DE4425101C2 - Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem für ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein Auto.

Elektrisch unterstützte Lenk-Servosysteme zur Verwendung an Kraftfahrzeugen haben eine Zahnstange, die durch ein damit kämmendes Ritzel axial beweglich ist, wenn eine Drehkraft von einem Lenkrad durch eine Lenkwelle auf das Ritzel wirkt. Durch Axialbewegung der Zahnstange verschwenken an die jeweiligen Enden der Zahnstange gekoppelte Fahrzeugräder, die mit den Spurstangen betriebsmäßig gekoppelt sind. Das auf die Lenkwelle wirkende Lenkdrehmoment wird erfaßt, und auf Basis des erfaßten Wertes des Lenkdrehmoments wird ein Elektrorotor erregt. Die von dem Elektromotor erzeugte Antriebskraft wird auf die Zahnstange durch einen Kugelumlaufme­ chanismus übertragen, um hierdurch Unterstützungskraft an die Zahnstange beim Schwenken der Straßenräder abzugeben.

Die US-PS-4 666 014 zeigt ein elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend: ein Gehäuse; eine in dem Gehäuse axial gleitbewegliche, eine Schraubnut aufweisende Welle; einen Kugelumlaufme­ chanismus mit einer langgestreckten Mutter, die mittels einer Mehrzahl im Umlauf geführter, Kugeln in die Schraubnut eingreift; und einen in dem Gehäuse angebrachten Elektromotor, der durch den Kugelumlaufmechanismus die Welle axial antreibt.

Weil von Fahrzeugrädern auf die Zahnstange Reaktionskräfte wirken und die Zangstange Dimensionsfehler hat, die bei Herstellung oder Zusammenbau auftreten, besteht die Neigung, daß die Zahnstange bei Betrieb des elek­ trischen Lenk-Servosystems gebogen oder axial oder radial verschoben wird.

Der Kugelumlaufmechanismus, dessen Wirkungsgrad schon bei geringen Spannungen oder Verschiebungen scharf abnimmt, kann Spannungen oder Verschiebungen der Zahnstange nicht direkt aufnehmen. Bei dem herkömm­ lichen elektrischen Lenk-Servosystem ist der Kugelumlaufmechanismus in dem Gehäuse durch zwei Schublager gehaltert, die eine geringe radiale Bewegung des Kugelumlaufteils in Abhängigkeit von Biegung oder Verspannung der Zahnstange ermöglichen.

Jedoch machen die zwei Schublager den Kugelumlaufmechanismus und die zugeordneten Komponenten in ihrer Struktur kompliziert. Es ist mühselig und zeitaufwendig, den Kugelumlaufmechanismus und die zugeordneten Kom­ ponenten in Kombination mit den zwei Schublagern zusammenzubauen. Die zwei Schublager begrenzen die Anordnung anderer Teile des elektrisch unterstützten Lenk-Servosystems.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen, dessen Struktur relativ einfach ist, das aus einer relativ geringen Anzahl von Teilen aufgebaut ist und das relativ leicht zusammengebaut werden kann.

Die Erfindung zeigt ein gattungsgemäßes elektrisch unterstütztes Lenk- Servosystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem die Mutter in dem Gehäuse an ihrem einen Ende schwenkbar und drehbar gehalten ist und an ihrem anderen Ende radial beweglich ist, und die Mutter an dem einen Ende axial fest gelagert ist und am anderen Ende mit der Schraubnut durch die Kugeln in Eingriff steht.

In dem elektrisch unterstützten Lenk-Servosystem kann weiter das eine Ende der Mutter in dem Gehäuse durch ein Vierpunkt-Kontaktlager gehalten sein.

Alternativ kann das elektrisch unterstützte Lenk-Servosystem weiter ein selbstausrichtendes Lager aufweisen, wobei das eine Ende der Mutter durch das selbstausrichtende Lager in dem Gehäuse gehalten ist.

Die Mutter kann eine die Welle umschließende Buchse und an ihrem anderen Ende einen Gewindeabschnitt aufweisen, wobei die Kugeln zwischen dem Gewindeabschnitt und der Schraubnut beweglich gehalten sind und wobei der Elektromotor die Buchse umschließt.

Alternativ kann die Mutter ein Verbindungsrohr aufweisen, das die Welle umschließt und an seinem einen Ende in dem Gehäuse schwenkbar, drehbar und axial fest gelagert ist, und einen Gewindeabschnitt an einem entgegen­ gesetzten Ende des Verbindungsrohrs, wobei die Kugeln zwischen der Mutter und der Schraubnut beweglich gehalten sind, und wobei der Elektromotor das Verbindungsrohr umschließt.

