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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs, umfassend eine Schubstange, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei die Schubstange eine Verdrehsicherung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Achslenkung mit einem derartigen Aktuator sowie ein Fahrzeug, umfassend eine solche Achslenkung.
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Aus der
US 2020/079419 A1 geht eine Lenkvorrichtung hervor, umfassend eine Schubstange, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei an der Schubstange zumindest mittelbar ein Beschränkungsmechanismus zur Verdrehsicherung der Schubstange gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist. Der Begrenzungsmechanismus ist ein Kugelkolben mit einem Führungselement, einem kugelförmigen Kontaktteil und einem Erregungsteil. Das Kontaktteil ist eine Kugel, die sich über eine Tellerfeder am Gehäuse sowie in einer Nut an der Schubstange abstützt. Die von der Tellerfeder vorgegebene Vorspannrichtung der Kugel schneidet die Längsachse der Schubstange. Die Kugel beschränkt eine relative Verdrehung der Schubstange um dessen Längsachse in Bezug auf das Gehäuse.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen alternativen Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs umfasst eine Schubstange, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei am Gehäuse zumindest mittelbar eine Schaltarretierung zur Verdrehsicherung der Schubstange gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Schaltarretierung eine erste federvorgespannte Kugel und eine zweite federvorgespannte Kugel umfasst, wobei die Kugeln mit gleichem Abstand zu einer Längsachse der Schubstange angeordnet sind und an der Schubstange zur Anlage kommen, wobei eine Vorspannrichtung der ersten Kugel parallel zu einer Vorspannrichtung der zweiten Kugel ausgerichtet ist.
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Der Aktuator ist dazu vorgesehen, durch das axiale Verlagern der Schubstange gegenüber dem Gehäuse eine Einstellung eines Lenkwinkels von mit dem Aktuator wirkverbundenen Fahrzeugrädern an einer Hinterachse des Fahrzeugs auszuführen. Dadurch wird beispielsweise eine Kurvenfahrt des Fahrzeugs eingeleitet oder unterstützt. Die Schubstange weist dazu an dessen freien Enden vorzugsweise zumindest eine Gabelanbindung mit einem Gabelelement auf, an dem das jeweilige Fahrzeugrad zumindest mittelbar aufgenommen ist. Die Schubstange ist bevorzugt ein- oder mehrteilig ausgebildet und weist eine ein- oder mehrteilig damit verbundene sowie konzentrisch dazu angeordnete Gewindespindel auf. Vorzugsweise ist die Schubstange wenigstens zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Schubstangensegmente über einen Schlitten miteinander verbunden sein können. Die Schubstangensegmente können beispielsweise in den Schlitten eingeschraubt sein. Dies kann die Montage des Aktuators vereinfachen. Die Schaltarretierung mit den federvorgespannten Kugeln ist am Gehäuse befestigt.
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Eine Antriebseinheit, beispielsweise in Form eines Elektromotors, ist vorgesehen, eine axial unverschiebliche, drehangetriebene Gewindemutter des Aktuators anzutreiben, wobei die Gewindemutter mit einer Gewindespindel wirkverbunden ist. Die Gewindemutter ist drehbar zum Gehäuse angeordnet und entsprechend am Gehäuse gelagert und abgestützt. Die Gewindespindel ist zumindest mittelbar an der Schubstange angeordnet, wobei die Gewindespindel zusammen mit der Schubstange, und gegebenenfalls dem Schlitten, durch eine Rotation der Gewindemutter in eine Längsverlagerung bzw. in eine longitudinale Verlagerung gegenüber dem Gehäuse bzw. der Gewindemutter versetzt wird. Mithin bilden die Gewindespindel und die Gewindemutter einen Gewindetrieb, wobei durch den Drehantrieb der Gewindemutter zumindest mittelbar eine lineare Stellbewegung der Schubstange für eine Lenkwinkeleinstellung erfolgt. Ferner kann die Antriebseinheit eine Getriebeeinrichtung umfassen, die beispielsweise als Riemengetriebe ausgebildet ist und mit der Gewindemutter wirkverbunden ist.
