DE4438930C1 - Zahnstangenlenkung bzw. -steuerung mit Servomotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung bzw. -steuerung mit einem über ein mechanisches Getriebe mit der Zahnstange kuppelbaren Servomotor, insbesondere einem rotie­ renden Elektromotor.

Bei einer aus der US 49 21 061 bekannten derartigen Zahn­ stangenlenkung ist ein rotierend antreibbarer Elektromotor über eine Kupplung, die nur bei laufendem Motor schließt, mit einem mit der Zahnstange kämmenden Ritzel antriebsmäßig verbindbar. Der Elektromotor wird mittels einer Steuer­ schaltung betätigt, welche den Motor je nach Richtung eines an einem Lenkhandrad od. dgl. wirksamen Drehmomentes in der einen oder anderen Richtung mit zum Drehmoment analoger Leistung antreibt bzw. bei verschwindendem Drehmoment stillsetzt.

Die DE 37 12 154 C2 zeigt eine Zahnstangenlenkung, bei der die Zahnstange einen nach Art einer Spindelwelle ausgebildeten Abschnitt aufweist, der mit einer elektromotorisch angetrie­ benen Kugelumlaufmutter zusammenwirkt. In Abhängigkeit von dem zwischen der Zahnstange und einem damit kämmenden Ritzel übertragenen Kräfte wird der Elektromotor mit steuerbarer Kraft in der einen oder anderen Richtung angetrieben, so daß die dementsprechend angetriebene Kugelumlaufmutter eine mehr oder weniger große Kraft auf den spindelwellenförmigen Abschnitt der Zahnstange zur Unterstützung der jeweils gewünschten Verschiebung der Zahnstange ausüben kann.

Eine funktional ähnliche Anordnung ist Gegenstand der DE 38 21 501 A1. Hier treibt der Elektromotor eine Spindel­ welle, die mit einer an der Zahnstange drehfest gelagerten Kugelumlaufmutter zusammenwirkt, wobei der Elektromotor wiederum in Abhängigkeit von den mittels eines Ritzels auf die Zahnstange übertragenen Kräften in der einen oder anderen Richtung angetrieben wird.

Alle vorangehend beschriebenen Konstruktionen sind insofern vergleichsweise aufwendig, als die Steuerschaltungen zur Betätigung des Elektromotors aus Sicherheitsgründen redundant ausgebildet sein müssen und darüber hinaus die Notwendigkeit besteht, den Elektromotor bei Belastungsspitzen mit hoher elektrischer Leistung zu beaufschlagen, wenn eine wirksame Servounterstützung durch den zunächst stillstehenden Motor erreicht werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Zahnstangenlenkung der eingangs angegebenen Art zu verbessern und insbesondere den konstruktiven Aufwand ohne jegliche Einbußen bei der Betriebssicherheit zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Zahnstange eine undrehbare, zusammen mit der Zahn­ stange axial verschiebbare Gewindespindel angeordnet ist, die mit einer axial begrenzt verschiebbaren Kugelumlauf­ mutter zusammenwirkt, und daß die Axialverschiebung der Kugelumlaufmutter eine kraftschlüssige Kupplungsanordnung steuert, welche je nach Richtung der Axialverschiebung der Kugelumlaufmutter eines von zwei mittels des Servo­ motors ständig gegenläufig angetriebenen Rädern mit der Kugelumlaufmutter kuppelt und in einer Mittellage die Kugelumlaufmutter von beiden Rädern entkuppelt hält.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwischen einem ständig laufenden Servomotor und der Zahnstange zwei normalerweise aufgetrennte Antriebs­ verbindungen vorzusehen, über die die Zahnstange trotz des ständig in einer Richtung laufenden Servomotors in einander entgegengesetzten Richtungen antreibbar ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Antriebskopplung von Motor und Zahnstange mittels eines Kugelumlaufgetriebes wird eine besonders reibungsarme Antriebsverbindung möglich.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Gewindespindel als Fortsatz der Zahnstange angeordnet und mit dieser einstückig verbunden sein, so daß einerseits eine unmittelbare Verbindung zwischen Kugelumlaufgetriebe und Zahnstange ermöglicht wird und andererseits das Kugel­ umlaufgetriebe zusammen mit dem Servomotor und der Kupp­ lungsanordnung entfernt von einem mittels Lenkhandrades betätigten, mit der Zahnstange kämmenden Ritzel angeordnet werden kann. Auf diese Weise läßt in Kraftfahrzeugen vor­ handener Raum optimal nutzen.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Be­ schreibung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform verwiesen, die anhand der Zeichnung erläutert wird.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge,

