DE102019201933A1

DE102019201933A1 - Lenksystem

Info

Publication number: DE102019201933A1
Application number: DE102019201933.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Hetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2020-08-20
Also published as: CN113382914A; US20220119034A1; WO2020164774A1; CN113382914B

Abstract

Es ist ein Lenksystem vorgesehen, das eine in einem Gehäuse 5 längsaxial verschiebbar gelagerte Lenkstange 6 und einen Lenkmotor 9 aufweist, wobei der Lenkmotor 9 über einen Kugelgewindetrieb 10 auf die Lenkstange 6 wirkt, wozu die Lenkstange 6 in zumindest einem Abschnitt ein Kugelumlaufgewinde 11 ausbildet, das über kugelförmige Übertragungselemente 12 mit einer von dem Lenkmotor 9 antreibbaren Getriebemutter 4 zusammenwirkt. Weiterhin ist ein Getrieberad 1 eines Zugmittelgetriebes, über das eine Antriebsleistung des Lenkmotors 9 auf die Getriebemutter 4 übertragbar ist, kippfest an einen Innenring 3 eines Drehlagers 2 angebunden. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Getriebemutter 4 schwenkbar um eine beliebige Schwenkachse, die senkrecht zu der Längsachse 7 der Lenkstange 6 ausgerichtet ist, an dem Getrieberad 4 gelagert ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung des Lenkgetriebes kann eine Entkopplung der infolge einer Biegebelastung der Lenkstange 6 verschwenkten Getriebemutter 4 von dem Drehlager 2 erreicht werden, wodurch mehrere Vorteile realisiert werden können. Einer dieser Vorteile liegt in einer selbsttätigen Eliminierung von Spiel des Drehlagers 2, wodurch ungewollte Geräuschentwicklungen vermieden oder reduziert werden können. Weiterhin kann die Getriebemutter 4 von einer Zugbelastung des Getrieberads entkoppelt werden. Gleichzeitig kann das Lenksystem einen relativ einfachen konstruktiven und damit robusten Aufbau aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem mit einer in einem Gehäuse längsaxial verschiebbar gelagerten Lenkstange und mit einem Lenkmotor, der über einen Kugelgewindetrieb auf die Lenkstange wirkt, wozu die Lenkstange in zumindest einem Abschnitt ein Kugelumlaufgewinde ausbildet, das mit einer von dem Lenkmotor antreibbaren Getriebemutter zusammenwirkt, wobei die Getriebemutter mittels einer Lageranordnung drehbar in dem Gehäuse gelagert ist.
Für die drehbare Lagerung der Getriebemutter des Kugelgewindetriebes wird häufig ein Kugellager in Form eines Vierpunktlagers eingesetzt. Ein solches Vierpunktlager ist dann üblicherweise starr auf der Getriebemutter verbaut oder der Lagerinnenring ist in die Getriebemutter integriert. Ein Vierpunktlager kommt üblicherweise deswegen zum Einsatz, weil dieses in dem Lenksystems erhebliche Axialkräfte übertragen muss.
Zur Übertragung des Antriebsmoments des Lenkmotors werden häufig Riemengetriebe verwendet. Dabei ist häufig ein Riemenrad des Riemengetriebes starr mit der Getriebemutter des Kugelgewindetriebs verbunden. Dadurch stützt sich der Riemenzug hauptsächlich über den Kugelgewindetrieb ab.
Damit beim Umlenken (Lenkrichtungswechsel) und beim Befahren von Schlechtwegstrecken durch ein ein entsprechendes Lenksystem umfassendes Kraftfahrzeug ungewollte Geräuschentwicklungen möglichst vermieden werden, ist das Vierpunktlager eines solchen Lenksystems üblicherweise mit einem relativ kleinen Axialspiel ausgeführt. Ist das Axialspiel des Vierpunktlagers nämlich zu groß, dann werden die Kugeln des Vierpunktlagers über das freie Axialspiel beim Umlenken so stark beschleunigt, dass Sie beim Aufprallen auf die gegenüberliegende Laufbahnflanke ein Stoßgeräusch erzeugen. Die Lösung, das Vierpunktlager eines solchen Lenksystems mit einem relativ kleinen Axialspiel auszuführen, funktioniert jedoch häufig nicht ausreichend gut, so dass es dann doch zu Geräuschauffälligkeiten bei entsprechenden Lenksystemen kommt.
Weiterhin wird der Kugelgewindetrieb durch Bauteiltoleranzen der einzelnen Komponenten bei der Montage eines solchen Lenksystems verspannt. Durch diese Verspannung des Kugelgewindetriebs entsteht eine relativ hohe Reibung im Kugelgewindetrieb, welche sich als Ungleichförmigkeiten in der Verschiebekraft des Kugelgewindetriebes auswirken können.
Um Verspannungen des Kugelgewindetriebes bei der Montage des Lenksystems gering zu halten, werden Federelemente eingesetzt, die beispielsweise am Außenring des Vierpunktlagers angeordnet sind. Diese Federelemente haben gegebenenfalls zusätzlich die Aufgabe, den Kugelgewindetrieb biegeweich zu lagern, um auftretende Querbelastungen, die aus der Einfederung und Pfeilung von mit der Lenkstange verbunden Spurstangen des Lenksystems resultieren, auf den Kugelgewindetrieb zu minimieren. Der mit einem solchen konstruktiven Aufbau zu erzielende Kippwinkel ist jedoch meistens nicht ausreichend, um den Kugelgewindetrieb vor Schäden, die aus hohen Querkräften, die von den Spurstangen auf die Lenkstange übertragen werden, zu schützen. Zudem kann mittels der Federelemente eine ungewollte Geräuschentwicklung des Vierpunktlagers beim Umlenken häufig nicht ausreichend gering gehalten werden.
