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Die Erfindung betrifft Spindel für einen Spindelantrieb eines Aktuators einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges sowie ein Verfahren zum Beeinflussen des Schwingverhaltens einer solchen Spindel nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 10 2014 206 934 A1 ist ein Stellmotor bzw. Aktuator mit einer ortsfest gelagerten Spindelmutter und eine axial gegenüber dieser verlagerbaren Spindel bekannt. Zumindest ein Ende eines solchen Aktuators, welcher in einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung Anwendung findet, ist mittels eines Lenkgestänges mit einem Radträger verbunden. Durch die lineare Verschiebung der Spindel kann so eine Änderung des Radlenkwinkels eines drehbar an dem Radträger gelagerten Rades erfolgen.
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Bei einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs treten hohe Seitenkräfte auf, die durch den vorgenannten Aktuator abgestützt werden müssen, damit die Lenkvorrichtung radführend ist. Die hohen Kräfte bewirken in dem Bewegungsgewinde des Spindelantriebs des Aktuators eine hohe Reibung. Zwischen den Gewindeflanken von Spindel und Spindelmutter tritt auch bei Verwendung von optimierten Schmiermitteln eine hohe Reibung auf. Aufgrund der zwischen den Gewindepartnern auftretenden Haftreibung und Gleitreibung an den Kontaktflächen der aneinander liegenden Gewindeflanken kann es zu einem sogenannten Stick-Slip-Effekt kommen. Es handelt sich hierbei um das abwechselnde Haften und Gleiten der Gewindeflanken, welche zu schwankenden Drehmomenten zwischen der Spindelmutter und der Spindel führen kann. Hierbei kann die Spindel zu Schwingungen angeregt werden. Eine fortwährende Anregung kann über einen Mindestzeitraum bewirken, dass die Eigenfrequenz der Spindel oder anderer Bauteile in dem Aktuator erreicht werden. Ist die Anregung groß genug, so kann Luftschall derart emittiert werden, dass dieser von Fahrzeuginsassen akustisch wahrgenommen werden kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Spindel eines Spindelantriebes für einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs dahingehend weiterzubilden, dass die Spindel und letztlich der Aktuator akustisch unauffällig ist.
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Die Lösung des Problems gelingt durch einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine Spindel und eine Spindelmutter bilden einen Spindelantrieb zum axialen Verlagern der Spindel gegenüber der Spindelmutter aus. Die Spindel weist hierzu ein Außengewinde auf, welches mit dem Innengewinde der Spindelmutter in Eingriff ist und somit ein Bewegungsgewinde ausbilden. Wird die Spindelmutter drehangetrieben, z. B. durch einen Elektromotor, bevorzugt mittelbar durch ein Getriebe, vorzugsweise Riemengetriebe, so bedingt das Bewegungsgewinde, dass die Spindel axial entlang ihrer Längsachse gegenüber der Spindelmutter bzw. dem Gehäuse verlagert wird. Durch die axiale Verlagerung entlang ihrer Längsachse kann der Radlenkwinkel eines drehbar an einem Radträger angeordneten Rades geändert werden, welcher zumindest mit einem Ende der Spindel verbunden ist. Der Spindelantrieb ist als Teil eines Aktuators einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges bevorzugt in einem Gehäuse angeordnet, in welchem die Spindelmutter drehbar sowie ortsfest gelagert ist. Die Lagerung wird bevorzugt mittels eines Wälzlagers bewerkstelligt.
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Um die eingangs bereits erläuterte Anregung der Spindel zum hörbaren Schwingen zu reduzieren und im günstigsten Fall zu verhindern, wird die Spindel in zumindest einem Teilbereich mit zumindest einer Trägheitsmasse gekoppelt. Hierzu ist die Spindel mit zumindest einer Ausnehmung versehen, in der die Trägheitsmasse angeordnet ist. Die Spindel kann hierzu komplett hohl wie ein Zylinder ausgebildet sein. Alternativ kann die Spindel an zumindest einem Ende eine Sacklochbohrung aufweisen. Die Ausnehmung ist bevorzugt in einem Randbereich der Spindel ausgeführt. Der Ort der Ausnehmung sowie der Ort der eingebrachten Trägheitsmasse beeinflusst maßgeblich die Wirkung der Minderung der Schwingung. Insgesamt kann dadurch das Schwingverhalten der Spindel gezielt beeinflusst werden, so dass durch den Stick-Slip-Effekt eine Anregung der Spindel in einem hörbaren kritischen Resonanzfrequenzbereich gemindert wird oder im günstigsten Fall nicht möglich ist. Die Spindel erhält durch die Anpassung mittels der Ausnehmung und der Trägheitsmasse eine Dämpfung, so dass es im Betrieb zu keinem wahrnehmbaren Luftschall im Betrieb des Spindelantriebs kommen kann.