Das elektrisch unterstützte Lenk-Servosystem kann weiter ein federndes Teil an dem Verbindungsrohr aufweisen, wobei das Verbindungsrohr den Gewindeabschnitt durch das federnde Teil trägt oder das Verbindungsrohr den Gewindeabschnitt durch die Kugelbuchse gelenkig trägt.

Der Elektromotor kann einen Stator und einen zu diesem drehbaren Rotor aufweisen, die zwischen der Mutter und dem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Mutter an ihrem anderen Ende von dem Gehäuse einen derartigen radialen Abstand hat, daß der Rotor den Stator nicht berührt.

Bei dem elektrisch unterstützten Lenk-Servosystem ist es möglich, daß die Welle eine Zahnstange aufweist, deren entgegengesetzte Enden jeweils mit Spurstangen verbindbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein elektrisches Lenk-Servosystem einer ersten Ausführung;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Lenk-Servosystems von Fig. 1;

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt ein elektrisches Lenk-Servosystem einer weiteren Ausführung;

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Lenk-Servosystems nach Fig. 3;

Fig. 5 zeigt im Längsschnitt ein elektrisches Lenk-Servosystem einer noch weiteren Ausführung; und

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Lenk-Servosystems nach Fig. 5.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt ein elektrisch unterstütztes Lenk- Servosystem gemäß einer Ausführung der Erfindung ein Gehäuse 1 mit einem linken Gehäuseteil 1a, das durch Rollen geformt ist, und einem rechten Gehäuseteil 1b, das durch Guß geformt ist. Die linken und rechten Gehäuse­ teile 1a, 1b haben jeweilige Endflansche 1c, 1d, die durch einen Bolzen 2 miteinander verbunden sind. Das elektrische Lenk-Servosystem umfaßt weiter eine Zahnstange 3, die in das Gehäuse 1 axial gleitend eingesetzt und von diesem gehalten ist und deren gegenüberliegende Enden von Außenenden des Gehäuses 1, die von den Endflanschen 1c, 1d entfernt sind, vorstehen. Die vorstehenden Enden der Zahnstange 3 sind mit Spurstangen (nicht gezeigt) gekoppelt, die mit jeweiligen Rädern eines Kraftfahrzeugs betriebsmäßig verbunden sind. Wenn sich die Zahnstange 3 in dem Gehäuse 1 axial bewegt, werden die Räder durch die Spurstangen gelenkt.

Die Zahnstange 3 ist durch ein Gleitlager 4 gleitend gehalten, das in dem Außenende des linken Gehäuseteils 1a fest angebracht ist. Staubmanschetten 5 aus elastomerem Material sind an den jeweiligen Außenenden der linken und rechten Gehäuseteile 1a, 1b angebracht, um in dem Gehäuse zwischen den Staubmanschetten 5 einen hermetisch abgedichteten Raum zu bilden. Wenn sich die Zahnstange 3 axial bewegt, werden die Staubmanschetten 5 elastisch ausgedehnt und zusammengedrückt und verändern das Volumen in den Staubmanschetten 5. Luft kann aus den Staubmanschetten 5 durch Lüftungs­ löcher 6 (nur eines gezeigt) einströmen und aus diesen ausströmen. Die Lüftungslöcher 6 sind in der Zahnstange 3 gebildet.

Eine Lenkwelle 8, die mit einem Lenkrad 7 gekoppelt und mit diesem drehbar ist, hat ein unteres Ende, das in das rechte Gehäuseteil 1b eingesetzt ist. Das eingesetzte untere Ende der Lenkwelle 8 ist mit einem Lenkdrehmoment- Erfassungsmechanismus 9 kombiniert, der ebenfalls in dem rechten Gehäuse­ teil 1b angeordnet ist. In der Oberfläche der Zahnstange 3 ist eine Verzahnung 11 gebildet, die sich in dem rechten Gehäuseteil 1b befindet und mit einem Ritzel 10 kämmt, das an dem eingesetzten Unterende der Lenkwelle 8 in dem rechten Gehäuseteil 1b fest angebracht ist. Eine Schraubnut 12 ist schrauben­ förmig in der Zahnstange 3 in dem linken Gehäuseteil 1a vorgesehen.

