DE102019119128A1 - Steering gear for a motor vehicle - Google Patents

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DE102019119128A1 DE102019119128.9A DE102019119128A DE102019119128A1 DE 102019119128 A1 DE102019119128 A1 DE 102019119128A1 DE 102019119128 A DE102019119128 A DE 102019119128A DE 102019119128 A1 DE102019119128 A1 DE 102019119128A1
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Alexander Ein Waldt
Martin Robert Kopiniok
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkstange (2), die eine Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) aufweist, sowie einer um eine Schneckenachse (S, S') drehbaren Schneckenwelle (4, 11), die mit der Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) zusammenwirkt, um die Lenkstange (2) relativ zu einem Gehäuse (20) entlang einer Lenkstangenachse (L) der Lenkstange (2) zu verschieben. Um ein zuverlässiges und effizientes Lenkgetriebe mit motorischen Antrieb zur Verfügung zu stellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schneckenwelle (4, 11) derart an eine Antriebswelle (5, 12) einer Motoreinheit (6, 13) gekoppelt ist, dass eine Verdrehbarkeit gegenüber der Antriebswelle (5, 12) wenigstens beschränkt ist.The invention relates to a steering gear (1) for a motor vehicle, with a steering rod (2) which has rack teeth (2.3, 2.5), and a worm shaft (4, 11) which is rotatable about a worm axis (S, S ') and which with the rack toothing (2.3, 2.5) interacts to move the handlebar (2) relative to a housing (20) along a handlebar axis (L) of the handlebar (2). In order to provide a reliable and efficient steering gear with a motor drive, the invention provides that the worm shaft (4, 11) is coupled to a drive shaft (5, 12) of a motor unit (6, 13) in such a way that it can be rotated relative to the Drive shaft (5, 12) is at least limited.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a steering gear for a motor vehicle with the features of the preamble of claim 1.

Bei Lenkgetrieben herkömmlicher Kraftfahrzeuge, insbesondere von PKWs, kommt normalerweise eine Zahnstangenlenkung zum Einsatz. Dabei wirkt eine Ritzelwelle, die durch das Lenkrad gedreht wird, mit einer Zahnstange zusammen, die als Lenkstange direkt oder indirekt - über äußere Spurstangen - auf die Lenkhebel der Räder wirkt. Die Zahnstange wird über ein gefedertes Druckstück gegen das Ritzel der Ritzelwelle gepresst. Dabei sind sowohl die Ritzelwelle als auch die Zahnstange wenigstens teilweise innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses angeordnet, in dem sie drehbar bzw. verschiebbar geführt sind. In der Regel wird die seitens des Fahrers ausgeübte Lenkbewegung durch einen Servomotor unterstützt. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Zahnstange mit einer Gewindespindel verbunden oder einstückig mit dieser ausgebildet ist, wobei der Servomotor über einen Treibriemen eine Spindelmutter antreibt, die mit der Gewindespindel zusammenwirkt. Die Drehbewegung der Spindelmutter wird durch das Zusammenwirken von Innen- und Außengewinde in eine Translation der Lenkstange umgesetzt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Schneckenrad, das drehfest an der Ritzelwelle befestigt ist, über eine Schneckenwelle anzutreiben, die an einen Servomotor gekoppelt ist. Die Treibriemen bestehen bei der erstgenannten Lösung normalerweise aus Materialien wie Nylon oder Gummi. Schneckenwelle und/oder Schneckenrad werden bei der letztgenannten Lösung normalerweise aus Kunststoff hergestellt. Daher sind beide Lösungen wenig robust und ein mechanisches Versagen einer Komponente führt in der Regel zum völligen Ausfall der Lenkunterstützung. Des Weiteren sind im Stand der Technik Getriebesysteme bekannt, bei denen in der Regel eine Mehrzahl von Getriebestufen vorgesehen sind, was die Effizienz deutlich beeinträchtigt.A rack and pinion steering is normally used in steering gears of conventional motor vehicles, in particular of passenger cars. A pinion shaft that is rotated by the steering wheel interacts with a rack that acts as a steering rod directly or indirectly - via external tie rods - on the steering levers of the wheels. The rack is pressed against the pinion of the pinion shaft via a spring-loaded pressure piece. Both the pinion shaft and the rack are arranged at least partially within a steering gear housing in which they are guided so that they can rotate or move. As a rule, the steering movement exerted by the driver is supported by a servomotor. One possibility is that the rack is connected to a threaded spindle or formed in one piece with it, the servomotor driving a spindle nut via a drive belt, which cooperates with the threaded spindle. The rotation of the spindle nut is converted into a translation of the handlebar by the interaction of the internal and external threads. Another possibility is to drive a worm wheel, which is fixedly attached to the pinion shaft in a rotationally fixed manner, via a worm shaft which is coupled to a servomotor. In the former solution, the drive belts are usually made of materials such as nylon or rubber. In the latter solution, the worm shaft and / or worm wheel are normally made of plastic. Therefore, both solutions are not very robust and a mechanical failure of a component usually leads to a complete failure of the steering assistance. Furthermore, transmission systems are known in the prior art in which a plurality of transmission stages are usually provided, which significantly impairs the efficiency.

Abgesehen von klassischen Servo-Lenkungen sind auch Steer-by-Wire-Systeme bekannt, bei denen es keine direkte Kraftübertragung vom Lenkrad zum Lenkgetriebe gibt, d.h. diese beiden Systeme sind mechanisch entkoppelt. Gleiches kann bei autonomen Fahrsystemen gelten, bei denen ein Lenkrad entfällt oder allenfalls ergänzend vorgesehen ist. Grundsätzlich können bei derartigen Fahrsystemen ähnliche Antriebe eingesetzt werden wie auch bei Servo-Lenkungen, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, dass ein Ausfall der Kraftübertragung dort nicht nur zu einem Verlust einer Lenkunterstützung führen würde, sondern zum völligen Verlust der Lenkbarkeit des Fahrzeugs.Apart from classic power steering systems, there are also known steer-by-wire systems in which there is no direct power transmission from the steering wheel to the steering gear, i.e. these two systems are mechanically decoupled. The same can apply to autonomous driving systems in which a steering wheel is omitted or, if necessary, provided in addition. In principle, similar drives can be used in such driving systems as in power steering systems, but with the main difference that a failure of the power transmission would not only lead to a loss of steering assistance, but also to a complete loss of the vehicle's steerability.

Die JP H01-168568 A offenbart ein Lenkgetriebe für eine Hinterachse eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist ein Antriebsrad eines Hypoidgetriebes mit einer Welle eines Elektromotors verbunden. Das Tellerrad des Hypoidgetriebes ist wiederum drehfest mit einer Schneckenwelle verbunden, die mit einer Zahnstange zusammenwirkt, die als Lenkstange auf die Lenkhebel der beiderseitigen Räder wirkt. Die Zahnstange weist dabei eine Schrägverzahnung auf, die in einem Winkel von weniger als 10° zur Längsachse der Zahnstange verläuft. Die Schneckenwelle weist einen Steigungswinkel auf, der kleiner ist als der Winkel der Schrägverzahnung. Der Winkel zwischen der Wellenachse und einer senkrechten Ebene zur Lenkstangenachse der Zahnstange ist gleich der Differenz zwischen dem Steigungswinkel und dem Schrägungswinkel.The JP H01-168568 A discloses a steering gear for a rear axle of a motor vehicle. A drive wheel of a hypoid gear is connected to a shaft of an electric motor. The ring gear of the hypoid gear is in turn connected in a rotationally fixed manner to a worm shaft that interacts with a rack that acts as a steering rod on the steering levers of the wheels on both sides. The rack has helical teeth that run at an angle of less than 10 ° to the longitudinal axis of the rack. The worm shaft has a helix angle that is smaller than the angle of the helical teeth. The angle between the shaft axis and a plane perpendicular to the handlebar axis of the rack is equal to the difference between the helix angle and the helix angle.

