DE69833768T2

DE69833768T2 - Elektrische servolenkung mit einem schneckengetriebe

Info

Publication number: DE69833768T2
Application number: DE69833768T
Authority: DE
Inventors: Michael Appleyard
Original assignee: TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd
Current assignee: TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: WO1999011502A1; KR100559921B1; EP1007398B1; JP2001514122A; US6357313B1; GB9718574D0; BR9812044A; ES2260844T3; EP1007398A1; DE69833768D1; KR20010023614A; EP1676768A1

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Vorrichtung zum Beseitigen oder Verringern von Spiel und/oder freien Zwischenräumen zwischen einem Paar ineinander greifender Zahnräder und insbesondere zwischen einem Schneckenrad und einem Zahnrad in einem elektrischen Servolenkungssystem.
Im Stand der Technik ist es bekannt, ein elektrisches Servolenkungssystem vorzusehen, bei dem ein Elektromotor als Reaktion auf eine Messung des vom Fahrer eines Fahrzeugs auf eine Lenksäule ausgeübten Drehmoments ein Unterstützungsmoment auf die Lenksäule ausübt. Der Motor wirkt über ein Schneckenrad und ein Zahnrad auf die Lenksäule, wobei das Schneckenrad auf einer Ausgangswelle des Motors vorhanden ist und das Zahnrad auf einer getriebenen Welle vorgesehen ist, die einen Abschnitt der Lenksäule umfassen kann. Die Schnecke und das Zahnrad wirken wie ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Motor und der getriebenen Welle. Ein derartiges System wird nachfolgend als System "der genannten Art" bezeichnet.
EP-A-420131 zeigt ein elektrisches Servolenkungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
EP-A-270159 zeigt ein System zum automatischen Nachstellen von Spiel bei einem Schneckenrad, wobei das System eine Druckfeder umfasst.
Ein Problem bei bekannten Lenkungssystemen der genannten Art, insbesondere wenn die Antriebswelle einen Abschnitt der Lenksäule umfasst, besteht darin, dass jedweder freier Zwischenraum (Spiel) zwischen den Zähnen der Schnecke und den Zähnen des Zahnrads bei einer Drehmomentlastumkehr zu diskontinuierlichen Klopfgeräuschen führen kann. Diese Geräusche können sowohl infolge von Veränderungen des durch den Motor ausgeübten Drehmomentniveaus als auch durch Bewegungen der Lenksäulenwelle aufgrund von Aktionen des Fahrers sowie Vibrationen der Zahnstange aufgrund von Unebenheiten der Straßenoberfläche oder schlecht ausgewuchteten Rädern auftreten.
Das Problem der Geräusche und des Klopfens infolge von Spiel hat sich in der Praxis sogar bei ziemlich niedrigen Spielniveaus als erheblich erwiesen. Spiel kann beispielsweise sogar bei so geringen Niveaus, wie etwa 0,015 mm, ein Problem verursa chen, wobei der niedrigste Toleranzbereich für Spiel, der typischerweise bei der Fertigungsmontage (ohne individuelle Stück-für-Stück-Einstellung) erzielt werden kann, ungefähr bei 0,050 mm liegt. Darüber hinaus ist es bekannt, dass sich das Spiel während des Betriebs des Systems aufgrund von Verschleiß um ungefähr 0,05 mm vergrößern kann. Dies ist merklich, wenn Kunststoffzahnräder verwendet werden, um Reibung, Gewicht und Kosten zu verringern. Metallzahnräder wären verschleißfester, jedoch nicht dazu in der Lage, die niedrigen Reibwerte und Toleranz gegenüber Mangelschmierung zu bieten, die nötig sind, um sicherzustellen, dass die Einheit während ihrer gesamten Lebensdauer rückstellbar bleibt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Einrichtung zur zumindest teilweisen Überwindung des Problems von Spiel zwischen Zahnrädern, insbesondere zwischen Schneckenrad und Zahnrad, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß ist bei einem elektrischen Servolenkungssystem der genannten Art die Motorausgangswelle, die ein Schneckenrad umfasst, innerhalb eines Gehäuses mittels zumindest zweier Stützanordnungen gelagert, die längs der Ausgangswelle axial voneinander beabstandet sind, wobei eine erste der Stützanordnungen Mittel zum Zulassen einer radialen Verlagerung eines Endes der Ausgangswelle bezüglich des Zahnrads umfasst, während die andere Stützanordnung eine winkelmäßige Verlagerung der Ausgangswelle relativ zum Gehäuse zu ermöglichen vermag, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stützanordnung eine Lageranordnung aufweist, die in einer Öffnung oder Ausnehmung gehalten ist, welche exzentrisch innerhalb einer Buchse vorhanden ist.