In der WO 2015/169735 A1 ist ein Kugelgewindetrieb für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs beschrieben, bei dem die Getriebemutter in einem Gelenkring aufgenommen ist, dessen Mantelfläche auch bezüglich seiner Längsrichtung gekrümmt verlaufend ausgebildet ist, wobei diese längsaxial gekrümmte Mantelfläche des Gelenkrings die Innenfläche des Innenrings eines Kugellagers, das zur drehbaren Lagerung der Getriebemutter dient, kontaktiert. Dabei ist die Innenfläche des Innenrings zumindest in einem Abschnitt mit einer zu der längsaxialen Krümmung des Gelenkrings korrespondierenden Krümmung versehen, wodurch der Gelenkring und der Innenring des Kugellagers ein Schwenklager ausbilden, das ein Schwenken der Getriebemutter um beliebige radial zu der Längsachse der Getriebemutter ausgerichtete Schwenkachsen ermöglicht. Bei dem Lenksystem gemäß der WO 2015/169735 A1 ist zudem ein als Hohlrad ausgebildetes Getrieberad eines Riemengetriebes mit dem Innenring des Kugellagers verbunden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einem Lenksystem mit einem Kugelgewindetrieb die angesprochenen Probleme auf möglichst einfache Weise und so gut wie möglich zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird mittels eines Lenksystems gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lenksystems sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Lenksystem vorgesehen, das zumindest eine in einem Gehäuse längsaxial verschiebbar gelagerte Lenkstange und einen Lenkmotor aufweist, wobei der Lenkmotor über einen Kugelgewindetrieb auf die Lenkstange wirkt, wozu die Lenkstange in zumindest einem Abschnitt ein Kugelumlaufgewinde ausbildet, das über kugelförmige Übertragungselemente mit einer von dem (vorzugsweise elektrischen, gegebenenfalls auch hydraulischen) Lenkmotor antreibbaren Getriebemutter zusammenwirkt. Die Getriebemutter ist dabei mittels einer Lageranordnung drehbar innerhalb des Gehäuses gelagert. Weiterhin ist ein Getrieberad eines Zugmittelgetriebes, beispielsweise eines Zahnriemengetriebes, über das eine Antriebsleistung des Lenkmotors auf die Getriebemutter übertragbar ist, kippfest und vorzugsweise auch drehfest an einen Innenring eines Drehlagers der Lageranordnung, das vorzugsweise in Form eines Wälzlagers ausgebildet ist, angebunden. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Getriebemutter schwenkbar um eine (insbesondere um jede) Schwenkachse, die senkrecht bezüglich der Längsachse der Lenkstange ausgerichtet ist, an dem Getrieberad gelagert ist.
Als „kippfest“ wird dabei verstanden, dass ein Kippen des Getrieberads um eine beliebige bzw. um jede senkrecht zu seiner Längsachse gelegene Kippachse auf den Innenring des Drehlagers übertragen wird.
Aufgrund einer solchen Ausgestaltung eines Lenkgetriebes, bei der ein die Schwenkbarkeit der Getriebemutter gewährleistendes Schwenklager an dem Getrieberad und nicht an dem Drehlager selbst ausgebildet ist, kann eine Entkopplung der infolge einer entsprechenden Biegebelastung der Lenkstange verschwenkten Getriebemutter von dem Drehlager erreicht werden, wodurch mehrere Vorteile realisiert werden können. Einer dieser Vorteile liegt in einer selbsttätigen Eliminierung von Spiel des Drehlagers, wodurch ungewollte Geräuschentwicklungen vermieden oder reduziert werden können. Diese selbsttätige Eliminierung von Spiel des Drehlagers ist in der kippfesten Anbindung des Getrieberads an den Innenring des Drehlagers in Verbindung mit der weiterhin durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lenksystems realisierten Entkopplung des Drehlagers von Schwenkbewegungen der Getriebemutter, die durch die Ausbildung des Schwenklagers an dem Getrieberad realisiert ist, begründet. Lagerspiel und insbesondere Axialspiel des Drehlagers kann auf diese Weise nämlich durch die auf das Getrieberad wirkende Zugbelastung des Zugmittelgetriebes eliminiert wird, indem diese Zugbelastung zu einem geringfügigen und von Schwenkbewegungen der Getriebemutter entkoppelten Kippen des Innenrings des Kugellagers führt.
Weiterhin kann infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Lenksystems eine Entkopplung der Getriebemutter von einer Zugbelastung des Getrieberads des Zugmittelgetriebes realisiert werden, was sich positiv hinsichtlich des Erreichens eines möglichst optimalen und insbesondere auch gleichbleibenden Reibungswiderstands in den Relativbewegungen des Kugelgewindetriebs auswirkt.
