DE102019118675A1

DE102019118675A1 - Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einer Lageranordnung aufweisend ein Vorspannelement

Info

Publication number: DE102019118675A1
Application number: DE102019118675.7A
Authority: DE
Inventors: Philipp Marxer; Hansjörg Sulser; Lucas Schallert
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-14
Also published as: WO2021005078A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung umfassend eine mit einem Lenkmittel verbindbare obere Lenkwelle (3) und eine mit der oberen Lenkwelle (3) über einen Drehstab verbundene untere Lenkwelle (4), wobei die untere Lenkwelle (4) die obere Lenkwelle (3) in einem Bereich konzentrisch umgibt, und eine Lageranordnung (13), die in dem Bereich in Radialrichtung zwischen der oberen Lenkwelle (3) und der unteren Lenkwelle (4) angeordnet ist und die Drehung der beiden Lenkwellen (3,4) relativ zueinander lagert, wobei die Lageranordnung (13) ein Vorspannelement (25) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In elektromechanischen Lenkungen wird über einen Elektromotor ein Drehmoment erzeugt, das auf ein Getriebe übertragen und dort dem vom Fahrer gestellten Lenkmoment überlagert wird.
Eine obere Lenkwelle, genannt Eingangswelle, und eine untere Lenkwelle, genannt Ausgangswelle, sind drehelastisch über einen Drehstab miteinander gekoppelt. Ein am Lenkrad anliegendes Drehmoment wird in die Eingangswelle eingeleitet.
Eine gattungsgemäße elektromechanische (Servo-)Lenkung weist einen Elektromotor auf, der eine Schneckenwelle antreibt, die mit einem auf der Ausgangswelle angeordneten Schneckenrad kämmt und somit eine Lenkunterstützung bereitstellt. Die Eingangswelle ist gegenüber der Ausgangswelle in einer Lageranordnung drehbar lagert.
Ein derartiges Lagersystem ist beispielsweise in der DE 10 2010 055 298 B4 offenbart. Als nachteilig erweist sich die Lösung dahingehend, dass die Lageranordnung ein Nadellager umfasst, dass eine hohe Flächenpressung auf die Eingangswelle ausübt, sodass Druckstellen auf dieser entstehen, welche Reibung und damit Geräusch verursachen können und weiterhin zu Steifigkeitsschwankungen führen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einer Lageranordnung zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle bereitzustellen, die Durchdrehmomentschwankungen im Nulldurchgang reduziert, eine bessere Steifigkeit bereitstellt und die geräuscharm ist.
Diese Aufgabe wird von einer Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
Demnach ist eine Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung, insbesondere Servolenkung, umfassend eine mit einem Lenkmittel verbindbare obere Lenkwelle und eine mit der oberen Lenkwelle über einen Drehstab verbundene untere Lenkwelle, vorgesehen, wobei die untere Lenkwelle die obere Lenkwelle in einem Bereich konzentrisch umgibt, und eine Lageranordnung, die in dem Bereich in Radialrichtung zwischen der oberen Lenkwelle und der unteren Lenkwelle angeordnet ist und die Drehung der beiden Lenkwellen relativ zueinander lagert. Die Lageranordnung umfasst erfindungsgemäß ein Vorspannelement. Das Vorspannelement ermöglicht die Belastung der oberen Lenkwelle durch Krafteinwirkung von außen auf die Lageranordnung zu minimieren. Eine solche Lageranordnung weist besonders niedrige Durchdrehmomentschwankungen und gute Steifigkeitseigenschaften auf. Die Radialrichtung ist mit Bezug zu der Rotationsachse der Lenkwelle definiert.
Die Lageranordnung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass das Vorspannelement die Eingangswelle in der Außenwelle mittelbar oder unmittelbar derart radial zueinander vorspannt, dass die beiden Bauteile im unbelasteten Zustand koaxial zueinander gehalten sind.