Die US 2016/0362130 A1 zeigt ein Verfahren zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem elektrisch unterstützten Lenksystem mit einer Zahnstange, einem Zahngetriebe, das an einem Ende einer Lenkwelle in kämmendem Eingriff mit der Zahnstange angeordnet ist, einem Lenkmotor, und einem Antriebsmechanismus, der über den Lenkmotor eine Lenkeingabe in das Lenksystem elektrisch unterstützt. Ein Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe werden mit der Lenkwelle verbunden und es wird ein periodisches Lenksteuersignal von einer Steuerung an ein Drehstellglied übertragen, während der Lenkmotor und der Antriebsmechanismus die Lenkeingabe unterstützen, um dadurch eine Drehung der Lenkwelle zu veranlassen, über den Torsionsstab und die Trägheitsscheibe durch einen kalibrierten Bereich von Lenkwinkeln. Eine Verschiebung der Zahnstange von einer Mittelposition über ein Linearstellglied wird gemessen, eine Axialkraft wird auf die Zahnstange angewendet und es wird ein Lenkdrehmomentausgabewert entlang der Lenkwelle gemessen.The US 2016/0362130 A1 shows a method for characterizing a sliding friction state in an electrically assisted steering system with a rack, a toothed gear, which is arranged at one end of a steering shaft in meshing engagement with the rack, a steering motor, and a drive mechanism that provides a steering input to the steering system via the steering motor electrically assisted. A torsion bar and an inertia plate are connected to the steering shaft and a periodic steering control signal is transmitted from a controller to a rotary actuator while the steering motor and drive mechanism assist the steering input, thereby causing the steering shaft to rotate, via the torsion bar and inertia plate a calibrated range of steering angles. Displacement of the rack from a center position via a linear actuator is measured, an axial force is applied to the rack, and a steering torque output along the steering shaft is measured.

Die US 7 900 890 B2 zeigt eine Getriebeeinheit vom Schnecken-Zahnstangen-Typ. Dabei weist eine Zahnstange einen gekrümmten Seitenabschnitt auf, der eine ellipsoide Oberfläche bildet. Diese wirkt mit den Windungen einer Schneckenwelle zusammen, welche einen kegelstumpfförmigen Körper aufweist. Die Schneckenwelle ist an einen Motor gekoppelt, dessen Drehbewegung in eine lineare Bewegung der Zahnstange umgewandelt wird. Die Getriebeeinheit ist selbsthemmend ausgebildet.The US 7 900 890 B2 Fig. 3 shows a worm-rack-and-pinion type gear unit. A toothed rack has a curved side section that forms an ellipsoidal surface. This interacts with the turns of a worm shaft, which has a frustoconical body. The worm shaft is coupled to a motor, the rotary movement of which is converted into a linear movement of the rack. The gear unit is designed to be self-locking.

Die US 2014/0041957 A1 offenbart ein Servo-Lenksystem mit einer entlang einer Lenkwellenachse angeordneten Lenkwelle. Eine Servo-Antriebswelle definiert eine Antriebswellenachse und ist in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Lenkwellenachse angeordnet. Die Servo-Antriebswelle ist gegenüber dem Fahrzeugkörper durch eine erste Lagerbaugruppe und eine zweite Lagerbaugruppe gestützt. Eine Schneckenwelle an der Servo-Antriebswelle wirkt mit einem Schneckenrad an der Lenkwelle zusammen. Die erste Lagerbaugruppe ist als exzentrische Lagerbuchse ausgebildet.The US 2014/0041957 A1 discloses a power steering system with a steering shaft arranged along a steering shaft axis. A servo drive shaft defines a drive shaft axis and is arranged in a plane essentially perpendicular to the steering shaft axis. The servo drive shaft is opposed to the vehicle body by a first bearing assembly and a second bearing assembly supported. A worm shaft on the servo drive shaft cooperates with a worm wheel on the steering shaft. The first bearing assembly is designed as an eccentric bearing bush.

Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung eines zuverlässigen und effizienten Lenkgetriebes, bei welchem die Lenkwirkung wenigstens motorisch unterstützt ist, noch Raum für Verbesserungen.In view of the state of the art shown, the provision of a reliable and efficient steering gear, in which the steering action is at least motor-assisted, still offers room for improvement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges und effizientes Lenkgetriebe mit motorischen Antrieb zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the object of providing a reliable and efficient steering gear with a motor drive.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.According to the invention, the object is achieved by a steering gear having the features of claim 1, the subclaims relating to advantageous embodiments of the invention.

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.It should be pointed out that the features and measures listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.

Durch die Erfindung wird ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug kann bspw. ein PKW oder ein LKW sein. Das Lenkgetriebe dient dabei selbstverständlich der Lenkung wenigstens eines Fahrzeugrades, wobei eine Kraft zum Lenken dieses Fahrzeugrades durch das Lenkgetriebe übertragen sowie ggf. durch eine Übersetzung oder Untersetzung verstärkt oder reduziert werden kann.The invention provides a steering gear for a motor vehicle. The motor vehicle can be, for example, a car or a truck. The steering gear is of course used to steer at least one vehicle wheel, whereby a force for steering this vehicle wheel can be transmitted through the steering gear and possibly increased or reduced by a translation or reduction.

Das Lenkgetriebe weist eine Lenkstange auf. Die Lenkstange ist dazu vorgesehen, eine Kraft zum Lenken des wenigstens einen Fahrzeugrades zu übertragen, wozu sie im zusammengebautem Zustand normalerweise direkt oder indirekt mit einem Lenkhebel verbunden sein kann. Sie weist eine Zahnstangenverzahnung auf. Unter Umständen kann ein Abschnitt der Lenkstange als Zahnstange ausgebildet sein, d.h. die Zahnstangenverzahnung kann einstückig mit der Lenkstange ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Lenkstange einstückig ausgebildet, in der Regel aus Metall, z.B. Stahl.The steering gear has a handlebar. The handlebar is provided to transmit a force for steering the at least one vehicle wheel, for which purpose it can normally be connected directly or indirectly to a steering lever in the assembled state. It has rack teeth. Under certain circumstances, a section of the handlebar can be designed as a rack, i.e. the rack teeth can be designed in one piece with the handlebar. Preferably, the handlebar is made in one piece, typically made of metal, for example steel.

Das Lenkgetriebe kann insbesondere Teil eines Steer-By-Wire-Systems oder eines autonomen Lenksystems sein, in beiden Fällen also zu einem System gehören, bei dem keine mechanische Kraftübertragung von einem Lenkrad zu den Fahrzeugrädern erfolgt. In diesem Fall weist die Lenkstange auch keine Verzahnung auf, die mit einem Ritzel zusammenwirkt, das bspw. eine Kraft vom Lenkrad überträgt. Alternativ kann eine solche Verzahnung allerdings auch vorgesehen sein, wenn das Lenkgetriebe Teil eines Servo-Lenksystems ist.The steering gear can in particular be part of a steer-by-wire system or an autonomous steering system, in both cases therefore belong to a system in which there is no mechanical power transmission from a steering wheel to the vehicle wheels. In this case, the handlebar does not have any teeth that interact with a pinion that, for example, transmits a force from the steering wheel. Alternatively, however, such a toothing can also be provided if the steering gear is part of a power steering system.

