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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, mit einer um eine axial verlaufenden Drehachse drehbaren Schneckenwelle, die an einem Gehäuse über ein um eine Schwenkachse schwenkbares Drehlager gelagert ist, welches mit einer sphärischen Außenfläche in einem stationären Schwenkring aufgenommen ist,
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Moderne Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einer Servolenkung ausgestattet, bei der die Lenkbewegungen des Fahrers fahrzeugseitig unterstützt werden oder ggf. sogar fahrzeugseitig ein gewisses Lenkmoment erzeugt werden kann, das den Fahrer auf eine empfohlene Lenkbewegung hinweist. Neben hydraulischen Servolenkungen kommen vor allen Dingen motorbetriebene Servolenkungen zum Einsatz. Bei letzteren wirkt üblicherweise ein elektrischer Servomotor mit einer Antriebswelle auf eine Schneckenwelle, die ihrerseits mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Das Schneckenrad sitzt auf der eigentlichen Lenkwelle auf, die bspw. über einen Ritzel und eine Zahnstange auf eine Spurstange einwirkt. Ähnliche Systeme mit Servomotor, Schneckenwelle und Schneckenrad kommen bei Kraftfahrzeugen auch in anderen Bereichen, z. B. bei Fensterhebern, zum Einsatz.
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Wenngleich theoretisch unter Idealbedingungen auch bei einer um eine feste Achse rotierenden Schneckenwelle ein optimaler Eingriff mit dem Schneckenrad möglich wäre, ist es in der Praxis so, dass dieser durch fertigungsbedingte oder montagebedingte Ungenauigkeiten, Abnutzungseffekte, Verschmutzung sowie Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Temperatur beeinträchtigt werden kann. D. h., die o.g. Einflüsse können allein oder in Kombination dazu führen, dass der Eingriff zwischen Schneckenwelle und Schneckenrad zu locker und/oder zu eng ist. Auch ein zu enger Eingriff ist problematisch, da er zu einer erhöhten Reibung führt, das Getriebe schwergängig macht und die Abnutzung verstärkt.
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Eine im Stand der Technik bekannte Methode, die dargestellten Probleme zu mindern, besteht darin, die Schneckenwelle auf einer der Antriebswelle zugewandten Seite über ein erstes Wälzlager (normalerweise ein Kugellager) zu lagern, das eine gewisse Schwenkbewegung quer zur axialen Richtung erlaubt, während sie am gegenüberliegenden Ende über einen zweites Wälzlager gelagert ist, das mit einem Getriebegehäuse oder dergleichen über eine Feder verbunden ist, die es in Richtung auf das Schneckenrad beaufschlagt. Somit kann die Schneckenwelle je nach Bedarf um das erste Wälzlager schwenken, um in einem etwa gleichbleibenden Eingriff mit dem Schneckenrad zu bleiben.
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Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die Schwenkbarkeit üblicherweise nur über ein größeres Spiel im Bereich des ersten Wälzlagers möglich ist, was wiederum dazu führt, dass dort Vibrationen und mit diesen verbundene Klappergeräusche entstehen können, die unter NVH-Aspekten unerwünscht sind. Auch wird die Präzision des Getriebes dadurch beeinträchtigt, dass sich im Bereich des ersten Wälzlagers die axiale und radiale Position der Schneckenwelle nicht exakt einstellen lassen. Wird das Spiel im Bereich des Wälzlagers reduziert, führt dies in der Regel zu einer erhöhten Reibung, die die Präzision der Steuerung beeinträchtigt und außerdem zu erhöhtem Verschleiß führen kann. Eine alternative Lösung besteht darin, ein Schwenklager einzusetzen, bei dem das eigentliche Wälzlager eine sphärische Außenfläche aufweist und in einem stationär am Gehäuse befestigten Schwenkring aufgenommen ist, der eine konkave, normalerweise ebenfalls sphärische Innenfläche aufweist. Zwar lässt sich hiermit eine Schwenkbarkeit realisieren, ohne dass das eigentliche Wälzlager unnötiges Spiel haben muss, allerdings ist bedingt durch die Bauart des Schwenklagers die Schwenkachse nicht exakt definiert. Außerdem ist die Steifigkeit des Systems gegenüber axialen Verschiebungen im Allgemeinen gering und lässt sich nicht gezielt einstellen. Hierunter leidet wiederum die Präzision des Getriebes und der Eingriff der Schneckenwelle mit dem Schneckenrad ist nicht optimal. Der Eingriff der Verzahnung unter Last ist in der Regel nicht optimal und durch das entsprechende Getriebespiel entstehen hörbare und unerwünschte Klappergeräusche.
