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Die vorliegende Erfindung liegt allgemein
auf dem Gebiet von Fahrzeuglenksystemen und sie betrifft insbesondere
ein elektrisches Servolenksystem, das zur Kraftübertragung ein Rollengetriebe
nutzt.
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Ein typisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
ist in 1 gezeigt. Das
Lenksystem 1 weist ein drehbares Lenkrad 2 in
einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs auf, das an einer Lenksäule 3 angebracht
ist, das betriebsmäßig mit
Rädern 4 über einen
Lenkaufbau 5 verbunden ist. Um die Kraft zu verringern,
die durch einen Fahrer aufgebracht werden muss (beispielsweise ein
Drehmoment), um das Lenkrad zu drehen, umfassen zahlreiche Lenksysteme
ein Servostellorgan. Das Stellorgan unterstützt den Fahrer bei der Drehung
des Lenkrads, um Gegenkräfte
zu überwinden,
wie etwa Straßenlastkräfte, die
auf die Fahrzeugräder
einwirken, und Reibungskräfte
im Lenkaufbau. Das Ausmaß an
Servounterstützung
variiert üblicherweise,
abhängig
von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und dem Kraftausmaß, das durch
den Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt
wird. Herkömmliche
Servolenksystems verwenden typischerweise entweder Hydraulikservomechanismen
oder elektrische Servomechanismen. Elektrische Servomechanismen
werden bei einer immer größeren Anzahl
von Fahrzeugen auf Grund ihrer verringerten Größe und ihrer höheren Energieeffizienz
als hydraulische Mechanismen verwendet.
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Elektrische Servolenksystems (abgekürzt als
EPAS bezeichnet) nutzen einen Elektromotor zum Anlegen eines gesteuerten
Drehmomentausmaßes
an den Lenkaufbau, um den Fahrer beim Drehen des Lenkrads zu unterstützen. Beispielsweise
umfasst das in 1 gezeigte
System einen Elektromotor 6 für die Servounterstützung und
eine Steuereinheit 7. Der Lenkaufbau kann vom Zahnstangen-/Ritzeltyp
sein und er dient zum Umsetzen einer Winkeldrehung des Lenkrads
in eine Gleitverstellbewegung der Zahnstange zum Lenken der Räder. Die
Zahnstange interagiert mit Zähnen
auf einem Servoritzel, das durch die Abtriebswelle des Elektromotors 6,
ansprechend auf Signale von der Steuereinheit 7 angetrieben
wird. Die Signale von der Steuereinheit 7 sind dazu ausgelegt,
an das Antriebsritzel ein relativ konstantes Drehmoment anzulegen.
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Ein Beispiel eines EPAS-Zahnstangen-/Ritzelaufbaus 10 ist
in 2 gezeigt. Mit einem
Zahnstangen-/Ritzemechanismus sind innere Verbindungsstangen 12 verbunden,
die im Gehäuse 14 enthalten
sind. Das Getriebe 16 enthält einen Getriebeuntersetzungsmechanismus
vor dem Servoritzel. Der Elektromotor 18 ist an dem Getriebe 16 starr
bzw. fest angebracht, um das Servoritzel über dem Getriebeuntersetzungsmechanismus
anzutreiben. Die Elektromotorantriebswelle ist direkt mit einer
Eingangswelle des Getriebeuntersetzungsmechanismus verbunden, bei
der es sich beim Stand der Technik üblicherweise um eine Schneckenradwelle
handelt. Ein Antriebsritzesdrehmomentsensor sowie verschiedene weitere
Sensoren können
vorgesehen sein; das Antriebsritzel und die Sensoren sind jedoch
zur Vereinfachung der Beschreibung nicht dargestellt. Das gemessene
Drehmoment am Antriebsritzel dient als Näherung für das eingegebenen Drehmoment, das
an das Lenkrad durch den Fahrer angelegt wird, und es wird üblicherweise
dazu genutzt, das Ausmaß an Drehmomentunterstützung zu
ermitteln, das durch einen Elektromotor für das Servorritzes bereit gestellt
werden soll. Weitere Information bezüglich der elektrischen Servolenksysteme
findet sich in verschiedenen Patenten und Literatur stellen, insbesondere,
jedoch ohne hierauf beschränkt
zu sein, im US-Patent 5743352, erteilt auf Miller et al., im US-Patent 6250419, erteilt
auf Chabaan et al., auf die hiermit Bezug genommen wird.