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Die Vorspannrichtungen der Kugeln verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander, wobei die Kugeln in die gleiche Richtung, also zur Schubstange hin, vorgespannt sind und daran zur Anlage kommen. Die Kugeln bewirken, dass die Schubstange sowohl im Stillstand als auch während einer axialen Verlagerung in einer rotativen Neutrallage verbleibt. An der Schubstange kann ein Target angeordnet sein, dass mit einer ortsfesten Sensorik wechselwirkt, oder umgekehrt, um insbesondere eine axiale Position der Schubstange relativ zum Gehäuse zu bestimmen. Indem die Schubstange unabhängig ihrer axialen Position immer in ihrer rotativen Neutrallage gehalten wird, kann eine Messfehleranfälligkeit der Sensorik reduziert werden.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltarretierung eine erste Hülse und eine achsparallel dazu angeordnete zweite Hülse, wobei in der jeweiligen Hülse eine axial geführte Druckfeder angeordnet ist, und wobei die jeweilige Druckfeder dazu vorgesehen ist, die ebenfalls in der dazugehörigen Hülse geführte Kugel in Richtung der Schubstange vorzuspannen. Die Hülse führt die dazugehörige Kugel und nimmt die Druckfeder axial auf, wobei sich die Druckfeder einerseits stirnseitig an der Innenstirnfläche der Hülse abstützt, die wiederum am Gehäuse abgestützt ist, sowie andererseits stirnseitig an der jeweiligen Kugel abstützt, die durch die Federvorspannkraft der jeweiligen Druckfeder an der Schubstange zur Anlage kommt. Die Ausgangsvorspannkraft der Druckfedern ist derart ausgelegt, dass in einem Normalbetrieb, also wenn kein Drehmoment auf die Schubstange einwirkt, ein Kräftegleichgewicht in der Schaltarretierung vorliegt, das die Schubstange in der rotativen Normallage hält.
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Bei einer Drehmomenteinwirkung auf die Schubstange, die zur einer Verdrehung der Schubstange um dessen Längsachse führt, wird je nach Drehrichtung der Schubstange eine der Kugeln in Richtung der Druckfeder gedrückt, sodass eine Vorspannkraft in der jeweiligen Druckfeder aufgebaut wird. In der jeweiligen Druckfeder wird mithin potenzielle Energie gespeichert. Die Druckfeder neigt dazu, diese potenzielle Energie wieder abzugeben, sodass die Kugel gegen die Schubstange gedrückt wird. Die Druckfedern sind derart ausgelegt, dass die Schubstange zurück in die rotative Normallage gedrückt wird. Je nach Drehrichtung der Schubstange wird entweder die an der ersten Kugel angeordnete Druckfeder oder die an der zweiten Kugel angeordnete Druckfeder mit einer zusätzlichen, axialen Vorspannkraft beaufschlagt, wobei die Vorspannkraft in der jeweils anderen Druckfeder abnimmt.
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Die Druckfedern weisen somit federelastische Eigenschaften auf. „Federelastisch“ bedeutet, dass sich das Material der jeweiligen Druckfeder in dessen Arbeitsbereich gemäß dem Hook'schen Gesetz verhält und dementsprechend eine Federkonstante besitzt. Es handelt sich um eine solche Materialeigenschaft, bei welcher eine aufgrund einer äußeren Kraft eingetretene Verformung oder Auslenkung beim Entfernen der äußeren Kraft eine unmittelbare Rückverformung der jeweiligen Druckfeder zur Folge hat.
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Die Querschnittsform der Schubstange im Bereich der Schaltarretierung kann im Prinzip beliebig ausgestaltet sein. Jedenfalls ist die Querschnittsform der Schubstange derart ausgestaltet, dass die Kugeln der Schaltarretierung sicher an der Schubstange gleiten bzw. abrollen können sowie eine sichere Kraftübertragung zur Rückstellung der Schubstange in die Neutrallage, wenn ein Drehmoment auf die Schubstange einwirkt.
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Nach einem Ausführungsbeispiel weist die Schubstange wenigstens abschnittsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Kugeln im Bereich des im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts an einer Seitenfläche der Schubstange zur Anlage kommen. Anders gesagt weist die Schubstange im Bereich der Schaltarretierung einen quaderförmigen, insbesondere würfelförmigen, Abschnitt mit einer im Wesentlichen rechteckigen, insbesondere mit einer quadratischen, Querschnittsfläche auf. Die Länge dieses quaderförmigen Abschnitts ist abhängig von dem maximal realisierbaren Verlagerungsweg der Schubstange. Über den im Wesentlichen quaderförmigen Abschnitt erfolgt eine Vorpositionierung der Schubstange am Gehäuse, wobei jedoch ein derart großes Spiel zwischen der Schubstange und dem Gehäuse, insbesondere im Bereich des im Wesentlichen quaderförmigen Abschnitts, vorgesehen ist, dass die Verdrehsicherung im Wesentlichen durch die Schaltarretierung erfolgt. Mithin kommt es im Normalbetrieb im Bereich des im Wesentlichen quaderförmigen Abschnitts mit Ausnahme der Abstützung über die Schaltarretierung nicht zu einer Kontaktierung zwischen dem Gehäuse und dem im Wesentlichen quaderförmig ausgebildeten Abschnitt der Schubstange. Lediglich wenn ein Maximaldrehmoment überschritten wird, realisiert der im Wesentlichen quaderförmig ausgebildete Abschnitt der Schubstange die Verdrehsicherung.