Gleichzeitig kann ein erfindungsgemäßes Lenksystem trotz dieser erzielbaren Vorteile einen relativ einfachen konstruktiven und damit robusten Aufbau aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems kann vorgesehen sein, dass das Getrieberad als Getriebehohlrad ausgebildet ist und die Getriebemutter einen gekrümmten, vorzugsweise teilsphärisch gekrümmten Gelenkabschnitt aufweist, der mit einem gekrümmten, vorzugsweise ebenfalls teilsphärisch gekrümmten Gelenkabschnitt, der zumindest teilweise, gegebenenfalls vollständig von dem Getrieberad ausgebildet ist, zur Ausbildung eines Schwenklagers zusammenwirkt. Dadurch kann insbesondere eine Ausgestaltung des Lenksystems realisiert werden, bei der das Lenkgetriebe des Lenksystems, d.h. die Einheit derjenigen Komponenten, mittels der eine Antriebsleistung von dem Lenkmotor auf die Lenkstange übertragen wird, eine besonders kompakte Ausgestaltung zumindest bezüglich der Erstreckung entlang der Längsachse der Lenkstange realisiert werden.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Gelenkabschnitt der Getriebemutter und dem Gelenkabschnitt des Getrieberads eine Gleitlagerschicht angeordnet ist, wodurch eine möglichst leichtgängige Schwenkbarkeit der Getriebemutter relativ zu dem Getrieberad realisiert werden kann. Dabei kann diese Gleitlagerschicht vorzugsweise in Form eines separaten Bauteils, insbesondere eines Bauteils aus Kunststoff (z.B. aus PTFE oder PTFE umfassend), ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft wirkt sich eine solche Gleitlagerschicht aus, wenn, wie dies grundsätzlich bevorzugt ist, die Getriebemutter und/oder das Getrieberad vorzugsweise vollständig, zumindest jedoch in den die gekrümmten Gelenkabschnitte ausbildenden Bereichen aus Metall ausgebildet ist/sind.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Gelenkabschnitt der Getriebemutter und/oder der Gelenkabschnitt des Getrieberads derart elastisch beaufschlagt ist/sind, dass sich ein spielfreier (direkter oder indirekter) Kontakt zwischen den Gelenkabschnitten einstellt. Dadurch kann eine selbsttätige Ein- und Nachstellung für das Schwenklager realisiert werden, so dass dieses Schwenklager jederzeit, d.h. auch nach einem länger andauernden Betrieb des Lenksystems, möglichst spielfrei ist, was sich vorteilhaft hinsichtlich des Lenkverhaltens sowie hinsichtlich der Geräuschentwicklung im Betrieb des Lenksystems auswirkt.
Eine solche elastische Beaufschlagung des Gelenkabschnitts der Getriebemutter und/oder des Gelenkabschnitts des Getrieberads kann in konstruktiv vorteilhafter Weise dadurch realisiert sein, dass ein erster Teilabschnitt des Gelenkabschnitts der Getriebemutter und/oder ein erster Teilabschnitt des Gelenkabschnitts des Getrieberads axial bezüglich der Längsachse der Lenkstange relativ zu einem (jeweils) zugehörigen zweiten Teilabschnitt verschiebbar und mittels einer vorgespannten Beaufschlagungsvorrichtung beaufschlagt ist.
Die Beaufschlagungsvorrichtung kann dabei weiterhin bevorzugt ein erstes Ringelement (das gegebenenfalls den ersten oder zweiten Teilabschnitt selbst ausbildet) und ein zweites Ringelement aufweisen, wobei diese Ringelemente jeweils eine Stirnseite aufweisen, die zumindest abschnittsweise als (gegenüber einer Radialebene schräg ausgerichtete) Schrägfläche ausgebildet sind, wobei die Schrägflächen der beiden Ringelemente einander direkt oder indirekt kontaktieren und wobei die Ringelemente mittels mindestens eines vorgespannten Federelements derart belastet sind, dass diese prinzipiell eine Relativrotation (um ihre Längsachsen) durchführen würden. Eine solche Art der elastischen Beaufschlagung des Gelenkabschnitts der Getriebemutter und/oder des Gelenkabschnitts des Getrieberads ist einerseits konstruktiv relativ einfach und damit robust. Weiterhin zeichnet sich diese durch relativ kompakte Abmessungen, insbesondere entlang der durch die Längsachse der Lenkstange definierten Richtungen aus. Weiterhin kann auf diese Weise für die elastische Beaufschlagung eine vorteilhafte Federkennlinie realisiert werden, indem die Federelemente in Umfangsrichtung der Ringelemente wirken können. Durch eine solche Ausrichtung der Federelemente kann für deren Integration relativ viel Bauraum zur Verfügung stehen, wodurch eine relativ große Anzahl an Federelementen und/oder relativ lange Federelemente zum Einsatz kommen können.
Um eine ungewollte Verstellung einer solchen Beaufschlagungsvorrichtung infolge von Kräften, die von der Lenkstange auf die Getriebemutter übertragen werden, zu vermeiden, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Schrägflächen Steigungswinkel gegenüber einer Radialebene aufweisen, die kleiner oder gleich 7° sind.
Um eine direkte Übertragung von Antriebsleistung des Lenkmotors von dem Getrieberad, das Teil des Zugmittelgetriebes ist, auf die Getriebemutter zu realisieren, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lenksystems vorgesehen sein, dass das Getrieberad mit der Getriebemutter mittels einer Kupplung drehfest, d.h. drehmomentübertragend, verbunden ist. Die Kupplung ist dabei derart ausgebildet, dass diese trotz der drehfesten Verbindung die Schwenkbarkeit um die senkrecht zu der Längsachse der Lenkstange ausgerichtete(n) Schwenkachse(n) gewährleistet.