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Bedenken bezüglich der Kraftstoffeffizienz
haben zur Herstellung kleinerer Fahrzeuge geführt, die eine ausgeprägtere aerodynamische
Form aufweisen, um den Windwiderstand zu verringern, sowie energetisch
effizientere Komponenten.
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Ein elektrisches Servolenksystem
bietet variable Servounterstützung,
effizienteren Energieeinsatz bzw. -verbrauch, verringerte Mechanismuskomplexität, erhöhte Zuverlässigkeit
und empfindlichere Reaktion auf angeforderte Lenkunterstützung sowie
weitere Vorteile. Zahlreiche elektrische Servolenksysteme nutzen jedoch
Untersetzungsgetriebemechanismen auf Grundlage herkömmlicher
Schneckenräder,
weshalb sie geringe Drehmomentübertragungseffizienz
bzw. einen geringeren entsprechenden Wirkungsgrad aufweisen.
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In 3 ist
ein typischer Schneckenraduntersetzungsmechanismus für ein elektrisches
Servolenksystem gezeigt. Der Untersetzungsgetriebemechanismus weist
ein Gehäuse 40 auf,
in dem eine Schnecke 42 mit Gewinden 44 drehbar
angebracht ist. Außerdem
ist ein Servoritzel 46 drehbar in einem Gehäuse, üblicherweise
senkrecht zu der Schnecke 42 angebracht. Das Servoritzel
ist mit einem Ritzel 47 verbunden, das radial vorstehende
Zähne 48 aufweist.
Bei einer Drehung der Schnecke bzw. des Schneckenrads 42 kämmen die Gewinde 44 auf
der Schnecke 42 mit den Zähnen 48 auf dem Ritzel 47,
und veranlassen das Servoritzel 46 dazu, sich zu drehen.
Wie an sich bekannt, hängt
das Untersetzungsverhältnis
vom Durchmesser des Ritzels und der Anzahl der Zähne auf diesem, von der Steighöhe und Dichte
der Schneckengewinde, und anderen Faktoren ab. Ein Untersetzungsverhältnis von
10:1 zeigt demnach an, dass die Schnecke zehn Umdrehungen bei jeder
Umdrehung des Ritzels ausführt.
Das Verhältnis
des Eingangsdrehmoments zum Ausgangsdrehmoment ist umgekehrt proportional
zu dem Untersetzungs- bzw. Getriebeverhältnis. Das Verhältnis des
Ausgangsdrehmoments zum Eingangsdrehmoment nimmt jedoch zu, wenn
das Getriebe- bzw. Untersetzungsverhältnis zunimmt. Auf Grund von
Gleitreibung, hervorgerufen durch Gleiteingriff der Schneckengewinde
mit den Zähnen
des Ritzels, ist jedoch mit Leistungsverlust zu rechnen. In Servolenksystemen
unter Verwendung herkömmlicher
Schneckenraduntersetzungsmechanismen ist mit Leistungsverlust von
30% oder mehr bis hin zu 50% zu rechnen, und zwar bei den vorstehend
erläuterten
Mechanismen, bei denen das Ritzel sich im Gleiteingriff mit einer
Schnecke befindet.
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Patente bezüglich Vorrichtungen, die dazu
ausgelegt sind, Leistungsverlust zu verringern oder den Wirkungsgrad
von Getriebemechanismen zu erhöhen,
sind bereits vor mehr als hundert Jahren erteilt worden. Beispielsweise
offenbart das US-Patent
626515, am 6. Juni 1899 auf Whitney erteilt, einen Getriebemechanismus,
in dem Zähne
oder Stifte auf dem angetriebenen Zahnrad sich in Sockeln derart
drehen können,
dass bei einem Eingriff der Stifte mit sich drehenden Schneckenradgewinden
ein Gleitkontakt durch einen Rollkontakt ersetzt wird. Dies führt zu einer
beträchtlichen
Reibungsverringerung und einer daraus sich ergebenden Erhöhung des
Kraftübertragungswirkungsgrades.
