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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für eine Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Moderne Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einer Servolenkung ausgestattet, bei der die Lenkbewegungen des Fahrers fahrzeugseitig unterstützt werden oder ggf. sogar fahrzeugseitig ein gewisses Lenkmoment erzeugt werden kann, das den Fahrer auf eine empfohlene Lenkbewegung hinweist. Neben hydraulischen Servolenkungen kommen vor allen Dingen motorbetriebene Servolenkungen zum Einsatz. Bei Letzteren wirkt üblicherweise ein elektrischer Servomotor mit einer Antriebswelle auf eine Schneckenwelle, die ihrerseits mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Das Schneckenrad sitzt auf der eigentlichen Lenkwelle auf, die bspw. über ein Ritzel und eine Zahnstange auf eine Spurstange einwirkt.
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In der Praxis bringen diese Getriebe mit Schneckenwelle und Schneckenrad verschiedene Nachteile mit sich. Zum einen ist oftmals eine erhebliche Reibung zwischen Schneckenwelle und Schneckenrad gegeben, was noch dadurch verstärkt werden kann, dass aus Gründen der Fertigungstoleranz die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt wird. Die Reibung macht die Servolenkung einerseits ineffizient, andererseits kann sie das Lenkgefühl für den Fahrer beeinträchtigen. Des Weiteren muss die Motoreinheit oftmals groß und leistungsstark ausgelegt werden, um die notwendige Unterstützung bei Parkmanövern mit stark wechselndem Lenkereinschlag sicherzustellen. Hierfür muss ein erhebliches Drehmoment aufgebracht werden, was während des überwiegenden Teils der Nutzung des Fahrzeugs, bspw. bei vereinzelten oder geringen Lenkbewegungen, unnötig ist.
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Die
JP 2012-183987 A offenbart eine Servolenkung mit variabler Lenkunterstützung. Eine Motoreinheit treibt eine Antriebswelle an, die zwei Kegelritzel trägt. Die Antriebswelle ist im rechten Winkel zu einer Lenkwelle angeordnet, mit welcher zwei Tellerräder drehfest verbunden sind. Die Tellerräder, die unterschiedliche Durchmesser und zu einander weisende Zahnungen aufweisen, sind entlang der Lenkwelle verstellbar, so dass in einer ersten Position ein erstes Kegelritzel mit einem ersten Tellerrad zusammenwirkt und in einer zweiten Position ein zweites Kegelritzel mit einem zweiten Tellerrad zusammenwirkt. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Tellerräder lassen sich unterschiedlichen Übersetzungen und somit unterschiedliche Lenkunterstützungen realisieren.
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Die
US 2011/0017005 A1 zeigt ein Getriebe mit einem Tellerrad sowie einem Ritzel. Das Ritzel weist eine Mehrzahl von entlang seines Umfangs versetzt angeordneten Kugelanordnungen auf, von denen jede eine Mehrzahl von drehbar gelagerten Kugeln aufweist. Das Tellerrad weist eine Mehrzahl von entlang seines Umfangs verteilten Nuten auf, von denen jede zur Aufnahme der Kugeln einer Kugelanordnung ausgebildet ist. Der Eingriff zwischen dem Tellerrad und dem Ritzel erfolgt somit über die Kugeln und die Nuten.
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Aus der
US 7 434 489 B1 ist ein Fahrrad-Antriebssystem bekannt. Dieses weist ein erstes Getrieberad auf, dass wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Kronenräder aufweist, sowie ein zweites Getrieberad, dass ebenfalls wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Kronenräder aufweist. Die beiden Getrieberäder sind über eine Antriebswelle mit variabler Länge aneinandergekoppelt, wobei eine erste Schaltungsanordnung an ein erstes Ende der Antriebswelle gekoppelt ist und mit dem ersten Getrieberad eingreift, während eine zweite Schaltungsanordnung an ein zweites Ende der Antriebswelle gekoppelt ist und mit dem zweiten Getrieberad eingreift. Die beiden Getrieberäder sind um parallele Drehachsen drehbar, während die Antriebswelle um eine hierzu rechtwinklig angeordnete Drehachse drehbar ist. Jede Schaltungsanordnung weist ein Ritzel auf, das umfangseitig eine Mehrzahl von kugelartigen Vorsprüngen aufweist, welche mit Ausnehmungen des gegenüberliegenden Kronenrades eingreifen.
