DE60302272T2

DE60302272T2 - Elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE60302272T2
Application number: DE2003602272
Authority: DE
Inventors: Yasuharu Kariya-shi Yamamoto
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: EP1354784A1; EP1354784B1; DE60302272D1; JP2003307229A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Servolenkung zur Unterstützung einer Lenkung mittels der Kraft eines Elektromotors, und betrifft insbesondere eine elektrische Servolenkung mit einer Zahnstange und einem Ritzel zur Unterstützung der axial bewegbaren Zahnstange durch die Hilfskraft.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Eine bekannte elektrische Servolenkung mit einer Zahnstange und einem Ritzel unterstützt die Lenkkraft eines Fahrers auf das in einem Fahrzeug befestigte Lenkrad. Die Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung unterstützt die Lenkkraft zu den Rädern durch eine Zahnstange und durch eine Zugstange und einen Gelenkbolzen. Die Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung ist beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-11333 und in der EP-A-0857639 beschrieben.
Eine typische bekannte Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung ist in 1 dargestellt. Eine Servolenkung 100 um fasst ein mit einem Lenkrad über eine nicht dargestellte Lenkwelle verbundenes Ritzel 102. Das Ritzel 102 wird durch ein Lenkmoment durch ein Lenken des Lenkrades gedreht. Das Ritzel 102 steht mit einem an einem Ende einer Zahnstange 104 ausgebildeten Zahnstangenabschnitt 106 in Eingriff. Beide Enden der Zahnstange 104 sind mit rechten und linken Räder 102 durch jeweils die Zugstangen 108 und die Gelenkbolzen 110 verbunden, sodass die Räder 112 durch eine Axialbewegung der Zahnstange 104 gelenkt werden.
Bei der elektrischen Servolenkung 100 wird das Ritzel 102 durch die Bedienung des Lenkrades gedreht, und eine Rotationskraft, die ein Hilfsdrehmoment darstellt, des Ritzels 102 wird in eine axiale Bewegungskraft umgesetzt, die eine Hilfsdrehkraft oder eine Hilfslenkkraft der Zahnstange 104 darstellt. Die Räder 112 werden durch die Axialbewegung der Zahnstange 104 gelenkt. Das Ritzel 102 ist drehbar an einem Fahrzeugkörper mit der Zahnstange 106 durch eine Zahnstangenführung 114 in Eingriff stehend angebracht. An dem anderen Ende der Zahnstange 104 ist ein Kugelspindelmechanismus 116 angebracht, der mit einem nicht dargestellten Elektromotor verbunden ist. Eine Kugelspindelmutter 120 des Kugelspindelmechanismus 116 steht über mehrere Kugeln mit einer Schraubennut 118 an einer Umfangsfläche des anderen Endes der Zahnstange 104 in Eingriff. Die Drehkraft des Elektromotors dreht die Kugelspindelmutter 120 zur Umsetzung in die Axialbewegung der Zahnstange 104. Die Kugelspindelmutter 120 ist ebenfalls drehbar am Fahrzeugskörper mittels eines Lagers angebracht. Ein Drehmomentsensor ist zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle der nicht dargestellten Lenkwelle zur Erfassung eines Drehmoments angeordnet, das eine Lenkkraft und eine Richtung der Lenkkraft darstellt, wodurch die Kugelspindelmutter 120 in eine der Lenkung entsprechende Richtung gedreht wird.
Bei der bekannten Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung lenkt der Fahrer das Lenkrad zur Drehung des Ritzels 102, um die Zahnstange 104 axial zu bewegen. Hierbei erfasst der Drehmomentsensor die Lenkung und der elektrische Motor dreht die Kugelspindelmutter 120 in eine der Lenkung entsprechende Richtung. Hierdurch wirkt die Hilfslenkkraft, in die das Drehmoment des Elektromotors umgesetzt wird, auf die Zahnstange 104 zur Unterstützung der Lenkkraft des Lenkrades durch den Fahrer.