Eine Kupplung, die diese Anforderungen in vorteilhafter Weise erfüllt, weist eine Verzahnung auf, deren Zähne parallel zu der Längsachse der Lenkstange ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die Zähne dabei mit gekrümmt verlaufenden Zahnköpfen und/oder mit gekrümmt ausgebildeten Zahnflanken realisiert, so dass die Kupplung dann in Form einer sogenannten Bogenzahnkupplung ausgebildet ist.
Um ein möglichst geringes Spiel sowie ein möglichst geringes Betriebsgeräusch einer solchen Zahnkupplung zu realisieren, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Kupplung einen sowohl mit einer Innenverzahnung des Getrieberads als auch mit einer Außenverzahnung der Getriebemutter zusammenwirkenden Zahnzwischenring aufweist, der vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist. Eine Ausgestaltung des Zahnzwischenrings aus Kunststoff kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn sowohl das Getrieberad als auch die Getriebemutter zumindest in den die Verzahnungen ausbildenden Bereichen aus Metall (d.h. einem oder mehreren Metallen) ausgebildet sind.
Eine insbesondere hinsichtlich der Abmessungen jedoch auch hinsichtlich der Funktion vorteilhafte Integration der Kupplung kann dadurch erreicht werden, dass diese (vorzugsweise mittig) zwischen einem ersten Teilabschnitt und einem zweiten Teilabschnitt des Gelenkabschnitts der Getriebemutter und/oder des Gelenkabschnitts des Getrieberads angeordnet ist. Bei diesen Teilabschnitten kann es sich vorzugsweise, bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Lenksystems, um diejenigen Teilabschnitte handeln, die relativ zueinander verschiebbar und mittels einer vorgespannten Beaufschlagungsvorrichtung beaufschlagt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems kann weiterhin vorgesehen, dass die Getriebemutter mit einem definierten Radialspiel (d.h. mit einem definierten Abstand über dem gesamten Umfang der Getriebemutter) innerhalb des Innenrings des Drehlagers angeordnet ist. Das Radialspiel kann dabei vorzugsweise so groß gewählt sein, dass ein Kontakt zwischen der Getriebemutter und dem Innenring bei allen zu erwartenden beziehungsweise in einem Normalbetrieb des Lenksystems auftretenden Schrägstellungen zwischen diesen Komponenten vermieden ist. Das teilweise Anordnen der Getriebemutter innerhalb des Innenrings des Drehlagers ermöglicht dabei eine kompakte Ausgestaltung des Lenkgetriebes des Lenksystems bei gleichzeitig relativ großer Länge der Getriebemutter, was sich wiederum vorteilhaft hinsichtlich der Größe der über den Kugelgewindetrieb übertragbaren Antriebsleistung auswirkt. Das Radialspiel gewährleistet dabei trotz dieser Anordnung die erfindungsgemäß angestrebte Entkopplung des Drehlagers von Schwenkbewegungen der Getriebemutter.
Das (vorzugsweise einzige) Drehlager der Lageranordnung eines erfindungsgemäßen Lenksystems kann vorteilhafterweise ein einreihiges Kugellager, insbesondere ein Vierpunktlager (gemäß DIN 628), sein, was trotz dessen Eignung zur Übertragung relativ hoher Axialkräfte eine relativ kostengünstige Ausgestaltung des Lenksystems ermöglicht.
Die kippfeste und vorzugsweise auch drehfeste Anbindung des Getrieberads an den Innenring des Drehlagers kann einerseits dadurch realisiert sein, dass diese einteilig, d.h. dasselbe Bauteil darstellend, ausgebildet sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass diese als separate Bauteile ausgebildet und entsprechend miteinander verbunden sind.
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 Lenkgetriebe übertragenes, manuell erzeugtes Lenkmoment durch ein von dem Lenkmotor erzeugtes Lenkmoment überlagern zu lassen, um die Höhe des für ein Lenken erforderlichen und manuell zu erzeugenden Lenkmoments zu reduzieren (ggf. zeitweise auch bis auf null). Das Lenkgetriebe kann dabei insbesondere ein Lenkritzel umfassen, das mit einer von der Lenkstange in einem Abschnitt ausgebildeten Verzahnung zusammenwirkt.
Das Lenksystem kann andererseits auch so ausgebildet sein, dass der Lenkmotor stets die gesamte für ein Lenken erforderliche Antriebsleistung bereitstellt.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen PKW oder LKW, mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Lenksystems gemäß einer ersten Ausgestaltungsform in einem teilweisen Längsschnitt;
2: einen teilweisen Längsschnitt durch eine Baugruppe, die eine Lenkstange, einen Kugelgewindetrieb, eine Lagerung für den Kugelgewindetrieb und ein Getrieberad umfasst, für ein erfindungsgemäßes Lenksystem gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
3: einen Querschnitt durch die Baugruppe gemäß der 2 entlang der Schnittebene III - III in der 2;
4: eine Explosionsdarstellung der Baugruppe gemäß den 2 und 3, jedoch ohne die Lenkstange;
5: einen teilweisen Längsschnitt durch eine Baugruppe, die eine Lenkstange, einen Kugelgewindetrieb, eine Lagerung für den Kugelgewindetrieb und ein Getrieberad umfasst, für ein erfindungsgemäßes Lenksystem gemäß einer dritten Ausgestaltungsform;
6: einen Querschnitt durch die Baugruppe gemäß der 5 entlang der Schnittebene VI - VI in der 5; und
7: eine Explosionsdarstellung der Baugruppe gemäß den 5 und 6, jedoch ohne die Lenkstange.