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Weitere Patente, die Getriebemechanismen
mit geringer Reibung offenbaren, in denen Zähne oder Stifte auf dem angetriebenen
Zahnrad sich zu drehen vermögen,
umfassen das US-Patent 715973, erteilt am 16. Dezember 1902 auf
Butler, das US-Patent
908049, erteilt am 29. Dezember 1908 auf Teal, das US-Patent 1060933, erteilt
am 6. Mai 1913 auf Myers, das US-Patent
3820413, erteilt am 28. Juni 1974 auf Brackett, das US-Patent 4685346,
erteilt am 11. August 1987 auf Brackett, das US-Patent 4833934,
erteilt am 30. Mai 1989 auf Boyko et al., das US-Patent 5901611,
erteilt am 11. Mai 1999 auf Brackett, und das US-Patent 6193014, erteilt
am 27. Februar 2001 auf Brackett. Diese Getriebe können als „Rollengetriebe" oder „Rollengetriebemechanismen" bezeichnet werden,
da die Zähne
oder Stifte auf den Zahnrädern
sich drehen, die durch die Gewinde der Schneckenwelle angetrieben
werden. Auf sämtliche,
vorstehend genannte Patente und Druckschriften wird Bezug genommen.
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Trotz des seit langem bestehenden
Bedarfs an einem verbesserten Wirkungsgrad in Kraftfahrzeug-Servolenkuntersetzungsgetriebemechanismen
ist bislang die Rollengetriebetechnik nicht zur Verwendung in Betracht
gezogen worden. Es besteht deshalb ein Bedarf an einem Servolenksystem
mit erhöhtem Energieübertragungswirkungsgrad
zwischen dem Elektromotor oder einer weiteren Energiequelle und
dem Servoritzel.
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Erreicht wird dieses Ziel durch die
Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Demnach stellt die vorliegende Erfindung
ein Lenksystem und ein Verfahren zum Übertragen von Kraft auf einen
Lenkaufbau bereit. In Übereinstimmung
mit einem Aspekt wird ein elektrisches Servolenksystem bereit gestellt,
in dem ein Elektromotor betriebsmäßig mit dem Rest des Lenksystems über einen
Rollengetriebemechanismus verbunden ist. Der Rollengetriebe mechanismus
führt zu
einem erhöhten
Energieübertragungswirkungsgrad
im Vergleich zu Schneckenantriebsgetriebemechanismen und zu einer
erhöhten
Kraftstoffeffizienz für
das Fahrzeug. Dies beruht auf der Verwendung eines Ritzels bzw.
Ritzelgetriebe, auf das als Rollenrad Bezug genommen wird, und das
Stifte oder Zähne
aufweist, die sich in Halterungssockeln auf der Peripherie bzw.
dem Umfang des Ritzels drehen. Die Stifte drehen sich bei Eingriff
mit einer sich drehenden Schnecke (auch als „Rollenschnecke" bezeichnet), die
durch eine Kraftquelle (beispielsweise einen Elektromotor oder einen
Verbrennungsmotor über
eine Antriebsriemenscheibe) in Drehung versetzt wird, was zu einer verringerten
Treibung und einem erhöhten
Kraftübertragungswirkungsgrad
führt.