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Die
US 2014/0029884 A1 offenbart eine Lageranordnung für eine Servolenkung. Eine Schneckenwelle, die mit einem Schneckenrad kämmt, ist drehmomentübertragend mit einer Motorwelle verbunden. Die Motorwelle ist über zwei Kugellager an einem Gehäuse gelagert. Auf einer der Schneckenwelle zugewandten Seite ist zwischen dem Gehäuse und dem Kugellager eine ringförmige Wellenfeder angeordnet, die den äußeren Lagerring des Kugellagers von der Schneckenwelle vorspannt. Die Wellenfeder liegt innenseitig an der Motorwelle an und weist eine Mehrzahl von nach außen gerichteten konvexen Vorsprüngen auf, mit denen sie außenseitig am Gehäuse anliegt.
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Die
US 7,575,090 B2 zeigt ein Getriebe für eine Servolenkung, bei dem eine Schneckenwelle mit einem Schneckenrad zusammenwirkt. Die Schneckenwelle ist hierbei jeweils in Endbereichen über Kugellager an einem Gehäuse gelagert. Bei mehreren gezeigten Ausführungsformen ist ein Gewindeabschnitt der Schneckenwelle beiderseits in axialer Richtung über Tellerfedern gegenüber den inneren Lagerringen der jeweiligen Kugellager vorgespannt, so dass beim Zusammenwirken mit dem Schneckenrad auftretende Kräfte elastisch aufgenommen werden können. Die Tellerfedern weisen jeweils nach innen gerichtete, leicht gegenüber der radialen Richtung geneigte Abschnitte auf, an die sich radial verlaufende Anlageabschnitte anschließen, mit denen die Tellerfeder am inneren Lagerring anliegt.
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Die
US 6,179,473 B1 zeigt ein Wälzlager, bspw. für die Lenksäule von Kraftfahrzeugen, mit einem Außenring und einem Innenring, zwischen denen eine Reihe von Wälzkörpern angeordnet sind. Des Weiteren ist ein Ausgleichsring vorgesehen, über den der Innenring mit der Lenkspindel der Lenksäule verbunden ist, sowie eine Sicherungsscheibe, die einerseits an der Lenkspindel angreift und andererseits das Wälzlager über den Ausgleichsring in axialer Richtung beaufschlagt. Optional kann zwischen der Sicherungsscheibe und dem Ausgleichsring eine Wellenfeder zwischengeordnet sein oder die Sicherungsscheibe kann ihrerseits in Richtung des Ausgleichrings weisende elastische Strukturen aufweisen.
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Die
US 8,539,849 B2 zeigt ein Getriebe für eine Servolenkung mit einem Schneckenrad und einer Schneckenwelle. Die Schneckenwelle ist an einem, einer Motorwelle zugewandten Ende über ein Schwenklager gelagert, bei dem ein äußerer Lagerring eine sphärische konvexe Außenfläche aufweist, die in einer entsprechenden konkaven Innenfläche eines Schwenkrings aufgenommen ist. An einem gegenüberliegenden Ende ist die Schneckenwelle über ein gewöhnliches Kugellager, das als kraftbeaufschlagtes Loslager ausgebildet ist, in Richtung auf die Schneckenwelle vorgespannt. Um ein axiales Spiel innerhalb des Schwenklagers zu reduzieren, ist auf einer der Motorwelle zugewandten Seite zwischen dem Schwenklager und dem Getriebegehäuse ein ringförmiges Federelement vorgesehen, dass eine radial nach innen gerichtete und axial vorstehende Nase aufweist, über die eine axiale Vorspannung auf den äußeren Lagerring ausgeübt wird.
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Die
US 8,667,858 B2 zeigt ein Lenkgetriebe, bei dem ein Motor über eine Schneckenwelle auf ein Schneckenrad wirkt. Die Schneckenwelle ist an einem motorfernen Ende über ein Loslager gelagert und an einem motornahen Ende über ein Kugellager, das in einer Halterung aufgenommen ist, die ihrerseits am Getriebegehäuse befestigt ist. Um eine Schwenkbewegung der Schneckenwelle und des hierauf aufsitzenden Kugellagers zu ermöglichen, weist die Halterung einen Aufnahmeabschnitt auf, der das Kugellager umgreift und der über stegförmige Abschnitte elastisch mit einem radial außenseitig liegenden Verbindungsabschnitt verbunden ist. Es sind hierbei zwei stegförmige Abschnitte in Richtung der vorgesehenen Schwenkachse einander gegenüberliegend angeordnet.