Die 1 zeigt eine erste Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems, das als Hilfskraftlenksystem ausgebildet ist. Die 2 bis 4 einerseits und die 5 bis 7 andererseits zeigen jeweils eine Baugruppe, die mehrere Komponenten eines erfindungsgemäßen Lenksystems, wie es grundsätzlich in der 1 dargestellt ist, umfasst. Die drei anhand der Zeichnungen noch zu erläuternden Lenksysteme unterscheiden sich dabei im Wesentlichen lediglich hinsichtlich der konkreten konstruktiven Ausgestaltungen, die zur Erzielung einer kipp- und drehfesten Anbindung eines (ersten) Getrieberads 1 eines Riemengetriebes des jeweiligen Lenksystems an einen Innenring 3 eines Drehlagers 2 des jeweiligen Lenksystems vorgesehen sind, sowie hinsichtlich der Ausgestaltung eines jeweiligen Schwenklagers, das ein Verschwenken einer Getriebemutter 4 innerhalb des (ersten) Getrieberads 1 ermöglicht.
Die Lenksysteme umfassen jeweils ein mehrteiliges, im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse 5, innerhalb dessen eine Lenkstange 6 längsaxial, d.h. entlang ihrer Längsachse 7, beweglich gelagert ist. An ihren beiden Enden ist die Lenkstange 6 jeweils mit einem Kugelgelenk (nicht dargestellt) verbunden, wobei diese Kugelgelenke wiederum der Verbindung mit jeweils einem Radlenkhebel (nicht dargestellt) dienen. Die Radlenkhebel wandeln eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 6 in ein Schwenken von gelenkten Rädern (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs.
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 6 wird zum einen durch das Erzeugen einer Drehbewegung einer Lenkhandhabe (nicht dargestellt), insbesondere eines Lenkrads, des Kraftfahrzeugs bewirkt, wobei diese Drehbewegung der Lenkhandhabe über eine Lenksäule (nicht dargestellt) auf ein Lenkritzel (nicht dargestellt) übertragen wird. Das Lenkritzel kann hierzu mit einer Verzahnung 8 der Lenkstange 6 zusammenwirken, um die Drehbewegung des Lenkritzels in eine translatorische Bewegung der Lenkstange 6 entlang ihrer Längsachse 7 zu wandeln.
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 6 kann weiterhin durch die Erzeugung eines Hilfslenkmoments mittels eines Lenkmotors 9, der im vorliegenden Ausgestaltungsbeispiel elektrisch ausgebildet ist, bewirkt werden. Die Antriebsleistung des Lenkmotors 9 wird hierzu u.a. mittels eines Kugelgewindetriebs 10 auf die Lenkstange 6 übertragen, wozu die Lenkstange 6 in einem Abschnitt ein Kugelumlaufgewinde 11 mit teilkreisförmigem Gewindenutquerschnitt ausbildet. Innerhalb eines beim Lenken veränderlichen Abschnitts des Kugelumlaufgewindes 11 sind eine Vielzahl von kugelförmigen Übertragungselementen 12 angeordnet, die zudem innerhalb von ebenfalls teilkreisförmige Querschnitte aufweisenden Laufrillen eines Kugelumlaufgewindes aufgenommen sind, das an der Innenseite eines Grundkörpers 13 der Getriebemutter 4 des Kugelgewindetriebs 10 ausgebildet ist. Die Getriebemutter 4 des Kugelgewindetriebs 10 ist infolge einer entsprechenden Lagerung in einer Lageranordnung drehbar, gleichzeitig jedoch bezüglich ihrer längsaxialen Richtungen im Wesentlichen fest beziehungsweise unbeweglich in das Gehäuse 5 integriert. Ein drehender Antrieb der Getriebemutter 4 erfolgt unter Zwischenschaltung einer weiteren Getriebestufe in Form eines Zugmittelgetriebes, das in dem gezeigten Ausgestaltungsbeispiel als Riementrieb ausgebildet ist, wozu die Getriebemutter 4 mit dem ersten Getrieberad (Riemenrad) 1 drehfest beziehungsweise drehmomentübertragend verbunden ist. Das erste Getrieberad 1 ist teilweise von einem Riemen 14, hier in Form eines Zahnriemens, umschlungen, wobei der Riemen 14 weiterhin über ein zweites Getrieberad 15, das drehfest mit einer Abtriebswelle 16 des Lenkmotors 9 verbunden ist, geführt ist. Folglich wird eine Drehbewegung der Abtriebswelle 16 des Lenkmotors 9 über den Riementrieb auf die Getriebemutter 4 des Kugelgewindetriebs 10 übertragen, wobei eine Untersetzung (Übersetzungsverhältnis i > 1) der Drehgeschwindigkeiten erfolgt. Diese Drehbewegung der Getriebemutter 4 wird dann durch deren Zusammenwirken mit dem in der Außenseite des entsprechenden Abschnitts der Lenkstange 6 ausgebildeten Kugelumlaufgewinde 11 in eine translatorische Bewegung der Lenkstange 6 gewandelt.