Bei einer typischen Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung 100 wirkt eine Gegenkraft gegen die Räder von einer Straße und eine Schwingung eines Motors und durch das Steuern der Räder, wodurch eine freie Schwingung der Zahnstange 104 aufgrund ihrer natürlichen Frequenz bewirkt wird. Die Zahnstange 104 wird vom Fahrzeugkörper durch das Ritzel 102 oder die Zahnstangenführung 114 und den Kugelspindelmechanismus 116 gelagert. Da das Ritzel 102 und der Kugelspindelmechanismus 116 ohne Beziehung zu einer Länge der Zahnstange 104 angeordnet sind, d.h. ohne Beziehung zu einer Amplitudenverteilung der freien Schwingung bewirkt die Schwingung eine Abweichung des Eingriffs des Zahnstangenabschnitts 106 mit dem Ritzel und bewirkt weiter eine Lastabweichung auf den Kugelspindelmechanismus 116, wodurch ein Schlaggeräusch und eine Lebensdauerverminderung be wirkt werden. Die Schwingung der Zahnstange 104 wird durch das Ritzel 102 auf das Lenkrad übertragen und bewirkt ein nachteiliges Lenkgefühl für den Fahrer.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 11-11333 beschreibt eine Technologie zum Unterdrücken der Amplitude, in dem ein Lager an einer Stelle ungefähr bei der maximalen Amplitude der Schwingung in der Zahnstange angeordnet wird. Diese Beschreibung zeigt nur eine Verminderung der Amplitude der Zahnstange, in dem eine Anzahl der Lagerpunkte erhöht wird. Diese Beschreibung entspricht im Wesentlichen der bekannten Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung, da ein Ritzel und ein Kugelspindelmechanismus gemäß dieser Beschreibung ohne irgendeine Beziehung zu einer Länge der Zahnstange angeordnet ist, sodass weder eine Abweichung beim Eingriff des Zahnstangenabschnitts mit dem Ritzel noch eine Lastabweichung auf den Kugelspindelmechanismus ausgeschaltet wird. In dieser Beschreibung ist das Lager zur Unterdrückung der Amplitude der Zahnstange am Fahrzeugkörper befestigt, sodass eine Schwingung der Zahnstange auf den Körper durch ein Zusammentreffen des Lagers übertragen wird, wodurch die Lebensdauer einer elektrischen Servolenkung gemäß dieser Beschreibung vermindert und weiterhin ein Schlaggeräusch bewirkt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben erwähnten Umstände ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servolenkung zu schaffen, die die Übertragung einer Schwingung einer Zahnstange auf einen Fahrzeugkörper unterdrückt.
Dabei soll eine elektrische Servolenkung geschaffen werden, die eine Abweichung des Eingriffs eines Zahnstangenabschnitts mit einem Ritzel und ein Schlaggeräusch ausschaltet.
Weiter soll mit der Erfindung eine elektrische Servolenkung geschaffen werden, bei der eine Übertragung einer Schwingung über ein Ritzel auf ein Lenkrad unterdrückt wird.
Dabei soll gemäß der Erfindung eine elektrische Servolenkung geschaffen werden, bei der eine Lastabweichung gegen eine von einem Lager gelagerte Mutter unterdrückt wird.
Schließlich soll mit der Erfindung eine elektrische Servolenkung geschaffen werden, bei der die Lastabweichung durch eine axiale Anordnung eines Lagers unterdrückt wird.
Während der erfindungsgemäßen Untersuchungen wurden von den Erfindern theoretische Analysen, digitale Analysen, geometrische Analysen, Bewegungsanalysen und Lastverteilungsanalysen der Schwingung der Zahnstange durchgeführt, um die minimale Amplitude der Schwingung herauszufinden. Aufgrund dieser Untersuchungen wurde festgestellt, dass jede longitudinale Stelle des Ritzels und des Lagers an einer der minimalen Amplitude der freien Schwingung der Zahnstange entsprechenden Stelle angeordnet ist, um eine Übertragung der Schwin gung der Zahnstange auf den Fahrzeugkörper zu unterdrücken.
