DE10334565A1

DE10334565A1 - Elektrische Servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE10334565A1
Application number: DE10334565A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Wako Shimizu; Katsuji Wako Watanabe; Yasuhiro Wako Terada
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-06-17
Also published as: US20040026160A1; US6976556B2

Abstract

Eine elektrische Servolenkvorrichtung umfasst einen Elektromotor (43) für die Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem auf ein Lenksystem (20) ausgeübtes Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus (44) für die Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem. Die Schnecke (47) des Schneckengetriebemechanismus hat einen Eingriffswinkel (alpha1), der größer ist als ein Eingriffswinkel (alpha2) des Schneckenrads (48), um so einen tatsächlichen Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke (47) in dem Schneckengetriebemechanismus zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrische Servolenkvorrichtung und insbesondere eine Verbesserung eines Schneckengetriebemechanismus für die Übertragung eines Lenkunterstützungsmoments von einem Elektromotor auf ein Lenksystem.

In den letzten Jahren wurden häufig elektrische Servolenkvorrichtungen verwendet, um die Lenkkraft, die ein Fahrer aufbringen muss, zu reduzieren und um dadurch ein besseres Lenkgefühl zu erreichen. Solche elektrischen Servolenkvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie mit Hilfe eines elektrischen Lenkunterstützungsmotors ein Lenkunterstützungsmoment entsprechend der auf das Lenkrad ausgeübten Lenkkraft erzeugen und dieses Lenkunterstützungsmoment auf einen Zahnstangenmechanismus eines Lenksystems übertragen. Ein Beispiel einer konventionellen elektrischen Servolenkvorrichtung wird in der offengelegten japanischen Patentpublikation Nr. HEI-9-30432 vorgeschlagen und wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 8, 9 und 10 kurz erläutert.

Wie in 8 gezeigt ist, erfasst bei dieser konventionellen elektrischen Servolenkvorrichtung gemäß JP-HEI-9-30432 ein Lenkmomentsensor 102 ein auf das Lenkrad 101 ausgeübtes Lenkmoment, ein Steuergerät 103 erzeugt auf der Basis eines von dem Lenkmomentsensor 102 erzeugten Lenkmoment-Erfassungssignals ein Steuersignal, und ein elektrischer Lenkunterstützungsmotor 104 erzeugt ein Lenkunterstützungsmoment auf der Basis des Steuersignals, das von dem Steuergerät ausgegeben wurde. Das auf diese Weise erzeugte Lenkunterstützungsmoment wird über einen Schneckengetriebemechanismus 105 auf eine Ritzelwelle 106 übertragen und schließlich von der Ritzelwelle 106 an einen Zahnstangenmechanismus 108 eines Lenksystems 107 abgegeben. Lenkbare Räder 111 werden durch ein zusammengesetztes Drehmoment, d.h. eine Kombination aus dem von dem Fahrer aufgebrachten Lenkmoment und dem von dem Motor 104 bereitgestellten Lenkunterstützungsmoment, über eine Zahnstangenwelle 109 gelenkt.

Wie in 9 dargestellt ist, enthält der Schneckengetriebemechanismus 105 eine an einer Rotationswelle 104a des Lenkunterstützungsmotors 104 ausgebildete Schnecke 121 und ein mit der Schnecke 121 kämmendes Schneckenrad 122, das mit der Ritzelwelle 106 verbunden ist. Die Bezugsziffer 112 bezeichnet ein Gehäuse.

In dem Schneckengetriebemechanismus 105 der konventionellen elektrischen Servolenkvorrichtung ist der Steigungswinkel der Schnecke 121 geringfügig größer bemessen als der Reibungswinkel der Gewindeoberflächen; der Grund dafür ist die Ermöglichung einer Drehung der Schnecke 121 durch das Schneckenrad 122. Wenn der elektrische Lenkunterstützungsmotor 104 nicht in Betrieb ist oder deaktiviert ist, d.h. wenn der Motor 104 kein Lenkunterstützungsmoment erzeugt, sind die Räder allein durch das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment frei lenkbar. Während dieser Zeit wird der Rotor 104b des Lenkunterstützungsmotors 104 über die Ritzelwelle 106, das Schneckenrad 122, die Schnecke 121 und die Rotationswelle 104a des Motors durch das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment gedreht.

Die für den Schneckengetriebemechanismus 105 der elektrischen Servolenkvorrichtung 100 bisher übliche Konstruktionsweise ist in 10 dargestellt, wobei 10 zeigt, wie die Schnecke 121 mit dem Schneckenrad 122 kämmt.

Die Schnecke 121 hat einen Teilkreisdurchmesser d1, während das Schneckenrad 122 einen Teilkreisdurchmesser d2 aufweist. Die Schnecke 121 ist eine sogenannte "zweigängige Schnecke". Die Steigung Le des Schneckenrads 122 ist zweimal so groß wie die Teilung Pi (Le = 2 × pi). In diesem Fall bedeutet "Steigung" einen Betrag des axialen Fortschritts pro Schraubengang. Die Schnecke 121 und das Schneckenrad 122 haben jeweils einen Eingriffswinkel α3.