Weiterhin weist das Lenkgetriebe eine um eine Schneckenachse antreibbare Schneckenwelle auf, die mit der Zahnstangenverzahnung zusammenwirkt, um die Lenkstange relativ zu einem Gehäuse entlang der Lenkstangenachse zu verschieben. Während die Lenkstange die Zahnstangenverzahnung aufweist, weist die Schneckenwelle eine zum Eingriff mit der Zahnstangenverzahnung ausgebildete Windung (bzw. ein Schneckengewinde) auf. Die Schneckenwelle ist um eine Schneckenachse antreibbar, d.h. motorisch antreibbar. Im Betriebszustand ist die Schneckenwelle an einen Motor, normalerweise einen Elektromotor, gekoppelt, welcher sie antreibt, so dass sie sich um die Schneckenachse dreht. Diese Schneckenachse bildet normalerweise die Mittelachse der Schneckenwelle. Durch das Zusammenwirken der Schneckenwelle mit der Zahnstangenverzahnung wird die Drehbewegung der Schneckenwelle in eine Verschiebung (also eine translatorischen Bewegung) der Lenkstange entlang der Lenkstangenachse umgesetzt. Die Lenkstangenachse kann insbesondere mit der Y-Achse (Querachse) des Fahrzeugs übereinstimmen.Furthermore, the steering gear has a worm shaft which can be driven about a worm axis and which interacts with the rack teeth in order to move the handlebar relative to a housing along the handlebar axis. While the steering rod has the rack teeth, the worm shaft has a turn (or a worm thread) designed to engage with the rack teeth. The worm shaft can be driven around a screw axis, i.e. it can be driven by a motor. In the operating state, the worm shaft is coupled to a motor, usually an electric motor, which drives it so that it rotates around the worm axis. This screw axis normally forms the central axis of the screw shaft. Due to the interaction of the worm shaft with the rack teeth, the rotational movement of the worm shaft is converted into a displacement (i.e. a translational movement) of the steering rod along the steering rod axis. The handlebar axis can in particular coincide with the Y-axis (transverse axis) of the vehicle.

Das Gehäuse bildet im weitesten Sinne eine Art Rahmen oder Basis, an welcher die hier genannten Teile des Lenkgetriebes sowie ggf. weitere Komponenten gelagert sind. In der Regel umgibt das Gehäuse wenigsten einige dieser Teile vollständig oder teilweise. Es ist normalerweise aus mehreren miteinander verbundenen Teilen zusammengesetzt. Es kann beim Zusammenbau des Kraftfahrzeugs zusammen mit Teilen des Lenkgetriebes als im Voraus zusammengesetzte Baugruppe mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden werden.In the broadest sense, the housing forms a type of frame or base on which the parts of the steering gear mentioned here and possibly other components are mounted. As a rule, the housing completely or partially surrounds at least some of these parts. It is usually composed of several interconnected parts. When assembling the motor vehicle, it can be connected to the chassis of the vehicle together with parts of the steering gear as a pre-assembled assembly.

Erfindungsgemäß ist die Schneckenwelle derart an eine Antriebswelle einer Motoreinheit gekoppelt, dass eine Verdrehbarkeit gegenüber der Antriebswelle wenigstens beschränkt ist. Bei der Motoreinheit handelt es sich in der Regel um einen einzelnen Motor, insbesondere einen Elektromotor. Die Antriebswelle ist an den Rotor der Motoreinheit gekoppelt bzw. fest mit diesem verbunden. Unter Umständen kann sie auch als Teil des Rotors angesehen werden. Durch die Kopplung der Schneckenwelle an die Antriebswelle ist eine Verdrehbarkeit der Schneckenwelle gegenüber der Antriebswelle wenigstens beschränkt. Insbesondere kann die Kopplung drehfest bzw. verdrehsicher sein, d.h. die Verdrehbarkeit kann völlig unterbunden sein. Es wäre aber auch eine Verdrehbarkeit möglich, z.B. aufgrund einer elastischen Verbindung. Eine solche Verdrehbarkeit ist allerdings beschränkt, z.B. auf einige Grad. Somit ist die Drehbewegung der Schneckenwelle unmittelbar, ohne weitere Getriebestufen, an die Drehbewegung der Motoreinheit gekoppelt. Es entfallen somit unnötige Reibungsverluste, was für eine hohe Effizienz der Getriebeeinheit sorgt. Auch kann auf Treibriemen verzichtet werden. Wie im weiteren Verlauf noch erläutert wird, lassen sich die wesentlichen Komponenten der Getriebeeinheit in robuster Weise realisieren, was einen Verlust der Kraftübertragung von der Motoreinheit auf die Lenkstange unwahrscheinlich macht.According to the invention, the worm shaft is coupled to a drive shaft of a motor unit in such a way that rotatability with respect to the drive shaft is at least limited. The motor unit is usually a single motor, in particular an electric motor. The drive shaft is coupled to or firmly connected to the rotor of the motor unit. Under certain circumstances it can also be viewed as part of the rotor. By coupling the worm shaft to the drive shaft, the rotatability of the worm shaft with respect to the drive shaft is at least limited. In particular, the coupling can be non-rotatable or non-rotatable, ie the rotatability can be completely prevented. However, it would also be possible to rotate, for example due to an elastic connection. Such rotatability is limited, for example to a few degrees. Thus, the rotary movement of the worm shaft is immediate, without any further gear stages Coupled rotary movement of the motor unit. There are therefore no unnecessary frictional losses, which ensures high efficiency of the gear unit. There is also no need for a drive belt. As will be explained in the following, the essential components of the gear unit can be implemented in a robust manner, which makes a loss of power transmission from the motor unit to the handlebar unlikely.

Normalerweise sind die Lenkstange und die Schneckenwelle gegeneinander vorgespannt. D.h., im Betriebszustand wirkt eine Vorspannung auf die Lenkstange in Richtung auf die Schneckenwelle und/oder eine Vorspannung wirkt auf die Schneckenwelle in Richtung auf die Lenkstange. Durch die Vorspannung kann der Eingriff zwischen der Schneckenwelle und der Zahnstangenverzahnung verbessert werden und es können bspw. Fertigungstoleranzen oder temperaturbedingte Verformungen ausgeglichen werden. Normalerweise ist ein Federelement vorgesehen, das die Lenkstange bzw. die Schneckenwelle direkt oder indirekt mit der Vorspannung beaufschlagt. Insbesondere kann ein Druckstück unter Vorspannung die Lenkstange zur Schneckenwelle hin beaufschlagen und einen Führungsabschnitt für die Lenkstange aufweisen. Ein solches Druckstück ist normalerweise durch ein Federelement vorgespannt und zusammen mit diesem Federelement im Gehäuse gelagert.Usually the steering rod and the worm shaft are preloaded against each other. That is, in the operating state, a preload acts on the steering rod in the direction of the worm shaft and / or a preload acts on the worm shaft in the direction of the steering rod. The preload can improve the engagement between the worm shaft and the rack toothing and, for example, production tolerances or temperature-related deformations can be compensated for. Normally, a spring element is provided which directly or indirectly acts on the steering rod or the worm shaft with the preload. In particular, a pressure piece can act under prestress on the steering rod towards the worm shaft and have a guide section for the steering rod. Such a pressure piece is normally biased by a spring element and is mounted in the housing together with this spring element.

Die Kopplung der Antriebswelle und der Schneckenwelle kann in unterschiedlicher Weise realisiert sein. Bspw. wäre es hiermit vereinbar, dass die Verbindung für sich betrachtet eine geringfügige axiale Verschiebung (also in Verlaufsrichtung der Antriebswelle) erlaubt. Auch wäre es denkbar, dass die Schneckenwelle und die Antriebswelle über ein Kardangelenk oder eine Kupplung miteinander verbunden sind. Die Schneckenwelle kann ggf. auch starr mit der Antriebswelle verbunden sein. D.h., sie kann mit der Antriebswelle lösbar verbunden sein, bspw. durch eine Schraubverbindung, oder nicht lösbar, bspw. durch Verschweißen, Verlöten oder Verkleben. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Schneckenwelle einstückig mit der Antriebswelle gefertigt ist, bspw. derart, dass beide Elemente durch Urformen oder durch spanende Bearbeitung aus einem Stück gefertigt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schneckenwelle durch ein elastisches Kupplungselement mit der Antriebswelle verbunden. Durch eine solches Kupplungselement können zum einen Positionierungsfehler zwischen Schneckenwelle und Antriebswelle ausgeglichen werden, zum anderen kann die Übertragung von Geräuschen und Vibrationen vermindert werden. Allgemein kann das Vorhandensein eines elastischen Kupplungselements dazu führen, dass die Kopplung der Schneckenwelle an die Antriebswelle nicht völlig drehfest ist, sondern beide Elemente geringfügig gegeneinander verdrehbar sind. Dies schränkt allerdings die Funktion des Lenkgetriebes normalerweise nicht bzw. nicht nennenswert ein.The coupling of the drive shaft and the worm shaft can be implemented in different ways. For example, it would be compatible with this that the connection, viewed in isolation, allows a slight axial displacement (that is, in the direction of the drive shaft). It would also be conceivable that the worm shaft and the drive shaft are connected to one another via a universal joint or a coupling. The worm shaft can optionally also be rigidly connected to the drive shaft. That is, it can be detachably connected to the drive shaft, for example by a screw connection, or non-detachable, for example by welding, soldering or gluing. In addition, it is possible that the worm shaft is manufactured in one piece with the drive shaft, for example in such a way that both elements are manufactured from one piece by primary molding or by machining. According to a preferred embodiment, the worm shaft is connected to the drive shaft by an elastic coupling element. With such a coupling element, on the one hand, positioning errors between the worm shaft and drive shaft can be compensated for, and on the other hand, the transmission of noises and vibrations can be reduced. In general, the presence of an elastic coupling element can lead to the fact that the coupling of the worm shaft to the drive shaft is not completely rotationally fixed, but rather that both elements can be slightly rotated relative to one another. However, this does not normally limit the function of the steering gear or does not limit it to any significant extent.