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Durch die Erfindung können herkömmliche Spindeln für Spindelantriebe für Aktuatoren einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung verwendet werden. Diese werden bekanntlich bevorzugt als Gleichteile kostengünstig hergestellt und können durch die vorgeschlagenen Maßnahmen an den jeweiligen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung angepasst werden. Durch die bei der Radführung bei einer Achse im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs auftretenden Kräfte und je nach bei diesem Fahrzeug vorherrschenden verschiedensten Betriebsbedingungen wird von der Spindel kein Luftschall im hörbaren Eigenfrequenzbereich emittiert. Die Spindel wird lediglich in einfacher Weise auf den jeweiligen Spindelantrieb bzw. die Steer-by-wire-Lenkung und der dort herrschenden Anregung angepasst. Das spart Kosten bei der Herstellung, weil nicht für verschiedenste Aktuatoren jeweils unterschiedliche Spindeln hergestellt werden müssen.
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Die Anregung und somit die Emission des Luftschalls kann nicht nur eine einzelne Frequenz, sondern einen Frequenzbereich betreffen. Dieser kann beispielsweise 8-10 KHz betragen. Auch kann nach vorliegender Seitenkraft durch den Stick-Slip-Effekt ein Bereich um die für die Spindel ermittelbare Resonanzfrequenz von z.B. 8 KHz angeregt werden. Der Bereich kann beispielsweise plus-minus 25kHz betragen.
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Bevorzugt ist die Trägheitsmasse mit der Spindel zumindest mittelbar gekoppelt. Dabei ist die Trägheitsmasse unter Berücksichtigung des Schwingverhaltens der Spindel ausgebildet. Die Trägheitsmasse ist in Abhängigkeit von ihrem Massenträgheitsmoment und vom Schwingverhalten der Spindel ausgebildet. Die Trägheitsmasse ist dabei bevorzugt zylindrisch ausgebildet. Die Trägheitsmasse wird in Bezug auf die Längsachse der Spindel bevorzugt außermittig angeordnet. Es lässt sich somit die Eigenfrequenz der angepassten Spindel in einen unkritischen Bereich verändern. Mit anderen Worten liegt die Eigenfrequenz nach der Anpassung der Spindel ober- oder unterhalb ihrer vorherigen Frequenz, so dass durch den Stick-Slip-Effekt keine Anregung erreicht wird.
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Wie zuvor beschrieben, bewirken die hohen Seitenkräfte der Räder eine hohe Flächenpressung zwischen den Gewindeflanken in dem Bewegungsgewinde. Dadurch ergeben sich schwankende Drehmomente und damit ein Stick-Slip-Effekt, wobei sich dieser Effekt verstärkt, wenn der Drehantrieb die Spindelmutter temporär bzw. in Intervallen antreibt. Dabei ist zu bedenken, dass im Normalbetrieb einer Lenkvorrichtung jeweils geringe Radlenkwinkeländerungen erforderlich sind. Diese geringen temporären Änderungen können durch geringe Drehbewegungen der Spindelmutter bzw. geringe axiale Verlagerungen der Spindel erreicht werden. Somit kann es im Normalbetrieb des Aktuators durch einen ständigen Wechsel von drehender und stehender Spindelmutter zu Anregungen von Schwingungen, insbesondere in dem Bauteil Spindel kommen. Begünstigt wird dieses Verhalten durch sehr hohe Seitenkräfte, welche beim Parkieren aufgrund der geringen Drehung der Räder auftreten, so dass an den Gewindeflanken zwischen Spindelmutter- und Spindelgewinde eine vergleichsweise hohe Reibung erzeugt wird.
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Zur Änderung des Schwingverhaltens der Spindel könnte man diese mit einer größeren Masse, z. B. mit einem größeren Durchmesser fertigen. Dieses würde jedoch zu einem höheren Materialeinsatz mit erhöhtem Gewicht und erhöhter erforderlicher Zerspanung bei der Herstellung führen, welcher die Spindel teurer werden ließe. Bei einer Durchmesserzunahme der Spindel müssten aber auch Lagerungen der Spindel gegenüber dem Gehäuse sowie die Spindelmutter in ihren Dimensionen angepasst werden. In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung ohne wesentliche Änderung eines bestehenden Aktuators einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung mittels der vorgenannten Anpassungen eine Veränderung des Schwingverhaltens herbeigeführt werden.