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Aus der
EP 1 616 773 A2 ist ein Getriebe für eine Aktivlenkung für Fahrzeuge bekannt. Dieses umfasst ein Zahnrad-Planetengetriebe mit einem mit einer Eingangswelle verbundenen Sonnenrad, einem dazu koaxialen, mit einer Ausgangswelle verbundenen Sonnenrad, und mit Planetenrädern, welche in einem drehbar angeordneten Planetenradträger drehbar gelagert sind. Die Planetenräder haben jeweils zwei Abschnitte, von denen jeder mit einem der Sonnenräder im Eingriff ist, und der Planetenradträger ist mit einem Drehantrieb gekoppelt. Die Planetenräder sind als Doppelkegelräder mit zwei Kegelradabschnitten ausgebildet, von denen jeweils einer mit einem der Sonnenräder im Eingriff steht. Die Achsen der Planetenräder sind axial schwimmend gelagert und wenigstens ein Sonnenrad ist ein Kegelrad, welches axial federnd an den zugeordneten Kegelradabschnitt der Planetenräder angestellt ist.
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Die
US 6 041 887 A zeigt eine elektrische Servolenkungsvorrichtung mit einem Lenksystem zum Drehen eines Fahrzeugrades entsprechend einer Manipulation eines Lenkrads, einem Motor zum Zuführen einer Kraft zur Unterstützung des Drehens durch das Lenksystem, einem Getriebe mit variablen Übersetzungsverhältnissen und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Übersetzungsverhältnisse des Getriebes und zur Steuerung einer Ausgabe des Motors entsprechend dem Drehen des Fahrzeugrades durch das Lenksystem. Dabei ist das Getriebe zwischen dem Motor und dem Lenksystem zwischengeschaltet.
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In der WO 2006 / 049 366 A1 ist ein kettenloses Getriebe offenbart, umfassend ein Rollenzahnrad mit Rollenzähnen, eine Scheibe mit einer Vielzahl von Rollenplatzierungsausnehmungen zum Anordnen der Rollenzähne auf einem äußeren Umfang davon, ein Wellenkupplungsendglied mit einer Führungsnut zum Kuppeln einer Welle in der Mitte eines Stummels, der sich um eine vorbestimmte Länge von der Mitte einer unteren Oberfläche der Scheibe erstreckt, und ein Befestigungsmittel zum drehbaren Befestigen eines Endes jedes der Rollenzähne an der Scheibe; einen Zahnkranz mit konvexen und konkaven Oberflächen, die durch aufeinanderfolgende Wiederholung von Zahnradzähnen und Zahneinschnitten gebildet werden, um mit den Walzenzähnen des Walzenzahnrads in Eingriff zu kommen, und die als runde Oberflächen ausgebildet sind; und eine Wellenvorrichtung mit einem Gelenkführungsabschnitt, der eine Nut mit einer bestimmten Tiefe und mindestens einen abgeschrägten Abschnitt in der Mitte des Wellenkupplungsendgliedes definiert, einem Gelenkabschnitt in Form eines kugelförmigen Körpers, der in den Gelenkführungsabschnitt eingeführt ist, um in vertikaler und lateraler Richtung und in einer axialen Richtung begrenztes Spiel zu haben, und mindestens einen abgeschrägten Abschnitt aufweist, der an einer Außenfläche des kugelförmigen Körpers ausgebildet ist, um eine begrenzte Drehung des kugelförmigen Körpers innerhalb des Gelenkführungsabschnitts zu erreichen, eine Welle, bei der die Gelenkabschnitte an ihren beiden Enden einstückig ausgebildet sind, ein Kugellager, das in den Gelenkführungsabschnitt eingesetzt ist, um in Rollkontakt mit einem vorderen Ende des Gelenkabschnitts der Welle zu stehen, und ein elastisches Element, das in den Gelenkführungsabschnitt eingesetzt ist, um das Kugellager elastisch zu stützen und in eine Richtung zu drängen.