Die erfindungsgemäße elektrische Servolenkung wurde aufgrund des Ergebnisses dieser Untersuchungen geschaffen. Die elektrische Servolenkung gemäß der Erfindung umfasst eine Zahnstange mit einem Zahnstangenabschnitt und einer Schraubennut, ein mit dem Zahnstangenabschnitt in Eingriff stehendes Ritzel zur Bewegung der Zahnstange, eine mit der Schraubennut in Eingriff stehende Mutter zur Drehung mittels eines Elektromotors, wobei jede longitudinale Stellung des Ritzels und des Lagers an einer der minimalen Amplitude der freien Schwingung der Zahnstange angeordnet ist. Wenn gemäß der Erfindung das Ritzel durch ein Lenkmoment auf der Grundlage des Lenkens eines Lenkrades, das mit dem Ritzel in Verbindung steht, gedreht wird, wird die Zahnstange, die mit dem Zahnabschnitt mit dem Ritzel in Eingriff steht, axial bewegt. Das Lenkmoment wird somit zu der Lenkkraft zur axialen Bewegung der Zahnstange mittels des Ritzels und des Zahnstangenabschnitts umgesetzt. Dabei dreht der Elektromotor die Mutter entsprechend dem Lenkmoment, um die axiale Bewegung der Zahnstange zu unterstützen. Somit wird die Antriebskraft des Lenkrades durch den Fahrer vermindert.
Gemäß der Erfindung ist jede longitudinale Stelle des Ritzels und des Lagers an einer der minimalen Amplitude der freien Schwingung der Zahnstange in ihrer neutralen Position so angeordnet, dass das Ritzel und die von dem Lager gelagerte Mutter durch die freie Schwingung kaum beeinflusst werden. Da die Amplitude der Zahnstange in der Nähe des Ritzels äußerst gering ist, wird eine Abweichung des Eingriffs des Zahnstangenabschnitts mit dem Ritzel und ein Schlaggeräusch ausgeschaltet und eine Übertragung der Schwingung auf das Lenkrad durch das Ritzel zur Verbesserung des Lenkgefühls unterdrückt. Da die Amplitude der Zahnstange in der Nähe des Lagers gering ist, wird eine Lastabweichung auf die von dem Lager gelagerte Mutter unterdrückt.
Gemäß der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass eine Stelle eines Drehmittelpunkts des Ritzels in einem Zustand angeordnet ist, dass ein Abstand von einer Endfläche der Zahnstange in einer neutralen Position gleich einer Länge von 0,224L oder 0,359L oder einer Länge von 0,224L bis 0,359L ist, wobei L die Länge der Zahnstange ist, sodass das Ritzel kaum durch die freie Schwingung beeinflusst wird. Da die Amplitude der Zahnstange in der Nähe des Ritzels gering ist, wird die Abweichung des Eingriffs des Zahnabschnitts mit dem Ritzel und das Schlaggeräusch ausgeschaltet und ebenfalls wird eine Übertragung der Schwingung zum Lenkrad durch das Ritzel unterdrückt, wodurch das Lenkgefühl verbessert wird.
Gemäß der Erfindung ist weiter eine Stelle einer axialen Mitte des Lagers in einem Zustand angeordnet, dass ein Abstand von einer Endfläche der Zahnstange in einer neutralen Position gleich einer Länge von 0,224L oder 0,359L oder einer Länge von 0,224L bis 0,359L ist, wobei L die Länge der Zahnstange ist, sodass die von dem Lager gelagerte Mutter kaum durch die freie Schwingung beeinflusst wird. Da die Amplitude der Zahnstange in der Nähe des Lagers äußerst gering ist, wird die auf die von dem Lager gelagerte Mutter einwirkende Lastabweichung unterdrückt.
