DE29712051U1

DE29712051U1 - Servolenkvorrichtung

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Publication number: DE29712051U1
Application number: DE29712051U
Authority: DE
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 1996-07-13
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2007-07-10
Also published as: WO1998002343A1

Description

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D-4t5 47 DÜSSELDORF

PATENTANWÄLTE ■

DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

DIPL.-ING. HEINZ J. RING

DIPL.-ING. ULRICH CHRISTOPHERSEN

Unser Zeichen: 97 0667 DIPL.-ING. MICHAEL RAUSCH

DIPL.-ING. WOLFGANG BRINGMANN

PATENTANWÄLTE

TRW Fahrwerksysteme GmbH & Co. KG european patent attorneys

Hansa-Allee 190
40547 Düsseldorf

Datum 08. JUÜ 1997

Servolenkvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Servolenkvorrichtung mit einer Eingangswelle, einer mit dieser über ein Torsionselement verbundenen Ausgangswelle, einem Drehmomentsensor, einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe mit einem auf der Ausgangswelle angeordneten, mit anderen Zahnrädern des Untersetzungsgetriebes in Verbindung stehenden Zahnrad.

Sogenannte elektrische Servolenkungvorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind an sich bekannt. Die Eingangswelie steht mit einem Lenkrad in Verbindung, so daß die durch Drehung des Lenkrades auftretenden Drehmomente mittels des Torsionselementes auf die Ausgangswelle übertragen werden. Die Ausgangswelle steht über ein Ritzel mit einem an sich bekannten Lenkgetriebe in Verbindung. Die Drehmomente werden mittels eines Drehmomentsensors erfaßt und zur Steuerung eines Elektromotors verwendet. Der Elektromotor ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der Ausgangswelle verbunden. Somit wird bei auftretendem Drehmoment durch den Elektromotor eine Lenkkraftunterstützung erzeugt.

Derartige Servolenkvorrichtungen weisen oft ein Schneckengetriebe zwischen dem Elektromotor und der Ausgangswelle auf. Daneben sind jedoch auch andere Ausführungen des Untersetzungsgetriebes bekannt, die prinzipbedingt einen höheren Getriebewirkungsgrad als ein Schneckengetriebe ermöglichen. Alternative Ausführungen sind beispielsweise beschrieben in US-PS 4865145, US-PS 5145021, US-PS 5133423 sowie US-PS 4621701. Bei den vorbekannten Servolenkvorrichtungen wird als Untersetzungsgetriebe zwischen dem Ritzel des Elektromotors und dem Zahnrad auf der

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Ausgangswelle entweder ein sogenanntes Planetengetriebe mit koaxialer Antriebs- und Abtriebswelle verwendet (z. B. US-PS 4865145) oder ein Paraüelachsengetriebe mit einer oder mehreren Zwischenwellen (z. B. US-PS 4621701).

Dies bedeutet, daß bei Verwendung eines Pianetengetriebes die Achse des Elektromotors und die Achse der Ausgangswelle stets in einer Ebene liegen. Dadurch ist der Spielraum für die Positionierung des Elektromotors relativ zu dem Lenkgetriebe stark eingeschränkt. Außerdem erfordert die Herstellung eines spielarmen Untersetzungsgetriebes mit koaxialer Antriebs- und Abtriebswelle eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit, die mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist. Eine wünschenswerte Einstellbarkeit des Getriebespiels ist bei Getrieben dieser Bauart nur mit unverhältnismäßig hohem konstruktivem Aufwand zu realisieren und für eine Massenfertigung untauglich. Der Einstellbarkeit des Getriebespiels während des Fertigungsprozesses kommt aber bei den genannten Servolenkvorrichtungen große Bedeutung zu, da der Elektromotor ständig reversiert und die wechselnde Richtung des Motormoments bei zu großem Getriebespiel störende Klopfgeräusche hervorruft wogegen bei zu kleinem Getriebespiel die Gefahr besteht, daß die Lenkbewegung durch hohe Reibkräfte in dem Untersetzungsgetriebe gestört wird.

Bei beiden Bauarten besteht darüber hinaus in der Herstellung ein Zielkonflikt bei den Fertigungstoleranzen, die das Getriebespiel bestimmen. Der Elektromotor reversiert entsprechend den Lenkbewegungen ständig und die wechselnde Richtung des Motormoments ruft bei zu großem Getriebespie! daher störende Klopfgeräusche hervor. Bei zu kleinem Getriebespiel besteht dagegen die Gefahr, daß die Lenkbewegung durch zu hohe Reibkräfte in dem Untersetzungsgetriebe gestört wird.