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Eine Kraftübertragungsvorrichtung, die eine Zahnradstruktur mit sich schneidender Achse bildet, wird in der WO 2007 / 132 999 A1 offenbart. Die Kraftübertragungsvorrichtung umfasst ein erstes Zahnrad, das eine erste rotierende Welle, einen Scheibenkörper, der auf der ersten rotierenden Welle vorgesehen ist, und eine Verzahnung aufweist, die um den Scheibenkörper herum vorgesehen ist. Die Kraftübertragungsvorrichtung umfasst ferner eine Zwischeneinheit. Die Zwischeneinheit hat eine Basis, die in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse vorgesehen ist, zwei Drehkörper, die von der Basis vorstehen, und eine Drehverzahnung, die in Zahnlücken des ersten Zahnrads in einer senkrechten Richtung eingreift. Jeder Drehzahnradzahn hat eine hohlzylindrische Form und ist zwischen den beiden Drehkörpern durch einen Wellenzapfen drehbar und radial gelagert. Das erste Zahnrad und die Zwischeneinheit bilden eine sich überschneidende Zahnradstruktur.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer effizienten Getriebeeinheit für eine Servolenkung noch Raum für Verbesserungen. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit einer effizienten Kraftübertragung, die den Einsatz eines Servomotors mit geringerer Leistung ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Getriebeeinheit für eine Servolenkung zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Ausgestaltungen 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.
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Durch die Erfindung wird eine Getriebeeinheit für eine Kraftfahrzeuglenkung zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen insbesondere PKW und LKW infrage. Namentlich kann es sich um eine Getriebeeinheit für eine Servolenkung handeln. Es wäre aber auch beispielsweise eine Anwendung für ein Steer-by-Wire-System denkbar.
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Die Getriebeeinheit weist ein um eine Antriebsachse motorisch antreibbares Ritzel auf. Die Antriebsachse kann dabei die Drehachse einer Antriebswelle bilden, mit der das Ritzel drehfest verbunden ist. Ggf. könnte das Ritzel auch wenigstens teilweise einstückig mit einer solchen Antriebswelle ausgebildet sein. Das Ritzel ist motorisch antreibbar. Die Getriebeeinheit kann hierzu eine Motoreinheit aufweisen, die direkt oder indirekt an das Ritzel gekoppelt ist. Bspw. könnte die Antriebswelle drehfest mit einer Rotorwelle der Motoreinheit verbunden oder sogar mit dieser identisch sein. Zwischen der Motoreinheit und der Antriebswelle könnte allerdings auch eine Kraftumlenkung, Untersetzung oder Übersetzung durch geeignete Getriebekomponenten gegeben sein. Die Motoreinheit kann durch einen Servomotor gebildet sein, der im Falle einer Servolenkung dazu dient, ein fahrerseitig aufgebrachtes Lenkmoment zu verstärken bzw. im Falle eines Steer-by-Wire-Systems alleine ein solches Lenkmoment zu erzeugen. Die Motoreinheit kann als Teil der Getriebeeinheit angesehen werden oder als externe Komponente.
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Des Weiteren weist die Getriebeeinheit ein um eine im Winkel zur Antriebsachse verlaufende Abtriebsachse drehbares Abtriebsrad mit einer Mehrzahl konzentrisch angeordneter Verzahnungen auf, wobei das Ritzel durch Verschiebung in Richtung der Antriebsachse wahlweise mit unterschiedlichen Verzahnungen in Eingriff bringbar ist. Die Abtriebsachse verläuft im Winkel zur Antriebsachse, d.h. die beiden Achsen sind nicht parallel. Bevorzugt liegen die beiden Achsen allerdings in einer Ebene, so dass - bei unendlicher Verlängerung der Achsen - beide Achsen einander schneiden. Der Winkel zwischen beiden Achsen beträgt normalerweise wenigstens 30°, bevorzugt wenigstens 60°. Die Abtriebsachse kann dabei die Drehachse einer Abtriebswelle bilden, die direkt oder indirekt mit einem Lenkgetriebe verbunden sein kann. Im Falle einer Servolenkung ist die Abtriebswelle außerdem direkt oder indirekt mechanisch an das Lenkrad des Fahrzeugs gekoppelt. Im Falle eines Steer-by-Wire-Systems entfällt die mechanische Verbindung zum Lenkrad. Ein Abtriebsrad ist um die Abtriebsachse drehbar, man könnte auch sagen, um die Abtriebsachse drehbar gelagert. Dieses Abtriebsrad ist in der Regel mit der genannten Abtriebswelle drehfest verbunden oder sogar an dieser fixiert. Das Abtriebsrad weist eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Verzahnungen auf. Jede der Verzahnungen kann ringartig ausgebildet und bezüglich der Abtriebsachse zentriert sein. Aufgrund der konzentrischen Anordnung weisen unterschiedliche Verzahnungen jeweils einen unterschiedlichen Umfang auf. Es versteht sich, dass das Ritzel mit dem Abtriebsrad zusammenwirkt, wodurch eine Kraft- bzw. Drehmomentübertragung erfolgt, so dass eine Drehbewegung um die Antriebsachse zu einer Drehbewegung um die Abtriebsachse führt.