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Aufgrund ihres Massenträgheitsmoments wirkt die Trägheitsmasse dämpfend auf die Spindel, wenn die Trägheitsmasse mit der Spindel gekoppelt ist. Mit anderen Worten gesagt bewirkt die Anpassung, dass die Resonanzfrequenz, bei der Luftschall emittiert würde, über die begrenzt andauernde Anregung nicht oder nicht ausreichend erreicht wird. Somit kann kein Luftschall emittiert werden.
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Die Trägheitsmasse ist bevorzugt ein separates Bauteil, welches ein oder mehrteilig ausgebildet sein kann. Für eine vereinfachte Montage ist die Trägheitsmasse bevorzugt kraft- und/oder stoff- und/oder formschlüssig mit der Spindel gekoppelt. Die Trägheitsmasse kann beispielsweise in der Ausnehmung der Spindel mittels einer Klemmung z.B. über eine Klemmschraube und/oder durch Schrumpfen kraftschlüssig fixiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Befestigung mittels Stoffschluss wie z.B. Kleben oder Schweißen und/oder durch formschlüssig korrespondierende Geometrien erfolgen. Auch ist eine Kombination zur Fixierung der Trägheitsmasse möglich.
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Die Montage der Spindel mit Lagern oder mit dem Gehäuse des Aktuators wird vorteilhafter Weise nicht behindert, wenn die Anpassung der Spindel durch eine Ausnehmung und/oder darin angeordnete Trägheitsmasse vorgenommen wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es bei einem Aktuator für steer-by-wire-Lenkvorrichtung bekannt, dass an dem oder den Enden die Spindel eine Lagerhülse, auch Aufschraubzapfen genannt, gekoppelt ist. Die Lagerhülse dient z.B. als kostengünstige Verlängerung der Spindel. Um einen kompakten Verbund aus Lagerhülse, Spindel und Trägheitsmasse zu erreichen, kann in einer vorteilhaften Ausführung die Trägheitsmasse zwischen Lagerhülse und Spindel als verbindendes Bauteil ausgeführt sein. Bevorzugt umgreift die Lagerhülse sowohl die Spindel als auch die Trägheitsmasse zumindest teilweise. Für verschiedenen Aktuatoren unterschiedlicher Länge kann so eine immer gleich lange Spindel verwendet werden (Gleichteil). Die bedarfsweise Anpassung der Länge der Spindel an die Länge des Aktuators kann durch die Lagerhülse und die Trägheitsmasse erfolgen. Die Trägheitsmasse ist dabei in einer Ausnehmung nach Art eines Sackloches in der Spindel fixiert.
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Zusätzlich oder alternativ zur Dämpfung mittels der Trägheitsmasse kann es auch von Vorteil sein, die montierte Einheit aus Spindel und Trägheitsmasse oder Spindel, Trägheitsmasse und Lagerhülse als Zwei-Massen-Schwungsystem auszubilden. Hierzu ist zumindest die Trägheitsmasse elastisch mit der Spindel und/oder der Lagerhülse verbunden. Mit einem Zweimassen-Schwungsystem lassen sich Frequenzbereiche in unkritische Bereiche aufteilen. Hierzu wird die Trägheitsmasse zusätzlich, bevorzugt elastisch, mit der Lagerhülse gekoppelt. Es ergibt sich somit eine elastische Verbindung zwischen Spindel bzw. Lagerhülse und Trägheitsmasse, die mittels eines zwischen diesen Bauteilen anvulkanisierten Gummis, eines Klebers oder eines Dichtmittels oder eines eingespritzten Elastomers erreicht werden kann, welche zwischen die Lagerhülse bzw. Spindel und der Trägheitsmasse eine elastische Verbindung herstellt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, welche mit einer Spindel nach einem der vorhergehend genannten Ausführungen ausgebildet ist. Der Aktuator wird bevorzugt bei einer steer-by-wire-Lenkung vorzugsweise als Hinterachslenkung eingesetzt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Beeinflussen des Schwingverhaltens einer zuvor ausgebildeten Spindel für einen Spindelantrieb eines Aktuators einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung vorgesehen. Die Spindel ist mittels einer Spindelmutter axial gegenüber einem Gehäuse des Aktuators verlagerbar. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte, welche keine zwingende Reihenfolge darstellen:
- - Bestimmen des Eigenschwingverhaltens der Spindel
In diesem Schritt wird die Resonanzfrequenz bzw. der kritische Frequenzbereich ermittelt, bei dem Luftschall emittiert wird. Die Ermittlung dieses Frequenzbereichs erfolgt an dem Bauteil allein, wenn dieses hergestellt wurde und somit nicht in einem Aktuator für eine steer-by-wire-Lenkvorrichtung eingebaut ist. Wird die Spindel in diesem Frequenzbereich angeregt, so schwingt sie mit und emittiert dabei Luftschall. Die Anregung kann dabei durch den zuvor beschriebenen Stick-Slip-Effekt erfolgen und zu unerwünschter Geräuschbildung führen.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem nachfolgend beschriebenen Schritt die Schwingung auch innerhalb des Aktuators bestimmt werden. Da es sich bei der Spindel um ein Gleichteil handelt würde die Schwingung offensichtlich nur einmal für einen bestimmten Typ eines Aktuator zu ermitteln sein. Hierbei können die maximal auf die Spindel wirkenden Kräfte im Betrieb des Aktuator in einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung berücksichtigt werden. Des Weiteren können Bauteile ermittelt werden, welche aufgrund ihrer Eigenfrequenzen ebenfalls zu Schwingen angeregt werden.