Gemäß der Erfindung fällt weiter die axiale Mitte des Lagers mit einer axialen Mitte der Mutter zusammen, sodass eine auf die von dem Lager gelagerte Mutter einwirkende Last zur Lastabweichung weiter unterdrückt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene andere Ziele, Merkmale und damit zusammenhängende Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung nach dem Stand der Technik;
2 eine Ansicht einer elektrischen Servolenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Gesamtansicht einer elektrischen Servolenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht einer elektrischen Servolenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5(A) ein schematisches Diagramm einer elektrischen Servolenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5(B) ein Diagramm einer Schwingung einer Zahnstange in einem vollständig freien Zustand, und 5(C) ein Diagramm einer Zahnstange in einem an den Endflächen begrenzten Zustand.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform einer elektrischen Servolenkung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben. Im Folgenden wird zuerst die elektrische Servolenkung 10 und dann der genaue Aufbau der elektrischen Servolenkung 10 beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, ist die elektrische Servolenkung an einem Fahrzeugkörper befestigt. Die elektrische Servolenkung 10 umfasst eine Zahnstange 12, die in Längsrichtung quer zum Fahrzeugkörper angeordnet ist. Die Zahnstange 12 ist mit einem rechten und linken Rad 18 verbunden, die über eine Zugstange 14 und einen Gelenkbolzen 16 gesteuert werden. Jedes Rad 18 wird durch eine Bewegung der Zahnstange 12 in Längsrichtung gesteuert. Die Zahnstange wird von einem Zahnstangenabschnitt und einem Ritzel 22 und einem Kugelspindelmechanismus 26 bewegt. Der Zahnstangenabschnitt-Ritzelmechanismus 22 überträgt ein Lenkmoment an einer Lenkung oder eine Drehung eines Lenkrades 20 und der Kugelspindelmechanismus 26 überträgt ein Hilfsmoment eines elektrischen Motors 24 eines bürs tenlosen Gleichstrommotors. Der Zahnstangenabschnitt-Ritzelmechanismus 22 umfasst einen Zahnstangenabschnitt 28 und ein Ritzel 30. Der Zahnstangenabschnitt 28 ist auf einem axialen Abschnitt der Zahnstange 12 ausgebildet. Das Ritzel 30 steht mit dem Zahnstangenabschnitt 28 in Eingriff und ist mit dem Lenkrad 20 durch eine Lenkwelle 32 verbunden. Entsprechend wird durch eine Drehung des Ritzels 30 des Zahnstangenabschnitt-Ritzelmechanismus 22 durch ein Lenkmoment die Zahnstange 12 durch den Zahnstangenabschnitt 28, der mit dem Ritzel 30 in Eingriff steht, axial bewegt. D.h., der Zahnstangenabschnitt-Ritzelmechanismus 22 setzt das Lenkmoment zu einer Lenkkraft oder einer Drehkraft zur axialen Bewegung der Zahnstange 12 um.
Der Kugelspindelmechanismus 26 umfasst eine Schraubennut 34 und eine Kugelspindelmutter 36. Die Schraubennut 34 ist an dem äußeren axialen Abschnitt der Zahnstange 12 ausgebildet. Die Kugelspindelmutter 36 steht mit der Schraubennut 34 über mehrere Kugeln 68 (weiter unten beschrieben) in Eingriff und ist mit dem Elektromotor 24 verbunden. Gemäß einer Drehung der Kugelspindelmutter 36 des Kugelspindelmechanismus 26 durch eine Antriebskraft (Hilfsmoment), wird die Zahnstange 12 durch die mit der Kugelspindelmutter 36 in Eingriff stehende Schraubennut 34 axial bewegt. D.h., der Kugelspindelmechanismus 26 setzt das Hilfsmoment in eine Hilfslenkkraft oder eine Hilfsdrehkraft zur axialen Bewegung der Zahnstange 12 um.
Der Elektromotor 24 ist elektrisch mit einem Steuerschaltkreis 38 verbunden. Der Steuerschaltkreis 38 ist elektrisch mit einem Drehmomentsensor 40 zur Erfassung des durch eine Bedienung des Lenkrades 20 erzeugten Lenkmoments verbunden. Der Drehmomentsensor 40 ist zwischen einer Eingangswelle 32A und einer Ausgangswelle 32B, die die Lenkwelle bilden, angeordnet, und erfasst das auf einer relativen Winkelverschiebung zwischen der Eingangswelle 32A und der Ausgangswelle 32B oder aufgrund jeder absoluten Winkelverschiebung der Eingangswelle und der Ausgangswelle 32A, 32B erzeugte Lenkmoment. Der Steuerschaltkreis 38 bewegt den Elektromotor zur Erzeugung des Hilfsmoments in einer Richtung und einer Größe entsprechend des Lenkmoments, d.h., der Steuerschaltkreis 38 dreht den Elektromotor 24.
Im Folgenden wird die genaue Konstruktion der elektrischen Servolenkung 10 beschrieben. 3 zeigt eine Schnittansicht der gesamten Konstruktion der elektrischen Servolenkung 10. 4 zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Zahnstangenabschnitts-Ritzelmechanismus 22, den Elektromotor 24 und den Kugelspindelmechanismus 26. Diese Figuren zeigen einen Zustand in einer neutralen Position der Zahnstange 12, d.h. eine Position, bei der ein Zustand der Geradeausbewegung der rechten und linken Räder 18 beibehalten wird.