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Das Ritzel ist durch Verschiebung entlang der Antriebsachse wahlweise mit unterschiedlichen Verzahnungen in Eingriff bringbar. D.h. durch Verschiebung des Ritzels in Richtung der Antriebsachse ist das Ritzel wahlweise in verschiedene Positionen bringbar, in denen es mit jeweils einer Verzahnung eingreift. Dabei ergeben sich aufgrund des unterschiedlichen Umfangs der Verzahnungen unterschiedliche Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse zwischen dem Ritzel und dem Abtriebsrad. Im Falle einer Fahrzeuglenkung ist in aller Regel eine Untersetzung vom Ritzel zum Abtriebsrad vorgesehen, so dass ein seitens der Motoreinheit aufgebrachtes Drehmoment verstärkt wird. Durch axiales Verschieben des Ritzels können dabei je nach Bedarf verschiedene Untersetzungsverhältnisse eingestellt werden. So kann bspw. bei Parkmanövern eine hohe Untersetzung gewählt werden, während beim normalen Fahrbetrieb mit geringen und/oder seltenen Lenkmanövern eine geringere Untersetzung gewählt werden kann. Auf diese Weise kann auch mit einer vergleichsweise leistungsschwachen Motoreinheit situationsgerecht das notwendige Lenkmoment bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß weist das Ritzel einen um die Antriebsachse antreibbaren Trägerkörper auf sowie eine Mehrzahl von Verzahnungskörpern, die mit jeweils einer Verzahnung eingreifen und einzeln drehbar am Trägerkörper gelagert sind. Der Trägerkörper kann drehfest mit der oben erwähnten Antriebswelle verbunden sein. Es ist vorgesehen, dass er direkt oder indirekt durch die oben erwähnte Motoreinheit antreibbar ist. Die Verzahnungskörper entsprechen in ihrer Funktion den Zähnen eines herkömmlichen, bspw. einstückig gefertigten Ritzels. Sie sind bezüglich der Antriebsachse tangential zueinander versetzt. Wie bei den Zähnen eines herkömmlichen Ritzels sind auch bei den Verzahnungskörpern unterschiedlichste Anzahlen denkbar. Normalerweise sind wenigstens 6 Verzahnungskörper vorgesehen, es können insbesondere zwischen 10 und 30 vorgesehen sein. Dadurch, dass die Verzahnungskörper nicht starr am Trägerkörper angeordnet, sondern drehbar an diesem gelagert sind, kann die Reibung zwischen dem Ritzel und dem Abtriebsrad bzw. der Verzahnung, mit der das Ritzel jeweils eingreift, deutlich reduziert werden. Durch die drehbare Lagerung kann der jeweilige Trägerkörper gewissermaßen über der Verzahnung abrollen, d.h. statt einer Gleitreibung tritt im Wesentlichen nur die deutlich geringere Rollreibung in Erscheinung. Aufgrund der geringeren Reibungsverluste kann die notwendige Motorleistung ebenfalls reduziert werden. Außerdem kann sich die verringerte Reibung positiv auf die Lebensdauer der Getriebeeinheit auswirken.
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Grundsätzlich sind unterschiedliche Typen von drehbarer Lagerung möglich. So könnte bspw. ein Verzahnungskörper ähnlich wie eine Kugel in einem Kugellager so gelagert sein, dass er prinzipiell um eine beliebige Achse drehbar ist. Bevorzugt ist allerdings wenigstens ein Verzahnungskörper um genau eine Lagerachse gegenüber dem Trägerkörper drehbar. Insbesondere kann dies für alle Verzahnungskörper gelten. Dabei ist die Lagerachse des jeweiligen Verzahnungskörpers diejenige Achse, um die er drehbar ist. Es versteht sich, dass die Lagerachsen der unterschiedlichen Verzahnungskörper nicht übereinstimmen, wenngleich sie parallel zueinander verlaufen können.