Da bei der Wandlung einer längsaxialen Bewegung der Lenkstange 6 in eine Schwenkbewegung der Räder des Kraftfahrzeugs über die Radlenkhebel erhebliche Querkräfte auf die Enden der Lenkstange 6 wirken können, ergibt sich in Kombination mit den relativ großen Abständen zwischen den Enden der Lenkstange 6 und der eine radiale Abstützung der Lenkstange 6 bewirkenden Getriebemutter 4 des Kugelgewindetriebs 10 ein relativ großes Potenzial für eine Biegeauslenkung der Enden der Lenkstange 6. Eine solche Biegeauslenkung kann gegebenenfalls dadurch möglichst klein gehalten werden, dass die Lenkstange 6 in der Nähe der längsaxialen Enden des Gehäuses 5 zusätzlich gelagert und dadurch radial abgestützt ist. Dennoch lässt sich eine relevante Schrägstellung beziehungsweise ein Kippen der Lenkstange 6 im Bereich der Getriebemutter 4 des Kugelgewindetriebs 10 nicht immer vermeiden.
Um einen möglichst reibungsarmen Betrieb des Kugelgewindetriebs 10 auch bei einer solchen Schrägstellung der Lenkstange 6 im Bereich der Getriebemutter 4 zu gewährleisten, sollte die Getriebemutter 4 ebenfalls in eine entsprechende Schrägstellung kippbar sein. Gleichzeitig müssen mittels der Lagerung der Getriebemutter 4 innerhalb des Gehäuses 5 jedoch auch die auf die Lenkstange 6 aufgebrachten Längskräfte und Querkräfte abgestützt werden. Hierzu sollte sowohl die Lageranordnung möglichst spielfrei in längsaxialer und auch in radialer Richtung innerhalb des Gehäuses 5 gelagert als auch die Getriebemutter 4 entsprechend spielfrei innerhalb der Lageranordnung aufgenommen sein.
Die Lageranordnung umfasst hierzu das Drehlager 2 in Form eines einreihigen Vierpunktlagers (gemäß DIN 628), das neben dem Innenring 3 noch einen Außenring 17, zwischen diesen Lagerringen 3, 17 angeordnete Wälzkörper 18 in Form von Kugeln sowie einen Wälzkörperkäfig 19 umfasst. Der Außenring 17 des Drehlagers 2 ist direkt in einer Lageraufnahme des Gehäuses 5 gelagert und dabei axial festgelegt. Der Innenring 3 des Drehlagers 2 überragt mit einem seiner axialen Endabschnitte den Außenring 17 und ist mit diesem Endabschnitt bei den Lenksystemen gemäß der 1 sowie gemäß den 2 bis 4 mit dem ersten Getrieberad 1 kippfest verbunden. Diese kippfeste Verbindung wird bei dem Lenksystem gemäß der 1 durch einen in jeweils einer Umfangsnut des Innenrings 3 des Drehlagers 2 sowie des ersten Getrieberads 1 eingreifenden Sicherungsring 20 und bei dem Lenksystem gemäß den 2 bis 4 mittels einer Gewindeverbindung realisiert. Bei dem Lenksystem gemäß den 5 des 7 geht der Innenring 3 des Drehlagers 2 dagegen in das erste Getrieberad 1 über beziehungsweise diese beiden Komponenten sind einteilig und auch einstückig ausgebildet.
Die Lageranordnung umfasst weiterhin ein Schwenklager für die Getriebemutter 4, das von dieser im Zusammenwirken mit dem ersten Getrieberad 1 und gegebenenfalls auch mit dem Innenring 3 des Drehlagers 2 ausgebildet ist. Hierzu ist das erste Getrieberad 1 als Getriebehohlrad ausgebildet und dieses weist auf seiner Innenseite zumindest einen Teilabschnitt eines teilsphärisch gekrümmt verlaufenden Gelenkabschnitts 21 auf, der unter Zwischenanordnung einer einteiligen (vgl. 1) oder zweiteiligen (vgl. 2 bis 7) Gleitlagerschicht 22 einen entsprechend teilsphärisch gekrümmten Gelenkabschnitt 21 der Getriebemutter 4 kontaktiert. Die Getriebemutter 4 ist demnach in einem ersten Längsabschnitt innerhalb des ersten Getrieberads 1 angeordnet ist. Mit einem zweiten Längsabschnitt ist die Getriebemutter 4 dagegen unter Ausbildung eines definierten Radialspiels innerhalb des Drehlagers 2 angeordnet, wobei dieses Radialspiel so groß bemessen ist, dass bei den im Betrieb des Lenksystems zu erwartenden Schwenkwinkeln der Getriebemutter 4 ein Kontakt zwischen dieser und dem Innenring 3 des Drehlagers 2 vermieden ist.
Um über der vorgesehenen Lebensdauer des Lenksystems eine möglichst spielfreie Lagerung des Gelenkabschnitts 21 der Getriebemutter 4 innerhalb des Gelenkabschnitts 21, der zumindest auch von dem ersten Getrieberad 1 ausgebildet ist, zu gewährleisten, ist dieser Gelenkabschnitt 21 (u.a.) des ersten Getrieberads 1 mittels einer elastisch vorgespannten Beaufschlagungsvorrichtung beaufschlagt. Hierzu umfasst dieser Gelenkabschnitt 21 einen ersten Teilabschnitt 23. Dieser erste Teilabschnitt 23 ist bei dem Lenksystem gemäß der 1 von einem Abschnitt des Innenrings 3 des Drehlager 2 ausgebildet. Bei dem Lenksystem gemäß den 2 bis 4 ist der erste Teilabschnitt 23 dagegen von dem ersten Getrieberad 1 und bei dem Lenksystem gemäß den 5 bis 7 von dem das erste Getrieberad 1 und den Innenring 3 des Drehlagers 2 kombinierenden Bauteil ausgebildet. Der Gelenkabschnitt (u.a.) des ersten Getrieberads 1 umfasst weiterhin einen zweiten Teilabschnitt 24, der in Grenzen axial verschiebbar innerhalb eines Grundkörpers 25 des ersten Getrieberads 1 gelagert ist, wobei die mittels der Beaufschlagungsvorrichtung auf diesen zweiten Teilabschnitt 24 ausgeübte Vorspannkraft prinzipiell ein Verschieben des zweiten Teilabschnitts 24 in Richtung des ersten Teilabschnitts 23 bewirkt. Ein solches Verschieben des zweiten Teilabschnitts 24 ist dann dadurch begrenzt, dass dieser spielfrei unter Zwischenanordnung des zugehörigen Teils der Gleitlagerschicht 22 an den Gelenkabschnitt 21 der Getriebemutter 4 und der Gelenkabschnitt 21 der Getriebemutter 4 dadurch spielfrei unter Zwischenanordnung des anderen Teils der Gleitlagerschicht 22 an dem ersten Teilabschnitt 23 des Gelenkabschnitts 21 (u.a.) des ersten Getrieberads 1 anliegt.