Eine Mutter 13 in Form einer langgestreckten Buchse ist um die Zahnstange 3 herum im wesentlichen in dem linken Gehäuseteil 1a angeordnet. Ein Ende der Mutter 13 ist in dem rechten Gehäuseteil 1b durch ein Vierpunkt- Kontaktlager 14 drehbar gehalten. Das andere Ende der Mutter 13 umfaßt einen Gewindeabschnitt (Einsatzmutter) 16 eines Kugelumlaufmechanismus 15. Daher ist die Mutter 13 um die Welle 3 herum in dem Gehäuse ausleger­ artig schwenkbar gehalten. Der Kugelumlaufmechanismus 15 hat eine Mehrzahl von Stahlkugeln 17, die zwischen der Einsatzmutter 16 und der Schraubnut 12 drehbar gehalten sind. Die Mutter 13 hat ein Paar diametral gegenüberliegender Lüftungslöcher 13b, die darin an einer Stelle ein wenig rechts des Kugelumlaufmechanismus 15 gebildet sind.

Weil nur ein Ende der Mutter 13 in dem Gehäuse 1 durch das Vierpunkt- Kontaktlager 14 drehbar gehalten ist, kann die Mutter 13 um das gehalterte Ende ein wenig kippen. Daher kann der Kugelumlaufmechanismus 15 an dem anderen Ende der Mutter 13 Verspannungen oder Verbiegungen der Zahn­ stange 3 leicht folgen bzw. von Spannungen oder Belastungen leicht bewegt werden, die durch Reaktionskräfte bewirkt sein können, die von den Fahrzeugrädern auf die Zahnstange 3 einwirken. Demzufolge wird verhindert, daß der Kugelumlaufmechanismus und somit die Mutter 13 unerwünschte Belastungen von der Zahnstange 3 erleidet.

Ein Elektromotor 20 ist um die Mutter 13 in dem linken Gehäuseteil 1a angeordnet. Insbesondere umfaßt der Elektromotor 20 einen als Stator dienenden Permanentmagnet 21, der an dem linken Gehäuseteil 1a befestigt ist und durch Eisenguß geformt ist, und eine als Rotor dienende Wicklung 23, die um einen Eisenkern 22 herum angeordnet ist, der an der Mutter 13 angebracht ist.

Weil die Wicklung 23 an der Mutter 13 angebracht ist, die ein wenig schwenkbar ist, könnten die Wicklung 23 und der Permanentmagnet 21 miteinander in Kontakt kommen. In dieser Ausführung hat die Mutter 13 einen Ringflansch 13a, der nahe der Einsatzmutter 16 radial nach außen vorsteht. Wenn sich die Mutter 13 ein wenig im Winkel bewegt, kommt der Ringflansch 13a mit einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 1 in Kontakt, bevor die Wicklung 23 den Permanentmagnet 21 berührt. Hierdurch wird verhindert, daß die Wicklung 23 den Permanentmagnet 21 berührt.

Der Elektromotor 20 wird mit elektrischem Strom von einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) durch eine Kupplung 30 und eine Bürste 31 versorgt. Insbesondere bestimmt eine elektronische Steuereinheit (ECU) eine an den Elektromotor 20 anzulegende Spannung auf Basis von Signalen, die zugeführt sind von dem Lenkdrehmoment-Erfassungsmechanismus 9, einem Fahrgeschwindigkeitssensor, einem Motorstromsensor, einem Lenkwinkelsen­ sor, und erregt den Elektromotor 20 auf Basis der bestimmten Spannung.

Wenn der Elektromotor 20 erregt wird, wird die Mutter 13 um ihre eigene Achse gedreht, so daß eine Drehkraft durch den Kugelumlaufmechanismus 15 als eine Linearkraft auf die Zahnstange 3 wirkt, um hierdurch die Zahnstange 3 zur Unterstützung der Lenkung der Fahrzeugräder axial zu bewegen.

Weil nur ein Lager 14 zum Tragen der Mutter 13 an deren einem Ende verwendet wird, ist der gesamte Mechanismus in der Struktur relativ einfach, und läßt sich auf einer relativ geringen Anzahl von Teilen aufbauen. Das Vierpunkt-Kontaktlager 14, welches das eine Ende der Mutter 13 trägt, ermöglicht ein leichtes Kippen der Mutter 13 in Antwort auf Verbiegung der Zahnstange. Weiter hat der Ringflansch 13a der Mutter 13 einen solchen radialen Abstand von dem Gehäuse 1, daß der Ringflansch 13a eine Berührung der Wicklung 23 mit dem Permanentmagnet 21 verhindert, wenn die Mutter 13 im Winkel bewegt wird. Demzufolge wird der Elektromotor 20 vor Beschädigung geschützt, während der elektrische Lenk-Servomechanismus in Betrieb ist.