Bei der elektrischen Servolenkvorrichtung unterliegt das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment, wenn der elektrische Lenkunterstützungsmotor 104 nicht in Betrieb ist, d.h. kein Lenkunterstützungsmoment erzeugt, unerwünschten Einflüssen durch die Trägheit des Motors 104 und durch den Eingriffswiderstand des Schneckengetriebemechanismus 105. Solche Einflüsse sollten daher vorzugsweise so gering wie möglich sein. Insbesondere bei einem variierenden bzw. sich ändernden Eingriffswiderstand des Schneckenrads 122 gegenüber der Schnecke 121, d.h. einer variierenden Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads 122 gegenüber der Gleitfläche der Schnecke 121 bedingt durch eine unzureichende Bearbeitungsgenauigkeit wie beispielsweise eine ungleichmäßige Rauhigkeit quer über die endbearbeiteten Gleitflächen, wäre der Einfluss auf das Lenkmoment erheblich. Eine Lenkmomentänderung wiederum würde ein gleichmäßiges Manövrieren oder Bedienen des Lenkrads 101 verhindern, weshalb die Lenkmomentänderung vorzugsweise auf ein Minimum reduziert werden muss, um das Lenkgefühl zu verbessern.

Bei einem Schneckengetriebemechanismus 105 mit einer zweigängigen Schnecke 121 kämmen der erste und der zweite Schraubengang der Schnecke 121 gleichzeitig mit mindestens zwei Zähnen des Schneckenrads 122, und zwar beträgt der Überdeckungsfaktor in diesem Fall "2". Daher kann man theoretisch einen problemlosen Eingriff erwarten, der ein geringes Maß einer Eingriffsänderung entstehen lässt, und Einflüsse des Eingriffswiderstands des Schneckengetriebemechanismus 105 können effektiv verringert werden. Tatsächlich aber käme es durch die Einflüsse aufgrund der vorgenannten unzulänglichen Beareitungsgenauigkeit etc. zu einer Änderung des Eingriffswiderstands des Schneckenrads 122 gegenüber der Schnecke 121, d.h. zu einer variierenden bzw. sich ändernden Reibungskraft zwischen den Gleitflächen, wie das vorstehend erwähnt wurde. Insbesondere wegen der zweigängigen Ausbil dung der Schnecke 121 muss die Genauigkeit der Teilung pi des ersten Gewindes möglichst die gleiche sein wie die Genauigkeit der Teilung pi des zweiten Gewindes, da sich die Reibungskraft zwischen den Gleitflächen ändern und damit zu unerwünschten Einflüssen auf das Lenkmoment führen würde, wenn die Teilung pi des ersten Gewindes weniger genau wäre als die Teilung pi des zweiten Gewindes.

Solch unerwünschte Einflüsse, die von der Genauigkeit der Gewindeteilungen pi abhängen, sind wesentlich und können bisweilen die Vorteile des verbesserten Überdeckungsverhältnisses überwiegen. Da eine Lenkmomentänderung ein gleichmäßiges Bedienen des Lenkrads 101 stören würde, muss die Lenkmomentänderung im Hinblick auf eine Verbesserung des Lenkgefühls vorzugsweise auf ein Minimum reduziert werden.

Um den Betrag der Variation bzw. Änderung der Reibungskraft zwischen den Gleitflächen zu reduzieren, kann als sinnvolle Maßnahme eine Verbesserung der Genauigkeit bei der Bearbeitung und beim Zusammenbau der Schnecke 121 und des Schneckenrads 122 in Betracht gezogen werden. Jedoch würde allein diese Maßnahme die Zahl der für die Kontrolle insgesamt benötigten Schritte und in der Folge die Kosten erhöhen, so dass dieser Lösungsweg nicht empfehlenswert ist, sondern vielmehr Spielraum für eine weitergehende Verbesserung lässt.

Daher ist es erstrebenswert bei einer elektrischen Servolenkvorrichtung eine weitere Verbesserung des Lenkgefühls zu ermöglichen, indem der Betrag der Lenkmomentänderung, die durch den variierenden Eingriffswiderstand (Reibungskraft) des Schneckengetriebemechanismus verursacht wird, reduziert wird.

Die vorliegende Erfindung stellt eine elektrische Servolenkvorrichtung eines Typs zur Verfügung, umfassend ein Lenksystem, einen Elektromotor für die Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem auf das Lenksystem ausgeübten Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus für die Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem. Der Schneckengetriebemechanismus hat eine mit dem Elektromotor wirksam verbundene Schnecke und ein Schneckenrad, das mit dem Lenksystem wirksam verbunden ist und mit der Schnecke kämmt, wobei die Schnecke einen Eingriffswinkel hat, der größer ist als der Eingriffswinkel des Schneckenrads.

Mit einem Eingriffswinkel der Schnecke, der größer als der Eingriffswinkel des Schneckenrads ist, kann der erfindungsgemäße Schneckengetriebemechanismus bewirken, dass die Eingriffsposition des Schneckenrads, in der das Schneckenrad mit der Schnecke kämmt, von der Schnecke radial nach innen verschoben wird, so dass der tatsächliche Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke reduziert wird. Der Steigungswinkel der Schnecke vergrößert sich in Übereinstimmung mit einer solchen Reduzierung des tatsächlichen Eingriffs-Teilkreisdurchmessers.

Im Folgenden wird ein besonderer Fall erläutert, in dem der elektrische Lenkunterstützungsmotor durch ein Lenkmoment gedreht wurde. Das Lenkmoment, mit welchem die Schnecke den Rotor des Lenkunterstützungsmotors dreht, ist im wesentlichen konstant.