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Welcher Winkel der jeweiligen Lagerachse zur Antriebsachse vorteilhaft ist, kann von unterschiedlichen Faktoren abhängen, insbesondere von der Ausbildung der Verzahnungen sowie der Stellung der Antriebsachse im Verhältnis zur Abtriebsachse. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Lagerachse in einem Winkel von höchstens 20° zur Antriebsachse verläuft, wobei genauer gesagt nur der Absolutbetrag des Winkels betrachtet wird. Der genannte Winkel kann weiterhin höchstens 10° oder höchstens 5° betragen. Insbesondere kann die jeweilige Lagerachse parallel zur Antriebsachse verlaufen. Durch einen möglichst kleinen Winkel lässt sich im Allgemeinen eine optimale Rollbewegung der Verzahnungskörper realisieren. Dies kann insbesondere dafür sorgen, dass ein bestimmter Punkt des Verzahnungskörpers, der in Kontakt mit der Verzahnung steht, im Zuge des Abrollens keine oder nur geringfügige Verschiebungen entlang der Oberfläche der Verzahnung erfährt. Solche Verschiebungen würden die Reibung in unerwünschter Weise verstärken.
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Es sind verschiedene Ausbildung des Trägerkörpers möglich. Gemäß einer Ausgestaltung weist der Trägerkörper einen sich radial von der Antriebsachse erstreckenden Hauptabschnitt auf sowie eine Mehrzahl von Lagerwellen, die sich axial vom Hauptabschnitt erstrecken und an denen die Verzahnungskörper gelagert sind. Jeweils eine Lagerwelle definiert eine Lagerachse und ist normalerweise zu dieser symmetrisch ausgebildet. Wenngleich hier von einem Hauptabschnitt die Rede ist, muss der genannte Hauptabschnitt nicht in einfacher Weise zusammenhängend ausgebildet sein. Bspw. könnte er eine sternartige Struktur mit einzeln radial abragenden Armen aufweisen, wobei an jedem Arm eine Lagerwelle angeordnet ist. Alternativ könnte der Hauptabschnitt bspw. tellerartig und/oder zylindrisch ausgebildet sein. Um Unwuchten zu vermeiden, ist der Hauptabschnitt normalerweise - wie auch das Ritzel insgesamt - symmetrisch bezüglich der Antriebsachse ausgebildet. Die Lagerwellen erstrecken sich axial vom Hauptabschnitt, müssen allerdings nicht zwangsläufig axial bezüglich der Antriebsachse, also parallel zu dieser verlaufen. Wie oben bereits mit Bezug auf die Lagerachsen dargelegt, beträgt der Winkel zwischen der jeweiligen Lagerwelle und der Antriebsachse bevorzugt weniger als 20°.
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Jeder Verzahnungskörper kann bspw. über ein Gleitlager am Trägerkörper gelagert sein, wobei die Gleitreibung innerhalb des Lagers durch eine geeignete Wahl von Materialien minimiert werden kann. Bevorzugt ist ein Verzahnungskörper über ein Wälzlager am Trägerkörper gelagert. Das Wälzlager ist dabei konzentrisch um die Lagerachse bzw. um die o.g. Lagerwelle angeordnet. Grundsätzlich kann es sich um jede Art von Wälzlager handeln, insbesondere um ein Kugellager. Bei Verwendung eines Wälzlagers tritt innerhalb des Lagers im wesentlichen nur Rollreibung auf, wodurch sich die gesamte Reibung der Getriebeeinheit weiter deutlich reduziert.
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Grundsätzlich können unterschiedliche Ausrichtungen der Abtriebsachse und der der Antriebsachse zueinander gewählt werden. Vorteilhaft verläuft die Abtriebsachse in einem Winkel zwischen 80° und 100° zur Antriebsachse. Weiter bevorzugt kann der Winkel zwischen 85° und 95° liegen, insbesondere kann der Winkel 90° betragen. D.h., bei dieser Ausführungsform verlaufen die Antriebsachse und die Abtriebsachse nahezu bzw. exakt senkrecht zueinander. Durch die Ausrichtung der Antriebsachse zur Abtriebsachse ist im Wesentlichen auch die Anordnung der verschiedenen Verzahnungen zueinander festgelegt, da das Ritzel durch Verstellen in Richtung der Antriebsachse in Eingriff mit den unterschiedlichen Verzahnungen bringbar sein muss. Allgemein sind die Verzahnungen entlang eines (gedachten) Kegelmantels angeordnet, dessen halber Öffnungswinkel (ungefähr oder exakt) dem o.g. Winkel zwischen Antriebsachse und Abtriebsachse entspricht. D.h. wenn der o.g. Winkel 85° beträgt, beträgt der halbe Öffnungswinkel des Kegelmantels ebenfalls 85°. Falls der o.g. Winkel 90° beträgt, liegt kein Kegelmantel im eigentlichen Sinne mehr vor, sondern die Verzahnungen sind in einer zur Abtriebsachse senkrechten Ebene angeordnet.
