten Kugeln und Distanzstücke maschinell in den Kugelumlauf eingesetzt werden können. Gleichzeitig bringt ein derart großes Spiel zwischen den Kugeln und den Distanzstücken jedoch die Gefahr mit sich, dass eines oder mehrere der Distanzstücke im Betrieb des entsprechenden Kugelgewindetriebs beziehungsweise Lenkgetriebes so weit innerhalb des Kugelumlaufs aus der aufrechten Position, in der diese bei einer spielfreien Anordnung zwischen jeweils zwei Kugeln angeordnet wären, kippen, dass diese innerhalb des Kugelumlaufs verkanten und dadurch einen Betrieb des Kugelgewindetriebs behindern oder sogar verhindern. Um zu vermeiden, dass derart weit gekippte Distanzstücke innerhalb des Kugelumlaufs verkanten, sind die umlaufenden Mantelflächen der Distanzstücke im Querschnitt zulaufend oder gekrümmt ausgebildet, wodurch erreicht werden kann, dass diese, wenn diese beidseitig durch die benachbarten Kugeln belastet werden, sich selbsttätig wieder in Richtung der aufrechten Stellung aufstellen (nachfolgend auch als „Aufstellwirkung“ bezeichnet). Eine Beeinträchtigung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes infolge von bewusst aus Montagegründen vorgesehenem, relativ großem Spiel zwischen den Kugeln und den Distanzstücken kann dadurch vermieden werden.This relatively large clearance between the balls and the spacers, which is deliberately provided according to the invention, advantageously enables automated assembly of the ball screw drive because all balls and spacers required for a final assembly of the ball screw drive can thereby be inserted mechanically into the ball circulation. At the same time brings such a large game between the balls and the spacers, however, the risk that one or more of the spacers in the operation of the corresponding ball screw or steering gear so far within the ball circulation from the upright position in which these are arranged between two balls in a play-free arrangement would tilt that they tilt within the ball recirculation and thereby hinder or even prevent operation of the ball screw. In order to prevent spacers tipped to such an extent from tilting within the ball circulation, the circumferential outer surfaces of the spacers are designed to be tapered or curved in cross-section, which means that when these are loaded on both sides by the adjacent balls, they automatically move in the direction again in an upright position (hereinafter also referred to as the "installation effect"). Impairment of the functioning of a steering gear according to the invention as a result of relatively large play between the balls and the spacers, which is deliberately provided for assembly reasons, can thereby be avoided.
Als „zulaufend“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass sich der Durchmesser der Mantelfläche der Distanzstücke ausgehend von den beiden längsaxialen Enden der Distanzstücke in Richtung einer längsaxialen Mitte der Distanzstücke vergrößert. Bevorzugt sind die Mantelflächen der Distanzstücke spitz oder gekrümmt, dann vorzugsweise teilkreisförmig oder teilelliptisch gekrümmt, zulaufend ausgebildet. In diesen Fällen ist eine kontinuierliche Vergrößerung des Durchmessers der Distanzstücke jeweils ausgehend von den längsaxialen Enden bis zu der längsaxialen Mitte realisiert. Alternativ kann beispielsweise auch eine zulaufende Ausgestaltung der Mantelflächen mit abgeflachter Spitze vorgesehen sein, so dass dann beispielsweise eine kontinuierliche Vergrößerung des Durchmessers jeweils ausgehend von den längsaxialen Enden noch vor dem Erreichen der längsaxialen Mitte endet und der Durchmesser dazwischen gleichbleibend oder gegebenenfalls sich auch wieder verkleinernd ausgebildet ist.According to the invention, “tapering” is understood to mean that the diameter of the lateral surface of the spacers increases from the two longitudinally axial ends of the spacers in the direction of a longitudinally axial center of the spacers. The lateral surfaces of the spacers are preferably pointed or curved, then preferably partially circular or partially elliptically curved, tapering. In these cases, the diameter of the spacers is continuously increased starting from the longitudinal axial ends to the longitudinal axial center. Alternatively, for example, a tapering configuration of the lateral surfaces with a flattened tip can also be provided, so that, for example, a continuous increase in the diameter, starting from the longitudinal axial ends, ends before reaching the longitudinal axial center and the diameter between them is constant or, if necessary, is also reduced is.