Da sich der Eingriffswiderstand des Schneckenrads gegenüber der Schnecke, d.h. die Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads gegenüber der Gleitfläche der Schnecke bedingt durch eine mangelnde Bearbeitungsgenauigkeit etc. vergrößert, wirkt eine der Zunahme der Reibungskraft entsprechende zusätzliche Rotationskraft auf das Schneckenrad. Die Beaufschlagung des Schneckenrads mit dieser zusätzlichen Rotationskraft führt zu einer leichten Verformung eines Schneckenradzahns, so dass sich die Eingriffsposition des Schneckenrads, in der das Schneckenrad mit der Schnecke kämmt, von der Schnecke radial nach außen verlagert. In der Folge nimmt der tatsächliche Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke zu, und dadurch verringert sich die Rotationskraft der Schnecke um einen Betrag, der der Zunahme des Eingriffs-Teilkreisdurchmessers entspricht. Auf diese Weise kann diese durch die Zunahme der Reibungskraft zwischen den Gleitflächen bedingte zusätzliche Rotationskraft durch eine Abnahme der Rotationskraft der Schnecke angemessen kompensiert werden. Deshalb kann die Rotationskraft des Schneckenrads sofort wieder auf die im allgemeinen gleiche Intensität wie ursprünglich zurückfallen.

Wenn sich aufgrund einer unzureichenden Bearbeitungsgenauigkeit etc. eine Änderung der Reibungskraft zwischen den Gleitflächen von Schneckenrad und Schnecke ergeben hat, ist es möglich, den Betrag der Änderung der Rotationskraft des Schneckenrads sogar noch wirksamer zu reduzieren. Der reduzierte Änderungsbetrag des Lenkmoments ermöglicht dem Fahrer ein gleichmäßigeres Lenken. Infolgedessen kann das Lenkgefühl durch die vorliegende Erfindung sogar noch weiter verbessert werden.

Außerdem entfällt erfindungsgemäß die Notwendigkeit einer Verbesserung der Genauigkeit bei der Bearbeitung und Montage von Schnecke und Scheckenrad als Maßnahme für die Reduzierung des Änderungsbetrags der Reibungskraft zwischen Schneckenrad und Schnecke und damit auch der zusätzliche Schritt einer eigens dafür vorzusehenden Kontrolle, so dass die Kosten für die elektrische Servolenkvorrichtung gesenkt werden.

Durch vorliegende Erfindung wird auch eine elektrische Servolenkvorrichtung zur Verfügung gestellt, die ein Lenksystem, einen Elektromotor für die Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend dem auf das Lenksystem ausgeübten Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus für die Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schneckengetriebemechanismus eine mit dem Elektromotor wirksam verbundene Schnecke sowie ein mit dem Lenksystem wirksam verbundenes und mit der Schnecke kämmendes Schneckenrad aufweist und dass die Schnecke eine eingängige Schnecke ist.

Angesichts der bei vorliegender Erfindung eingängig ausgebildeten Schnecke kann die Genauigkeit der Gewindeteilung der Schnecke ohne Probleme verbessert werden, wobei es im Vergleich zu den üblichen mehrgängigen Schnecken nicht notwendig ist, dass die Genauigkeit der Teilung zwischen den Schneckenwindungen derart streng übereinstimmt. Somit kann der Betrag der durch Änderung der Reibungskraft zwischen den Gleitflächen verursachten Lenkmomentänderung erfindungsgemäß zugunsten einer noch gleichmäßigeren Lenkradbetätigung durch den Fahrer reduziert werden.