Die Beaufschlagungsvorrichtung umfasst, wie dies am besten in den 4 und 7 erkennbar ist, zwei Ringelemente 26, die jeweils eine Stirnseite aufweisen, die jeweils in mehreren (konkret drei) Abschnitten als Schrägflächen 27 ausgebildet sind, wobei die Schrägflächen 27 der beiden Ringelemente 26 einander direkt kontaktieren und wobei die Ringelemente 27 mittels mehreren (konkret drei) vorgespannten Federelementen 28 zur Ausführung einer Relativrotation bezüglich ihrer Längsachsen 7 belastet sind. Die Federelemente 28 weisen dabei eine zylindrische Form auf. Diese können zudem einen gekrümmten Längsverlauf aufweisen oder zumindest in einen solchen gekrümmten Längsverlauf deformierbar sein, wobei diese Krümmungen vorzugsweise dem Krümmungsradius der Ringelemente 26 entsprechen können. Die Federelemente 28 können dadurch in vorteilhafter Weise in Umfangsrichtung verlaufend zwischen Absätzen 29, die die beiden Ringelemente 26 jeweils an einem Ende ihrer Schrägflächen 27 ausbilden, abgestützt sein und dadurch die rotatorische Vorspannung der beiden Ringelemente 26 relativ zueinander bewirken.
Um eine ungewollte Verstellung der Beaufschlagungsvorrichtung infolge von Kräften, die von der Lenkstange 6 auf die Getriebemutter 4 übertragen werden, zu vermeiden, weisen die Schrägflächen 27 Steigungswinkel gegenüber einer Radialebene (radial bezüglich der Längsachse 7) auf, die kleiner als 7° sind, wodurch eine Selbsthemmung für die Relativrotation zwischen den Ringelementen 26 erreicht wird.
Zur Erleichterung der Montage des Lenksystems können die beiden Ringelemente 26 der bereits vormontierten und dabei unter Vorspannung durch die Federelemente 28 stehenden Beaufschlagungsvorrichtung mittels eines Sicherungselements 30 miteinander verbunden sein. Dieses Sicherungselement 30 wird nach der Montage der Beaufschlagungsvorrichtung gelöst und dadurch deren beaufschlagende Wirkung, durch die das Schwenklager, das von der Getriebemutter 4 im Zusammenwirken mit dem ersten Getrieberad 1 und ggf. auch dem Innenring 3 des Drehlagers 2 ausgebildet ist, aktiviert.
Zur Übertragung eines Drehmoments von dem ersten Getrieberad 1 auf die Getriebemutter 4 ist eine Kupplung vorgesehen, die in Kombination von einer ringförmig umlaufenden Innenverzahnung 31 des ersten Getrieberads 1 und von einer ebenfalls ringförmig umlaufenden Außenverzahnung 32 der Getriebemutter sowie von einem mit sowohl dieser Innenverzahnung 31 als auch mit dieser Außenverzahnung 32 zusammenwirkenden Zahnzwischenring 33 aus Kunststoff ausgebildet ist. Der Zahnzwischenring 33 weist hierzu jeweils eine komplementäre Verzahnung auf seiner Außen- wie auch auf seiner Innenseite auf. Die Innenverzahnung 31 des ersten Getrieberads 1 und die Außenverzahnung 32 der Getriebemutter 4 sind dabei jeweils längsaxial mittig zwischen (den) zwei Teilabschnitten 23, 24 des dazugehörigen Gelenkabschnitts 21 angeordnet. Die Zähne sämtlicher dieser Verzahnungen sind zudem parallel bezüglich der Längsachse 7 der Lenkstange 6 beziehungsweise der Getriebemutter 4 ausgerichtet. Weiterhin weisen die Zahnköpfe der Außenverzahnung 32 der Getriebemutter 4 einen gekrümmten Verlauf auf, um eine sogenannte Bogenzahnkupplung auszubilden, die das Verschwenken der Getriebemutter 4 relativ zu dem ersten Getrieberad 1 und dem Drehlager 2 nicht behindert.