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In der
US 2014/0083794 A1 ist eine Servolenkung offenbart, bei der ebenfalls eine Motorwelle mit einer Schneckenwelle gekoppelt ist. Die Schneckenwelle, die mit einem Schneckenrad zusammenwirkt, ist an einem der Motorwelle zugewandten Ende über ein Schwenklager gelagert, dessen äußerer Lagerring eine sphärische Außenkontur aufweist, die in einem ringförmigen Aufnahmeelement gelagert ist. Am gegenüberliegenden, motorfernen Ende ist die Schneckenwelle über ein gewöhnliches Kugellager gelagert, das seinerseits in einer becherartigen Aufnahme aufgenommen ist, die wiederum über einen umlaufenden Gummiring am Gehäuse abgestützt ist. Gleichzeitig ist diese Aufnahme über ein entsprechendes Federelement derart beaufschlagt, dass die Schneckenwelle in Richtung auf das Schneckenrad vorgespannt ist.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet eine Getriebeeinheit mit einem Schneckengetriebe noch Raum für Verbesserungen. Dies gilt insbesondere für den Eingriff zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad im Hinblick auf die Präzision, den Verschleiß sowie die Geräuschentwicklung des Getriebes. Auch besteht ein Bedarf, das Getriebespiel zu minimieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eingriff zwischen einer Schneckenwelle und einem Schneckenrad zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Getriebeeinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen insbesondere Pkw und Lkw infrage. Namentlich kann es sich um eine Getriebeeinheit für eine Servolenkung handeln, wenngleich auch andere Anwendungen, bspw. für Fensterheber, elektrische Sitzverstellung oder anderes infrage kommen.
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Die Getriebeeinheit weist eine um eine axial verlaufende Drehachse drehbare Schneckenwelle auf. Durch die axiale Richtung der Drehachse ist die jeweils im Folgenden genannte radiale und tangentiale Richtung definiert. Die Schneckenwelle ist normalerweise dazu vorgesehen, direkt oder indirekt an eine Antriebswelle eines Servomotors gekoppelt zu sein, zu der sie in etwa koaxial verläuft. Hierbei kann eine Kupplung oder Kupplungsanordnung ein Drehmoment von der Antriebswelle auf die Schneckenwelle übertragen. Die Schneckenwelle wiederum wirkt im Betriebszustand mit einem Schneckenrad zusammen, das ebenfalls als Teil der Getriebeeinheit angesehen werden kann. Hierbei wird normalerweise eine Untersetzung der Drehbewegung der Antriebswelle erreicht.
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Die Schneckenwelle ist dabei an einem Gehäuse gelagert, und zwar über ein um eine Schwenkachse schwenkbares Drehlager, welches mit einer sphärischen Außenfläche in einem stationären Schwenkring aufgenommen ist. Das Gehäuse bildet einen normalerweise gegenüber dem Fahrzeug stationären Bezugsrahmen, über den die Relativpositionen der beweglichen Getriebeteile wenigstens teilweise definiert sind. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Es kann mehr oder weniger offen ausgestaltet sein, in welchem Fall man es auch als "Rahmen" oder dergleichen bezeichnen könnte. Es ist auch möglich, dass die hier genannten Getriebekomponenten, ggf. zusammen mit weiteren Getriebekomponenten, größtenteils vom Gehäuse umschlossen sind. Die Drehbarkeit der Schneckenwelle ist selbstverständlich gegenüber dem Gehäuse gegeben und wird über das schwenkbare Drehlager realisiert.
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Das schwenkbare Drehlager weist eine sphärische Außenfläche auf, mit der es in einem stationären Schwenkring angeordnet ist. Während die sphärische, also kugelabschnittartige Außenfläche konvex geformt ist, weist der Schwenkring eine Innenfläche auf, die ebenfalls sphärisch, allerdings konkav ausgebildet ist. Zwischen der Innenfläche und der Außenfläche kann ein gewisses Spiel vorhanden sein. Der Schwenkring selbst ist hierbei stationär, das heißt er ist bezüglich des Gehäuses positionsfest angeordnet. Alternativ kann er auch als Teil eines mehrteiligen Gehäuses aufgefasst werden. Es sind prinzipiell auch Bauformen denkbar, bei denen der Schwenkring einstückig mit einem größeren Bauteil ausgebildet ist und insofern hauptsächlich über seine ringartige Innenfläche definiert ist. Indem die Außenfläche des Drehlagers an der Innenfläche des Schwenkrings vorbei gleitet, ist das Drehlager gegenüber dem Schwenkring schwenkbar. Die Schwenkachse verläuft hierbei durch den Mittelpunkt der (virtuellen) Kugel, die der sphärischen Außenfläche entspricht. Die Schwenkachse kann insbesondere senkrecht zur Drehachse verlaufen. Normalerweise schneidet sie die Drehachse, sie kann aber ggf. auch zu dieser versetzt sein.