Vorzugsweise ist die Schnecke bei vorliegender Erfindung aus Metall, das Schneckenrad hingegen aus Harz hergestellt, wobei letzteres eine Zahndicke aufweist, die größer als die Zahnhöhe ist. Die aus Metall gefertigte Schnecke und das aus Harz gefertigte Schneckenrad können relativ problemlos miteinander kämmen, was sich wiederum geräuschmindernd auswirkt. Darüber hinaus ist die Festigkeit eines jeden Schneckenradzahns trotz der an sich geringeren Festigkeit des Schneckenrads ausreichend hoch, da die Zahndicke relativ groß bemessen ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand eines Beispiels im Detail beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Servolenkvorrichtung, in der vom Lenkrad bis zu den Rädern die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung dargestellt sind;
2 eine Vorderansicht der elektrischen Servolenkvorrichtung, in der eine Zahnstangenwelle von 1 in einem Gehäuse aufgenommen dargestellt ist;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3–3 von 2, die eine Zahnstangenführung in der elektrischen Servolenkvorrichtung zeigt;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4–4 von 3, die das Verhältnis einer Ritzelwelle, eines Lenkunterstützungsmotors und eines Schneckengetriebemechanismus untereinander darstellt;
5 eine vergrößerte Ansicht des Schneckengetriebemechanismus zur Verdeutlichung des kämmenden Eingriffs zwischen einer Schnecke und einem Schneckenrad des Mechanismus;
6 eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts, in dem die Schnecke und das Schneckenrad miteinander kämmen;
7A, 7B jeweils eine Darstellung der verschiedenen Kräfte, die entstehen, während die Zähne von Schnecke und Schneckenrad in 6 in kämmenden Eingriff miteinander gebracht werden;
8 eine schematische Darstellung einer konventionellen elektrischen Servolenkvorrichtung;
9 eine Schnittansicht eines konventionellen Schneckengetriebemechanismus, wie dieser in der elektrischen Servolenkvorrichtung von 8 verwendet wird; und
10 eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts, in dem eine Schnecke und ein Schneckenrad des konventionellen Schneckengetriebemechanismus von 9 miteinander in Eingriff gebracht werden.
Zunächst wird auf die 1 und 2 Bezug genommen, in denen eine Ausführungsform einer elektrischen Servolenkvorrichtung 10 für ein Motorfahrzeug dargestellt ist, welches ein Lenksystem 20 aufweist, das sich von einem Lenkrad 21 des Fahrzeugs zu lenkbaren Rädern (linkes und rechtes Vorderrad) 31 erstreckt. In dem Lenksystem 20 ist ein Mechanismus 40 für ein Lenkunterstützungsmoment enthalten, der ein Lenkunterstützungsmoment für den Lenkmechanismus 20 bereitstellt.
Das Lenksystem 20 hat eine Ritzelwelle (Eingangswelle) 24, die über eine Lenkwelle 22 und Universalgelenke 23 mit dem Lenkrad 11 verbunden ist, und eine über einen Zahnstangenmechanismus 25 mit der Ritzelwelle 24 verbundene Zahnstangenwelle 26. Das rechte und das linke lenkbare Rad 31 sind über ein linkes und ein rechtes Kugelgelenk 27, eine linke und eine rechte Spurstange 28 und einen linken und einen rechten Achsschenkel 29 mit den voneinander abgewandten Enden der Zahnstangenwelle 26 verbunden.
Der Zahnstangenmechanismus 25 enthält ein an der Ritzelwelle 24 ausgebildetes Ritzel 24a und eine an der Zahnstangenwelle 26 ausgebildete Zahnstange 26a.
Während ein Fahrer des Fahrzeugs das Lenkrad 21 bewegt, werden das linke und das rechte lenkbare Rad 31 in Übereinstimmung mit dem von dem Fahrer manuell ausgeübten Lenkmoment über den Zahnstangenmechanismus 25 und die rechte und die linke Spurstange 28 gelenkt.
In dem Mechanismus 40 für das Lenkunterstützungsmoment erfasst ein Lenkmomentsensor 41 ein auf das Lenkrad 21 ausgeübtes Lenkmoment, eine Steuervorrichtung 142 erzeugt ein Steuersignal auf der Basis eines von dem Momentsensor 41 ausgegebenen Momenterfassungssignals, und ein elektrischer Lenkunterstützungsmotor 43 erzeugt ein Lenkunterstützungsmoment auf der Basis des Steuersignals. Das so erzeugte Lenkunterstützungsmoment wird über einen Schneckengetriebemechanismus 44 auf die Ritzelwelle 24 übertragen und von der Ritzelwelle 24 an den Zahnstangenmechanismus 25 des Lenksystems 20 abgegeben.
Die lenkbaren Räder 31 werden über die Zahnstangenwelle 26 durch ein zusammengesetztes Lenkmoment, d.h. durch eine Kombination aus dem von dem Fahrer aufgebrachten Lenkmoment und dem Lenkunterstützungsmoment, von dem Motor 43 gelenkt.
Wie 2 zeigt, ist die Zahnstangenwelle 26 der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 axial verschiebbar in einem Gehäuse 51 aufgenommen, das sich in Richtung der Fahrzeugbreite erstreckt. Das Gehäuse 51 hat Befestigungsabschnitte 52 und 53 für seine Befestigung an dem (nicht dargestellten) Körper des Fahrzeugs. An den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 51 sind Staubschutzkappen 32 vorgesehen.
In 3, auf die als nächstes Bezug genommen wird, ist eine Zahnstangenführung 60 in der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 gezeigt.
In dem Gehäuse 51 sind die Ritzelwelle 24, der Zahnstangenmechanismus 25, der Lenkmomentsensor 41 und ein Schneckengetriebemechanismus 44 untergebracht. Ein Deckel 51 verschließt eine Oberseitenöffnung des Gehäuses 51. Außerdem dient das Gehäuse 51 zur drehbaren Lagerung eines oberen und eines unteren Endbereichs sowie eines Längsmittelbereichs der Ritzelwelle 24 über drei Lagersätze 55 bis 57 und es enthält die Zahnstangenführung 60.
Die Zahnstangenführung 60 ist eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung einer von der die Zahnstange 26a tragenden Fläche abgewandten Rückfläche der Zahnstangenwelle 26 und sie hat einen sich mit der Rückfläche der Zahnstangenwelle 26 in Kontakt befindenden Führungsabschnitt 61 und einen Einstellbolzen 63 für die einstellbare Druckbeaufschlagung des Führungsabschnitts 61 über eine Einstellfeder 62, zum Beispiel eine Kompressionsfeder.