Die Lösung dieses Zielkonflikts erfordert eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit, die mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist. Einer Einsteilbarkeit des Getriebespiels während des Fertigungsprozesses kommt daher bei der Massenfertigung der genannten Servolenkvorrichtung eine große Bedeutung zu.

Ein weiterer Zielkonflikt besteht bei der Auslegung einer solchen elektrischen Servolenkung in der Auswahl der Getriebeübersetzung des Untersetzungstriebes. Eine hohe Getriebeübersetzung ermöglicht es zwar, auch bei Verwendung eines gewöhnlichen 12 Volt Gleichstrommotors eine hohe Lenkkraftunterstützung zu erzeugen, führt aber dazu, daß das Trägheitsmoment des Lenksystems sehr groß wird, weil das reduzierte Rotorträgheitsmoment des Elektromotors bekanntlich mit dem Quadrat der Getriebeübersetzung in das gesamte Trägheitsmoment des Lenksystems eingeht. Ein hohes Trägheitsmoment des Lenksystems beeinträchtigt einerseits das Lenkgefühl und kann aufgrund der höheren Neigung des Lenksystems zu Pendelschwingungen bei hoher Fahrgeschwindigkeit zu einer Instabilität des Fahrzeugs führen. Die vorbekannten elektrischen Servolenkungen sind daher nur für Fahrzeuge mit relativ kleinen Vorderachslasten und dementsprechend geringen Anforderungen an das Unterstützungsmoment geeignet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkvorrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß mehr Freiheitsgrade für die Positionierung des Elektromotors relativ zu dem Lenkgetriebe zu Verfügung stehen, das Getriebespiel in dem Untersetzungsgetriebe einstellbar ist, die Vorrichtung kostengünstig herstellbar ist und im Betrieb störunanfällig ist.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das Untersetzungsgetriebe wenigstens einen Kegelradsatz und wenigstens einen Stirnradsatz umfaßt.

Durch diese technische Ausgestaltung ist es möglich, das Getriebespie! beider Radsätze während des Fertigungsprozesses unabhängig voneinander einzustellen und damit die üblichen Fertigungstoleranzen zwischen den einzelnen Lagerstellen des Untersetzungsgetriebes auszugleichen.

Die Einstellbarkeit des Getriebespiels ergibt sich bei dem Kegelradsatz beispielsweise dadurch, daß die axiale Position der Kegelräder auf ihren Wellen durch Distanzscheiben justiert wird.

Eine besonders vorteilhafte Lösung der Erfindung zur Einstellung des Getriebespiels bei dem Stirnradsatz ergibt sich durch eine exzentrische Anordnung der WeMe des Elektromotors relativ zum Getriebeflansch.

Durch diese technische Ausgestaltung ist es möglich, die Achse des Elektromotors in einer Ebene anzuordnen, die zu der Ebene der Ausgangswelle maximal um den Achsabstand des Parallelachsengetriebes parallelverschoben ist. Erst durch diese Maßnahme wird in vielen Fällen eine Unterbringung des gesamten Systems im Fahrzeug überhaupt möglich, ohne den Bauraum anderer im Bereich der Lenkanlage angeordneter Baugruppen des Fahrzeugs zu beanspruchen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Lenksystem mit geringerem wirtschaftlichen Aufwand herstellbar und montierbar als die vorbekannten Systeme dieser Art.

Die leichte Einstellbarkeit des Getriebespiels ergibt sich bei dem Parallelachsengetriebe dadurch, daß die parallelen Achsen derart im Gehäuse gelagert werden, daß ihr radialer Abstand in gewissen Grenzen verändert werden kann.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung wird ein Elektromotor ohne Permanentmagnete, ein elektronisch kommutierter sogenannter "Variable Reluctance Motor" oder auch "Switched Reluctance Motor" verwendet, dessen Ausgangsmoment aliein durch elektromagnetische Felder hervorgerufen wird. Durch den Einsatz eines solchen magnetlosen Motors ergibt sich der Vorteil, daß zwischen Motor und Untersetzungsgetriebe keine Kupplung benötigt wird, die den Motor bei abgeschaltetem Strom von der Antriebsweile des Untersetzungsgetriebes abkoppelt. Dieser Vorteil ist darin begründet, daß ein magnetloser Motor bei abgeschaltetem Strom und kurzgeschlossenen Anschlußleitungen im Gegensatz zu einem Motor mit Magneten kein Bremsmoment erzeugen kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei Verwendung eines Variable Reluctance Motors aus der Tatsache, daß diese Motorbauart prinzipbedingt bei kleinem Rotorträgheitsmoment ein sehr hohes Drehmoment abgeben kann. Damit kann das erforderliche Unterstützungsmoment der Servolenkvorrichtung mit einer