Eine Ausführungsform
eines Rollenzahnrads bzw. -getriebes in der vorliegenden Erfindung
zur Verwendung in einem Servolenkmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Untersetzungsverhältnis
von etwa 15:1 bis etwa 22:1 auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnung beispielhaft näher
erläutert;
in dieser zeigen:
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1 ein
typisches Fahrzeuglenksystem,
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2 einen
Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismus eines elektrischen Servolenksystems,
in dem ein Elektromotor an einem Servoritzeluntersetzungsmechanismus
angebracht ist,
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3 eine
perspektivische Teilexplosionsansicht eines Servoritzels mit Schneckenraduntersetzungsmechanismus
unter Darstellung des abgenommenen Schneckenrads und mit einem teilweise
aufgeschnittenen Gehäuse,
um einen Teil des Ritzels darzustellen,
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4 eine
teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismus,
der einen Rollengetriebemechanismus umfasst, der mit dem Servoritzel
verbunden ist,
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5 eine
Seitenaufrissansicht eines Rollenrads, eines Servoritzels, einer
Rollenschnecke und von Halterungen für das Servoritzel und das Rollenrad
in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rollengetriebes,
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6 eine
perspektivische Ansicht des Rollenrads, des Servoritzels, eines
unteren Servoritzellagers und einer Rollenschnecke von Bestandteilen
des Rollengetriebes von 5 von
unten,
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7 eine
perspektivische Ansicht der Rollenradstifte, des Servoritzels, der
Rollenschnecke von Bestandteilen des Rollengetriebes von 5 von unten, wobei das Rollenrad
nicht gezeigt ist,
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8 eine
perspektivische Ansicht eines Rollenstifts der vorliegenden Erfindung
von unten,
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9 eine
alternative Ausführungsform
des Rollenstifts von 8 mit
Lagern und einer Lagerrückhalteklammer,
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10 eine
perspektivische Draufsicht auf den Rollenstift von 8 mit Lagern und einem Sitz, und
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11 grafisch
den Unterschied des Wirkungsgrads zwischen einem Lenkmechanismus
unter Verwendung eines Schneckenrads und (andererseits) unter Verwendung
eines Rollenrads bzw. -zahnrads.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Elektromotor mit einem herkömmlichen Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismus über ein
Rollengetriebe bzw. Rollenradmechanismus (im Folgenden Rollenradmechanismus
genannt) verbunden, der in einem herkömmlichen Lenksystem enthalten
ist. Die vorliegende Erfindung kann auf zahlreiche unterschiedliche
Fahrzeugarten und Lenksysteme angewendet werden, die Servounterstützung nutzen.
Beispielsweise kann der Kraftantrieb für die Rollenradeingabe bzw.
die Rollengetriebeeingabe über
einen Riemenscheibenmechanismus von einem Verbrennungsmotor bereit
gestellt werden.
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Unter Bezug auf 4 wird eine Ausführungsform eines Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismus 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert.
Ein Teil des Zahnstangen-/Ritzelgehäuses und der Rollenrad- bzw. Rollengetriebehalterung
sind weggeschnitten, um die Interaktion des Servoritzels 52 mit
der Zahnstange 54 darzustellen. Spiralförmige Gewinde 56 auf
dem Servoritzes 52 stehen mit entsprechenden Zähnen auf
der Zahnstange 54 im Eingriff. Form und Anzahl der Gewinde
und Zähne
auf der Zahnstange und dem Ritzel können wie bei herkömmlichen
Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismen variiert werden. Das Ritzel 52 ist
in dem Rollenrad 58 angebracht. Das Rollenrad bzw. das
Rollengetriebe 58 umfasst eine Eingangskupplung 60 zum Drehen
der Eingangswelle, bei der es sich um die Abtriebswelle eines Elektromotors,
wie etwa des Elektromotors 18 in 2, handeln kann. Ein Halterungsflansch 62 ist
zum Haltern einer Elektromotor- oder Riemenscheibenkupplung an dem
Rollenrad bzw. Rollengetriebe 58 vorgesehen. Die Form des
Flansches 62 kann variieren. Schraubenlöcher können in dem Flansch 62 angeordnet
sein, und das Rollengetriebe bzw. -zahnrad mit einer Energie- bzw.
Kraftquelle zu verbinden.
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Unter Bezug auf 5, 6 und 7 werden die Bestandteile
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rollengetriebes
und seiner Mechanismen zur Interaktion erläutert. Das Servoritzel bzw.
Servoritzelgetriebe 52 ist drehbar auf einer Basisplatte 65 des
Rollenlagergehäuses
angebracht, das vorliegend dargestellt ist, um die im Innern liegenden
Bestandteile zu verdeutlichen. Das Servoritzel 52 weist
eine Hauptwelle 66 und einen integralen ringförmigen Halteflansch 68 auf.
Eine Ver längerung 70 der
Ritzelhauptwelle 66 ist, wie am besten aus 7 hervorgeht, drehbar in dem Lager 72 angebracht,
wie am besten aus 6 hervorgeht.
Das Lager 72 ruht in einer Passung auf der Grundplatte 64.
Das Servoritzel 52 ist bevorzugt aus Stahl hergestellt, der
mit den Normen der Society of Automotive Engineers (SAE) übereinstimmt,
die für
herkömmliche
Servoritzel aufgestellt sind (beispielsweise SAE 1040 oder SAE 8620).