Der Führungsabschnitt 61 hält die Zahnstangenwelle 26 auf solche Weise, dass diese axial verschiebbar ist, jedoch in ihrer Bewegung in einer Längsrichtung der Ritzelwelle 24 eingeschränkt wird. Der Führungsabschnitt 61 wird durch den Einstellbolzen 63, der über die Einstellfeder 62 in das Gehäuse 51 geschraubt ist, mit einer angemessenen Druckkraft beaufschlagt, so dass die Zahnstange 26a über den Führungsabschnitt 61 an das Ritzel 24a gedrückt wird. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 58 eine Öldichtung, die Bezugsziffer 64 ein Kissen, über welches die Rückfläche der Zahnstangenwelle 26 axial entlang des Führungsabschnitts 61 gleitet, und die Bezugsziffer 65 ein Verriegelungsmutter.
In der als nächstes beschriebenen 4 ist das Verhältnis der Ritzelwelle 24, des Lenkunterstützungsmotors 43 und des Schneckengetriebemechanismus 44 untereinander dargestellt.
Der Lenkunterstützungsmotor 43 ist an dem Gehäuse 51 montiert, wobei sich seine Rotationswelle 43a innerhalb des Gehäuses 51 in einer horizontalen Richtung erstreckt.
Der Schneckengetriebemechanismus 44 ist ein Mechanismus für die Übertragung eines Lenkunterstützungsmoments, d.h. ein Krafterhöhungsmechanismus, der das durch den Motor 43 erzeugte Lenkunterstützungsmoment auf die Ritzelwelle 24 überträgt. Insbesondere enthält der Schneckengetriebemecha nismus 44 eine Schneckenwelle 46 und ein mit der Schnecke 47 kämmendes Schneckenrad 48. Das Schneckenrad 48 ist mit der Ritzelwelle 24 verbunden.
Kurz ausgedrückt umfasst der Schneckengetriebemechanismus 44 einen kämmenden Eingriff zwischen der mit dem Lenkunterstützungsmotor 43 wirksam verbundenen Schnecke 47 und dem mit dem Lenksystem 20 wirksam verbundenen Schneckenrad 48 (siehe 1).
Die horizontale Schneckenwelle 46 ist an ihren einander gegenüberliegenden Enden über Lager 71 und 72 sowie hohl ausgebildete exzentrische Hülsen 73 durch das Gehäuse 51 gelagert. Mit den Bezugsziffern 74 und 75 sind Muttern bezeichnet. Ein Spiel der Schnecke 47 relativ zu dem Schneckenrad 48 lässt sich einstellen, indem lediglich die exzentrische Hülse 73 gedreht wird.
In 5, auf die nunmehr Bezug genommen wird, ist die Schnecke 47 aus Metall hergestellt, zum Beispiel aus einem Stahl wie Kohlenstoffstahl für den Maschinenbau (JIS-G-4051), während das Schneckenrad 48 aus Harz gefertigt ist, zum Beispiel aus Nylonharz (Marke von Dupont). Der kämmende Eingriff zwischen der Schnecke 47 aus Metall und dem Schneckenrad 48 aus Harz erfolgt relativ gleichmäßig und ruhig, so dass sich unerwünschte Geräusche reduzieren lassen.
Jeder Zahn 47a der Schnecke 47 besitzt bei Betrachtung in einer zur Achse der Schnecke 47 senkrechten Richtung im wesentlichen eine Trapezform, wohingegen jeder Zahn 48a des Schneckenrads 48 bei Betrachtung in einer zur Achse des Schneckenrads 48 senkrechten Richtung eine Evolventen-Querschnittsform hat.
In der zur Achse des Schneckenrads 48 betrachteten Richtung ist jeder Zahn 48a auf solche Weise geformt, dass sich sein distaler Endbereich (Zahnkopf) sanft mit der Evolvente zusammenschließt, und er hat eine bogenförmige Ober fläche mit einer Referenz-Teillinie des Schneckenrads 48 als seine wesentliche Mitte. Deshalb können die Zähne 47a der Schnecke 47 und die Zähne 48a des Schneckenrads 48 problemlos in Kontakt miteinander treten. Es ist daher möglich, den Betrag der Variation bzw. Änderung des Lenkmoments, die das Ergebnis einer Änderung der Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads 48 gegenüber der Gleitfläche der Schnecke 47 ist, zu reduzieren und somit eine gleichmäßige Bedienung des Lenkrads 21 zu ermöglichen (siehe 1). Als Ergebnis wird ein verbessertes Lenkgefühl erreicht.
Die Schnecke 47 hat einen Teilkreisdurchmesser D1a, das Schneckenrad dagegen einen Teilkreisdurchmesser D2. Bei vorliegender Erfindung ist die Schnecke 47 eine eingängige Schnecke. Die Gewindeteilung pi der Schnecke 47 ist identisch mit der bereits an früherer Stelle in Verbindung mit 10 beschriebenen Steigung Le der konventionellen Schnecke 121.
Da die Schnecke 47 eingängig ist, lässt sich die Genauigkeit der Gewindeteilung Pi äußerst leicht verbessern. Anders als bei der konventionellen zweigängigen Schnecke 121 von 10 ist es auch nicht erforderlich, dass die Teilungsgenauigkeit der einzelnen Gewindegänge einheitlich ist. Deshalb kann der Betrag der Lenkmomentänderung, die sich durch die Änderung der Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads 48 gegenüber der Gleitfläche der Schnecke 47 ergibt, zugunsten einer mit größerer Gleichmäßigkeit möglichen Bedienung des Lenkrads 21 reduziert werden (siehe 1), so dass als Ergebnis eine Verbesserung des Lenkgefühls erreicht wird.
Die Zahndicke beträgt bei konventionellen Schneckenrädern etwa die Hälfte (1/2) der Gewindeteilung Pi. Im Gegensatz dazu ist die Zahndicke th bei dem erfindungsgemäßen Schneckenrad 48 größer als die Zahnhöhe hi (gesamte Zahnhöhe hi) bemessen. Insbesondere beträgt das Verhältnis der Zahnhöhe hi zur Zahndicke th bei dem Schneckenrad 48 etwa 1,0 : 1,3. Ferner beträgt das Verhältnis der Gewindeteilung pi zur Zahndicke th bei dem Schneckenrad 48 etwa 1,0 : 0,7.
Die aus Metall hergestellte Schnecke 47 verfügt über eine hohe Festigkeit und ist deshalb sehr schwer verformbar, wohingegen das aus Harz hergestellte Schneckenrad 48 eine geringe Festigkeit besitzt und aus diesem Grund entsprechend leichter verformbar ist als die Schnecke 47. Durch die große Zahndicke th des Schneckenrads 48 lässt sich die Verformung der Zähne 48a jedoch unterdrücken. Dank der großen Zahndicke th des Schneckenrads 48, das aus Harz hergestellt ist und deshalb verglichen mit der Schnecke 47 aus Metall eine geringere Festigkeit besitzt, kann eine ausreichende Festigkeit der Zähne 48a des Schneckenrads 48 sichergestellt werden.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, in der der in 5 skizzierte kämmende Eingriff zwischen dem Schneckenrad 48 und der Schnecke 47 in einem größeren Maßstab dargestellt ist.
Bei konventionellen Schneckengetriebemechanismen haben die Schnecke 47 und das Schneckenrad 48 identische Eingriffswinkel α1 und α2. Hier bedeutet der Begriff "Eingriffswinkel" einen Winkel, der durch die Tangente der Zahnprofilkurve in dem Teilkreis und die Mittellinie zwischen zwei benachbarten Tangenten gebildet wird. In diesem Fall kämmt der Zahn 48a des Schneckenrads 48 mit dem Zahn 47a der Schnecke 47 an Punkten A1. Der den Punkt A1 passierende Durchmesser D1a stellt einen theoretischen (virtuellen) Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 dar.