relativ kleinen Untersetzung des Untersetzungsgetriebes erzeugt werden, was bei nur zwei Getriebestufen sehr wichtig ist im Hinblick auf den Raumbedarf der Getrieberäder. Aus einer niedrigen Untersetzung in Kombination mit einem kleinen Rotorträgheitsmoment des Elektromotors resultiert ferner ein geringes reduziertes Trägheitsmoment der Servolenkvorrichtung, das im Hinblick auf das Lenkverhalten eines mit einer solchen Servolenkvorrichtung ausgerüsteten Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist. Durch den Einsatz eines magnetlosen Motors ergibt sich der Vorteil, daß zwischen Motor und Untersetzungsgetriebe keine Kupplung benötigt wird, die den Motor bei abgeschaltetem Strom von der Antriebswelle des Untersetzungsgetriebes abkoppelt. Dieser Vorteil ist darin begründet, daß ein magnetloser Motor bei abgeschaltetem Strom und kurzgeschlossenen Anschlußleitungen im Gegensatz zu einem Motor mit Magneten kein Bremsmoment erzeugen kann.

Eine besonders vorteilhafte Lösung der Erfindung zur Einstellung des Spieles ergibt sich aus der exzentrischen Anordnung der Welle des Elektromotors relativ zum Getriebeflansch.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1: einen schematische, teilgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispieis für eine Servolenkvorrichtung;

Figur 2: eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Servolenkvorrichtung;

Figur 3: eine schematische Ansicht eines Lenkgetriebes mit einer daran angeordneten Servolenkvorrichtung;

Figur 4: eine Ansicht in Richtung des Pfeils IV gemäß Figur 3; Figur 5: eine Ansicht in Richtung des Pfeils V gemäß Figur 3 und

Figur 6: eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen Getriebeflansch.

Figur 1 zeigt eine Servolenkvorrichtung 1, welche mit einem Elektromotor 2 über ein Getriebe 3 verbunden ist.

Die Servolenkvorrichtung 1 umfaßt eine Eingangswelle 4, die mit einem nicht gezeigten Lenkrad in Verbindung steht. Über einen Torsionsstab 6 steht die Eingangswelle 4 mit einer Ausgangswelle 5 in Verbindung. Die Federsteifigkeit des Torsionsstabes ermöglicht eine relative Verdrehung von der Eingangswelle 4 zur Ausgangswelle 5. Ein Drehmomentsensor 7 nimmt die Drehmomente auf. Die elektrischen Signale werden über die Leitung 8 weitergeleitet.

Ein Unterstützungsmoment wird von der Welle 19 über den Kegelradsatz, das heißt, die Zahnräder 12 und 9 auf die Ausgangswelle 5 übertragen. Der Elektromotor ist mit der Welle 11 über einen Stirnradsatz verbunden, der aus dem Getriebegehäuse 20, dem Motorritzel 10, der aus zwei fest miteinander verbundenen Zahnrädern bestehenden Zwischenwelle 13, der Abtriebswelle 21 und dem fest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad 11 besteht.

Wird über die Eingangswelle 4 ein Drehmoment erzeugt, wird dieses vom Drehmomentsensor 7 erfaßt. Der Elektromotor 2 wird mit Strom beaufschlagt und treibt das Ritzel 10 an. Über das Zwischengetriebe wird das Antriebszahnrad 12 gedreht. Über den kämmenden Eingriff mit dem Zahnrad 9 wird somit auf die Ausgangswelle 5 ein unterstützendes Drehmoment übertragen. Die Ausgangswelle 5 steht über ein nicht gezeigtes Ritzel ihrerseits im Eingriff mit der Zahnstange eines nicht gezeigten Lenkgetriebes.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel äst das Untersetzungsgetriebe ohne Zwischenwelle ausgeführt. Das

Untersetzungsgetriebe besteht in diesem Fall aus dem Getriebegehäuse 20 mit einem Stirnradsatz, das heißt, dem zusätzlichen Wellenzapfen 22, dem Motorritzel 10, der Abtriebswelle 21 und dem fest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad 11 und dem Kegelradsatz 12, 9. Dieses

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Ausführungsbeispiel zeigt eine besonders einfach und wirtschaftlich herzustellende und montierbare Servolenkvorrichtung 1.