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Normalerweise ist das schwenkbare Drehlager einerseits des Schneckenrades angeordnet, während die Schneckenwelle andererseits durch ein loses Drehlager gelagert ist, das derart beaufschlagbar ist, dass die Schneckenwelle gegen das Schneckenrad vorgespannt ist. Die Beaufschlagung kann über ein geeignetes elastisches Vorspannelement erfolgen, das zwischen dem Gehäuse und dem losen Drehlager angeordnet ist. Durch die Vorspannung des Drehlagers ist eine Vorspannung der Schneckenwelle in Richtung auf das Schneckenrad hin gegeben. Die entsprechende Vorspannung wirkt darauf hin, dass die Schneckenwelle in Eingriff mit dem Schneckenrad verbleibt, wobei ein entsprechendes Vorspannelement aufgrund seiner elastischen Eigenschaft gleichzeitig ein gewisses Ausweichen der Schneckenwelle ermöglichen kann, wodurch die Reibungskräfte zwischen Schneckenwelle und Schneckenrad begrenzt werden können. Bei den Drehlagern handelt es sich üblicherweise um Wälzlager, insbesondere Kugellager. Ggf. könnte aber auch ein Drehlager als Gleitlager ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß weist die Getriebeeinheit ein tangential wenigstens teilweise um die Drehachse herum verlaufendes Federelement auf, das sich in axialer Richtung einerseits am Gehäuse und andererseits mit zwei einander in Richtung der Schwenkachse gegenüberliegenden, axial vorspringenden Anlageabschnitten am Drehlager abstützt. Das Federelement, das insgesamt als ringartig oder zumindest ringabschnittartig bezeichnet werden kann, ist wenigstens teilweise umlaufend um die Drehachse angeordnet. Wie der Begriff "Federelement" impliziert, handelt es sich um einen wenigstens teilweise elastisches Element. Das Federelement stützt sich in axialer Richtung einerseits am Gehäuse ab, was die Möglichkeit einschließt, dass die Abstützung indirekt über ein zwischengeschaltetes Bauteil gegeben ist. Die Abstützung ist in axialer Richtung gegeben, was bedeutet, dass zumindest in dieser Richtung Kräfte übertragen werden können. Daneben kann selbstverständlich auch eine Abstützung in radialer Richtung und/oder in tangentialer Richtung gegeben sein.
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Andererseits stützt sich das Federelement in axialer Richtung mit den Anlageabschnitten am Drehlager ab. Diese Anlageabschnitte springen in axialer Richtung vor, d. h. man könnte sie auch als Vorsprünge bezeichnen. Falls es sich bei dem Drehlager um ein Wälzlager mit einem äußeren und einen inneren Lagerring handelt, stützt sich das Federelement mit den Anlageabschnitten am äußeren Lagerring ab. Insgesamt ist jedenfalls ein Kraftfluss vom Gehäuse über das Federelement mit den Anlageabschnitten zum Drehlager gegeben. Die Anlageabschnitte liegen einander in Richtung der Schwenkachse gegenüber, womit sie einen in Richtung der Schwenkachse verlaufenden Anlagebereich zwischen dem Federelement und dem Drehlager bilden. Bevorzugt ist jeder Anlageabschnitt auf einen relativ engen Winkelbereich um die Drehachse herum beschränkt, bspw. höchstens 20° oder höchstens 10°.
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Dadurch, dass sich das insgesamt elastische Federelement lokal in diesem Bereich am Drehlager abstützt, ist zum einen eine axiale Vorspannung des Drehlagers gegeben, die die axiale Elastizität bzw. Steifigkeit des Systems einstellt, zum anderen wird das Schwenklager im Bereich der Anlageabschnitte relativ stark fixiert, während es sich in anderen Bereichen leichter bewegen kann. Dies führt dazu, dass die Anlageabschnitte letztendlich die Schwenkachse definieren. Anders ausgedrückt, ein Schwenken um eine Achse, die deutlich gegenüber der Verbindungslinie der Anlageabschnitte versetzt ist, ist kaum noch möglich. Die tatsächliche Schwenkachse kann allerdings aufgrund der axialen Ausdehnung des Drehlagers etwas von der Position der Anlageabschnitte abweichen. Während zumindest die Anlageabschnitte axial bezüglich des Drehlagers angeordnet sein müssen, sind Ausgestaltungen denkbar, bei denen andere Teile des Federelements nicht axial, sondern bspw. radial außenseitig bezüglich des Drehlagers angeordnet sind.