Verglichen mit den konventionellen Schneckengetriebemechanismen ist der Eingriffswinkel α1 der Schnecke 47 in dem Schneckenradmechanismus 44 der vorliegenden Erfindung größer bemessen als der Eingriffswinkel α2 des Schneckenrads 48. In diesem Fall kämmt der Zahn 48a des Schneckenrads 48 mit dem Zahn 47a der Schnecke 47 an Punkt A2, der näher zu einer Mitte CL der Schnecke 47 liegt als der Punkt A1. Und zwar kämmt ein dem Zahnkopf benachbarter Bereich des Schneckenradzahns 48a mit einem dem Fuß des Zahns 47a benachbarten Bereich des Schneckenzahns 47a. Der den Punkt A2 passierende Durchmesser D1b stellt einen tatsächlichen Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 dar, der kleiner ist als der theoretische (virtuelle) Teilkreisdurchmesser D1a der Schnecke 47 (D1a > D1b).
Des weiteren ist der Gewindesteigungswinkel der Schnecke 47 bei dem erfindungsgemäßen Schneckenradgetriebemechanismus 44 geringfügig größer bemessen als der Reibungswinkel der Gewindeoberflächen, so dass die Schnecke 47 durch das Schneckenrad 48 gedreht werden kann.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 hauptsächlich mit Bezug auf die 1, 4, 6, 7A und 7B beschrieben.
Wenn der elektrische Lenkunterstützungsmotor 43 von 1 nicht in Betrieb ist, d.h. wenn der Motor 43 kein Lenkunterstützungsmoment erzeugt, können die lenkbaren Räder 31 alleine durch das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment frei gelenkt werden. Währenddessen wird der (nicht dargestellte) Rotor des Lenkunterstützungsmotors 43 über die Ritzelwelle 24, das Schneckenrad 48, die Schnecke 47 und die Schneckenwelle 46 durch das von dem Fahrer ausgeübte Lenkmoment gedreht, wie das in 4 dargestellt ist.
Während der Drehung des Schneckenrads 48 durch das Lenkmoment produziert das Schneckenrad 48 eine auf die Schnecke 47 wirkende axiale Kraft F2, wie in 7A dargestellt, wobei die axiale Kraft F2 eine in Teilkreisrichtung wirkende Kraft, d.h. eine Rotationskraft des Schneckenrads 48 ist.
Wenn der nicht gezeigte Rotor des Lenkunterstützungsmotors 43, der nicht in Betrieb ist, durch das über das Lenkrad 21 von dem Fahrer ausgeübte Lenkmoment gedreht wird, ist die Intensität einer Kraft F1 in Teilkreisrichtung der Schnecke 47, d.h. eine Rotationskraft der Schnecke 47, umgekehrt proportional zu dem Teilkreisdurchmesser, wenn das den Rotor drehende Moment durch Ta angegeben wird.
In dem Fall, in dem die Schnecke 47 durch das Schneckenrad 48 gedreht wird, lässt sich das Verhältnis zwischen der Drehkraft F1 der Schnecke 47 und der Drehkraft F2 des Schneckenrads 48 durch die nachstehende mathematische Formel (1) bestimmen. F1 = F2 × tan (γ – ρ) (1),wobei γ den Steigungswinkel an einem Wälzpunkt der Schnecke 47 und ρ den Reibungswinkel einer Gewindeoberfläche angibt.
Aus Formel (1) ist zu ersehen, dass der Reibungswinkel ρ der Gewindeoberfläche die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 beeinflusst. Der Reibungswinkel ρ basiert auf einem Koeffizienten der Gleitflächenreibung des Schneckenrads 48 an der Schnecke 47. Der Reibungskoeffizient wird beispielsweise durch die Bearbeitungsgenauigkeit der Schnecke 47 und des Schneckenrads 48 beeinflusst, so zum Beispiel durch die Oberflächenrauhigkeit der endbearbeiteten Gleitflächen.
Wenn das Schneckenrad 48 gedreht wird und wenn die Reibungskraft pro Drehung des Schneckenrads 48 variiert, variiert bzw. ändert sich die Rotationskraft F2 nach Maßgabe der variierenden bzw. sich ändernden Reibungskraft. Weil die Änderung der Rotationskraft F2 das Lenkmoment unerwünscht beeinflusst, muss sie vorzugsweise auf ein Minimum reduziert werden.
Daher wird erfindungsgemäß der Eingriffswinkel α1 der Schnecke 47 größer bemessen als der Eingriffswinkel α2 des Schneckenrads 48, wie das in 6 dargestellt ist. Deshalb kämmt der Schneckenradzahn 48a, wie in 7A dar gestellt, mit dem Schneckenzahn 47a an dem Punkt A2, und die Schnecke 47 wird durch die an dem Punkt A2 erzeugte Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 gedreht.
Der anhand der durchgezogenen Linie in 7 angegebene Schneckenradzahn 48a wird aufgrund der Reaktionskraft der Rotationskraft F2 elastisch ganz leicht auf solche Weise verformt, dass sich der Zahn 48a in Richtung der Zahndicke von dem Schneckenzahn 47a weg bewegt, wie das durch die Phantomlinie dargestellt ist. Infolgedessen verschiebt sich die Eingriffsposition, an der der Schneckenradzahn 48a mit dem Schneckenzahn 47a kämmt, von der Schnecke 47 radial leicht nach außen, wie das in 7B gezeigt ist.
Insbesondere ist das Drehmoment Ta, das den Rotor des Lenkunterstützungsmotors 43 dreht (siehe 4), im wesentlichen konstant. Wenn der Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 bei dem Steigungswinkel γ gleich D1b ist und wenn der Winkel ρ der Oberflächenreibung des Gewindes konstant ist, kann die Rotationskraft F1 der Schnecke 47 konstant sein und so auch die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48.
Wenn das Schneckenrad 48 gedreht wird und wenn der Reibungskoeffizient aufgrund der Rauhigkeit nach der Endbearbeitung der Gleitflächen pro Drehung des Schneckenrads 48 variiert, dann variiert auch der Winkel ρ der Oberflächenreibung des Gewindes in Reaktion auf den variierenden Reibungskoeffizienten und desgleichen die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 in Reaktion auf den variieren Reibungswinkel ρ. Eine Erhöhung der Rotationskraft F2 resultiert in einer entsprechenden Variation des Betrags der elastischen Verformung des Schneckenradzahns 48a. Deshalb verschiebt sich die Eingriffsposition, an der der Schneckenradzahn 48a mit dem Schneckenzahn 47a kämmt, von der Schnecke 47 radial leicht nach außen.
In diesem Zusammenhang sei nun ein Fall betrachtet, in welchem die Eingriffsposition nach Maßgabe der Intensität der Rotationskraft F2 von der Schnecke 47 radial nach außen von einem Punkt A2 zu einem Punkt A1 verschoben und die Eingriffsposition an dem Punkt A1 stabilisiert wird. In Abhängigkeit von der Verschiebung oder Verlagerung der Eingriffsposition verschiebt oder verlagert sich auch der Punkt, an dem die Rotationskraft F2 erzeugt wird, von dem Punkt A2 zu dem Punkt A1.