Im Sinne einer robusten, langlebigen Auslegung des Lenkgetriebes ist es bevorzugt, dass die Zahnstangenverzahnung und die Schneckenwelle aus Metall, insbesondere Stahl, ausgebildet sind. Dies steht bspw. im Gegensatz zu Schneckenrad-Antrieben, die bei Servolenkung im Stand der Technik oftmals aus Kunststoffteilen gefertigt sind. Wie bereits oben erwähnt, kann die Zahnstangenverzahnung einstückig mit der Lenkstange ausgebildet sein, wobei selbstverständlich beide Teile aus dem gleichen Metall bestehen. Es können verschiedene Metalle eingesetzt werden, wobei Stahl grundsätzlich einen vorteilhaften Kompromiss hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften einerseits und der Material- bzw. Bearbeitungskosten andererseits darstellt. Unter Umständen könnten allerdings auch bspw. Legierungen von Aluminium, Kupfer oder anderen Metallen zum Einsatz kommen.In terms of a robust, long-lasting design of the steering gear, it is preferred that the rack teeth and the worm shaft are made of metal, in particular steel. This is in contrast, for example, to worm gear drives, which are often made of plastic parts in the power steering in the prior art. As already mentioned above, the rack teeth can be formed in one piece with the handlebar, both parts of course being made of the same metal. Various metals can be used, with steel basically representing an advantageous compromise with regard to the mechanical properties on the one hand and the material and processing costs on the other. Under certain circumstances, however, alloys of aluminum, copper or other metals could also be used.

Insbesondere kann die Schneckenwelle zylindrisch ausgebildet sein. D.h., der Radius der Windungen der Schneckenwelle ist entlang ihrer gesamten Länge konstant. Sofern die Zahnstangenverzahnung in einer Ebene verläuft, verläuft die Rotationsachse der Schneckenwelle bei dieser Ausgestaltung in der gleichen Ebene. Durch eine zylindrische Ausgestaltung wird ein maximal möglicher Verzahnungseingriff erreicht, was mit geringen lokalen Belastungen verbunden ist. Dies verringert wiederum den Verschleiß. Alternativ wäre auch eine konische bzw. zylinderstumpfförmige Ausbildung der Schneckenwelle denkbar, bei der der Radius der Windungen entlang der Schneckenwelle abnimmt. In diesem Fall verläuft die Schneckenachse im Winkel zur Ebene der Zahnstangenverzahnung.In particular, the worm shaft can be cylindrical. That is, the radius of the turns of the worm shaft is constant along its entire length. If the rack teeth run in one plane, the axis of rotation of the worm shaft runs in the same plane in this embodiment. The maximum possible tooth engagement is achieved by a cylindrical configuration, which is associated with low local loads. This in turn reduces wear. Alternatively, a conical or truncated cylinder design of the worm shaft would also be conceivable, in which the radius of the turns decreases along the worm shaft. In this case the worm axis runs at an angle to the rack toothing plane.

Normalerweise verläuft die Schneckenachse nicht parallel zur Lenkstangenachse. Die Ausrichtung der Zahnstangenverzahnung wird dabei einerseits durch den Steigungswinkel der Schneckenwelle sowie andererseits durch den Anstellwinkel zwischen Schneckenachse und Lenkstangenachse bestimmt. Insbesondere im Fall einer zylindrischen Ausbildung der Schneckenwelle muss letzterer Anstellwinkel normalerweise einen gewissen Mindestbetrag aufweisen, z.B. damit die Motoreinheit versetzt zur Lenkstange angeordnet sein kann. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass sich der Anstellwinkel zwischen Schneckenachse und Lenkstangenachse einerseits sowie der Steigungswinkel der Schneckenwelle andererseits gewissermaßen kompensieren, so dass die Zahnstangenverzahnung gerade verzahnt ist, also sämtliche Zähne rechtwinklig zur Lenkstangenachse verlaufen. Üblicherweise ist die Zahnstangenverzahnung jedoch als Schrägverzahnung ausgebildet. D.h. die einzelnen Zähne verlaufen in einem Winkel zur Lenkstangenachse, der von 90° verschieden ist.Normally the worm axis is not parallel to the handlebar axis. The alignment of the rack teeth is determined on the one hand by the helix angle of the worm shaft and on the other hand by the angle of attack between the worm axis and the steering rod axis. Particularly in the case of a cylindrical design of the worm shaft, the latter angle of attack must normally have a certain minimum amount, for example so that the motor unit can be arranged offset to the steering rod. In principle, it would be conceivable that the angle of attack between the worm axis and the steering rod axis on the one hand and the pitch angle of the worm shaft on the other hand compensate each other so that the rack teeth are straight, i.e. all the teeth are perpendicular to the steering rod axis. Usually, however, the rack teeth are designed as helical teeth. Ie the individual teeth run in one Angle to the handlebar axis that is different from 90 °.

Bevorzugt beträgt ein Schrägungswinkel der Schrägverzahnung höchstens 45°. Der Schrägungswinkel wird in diesem Zusammenhang relativ zu einer Ebene gemessen, die senkrecht zur Lenkstangenachse verläuft und hier als Stangenquerebene bezeichnet wird. Weiter bevorzugt kann der Schrägungswinkel höchstens 30° oder höchstens 20° betragen. Da die Kraftübertragung zwischen der Schneckenwelle und der Zahnstangenverzahnung überwiegend senkrecht zur Flankenlinie bzw. Kopflinie der Zähne der Zahnstangenverzahnung erfolgt, ist ein vergleichsweise geringer Schrägungswinkel vorteilhaft. Allgemein kann der Schrägungswinkel unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte gewählt werden, namentlich des Wirkungsgrades, der notwendigen Übersetzung sowie des verfügbaren Bauraums. In der Regel stellt die Wahl eines bestimmten Schrägungswinkels diesbezüglich einen Kompromiss dar.A helix angle of the helical toothing is preferably at most 45 °. In this context, the helix angle is measured relative to a plane that runs perpendicular to the handlebar axis and is referred to here as the transverse bar plane. More preferably, the helix angle can be at most 30 ° or at most 20 °. Since the power transmission between the worm shaft and the rack teeth is predominantly perpendicular to the flank line or head line of the teeth of the rack teeth, a comparatively small helix angle is advantageous. In general, the helix angle can be selected taking into account various aspects, namely the efficiency, the necessary gear ratio and the available installation space. As a rule, the choice of a certain helix angle represents a compromise in this regard.