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Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass sich auf einer dem beschriebenen Federelement axial gegenüberliegenden Seite das Drehlager über eine gewöhnliche Tellerfeder am Gehäuse abstützt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich zwei Federelemente auf axial gegenüberliegenden Seiten des Drehlagers an diesem abstützen. Die Einstellung der axialen Steifigkeit sowie die Definition der Schwenkachse lassen sich hierdurch deutlich verbessern. Hierbei stützt sich jedes Federelement in der oben beschriebenen Weise einerseits am Gehäuse und andererseits mit zwei Anlageabschnitten am Drehlager ab. Die Richtung der durch die Anlageabschnitte des einen sowie des anderen Federelements auf das Drehlager ausgeübten Kraft ist hierbei selbstverständlich entgegengesetzt. Zumindest die Anlageabschnitte der beiden Federelemente sind auf entlang der axialen Richtung entgegengesetzten Seiten des Drehlagers angeordnet. Um die Fertigung zu vereinfachen, können die beiden Federelemente identisch ausgebildet sein und werden spiegelsymmetrisch zueinander in die Getriebeeinheit eingebaut, so dass die Anlageabschnitte der beiden Federelemente von gegenüberliegenden Seiten am Drehlager anliegen.
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Bevorzugt ist wenigstens ein Federelement als Blechformteil ausgebildet. Das Blechformteil kann insbesondere aus Federstahl ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Federelement ggf. mit wenigen Umform- und/oder Trennschritten aus einer Blechplatine hergestellt werden. Die Herstellung bietet sich insbesondere an, da das Federelement überwiegend eben ausgebildet sein kann. Alternativ zu einer Herstellung als Blechformteil wäre allerdings auch denkbar, ein von der Form her ähnliches Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff oder Federstahldraht einzusetzen.
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Bevorzugt weist wenigstens ein Federelement einen quer zur axialen Richtung verlaufenden, tangential wenigstens teilweise um die Drehachse herum verlaufenden Ringabschnitt auf. Der Ringabschnitt verläuft in einer Ebene, die quer zur axialen Richtung verläuft, die also durch die radiale und die tangentiale Richtung aufgespannt wird. Er kann bevorzugt als geschlossener Ring tangential vollständig um die Drehachse herum verlaufen, also vollständig umlaufend ausgebildet sein, es ist aber auch denkbar, den Ringabschnitt nicht-geschlossen auszugestalten. Der Ringabschnitt kann insbesondere konzentrisch bezüglich der Drehachse sein. Insbesondere kann sich das Federelement mit dem Ringabschnitt am Gehäuse abstützen. Gemäß einer Ausgestaltung stützt sich das Federelement in axialer Richtung einerseits am Gehäuse und andererseits am Schwenkring ab. Man könnte auch sagen, dass der Ringabschnitt zwischen dem Gehäuse und dem Schwenkring formschlüssig aufgenommen ist.
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Vorteilhaft erstrecken sich die Anlageabschnitte vom Ringabschnitt radial nach innen. Hierbei ist der Ringabschnitt bevorzugt radial außerhalb des Drehlagers angeordnet. Man könnte auch sagen, dass der Ringabschnitt hierbei außerhalb eines Schwenkbereichs des Drehlagers angeordnet ist. Somit wird vermieden, dass der Ringabschnitt die Schwenkbewegung des Drehlagers behindert oder in irgendeiner Weise beeinflusst. Die Anlageabschnitte hingegen müssen mit dem Drehlager zur Anlage kommen und erstrecken sich daher radial nach innen, also in den Bereich, in dem das Drehlager angeordnet ist. Im Falle einer Ausgestaltung aus Blech können die Anlageabschnitte an nach innen gerichteten Zungen oder Nasen ausgebildet sein, die vom Ringabschnitt ausgehen.