Die Materialien und der Aufbau des Servoritzels, das in Getriebeuntersetzungsmechanismen
zum Einsatz kommt, die von Visteon Global Technologies, Inc., Dearborn,
Michigan, USA, oder Tochterfirmen dieser Firmen bereit gestellt
sind, oder von Nissei Corporation, Japan, können in der vorliegenden Erfindung
zum Einsatz kommen.
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Wie am besten aus 7 hervorgeht, werden Schrauben 74 verwendet,
um den Halterungsflansch 68 mit dem Rollenrad 76 zu
verbinden, wie in 5 und 6 gezeigt. Das Rollenrad 76 kann
auch als Rollenritzel bzw. Rollenritzelrad bezeichnet werden. Das
Rollenrad 76 kann aus Stahl hergestellt sein, bevorzugt
aus einem solchen in Übereinstimmung
mit geeigneten SAE-Normen
(beispielsweise SAE 1040), oder aus einem Verbundstoff oder einem
anderen Material ausreichender Festigkeit, um den Anforderungen
an Servolenkanwendungen zu entsprechen. In einer alternativen Ausführungsform
kann das Rollenrad 76 integral mit der Servoritzelhauptwelle 66 gebildet
sein. Ein Aufnahme- bzw. Halteflansch 78, der in 5 gezeigt ist, hält das Rollenrad 76 in
dem Rollengetriebegehäuse
in Stellung.
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Senkrecht zu dem Rollenrad 76 ist
eine Rollenschnecke 80 angebracht. Die Rollenschnecke 80 weist eine
Hauptwelle 82 mit einem Spiralgewindeabschnitt 84 auf.
Die Eingangskupplung 60 ist in eine Passöffnung am
Eingangsende 81 der Welle 82 presseingepasst.
Die Tiefe und Breite der Spalte 86 zwischen den Gewinden
nehmen die Drehzähne
oder Stifte 88 im Rollenrad 76 auf. Um den Kontakt
zwischen dem Gewindeabschnitt 84 und den Stiften 88 zu
verbessern, weist der Gewindeabschnitt 84 ein bogenförmiges Kontaktprofil mit
geringfügig
größerem Krümmungsradius
als der Krümmungsradius
des Rollenradumfangs auf, so dass der Radius der zentralen Gewinde 90 im
Zentrum des Gewindeabschnitts 84 kleiner ist als der Radius
der Außengewinde 92.
In einer beispielhaften Ausführungsform
weist die Hauptwelle 82 eine Länge von etwa 130 mm und einen
Durchmesser von etwa 20,5 mm auf, wobei die Gewinde einen maximalen
Durchmesser von etwa 45,5 mm und einen minimalen Durchmesser von
etwa 30 mm aufweisen. Die Welle in den Spalten 86 zwischen den
Gewinden weist üblicherweise
denselben Durchmesser auf wie die Hauptwelle 82. Ein beispielhaftes
Rollenrad zur Verwendung mit der beispielhaften Rollenschnecke weist
einen Durchmesser von etwa 139,5 mm ohne die Stifte (d. h., Zähne), und
von ungefähr
145,5 mm mit den Zähnen
auf. Diese Abmessungen können, abhängig vom
Drehmoment und anderen Leistungserfordernissen variieren. In einer
Ausführungsform
weist das Rollenrad beispielsweise einen Durchmesser von etwa 90
mm auf, und die übrigen
Rollengetriebebestandteile sind proportional hierzu bemessen.
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Die Rollenschnecke 80 ist
in dem Gehäuse 58 in
einem äußeren Lager 100 und
einem inneren Lager 102 drehbar angebracht, wobei die Lager
in entsprechenden Passungen sitzen. Beispielsweise sitzt das Außenlager 100 in
einer ringförmigen
Halterungsplatte 104, die an dem Gehäuse 58 durch Schrauben 106 befestigt
ist. Die Rollenschnecke 80 ist bevorzugt aus wärmebehandeltem
Stahl, beispielsweise gemäß SAE 1040
gebildet.
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In 7 – 10 sind beispielhafte Ausführungsformen
von Servoritzelstiften und Anschlusselementen gezeigt. Ein beispiel hafter
Stift 88 besitzt einen kegelstumpfförmigen Kopf 112 auf
der Oberseite einer zylindrischen Basis 114, die eine zylindrische
Basisverlängerung 116 aufweist.