Des Weiteren ist es bevorzugt, dass ein Anstellwinkel zwischen der Schneckenachse und der Lenkstangenachse höchstens 60° beträgt. Weiterhin kann der Anstellwinkel höchstens 50° oder höchstens 40° betragen. Normalerweise entspricht dieser Anstellwinkel bei einer zylindrischen Schneckenwelle der Summe aus dem Schrägungswinkel der Schrägverzahnung und dem Steigungswinkel der Schneckenwelle. Insofern steht die Begrenzung des o.g. Schrägungswinkel bis zu einem gewissen Grade mit einer Begrenzung des Anstellwinkels in Verbindung. Dies gilt insbesondere, da der Steigungswinkel der Schneckenwelle nicht beliebig groß gewählt werden kann.Furthermore, it is preferred that an angle of attack between the worm axis and the handlebar axis is at most 60 °. Furthermore, the angle of attack can be at most 50 ° or at most 40 °. In the case of a cylindrical worm shaft, this angle of incidence normally corresponds to the sum of the helix angle of the helical toothing and the helix angle of the worm shaft. In this respect, the limitation of the above-mentioned helix angle is connected to a certain extent with a limitation of the angle of attack. This is particularly true since the helix angle of the worm shaft cannot be chosen to be arbitrarily large.

Die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sind unterschiedlich. Bspw. kann eine Lenkstange dazu ausgebildet sein, zwei Räder zu lenken. Die Lenkstange weist dabei zwei Endabschnitte auf, von denen jeder zur direkten oder indirekten Anbindung an einen Lenkhebel eines Fahrzeugrades ausgebildet ist. D.h., bei einer Verschiebung der Lenkstange in Richtung der Lenkstangenachse werden beide Räder gleichzeitig gelenkt. Die Zahnstangenverzahnung der Lenkstange ist zwischen den Endabschnitten angeordnet, z.B. mittig bzw. zentriert. Je nach Anordnung anderer Fahrzeugkomponenten und vorhandenem Bauraum könnte die Zahnstangenverzahnung aber auch gegenüber der Mitte der Lenkstange versetzt angeordnet sein. Alternativ kann die Lenkstange auch dazu ausgebildet sein, genau ein Rad zu lenken. Dem entsprechend ist die Lenkstange nur zur Verbindung mit einem Lenkhebel ausgebildet. Insgesamt sind in diesem Fall für zwei auf unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs angeordneten Räder zwei Lenkstangen vorgesehen, von denen jede dazu ausgebildet ist, jeweils ein Rad zu lenken. Eine einzelne Motoreinheit muss zur Lenkung zweier Räder vergleichsweise leistungsstark und ausgelegt sein, was hinsichtlich des Bauraums problematisch sein kann, während zur Lenkung eines einzelnen Rades eine geringere Motorleistung ausreichend ist, verbunden mit einer geringeren Baugröße.The possible uses of the steering gear according to the invention are different. For example, a handlebar can be designed to steer two wheels. The handlebar has two end sections, each of which is designed for direct or indirect connection to a steering lever of a vehicle wheel. This means that when the handlebar is shifted in the direction of the handlebar axis, both wheels are steered at the same time. The rack teeth of the handlebar are arranged between the end sections, for example in the middle. Depending on the arrangement of other vehicle components and the available installation space, the rack teeth could also be arranged offset relative to the center of the steering rod. Alternatively, the handlebar can also be designed to steer exactly one wheel. Accordingly, the handlebar is only designed for connection to a steering lever. Overall, in this case two steering rods are provided for two wheels arranged on different sides of the vehicle, each of which is designed to steer one wheel each. A single motor unit must be comparatively powerful and designed to steer two wheels, which can be problematic with regard to the installation space, while a lower motor power, combined with a smaller size, is sufficient to steer a single wheel.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Lenkgetriebe zwei Motoreinheiten sowie zwei Schneckenwellen aufweisen, von denen jede an eine Antriebswelle einer Motoreinheit gekoppelt ist und mit einer Zahnstangenverzahnung der Lenkstange zusammenwirkt. D.h., bei dieser Ausführungsform wird die für die Verschiebung der Lenkstange notwendige Kraft bzw. Leistung durch zwei separate Motoreinheiten erzeugt. Es versteht sich, dass diese beiden Motoreinheiten über eine übergeordnete Steuereinheit so angesteuert werden können, dass sie zum Antrieb der Lenkstange zusammenwirken. Jede der Motoreinheiten weist eine Antriebswelle auf, an die jeweils eine Schneckenwelle gekoppelt ist. Durch die Kopplung ist eine Verdrehbarkeit der jeweiligen Schneckenwelle gegenüber der zugehörigen Antriebswelle wenigstens beschränkt. Insbesondere kann die Kopplung drehfest bzw. verdrehsicher sein. Jede Schneckenwelle wirkt wiederum mit wenigstens einer Zahnstangenverzahnung der Lenkstange zusammen. Die oben hinsichtlich der Schneckenwelle sowie der Zahnstangenverzahnung beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen können dabei in entsprechender Weise insbesondere auch auf beide Schneckenwellen sowie die jeweils zugeordnete Zahnstangenverzahnung angewendet werden. In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Ausgestaltungen möglich. Bspw. könnte die Lenkstange eine einzige Zahnstangenverzahnung aufweisen, wobei die Schneckenwellen mit in Richtung der Lenkstangenachse zueinander versetzten Abschnitten der Zahnstangenverzahnung zusammenwirken. Alternativ kann die Lenkstange zwei separate Zahnstangenverzahnungen aufweisen. Diese können einerseits entlang der Lenkstangenachse zueinander versetzt sein. Alternativ oder zusätzlich wäre aber bspw. auch denkbar, dass die Zahnstangenverzahnungen bezüglich der Lenkstangenachse tangential zueinander versetzt sind. Bspw. könnten sie auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lenkstange ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Schneckenwellen auf gegenüberliegenden Seiten der Lenkstange angeordnet. Somit ist die Lenkstange gewissermaßen zwischen den Schneckenwellen eingeschlossen, weshalb z.B. auf ein federbeaufschlagtes Druckstück verzichtet werden kann. Es bieten sich unterschiedlichste Gestaltungsmöglichkeiten, wobei insbesondere im Falle einer Schrägverzahnung die beiden Zahnstangenverzahnung in unterschiedlicher Richtung gegenüber der Stangenquerebene geneigt sein können. Hierdurch können sich seitens der Schneckenwellen in Richtung der Lenkstangenachse einwirkende Kräfte einander verstärken, während senkrecht zur Lenkstangenachse wirkende Kräfte bzw. hieraus resultierende Drehmomente sich gegenseitig aufheben. Hierdurch können bspw. Lager entlastet werden, mittels derer die Lenkstange gegenüber dem Gehäuse gelagert ist.According to a development of the invention, the steering gear can have two motor units and two worm shafts, each of which is coupled to a drive shaft of a motor unit and interacts with a rack toothing of the handlebar. In other words, in this embodiment, the force or power required to move the handlebar is generated by two separate motor units. It goes without saying that these two motor units can be controlled via a higher-level control unit in such a way that they interact to drive the handlebar. Each of the motor units has a drive shaft to each of which a worm shaft is coupled. The coupling at least limits the rotatability of the respective worm shaft with respect to the associated drive shaft. In particular, the coupling can be non-rotatable or non-rotatable. Each worm shaft in turn interacts with at least one rack toothing of the steering rod. The preferred configurations described above with regard to the worm shaft and the rack teeth can be used in a corresponding manner, in particular, on both worm shafts and the respectively assigned rack teeth. In this context, the most varied of configurations are possible. For example, the handlebar could have a single rack tooth system, the worm shafts interacting with sections of the rack teeth that are offset from one another in the direction of the handlebar axis. Alternatively, the handlebar can have two separate toothed rack teeth. On the one hand, these can be offset from one another along the handlebar axis. Alternatively or additionally, it would also be conceivable, for example, for the rack teeth to be offset tangentially to one another with respect to the handlebar axis. For example, they could be formed on opposite sides of the handlebar. In this case the worm shafts are arranged on opposite sides of the handlebar. The steering rod is thus to a certain extent enclosed between the worm shafts, which is why, for example, a spring-loaded pressure piece can be dispensed with. A wide variety of design options are available, with the two rack teeth being able to be inclined in different directions with respect to the transverse plane of the rod, in particular in the case of helical teeth. This allows the worm shafts to act in the direction of the steering rod axis Forces reinforce each other, while forces acting perpendicular to the handlebar axis or torques resulting therefrom cancel each other out. In this way, for example, bearings can be relieved, by means of which the steering rod is mounted relative to the housing.