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Insbesondere können die Anlageabschnitte durch Wölbungen eines Blechs gebildet sein. Derartige Wölbungen können durch eine einfache Umformung eines Blechs, bspw. durch Pressen, Prägen oder Tiefziehen, erzeugt werden, wobei sich die Materialstärke nur unwesentlich ändert. D. h. auf einer dem Schwenklager zugewandten Seite ist eine Vorwölbung ausgebildet, während auf der vom Schwenklager abgewandten Seite eine entsprechende Vertiefung ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist wenigstens ein Federelement wenigstens ein radial außenseitig angeordnetes, in tangentialer Richtung begrenztes Positionierungselement zur drehfesten Positionierung am Gehäuse auf. Durch ein derartiges Positionierungselement, das sich tangential auf einen bestimmten Winkelbereich beschränkt, ist das Federelement außenseitig nicht rotationssymmetrisch. Somit kann über einen Formschluss mit einer hierzu passenden, bspw. komplementären Struktur auf Seiten des Gehäuses ein Formschluss in tangentialer Richtung hergestellt werden, der ein Verdrehen gegenüber dem Gehäuse verhindert. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Position der Anlageabschnitte relativ zum Gehäuse unverändert bleibt, womit sich auch die Schwenkachse nicht verändern kann.
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Die Positionierungselemente können in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein. Bspw. kann es sich hierbei um wenigstens einen Einschnitt bzw. eine Ausnehmung handeln, in die ein gehäuseseitig vorhandener Vorsprung oder dergleichen eingreift. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist als Positionierungselement wenigstens eine radial nach außen gerichtete Positionierungsnase ausgebildet. Eine solche Positionierungsnase kann sich von einem oben beschriebenen Ringabschnitt nach außen erstrecken. Insbesondere können auch zwei Positionierungsnasen vorhanden sein, die einander gegenüber liegen. Ein Vorteil einer solchen nach außen gerichteten Positionierungsnase gegenüber bspw. einem Einschnitt ist, dass die Struktur des Federelements, bspw. des Ringabschnitt, hierdurch nicht geschwächt wird, was sich unter Umständen vorteilhaft auf die Federeigenschaften auswirken kann.
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Während durch die erfindungsgemäßen Anlageabschnitte einerseits die Schwenkachse definiert werden kann und andererseits die Steifigkeit des Systems in axialer Richtung beeinflusst werden kann, ist es zusätzlich möglich, eine Steifigkeit bzw. Elastizität gegenüber Schwenkbewegungen zu beeinflussen. Um dies zu erreichen, weist gemäß einer Ausgestaltung wenigstens ein Federelement auf unterschiedlichen Seiten der Schwenkachse angeordnete elastische Federabschnitte auf, die sich vom Ringabschnitt radial nach innen erstrecken. Durch diese Federabschnitte lässt sich bei einer Schwenkbewegung eine rückstellende Kraft bzw. ein rückstellendes Drehmoment auf das Drehlager ausüben. Die Federabschnitte können bspw. einstückig aus dem gleichen Blechteil wie der Ringabschnitt gebildet sein. Gemäß einer Ausgestaltung ragen die Federabschnitte axial gegenüber dem Ringabschnitt vor, so dass sie ständig am Drehlager anliegen und ggf. gegen dieses vorgespannt sind. Alternativ könnte aber auch ein gewisser axialer Abstand zwischen den Federabschnitten und dem Drehlager bestehen, so dass dieses erst bei einer gewissen Auslenkung mit den Federabschnitten zur Anlage kommt. Um eine rückstellende Wirkung unabhängig von der Schwenkrichtung zu erzielen, sind die Federabschnitte auf unterschiedlichen Seiten der Schwenkachse angeordnet. Es können bspw. genau zwei Federabschnitte vorhanden sein, die einander gegenüber liegen und somit um 180° entlang des Ringabschnitts versetzt sind. Die Federabschnitte können jeweils um 90° zu den Anlageabschnitten versetzt sein. Es sind allerdings auch mehr als zwei Federabschnitte denkbar. Insbesondere muss die Anordnung der Federabschnitte nicht symmetrisch bezüglich der Schwenkachse sein. Es ist sogar denkbar, dass über eine asymmetrische Anordnung gezielt eine unterschiedliche Elastizität je nach Schwenkrichtung eingestellt wird.
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Die Elastizität der einzelnen Federabschnitte lässt sich durch unterschiedliche Parameter beeinflussen, bspw. deren Material, deren Dicke oder deren tangentiale Ausdehnung. Gemäß einer Ausgestaltung weist der Ringabschnitt angrenzend an einen Federabschnitt wenigstens einen sich radial nach außen erstreckenden Einschnitt auf. Durch einen derartigen Einschnitt wird gewissermaßen die radiale Länge des Federabschnitts vergrößert, ohne dass er sich weiter radial nach innen erstreckt. Insbesondere können beiderseits angrenzend an den Federabschnitt derartige Einschnitte vorhanden sein. Besonders vorteilhaft kann auf einer dem wenigstens einen Einschnitt gegenüberliegenden Seite des Ringabschnitts eine oben beschriebene Positionierungsnase angeordnet sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass die lokale Schwächung des Ringabschnitts durch den wenigstens einen Einschnitt teilweise über eine Verstärkung durch die Positionierungsnase kompensiert wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung einer Getriebeeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Ansicht der Getriebeeinheit aus 1 entsprechend der Richtung II;
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3 eine schematisierte Darstellung eines Federelements der Getriebeeinheit aus 1; sowie
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4 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie IV-IV in 3 einschließlich eines äußeren Lagerrings eines Kugellagers.
