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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Lenkungsaktuator sowie eine Achse, insbesondere eine Vorderachse, eines Kraftfahrzeugs.
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Insbesondere zwecks Platzersparnis sowie zur Lenkung unterschiedlicher Achsen bzw. Rädern auf den Achsen von Kraftfahrzeugen finden zunehmend elektrisch betätigte Lenkungen Einsatz. Diese basieren im Wesentlichen darauf, dass eine elektrische Antriebsmaschine angesteuert wird und diese eine Lenkbewegung initiiert, die gegebenenfalls noch über ein Getriebe auf die zu lenkenden Räder übertragen wird.
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In Abhängigkeit von den erforderlichen Lenkkräften, die üblicherweise mit der Größe bzw. Masse des betreffenden Kraftfahrzeugs korrelieren, sind dabei unterschiedliche Antriebseinheiten bzw. unterschiedliche Getriebe erforderlich.
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Es ist nachvollziehbar, dass je geringer die Reibungsverluste in Übertragungsgetriebe sind, umso kleiner kann die Antriebsmaschine dimensioniert werden, was zu einer Minimierung des Bauraumbedarfs führt sowie die allgemeinen Herstellungskosten und auch den benötigten Energiebedarf minimiert.
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Zu diesem Zweck werden üblicherweise Kugelumlaufgetriebe eingesetzt, die über ein Übersetzungsgetriebe mit einer Antriebsmaschine gekoppelt sind. Dabei wird die Mutter des Kugelumlaufgetriebes axial fixiert, so dass die Spindel des Kugelumlaufgetriebes eine axiale Bewegung ausführt, die in die Lenk- bzw. Schwenkbewegung des zu lenkenden Rades bzw. Radpaares umzusetzen ist. Konstruktionsbedingt haben Kugelumlaufgetriebe üblicherweise eine relativ große Steigung des Gewindes der Spindel, was eine entsprechend leistungsfähige Antriebsmaschine und/oder eine entsprechend große Übersetzung durch ein zusätzliches Getriebe notwendig macht.
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Beides geht mit einem erhöhten Bauraumbedarf einher. Insofern auf das zusätzliche Getriebe verzichtet werden würde, hätte die Antriebsmaschine eine noch höhere Leistung zu erbringen, was ebenfalls mit einem entsprechenden frei zu haltenden Volumen zur Anordnung der Antriebsmaschine und entsprechenden Kosten für die Herstellung und Implementierung der Antriebsmaschine verbunden wäre.
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Des Weiteren ist es bekannt, für Lenkungen eine Planeten-Wälz-Getriebespindel einzusetzen.
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So offenbart beispielsweise die
DE 10 2012 203 113 A1 eine Planeten-Wälz-Getriebespindel, umfassend eine mit einer Innenprofilierung versehene Mutter, eine mit einer Außenprofilierung versehene Spindel und eine Anzahl Planeten, die radial zwischen der Mutter und der Spindel angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Spindel eine Außenprofilierung zum formschlüssigen Eingriff mit der Innenprofilierung der Mutter.
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Die
DE 10 2017 124 388 A1 lehrt einen elektromechanischen Lenkungsaktuator mit einer Spindel, welche mit Hilfe eines Planetenwälzgetriebes verschiebbar ist.
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Die
DE 10 2012 212 608 A1 ist auf einen Aktuator für eine rein elektronisch gesteuerte elektromechanische Lenkung eines Nutzfahrzeuges gerichtet. Dieser Aktuator umfasst einen Elektromotor mit einem als Hohlwelle ausgeführten Rotor, eine mit einem Lenkgestänge verbundenen Gewindespindel, die sich durch die Hohlwelle erstreckt und eine mit der Hohlwelle drehfest verbundene Spindelmutter, die mit der Gewindespindel kraftschlüssig gekoppelt ist.