Fig. 2 einen Axialschnitt des Servoantriebes und

Fig. 3 ein Schnittbild entsprechend der Schnitt­ linie III-III in Fig. 2.

Ein nicht dargestelltes Lenkhandrad ist gemäß Fig. 1 in grundsätzlich bekannter Weise mit einer Eingangswelle 1 verbunden, auf der ein Ritzel 2 drehfest angeordnet ist, welches mit der Verzahnung 3 einer Zahnstange 4 kämmt. Dementsprechend wird die Zahnstange 4 je nach Drehrichtung von Eingangswelle 1 und Ritzel 2 in der einen oder anderen Axialrichtung verschoben. Die Verschiebung der Zahnstange 4 wird über nicht dargestellte Übertragungselemente in grund­ sätzlich bekannter Art auf die ebenfalls nicht dargestell­ ten Lenkräder eines Kraftfahrzeuges übertragen.

Erfindungsgemäß ist ein an die Verzahnung 3 anschließen­ der Bereich der Zahnstange 4 als Gewindespindel 5 ausge­ bildet, welche mit einer koaxial auf der Gewindespindel 5 angeordneten Kugelumlaufmutter 6 antriebsmäßig zusammen­ wirkt. Die Kugelumlaufmutter 6 ist begrenzt axial ver­ schiebbar in einem stationären Gehäuse 7 angeordnet, so daß die Kugelumlaufmutter 6 bei Axialverschiebung der Zahnstange 4 entweder in die eine oder die andere axiale Endlage innerhalb des Gehäuses 7 gedrängt wird.

Auf der Kugelumlaufmutter 6 sind beidseitig eines mittleren Ringsteges 8 zwei relativ zur Kugelumlaufmutter 6 drehbare Zahnräder 9 und 10 angeordnet, die mittels eines ständig in gleicher Richtung laufenden Elektromotors 11 gegen­ läufig angetrieben werden, d. h. die Zahnräder 9 und 10 drehen sich ständig in einander entgegengesetzten Richtungen.

Dazu treibt der Elektromotor 11 über einen Freilauf 12 eine Abtriebswelle 13, die über ein auf ihr drehfest angeordnetes Zahnrad 14 mit dem Zahnrad 9 antriebsverbunden ist. Ein weiteres auf der Abtriebswelle 13 angeordnetes Zahnrad 15 steht in Eingriff mit einem auf einer Vorsatzwelle 16 ange­ ordneten Zahnrad 17, welches außerdem mit dem Zahnrad 10 in Eingriff steht und dazu eine hinreichende axiale Breite aufweist.

Auf den vom Ringsteg 8 abgewandten Stirnseiten der Zahn­ räder 9 und 10 sind Lamellenkupplungen 18 und 19 angeordnet, mittels der die Zahnräder 9 und 10 kraftschlüssig mit der Kugelumlaufmutter 6 verbindbar sind. Die zur Antriebsver­ bindung des Zahnrades 9 mit der Kugelumlaufmutter 6 dienende Lamellenkupplung 18 wird geschlossen, wenn die Kugelumlaufmutter 6 in Fig. 2 nach links verschoben wird und dabei mit ihrem Ringsteg 8 das Zahnrad 9 nach links drängt und dementsprechend die Lamellen der Kupplung 18 aufeinander drückt.

