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Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Schiebestange, die sich in einer Axialrichtung erstreckt und die eine Kugelumlaufspindel und eine Zahnstange mit einer Verzahnung aufweist, einem Antriebsabschnitt, der einen Riemenantrieb und eine mit der Kugelumlaufspindel gekoppelte Kugelmutter hat, einem Drehstützteil, das zum Abstützen eines Drehmoments der Zahnstange ausgebildet ist, und einer Sensoreinrichtung, die einen Lenkwinkelsensor und ein mit dem Lenkwinkelsensor gekoppeltes Sensorritzel hat.
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Lenksysteme umfassen üblicherweise eine Schiebestange, die zur Anpassung einer Radstellung linear verschiebbar gelagert ist. Ursprünglich ist eine derartige Schiebestange über eine Lenkstange mit dem Lenkrad gekoppelt, so dass über eine Drehung des Lenkrads eine lineare Verschiebung der Schiebestange erreicht wird.
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Künftig werden vermehrt Kraftfahrzeuge mit sogenannten Steer-By-Wire-Lenksystemen (SbW-Lenksystem) zum Einsatz kommen, bei denen zwischen dem Lenkrad und der Schiebestange keine mechanische Verbindung mehr vorliegt. Die Stellung des Lenkrads wird elektronisch erfasst und eine entsprechende Verschiebung der Schiebestange wird mittels eines elektrischen Antriebs erreicht.
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Die Schiebestange ist dabei Teil eines Lenkgetriebes, das dazu ausgebildet ist, die Schiebestange verschiebbar zu lagern sowie deren Verschiebung bzw. Auslenkung über einen Lenkwinkelsensor zu erfassen.
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Eine Herausforderung beim Design von Lenkgetrieben für ein Steer-by-Wire-Lenksystem besteht darin, diese besonders bauraumsparend zu gestalten und gleichzeitig eine hohe Funktionssicherheit zu gewährleisten.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem bereitzustellen, das kompakt aufgebaut ist und eine hohe strukturelle Stabiltät aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Schiebestange, die sich in einer Axialrichtung erstreckt und die eine Kugelumlaufspindel und eine Zahnstange mit einer Verzahnung aufweist, einem Antriebsabschnitt, der einen Riemenantrieb und eine mit der Kugelumlaufspindel gekoppelte Kugelmutter hat, einem Drehstützteil, das zum Abstützen eines Drehmoments der Zahnstange ausgebildet ist, und einer Sensoreinrichtung, die einen Lenkwinkelsensor und ein mit dem Lenkwinkelsensor gekoppeltes Sensorritzel hat. Das Sensorritzel steht dabei mit der Verzahnung in einem Abschnitt in verzahntem Eingriff, der in axialer Richtung zwischen einem ersten axialen Ende des Drehstützteils und einem entgegengesetzten zweiten axialen Ende des Drehstützteils angeordnet ist.
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Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die Stabilität des Lenkgetriebes und insbesondere des verzahnten Eingriffs des Sensorritzels mit der Verzahnung verbessert werden kann, wenn das Sensorritzel in das Drehstützteil integriert bzw. innerhalb diesem angeordnet ist. Somit weist das Lenkgetriebe eine hohe strukturelle Stabilität auf, wodurch eine hohe Funktionssicherheit sichergestellt ist. Ferner kann das Lenkgetriebe durch diesen Aufbau besonders kompakt gestaltet sein.
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Insbesondere bildet das Sensorritzel hierbei kein Antriebsritzel der Schiebestange bzw. Zahnstange, d.h. die Zahnstange wird nicht durch das Sensorritzel angetrieben.
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In einer Ausführungsform ist das Drehstützteil einstückig ausgebildet, wodurch die Festigkeit bzw. Stabilität weiter erhöht werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Abschnitt, in dem das Sensorritzel mit der Verzahnung in verzahntem Eingriff steht, in axialer Richtung mittig zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende angeordnet ist, um die Stabilität des Lenkgetriebes zu verbessern.
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Ferner kann der Außendurchmesser des Sensorritzels maximal 20mm betragen, wodurch das Sensorritzel und damit das Lenkgetriebe besonders kompakt und mit geringer Masse gestaltet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorritzel zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet, um die Masse des Lenkgetriebes gering zu halten.