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DE 10 2005 035 872 A1 wiederum offenbart eine elektromotorisch betätigte Stelleinheit für die beiden Räder einer Achse eines zweispurigen Kraftfahrzeugs, mit der über eine einzige translatorisch verlagerbare, nicht selbsthemmende Gewindespindel eine Verstellbewegung auf die Räder übertragbar ist, wobei der Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet ist und die Gewindespindel umgibt.
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Insbesondere im Zuge der Elektrifizierung der Antriebe von Kraftfahrzeugen bestehen weitere Restriktionen hinsichtlich des zur Verfügung gestellten Bauraumes und/oder neue Möglichkeiten hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Fahrwerksaggregate des Kraftfahrzeugs, so dass es wünschenswert ist, den Bauraumbedarf des anzuwendenden Lenkungsaktuators weiter zu minimieren.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Lenkungsaktuator sowie eine damit ausgestattete Achse eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, mit denen in bauraumminimierter Bauweise zuverlässig und kostengünstig die Lenkung eines mit dem Lenkungsaktuator bzw. der Achse ausgestatteten Kraftfahrzeugs realisierbar ist.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Lenkungsaktuator mit einer als Hohlmotor ausgestalteten elektrischen Antriebsmaschine sowie mit einem Planetenrollengewindetrieb, dessen Umlaufmutter drehfest mit einem Rotor der Antriebsmaschine gekoppelt ist. Die Umlaufmutter ist axial neben dem Rotor angeordnet.
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Der Rotor ist als hohler Rotor ausgestaltet, dessen Rotationsachse koaxial zur Längs- bzw. Bewegungsachse des Planetenrollengewindetriebs verläuft.
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Die Bezeichnungen „axial“ und „radial“ beziehen sich dabei auf die Rotationsachse des hohlen Rotors bzw. auf die Längsachse des Planetenrollengewindetriebs.
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Es ist vorgesehen, dass zumindest der größere Teil des Volumens der Umlaufmutter sich axial neben dem Rotor befindet. Eine geringfügige, absatzweise Erstreckung der Umlaufmutter in den Rotor oder umgekehrt soll dabei nicht von der Erfindung ausgeschlossen sein.
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Der Planetenrollengewindetrieb kann auch als Planetenwälzgewindetrieb bezeichnet werden. Der verwendete Planetenrollengewindetrieb ist als Gewindetrieb ein Aggregat der Antriebstechnik, das insbesondere geschliffene Planetengewinderollen umfasst, die in der Umlaufmutter zwischen zwei Lochkränzen gefasst angeordnet sind, sodass sie um eine spezielle Rollengewindespindel rotieren können, wodurch sich eine axiale Relativbewegung zwischen Umlaufmutter und Spindel ergibt.
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Vorteil des elektromechanischen Lenkungsaktuators ist es insbesondere, dass kein Getriebe zwischen der Antriebsmaschine und dem Planetenrollengewindetrieb notwendig ist, um das Antriebsmoment der Antriebsmaschine in die von der Spindel translatorisch bewirkte Vorschubkraft umzusetzen.
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Dabei benötigt der elektromechanische Lenkungsaktuator in radialer Richtung nur wenig Bauraum, aufgrund dessen, dass der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine axial neben der Umlaufmutter des Planetenrollengewindetriebs angeordnet ist. Entsprechend besteht kein Bedarf hinsichtlich freizuhaltenden Volumens radial innerhalb des vom Rotor umgebenden Raums für die Umlaufmutter, sodass der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine und demzufolge auch der den Rotor umgebende Stator radial klein gebaut werden kann.
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Bevorzugt ist der elektromechanische Lenkungsaktuator für eine sogenannte „steerby-wire“ - Lenkung einsetzbar, also für eine Lenkung, die nicht mechanisch, sondern rein elektrisch betätigt wird. Entsprechend ist für diese Ausführungsform keine Lenksäule notwendig, was wiederum zu einer Volumenminimierung sowie zu mehr Freiheitsgraden bei der Integration der Lenkung in einem Kraftfahrzeug führt.