Eine Nut 118 ist in der Basisverlängerung 116 vorgesehen,
um einen Schnappanschluss aufzunehmen, wie etwa eine Klemmunterlegscheibe 122.
Der Boden der Basisverlängerung 116 kann
eine optionale Öffnung 120 aufweisen,
um eine optionale Feder mit Kugellagerschnittstelle bereit zu stellen
(nicht gezeigt), um gegebenenfalls Spiel aufzunehmen (Spiel bezieht
sich auf den Spalt zwischen den Stiften und der Rollenschneckenwelle).
Aus 9 geht hervor, dass die
Basisverlängerung 116 die Öffnung nicht
unbedingt benötigt.
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Wie in 9 und 10 gezeigt, ist ein Hauptstiftlager 124 auf
der Basis 114 zusammen mit Unterlegscheiben 126 vorgesehen.
Das Hauptstiftlager 124 kann gegen einen Anschlag 128,
wie in 8 gezeigt, durch
Unterlegscheiben 126 und Unterlegscheiben 122 gehalten
sein. Unter Bezug auf 10 ist
die Basisverlängerung 116 im
Anschlusselement 130 sitzend gezeigt.
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Wie in 5 – 7 gezeigt, sind mehrere Stifte 88 in
mehrere Öffnungen
um die Umfangswandung 130 des Rollenrads 76 eingesetzt
und durch interne Schnappringe bzw. Klemmringe 132 rückgehalten.
Die Stifte 88 können
sich in den Öffnungen
drehen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform
sind 22 Stifte in das beispielhafte Rollenrad, das vorstehend erläutert ist,
eingesetzt, und zwar zur Verwendung mit der vorstehend erläuterten,
beispielhaften Rollenschnecke. Jeder Stift besitzt eine Gesamtlänge von
etwa 31 mm, eine Kopflänge
von etwa 8 mm und eine Basislänge von
etwa 9,5 mm, und die Klemm- bzw. Schnappringnut ist etwa 7 mm von
der Basis entfernt. Der Stift weist einen maximalen Durchmesser
am Anschlag von etwa 9 mm auf und verjüngt sich nach unten auf etwa
8 mm. Die Stifte sind bevorzugt aus gehärtetem Stahl hergestellt, der
mit einer geeigneten SAE-Norm übereinstimmt. Bevorzugt
sind die Rollenradbestandteile in ein Schmiermittelbad in dem Gehäuse untergetaucht.
Beispielsweise erfüllt
ein geeignetes Schmiermittel SAE-Normen für Schmiermittel, die in herkömmlichen
Schneckenrädern
zum Einsatz kommen. In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Servoritzel
eine Gesamtlänge von
etwa 182 mm auf und einen Hauptwellendurchmesser von etwa 27 mm,
obwohl diese Abmessungen, abhängig
von Leistungsanforderungen und Materialien, variiert werden können.
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Das Ritzel bzw. Ritzelgetriebe bzw.
-Ritzelrad bzw. „Rollenritzelrad" gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in einem Servolenksystem umfasst ein Rollenrad
mit mehreren, radial vorspringenden Zähnen um seinen Umfang, wobei
die Zähne
Stifte aufweisen, die drehbar in dem Umfang des Rollenrads angebracht
sind und von diesem vorstehen. Die Servoritzelwelle kann mit dem
Rollenrad verbunden oder integral mit diesem gebildet sein. Das
Ritzel bzw. Ritzelrad bzw. Ritzelgetriebe gemäß der vorliegenden Erfindung
erlaubt es, die Verwendung von 12-Volt-Elektroservomotoren auf größere Fahrzeuge
zu erweitern, in denen im übrigen
ein 42-Volt-Elektromotor oder ein Servosystem anderweitig verwendet
werden kann. In weiteren Ausführungsformen
können
andere Spannungen verwendet werden, einschließlich 42-Volt-Elektromotoren.