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1 und 2 zeigen jeweils in einer teilweisen Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die bspw. in einer Servolenkung eines Pkws eingesetzt werden kann. Die Darstellung ist teilweise vereinfacht und schematisiert.
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Die Getriebeeinheit 1 weist eine um eine Drehachse D drehbar gelagerte Schneckenwelle 2 sowie ein Schneckenrad 3 auf, das ebenso wie die Schneckenwelle 2 gegenüber einem Gehäuse 30 drehbar gelagert ist. Der Verlauf der Drehachse D entspricht dabei einer axialen Richtung. Wenngleich das Gehäuse 30 hier einteilig dargestellt ist, kann es in der Realität aus mehreren Teilen bestehen, die starr miteinander verbunden sind. Eine Schnecke 2.3 der Schneckenwelle wirkt hierbei mit einem Zahnkranz 3.1 des Schneckenrades 3 zusammen. Die Schneckenwelle 3 ist an einem ersten Ende 2.1 über eine hier nur schematisch dargestellte Kupplung 32 mit einer Antriebswelle 31 eines nicht dargestellten Servomotors verbunden.
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Weiterhin ist die Schneckenwelle 2 im Bereich des ersten Endes 2.1 über ein erstes Kugellager 5 sowie einen Schwenkring 4 am Gehäuse 30 gelagert. Der Schwenkring 4 ist dabei stationär am Gehäuse 30 angeordnet. Das erste Kugellager 5 umfasst einen inneren Lagerring 6 sowie einen äußeren Lagerring 7. Beide Lagerringe 6, 7 sind konzentrisch zur Drehachse D ausgebildet. Der äußere Lagerring 7 weist eine konvexe, sphärische Außenfläche 7.1 auf, die in einer konkaven, ebenfalls sphärischen Innenfläche 4.1 des Schwenkrings 4 aufgenommen ist. Das erste Kugellager 5 kann somit um seinen Mittelpunkt innerhalb des Schwenkrings 4 geschwenkt werden. Insbesondere ist eine Schwenkbarkeit um ein Schwenkachse S möglich, die die Drehachse D schneidet und senkrecht zu dieser verläuft.
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An einem dem ersten Ende 2.1 gegenüberliegenden zweiten Ende 2.2 ist die Schneckenwelle in einem zweiten Kugellager 11 gelagert, das über eine hier schematisch dargestellte Feder 33 mit einem Gehäuse 30 verbunden ist. Durch die Feder 33 ist die Schneckenwelle 2 gegen das Schneckenrad 3 vorgespannt. Hierdurch wird im Zusammenspiel mit der schwenkbaren Lagerung der Schneckenwelle 2 dafür gesorgt, dass stets ein optimaler Eingriff zwischen der Schneckenwelle 2 und dem Schneckenrad 3 besteht.
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Axial beiderseits des Schwenkrings 4 sind zwei kreisringartige Federelemente 8, 9 angeordnet, von denen eines in 3 zusammen mit dem ersten Kugellager 5 isoliert dargestellt ist. Beide Federelemente 8, 9 sind aus Federstahlblech gebildet und können beispielsweise durch Ausstanzen und Prägen aus einer Platine hergestellt werden. Sie sind jeweils axial zwischen dem Gehäuse 30 und dem Schwenkring 4 aufgenommen, so dass in dieser Richtung ein Formschluss besteht. Insbesondere stützt sich jedes Federelement 8, 9 axial in vom Schwenkring 4 abgewandter Richtung am Gehäuse 30 ab. Wie in 2, 3 und 4 erkennbar ist, weist jedes Federelement 8, 9 zwei Anlageabschnitte 8.2, 9.2 auf, mit denen es sich axial am äußeren Lagerring 7 abstützt.