Dabei ist zu beachten, dass der Änderungsbetrag des Steigungswinkels γ verglichen mit dem Betrag der Änderung von dem Teilkreisdurchmesser D1b in den Durchmesser D1a der Schnecke 47 sehr marginal ist, weshalb es im Hinblick auf die vorstehend angegebene mathematische Formel (1) keine wesentliche Rolle spielt, wenn die Änderung des Steigungswinkels γ ignoriert wird.
Der den Punkt A1 passierende Teilkreisdurchmesser D1a ist größer als der den Punkt A2 passierende Teilkreisdurchmesser D1b. Wie bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, ist die Rotationskraft F1 der Schnecke 47 umgekehrt proportional zu dem Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47. Zum Beispiel nimmt die Rotationskraft F1 der Schnecke 47 ab, während sich ihr Teilkreisdurchmesser von D1b auf D1a vergrößert. Eine aufgrund der Zunahme der Reibungskraft erzeugte zusätzliche Rotationskraft wird durch die Abnahme der Rotationskraft F1 der Schnecke 47 kompensiert. Deshalb kann die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 sofort auf die im allgemeinen gleiche Intensität wie ursprünglich zurückfallen, so dass sich der Änderungsbetrag der Rotationskraft F2 mit noch größerer Wirksamkeit verringern lässt. Das Ergebnis ist die mögliche Minimierung des Betrags einer unerwünschten Änderung des Lenkmoments.
Wie vorstehend erläutert, kann der erfindungsgemäße Schneckengetriebemechanismus 44 bewirken, dass die Eingriffsposition des Schneckenrads 48, in der das Schneckenrad 48 mit der Schnecke 47 kämmt, aufgrund des größer als der Eingriffswinkel α2 des Schneckenrads 48 bemessenen Eingriffswinkels α1 der Schnecke 47 von der Schnecke 47 radial nach innen verschoben wird (von dem Punkt A1 zu dem Punkt A2). Infolgedessen lässt sich, wenn ein gegebener Zahn des Schneckenrads 48 in kämmenden Eingriff mit einem entsprechenden Zahn der Schnecke 47 gebracht wird, der tatsächliche Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 von D1a auf D1b reduzieren.
Im Folgenden wird ein Fall erläutert, in dem der elektrische Lenkunterstützungsmotor 43 während der Zeit, in der er kein Lenkunterstützungsmoment erzeugt (d.h. nicht in Betrieb ist oder deaktiviert ist), durch das Lenkmoment gedreht wurde. Hier ist zu erwähnen, dass das Drehmoment Ta, mit welchem die Schnecke 47 den Rotor des Lenkunterstützungsmotors 43 dreht, im wesentlichen konstant ist.
Während der Eingriffswiderstand des Schneckenrads 48 gegenüber der Schnecke 47, d.h. die Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads 48 gegenüber der Gleitfläche der Schnecke 47, bedingt durch eine unzureichende Bearbeitungsgenauigkeit etc. zunimmt, wirkt eine dieser Zunahme entsprechende zusätzliche Rotationskraft auf das Schneckenrad 48.
Durch die Einwirkung dieser zusätzlichen Rotationskraft erfährt der Schneckenradzahn 48a eine leichte Verformung, wodurch die Eingriffsposition des Schneckenrads 48, in der das Schneckenrad 48 mit der Schnecke 47 kämmt, von der Schnecke 47 radial nach außen verschoben wird (von dem Punkt A2 zu dem Punkt A1). Folglich vergrößert sich der tatsächliche Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 von D1b auf D1a, und die Rotationskraft F1 der Schnecke 47 verringert sich um einen der Zunahme des Eingriffs-Teilkreisdurchmessers entsprechenden Betrag.
Auf diese Weise lässt sich die durch die Zunahme der Reibungskraft zwischen den Gleitflächen der Schneckenrads 48 und der Schnecke 47 bedingte zusätz liche Rotationskraft durch die Abnahme der Rotationskraft F1 der Schnecke 47 kompensieren. Deshalb kann die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 sofort auf die im allgemeinen gleiche Intensität wie ursprünglich zurückfallen; daher kann die Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 fast unverändert bleiben.
Es ist daher möglich, wenn aufgrund einer unzureichenden Bearbeitungsgenauigkeit etc. eine Variation bzw. Änderung der Reibungskraft der Gleitfläche des Schneckenrads 48 gegenüber der Gleitfläche der Schnecke 47 entstanden ist, den Betrag der Änderung der Rotationskraft F2 des Schneckenrads 48 noch effektiver zu reduzieren. Dadurch, dass der Änderungsbetrag des Lenkmoments verringert werden kann, ist das Lenkrad 21 für den Fahrer mit größerer Gleichmäßigkeit bedienbar, so dass mit der vorliegenden Erfindung eine noch weitere Verbesserung des Lenkgefühls erreicht wird.
Hinzu kommt, dass die Genauigkeit bei der Bearbeitung und Montage der Schnecke 47 und des Schneckenrads 48 nicht erhöht werden muss, so dass ein eigens dafür vorzusehender Kontrollschritt zugunsten einer Kostenreduzierung der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 entfallen kann.
Ferner kann mit dem größer als der Eingriffswinkel α2 des Schneckenrads 48 bemessenen Eingriffswinkel α1 der Schnecke 47 der tatsächliche Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke 47 von D1a auf D1b reduziert werden, wenn ein gegebener Zahn des Schneckenrads 48 in kämmenden Eingriff mit einem entsprechenden Zahn der Schnecke 47 gebracht wird. Der Steigungswinkel γ der Schnecke 47 kann entsprechend vergrößert werden.
Der Übertragungswirkungsgrad η, mit welchem das Schneckenrad 48 durch die Schnecke 47 gedreht wird, lässt sich durch die unten angegebene mathematische Formel (2) berechnen. η = tan γ/tan (γ + ρ) (2), wobei γ den Steigungswinkel an dem Wälzpunkt der Schnecke 47 und ρ den Reibungswinkel der Gewindeoberfläche angibt.
Aus Formel (2) ist zu ersehen, dass der Übertragungswirkungsgrad η im Verhältnis zur Zunahme des Steigungswinkels γ vergrößert werden kann.
Eine elektrische Servolenkvorrichtung umfasst einen Elektromotor für die Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem auf ein Lenksystem ausgeübtes Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus für die Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem. Die Schnecke des Schneckengetriebemechanismus hat einen Eingriffswinkel, der größer ist als ein Eingriffswinkel des Schneckenrads, um einen tatsächlichen Eingriffs-Teilkreisdurchmesser der Schnecke in dem Schneckengetriebemechanismus zu reduzieren.