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Bevorzugt ist zwischen der jeweiligen Druckfeder und der dazugehörigen Kugel ein Stößel zur Abstützung der Kugel angeordnet. Mittels des Stößels ist die jeweilige Kugel sicher an der dazugehörigen Druckfeder abgestützt, wodurch die jeweilige Kugel sicher innerhalb der Hülse geführt ist. Der Stößel bildet für die dazugehörige Kugel ein sicheres Widerlager. Mithin erfolgt eine bessere und reibungsreduzierte Führung der jeweiligen Kugel in der dazugehörigen Hülse.
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Ferner bevorzugt ist die jeweilige Hülse an dessen zur Schubstange gerichteten Ende gebördelt. Mit anderen Worten weist die jeweilige Hülse an dessen freien Ende, an dem die Öffnung ausgeformt ist, durch die die Kugel aus der Hülse hinausragt, einen gebördelten Kragen auf. Dadurch kann eine Versteifung der Hülse erfolgen. Zudem wird dadurch die Führung der jeweiligen Kugel in der dazugehörigen Hülse sicherer gestaltet. Insbesondere wird ein Herausfallen der Kugel aus der dazugehörigen Hülse verhindert. Mithin weist die Hülse im Bereich der Bördelung einen kleinen Durchmesser als der Außendurchmesser der jeweiligen Kugel auf.
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Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten kann die Schaltarretierung in einer Aufnahme am Gehäuse angeordnet sein. Somit können zwischen dem Gehäuse und der Schaltarretierung weitere Bauteile oder Elemente, wie beispielsweise eine Aufnahme oder eine Befestigung, angeordnet sein. Jedenfalls ist die Schaltarretierung ortsfest zur Schubstange angeordnet.
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Die jeweilige Hülse ist vorzugsweise aus umgeformtem, insbesondere tiefgezogenem, Blech ausgebildet. Ein Blech ist ein flaches metallisches Bauteil, dessen Breite und Länge um ein Vielfaches größer sind als dessen Dicke. Mithin ist die jeweilige Hülse aus einem Metall ausgebildet.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Schubstange und/oder die Kugeln wenigstens abschnittsweise eine reibungsmindernde Oberflächenbeschichtung aufweisen. Die Oberflächenbeschichtung dient dazu eine Reibung zwischen den Kugeln und der Schubstange zu minimieren. Die Oberflächenbeschichtung kann eine Kunststoffummantelung, insbesondere an der Schubstange, sein. Die Oberflächenbeschichtung dient neben der Reibungsreduzierung zudem dem Verschleißschutz sowie zur Reduzierung von ungewollten Geräuschen.
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Ein derartiger Aktuator wird vorzugsweise in einer erfindungsgemäßen Achslenkung eines Fahrzeugs, insbesondere in einer Vorderachslenkung und/oder einer Hinterachslenkung, eingesetzt. Das Fahrzeug kann mehrere Vorder- oder Hinterachsen aufweisen, wobei jeweils eine oder mehrere der Vorder- bzw. Hinterachsen eine jeweilige Achslenkung mit einem Aktuator gemäß der vorherbeschriebenen Art aufweisen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Achslenkung, und
- 2 eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Aktuators der Achslenkung nach 1.
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Gemäß 1 ist eine als Hinterachslenkung ausgebildete Achslenkung 12 für ein - hier nicht dargestelltes - Fahrzeug dargestellt, das einen Aktuator 1 mit einem Gehäuse 3 umfasst, in dem eine in den 2 exemplarisch dargestellte Schubstange 2 longitudinal geführt ist. Mittels der Schubstange 2 ist ein Lenkwinkel von jeweiligen - hier ebenfalls nicht gezeigten - Fahrzeugrädern, welche an Gabelelementen 13 der Achslenkung 12 zumindest mittelbar angeordnet sind, einstellbar ist. Ferner weist die Achslenkung 12 eine - nicht näher beschriebene - Antriebseinheit 14 auf, welche die Schubstange 2 zumindest mittelbar in eine Längsverlagerung versetzt.