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Wie in 3 gezeigt, die isoliert ein Federelement 8 darstellt, ragen die Anlageabschnitte 8.2 radial nach innen von einem Ringabschnitt 8.1, 9.1 ab, der innerhalb einer zur Drehachse D senkrechten Ebene verläuft. Wie in 2 sowie in der Schnittdarstellung in 4 (die zusätzlich zum Federelement 8 auch schematisiert den äußeren Lagerring 7 zeigt) erkennbar, sind die Anlageabschnitte 8.2, 9.2 hierbei durch Wölbungen des Federstahlblechs gebildet, die axial gegenüber dem Ringabschnitt 8.1, 9.1 vorstehen. Sie sind in Richtung der Schwenkachse S einander gegenüberliegend angeordnet. Durch sie wird der äußere Lagerring 7 jeweils lokal beaufschlagt und gewissermaßen vorgespannt, was zweierlei Effekte hat. Zum einen ist hierdurch die Steifigkeit des ersten Kugellagers 5 gegenüber Verschiebungen in axialer Richtung verstärkt und besser definiert, wobei die Steifigkeit gegenüber Schwenkbewegungen im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Zum anderen ist hierdurch die Schwenkachse S klar definiert. Der Ringabschnitt 8.1, 9.1 selbst ist dabei außerhalb des Schwenkradius' des Kugellagers 5 angeordnet.
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Um die Steifigkeit bzw. Elastizität gegenüber Schwenkbewegungen um die Schwenkachse S einzustellen, sind zwei Federabschnitte 8.3, 9.3 vorgesehen, die entlang des Ringabschnitts 8.1, 9.1 um 90° gegenüber den Anlageabschnitten 8.2, 9.2 versetzt sind. Sie sind somit symmetrisch beiderseits der Schwenkachse S angeordnet. Die Federabschnitte 8.3, 9.3 ragen gegenüber dem Ringabschnitt 8.1 radial nach innen vor, wobei sie, wie in 1 erkennbar, leicht in axialer Richtung auf den äußeren Lagerring 7 hin geneigt sind. Die Federabschnitte 8.3, 9.3 liegen hierbei am äußeren Lagerring 7 an und können gegen diesen vorgespannt sein. In jedem Fall führt eine Schwenkbewegung des ersten Kugellagers 5 zu einem rückstellenden Drehmoment bzw. einer rückstellenden Kraft, die von einer Auslenkung jeweils zweier der insgesamt vier Federabschnitte 8.3, 9.3 herrührt.
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Um die Elastizität der Federabschnitte 8.3, 9.3 zu erhöhen, sind beiderseits angrenzend jeweils Einschnitte 8.4 vorgesehen, die sich radial nach außen in den Ringabschnitt 8.1, 9.1 erstrecken. Optional können die Einschnitte 8.4 allerdings auch entfallen. Auf einer Außenseite des Ringabschnitts 8.1, 9.1, den Einschnitten 8.4 gegenüberliegend, ist jeweils eine Positionierungsnase 8.5, 9.5 ausgebildet, die radial nach außen vom Ringabschnitt 8.1, 9.1 absteht. Zum einen wird durch das zusätzliche Material der Positionierungsnase 8.5, 9.5 das im Bereich der Einschnitte 8.4 fehlende Material teilweise kompensiert, wodurch die Struktur des Federelements 8, 9 in diesem Bereich stabilisiert wird. Jede Positionierungsnase 8.5, 9.5 ist dabei in einer komplementären Aussparung des Gehäuses 30 aufgenommen. Durch den hierdurch entstehenden Formschluss ist jedes Federelement 8, 9 drehfest zum Gehäuse positioniert, wodurch auch die Position der Schwenkachse S gesichert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeeinheit
- 2
- Schneckenwelle
- 2.1
- erstes Ende
- 2.2
- zweites Ende
- 2.3
- Schnecke
- 3
- Schneckenrad
- 3.1
- Zahnkranz
- 4
- Schwenkring
- 4.1
- Innenfläche
- 5, 11
- Kugellager
- 6
- innerer Lagerring
- 7
- äußerer Lagerring
- 7.1
- Außenfläche
- 8, 9
- Federelement
- 8.1, 9.1
- Ringabschnitt
- 8.2, 9.2
- Anlageabschnitt
- 8.3, 9.3
- Federabschnitt
- 8.4
- Einschnitt
- 8.5
- Positionierungsnase
- 30
- Gehäuse
- 31
- Antriebswelle
- 32
- Kupplung
- D
- Drehachse
- S
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0029884 A1 [0006]
- US 7575090 B2 [0007]
- US 6179473 B1 [0008]
- US 8539849 B2 [0009]
- US 8667858 B2 [0010]
- US 2014/0083794 A1 [0011]