Claims

Elektrische Servolenkvorrichtung, umfassend: ein Lenksystem (20); einen Elektromotor (43) zur Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem auf das Lenksystem (20) ausgeübten Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus (44) zur Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem (20); wobei der Schneckengetriebemechanismus (44) eine mit dem Elektromotor (43) wirksam verbundene Schnecke (47) sowie ein mit dem Lenksystem (20) wirksam verbundenes und mit der Schnecke (47) kämmendes Schneckenrad (48) aufweist und wobei die Schnecke (47) einen Eingriffswinkel (α1) hat, der größer ist als ein Eingriffswinkel (α2) des Schneckenrads (48).
Elektrische Servolenkvorrichtung, umfassend: ein Lenksystem (20); einen Elektromotor (43) zur Erzeugung eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem auf das Lenksystem (20) ausgeübten Lenkmoment und einen Schneckengetriebemechanismus (44) zur Übertragung des Lenkunterstützungsmoments auf das Lenksystem (20); wobei der Schneckengetriebemechanismus (44) eine mit dem Elektromotor (43) wirksam verbundene Schnecke (47) sowie ein mit dem Lenksystem (20) wirksam verbundenes und mit der Schnecke (47) kämmendes Schneckenrad (48) aufweist und wobei die Schnecke (47) eine eingängige Schnecke ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schnecke (47) aus Metall, das Schneckenrad (48) hingegen aus Harz hergestellt ist und wobei das Schneckenrad (48) eine Zahndicke aufweist, die größer ist als eine Zahnhöhe.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schnecke (47) einen Eingriffswinkel (α1) hat, der größer ist als ein Eingriffswinkel (α2) des Schneckenrads (48).