Wie bereits oben beschrieben, eignet sich die erfindungsgemäß Getriebeeinheit insbesondere für Steer-by-Wire-Systeme oder autonome Lenksysteme. Die Anwendung ist allerdings nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann die Getriebeeinheit auch als Teil einer Servolenkung eingesetzt werden. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung wirkt eine Ritzelwelle, die zur drehmomentübertragenden Verbindung mit einem Lenkrad vorgesehen ist, mit der Lenkstange zusammen. Die Ritzelwelle ist in eingebautem Zustand drehmomentübertragend mit dem Lenkrad verbunden, d.h. es besteht eine mechanische, drehmomentübertragende Verbindung. Der Fahrer kann hierbei also prinzipiell über das Lenkrad unmittelbar eine Lenkkraft auf die Ritzelwelle und somit auf die Lenkstange ausüben, wobei die Lenkkraft durch die Wirkung der (wenigstens einen) Motoreinheit, der Schneckenwelle und der Zahnstangenverzahnung unterstützt wird. Die entsprechende Ritzelwelle trägt in bekannter Weise ein Ritzel, das normalerweise als Zahnrad mit gerader Verzahnung oder ggf. auch mit Schrägverzahnung ausgebildet ist. Dieses wiederum wird mit einer zugehörigen Zahnstangenverzahnung zusammen, die an der Lenkstange ausgebildet ist. In aller Regel handelt es sich hierbei um eine zusätzliche Zahnstangenverzahnung, die für das Zusammenwirken mit dem Ritzel optimiert ist, während die oben erwähnte Zahnstangenverzahnung für das Zusammenwirken mit der Schneckenwelle optimiert ist. Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass sowohl das Ritzel auch als auch die Schneckenwelle mit unterschiedlichen Abschnitten ein und derselben Zahnstangenverzahnung zusammenwirken könnten.As already described above, the transmission unit according to the invention is particularly suitable for steer-by-wire systems or autonomous steering systems. However, the application is not limited to this. Rather, the gear unit can also be used as part of a power steering system. In a corresponding embodiment, a pinion shaft, which is provided for the torque-transmitting connection with a steering wheel, interacts with the handlebar. When installed, the pinion shaft is connected to the steering wheel to transmit torque, i.e. there is a mechanical, torque-transmitting connection. In principle, the driver can directly exert a steering force on the pinion shaft and thus on the handlebar via the steering wheel, the steering force being supported by the action of the (at least one) motor unit, the worm shaft and the rack teeth. The corresponding pinion shaft carries a pinion in a known manner, which is normally designed as a gear with straight teeth or possibly also with helical teeth. This in turn is combined with an associated rack toothing which is formed on the handlebar. As a rule, this is an additional rack toothing that is optimized for interaction with the pinion, while the above-mentioned rack toothing is optimized for interaction with the worm shaft. However, it cannot be ruled out that both the pinion and the worm shaft could interact with different sections of one and the same rack toothing.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

  • 1 eine Draufsicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 eine Draufsicht des Lenkgetriebes aus 1;
  • 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 4 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer dritten Ausführungsform;
  • 5 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer vierten Ausführungsform; sowie
  • 6 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer fünften Ausführungsform.
Further advantageous details and effects of the invention are explained in more detail below on the basis of different exemplary embodiments shown in the figures. It shows
  • 1 a plan view of part of a steering gear according to the invention according to a first embodiment;
  • 2 a top view of the steering gear 1 ;
  • 3 a plan view of a steering gear according to the invention according to a second embodiment;
  • 4th a plan view of a steering gear according to the invention according to a third embodiment;
  • 5 a plan view of a steering gear according to the invention according to a fourth embodiment; such as
  • 6th a plan view of a steering gear according to the invention according to a fifth embodiment.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts are always provided with the same reference numerals, which is why they are usually only described once.

1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1 für einen PKW, wobei 1 eine Draufsicht eines Teils des Lenkgetriebes 1 und 2 eine Draufsicht des gesamten Lenkgetriebes 1 zeigt. Das Lenkgetriebe 1 ist Teil eines Steer-By-Wire-Systems oder eines autonomen Lenksystems, so dass keine mechanische Kraftübertragung von einem Lenkrad des Fahrzeugs zu den Rädern gegeben ist. In den Figuren sind die X-Achse sowie Y-Achse des Fahrzeugs entsprechend der vorgesehenen Einbauposition des Lenkgetriebes 1 eingezeichnet. 1 and 2 show a first embodiment of a steering gear according to the invention 1 for a car, where 1 a plan view of part of the steering gear 1 and 2 a top view of the entire steering gear 1 shows. The steering gear 1 is part of a steer-by-wire system or an autonomous steering system, so that there is no mechanical power transmission from a steering wheel of the vehicle to the wheels. In the figures, the X-axis and Y-axis of the vehicle are in accordance with the intended installation position of the steering gear 1 drawn.

Das Lenkgetriebe weist eine Lenkstange 2 auf, die sich entlang einer Lenkstangenachse L erstreckt und entlang dieser gegenüber einem (in 2 schematisch dargestellten) Gehäuse 20 verschiebbar ist. Radseitige Endabschnitte 2.1, 2.2 der Lenkstange 2 sind mit Lenkhebeln 15 verbunden, über welche die Ausrichtung von (nicht dargestellten) Fahrzeugrädern beeinflusst wird. Die Lenkstange 2 weist außerdem eine Zahnstangenverzahnung 2.3 auf, welche einstückig mit dem Rest der Lenkstange 2 aus Stahl gefertigt ist. Eine Schneckenwelle 4 wirkt mit der Zahnstangenverzahnung 2.3 zusammen, wodurch die Lenkstange 2 entlang der Lenkstangenachse L gegenüber dem Gehäuse 20 verschiebbar ist. Zur Verbesserung des Eingriffs können die Lenkstange 2 und die Schneckenwelle 4 in hier nicht dargestellter Weise gegeneinander vorgespannt sein. Die Schneckenwelle 4 ist um eine Schneckenachse S drehbar, die durch eine Antriebswelle 5 eines Elektromotors 6 vorgegeben ist. Letzterer ist außerhalb des Gehäuses 20 angeordnet, könnte aber alternativ auch innerhalb desselben angeordnet sein. Zur Lagerung gegenüber dem Gehäuse 20 sind zwei schematisch dargestellte Drehlager 7 vorgesehen. Die Schneckenwelle 4 ist verdrehsicher mit der Antriebswelle 5 verbunden und kann auch einstückig mit dieser z.B. aus Stahl gefertigt sein. Alternativ kann aber auch ein (hier stark schematisch durch eine gestrichelte Kontur dargestelltes) Kupplungselement 3 zur Verbindung der Schneckenwelle 4 mit der Antriebswelle 5 vorgesehen sein, welches wenigstens teilweise elastisch ausgebildet sein kann. Hierdurch können Positionsabweichungen ausgeglichen und die Übertragung von Geräuschen bzw. Vibrationen unterdrückt werden. In den weiteren Figuren ist das Kupplungselement 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, es kann aber in jeder der gezeigten Ausführungsformen ergänzt werden.The steering gear has a handlebar 2 on, which extends along a handlebar axis L. extends along this opposite a (in 2 schematically shown) housing 20th is movable. Wheel-side end sections 2.1 , 2.2 the handlebar 2 are with steering levers 15th connected, via which the alignment of (not shown) vehicle wheels is influenced. The handlebar 2 also has rack and pinion teeth 2.3 on which is integral with the rest of the handlebar 2 is made of steel. A worm shaft 4th works with the rack teeth 2.3 together, making the handlebar 2 along the handlebar axis L. opposite the housing 20th is movable. The handlebar can be used to improve the engagement 2 and the worm shaft 4th be biased against one another in a manner not shown here. The worm shaft 4th is around a screw axis S. rotatable by a drive shaft 5 an electric motor 6th is given. The latter is outside the case 20th arranged, but could alternatively also be arranged within the same. For storage opposite the housing 20th are two pivot bearings shown schematically 7th intended. The worm shaft 4th is twist-proof with the drive shaft 5 connected and can also be made in one piece with this, for example from steel. Alternatively, however, a coupling element (shown here very schematically by a dashed contour) can also be used 3 to connect the worm shaft 4th with the drive shaft 5 be provided, which can be at least partially elastic. In this way, position deviations can be compensated and the transmission of noise or vibrations can be suppressed. In the other figures is the coupling element 3 omitted for the sake of clarity, but it can be supplemented in any of the embodiments shown.