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Hierbei kann das Sensorritzel vollständig aus Kunststoff gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das Sensorritzel besonders kostengünstig und mit geringer Masse herstellbar ist.
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Alternativ kann das Sensorritzel einen Metallkern aufweisen und somit nur teilweise aus Kunststoff gebildet sein. Durch den Metallkern hat das Sensorritzel eine besonders hohe Festigkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zahnstange im Abschnitt, in dem die Verzahnung angeordnet ist, einen Querschnitt in Form eines Polygons auf. Auf diese Weise können hohe Drehmomente, die auf die Zahnstange in Umfangsrichtung um deren Längsachse wirken, mittels des Drehstützteils abgestützt werden, insbesondere wenn das Drehstützteil komplementär gestaltet ist.
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Hierbei kann der Querschnitt die Form eines regelmäßigen Polygons aufweisen. Diese symmetrische Gestaltung hat die Vorteile, dass die Drehmomente besonders wirkungsvoll abgestützt werden können und der Fertigungsaufwand verringert ist.
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Insbesondere kann der Querschnitt eine hexagonale oder oktogonale Form aufweisen, die eine hohe Biegefestigkeit der Zahnstange gewährleistet. Ferner ist zur Herstellung eines solchen hexagonalen oder oktogonalen Querschnitts nur ein vergleichsweise geringer Materialabtrag bei spanender Bearbeitung erforderlich, so dass die Schiebestange mit geringem Aufwand herstellbar ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe mit einer Schiebestange und einem Radialstützteil,
- - 2 in einer Draufsicht das Lenkgetriebe aus 1 ohne das Radialstützteil,
- - 3 in einer Schnittansicht das Lenkgetriebe aus 1, wobei die Schnittebene durch die Schiebestange und ein Sensorritzel des Lenkgetriebes verläuft,
- - 4 in einer Detailansicht das Sensorritzel und ein Drehstützteil des Lenkgetriebes aus 1, und
- - 5 das Lenkgetriebe in einer Schnittansicht entlang der Ebene N - N in 2.
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In 1 ist ein Lenkgetriebe 10 für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gezeigt, das eine Schiebestange 12, einen Antriebsabschnitt 14 und einen Stützabschnitt 16 hat.
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Das Lenkgetriebe 10 hat ferner ein Lenkgetriebegehäuse 18, in dem die Schiebestange 12, der Antriebsabschnitt 14 und der Stützabschnitt 16 zumindest abschnittsweise aufgenommen sind und das dazu eingerichtet ist, die vorgenannten Bauteile an einer zugeordneten Komponente des Kraftfahrzeugs zu befestigen. Auf diese Weise sind diese Bauteile im montierten Zustand über das Lenkgetriebegehäuse 18 fahrzeugfest an der zugeordneten Komponente angebracht.
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Die Schiebestange 12 erstreckt sich in einer Axialrichtung Z entlang einer Längsachse L und ist axial verschiebbar im Lenkgetriebegehäuse 18 gelagert.
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In diesem Zusammenhang hat die Schiebestange 12 einen axialen Abschnitt in Form einer Kugelumlaufspindel 20 und einen weiteren axialen Abschnitt in Form einer Zahnstange 22 mit einer Verzahnung 24.
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Der Antriebsabschnitt 14 ist dazu eingerichtet, die Schiebestange 12 axial im Lenkgetriebegehäuse 18 zu verschieben und hat hierzu eine mit der Kugelumlaufspindel 20 gekoppelte Kugelmutter 26, einen Riemenantrieb 28 und einen Riemen 30, der den Riemenantrieb 28 drehmomentübertragend mit der Kugelmutter 26 verbindet.
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Der Stützabschnitt 16 ist dazu eingerichtet, die Schiebestange 12 im Lenkgetriebegehäuse 18 zu stabilisieren bzw. stabil zu lagern und hat hierzu eine Radialstützteil 32, das die Schiebestange 12 in radialer Richtung gegenüber dem Lenkgetriebegehäuse 18 abstützt, sowie ein Drehstützteil 34 (siehe 2), das Drehmomente abstützt, die in Umfangsrichtung U auf die Schiebestange 12 wirken.