Wenn dagegen die Kugelumlaufmutter 6 nach rechts gedrängt wird, wird das Zahnrad 10 vom Ringsteg 8 nach rechts mit­ genommen, wobei die Lamellenkupplung 19 schließt und eine Antriebsverbindung zwischen Zahnrad 10 und Kugelumlauf­ mutter 6 herstellt.

In einer axialen Mittellage der Kugelumlaufmutter 6 sind beide Kupplungen 18 und 19 offen.

Die dargestellte Zahnstangenlenkung arbeitet wie folgt:

Wenn die Zahnstange 4 durch Betätigung des Lenkhandrades oder durch äußere Kräfte axial verschoben wird, wird die Kugelumlaufmutter 6 in die eine oder andere Axialrichtung gedrängt, mit der Folge, daß jeweils eine der Lamellen­ kupplungen 18 und 19 schließt und eine Antriebsverbindung zwischen dem ständig laufenden Elektromotor 11 und der Kugelumlaufmutter 6 herstellt, so daß im Ergebnis mittels des Motors 11 eine die jeweils vom Fahrer gewünschte Lenk­ bewegung unterstützende Servokraft auf die Zahnstange 4 ausgeübt wird.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß die Lamellenkupplungen 18 und 19 mit sehr geringen Wegen arbeiten, so daß bereits geringfügige Verschiebungen der Kugelumlaufmutter 6 zur Steuerung der Kupplungen 18 und 19 ausreichen.

Darüber hinaus arbeitet die Kraftübertragung zwischen Gewindespindel 5 und Kugelumlaufmutter 6 mit äußerst geringer Reibung, so daß die jeweils erzeugten Servokräfte stoßfrei wirksam werden.

Da der Elektromotor 11 ständig läuft, kann dessen kinetische Energie zur Erzeugung von Servokräften ausgenutzt werden, um insbesondere bei kurzfristigen Spitzenbelastungen höhere Servokräfte erzeugen zu können.

Durch den Freilauf 12 ist gewährleistet, daß die Lenkung bei stillstehendem Elektromotor 11 vergleichsweise leichtgängig bleibt, weil dann eine Betätigung der Lenkung ohne passives Mitdrehen des Elektromotors 11 ermöglicht wird.

Claims (3)

1. Zahnstangenlenkung bzw. -steuerung mit einem über ein mechanisches Getriebe mit der Zahnstange kuppelbaren Servomotor, insbesondere einem rotierenden Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, daß an der Zahnstange (4) eine undrehbare, zusammen mit der Zahnstange (4) axial verschiebbare Gewindespindel (5) angeordnet ist, die mit einer axial begrenzt verschieb­ baren Kugelumlaufmutter (6) zusammenwirkt, und daß die Axialverschiebung der Kugelumlaufmutter (6) eine kraft­ schlüssige Kupplungsanordnung (18, 19) steuert, welche je nach Richtung der Axialverschiebung der Kugelumlauf­ mutter (6) eines von zwei mittels des Servomotors (11) ständig gegenläufig angetriebenen Rädern (9, 10) mit der Kugelumlaufmutter (6) kuppelt und in einer Mittellage die Kugelumlaufmutter (6) von beiden Rädern (9, 10) entkuppelt hält.

2. Zahnstangenlenkung bzw. -steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Motor (11) und den gegenläufig ange­ triebenen Rädern (9, 10) ein Freilauf (12) angeordnet ist, der bei laufendem Motor schließt.

3. Zahnstangenlenkung bzw. -steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufig angetriebenen Räder (9, 10) koaxial auf der Kugelumlaufmutter (6) angeordnet sind und mit jeweils einer Lamellenkupplung (18, 19) mit der Kugelumlaufmutter antriebsmäßig verbindbar sind, wobei die eine Lamellenkupplung (18) bei Verschiebung der Kugelumlaufmutter (6) in der einen Richtung und die andere Lamellenkupplung (19) bei Verschiebung der Kugelumlaufmutter (6) in der anderen Richtung ge­ schlossen wird.