In einer Ausführungsform ist die Lageranordnung ein radial vorgespanntes Wälzlager, insbesondere ein Nadellager, wobei das Vorspannelement den Lagerinnenring bildet. Der Lagerinnenring ist bevorzugt konvex ausgebildet. Die innere Laufbahn wird durch die Auflagefläche der Lagernadeln auf der Wölbung des Lagerinnenrings definiert. Diese ist in einer bevorzugten Ausführungsform im lastfreien Zustand ringförmig, wobei die Höhe der Auflagefläche geringer als 20% der gesamten Lagerhöhe ist, insbesondere ist die Auflagefläche kreislinienförmig. Weiterhin ist es denkbar und möglich, dass die Auflagefläche punktförmig ausgebildet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der Lagerinnenring geschlitzt ist, um eine federnde Lageranordnung zu schaffen. Die Längsrichtung des Schlitzes (Richtung der längsten Erstreckung) schließt einen Winkel mit der Längsrichtung der Mantelfläche des Lagerinnenrings ein, der in einem Bereich von 30 bis 60° liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 35° und 55°, bevorzugt etwa bei 45°. Der Schlitz kann folglich schräg oder diagonal verlaufen. Weitere Ausgestaltungsformen des Schlitzes sind ebenfalls denkbar und möglich. So kann der Schlitz geradlinig verlaufen und parallel zur Rotationsachse angeordnet sein, ein pfeilförmiger Schlitz oder ein Zahnschlitz kann ebenfalls implementiert werden.
In einer anderen Ausführungsform ist das Vorspannelement eine vorgespannte Gleitlagerbuchse oder eine elastische Kunststoffhülse oder eine Metallhülse. Es ist auch denkbar und möglich, dass das Vorspannelement als zylindrische Hülse ohne Schlitz ausgebildet ist Vorzugsweise sind diese Lageranordnungen nur durch das Vorspannelement gebildet. Es ist somit vorteilhaft, wenn die Gleitlagerbuchse oder die elastische Kunststoffhülse in Anlage mit der oberen Lenkwelle und mit der unteren Lenkwelle stehen.
Weiterhin ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung, insbesondere eine Servolenkung, mit einer zuvor beschriebenen Lenkwelle vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1: eine räumliche Darstellung eines an der Lenkwelle angeordneten Elektromotors mit Getriebe,
2: einen Längsschnitt durch die Anordnung aus 1,
3: eine Detailansicht des Längsschnitts im Bereich der Lageranordnung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle,
4: eine räumliche Ansicht der Lageranordnung,
5: eine Detailansicht eines Längsschnitts durch eine weitere Lageranordnung,
6: eine Detailansicht eines Längsschnitts durch eine Ausführungsform der Lageranordnung mit Vorspannelement,
7: eine Detailansicht eines Längsschnitts durch eine weitere Ausführungsform der Lageranordnung mit Vorspannelement,
8: eine Detailansicht eines Längsschnitts durch eine Ausführungsform der Lageranordnung mit Vorspannelement,
9: eine Explosionszeichnung der in den 2 und 3 dargestellten Lageranordnung, sowie.
9a-c: räumliche Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen eines Vorspannelements.

In der 1 ist ein über ein Getriebe 1 auf die Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs wirkender Elektromotor 2 dargestellt. Die obere Lenkwelle 3 (Eingangswelle) und die untere Lenkwelle 4 (Ausgangswelle) sind drehelastisch über einen nicht dargestellten Drehstab miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen der oberen Lenkwelle 3 und der unteren Lenkwelle 4 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. In Abhängigkeit der Verdrehung unterstützt der Elektromotor 2 die Drehbewegung. Der Elektromotor 2, insbesondere ein Servomotor, ist mit einer Schneckenwelle 5 über eine Motorwelle gekoppelt. Die Schneckenwelle 5 steht mit ihrer Schnecke in Eingriff mit einem Schneckenrad 6, dass mit der unteren Lenkwelle 4 drehfest verbunden ist. Die untere Lenkwelle 4 ist im Falle einer Zahnstangenlenkung mit dem Zahnstangengetriebe verbunden. Die obere Lenkwelle 3 ist mit einem nicht dargestellten Lenkmittel, insbesondere einem Lenkrad drehfest verbunden. Bei einem Betrieb des Elektromotors 2 wird die Schneckenwelle 5 angetrieben und das Schneckenrad 6 dreht sich entsprechend um eine Drehunterstützung für die untere Lenkwelle 4 bereitzustellen.