Wie in 1 erkennbar ist, ist die Zahnstangenverzahnung 2.3 als Schrägverzahnung ausgebildet und weist einen Schrägungswinkel α gegenüber einen zur Lenkwellenachse L senkrechten Stangenquerebene Q auf. Der Schrägungswinkel α ist allerdings kleiner als 45°, im vorliegenden Beispiel ca. 20°. In diesem sowie den folgenden Ausführungsbeispielen verläuft die Schneckenachse S jeweils innerhalb der X-Y-Ebene des Fahrzeugs. Alternativ könnte die Schneckenachse S auch eine beliebige andere Ausrichtung haben, da im Unterschied bspw. zu einer Ritzelwelle eines herkömmlichen Lenkgetriebes keine mechanische Anbindung an ein Lenkrad notwendig ist. Ein Anstellwinkel β der Schneckenachse S gegenüber der Lenkstangenachse L ist deutlich kleiner als 60°, im vorliegenden Beispiel ca. 30°.As in 1 is recognizable, is the rack teeth 2.3 designed as helical teeth and has a helix angle α opposite one to the steering shaft axis L. vertical bar transverse plane Q on. The helix angle α is, however, smaller than 45 °, in the present example approx. 20 °. In this and the following exemplary embodiments, the screw axis runs S. each within the XY plane of the vehicle. Alternatively, the screw axis could S. also have any other orientation, since in contrast to, for example, a pinion shaft of a conventional steering gear, no mechanical connection to a steering wheel is necessary. An angle of attack β the screw axis S. opposite the handlebar axis L. is significantly smaller than 60 °, in the present example approx. 30 °.

1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Lenkgetriebes 1, die für ein Steer-by-Wire-System oder ein autonomes Lenksystem vorgesehen ist. Es gibt dabei keine mechanische Anbindung der Lenkstange 2 an ein Lenkrad. Der Elektromotor 6 wird im Falle eines Steer-By-Wire-Systems in Abhängigkeit vom sensorisch festgestellten Einschlag eines Lenkrads angesteuert oder aber durch Vorgaben einer Steuereinheit eines autonomen Lenksystems. 1 and 2 show an embodiment of a steering gear 1 intended for a steer-by-wire system or an autonomous steering system. There is no mechanical connection to the handlebar 2 on a steering wheel. The electric motor 6th is controlled in the case of a steer-by-wire system as a function of the angle of a steering wheel determined by sensors or by specifications of a control unit of an autonomous steering system.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1, das ebenfalls für ein Steer-by-Wire-System oder ein autonomes Lenksystem vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Lenkstange 2 allerdings zur Lenkung eines einzelnen Fahrzeugrades vorgesehen, weshalb lediglich ein Endabschnitt 2.1 mit einem Lenkhebel 15 verbunden ist. Es versteht sich, dass für das gegenüberliegende Fahrzeugrad ein entsprechendes, bspw. spiegelsymmetrisch aufgebautes Lenkgetriebe 1 vorgesehen ist. Dadurch, dass bei dieser Ausführungsform der Elektromotor 6 lediglich die Antriebskraft zur Lenkung eines einzelnen Fahrzeugrades bereitstellen muss, kann er leistungsschwächer und insofern kleiner ausgestaltet sein. Selbstverständlich ermöglicht die dargestellte Ausführungsform auch eine unterschiedliche Einstellung der Lenkwinkel der beiden Fahrzeugräder, falls dies als vorteilhaft erachtet wird. 3 shows a second embodiment of a steering gear according to the invention 1 , which is also intended for a steer-by-wire system or an autonomous steering system. In this case the handlebar is 2 however, intended for steering a single vehicle wheel, which is why only one end section 2.1 with a steering lever 15th connected is. It goes without saying that a corresponding, for example, mirror-symmetrical steering gear for the opposite vehicle wheel 1 is provided. The fact that in this embodiment the electric motor 6th only has to provide the driving force for steering an individual vehicle wheel, it can be designed to be less powerful and therefore smaller. Of course, the illustrated embodiment also enables the steering angles of the two vehicle wheels to be set differently, if this is considered advantageous.

4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1, die weitgehend mit der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform identisch ist und insofern nicht nochmals erläutert wird. Allerdings ist das gezeigte Lenkgetriebe 1 als Servo-Lenksystem ausgelegt, wobei die Lenkstange 2 eine zweite Zahnstangenverzahnung 2.4 aufweist, mit welcher ein Ritzel 8 eingreift, das an einer Ritzelwelle 9 gekoppelt ist. Diese ist durch wenigstens ein Drehlager 10 drehbar am Gehäuse 20 gelagert und in hier nicht dargestellter Weise mechanisch an ein Lenkrad gekoppelt. Ein eingestellter Lenkwinkel des Lenkrads kann über Sensoren ausgelesen werden, wonach eine Steuereinheit den Elektromotor 6 entsprechend dem festgestellten Lenkwinkel ansteuern kann, um eine unterstützende Antriebskraft auf die Lenkstange 2 auszuüben. Die Ritzelwelle 9 verläuft in der gezeigten Ausführungsform parallel zur X-Achse, könnte aber auch einen anderen Verlauf haben, bspw. auch außerhalb der X-Y-Ebene. 4th shows a third embodiment of a steering gear according to the invention 1 which largely coincides with the in 1 and 2 embodiment shown is identical and will not be explained again. However, the steering gear shown is 1 designed as a power steering system, with the steering rod 2 a second rack toothing 2.4 has, with which a pinion 8 which is coupled to a pinion shaft 9 engages. This is through at least one pivot bearing 10 rotatable on the housing 20th stored and mechanically coupled to a steering wheel in a manner not shown here. A set steering angle of the steering wheel can be read out via sensors, after which a control unit controls the electric motor 6th can control according to the determined steering angle to a supporting drive force on the handlebar 2 exercise. In the embodiment shown, the pinion shaft 9 runs parallel to the X-axis, but could also have a different course, for example also outside the XY plane.

5 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1. Hierbei sind im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel zwei Schneckenwellen 4, 11 vorgesehen, die mit zwei separaten Zahnstangenverzahnungen 2.3, 2.5 zusammenwirken. Die zweite Schneckenwelle 11 ist mit einer Antriebswelle 12 eines zweiten Elektromotors 13 verbunden und über Drehlager 14 um eine zweite Schneckenachse S' drehbar gelagert. Der Schrägungswinkel der zweiten Zahnstangenverzahnung 2.5 entspricht betragsmäßig dem der ersten Zahnstangenverzahnung 2.3, allerdings sind die Zahnstangenverzahnungen 2.3, 2.5 in unterschiedlicher Richtung gegen die Stangenquerebenen Q geneigt. Auch die Anstellwinkel der beiden Schneckenachsen S, S' gegenüber der Lenkstangenachse L sind betragsmäßig gleich, allerdings entgegengesetzt. Beim Betrieb der beiden Elektromotoren 6, 13 addieren sich die in Richtung der Lenkstangenachse L auf die Lenkstange wirkenden Kräfte, die über die beiden Schneckenwellen 4, 11 auf die Zahnstangenverzahnungen 2.3, 2.5 ausgeübt werden. Die ebenfalls auftretenden Kräfte quer zur Lenkstangenachse L hingegen heben sich gegenseitig auf, was unter Umständen die Belastung der Lenkstange 2 reduziert sowie deren Lagerung am Gehäuse 20 vereinfacht. Außerdem ist die notwendige Antriebsleistung jedes der Elektromotoren 6, 13 selbstverständlich geringer als bei einem einzelnen Elektromotor 6, 13, was eine kleinere und platzsparende Auslegung ermöglicht. 5 shows a fourth embodiment of a steering gear according to the invention 1 . In contrast to the first exemplary embodiment, there are two worm shafts 4th , 11 provided with two separate rack teeth 2.3 , 2.5 work together. The second worm shaft 11 is with a drive shaft 12 a second electric motor 13th connected and via pivot bearings 14th around a second screw axis S ' rotatably mounted. The helix angle of the second rack teeth 2.5 corresponds to the amount of the first rack toothing 2.3 , however, are the rack teeth 2.3 , 2.5 in different directions against the bar transverse planes Q inclined. Also the angle of attack of the two screw axes S. , S ' opposite the handlebar axis L. are equal in amount, but opposite. When operating the two electric motors 6th , 13th add up in the direction of the handlebar axis L. Forces acting on the steering rod via the two worm shafts 4th , 11 on the rack teeth 2.3 , 2.5 be exercised. The forces that also occur transversely to the handlebar axis L. however, cancel each other out, which may reduce the load on the handlebar 2 reduced as well as their storage on the housing 20th simplified. In addition, each of the electric motors has the necessary drive power 6th , 13th naturally less than with a single electric motor 6th , 13th , which enables a smaller and space-saving design.