- - Bestimmen des Schwingungsverhaltens der Spindel in dem Aktuator unter Berücksichtigung der auf die Spindel wirkenden Kräfte in der Lenkvorrichtung
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In dem weiteren Schritt
- - Bestimmen zumindest eines Frequenzbereichs mit störenden Schwingungen
kann für den jeweiligen Einsatzzweck bzw. Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung der störende Frequenzbereich näher bestimmt werden, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der weiteren Bauteile in dem Aktuator, welche aufgrund der Schwingung der Spindel mit zum Schwingen angeregt werden und dabei ebenfalls Luftschall emittieren.
- - Berechnen der Spindeländerung
Aufgrund einer oder mehrerer der vorgenannten Schritte kann die Änderung an der Spindel berechnet werden. Es kann die Art und Größe bzw. Länge der Ausnehmung und/oder der Ort für die Trägheitsmasse bestimmt werden. Diese Änderung kann dann für sämtliche Spindeln erfolgen, welche in demselben Aktuator zu Anwendung kommt.
- - Änderung der Spindel
Die Spindel wird mit einer Ausnehmung versehen. Diese kann maschinell durch spanende Bearbeitung wie Bohren, Drehen und/oder Fräsen oder auch Erodieren vorgenommen werden. Die Ausnehmung wird bevorzugt in einem Teilbereich vorgenommen. Oder die Ausnehmung wird derart vorgenommen, dass die Spindel komplett hohlzylindrisch ausgebildet ist. Zur weiteren Änderung wird die Spindel mit zumindest einer Trägheitsmasse gekoppelt. Bevorzugt wird dabei die Trägheitsmasse form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Spindel montiert. Dieses kann durch Verschrauben, Klemmen, Schrumpfen, Verstemmen oder auch Kleben oder weiteren Möglichkeiten erfolgen. Es kann die zumindest eine Trägheitsmasse, z.B. ein massiver Zylinder in die Ausnehmung eingebracht und dort fixiert werden.
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Bei einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung handelt es sich um eine von der mechanischen Lenkung, beispielsweise der Lenkhandhabe oder auch Lenkrad genannt, entkoppelte Lenkvorrichtung. Dabei wird die Lenkbewegung des Fahrers nicht auf mechanischem Wege, beispielsweise über ein Gestänge auf die Radträger bzw. Räder übertragen. Vielmehr wird ein Lenkwinkel für die jeweiligen Räder einer Achse, z. B. in einem Steuergerät, berechnet, welches Stellsignale an den oder die Aktuatoren der steer-by-wire-Lenkvorrichtung sendet und letztlich die Radlenkwinkeländerung vornimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Aktuator nach dem bekannten Stand der Technik,
- 2 eine Detailansicht der Spindel eines Aktuators mit Trägheitsmasse
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1 zeigt einen Aktuator 40 für eine steer-by-wire-Lenkvorrichtung. Der Aktuator 40 wird auch Stellmotor genannt, und umfasst einen Spindelantrieb 41, welcher eine Spindel 42 mit einem Spindelgewinde 42a sowie eine Spindelmutter 43 mit einem Muttergewinde 43a aufweist. Die Spindelmutter 43 ist über Wälzlager 44, 45 in einem Gehäuse 46 drehbar gelagert und axial fixiert - mit anderen Worten ortsfest gelagert. Das Gehäuse 46 ist in drei Gehäuseteile unterteilt, nämlich ein rechtes Gehäuseteil 46a, ein linkes Gehäuseteil 46b sowie ein mittleres Gehäuseteil 46c. Auf der Spindelmutter 43 ist drehfest ein Riemenrad 47 angeordnet, welche über einen Riementrieb 48 von einem Elektromotor 49 mittels eines Riemens 55 antreibbar ist. Die Spindel 42 ist an einem Ende mit einer Lagerhülse 50 in Form eines Schub- oder Aufschraubzapfens, welcher in einer Lagerbuchse in Form eines Gleit- oder Schublagers 51 gehäuseseitig geführt ist, verbunden. Der Schubzapfen 50, der teilweise aus dem Gehäuseteil 46b herausragt, ist mit einer Gelenkhülse 52 verbunden, an welche ein nicht dargestelltes Lenkgestänge mit einem Radträger gelenkig gekoppelt ist. Der rechte Gehäuseteil 46a ist über ein Gelenk 53 fahrzeugseitig bzw. am Aufbau der Karosserie abgestützt.