Der Zahnzwischenring 33 kann, wie dies bei den Lenksystemen gemäß der 1 und gemäß den 5 bis 7 vorgesehen ist, einteilig und insbesondere auch einstückig mit einem Teil der Gleitlagerschicht 22 ausgebildet sein. Bei dem Lenksystem gemäß den 2 bis 4 sind der Zahnzwischenring 33 sowie die beiden Teile der Gleitlagerschicht 22 dagegen jeweils als separate Bauteile ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: erstes Getrieberad
2: Drehlager
3: Innenring des Drehlagers
4: Getriebemutter
5: Gehäuse
6: Lenkstange
7: Längsachse der Lenkstange /der Getriebemutter /des Ringelements
8: Verzahnung der Lenkstange
9: Lenkmotor
10: Kugelgewindetrieb
11: Kugelumlaufgewinde der Lenkstange
12: Übertragungselement
13: Grundkörper der Getriebemutter
14: Riemen
15: zweites Getrieberad
16: Abtriebswelle des Lenkmotors
17: Außenring des Drehlagers
18: Wälzkörper
19: Wälzkörperkäfig
20: Sicherungsring
21: Gelenkabschnitt
22: Gleitlagerschicht
23: erster Teilabschnitt des Gelenkabschnitts
24: zweiter Teilabschnitt des Gelenkabschnitts
25: Grundkörpers des ersten Getrieberads
26: Ringelement der Beaufschlagungsvorrichtung
27: Schrägfläche des Ringelements
28: Federelement der Beaufschlagungsvorrichtung
29: Absatz des Ringelements
30: Sicherungselement der Beaufschlagungsvorrichtung
31: Innenverzahnung des ersten Getrieberads
32: Außenverzahnung der Getriebemutter
33: Zahnzwischenring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/169735 A1 [0007]

Claims

Lenksystem mit einer in einem Gehäuse (5) längsaxial verschiebbar gelagerten Lenkstange (6) und mit einem Lenkmotor (9), der über einen Kugelgewindetrieb (10) auf die Lenkstange (6) wirkt, wozu die Lenkstange (6) ein Kugelumlaufgewinde (11) ausbildet, das über kugelförmige Übertragungselemente (12) mit einer von dem Lenkmotor (9) antreibbaren Getriebemutter (4) zusammenwirkt, wobei die Getriebemutter (4) mittels einer Lageranordnung innerhalb des Gehäuses (5) drehbar gelagert ist und wobei ein Getrieberad (1) eines Zugmittelgetriebes, über das eine Antriebsleistung des Lenkmotors (9) auf die Getriebemutter (4) übertragbar ist, kippfest an einen Innenring (3) eines Drehlagers (2) der Lageranordnung angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebemutter (4) schwenkbar um eine senkrecht zu der Längsachse (7) der Lenkstange (6) ausgerichtete Schwenkachse an dem Getrieberad (1) gelagert ist.
Lenksystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getrieberad (1) als Getriebehohlrad ausgebildet ist und die Getriebemutter (4) einen gekrümmten Gelenkabschnitt (21) aufweist, der mit einem gekrümmten Gelenkabschnitt (21), der zumindest teilweise von dem Getrieberad (4) ausgebildet ist, zur Ausbildung eines Schwenklagers zusammenwirkt.
Lenksystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gelenkabschnitt (21) der Getriebemutter (4) und dem Gelenkabschnitt (21) des Getrieberads (1) eine Gleitlagerschicht (22) angeordnet ist.
Lenksystem gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkabschnitt (21) der Getriebemutter (4) und/oder der Gelenkabschnitt (21) des Getrieberads (1) derart elastisch beaufschlagt ist/sind, dass sich ein spielfreier Kontakt zwischen den Gelenkabschnitten (21) einstellt.
Lenksystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilabschnitt (23) des Gelenkabschnitts (21) der Getriebemutter (4) und/oder ein erster Teilabschnitt (23) des Gelenkabschnitts (21) des Getrieberads (1) axial bezüglich der Längsachse (7) der Lenkstange (6) relativ zu einem dazugehörigen zweiten Teilabschnitt (24) verschiebbar und mittels einer vorgespannten Beaufschlagungsvorrichtung beaufschlagt ist/sind.
Lenksystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsvorrichtung zwei Ringelemente (26) aufweist, die jeweils eine Stirnseite aufweisen, die zumindest abschnittsweise als Schrägfläche (27) ausgebildet ist, wobei die Schrägflächen (27) der beiden Ringelemente (26) einander kontaktieren und wobei die Ringelemente (26) mittels eines vorgespannten Federelements (28) zur Ausführung einer Relativrotation belastet sind.
Lenksystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägflächen (27) Steigungswinkel gegenüber einer Radialebene aufweisen, die kleiner oder gleich 7° sind.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getrieberad (1) mit der Getriebemutter (4) mittels einer Kupplung drehmomentübertragend verbunden ist.
Lenksystem gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine Verzahnung (31, 32) aufweist, deren Zähne parallel zu der Längsachse (7) der Lenkstange (6) ausgerichtet sind.
Lenksystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung einen sowohl mit einer Innenverzahnung (31) des Getrieberads (1) als auch mit einer Außenverzahnung (32) der Getriebemutter (4) zusammenwirkenden Zahnzwischenring (33) aufweist.
Lenksystem gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung zwischen einem/dem ersten Teilabschnitt (23) und einem/dem zweiten Teilabschnitt (24) des Gelenkabschnitts (21) der Getriebemutter (4) und/oder des Getrieberads (1) angeordnet ist.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebemutter (4) mit Radialspiel innerhalb des Innenrings (3) des Drehlagers (2) angeordnet ist.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (2) ein einreihiges Kugellager ist.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (2) ein Vierpunktlager ist.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getrieberad (1) und der Innenring (3) des Drehlagers (2) einteilig oder als separate, kippfest miteinander verbundene Bauteile ausgebildet sind.