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So ist es beispielsweise möglich, dass durch den verwendeten Planetenrollengewindetrieb eine Übersetzung bzw. ein Hub der Spindel im Bereich von 2-5 mm/Umdrehung des Rotors der Antriebsmaschine realisiert wird.
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Dabei kann die Antriebsmaschine ein Elektromotor mit einem Nennmoment von 5-12 Nm bei einer Drehzahl von 600-1200 min-1 sein. Insbesondere bietet es sich an, dass dieser Elektromotor mehrere Windungen aufweist, insbesondere aus Redundanzgründen, wie zum Beispiel ein so genannter „Dual Winding Motor“.
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Die Spindel des Planetenrollengewindetriebs sowie auch ihre Kopplungsstelle an einen zu schwenkenden Rad sollten so gestaltet sein, dass sie gängige Lenkkräfte von 10-19kN Nennkraft aushalten. Insbesondere kann die Spindel einen Kerndurchmesser von 12-24 mm aufweisen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass sich der Rotor der Antriebsmaschine weiter nach radial innen erstreckt als die Erstreckung der Umlaufmutter nach radial außen.
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Entsprechend benötigt der Rotor im Wesentlichen nicht mehr radialen Bauraum als die Umlaufmutter.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen dem Rotor und der Umlaufmutter realisiert ist zwecks Übertragung von Drehmoment von dem Rotor auf die Umlaufmutter. Entsprechend kann die Drehmomentübertragung sehr einfach und kostengünstig ausgestaltet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann zwischen dem Rotor und der Umlaufmutter eine Entkopplungseinheit angeschlossen ist, zwecks Realisierung einer Schwingungs-Entkopplung von Motor und Getriebe.
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Außerdem entlastet die Entkopplungseinheit den Motor von durch ein angeschlossenes Lenkgestänge erzeugten Biegemomenten und Querkräften.
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Derart wird unter anderem verhindert, dass eine Überbelastung von Komponenten der elektrischen Antriebsmaschine auftritt, sowie dass der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator zu groß wird, was mit einer Leistungseinbuße sowie ggf. mit unerwünschten Geräuschemissionen verbunden wäre.
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Zudem dient die Entkopplungseinheit der Verhinderung einer überbestimmten Lagerung.
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Der Planetenrollengewindetrieb kann dabei nicht selbsthemmend oder selbsthemmend ausgeführt sein, je nach Lenkungsanforderung.
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Der elektromechanische Lenkungsaktuator kann ein Gehäuse umfassen, in dem die Antriebsmaschine sowie der Planetenrollengewindetrieb positioniert und fixiert sind. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Umlaufmutter und die elektrische Antriebsmaschine vom Gehäuse zumindest in axialer Richtung fixiert sind, sodass beim Betrieb des Planetenrollengewindetriebs dessen Spindel eine axiale translatorische Bewegung ausführt.
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Die Umlaufmutter kann axial vorgespannt sein. Der Planetenwälzgewindetrieb kann insbesondere über einen Gewindering axial vorgespannt sein. Die Vorspannung kann dabei so gewählt sein, dass das Getriebe nicht selbsthemmend ist. Insbesondere ist die Vorspannung zwischen 0 N und 1000 N zu wählen, um eine Durchschiebekraft von <500N zu erzielen. Außerdem ist der Planetenrollengewindetrieb vorteilhafterweise steigungstreu ausgeführt.
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Der Rotor kann mittels Gleitlagern drehgelagert sein. Dabei kann der Rotor ausschließlich mittels Gleitlagern drehgelagert sein, da sich der Rotor auf Grund seiner mechanischen Kopplung mit der Umlaufmutter außerdem an dieser abstützt, die sich wiederum auf der Spindel des Planetenrollengewindetriebs abstützt.
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In alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotor mittels Wälzlager gelagert ist, und die Spindel mittels Gleitlagern.