Figur 3 zeigt die Anordnung einer wie beschriebenen Servolenkvorrichtung 1 an einem Lenkgetriebe 14. Das Lenkgetriebe 14 ist an sich bekannt und trägt an beiden Enden eine Spurstange 15, über welche die Lenkkräfte an die Fahrzeugräder übertragen werden. In dem Gehäuse des Lenkgetriebes 14 wird eine Zahnstange bewegt, die mit dem nicht gezeigten Ritzel auf der Ausgangswelle 5 in Eingriff steht.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Servolenkvorrichtung 1 gemäß Figur 3 aus verschiedenen Ansichten. Es zeigt sich, daß die Achse des Elektromotors 2 einen Versatz zu der Achse der Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes 3 bzw. der Eingangswelle 3 aufweist. Diese Anordnung wird durch die Ausführung des Untersetzungsgetriebes als Parallelachsengetriebe erreicht und vergrößert das Einsatzspektrum der Servolenkvorrichtung, da somit eine Vielzahl von Anordnungsvarianten des Elektromotors relativ zu dem Lenkgetriebe 14 ermöglicht wird.

Figur 6 zeigt schließlich einen Anschlußflansch 16 mit einem kreisförmigen Gehäusesitz 18 im Bereich der Stirnfläche des Elektromotors 2. Der Gehäusesitz 18 ist relativ zu der Motorwelle um die Exzentrizität 17 versetzt angeordnet. Durch Drehen des Anschlußflansches kann somit der Abstand des Ritzels 10 zu dem Zahnrad 11 verstellt werden. Somit kann mit einfachen Mitteln das Spiel des Paralleiachsengetriebes eingestellt und/oder nachgestellt werden.

Falls ein Untersetzungsgetriebe mit einer oder mehreren Zwischenwellen verwendet wird, können in analoger Weise Lagerflansche mit kreisförmigen Gehäusesitzen, die zu den Zwischenwelien exzentrisch angeordnet sind, verwendet werden, um das Spiel jeder einzelnen Zahnradpaarung einzeln einzustellen und/oder nachzustellen.

Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen nur der Erläuterung und sind in keiner Weise beschränkend. Insbesondere liegen Äquivalente zu den einzelnen Merkmalen im Rahmen der Erfindung.

Bezugszeichenliste:

1	Servolenkgetriebe
2	Elektromotor
3	Getriebe
4	Eingangswelle
5	Ausgangswelle
6	Torsionsstab
7	Drehmomentsensor
8	Leitung
9	Zahnrad
10	Ritzel
11	Reduziergetriebe
12	Antriebszahnrad
13	Zwischengetriebezahnrad
14	Lenkgetriebe
15	Lenkwelle
16	Getriebeflansch
17	Antriebswelle
18	Exzentrizität
19	Welle
20	Getriebgehäuse
21	Abtriebswelle
22	Wellenzapfen

Claims

Ansprüche:

1. Servolenkvorrichtung mit einer Eingangswelle, einer mit dieser über ein Torsionselement verbundenen Ausgangswelle, einem Drehmomentsensor, einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe mit einem auf der Ausgangswelle angeordneten, mit anderen Zahnrädern des Untersetzungsgetriebes in Verbindung stehenden Zahnrad,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Untersetzungsgetriebe wenigstens einen Kegelradsatz und wenigstens einen Stirnradsatz umfaßt.

2. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor über einen Anschlußflansch mit kreisförmigem Gehäusesitz, der exzentrisch zur Welle des Elektromotors angeordnet ist, mit dem Reduziergetriebe verbunden ist.

3. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe ein Parallelachsengetriebe mit einer oder mehreren Zwischenwellen aufweist.

4. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwellen des Reduziergetriebes in Lagerflanschen mit kreisförmigen Gehäusesitzen gelagert sind, die exzentrisch zu der Zwischenwelle angeordnet sind.

5. Servolenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein magnetloser Motor ist.