Die elektrische Servolenkung umfasst ein Gehäuse 42 für die sich dadurch erstreckende Zahnstange 12, den Zahnstangenabschnitt-Ritzelmechanismus 22, den Elektromotor 24 und den Kugelspindelmechanismus 26. Das Gehäuse 42 umfasst ein Zahnstangenabschnittsgehäuse 44, ein Jochgehäuse 46 und ein Endgehäuse 48, wobei jedes der Gehäuse 44, 46, 48 inform eines zylindrischen Rohres ausgebildet ist, die konzentrisch miteinander ver bunden sind, z.B. mittels einer Schraube, und eine Einheit darstellen. Das Gehäuse 22 ist am Fahrzeugkörper mittels einer nicht dargestellten Halterung befestigt.
Das Zahnstangengehäuse 44 umfasst eine Seite des der Zahnstange 12 entsprechenden Gehäuses 42 und weist einen Ritzelraum 50 an einer der longitudinalen Mitte der Zahnstange 28 entsprechenden Stelle auf. Im Ritzelghäuse 50 ist das Ritzel 30 in Eingriff mit dem Zahnstangenabschnitt 28 eingebaut. Die oberen und unteren Enden einer Welle für das Ritzel 30 sind durch nicht dargestellte Lager drehbar gelagert und das obere Ende ist mit der Ausgangswelle 32b verbunden. An der gegenüberliegenden Seite des Zahnstangengehäuses 44 ist an dem Ritzelgehäuse 50 eine Zahnbstangenführung 52 befestigt, sodass die Zahnstange 12 zwischen der Zahnstangenführung 52 und dem Ritzel 30 angeordnet ist. Die Zahnstangenführung 52 weist eine nicht dargestellte Feder auf, um die Zahnstangenführung 52 gegen einen hinteren Abschnitt des Zahnstangenabschnitts 28 zu drücken, um den Eingriff des Zahnstangenabschnitts 28 und des Ritzels aufrecht zu erhalten. Eine longitudinale Stelle des Ritzels 30 wird weiter unten beschrieben.
Das Jochgehäuse 46 umfasst einen mittleren Abschnitt des Gehäuses 42 und ist mit einer Endfläche eines vergrößerten Abschnitts 44A des Zahnstangengehäuses 44 verbunden. Das Jochgehäuse 46 ist im Wesentlichen zylindrisch und weist etwa den gleichen Durchmesser wie der vergrößerte Abschnitt 44A auf. Ein Ankerkern 54 ist an der Innenseite des Jochgehäuses 46 in seiner axialen Mitte angeordnet. Eine radiale Mitte des Ankerkerns 54 entspricht im Wesentlichen einer radialen Mitte der Kugelspinde 12, um einen konzentrischen Motor der Zahnstangenabschnitts-Ritzel-Servolenkung zu bilden. Der Ankerkern 54 weist mehrere umfangsmäßig getrennte Schlitze (nicht dargestellt) auf, die Wicklungen (nicht dargestellt) tragen, wobei jeder Wicklung ein Antriebsstrom zugeführt wird.
Innerhalb des Ankerkerns 54 ist eine Motorwelle 56 etwa rohrförmig-zylindrisch ausgerichtet. Die Motorwelle 56 wird mittels Lagern 58, 60 an beiden Enden in einem die Zahnstange 12 durchdringenden Zustand gelagert. Das Lager 58 ist in dem vergrößerten Abschnitt 44A befestigt. Andererseits ist das Lager 60 erfindungsgemäß in dem Jochgehäuse 46 an der Seite des Endgehäuses 48 befestigt. Eine Stelle des Lagers gemäß der Erfindung wird im Einzelnen weiter unten beschrieben. Ringmagnete sind an einer Umfangsfläche der Motorwelle 56 entsprechend dem Ankerkern 54 angeklebt. Die Motorwelle 56 bildet somit einen Magnetweg zur Drehung der Motorwelle 56 durch Zuführung des Stroms zu den Wicklungen des Ankerkerns 54 über einen Kontakt 54A. Der Motor 24 umfasst den Ankerkern 54 (Wicklungen, Kontakt 54A), die Motorwelle 56 und die Ringmagnete 62. Der Motor 24 ist reversibel entsprechend einem Steuersignal des Steuerschaltkreises 38 drehbar.
