DE19752075A1 - Elektromotorischer Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage mit einem Schneckenradgetriebe, bestehend aus einer in einem Gehäu­ se gelagerten Schnecke und einem mit dem Lenkgestänge vorzugsweise der Lenksäule verbundenen Schneckenrad sowie einem Drehmomentsensor zur Erfassung des vom Fahrer auf­ gebrachten Lenkmoments und einer elektronischen Regelein­ heit, die den Motor nach Auswertung der Drehmomentsensor­ signale ansteuert.

Ein solcher Stellantrieb ist in der EP 0 535 422 A1 be­ schrieben. Der mechanische Aufbau sowie die elektronische Steuerung muß den folgenden Anforderungen genügen:
In bestimmten Fahr- und Lenksituationen ist keine Lenkkraftunterstützung notwendig, so z. B. bei leichten Spurkorrekturen bei Fahrten auf der Auto­ bahn. In diesen Situationen soll der an die Lenkung angekoppelte elektromotorische Stellantrieb keine negativen Einflüsse auf das Lenkgefühl haben. Insbe­ sondere soll vermieden werden, daß durch den Stell­ antrieb zusätzliche vom Fahrer zu überwindende Rei­ bungskräfte erzeugt werden.
Die Regelung soll relativ weich erfolgen, was impli­ ziert, daß die Kopplung des Stellantriebs mit dem Lenkgestänge nicht zu direkt sein soll.
Der Stellantrieb soll möglichst geräuscharm arbei­ ten, insbesondere sollen Klappergeräusche des Aggre­ gats unterbunden werden, die durch von außen auf die Räder einwirkende Stoßkräfte hervorgerufen werden.

Um den verschiedenen Forderungen zu genügen, wird daher vorgeschlagen, zwischen der Schnecke und dem Schneckenrad ein Spiel vorzusehen, die Schnecke in axialer Richtung verschiebbar zu lagern und über elastisch nachgiebige Elemente am Getriebegehäuse abzustützen.

Aus der DE 35 26 498 C2 ist zwar bekannt, Antrieb und Lenkstange elastisch miteinander zu koppeln. Dazu ist das letzte Zahnrad des Getriebes koaxial zur Lenkwelle ange­ ordnet, wobei die Lenkwelle mit vier seitlich abstehenden Armen versehen ist, die in mit Gummielementen versehene Löcher im Zahnrad eingreifen. Abgesehen davon, daß diese Anordnung relativ kompliziert ist, ist sie nicht geeig­ net, das Auftreten von Reibungskräften bei geringen Lenk­ einschlägen zu verhindern. Die elastischen Elemente müs­ sen nämlich bei dieser Konstruktion eine gewisse Härte aufweisen, so daß bei jeder Drehung des Lenkrads jedes Zahnrad des Getriebes sowie der Rotor des Motors mitge­ dreht werden, was erhebliche, der Lenkbewegung entgegen­ wirkende Reibungskräfte erzeugt.

Aus der DE 37 35 517 A1 ist eine Einrichtung zur Lenkung der Hinterräder bekannt, bei der die Verstellung über eine Kugelumlaufspindel bewirkt wird. Die Nuß des Getrie­ bes ist über zwei Rollenlager im Getriebegehäuse gela­ gert, wobei die Außenschalen der Lager in vorgespannten Gummielementen gehalten sind, die die Aufgabe haben, un­ ter hoher Belastung ausgeübte Stöße aufzunehmen, um damit die Kugelumlaufspindel vor Beschädigung zu bewahren. Dies setzt voraus, daß die Gummielemente relativ hoch vorge­ spannt sind, um die hohen Belastungen aufnehmen zu kön­ nen. Außerdem soll mit der Vorspannung erreicht werden, daß das Spiel aus dem Kugelumlaufmechanismus herausgenom­ men wird.

Demgegenüber sollen die Rückstellkräfte der elastisch nachgiebigen Elemente gemäß der Erfindung wie folgt ein­ gestellt werden: Ihr Widerstand soll kleiner sein als die inneren Widerstände der Lenkanlage, so daß beim Betätigen des Motors zunächst das Spiel zwischen Schnecke und Schneckenrad überwunden wird, anschließend die Schnecke verschoben wird, wobei sie sich unter Zusammendrückung eines der elastischen Elemente an den Zähnen des Schnec­ kenrades abstützt und erst wenn der Widerstand so groß wird, daß die inneren Kräfte der Lenkanlage überwunden werden können, eine tatsächliche Kraftunterstützung er­ folgt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Lenkan­ lage verzögert auf das Einschalten des Motors anspricht, wodurch der Regelprozeß positiv beeinflußt wird.

Mit dieser Einstellung wird weiterhin erreicht, daß bei kleinen Lenkeinschlägen, bei denen die Motorunterstützung noch nicht ausgelöst wird, das Schneckenrad die Schnecke lediglich mitnimmt, nicht aber dreht, so daß der Los­ brechwiderstand des Elektromotors nicht überwunden werden braucht. Die Lenkung spricht daher in kleinen Winkelbe­ reichen reibungsfrei an, da der Rotor des Motors nicht mitgedreht wird.