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Die vorgenannte Anordnung ist als steer-by-wire-Lenkvorrichtung an einer Fahrzeugachse, bevorzugt als eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges einsetzbar. Der dargestellte Aktuator 40 ist als Einzelsteller ausgebildet, d. h. er ist z.B. radnah angeordnet und einseitig an der Karosserie abgestützt, um einen Radlenkwinkel eines Rades zu ändern. Mit dem anderen Ende ist der Aktuator über die Gelenkhülse 52 mittels eines Lenkgestänges oder unmittelbar mit einem Radträger verbunden, an dem ein Rad drehbar gelagert ist. Der Aktuator 40 wirkt beispielsweise auf ein Hinterrad und ändert dessen Radlenkwinkel, wenn die Spindel 42, 142 linear verlagert wird. Entsprechend ist für das zweite Hinterrad ein weiterer Einzelsteller vorgesehen. Die Änderung des Radlenkwinkels erfolgt über die Spindel 42, welche bei einem Antrieb durch die Spindelmutter 43 axial verschiebbar ist und die Linearbewegung über den Schubzapfen 50 auf die Gelenkhülse 52 überträgt. Bei einem doppelt oder zentral, d.h. auf beide Räder einer Achse lenkend wirkendem Aktuator ist der geschilderte Spindelantrieb ebenfalls anwendbar.
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2 besteht aus den Teilen 2a, 2b. In der Ausführung gemäß 2a ist die Spindel 142 hohlzylindrisch ausgebildet. Die Ausnehmung 120 ist somit über die gesamte Länge der Spindel 142 als Zylinder konzentrisch zur Längsachse a vorhanden. Eine Trägheitsmasse 100 in Form eines Zylinders ist im linken Drittel der Spindel 142 in der Ausnehmung 120 ebenfalls konzentrisch zur Längsachse a angeordnet. Die Trägheitsmasse 100 ist zum Beispiel durch Schrumpfen in der Ausnehmung 120 fixiert.
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In der 2b ist die Ausnehmung 120 lediglich im linken Drittel der Spindel 142 ausgebildet. Die Trägheitsmasse 100 ist wieder konzentrisch zur Längsachse a angeordnet. Die Trägheitsmasse 100 ist jedoch von einem Kunststoff, bevorzugt einem Elastomer 110 umgeben und somit in der Innenwandung der Ausnehmung 120 fixiert. Es ergibt sich somit ein Zwei-Massen-Schwungsystem. Es ergeben sich dadurch zwei aufgeteilte Eigenfrequenzen, die nicht durch den Stick-Slip-Effekt angeregt werden. Damit spielt die kritische Resonanzfrequenz des ursprünglichen Systems „Spindel ohne Trägheitsmasse“ keine Rolle mehr. Die kritische Resonanzfrequenz bzw. ein solcher Resonanzfrequenzbereich wird somit effektiv vermieden, sodass durch den Stick-Slip-Effekt keine Anregung erfolgen kann, welche zu einem hörbaren Luftschall führen könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 40
- Aktuator
- 41
- Spindelantrieb, Bewegungsgewinde
- 42, 142
- Spindel
- 42a
- Innengewinde Spindelmutter
- 43
- Spindelmutter
- 43a
- Außengewinde Spindel
- 44
- Lager
- 45
- Lager
- 46
- Gehäuse
- 46a
- Gehäuseteil
- 46b
- Gehäuseteil
- 46c
- Gehäuseteil
- 47
- Riemenrad
- 48
- Riementrieb
- 49
- Elektromotor
- 50
- Lagerhülse, Aufschraubzapfen
- 51
- Lagerbuchse
- 52
- Gelenkhülse
- 53
- Lagerauge
- 55
- Riemen
- 100
- Trägheitsmasse
- 110
- Elastomer
- 120
- Ausnehmung
- a
- Längsachse
- T
- Außendurchmesser
- L
- Innendurchmesser
- F1
- Seitenkraft
- F2
- Seitenkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206934 A1 [0002]