In der 2 ist die Anordnung des Drehstabs 7 zwischen der oberen Lenkwelle 3 und der unteren Lenkwelle 4 dargestellt. Der Drehstab 7 verbindet die Eingangswelle 3 mit der Ausgangswelle 4 drehelastisch. Der Drehstab 7 weist hierzu an seinem der Eingangswelle 3 zugewandten Ende 8 einen ersten Fügeabschnitt 9 und an seinem der Ausgangswelle 4 zugewandten Ende 10 einen zweiten Fügeabschnitt 11 auf. Der erste Fügeabschnitt 9 ist in einer zentral angeordneten Fügeaufnahme 12 der Eingangswelle 3 mit dieser drehfest verbunden. Der zweite Fügeabschnitt 11 ist entsprechend in einer zentral angeordneten Fügeaufnahme 113 der Ausgangswelle 4 mit dieser drehfest verbunden. Die Ausgangswelle 4 umgibt die Eingangswelle 3 umfangseitig. Zwischen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 ist eine Lageranordnung 14 angeordnet, die eine nahezu reibungsfreie Drehbarkeit zwischen den beiden Wellen 3,4 ermöglicht.
3 zeigt eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer solchen Lageranordnung 13. Die Lageranordnung 13 umfasst ein Nadellager 14 aufweisend einen Lagernadeln 15 führenden Käfig 16. Das Nadellager 14 umfasst weiterhin eine Außenhülse 17 mit zwei randseitig angeordneten, radial nach innen gerichteten Borden 18. Innerhalb dieser Außenhülse 17 ist ein aus Lagernadeln 15 und dem Käfig 16 bestehender Wälzkörperkranz 19 angeordnet, wobei die äußere Laufbahn der Lagernadeln 15 von der inneren Mantelfläche der Außenhülse 17 gebildet wird. Die Außenhülse 17 sitzt drehfest in einer zur Rotationsachse 100 konzentrischen Öffnung 20 der Ausgangswelle 4. Die innere Laufbahn wird von einer Außenseite eines Innenrings 21 gebildet, der in der Montagestellung auf der Eingangswelle 3 sitzend angeordnet ist. Die Eingangswelle 3 weist auf ihrer Außenseite eine umlaufende Ausnehmung 22 als Sitz für den Lagerinnenring 21 auf. Die Ausnehmung ist rotationssymmetrisch und weist eine in Längsrichtung gleichbleibende Tiefe auf. In der Ausnehmung 22 ist an einem Ende in Längsrichtung eine Ringnut 23 zur Fixierung der Lage des Lagerinnenrings 21 vorgesehen. Der Lagerinnenring 21 weist eine umlaufende und rotationssymmetrische Wölbung 24 auf, die sich im Längsschnitt von der Eingangswelle 3 zur Ausgangswelle 4 hin erstreckt. Der Lagerinnenring 21 ist somit zur Rotationsachse konvex ausgebildet. Der Lagerinnenring 21 ist ein Vorspannelement 25, das eine zur Rotationsachse 100 radiale Vorspannung der Lagernadeln 15 gegenüber der Eingangswelle 3 ausbildet.
Die innere Laufbahn wird durch die Auflagefläche der Lagernadeln 15 auf der Wölbung 24 definiert. Diese ist in einer bevorzugten Ausführungsform im lastfreien Zustand ringförmig, wobei die Höhe der Auflagefläche geringer als 20% der gesamten Lagerhöhe ist, insbesondere ist die Auflagefläche linienförmig.
In der 4 ist eine zuvor beschriebene Lageranordnung 13 dargestellt. Um die federnden Eigenschaften des Lagerinnenrings 21 zu verbessern, weist der Lagerinnenring 21 einen Schlitz 26 auf, der sich von einer ersten Stirnseite 27 des Lagerinnenrings 21 zu einer zweiten Stirnseite 28 des Lagerinnenrings 21 erstreckt. Der Schlitz 26 durchsetzt den Lagerinnenring 21 vollständig in Längsrichtung und in Radialrichtung. Die Längsrichtung des Schlitzes 26 (Richtung der längsten Erstreckung) schließt einen Winkel mit der Längsrichtung der Mantelfläche des Lagerinnenrings 21 ein, der in einem Bereich von 30 bis 60° liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 35° und 55°, bevorzugt etwa bei 45°. In anderen Worten, der Lagerinnenring 21 ist etwa diagonal geschlitzt. Er kann somit Belastungen in Radialrichtung aufnehmen. Die Schlitzbreite senkrecht zur Längsrichtung ist dabei derart gewählt, das auch bei hohen Belastungen, die beiden Enden des Lagerinnenrings 21 nicht aneinander stoßen.
In der 5 ist eine weitere Ausführungsform der zuvor beschriebenen Lageranordnung 13 dargestellt. Der Lagerinnenring 21 weist zwei randseitig angeordnete, radial nach außen gerichtete Abkantungen 29 auf, die an jeder Stirnseite einen umlaufenden Rand 30 ausbilden. Der Rand greift jeweils in eine Nut des Lagerkäfigs 16, zur Fixierung der Lage des Innenrings 21 in Längsrichtung relativ zum Wälzkörperkranz 19. Der Lagerinnenring kann geschlitzt ausgebildet sein.