Häufig ist das Schneckenrad unmittelbar mit der An­ triebswelle des Motors gekoppelt, wenn nicht sogar ein­ stückig mit diesem ausgeführt. In diesem Fall muß der Kombination aus Antriebswelle und Schneckenschaft eine ausreichende axiale Bewegung zugemessen werden. Wenn dies nicht möglich ist, wird vorgeschlagen, den Schaft der Schnecke in axialer Richtung verschiebbar auf der An­ triebswelle des Motors zu lagern.

Die Lagerung der Schnecke erfolgt mit mindestens einem Kugel- oder Wälzlager mit einer Innen- und einer Außen­ schale. Zum Anordnen des elastischen Elements wird am Schaft der Schnecke mindestens ein Bund vorgesehen und das Element zwischen der Innenschale und dem Bund ange­ ordnet. Da die Anordnung rotationssymmetrisch ist, bietet es sich an, als elastisches Element einen Gummiring ein­ zusetzen. Um die Wirkung sowohl beim Links- als auch beim Rechtslenken zu erreichen, ist die Schnecke beidseitig gelagert und mit jeweils einem Bund und einer elastischen Abstützung versehen.

Im folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fahr­ zeuglenkanlage und

Fig. 2 einen Stellantrieb im Teilschnitt.

Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. An einem Lenkgetriebe 1 sind über zwei Lenkstangen 2 die beiden Vorderräder 3 eines Fahrzeuges angelenkt. Das Lenkgetrie­ be 1 ist über eine Lenkwelle 4 mit dem Lenkrad 5 des Fahrzeuges verbunden. Ein Drehen des Lenkrades nach links oder rechts führt entsprechend der Übersetzung im Lenkge­ triebe 1 zu einem proportionalen Einschlag der Vorderrä­ der 3. Um den Fahrer beim Aufbringen der Lenkkräfte zu unterstützen, ist die Lenkwelle 4 über ein Getriebe 6 mit einem Elektromotor 7 verbunden, der über eine elektroni­ sche Steuereinheit 8 betätigt wird. Die Motorkräfte wer­ den dabei wie folgt geregelt: Das aufgebrachte Lenkmoment wird mit einem Drehmomentsensor 9 erfaßt, dessen Signale über eine Signalleitung 10 der Elektronik 8 zugeführt werden, die aufgrund eines vorgegebenen Algorithmus den Elektromotor 7 ansteuert. Als Getriebe haben sich Schnec­ kenradgetriebe bewährt, die in dieser Form auch zu ande­ ren Stellaufgaben im Fahrzeug herangezogen werden.

Eine solche Antriebseinheit, bestehend aus dem Elektromo­ tor 7 und dem Schneckenradgetriebe 6, ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Achse 11 des Schneckenrades 12 wird vom einem Teilabschnitt der Lenkwelle 4 gebildet, so daß das Schneckenrad 12 unmittelbar und direkt mit der Lenkwelle 4 gekoppelt ist.

Die Schnecke 13 ist aus einem Schaft 14 herausgearbeitet, der koaxial zur Antriebswelle 15 des Elektromotors 7 an­ geordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Schaft 14 und der Antriebswelle 15 ist drehfest, läßt aber eine Axial­ bewegung des Schafts gegenüber der Welle zu.

Der Schaft 14 ist in zwei Kugellagern 16, 17 zu beiden Seiten der Schnecke 13 gelagert. Die Lager 16, 17 sind im Getriebegehäuse 18 angeordnet, wobei die Außenschale des einen Lagers 17 an einer inneren Stirnwand des Gehäuses 18 und wobei die Außenschale des anderen Lagers 16 an ei­ nem im Gehäuse eingelassenen Gummiring jeweils mit der von der Schnecke 13 abgewandten Seite abgestützt ist.

Der Schaft 14 ist mit radial vorstehenden Absätzen 20, 21 versehen, die im Einbauzustand jeweils zwischen der Schnecke 13 und dem zugehörigen Lager 16, 17 angeordnet sind. Zwischen den Absätzen 20, 21 und den jeweils inne­ ren Schalen der Lager 16, 17 sind Gummiringe 22, 23 ange­ ordnet, die unter einer leichten Vorspannung jeweils zwi­ schen der inneren Schale eines Lagers 16 (bzw. 17) und dem zugehörigen Absatz 20 (bzw. 21) eingespannt sind. Die Schnecke 13 und der Zahnkranz des Schneckenrades 12 grei­ fen mit einem gewissen Spiel ineinander ein.

Die funktionale Bedeutung der Gummiringe 22, 23 ergibt sich aus der Beschreibung der folgenden Situationen:

Bei leichten Lenkeinschlägen, die mit geringen Lenkmomen­ ten verbunden sind, z. B. bei leichten Lenkkorrekturen bei Fahrten auf der Autobahn, spricht die Motorsteuerung noch nicht an, da dabei keine Unterstützung notwendig ist. In diesem Fall wird wegen der leichten Selbsthemmung des Getriebes das Schneckenrad 12 den Schaft 14 je nach Lenkeinschlag nach links oder rechts verschieben, wobei der jeweilige Gummiring 22, 23 zusammengedrückt wird. Dies erzeugt eine definierte Rückstellkraft, hat aber insbesondere die Bedeutung, daß bei diesen leichten Lenk­ einschlägen der Motor noch nicht mitgedreht wird, so daß das Losbrechmoment des Motors nicht überwunden werden muß. Der Fahrer erhält somit in diesen Situationen ein klares Lenkgefühl.