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Des Weiteren kann der Lenkungsaktuator wenigstens einen Linearsensor aufweisen zur Erfassung eines von einer Spindel des Planetenrollengewindetriebs zurückgelegten translatorischen Weges. Daraus lässt sich in einfacher Weise auch die translatorische Geschwindigkeit der Spindel ermitteln.
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Hinzukommend oder auch alternativ kann der Lenkungsaktuator wenigstens einen Kraftsensor aufweisen zur Erfassung der mittels einer Spindel des Planetenrollengewindetriebs aufgebrachten Vorschubkraft.
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Durch die Erfassung dieser Kraft ist es möglich, das von der Antriebsmaschine zur Verfügung gestellte Drehmoment entsprechend der benötigten Lenkkräfte bzw. Lenkmomente zu regeln.
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Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe ist eine Achse, insbesondere eine Vorderachse eines Kraftfahrzeugs, welche einen elektromechanischen Lenkungsaktuator umfasst. Die Achse kann dabei Kopplungselemente aufweisen, die der Übertragung von von dem Lenkungsaktuator aufgebrachten Kräften und Bewegungen auf Spurstangen eines Kraftfahrzeugs dienen.
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Dabei nicht ausgeschlossen, dass auch eine Hinterachse mit dem Lenkungsaktuator ausgestattet ist.
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Weiterhin ist durch den elektromechanischen Lenkungsaktuator auch eine radselektive Lenkung möglich, das heißt, dass lediglich einem Rad einer Achse jeweils ein Lenkungsaktuator zugeordnet ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: der elektromechanischen Lenkungsaktuator in schematischer Schnittansicht,
- 2: der elektromechanischen Lenkungsaktuator in detaillierterer Schnittansicht,
- 3: die Antriebsmaschine und die Umlaufmutter in vergrößerter Ansicht im Schnitt, und in
- 4: der elektromechanischen Lenkungsaktuator in weiterer detaillierter Schnittansicht.
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In 1 ist der elektromechanische Lenkungsaktuator 1 in schematischer Schnittansicht dargestellt. Er umfasst auf einer gemeinsamen Rotationsachse 2 gelagert und in einem Gehäuse 10 aufgenommen eine als Rotationsmaschine ausgeführte elektrische Antriebsmaschine 20, die einen Stator 22 umfasst, der an seiner radialen Innenseite einen Rotor 21 umgibt. Die dargestellte Rotationsachse 2 ist auch die Rotationsachse des Rotors 21.
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Des Weiteren umfasst der elektromechanische Lenkungsaktuator 1 einen Planetenrollengewindetrieb 30. Dieser Planetenrollengewindetrieb 30 weist eine Umlaufmutter 31 sowie eine Spindel 33 auf, deren Längsachse der Rotationsachse 2 entspricht. Die Umlaufmutter 31 ist um die Spindel 33 verdrehbar, sodass bei Drehung der Umlaufmutter 31 die Spindel 33 eine translatorische Bewegung 39 ausführt.
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Es ist ersichtlich, dass der Rotor 21 der elektrischen Antriebsmaschine 20 über eine unmittelbare mechanische Verbindung 40 drehfest mit der Umlaufmutter 31 gekoppelt ist.
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Entsprechend wird eine bei Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 20 vom Rotor 21 realisierte Drehbewegung ohne weitere Übersetzung auf die Umlaufmutter 31 übertragen. Die Rotation der Umlaufmutter 31 wiederum bewirkt die translatorische Bewegung 39 der Spindel 33.
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Derart können Räder einer Achse eines Kraftfahrzeugs elektromotorisch durch den elektromechanischen Lenkungsaktuator 1 geschwenkt bzw. in einer Lenkbewegung bewegt werden.
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Weiterhin ist ersichtlich, dass der radiale Bauraumbedarf der elektrischen Antriebsmaschine 20 außerordentlich gering ist, da die Drehmoment-Übertragung auf die Umlaufmutter axial neben dem Rotor 21 realisiert ist und der Rotor 21 sowie auch der dazugehörige Stator 22 radial sehr klein dimensioniert werden können.