Fig. 3 und 4 zeigen ein elektrisches Lenk-Servosystem gemäß einer weiteren Ausführung. Diejenigen Teile der Fig. 3 und 4, die mit denen der Fig. 1 und 2 identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden im Detail nicht beschrieben.

In der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführung ist das linke Gehäuseteil 1a des Gehäuses in zwei Unterteile 1e, 1f unterteilt, die miteinander verschweißt sind, und die Mutter 13 umfaßt ein Verbindungsrohr 40 und eine Einsatzmutter 41, die mit einem dazwischen eingesetzten Federteil 42 miteinander gekoppelt sind. Die Einsatzmutter 41 und die in der Schraubnut 12 aufgenommenen Stahlkugeln 17 bilden gemeinsam den Kugelumlaufmecha­ nismus.

Das Verbindungsrohr 40 ist mit seinem einen Ende in dem Gehäuse 1 durch ein selbstausrichtendes Lager 43 im Winkel beweglich gehalten.

Die Mutter 13 ist um einen Punkt 01 in der Mitte des selbstausrichtenden Lagers 43 leicht schwenkbar. Weil die Mutter 13 bezüglich des Gehäuses 1 leicht schwenkbar ist und die Einsatzmutter 41 ebenfalls bezüglich des Verbindungsrohrs 40 durch das federnde Teil 42 leicht schwenkbar ist, kann die Mutter 13 einer Verbiegung oder Verspannung der Zahnstange 3 besser folgen.

Der Elektromotor 20 hat einen Stator und einen Rotor, die in ihrer Position von der in Fig. 2 gezeigten umgekehrt sind, und weist keine Bürste auf. Insbesondere ist der Permanentmagnet 20 als ein Rotor an einer Außen­ umfangsfläche des Verbindungsrohrs 40 angebracht, und die Wicklung 23 als ein Stator ist an dem Gehäuse 1 angebracht. Diese Anordnung ermöglicht es, die Bürste von dem Elektromotor 20 wegzulassen. Jedoch ist eine Hall-Effekt- Vorrichtung 44 hinzugefügt, um die Drehphase des Permanentmagneten 21 zu erfassen, um den der Wicklung 23 zugeführten elektrischen Strom zu steuern.

Insofern die Mutter 13, die bezüglich des Gehäuses 1 ein wenig schwenkbar ist, aus dem Verbindungsrohr 40 und der Einsatzmutter 41 zusammengesetzt ist, die bezüglich des Verbindungsrohrs 40 leicht schwenkbar ist, kann die Mutter 13 einer Verbiegung oder Verspannung der Zahnstange 3 leicht folgen. Das selbstausrichtende Lager 43, das ein Ende der Mutter 13 trägt, er­ möglicht, daß die Mutter 13 in stärkerem Grad relativ zu dem Gehäuse 1 kippt. Wegen der Mutter 41, die an dem Verbindungsrohr 40 durch das federnde Teil 42 gehalten ist, läßt sich eine radiale oder Winkelverschiebung oder ein Positionsfehler der Mutter 41 bezüglich des Gehäuses 1 durch das federnde Teil 41 absorbieren.

Fig. 5 und 6 zeigen ein elektrisches Lenk-Servosystem gemäß einer noch weiteren Ausführung. Diejenigen Teile der Fig. 5 und 6, die mit denen der Fig. 1 bis 4 identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden im Detail nicht beschrieben.

In dieser Ausführung ist das linke Gehäuseteil 1a des Gehäuses in zwei Unterteile 1g, 1h unterteilt, die miteinander in Gewindeeingriff stehen, und die Mutter 13 umfaßt ein Verbindungsrohr 50 und eine Mutter 51. Das Ver­ bindungsrohr 50 ist an einem Ende in dem Gehäuse durch ein selbstaus­ richtendes Lager 43 leicht schwenkbar gehalten, zur Schwenkbewegung um einen Punkt 01 in der Mitte des selbstausrichtenden Lagers 43. Die Mutter 51 ist in einem kugelbuchsenförmigen, gegenüberliegenden Ende des Ver­ bindungsrohrs 50 zur Schwenkbewegung um einen Punkt 02 schwenkbar gehalten. Die Kugelbuchse des Verbindungsrohrs 50 ermöglicht eine Absorption einer Winkelverschiebung oder eines Positionsfehlers zwischen der Mutter 51 und dem Gehäuse 1. Die Mutter 51 und die in der Schraubnut 12 aufgenommenen Stahlkugeln 17 bilden gemeinsam einen Kugelumlaufmecha­ nismus. Die Mutter 51 enthält eine Kugelrücklaufpassage 52, um die Stahlkugeln 17 zu der Schraubnut 12 zurückzuführen, nachdem die Mutter 51 drei Umdrehungen um die Zahnstange 3 herum gemacht hat.