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Insofern, als die Verzahnungskörper drehbar gelagert sind und idealerweise über der jeweiligen Verzahnung abrollen können, kann die Außenfläche des jeweiligen Angriffskörpers grundsätzlich unterschiedliche Formen haben, die allerdings zur jeweiligen Lagerachse symmetrisch ausgebildet sein sollten. Bspw. könnte die Außenkontur polygonal ausgebildet sein. Bevorzugt weist allerdings jeder Verzahnungskörper eine kreissymmetrische Außenfläche auf. D.h., die Außenfläche ist kreissymmetrisch bezüglich der Lagerachse ausgebildet. Es versteht sich, dass wenigstens ein Teil der Außenfläche eine Kontaktfläche bildet, mit welcher der Verzahnungskörper mit der jeweiligen Verzahnung in Kontakt steht. Durch die kreissymmetrische Ausbildung ist es unerheblich, in welcher Orientierung der jeweilige Verzahnungskörper mit der Verzahnung in Kontakt kommt. Bspw. bei einer polygonalen Form könnten je nach Orientierung unerwünschte Reibungskräfte auftreten oder es könnte ein erhöhter lokaler Druck auf den Verzahnungskörper entstehen.
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Weiter bevorzugt ist die Außenfläche wenigstens abschnittsweise zylindrisch ausgebildet. Wenn die Lagerachse parallel zur Antriebsachse ist, ist durch diese Ausgestaltung gewährleistet, dass der Eingriff zwischen dem Verzahnungskörper und der Verzahnung in gewissem Maße unabhängig davon ist, wie exakt die Position des Ritzels entlang der Antriebsachse eingestellt ist. Eine geringfügige Verschiebung des Ritzels entlang der Antriebsachse bedeutet in diesem Fall nur eine geringfügige axiale Verschiebung der zylindrischen Außenfläche entlang der Verzahnung. Eine solche Verschiebung hat keinen Einfluss auf die Art des Eingriffs. Die Ausgestaltung erlaubt daher eine größere Fertigungstoleranz bzw. eine größere Toleranz hinsichtlich der Genauigkeit eines Aktors, der das Ritzel zwischen den verschiedenen Eingriffspositionen mit denen Verzahnungen verstellt.
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Normalerweise ist es vorteilhaft, wenn die Form der Verzahnung in etwa komplementär zur Form der Außenfläche des Verzahnungskörpers ist. Insbesondere bei der oben beschriebenen kreissymmetrischen Ausbildung der Außenfläche des Verzahnungskörpers ist es bevorzugt, dass jede Verzahnung eine Mehrzahl von konkaven Einschnitten aufweist, in welche die Verzahnungskörper eingreifen. Die konkaven Einschnitte sind selbstverständlich in tangentialer Richtung bezüglich der Abtriebsachse zueinander versetzt angeordnet. Die Kontur des jeweiligen Einschnitts kann kreisbogenförmig sein, sie kann allerdings auch hiervon abweichen. Es versteht sich, dass die Anzahl der Einschnitte gleich der Zähnezahl der jeweiligen Verzahnung ist.
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Die Verschiebung des Ritzels in Richtung der Antriebsachse kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden. Bspw. wäre es denkbar, dass die Antriebswelle insgesamt in Richtung der Antriebsachse verschoben wird. In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist der Trägerkörper drehfest aber axial beweglich an der Antriebswelle angeordnet. Die Antriebswelle ist, wie bereits oben erläutert wurde, um die Antriebsachse drehbar gelagert. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der Trägerkörper somit entlang der Antriebswelle verschoben werden, wobei allerdings durch einen Formschluss in tangentialer Richtung ein Verdrehen zwischen Antriebswelle und Trägerkörper verhindert wird. Durch einen geeigneten Verstellmechanismus kann die axiale Position des Trägerkörpers entlang der Antriebswelle eingestellt werden.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine teilweise Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit, wobei sich ein Ritzel in einer ersten Position befindet,
- 2 eine perspektivische Darstellung der Getriebeeinheit aus 1,
- 3 eine teilweise Schnittdarstellung eines Teils der Getriebeeinheit aus 1 sowie
- 4 eine teilweise Schnittdarstellung entsprechend 1, wobei sich das Ritzel in einer zweiten Position befindet.