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In 1 sind weiterhin die Anordnungen eines Linearsensors 50 zur Ermittlung des in der translatorischen Bewegung 39 zurückgelegten Weges sowie eines Kraftsensors 60 zur Ermittlung der in der Spindel 33 wirkenden Längskraft ersichtlich.
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2 zeigt den elektromechanischen Lenkungsaktuator 1 in detaillierterer Ansicht im Längsschnitt. Hier ist ersichtlich, dass das Gehäuse 10 durch ein erstes Gehäuseelement 11 sowie ein zweites Gehäuseelement 12 ausgebildet ist. Die Spindel 33 umfasst einen Gewindeabschnitt 34, auf dem die Umlaufmutter 31 sitzt. Axial beidseitig des Gewindeabschnitts 34 umfasst die Spindel 33 einen ersten Kopplungsabschnitt 35 sowie einen zweiten Kopplungsabschnitt 36. Diese beiden Kopplungsabschnitte 35 und 36 führen zu jeweiligen Fahrzeuganbindungen 38, mit denen der elektromechanische Lenkungsaktuator 1 mit Fahrwerks-Komponenten verbunden werden kann, wie zum Beispiel mit Querlenkern.
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In der hier dargestellten Ausführungsform befindet sich der erste Kopplungsabschnitt 35 im ersten Gehäuseelement 11, und der zweite Kopplungsabschnitt 36 im zweiten Gehäuseelement 12.
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In 2 ist zudem ersichtlich, dass die Umlaufmutter 31 eine Übertragungshülse 37 aufweist, mit der die unmittelbare mechanische Verbindung 40 zwischen dem Rotor 21 und der Umlaufmutter 31 realisiert ist, zwecks unmittelbarer Übertragung des Drehmoments vom Rotor 21 auf die Umlaufmutter 31.
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3 zeigt in vergrößerter Ansicht die Umlaufmutter 31. Hier sind auf dem Gewindeabschnitt 34 angeordnete Planetenrollen 32 ersichtlich, die bei Rotation der Umlaufmutter 31 mit dem Gewinde des Gewindeabschnitts 34 umlaufend kämmen und dadurch die Spindel 33 translatorisch bewegen.
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4 zeigt in einer weiteren Schnittdarstellung die Lagerungen der Spindel 33 sowie des Rotors 21 der elektrischen Antriebsmaschine.
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Es ist ersichtlich, dass in den beiden Gehäuseelementen 11,12 Gleitlager 70 angeordnet sind, mit denen die Kopplungsabschnitte 35,36 der Spindel 33 axial verschiebbar gelagert sind.
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Der Rotor 21 der elektrischen Antriebsmaschine 20 ist mittels Wälzlager 80 in dem ersten Gehäuseelement 11 drehbar gelagert.
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Der elektromechanische Lenkungsaktuator kombiniert den Vorteil einer kostengünstigen Bauweise mit einem geringen Bauraumbedarf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanischer Lenkungsaktuator
- 2
- Rotationsachse
- 10
- Gehäuse
- 11
- erstes Gehäuseelement
- 12
- zweites Gehäuseelement
- 20
- elektrische Antriebsmaschine
- 21
- Rotor
- 22
- Stator
- 30
- Planetenrollengewindetrieb
- 31
- Umlaufmutter
- 32
- Planetenrolle
- 33
- Spindel
- 34
- Gewindeabschnitt
- 35
- erster Kopplungsabschnitt
- 36
- zweiter Kopplungsabschnitt
- 37
- Übertragungshülse
- 38
- Fahrzeuganbindung
- 39
- translatorische Bewegung
- 40
- unmittelbare mechanische Verbindung
- 50
- Linearsensor
- 60
- Kraftsensor
- 70
- Gleitlager
- 80
- Wälzlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203113 A1 [0008]
- DE 102017124388 A1 [0009]
- DE 102012212608 A1 [0010]
- DE 102005035872 A1 [0011]