Ein elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem für ein Kraftfahrzeug umfaßt ein Gehäuse 1, eine Welle 3, die in dem Gehäuse 1 gleitend gehalten ist, einen Kugelumlaufmechanismus 15, der betriebsmäßig an der Welle 3 angebracht ist, und einen Elektromotor 20, der in dem Gehäuse 1 zur Übertragung von Drehkraft von dem Elektromotor 20 durch den Kugelumlaufmechanismus 15 auf die Welle 3 angebracht ist. Der Kugelumlaufmechanismus 15 umfaßt eine Mutter 13, die um die Welle 3 herum angeordnet ist und deren eines Ende in dem Gehäuse 1 durch ein Vierpunkt-Kontaktlager 14 oder ein selbstaus­ richtendes Lager schwenkbar und drehbar gehalten ist, und eine Mehrzahl von Kugeln 17, die zwischen einem gegenüberliegenden Ende der Mutter 13 und einer in der Welle 3 gebildeten Schraubnut 12 beweglich gehalten sind.

Claims (9)

1. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem für ein Kraft­ fahrzeug, umfassend:
ein Gehäuse (1);
eine in dem Gehäuse (1) axial gleitbewegliche, eine Schraubnut (12) aufweisende Welle (3);
einen Kugelumlaufmechanismus (15) mit einer langgestreck­ ten Mutter (13), die mittels einer Mehrzahl im Umlauf geführter Kugeln (17) in die Schraubnut (12) eingreift; und
einen in dem Gehäuse (1) angebrachten Elektromotor (20), der durch den Kugelumlaufmechanismus (15) die Welle (3) axial antreibt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mutter (13) in dem Gehäuse (1) an ihrem einen Ende schwenkbar und drehbar gehalten ist, und an ihrem anderen Ende radial beweglich ist, und
daß die Mutter (13) in dem Gehäuse an dem einen Ende axial fest gelagert ist und am anderen Ende mit der Schraubnut (12) durch die Kugeln (17) in Eingriff steht.

2. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Mutter (13) in dem Gehäuse (1) durch ein Vierpunkt-Kontaktlager (14) gehalten ist.

3. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Mutter (13) in dem Gehäuse (1) durch ein selbstausrichtendes Lager (43) gehalten ist.

4. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (13) eine die Welle (3) umschließende Buchse und an ihrem anderen Ende einen Gewinde­ abschnitt (16) aufweist, wobei die Kugeln (17) zwischen dem Gewinde­ abschnitt (16) und der Schraubnut (12) beweglich gehalten sind und der Elektromotor (20) die Buchse umschließt.

5. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (13) ein Ver­ bindungsrohr (40, 50) aufweist, das die Welle (3) umschließt und an seinem einen Ende in dem Gehäuse (1) schwenkbar, drehbar und axial fest gelagert ist, und einen Gewindeabschnitt (41, 51) an einem entgegengesetzten Ende des Verbindungsrohrs (40), wobei die Kugeln (17) zwischen der Mutter (13) und der Schraubnut (12) beweglich gehalten sind und der Elektromotor (20) das Verbindungsrohr (40) umschließt.

6. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (40) den Gewindeabschnitt (41) durch ein federndes Teil (42) trägt.

7. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (50) den Gewinde­ abschnitt (51) durch eine Kugelbuchse gelenkig trägt.

8. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (20) einen Stator (21) und einen zu diesem drehbaren Rotor (23) aufweist, die zwischen der Mutter (13) und dem Gehäuse (1) angeordnet sind, und wobei die Mutter (13) an ihrem anderen Ende von dem Gehäuse (1) einen derartigen radialen Abstand hat, daß der Rotor (21) den Stator (23) nicht berührt.

9. Elektrisch unterstütztes Lenk-Servosystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) eine Zahnstange aufweist, deren entgegengesetzte Enden jeweils mit Spurstangen verbindbar sind.