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1 - 4 zeigen eine erfindungsgemäße Getriebeeinheit 1, die bspw. als Teil einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Alternativ wäre auch ein Einsatz als Teil eines Steer-by-Wire-Systems möglich. Zur Orientierung sind eine X-, Y- sowie Z-Achse eingezeichnet, die allerdings im Allgemeinen nicht mit der Längsachse, Querachse sowie Hochachse des Fahrzeugs übereinstimmen. Ein Ritzel 2 ist auf einer Antriebswelle 6 drehfest angeordnet, die ihrerseits durch eine Motoreinheit 7 angetrieben wird. Die Antriebswelle 6 und somit das Ritzel 2 sind um eine Antriebsachse A antreibbar. Das Ritzel 2 weist einen Trägerkörper 3 auf, an dem eine Mehrzahl von Verzahnungskörpern 4 gelagert ist. Innerhalb des Trägerkörpers 3 ist eine Durchgangsbohrung 3.2 ausgebildet, die randseitig eine oder mehrere Nuten 3.3 aufweist. In die Nuten 3.3 können an der Antriebswelle 6 ausgebildete Vorsprünge eingreifen, wodurch eine Verschiebbarkeit des Ritzels 2 in Richtung der Antriebsachse A gegeben ist, während gleichzeitig eine Verdrehung gegenüber der Antriebswelle 6 verhindert wird.
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Der Trägerkörper 3 weist einen sich bezüglich der Antriebsachse A radial erstreckenden, in etwa tellerförmigen Hauptabschnitt 3.1 auf, von dem in axialer Richtung bezüglich der Antriebsachse A eine Mehrzahl von Lagerwellen 3.4 ausgehen, die einstückig mit dem Hauptabschnitt 3.1 ausgebildet oder separat gefertigt sein können. Jede Lagerwelle 3.4 definiert eine Lagerachse L, die parallel zur Antriebsachse A verläuft. Die Lagerwellen 3.4 sind in gleichem radialem Abstand von der Antriebsachse A angeordnet und bezüglich der Antriebsachse A tangential zueinander versetzt. Auf jeder Lagerwelle 3.4 ist ein Verzahnungskörper 4 drehbar gelagert, wie insbesondere in der Detaildarstellung in 3 erkennbar ist. Um die Lagerreibung zu minimieren, ist ein Kugellager 5 zwischen der Lagerwelle 3.4 und dem Verzahnungskörper 4 angeordnet. Wie insbesondere aus der perspektivischen Darstellung in 2 hervorgeht, ist jeder Verzahnungskörper 4 kreissymmetrisch bezüglich seiner Lagerachse L ausgebildet und weist eine zylindrische Außenfläche 4.1 auf.
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Die Getriebeeinheit 1 weist außerdem ein Abtriebsrad 10 auf, dass an einer Abtriebswelle 13 befestigt ist, die um eine Abtriebsachse B drehbar gelagert ist. Die Abtriebswelle 13 ist in jedem Fall direkt oder indirekt an ein hier nicht dargestelltes Lenkgetriebe gekoppelt, um ein Lenkmoment zu übertragen. Im Falle einer Servolenkung ist die Abtriebswelle 13 durch das Abtriebsrad 10 hindurchgeführt, so das einerseits eine wenigstens indirekte mechanische Verbindung zum Lenkgetriebe gegeben ist sowie andererseits eine wenigstens indirekte mechanische Verbindung zu einem Lenkrad. Im Falle eines Steer-by-Wire-Systems entfällt die mechanische Verbindung zum Lenkrad. Die Abtriebsachse B verläuft innerhalb einer Ebene mit der Antriebsachse A und ist in einem Winkel von 90° zu dieser angeordnet.