In dem Lager 60 ist auf der Motorwelle 56 mittels einer Verriegelungsmutter 64 die Kugelspindelmutter 36 angeordnet, und die Kugelspindelmutter 36 wird mit der Motorwelle 56 gedreht. Wie in 5 dargestellt, fällt eine axiale Mitte BC des Lagers 60 mit einer a xialen Mitte NC der Kugelspindelmutter 36 zusammen. Die Kugelspindelmutter 36 wird somit vom Lager 60 über die Motorwelle 56 gelagert und ist gegen den Fahrzeugkörper, d.h. das Gehäuse 42 drehbar.
Wie in 4 gezeigt, ist eine Kugelnut 66 auf einer Innenfläche der Kugelspindelmutter 36 entsprechend der Schraubennut 34 der Zahnstange 12 ausgebildet. Mehrere Kugeln 68 sind in einem spiralförmigen Kugelwälzraum zwischen der Schraubennut 34 und der Schraubennut 66 ausgerichtet. Die mehreren Kugeln drehen sich auf einem bestimmten Weg der Kugelspindelmutter 36 mit einer Last einer relativen Drehung der Schraubennut 34 und der Schraubennut 66. Das Endgehäuse 48 ist an der gegenüberliegenden Seite des Jochgehäuses 46 an dem Zahnstangengehäuse 44 befestigt, um einen Endabschnitt der Motorwelle 56, einschließlich der sich darein erstreckenden Kugelspindelmutter 36 und der Verriegelungsmutter 64 abzudecken.
Die Stellen des Ritzels 30 oder der Zahnstangenführung 52 und des Lagers 60 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 und 5 beschrieben. Ein Zeichen L zeigt eine axiale Länge der Zahnstange 12, ein Zeichen 12A bezeichnet eine Endfläche an der Seite des Zahnstangenabschnitts 28 der Zahnstange 12 und ein Zeichen 12B bezeichnet eine Endfläche an der Seite der Kugelnut 34 der Zahnstange 12. Die Endfläche 12A stellt in der 3 eine rechte Seite und die Endfläche 12B eine linke Seite dar. 5(A) zeigt eine lagemäßige Beziehung des Ritzels 30 und des Lagers 36 gegenüber der Zahnstange 12.
Ein Drehmittelpunkt PC des Ritzels 30, im Folgenden als Ritzelmitte PC bezeichnet, ist in einem Zustand angeordnet, dass ein Abstand D1 von der Endfläche 12A der Zahnstange 12 in der neutralen Stellung gleich einer Länge von 0,224L oder 0,333L oder innerhalb einer Länge von 0,224L bis 0,333L angeordnet ist. Die Zahnstangenführung 52 ist an einer longitudinalen Stelle der Zahnstange 12 entsprechend dem Ritzel 30 angeordnet. Eine axiale Mitte BC des Lagers 60, im Folgenden als Lagermitte BC bezeichnet, ist in einen Zustand angeordnet, dass ein Abstand D2 von der Endfläche 12D der Zahnstange 12 gleich einer Länge von 0,224L oder 0,333L oder innerhalb einer Länge von 0,224L bis 0,333L angeordnet ist.
5(B) zeigt eine Achse der Zahnstange 12 in einem völlig freien Zustand, d.h. ohne irgendeine Begrenzung, d.h. ohne irgendeine Lagerung mittels des Fahrzeugkörpers. In diesem Zustand ist eine Stelle mit dem Abstand von 0,224L der Zahnstange 12 von der Endfläche 12A oder der Endfläche 12B an einer der minimalen Amplitude von Null entsprechenden Stelle einer primären freien Schwingung der Achse angeordnet, die im Wesentlichen den gleichen Querschnitt der Zahnstange 12 aufweist.
5(C) zeigt eine Achse der Zahnstange 12 in einem begrenzten Zustand, bei dem die Endfläche 12A und die Endfläche 12B begrenzt sind. In diesem Zustand ist eine Stelle mit dem Abstand von 0,333L der Zahnstange 12 von der Endfläche 12A oder der Endfläche 12B an einer der minimalen Amplitude von Null einer primären freien Schwingung einer Achse angeordnet, die im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Zahnstange 12 aufweist. Diese Begrenzungen werden durch die Zugstange 14 und den Gelenkbolzen 16 erreicht.