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Das Drehstützteil 34 ist hierbei am axialen Abschnitt der Zahnstange 22 angeordnet, die die Verzahnung 24 aufweist.
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Um die axiale Stellung der Schiebestange 12 und damit den Lenkwinkel bzw. die Ausrichtung der mit der Schiebestange 12 gekoppelten Räder des Kraftfahrzeugs zu erfassen, weist das Lenkgetriebe 10 eine Sensoreinrichtung 36 mit einem Sensorgehäuse 38, einem Sensorritzel 40 (siehe 4) und einem Lenkwinkelsensor 42 auf.
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Das Sensorritzel 40 ist in diesem Zusammenhang mit der Verzahnung 24 der Zahnstange 22 in verzahntem Eingriff, wodurch das Sensorritzel 40 um eine Rotationsachse R dreht, wenn die Schiebestange 12 in Axialrichtung Z verschoben wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform hat das Sensorritzel 40 einen Außendurchmesser D von 14 mm und besteht vollständig aus Kunststoff.
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In einer alternativen Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser D des Sensorritzels 40 maximal 20 mm.
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Ferner kann das Sensorritzel 40 grundsätzlich aus einem beliebigen Material gebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist das Sensorritzel 40 zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet und/oder weist einen Metallkern auf.
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Der Lenkwinkelsensor 42 ist drehfest mit dem Sensorritzel 40 gekoppelt und in bekannter Weise dazu eingerichtet, über die Rotation des Sensorritzels 40 die axiale Stellung der Schiebestange 12 zu ermitteln. Hierzu kann der Lenkwinkelsensor 42 weitere, in den Figuren nicht dargestellte Komponenten aufweisen.
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Die Sensoreinrichtung 36 ist hierbei in den Stützabschnitt 16 integriert, wie im Folgenden anhand der 2 bis 5 erläutert ist.
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Das Drehstützteil 34 ist in Form einer Buchse ausgebildet und hat einen Kanal 44, der sich von einem ersten axialen Ende 46 zu einem entgegengesetzten zweiten axialen Ende 48 des Drehstützteils 34 erstreckt.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist das Drehstützteil 34 einstückig ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Drehstützteil 34 aus mehreren Teilen bestehen.
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In allen Ausführungsformen ist der Kanal 44 zumindest abschnittsweise komplementär zur Zahnstange 22 gestaltet. Genauer gesagt, ist der Querschnitt 50 des Kanals 44 zumindest abschnittsweise komplementär zum Querschnitt 52 der Zahnstange 22 gestaltet, wie in 2 dargestellt ist. Für die komplementäre Gestaltung bleibt die Verzahnung 24 unberücksichtigt, d.h., das Drehstützteil 34 ist mit der Verzahnung 24 nicht in verzahntem Eingriff, um die axiale Verschiebbarkeit der Schiebestange 12 nicht zu behindern.
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In der dargestellten Ausführungsform hat die Zahnstange 22 einen hexagonalen Querschnitt 52.
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Grundsätzlich kann die Zahnstange 22 einen beliebigen, nicht kreisförmigen Querschnitt 52 aufweisen.
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In einer Ausführungsform hat der Querschnitt 52 der Zahnstange 22 die Form eines Polygons, insbesondere eines regelmäßigen Polygons, beispielsweise eines regelmäßigen Oktagons.
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Ferner hat das Drehstützteil 34 radiale Fortsätze 54, die in komplementär gestaltete Ausnehmungen 56 (siehe 2) des Sensorgehäuses 38 eingreifen, wodurch das Drehstützteil 34 mit dem Sensorgehäuse 38 drehfest gekoppelt ist.
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Selbstverständlich kann das Drehstützteil 34 in einer alternativen Ausführungsform lediglich einen radialen Fortsatz 54 aufweisen, der in eine komplementär gestaltete Ausnehmung 56 eingreift.
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Zusätzlich oder alternativ können die Fortsätze 54 und die komplementär gestalteten Ausnehmungen 56 jeweils beliebig gestaltet sein, solange sie das Drehstützteil 34 mit dem Sensorgehäuse 38 drehfest koppeln.