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Auf dem Antriebsrad 10 sind eine erste Verzahnung 11 sowie eine hierzu konzentrische zweite Verzahnung 12 ausgebildet. Beide Verzahnungen 11, 12 erstrecken sich ringförmig um die Abtriebsachse B. Wie insbesondere in 2 erkennbar ist, weist jede Verzahnung 11, 12 eine Mehrzahl von konkaven Einschnitten 11.1, 12.1 auf, die entlang des Umfangs der jeweiligen Verzahnung 11, 12 in gleichem Abstand verteilt sind. Zwischen zwei Einschnitten 11.1, 12.1 ist jeweils ein Zahn 11.2, 12.2 ausgebildet. Abstand und Größe der Einschnitten 11.1, 12.1 sind auf Abstand und Dimensionen der Verzahnungskörper 4 abgestimmt. Beim Betrieb der Getriebeeinheit 1 wirken die Verzahnungskörper 4 mit jeweils einer Verzahnung 11, 12 zusammen, wobei jeder Verzahnungskörper 4 in einen Einschnitt 11.1, 12.1 eingreift. Aufgrund der zylindrischen Außenfläche 4.1 und der konkaven Ausbildung der jeweiligen Einschnitt 11.1, 12.1 ist ein extrem reibungsarmes Zusammenwirken gewährleistet, und zwar unabhängig von der momentanen Orientierung des jeweiligen Verzahnungskörpers 4 um seine Lagerachse L als auch unabhängig von zumindest geringfügigen axialen Verschiebungen des Ritzels 2 in Richtung der Antriebsachse A. Durch das Zusammenwirken des Ritzels 2 über die Verzahnungskörper 4 und die jeweilige Verzahnung 11, 12 werden das Abtriebsrad 10 und somit die Abtriebswelle 13 angetrieben. Dabei ist eine Untersetzung gegeben, die dem Zahlenverhältnis der Verzahnungskörper 4 einerseits und der Zähnezahl der jeweiligen Verzahnung 11, 12 andererseits entspricht.
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1 und 2 zeigen das Ritzel 2 in einer Position, in welcher die Verzahnungskörper 4 mit der inneren, ersten Verzahnung 11 in Eingriff stehen. Durch ein Verstellen des Ritzels 2 gegenüber der Antriebswelle 6 in Richtung der Antriebsachse A können die Verzahnungskörper 4 stattdessen in Eingriff mit der äußeren, zweiten Verzahnung 12 gebracht werden. Das entsprechende verstellen kann über einen hier nicht dargestellten Verstellmechanismus bzw. Aktor erfolgen. Da die Zähnezahl der zweiten Verzahnung 12 größer ist als die der ersten Verzahnung 11, ergibt sich hierdurch eine stärkere Untersetzung. Diese kann bspw. bei Parkmanövern verwendet werden, wo häufige, starke Lenkbewegungen typisch sind. Bei normaler Fahrt, wo eher seltene, geringfügige Lenkbewegungen typisch sind, kann hingegen ein Eingriff mit der ersten Verzahnung 11 gewählt werden. Auf diese Weise kann auch bei einer vergleichsweise leistungsschwachen und kleinen Motoreinheit 7 in jeder Situation ein geeignetes Lenkmoment zur Verfügung gestellt werden.
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Im hier gezeigten Beispiel weist das Ritzel 2 acht Verzahnungskörper 4 auf und das Abtriebsrad 10 weist zwei unterschiedliche Verzahnungen auf. Dies ist allerdings rein beispielhaft zu verstehen. Insbesondere kann das Ritzel 2 eine größere Zahl von Verzahnungskörpern 4 aufweisen, bspw. zwischen 10 und 20 Verzahnungskörper 4 und das Abtriebsrad 10 kann 3 oder mehr Verzahnungen aufweisen, wodurch eine größere Zahl unterschiedlicher Untersetzungen zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeeinheit
- 2
- Ritzel
- 3
- Trägerkörper
- 3.1
- Hauptabschnitt
- 3.2
- Durchgangsbohrung
- 3.3
- Nut
- 3.4
- Lagerwelle
- 4
- Verzahnungskörper
- 4.1
- Außenfläche
- 5
- Kugellager
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Motoreinheit
- 10
- Abtriebsrad
- 11, 12
- Verzahnung
- 11.1, 12.1
- Einschnitt
- 11.2, 12.2
- Zahn
- 13
- Abtriebswelle
- A
- Antriebsachse
- B
- Abtriebsachse
- L
- Lagerachse
- X
- X-Richtung
- Y
- Y-Richtung
- Z
- Z-Richtung