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BEISPIEL 1
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Ein Vergleich des Wirkungsgrads eines
erfindungsgemäßen Rollengetriebes
mit dem Wirkungsgrad eines herkömmlichen
Schneckengetriebes, das in herkömmlichen
elektrischen Doppel ritzelservosystemen verwendet wird, wurde durchgeführt. Das
Rollengetriebe und das Schneckengetriebe weisen jeweils ein Untersetzungsverhältnis von
22:1 auf, und sie wurden mit 1000 Umdrehungen pro Minute (UpM) am
Eingang mit Lastdrehmomenten betrieben, die von etwa 50 in-lbf bis
etwa 450 in-lbf reichen. Das Drehmoment in diesem Fall entspricht
ungefähr
dem Servodrehmoment, das zum Lenken eines typischen Pickup (beispielsweise F-Serie
von Ford, Chevrolet Silverado u. dgl.) erforderlich ist. Die Testanordnung
umfasste einen Hydraulikmotor zum Antreiben des Eingangs (Schnecke
oder Rollenschnecke). Das Ritzeldrehmoment wurde durch eine Hydraulikpumpe
bereit gestellt. Die Anordnung umfasst in linearer Abfolge den Hydraulikmotor,
einen Drehmoment-/Drehzahlsensor, eine Getriebeeingabe, eine Getriebeausgabe,
einen Drehmoment-/Drehzahlsensor und
eine Hydraulikpumpe. Der Hydraulikmotor wurde zur Beibehaltung der
Drehzahl unter Steuerung mit geschlossener Schleife gehalten, und
die Hydraulikpumpe wurde unter Steuerung mit geschlossener Schleife
gehalten, um das Drehmoment zu steigern (d. h., zu vergrößern). Dieser
Aufbau erlaubt es, das Drehmoment unabhängig von der Drehzahl einzustellen.
Die Eingangsdrehzahl und die Ausgangsdrehzahl wurden geprüft, um sicherzustellen,
dass sie das korrekte Verhältnis
beibehalten, und das Ausgangsdrehmoment wurde mit dem Eingangdrehmoment
zur Berechnung des Wirkungsgrads verglichen.
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Das Testrollengetriebe wies ein Rollenrad
mit einem Durchmesser von 139,5 mm ohne Stifte (d. h. Zähne), und
mit einem Durchmesser von etwa 145,5 mm mit Zähnen auf, und die Rollenschneckenhauptwelle hatte
einen Durchmesser von etwa 20,5 mm, wobei die Gewinde einen maximalen
Durchmesser von etwa 45,5 mm und einen minimalen Durchmesser von
etwa 30 mm aufwiesen.
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In 11 ist
eine Kurvendarstellung des höheren
Wirkungsgrads als Funktion des Lastdrehmomentbereichs des Rollengetriebes
im Vergleich zum Schneckengetriebe gezeigt. Während der maximale Wirkungsgrad
des Schneckengetriebes etwa 70% beträgt, besitzt das Rollengetriebe
einen maximalen Wirkungsgrad höher
als 80%. Für
sämtliche
Lastdrehmomente größer als
200 in-lbf bei 1000 UpM, war der Wirkungsgrad des Rollengetriebes
größer als
70%.
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Auf Grund der Erhöhung des Wirkungsgrads können 12-Volt-Elektromotoren in
Servolenksystemen für größere Fahrzeuge
als bislang verwendet werden. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt beispielsweise
exemplarische Spezifikationen für
ein Rollengetriebe zur Verwendung in einem Lastwagen oder einem
Freizeitfahrzeug (Sport Utility Vehicle bzw. abgekürzt SUV).
Beispielsweise nutzt ein Ford Explorer mit einem 12-Volt-System ein
Rollengetriebe zur Verbindung eines Elektromotors mit einem Zahnstangen-/Ritzellenkmechanismus.
In der Tabelle 1 ist das maximale Drehmoment des Rollenrads 18,7-mal
so groß wie
dasjenige der Rollenschnecke, während
die maximale Drehzahl der Rollenschnecke 28,6-mal so groß ist wie
diejenige des Schneckenrads. Diese Varianz führt zu einem Verlust an Wirkungsgrad.
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Während
vorstehende Ausführungsformen
eines neuartigen Ritzelgetriebes bzw. Zahnradgetriebes für ein Fahrzeuglenksystem
erläutert
wurden sowie ein neuartiger Zahnstangen-/Ritzelfahrzeuglenkmechanismus, enthaltend
das neuartige Ritzel bzw. Ritzelgetriebe sowie ein elektrisches
Servolenksystem, enthaltend das neuartige Ritzelgetriebe, können an
diesen Ausführungsformen
zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne
von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die in den anliegenden
Ansprüchen
festgelegt ist.