Zur Realisierung einer besonders ausgeprägten Aufstellungswirkung kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der größte und vorzugsweise auch der kleinste Außendurchmesser der Distanzstücke größer als der halbe Durchmesser der Kugeln ist. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass der kleinste Außendurchmesser der Distanzstücke mindestens oder genau 80% des Durchmessers der Kugeln und/oder der größte Außendurchmesser der Distanzstücke höchstens oder genau 97% des Durchmessers der Kugeln beträgt.To achieve a particularly pronounced set-up effect, it can preferably be provided that the largest and preferably also the smallest outside diameter of the spacers is larger than half the diameter of the balls. It can particularly preferably be provided that the smallest outside diameter of the spacers is at least or exactly 80% of the diameter of the balls and / or the largest outside diameter of the spacers is at most or exactly 97% of the diameter of the balls.
Um eine problemlose Bewegung der Distanzelemente durch den Kugelumlauf zu gewährleisten, sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Öffnungsquerschnitte des umfangsseitig über seine gesamte Länge geschlossen ausgebildeten Rückführkanals kreisförmig ausgebildet sind.In order to ensure problem-free movement of the spacer elements through the ball circulation, it should preferably be provided that the opening cross-sections of the return channel, which is closed on the circumferential side over its entire length, are circular.
Für eine vorteilhafte Fertigung einer Getriebemutter, die insbesondere einen solchen Rückführkanal umfasst, sowie für eine vorteilhafte Montage eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit einer solchen Getriebemutter kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Getriebemutter einen Grundkörper und einen oder zwei stirnseitig (d.h. an den längsaxialen Enden angeordnet) mit der Getriebemutter verbundene(n) Führungsteil(e) umfasst, in dem/denen (jeweils) ein gekrümmt verlaufender Abschnitt des Rückführkanals ausgebildet ist. Der in dem Grundkörper verlaufende Abschnitt des Rückführkanals kann dagegen vorzugsweise vollständig geradlinig und dabei vorzugsweise parallel zu der Längsachse der Getriebemutter verlaufen.For an advantageous production of a gear nut, which in particular comprises such a return channel, and for an advantageous assembly of a steering gear according to the invention with such a gear nut, it can preferably be provided that the gear nut has a base body and one or two end faces (that is, arranged at the longitudinal axial ends) comprises the guide part (s) connected to the gear nut, in which (in each case) a curved section of the return channel is formed. The section of the return channel running in the base body, on the other hand, can preferably run completely straight and preferably parallel to the longitudinal axis of the gear nut.
Als „Längsachse“ eines Körpers oder eines Hohlraums, der eine geschlossen umlaufende Mantelfläche aufweist, wird diejenige Achse verstanden, die die geometrischen Schwerpunkte der verschiedenen Querschnitte dieser Mantelfläche verbindet.The “longitudinal axis” of a body or a cavity that has a closed peripheral surface is understood to be the axis that connects the geometric focal points of the different cross sections of this surface.
Ein erfindungsgemäßes Lenksystem umfasst ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe, wobei die Lenkstange des Lenkgetriebes in einem Gehäuse des Lenksystems längsaxial verschiebbar gelagert ist. Weiterhin ist ein Lenkmotor vorgesehen, der drehantreibend mit der Getriebemutter zusammenwirkt.A steering system according to the invention comprises a steering gear according to the invention, the steering rod of the steering gear being mounted so as to be longitudinally axially displaceable in a housing of the steering system. Furthermore, a steering motor is provided, which cooperates with the gear nut in a rotationally driving manner.
Das erfindungsgemäße Lenksystem kann vorzugsweise als Hilfskraftlenksystem ausgebildet sein und somit ermöglichen, ein über eine Lenkhandhabe (z.B. ein Lenkrad) und vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Lenksäule auf ein (zusätzliches) Lenkgetriebe übertragenes, manuell erzeugtes Lenkmoment durch ein von dem Lenkmotor erzeugtes Lenkmoment überlagern zu lassen, um die Höhe des für ein Lenken erforderlichen, manuell zu erzeugenden Lenkmoments zu begrenzen (ggf. temporär auch bis auf null zu reduzieren).The steering system according to the invention can preferably be designed as an auxiliary power steering system and thus make it possible to have a manually generated steering torque transmitted via a steering handle (for example a steering wheel) and preferably with the interposition of a steering column onto an (additional) steering gear, by a steering torque generated by the steering motor. in order to limit the amount of the steering torque to be generated manually for steering (if necessary, temporarily reduce it to zero).