6 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Schneckenwellen 4, 11 vorgesehen, welche allerdings auf gegenüberliegenden Seiten der Lenkstange 2 angeordnet sind. Entsprechend ist zusätzlich zu der in 6 sichtbaren ersten Zahnstangenverzahnung 2.3 eine zweite, in 6 verdeckte, Zahnstangenverzahnung auf der gegenüberliegenden Seite der Lenkstange 2 ausgebildet. Diese kann ebenfalls einen Schrägungswinkel aufweisen, der betragsmäßig dem der ersten Zahnstangenverzahnung 2.3 entspricht, wobei die zweite Zahnstangenverzahnung allerdings entgegengesetzt zur ersten Zahnstangenverzahnung 2.3 geneigt ist. Wie in 5 können hierdurch quer zur Lenkstangenachse L wirkende Kräfte einander kompensieren. Da die Lenkstange 2 gewissermaßen zwischen den Schneckenwellen 4, 11 eingeschlossen ist, kann außerdem auf ein Druckstück verzichtet werden, um die Lenkstange 2 gegen eine der Schneckenwellen 4, 11 vorzuspannen. 6th shows a fifth embodiment of a steering gear according to the invention 1 . In this embodiment, too, there are two worm shafts 4th , 11 provided, but on opposite sides of the handlebar 2 are arranged. Accordingly, in addition to the in 6th visible first rack teeth 2.3 a second, in 6th concealed, rack teeth on the opposite side of the handlebar 2 educated. This can also have a helix angle the amount of which is that of the first rack toothing 2.3 corresponds, the second rack teeth, however, opposite to the first rack teeth 2.3 is inclined. As in 5 can thereby transversely to the handlebar axis L. acting forces compensate each other. As the handlebar 2 in a way between the worm shafts 4th , 11 is included, can also be dispensed with a pressure piece to the handlebar 2 against one of the worm shafts 4th , 11 pre-tension.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
LenkgetriebeSteering gear
22
LenkstangeHandlebar
2.1, 2.22.1, 2.2
EndabschnittEnd section
2.3, 2.4, 2.52.3, 2.4, 2.5
ZahnstangenverzahnungRack teeth
33
KupplungselementCoupling element
4, 114, 11
SchneckenwelleWorm shaft
5, 125, 12
Antriebswelledrive shaft
6, 136, 13
ElektromotorElectric motor
7, 10, 147, 10, 14
DrehlagerPivot bearing
1515th
LenkhebelSteering lever
2020th
Gehäusecasing
LL.
LenkstrangenachseSteering rod axis
QQ
StangenquerebeneBar transverse plane
S, S'S, S '
SpindelachseSpindle axis
XX
X-AchseX axis
YY
Y-AchseY axis
αα
SchrägungswinkelHelix angle
ββ
AnstellwinkelAngle of attack

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP H01168568 A [0004]JP H01168568 A [0004]
  • US 2016/0362130 A1 [0005]US 2016/0362130 A1 [0005]
  • US 7900890 B2 [0006]US 7900890 B2 [0006]
  • US 2014/0041957 A1 [0007]US 2014/0041957 A1 [0007]

Claims (10)

Lenkgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkstange (2), die eine Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) aufweist, sowie einer um eine Schneckenachse (S, S') antreibbaren Schneckenwelle (4, 11), die mit der Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) zusammenwirkt, um die Lenkstange (2) relativ zu einem Gehäuse (20) entlang einer Lenkstangenachse (L) der Lenkstange (2) zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwelle (4, 11) derart an eine Antriebswelle (5, 12) einer Motoreinheit (6, 13) gekoppelt ist, dass eine Verdrehbarkeit gegenüber der Antriebswelle (5, 12) wenigstens beschränkt ist.Steering gear (1) for a motor vehicle, with a steering rod (2) which has rack teeth (2.3, 2.5), and a worm shaft (4, 11) which can be driven about a worm axis (S, S ') and which is connected to the rack teeth (2.3 , 2.5) cooperates to move the handlebar (2) relative to a housing (20) along a handlebar axis (L) of the handlebar (2), characterized in that the worm shaft (4, 11) is connected to a drive shaft (5, 12) a motor unit (6, 13) is coupled so that the rotatability relative to the drive shaft (5, 12) is at least limited. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwelle (4, 11) durch ein elastisches Kupplungselement (3) mit der Antriebswelle (5, 12) verbunden ist.Steering gear according to Claim 1 , characterized in that the worm shaft (4, 11) is connected to the drive shaft (5, 12) by an elastic coupling element (3). Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) und die Schneckenwelle (4, 11) aus Metall, insbesondere Stahl, ausgebildet sind.Steering gear according to one of the preceding claims, characterized in that the rack teeth (2.3, 2.5) and the worm shaft (4, 11) are made of metal, in particular steel. Lenkgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwelle (4, 11) zylindrisch ausgebildet ist.Steering gear according to Claim 3 , characterized in that the worm shaft (4, 11) is cylindrical. Lenkgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) als Schrägverzahnung ausgebildet ist.Steering gear according to Claim 3 , characterized in that the rack teeth (2.3, 2.5) are designed as helical teeth. Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schrägungswinkel (a) der Schrägverzahnung höchstens 45° beträgt.Steering gear according to one of the preceding claims, characterized in that a helix angle (a) of the helical toothing is at most 45 °. Lenkgetriebe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel (β) zwischen der Schneckenachse (S, S') und der Lenkstangenachse (L) höchstens 60° beträgt.Steering gear according to Claim 4 or 5 , characterized in that an angle of attack (β) between the screw axis (S, S ') and the handlebar axis (L) is at most 60 °. Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lenkstange (2) dazu ausgebildet ist, zwei Räder zu lenken, oder dazu, genau ein Rad zu lenken.Steering gear according to one of the preceding claims, characterized in that a handlebar (2) is designed to steer two wheels, or to steer precisely one wheel. Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwei Motoreinheiten (6, 13) sowie zwei Schneckenwellen (4, 11) aufweist, von denen jede an eine Antriebswelle (5, 12) einer Motoreinheit (6, 13) gekoppelt ist und mit einer Zahnstangenverzahnung (2.3, 2.5) der Lenkstange (2) zusammenwirkt.Steering gear according to one of the preceding claims, characterized in that it has two motor units (6, 13) and two worm shafts (4, 11), each of which is coupled to a drive shaft (5, 12) of a motor unit (6, 13) and interacts with a rack toothing (2.3, 2.5) of the steering rod (2). Lenkgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ritzelwelle (9), die zur drehmomentübertragenden Verbindung mit einem Lenkrad vorgesehen ist, mit der Lenkstange (2) zusammenwirkt.Steering gear according to one of the preceding claims, characterized in that a pinion shaft (9), which is provided for the torque-transmitting connection with a steering wheel, interacts with the steering rod (2).
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