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2 zeigt die Schubstange 2 innerhalb des Gehäuses 3. Am Gehäuse 3 ist eine Schaltarretierung 4 angeordnet, die zur Verdrehsicherung der Schubstange 2 gegenüber dem Gehäuse 3 ausgebildet ist. Die Schaltarretierung 4 weist eine erste Hülse 7 auf, in der eine Druckfeder 9 axial geführt angeordnet ist. Die Druckfeder 9 spannt die erste Kugel 5 in eine erste Vorspannrichtung V1 derart vor, dass sie an einer Seitenfläche 11 eines im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgeformten Abschnitts der Schubstange 2 zur Anlage kommt. Ferner weist die Schaltarretierung 4 eine zweite Hülse 8 auf, in der eine identische Druckfeder 9 axial geführt angeordnet ist. Die Druckfeder 9 spannt die zweite Kugel 6 in eine zweite Vorspannrichtung V2 derart vor, dass sie ebenfalls an der Seitenfläche 11 der Schubstange 2 zur Anlage kommt. Die jeweilige Druckfeder 9 ist also dazu vorgesehen, die ebenfalls in der jeweiligen Hülse 7, 8 axial geführte Kugel 5, 6 in Richtung der Schubstange 2 vorzuspannen.
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Die Schubstange 2 weist ferner an der Seitenfläche 11 eine reibungsmindernde Oberflächenbeschichtung auf, sodass ein Abrollen der Kugeln 5, 6 an der Seitenfläche 11 möglichst verlustarm erfolgt. Ferner sind zwischen der jeweiligen Druckfeder 9 und der dazugehörigen Kugel 5, 6 ein Stößel 10 zur Abstützung der Kugel 5, 6 angeordnet. Außerdem sind die Hülsen 7, 8 an ihrem jeweiligen zur Schubstange 2 gerichteten Ende gebördelt. Die gebördelten Enden verhindern, dass die Kugeln 5, 6 aus der jeweiligen Hülse 7, 8 herausfallen kann.
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Die beiden Hülsen 7, 8 sind achsparallel zueinander angeordnet und mit gleichem Abstand zu einer Längsachse L am Gehäuse 3 angeordnet. Damit sind in einer rotativen Normallage der Schubstange 2 die Kugeln 5, 6 ebenfalls mit gleichem Abstand zur Längsachse L der Schubstange 2 angeordnet. Mithin sind die Federarme und Hebelarme der Schaltarretierung 4 für beide Kugeln 5, 6 identisch. Die von der Ausrichtung der ersten Hülse 7 vorgegebene erste Vorspannrichtung V1 der ersten Kugel 5 ist parallel zur von der Ausrichtung der zweiten Hülse 8 vorgegebenen zweiten Vorspannrichtung V2 der zweiten Kugel 6 ausgerichtet. In der Darstellung nach 2 sind die Kugeln 5, 6 jeweils nach rechts oben vorgespannt und bewirken dadurch, dass die Schubstange 2, wenn ein Drehmoment auf die Schubstange 2 einwirkt und dadurch eine Rotation um dessen Längsachse L bewirkt, durch die Schaltarretierung 4 in ihrer rotativen Normallage verbleibt. Dadurch kann eine Messgenauigkeit einer am Gehäuse 3 befestigten Sensoranordnung 16, die mit einem an der Schubstange 2 befestigten Target 15 wechselwirkt, verbessert werden. Die Druckfedern 9 sind derart ausgelegt, dass sie das auf die Schubstange 2 wirkende Drehmoment aufnehmen und am Gehäuse 3 abstützen können, und zwar derart, dass die Schubstange 2 zurück in die rotative Normallage gedrückt wird.
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Durch die somit symmetrische Anordnung der Schaltarretierung 4 relativ zur Schubstange 2 können die Hülsen 7, 8, die Druckfedern 9 und die Kugeln 5, 6 jeweils identisch ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Schubstange
- 3
- Gehäuse
- 4
- Schaltarretierung
- 5
- Erste Kugel
- 6
- Zweite Kugel
- 7
- Erste Hülse
- 8
- Zweite Hülse
- 9
- Druckfeder
- 10
- Stößel
- 11
- Seitenfläche
- 12
- Achslenkung
- 13
- Gabelelement
- 14
- Antriebseinheit
- 15
- Target
- 16
- Sensoranordnung
- L
- Längsachse
- V1
- Vorspannrichtung der ersten Kugel
- V2
- Vorspannrichtung der zweiten Kugel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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