Das Lenksystem kann andererseits auch so ausgebildet sein, dass der Lenkmotor stets die gesamte für ein Lenken erforderliche Antriebsleistung bereitstellt.On the other hand, the steering system can also be designed such that the steering motor always provides the entire drive power required for steering.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen PKW oder LKW, mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem. Dabei kann die Lenkstange mit Radlenkhebeln von Radaufhängungen des Kraftfahrzeugs drehbar verbunden sein.The invention also relates to a motor vehicle, in particular a car or truck, with a steering system according to the invention. The handlebar can be rotatably connected to wheel control levers of wheel suspensions of the motor vehicle.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.The indefinite articles ("a", "a", "one" and "one"), particularly in the claims and in the claims in general explanatory description are to be understood as such and not as numerals. Correspondingly concretized components are to be understood in such a way that they are present at least once and can be present several times.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
-
1 : ein erfindungsgemäßes Lenksystems in einem teilweisen Längsschnitt; -
2 : ein Abschnitt des Lenksystems in einem Längsschnitt; -
3 : ein Lenkgetriebe des Lenksystems in einem Längsschnitt; -
4 : den in der3 mitIV gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung; -
5 : einen Längsschnitt durch Teile der Getriebemutter des Lenkgetriebes in einer ersten perspektivischen Darstellung; -
6 : den Längsschnitt durch Teile der Getriebemutter des Lenkgetriebes in einer zweiten perspektivischen Darstellung; -
7 : schematisch die Aufstellwirkung eines Distanzstücks eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer ersten Ausgestaltungsform; und -
8 : schematisch die Aufstellwirkung eines Distanzstücks eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform.
-
1 : a steering system according to the invention in a partial longitudinal section; -
2nd : a section of the steering system in a longitudinal section; -
3rd : a steering gear of the steering system in a longitudinal section; -
4th : the one in the3rd WithIV marked section in an enlarged view; -
5 : a longitudinal section through parts of the gear nut of the steering gear in a first perspective view; -
6 : the longitudinal section through parts of the gear nut of the steering gear in a second perspective view; -
7 : schematically, the installation effect of a spacer of a steering gear according to the invention according to a first embodiment; and -
8th : schematically the installation effect of a spacer of a steering gear according to the invention according to a second embodiment.
Die
Das Lenksystem umfasst ein mehrteiliges, im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange
Während einer durch eine Drehbewegung der Getriebemutter
Zwischen jeweils zwei benachbarten Kugeln
Um eine möglichst weitgehend automatisierte Montage des Lenksystems zu realisieren, ist vorgesehen, die Kugeln
Die
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Gehäusecasing
- 22nd
- LenkstangeHandlebar
- 33rd
- Längsachse der Lenkstange /der GetriebemutterLongitudinal axis of the handlebar / gear nut
- 44th
- KugelgelenkBall joint
- 55
- SpurstangeTie rod
- 66
- LenksäuleSteering column
- 77
- erstes Lenkgetriebefirst steering gear
- 88th
- LenkmotorSteering motor
- 99
- zweites Lenkgetriebe / Kugelgewindetriebsecond steering gear / ball screw
- 1010th
- Kugelgewindenut der LenkstangeBall screw groove on the handlebar
- 1111
- KugelBullet
- 1212th
- GetriebemutterGear nut
- 1313
- Kugelgewindenut der GetriebemutterBall nut groove of the gear nut
- 1414
- Grundkörper der GetriebemutterBasic body of the gear nut
- 1515
- LageranordnungBearing arrangement
- 1616
- erstes Getrieberadfirst gear wheel
- 1717th
- Riemenbelt
- 1818th
- zweites Getrieberadsecond gear wheel
- 1919th
- Abtriebswelle des LenkmotorsSteering motor output shaft
- 2020th
- RückführkanalReturn channel
- 2121
- geradliniger Abschnitt des Rückführkanalsstraight section of the return duct
- 2222
- Führungsteil der GetriebemutterGuide part of the gear nut
- 2323
- gekrümmt verlaufender Abschnitt des Rückführkanalscurved section of the return duct
- 2424th
- DistanzstückSpacer
- 2525th
- Mantelfläche eines Distanzstücks Lateral surface of a spacer
- DDmin D Dmin
- Kleinster Außendurchmesser eines DistanzstücksSmallest outside diameter of a spacer
- DDmax D Dmax
- Größter Außendurchmesser eines DistanzstücksLargest outside diameter of a spacer
- DK D K
- Durchmesser einer KugelDiameter of a sphere
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 1357012 B1 [0003, 0004, 0005]EP 1357012 B1 [0003, 0004, 0005]
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