Auf der anderen Seite bewirken die Gummiringe 22, 23, daß bei eingeschaltetem Elektromotor 7, also bei Aufbringung einer Unterstützungskraft, diese nur verzögert auf die Lenkwelle 4 gebracht wird, da zunächst der Schaft unter Zusammendrückung des jeweiligen Gummirings 22, 23 in axialer Richtung verschoben wird. Dieses etwas verspätete Ansprechen hat einen positiven Einfluß auf den Regel­ kreis. Ein zu direktes Ansprechen könnte zu Übersteuerun­ gen führen.

Schließlich haben die Gummiringe 22, 23 die Aufgabe, Stöße, die über die Räder in die Lenkanlage eingeleitet werden, zu dämpfen. Diese Stöße mit hochfrequenter Anre­ gung lassen im Getriebe insbesondere dann, wenn ein Spiel zwischen Schneckenrad 12 und der Schnecke 13, wie in die­ sem Fall bewußt vorgesehen, vorhanden ist, Geräusche ent­ stehen, die als Körperschall übertragen und abgestrahlt werden. Mit den Gummiringen 22, 23 kann dies wirkungsvoll unterbunden werden.

Das in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Spiel des Getriebes zwischen Schnecke und Schneckenrad beträgt etwa 0,5° Drehung der Motorantriebswelle, die von den Gummi­ elementen 22, 23 aufzunehmende Verschiebung des Schaftes 14 entspricht etwa einer Drehung der Motorantriebswelle von 2° bis 3° Wenn man diese Toleranz allein durch das mechanische Spiel zwischen Schnecke und Lenkrad darstel­ len soll, würde dies zu erheblichen Geräuschen bei einer äußeren Anregung führen.

Die dargelegten Wirkungen lassen sich auch dann errei­ chen, wenn die Gummielemente 22, 23 z. B. jeweils zwi­ schen einer Stirnwand des äußeren Lagerrings und dem Ge­ häuse angeordnet wären. Denkbar wäre auch eine elastische Abstützung der Stirnfläche des Schaftes 14 am Boden des Gehäuses und der Antriebswelle 15 am Boden des Motorge­ häuses, wobei dann natürlich eine Einteiligkeit von An­ triebswelle 15 und Schaft gegeben sein muß. Eine mögliche Ausführungsform dazu ist in der EP 0 655 358 A1 darge­ stellt.

Claims (7)

1. Elektromotorischer Stellantrieb für eine Fahrzeug­ lenkanlage mit einem Schneckenradgetriebe (6), be­ stehend aus einer in einem Gehäuse (18) gelagerten Schnecke (13) und einem mit der Lenkwelle (4) gekop­ pelten Schneckenrad (12) sowie mit einem Drehmoment­ sensor (9) zur Erfassung des vom Fahrer aufgebrach­ ten Lenkmoments und einer Steuereinheit (8) , die den Motor (7) in Abhängigkeit vom aufgebrachten Lenkmo­ ment ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiel zwischen dem Schneckenrad (12) und der Schnecke vorgesehen, daß die Schnecke (13) in axia­ ler Richtung verschiebbar gelagert und daß die Schnecke (13) in axialer Richtung über elastisch nachgiebige Elemente (22, 23) am Getriebegehäuse (18) abgestützt ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rückstellkräfte der elastisch nachgie­ bigen Elemente (22, 23) so eingestellt sind, daß ihre Rückstellkräfte kleiner sind als die inneren Kräfte der Lenkanlage, so daß beim Betätigen des Mo­ tors (7) die Schnecke (13) axial unter Zusammendrüc­ kung eines der elastisch nachgiebigen Elemente (22, 23) verschoben wird.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schnecke (13) auf einem Schaft (14) ausgebildet ist, der in oder an der Antriebswelle (15) des Motors (7) in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

4. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Schaftes (14) im Getriebegehäuse (18) mittels minde­ stens eines Kugel- oder Wälzlagers (16, 17) mit ei­ ner Innen- und einer Außenschale erfolgt.

5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schaft (14) mindestens einen radial vorstehenden Absatz (20, 21) aufweist, wobei zwi­ schen der Innenschale des Kugel- oder Wälzlagers (16, 17) und dem Absatz eines der elastisch nachgie­ bigen Elemente (22, 23) eingesetzt ist.

6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastisch nachgiebige Element aus einem Gummiring (22, 23) besteht, der zwischen der Innen­ schale und dem vorspringenden Absatz (20, 21) einge­ spannt ist.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaft (14) der Schnecke (13) zu beiden Seiten der Schnecke (13) ge­ lagert ist, und daß der Schaft (14) an den Innen­ schalen beider Lager (16, 17) über ein elastisch nachgiebiges Element (22, 23) abgestützt ist.