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Die Ausnehmungen 56 sind hierbei Teil einer Aufnahme 58 (siehe 5) im Sensorgehäuses 38, in der das Drehstützteil 34 vollständig aufgenommen bzw. angeordnet ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Drehstützteil 34 zumindest abschnittsweise in der Aufnahme 58 bzw. im Sensorgehäuse 38 angeordnet.
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Wie in den 2 und 5 gezeigt, ist die Aufnahme 58 zumindest abschnittsweise komplementär zum Drehstützteil 34 gestaltet, wodurch das Drehstützteil 34 in radialer Richtung, d.h. senkrecht zur Axialrichtung Z, sowie in Umfangsrichtung U zumindest abschnittsweise formschlüssig im Sensorgehäuse 38 aufgenommen und somit stabil in diesem gelagert ist.
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Das Sensorgehäuse 38 ist ferner so gestaltet, dass das Drehstützteil 34 in Axialrichtung Z in die Aufnahme 58 eingeschoben werden kann.
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Auf diese Weise kann der Abschnitt des Sensorgehäuses 38, der die Aufnahme 58 umfasst, einstückig ausgebildet sein, wodurch das Sensorgehäuse 38 besonders kostengünstig herstellbar ist.
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Die radialen Fortsätze 54 und die Ausnehmungen 56 bilden hierbei einen axialen Anschlag 60 (siehe 5), der eine definierte axiale Anordnung des Drehstützteils 34 in der Aufnahme 58 sicherstellt.
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In diesem Zusammenhang ist das Sensorgehäuse 38 starr mit dem Lenkgetriebegehäuse 18 verbunden und/oder dazu eingerichtet, starr an einer Komponente des Kraftfahrzeugs angebracht zu werden, so dass das Sensorgehäuse 38 im montierten Zustand direkt oder zumindest indirekt fahrzeugfest an einer zugeordneten Komponente des Kraftfahrzeugs befestigt ist.
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Das Sensorritzel 40 erstreckt sich hierbei in die Aufnahme 58 und greift im Kanal 44 des Drehstützteils 34 in die Verzahnung 24 der Zahnstange 22 ein, die sich in Axialrichtung Z durch die Aufnahme 58 erstreckt.
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Hierzu weist das Drehstützteil 34 eine Durchgangsöffnung 62 (siehe 5) auf, die sich an einer Stelle zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende 46, 48 vom Kanal 44 aus radial durch das Drehstützteil 34 erstreckt.
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Das bedeutet, das Sensorritzel 40 steht über die Durchgangsöffnung 62 in einem Abschnitt 64 zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende 46, 48 des Drehstützteils 34 im Kanal 44 in verzahntem Eingriff mit der Verzahnung 24 der Zahnstange 22.
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In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der axiale Abstand a zwischen dem ersten axialen Ende 46 und der Rotationsachse R des Sensorritzels 40 die Hälfte des axialen Abstands A zwischen dem ersten axialen Ende 46 und dem zweiten axialen Ende 48 des Drehstützteils 34. Mit anderen Worten ist das Sensorritzel 40 und damit der Abschnitt 64 in Axialrichtung Z mittig zwischen dem ersten axialen Ende 46 und dem zweiten axialen Ende 48 angeordnet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Abschnitt 64, in dem das Sensorritzel 40 mit der Verzahnung 24 in verzahntem Eingriff steht, an einer beliebigen Stelle in Axialrichtung Z zwischen dem ersten axialen Ende 46 und dem zweiten axialen Ende 48 des Drehstützteils 34 angeordnet sein.
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Auf diese Weise ist ein Lenkgetriebe 10 bereitgestellt, dass besonders kompakt aufgebaut ist.
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Ferner stellt die Gestaltung des Stützabschnitts 16 sicher, dass das Sensorritzel 40 zuverlässig mit der Verzahnung 24 in verzahntem Eingriff bleibt, insbesondere unabhängig von Belastungen, die auf die Zahnstange 22 einwirken.
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Somit ist eine hohe Funktionssicherheit des Lenkwinkelsensors 42 und damit des Lenkgetriebes 10 gewährleistet.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.