Das Ritzel 30 oder die Zahnstangenführung 52 und das Lager 60 sind tatsächlich an der Stelle der minimalen Amplitude der primären freien Schwingung angeordnet. Die Stellen wurden durch eine genaue theoretische Analyse oder digitale Analyse zwischen 0,224L und 0,333L von der Endfläche 12A oder der Endfläche 12B der Zahnstange 12 bestimmt. Der Abstand D1 ist gleich dem Abstand D2 oder nicht gleich.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben Bei der oben beschriebenen elektrischen Servolenkung 10 lenkt der Fahrer das Lenkrad 20 und das Lenkmoment wird zu einer Lenkkraft zur axialen Bewegung der Zahnstange 12 umgewandelt, wodurch die Zahnstange 12 quer zum Fahrzeugkörper bewegt wird. Hierbei erfasst der Drehmomentsensor 40 das Lenkmoment und der Steuerschaltkreis 38 erzeugt das Hilfsmoment für den elektrischen Motor 24 entsprechend dem Lenkmoment. Das Hilfsmoment wird zu der Hilfslenkkraft umgewandelt, um die Axialbewegung der Zahnstange 12 mittels des Kugelspindelmechanismus 26 zu unterstützen. Die Antriebskraft des Lenkrades durch den Fahrer wird somit vermindert.
Bei der elektrischen Servolenkung 10 wirkt eine Gegenkraft gegen die Räder von einer Straße und einer Schwingung eines Motors und durch das Lenken der Rä der, die eine Schwingung der Zahnstange 12 aufgrund ihrer natürlichen Frequenz bewirkt.
Da in diesem Fall der Ritzelmittelpunkt PC in einem Abstand von D1 von der Endfläche 12A der Zahnstange 12 innerhalb von 0,224L bis 0,333L liegt, heißt das, dass das Ritzel 30 mit dem Zahnstangenabschnitt 28 bei einer minimalen Amplitude der primären freien Schwingung des Zahnstangenabschnitts 28 in der neutralen Stellung in Eingriff tritt, sodass das Ritzel 30 durch die freie Schwingung kaum beeinflusst wird. Die Amplitude der Zahnstange 12 in der Nähe des Ritzels 30 ist somit minimal, wodurch eine Abweichung des Eingriffs des Zahnstangenabschnitts 28 mit dem Ritzel 30 und ein Schlaggeräusch ausgeschaltet werden. Weiter wird eine Übertragung der Schwingung auf das Lenkrad 20 durch das Ritzel 30 unterdrückt, wodurch das Lenkgefühl verbessert wird.
Bei der elektrischen Servolenkung 10 ist der Lagermittelpunkt PC in einem Abstand D2 von der Endfläche 12B der Zahnstange 12 innerhalb von 0,224L bis 0,333L angeordnet, d.h., dass die Kugelspindelmutter 36 mit der Schraubennut 34 durch die Kugeln 68 bei einer minimalen Amplitude der primären freien Schwingung des Zahnstangenabschnitts 28 in der neutralen Stellung in Eingriff steht, sodass die Kugelspindelmutter 36 fast kaum durch die freie Schwingung beeinflusst wird. Die Amplitude der Zahnstange 12 in der Nähe des Lagers 60 ist minimal und unterdrückt eine auf die von dem Lager 60 gelagerte Kugelspindelmutter 36 wirkende Lastabweichung. D.h., da der Lagermittelpunkt BC mit der axialen Mitte NC der Kugelspindelmutter 36 zusammenfällt, wird die eine Last von der Zahnstange 12 über die mehreren Kugeln 68 aufnehmende Kugelspindelmutter 36, die von dem Lager 60 an diese Stelle gelagert wird, fast kaum durch die freie Schwingung an ihrem Mittelpunkt NC beeinflusst, sodass eine Lastabweichung weiter unterdrückt wird.
Da die Achse der Länge L an beiden Enden eingespannt ist, erscheint eine minimale Amplitude einer tertiären Schwingung an einer Stelle von 0,359L von jeder der Endflächen. Die Abstände D1, D2 des Ritzelmittelpunkts PC und des Lagermittelpunkts BC, das die Zahnstange 12 lagert von den Endflächen 12A, 12B, beträgt 0,224L oder 0,359L oder liegt in einem Bereich von 0,224L bis 0,359L.