Die Ausführungsformen haben bevorzugt gemeinsam, dass der Lagerinnenring 21 eine ausreichend harte Oberfläche aufweist, sodass keine Druckstellen der Lagernadeln 15 auf der Eingangswelle 3 entstehen.
Die 6 und 7 zeigen eine weitere Variante einer zwischen der Eingangswelle 3 und Ausgangswelle 4 angeordneten Lageranordnung 13, die eine radial federnde Gleitlagerbuchse 31 aufweist. Die Gleitlagerbuchsen 31 der 6 und 7 sind in Längsrichtung gewölbt ausgeformt. Durch die rotationssymmetrische Wölbung werden drei Anlageflächen, bevorzugt Anlagelinien, ausgeformt, wobei zwei Anlageflächen 32 auf einer der Wellen 3,4 und die dritte Anlagefläche 33 auf der anderen Welle 4,3 liegt und wobei die dritte Anlagefläche 33 in Längsrichtung zwischen den anderen beiden Anlageflächen 32 angeordnet ist. Die Gleitlagerbuchse 31 kann konvex ( 7) oder konkav (6) ausgebildet sein. Die Gleitlagerbuchsen 31 können aus gehärtetem Stahl oder elastischem Kunststoff gefertigt werden.
8 zeigt eine Lageranordnung 13 mit einem Vorspannelement 25, das durch eine elastische Kunststoffhülse 34 gebildet ist, welche eine Vorspannung zwischen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 in radialer Richtung zur Rotationsachse bereitstellt. Die elastische Kunststoffhülse 34 weist eine im Längsschnitt wellige Form aus, wodurch eine Vielzahl an rotationsymmetrischen Anlageflächen 35 ausgebildet werden, die in Längsrichtung gesehen abwechselnd an der Eingangswelle 3 und an der Ausgangswelle 4 anliegen. Die Anlageflächen sind bevorzugt linienförmig.
Die 9 zeigt im Detail in einer Explosionszeichnung eine Ausführungsform einer Lageranordnung 13 mit Nadellager 14.
Der das Vorspannelement 25 ausbildende Lagerinnenring 21 sitzt auf der Eingangswelle 3. Der Lagerinnenring 21 ist konvex und geschlitzt ausgebildet. Der Wälzkörperkranz 19 ist zwischen dem Lagerinnenring 21 und einem Lageraußenring 17 aufgenommen. Wie im Ausführungsbeispiel der 4 dargestellt, ist die axiale Lage der Lagernadeln 15 durch den Lagerkäfig 16 und die Borde 18 des Lageraußenrings definiert.
Die 9a-9c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Lagerinnenrings 21. In 9a verläuft der Schlitz 26 geradlinig und parallel zur Rotationsachse. In 9b ist ein pfeilförmiger Schlitz 26 und in 9c ein gezackter Schlitz 26 dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010055298 B4 [0005]

Claims

Lenkwelle für eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung umfassend eine mit einem Lenkmittel verbindbare obere Lenkwelle (3) und eine mit der oberen Lenkwelle (3) über einen Drehstab verbundene untere Lenkwelle (4), wobei die untere Lenkwelle (4) die obere Lenkwelle (3) in einem Bereich konzentrisch umgibt, und eine Lageranordnung (13), die in dem Bereich in Radialrichtung zwischen der oberen Lenkwelle (3) und der unteren Lenkwelle (4) angeordnet ist und die Drehung der beiden Lenkwellen (3,4) relativ zueinander lagert, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (13) ein Vorspannelement (25) umfasst.
Lenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (25) zur Aufbringung einer radialen Vorspannkraft ausgebildet ist.
Lenkwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (13) ein radial vorgespanntes Wälzlager (14) ist, wobei das Vorspannelement (25) den Lagerinnenring (21) bildet.
Lenkwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Nadellager (14) ist.
Lenkwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (21) konvex ausgebildet ist.
Lenkwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (21) geschlitzt ist.
Lenkwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (25) eine vorgespannte Gleitlagerbuchse (31) ist.
Lenkwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerbuchse (31) in Anlage mit der oberen Lenkwelle (3) und mit der unteren Lenkwelle (4) steht.
Elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einer Lenkwelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.