Die Ausführungsform der Erfindung kann die Übertragung der Schwingung der Zahnstange 12 auf den Fahrzeugkörper unterdrücken.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Kugelspindelmutter 36 körpermäßig mit der Motorwelle 56 ausgebildet oder mit dem Motor 24 über ein Untersetzungsmechanismus oder einen Drehrichtungsumformer verbunden sein. Für das Lager 60 ist es möglich, dass es direkt die Kugelspindelmutter 36 lagert. Der Lagermittelpunkt BC kann von dem Mittelpunkt NC der Kugelspindelmutter 36 innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung versetzt sein. Weiter kann der Betrieb des Lenkrades 20 der elektrischen Servolenkung 10 mittels eines automatischen Lenksystems erreicht werden.
Die beschriebenen technischen Bauteile in dieser Beschreibung und in den Zeichnungen zeigen den technischen Nutzen unabhängig von anderen Kombinationen, die nicht auf die in den Ansprüchen beschriebenen Kombinationen zum Zeitpunkt der Anmeldung begrenzt sind. Der beschriebene Stand der Technik und die dargestellten Zeichnungen können gleichzeitig mehrere Aufgaben lösen und sind technisch durch die Verwirklichung einer dieser Aufgaben nützlich.

Claims

Elektrische Servolenkung (10), umfassend eine Zahnstange (12) mit einem Zahnstangenabschnitt (28) an einer Seite und einer Schraubennut (34) an der anderen Seite, ein drehbar an einem Fahrzeugkörper eines Fahrzeugs befestigtes, mit dem Zahnstangenabschnitt (28) in Eingriff stehendes Ritzel (30), das mittels eines Lenkmoments gedreht wird, eine mit der Schraubennut (34) in Eingriff stehende und mit einem Elektromotor (24) verbundene Mutter (36), die von einem Drehmoment des Elektromotors (24) zur Unterstützung der Bewegung der Zahnstange (12) gedreht wird, und ein die Mutter (36) am Fahrzeug lagerndes Lager (60), dadurch gekennzeichnet dass die Zahnstange (12) longitudinale Stellen minimaler Amplituden aufweist, an denen die Amplituden der Zahnstange (12) senkrecht zu ihrer Längsrichtung, die während des Betriebs des Fahrzeugs bei der freien Schwingung der Zahnstange (12) aufgrund ihrer natürlichen Frequenz auftreten, minimal sind, wobei sowohl das Ritzel (30) als auch das Lager (60) an den longitudinalen Stellen der minimalen Amplituden einer pri mären freien Schwingung der Zahnstange (12) in einer neutralen Lenkstellung angeordnet sind.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, wobei die longitudinalen Stellen des Ritzels und des Lagers an einer der minimalen Amplitude einer freien Schwingung der Zahnstange mit einer Begrenzung an beiden Endflächen der Zahnstange oder ohne irgendeine Begrenzung entsprechenden Stelle angeordnet sind.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Stelle des Drehmittelpunkts des Ritzels (30) in einem Zustand angeordnet ist, dass ein Abstand von einer Endfläche der Zahnstange (12) in einer neutralen Position gleich einer Länge von 0,224L oder 0,359L oder einer Länge von 0,224L bis 0,359L ist, wobei L die Länge der Zahnstange ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Stelle einer axialen Mitte des Lagers (60) in einem Zustand angeordnet ist, dass ein Abstand von einer Endfläche der Zahnstange (12) in einer neutralen Position gleich einer Länge von 0,224L oder 0,359L oder einer Länge von 0,224L bis 0,359L ist, wobei L die Länge der Zahnstange ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede longitudinale Stelle eines Drehmittelpunkts des Ritzels 30 oder einer axialen Mitte des Lagers (60) in einem Zustand angeordnet ist, dass ein Abstand von einer Endfläche der Zahnstange (12) in einer neutralen Position gleich einer Länge von 0,224L oder 0,359L oder einer Länge von 0,224L bis 0,359L ist, wobei L die Länge der Zahnstange ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, 2 oder 5, wobei jede longitudinale Stelle der Mutter (36) und des Lagers (60) voneinander unterschiedlich ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, wobei die axiale Mitte des Lagers (60) mit der axialen Mitte der Mutter (36) zusammenfällt.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Mutter (36) mehrere Kugeln aufweist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine radiale Mitte des Ankerkerns (54) des Elektromotors (24) ungefähr gleich der radialen Mitte der Schraubennut (34) ist.