Das Vorsehen von Stützanordnungen ist vorteilhaft, da durch Zulassen einer radialen Verlagerung wenigstens eines Endes der Ausgangswelle der Abstand zwischen dem Schneckenrad und dem Zahnrad verändert werden kann. Dies ermöglicht es, die freien Zwischenräume und Spiel im Zahnradsatz einzustellen.
Das Zahnrad kann Zähne aufweisen, die eine voll gerundete oder halbgerundete Zahnform haben, bei der der Halsradius wesentlich größer als der (d.h. "nicht konform" mit dem) Radius der Schnecke ist. Daher kann ein relativ großer Abweichungsgrad bei der axialen Positionierung des Zahnrades relativ zum Schneckenrad toleriert werden, ohne große Veränderungen des Spiels und der freien Zwischenräume zu erzeugen, wohingegen eine nur geringe Veränderung der radialen Verlagerung zwischen Schneckenrad und Zahnrad eine brauchbare Veränderung der Spielniveaus erzeugt.
Ein Vorteil der nicht konformen Halsform besteht darin, dass sie maschinell leichter herzustellen ist als eine konforme Halsform, da sie einen größeren Walzfräsdurchmesser und eine vorteilhaftere Form der Schneidzähne zulässt.
Vorzugsweise lagert die erste der Stützanordnungen die Ausgangswelle im Wesentlichen an ihrem freien Ende, d.h. dem am weitesten vom Elektromotor entfernten Ende. Die andere Stützanordnung lagert die Ausgangswelle vorzugsweise an einer Stelle zwischen der Motorbaugruppe und dem Schneckenrad, z.B. etwa ungefähr in der Mitte der Ausgangswelle.
Die Motorausgangswelle, das Schneckenrad und das Zahnrad auf der Lenksäule sind alle wenigstens teilweise in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse vorgesehen.
Die Buchse kann in einer Öffnung oder Ausnehmung des Gehäuses angeordnet sein. Da das Lager exzentrisch in der Buchse montiert ist, bewirkt eine Drehung der Buchse um ihre Drehachse eine radiale Verlagerung der Ausgangswelle relativ zum Gehäuse, zumindest dort, wo sie durch die Buchse hindurch- oder in diese eintritt.
Wenn die Ausgangswelle in wenigstens zwei Lageranordnungen gelagert ist und die erste so eingestellt wird, dass sie eine radiale Verlagerung der Welle bereitstellt, verändert sich der Winkel, unter dem die Ausgangswelle durch die andere Stützanordnung hindurchtritt. Demgemäß ist die andere Stützanordnung dazu ausgelegt, einen gewissen Grad an winkelmäßiger Verlagerung zuzulassen.
Die erste Stützanordnung kann manuell eingestellt werden, um die Radialverlagerung der Ausgangswelle zu erleichtern. Die Buchse kann beispielsweise einen Flanschabschnitt enthalten, der am Gehäuse befestigt ist. Der Flanschabschnitt kann durch einen oder mehrere Bolzen oder Schrauben befestigt werden, die durch längliche Öffnungen im Flansch hindurchtreten. Die Öffnungen ermöglichen es dem Flansch (und somit der exzentrischen Buchse), relativ zu den Bolzen manuell gedreht zu werden, wenn die Bolzen gelöst sind. Sobald die korrekte Stellung erreicht ist, können die Bolzen (oder Schrauben oder ähnliches) festgezogen werden, um den Flansch sicher in Stellung zu fixieren.
Bei einer alternativen Anordnung kann die erste Stützeinrichtung dazu ausgefegt sein, sich im Betrieb automatisch einzustellen, um die Ausgangswelle radial zu verlagern. Dies könnte es beispielsweise ermöglichen, die Welle automatisch zu bewegen, um das Spiel und/oder freie Zwischenräume auf einem gewünschten Niveau zu halten.
Die automatische Einstelleinrichtung kann ein nachgiebiges Element umfassen, das dafür ausgelegt ist, über das Schneckenrad eine Last zwischen der Ausgangswelle und dem Zahnrad aufzubringen. Die Last kann einen festen Wert haben oder einstellbar sein. Das nachgiebige Element kann eine Zugfeder oder eine Druckfeder umfassen. Die Feder kann linear oder nichtlinear sein, d.h. eine Spiralfeder.
Das nachgiebige Element kann dazu ausgelegt sein, eine Kraft zwischen dem Gehäuse und der exzentrischen Buchse auszuüben, die die Buchse drehen möchte. Der Drehung wird durch die Kraft des Schneckenrades entgegengewirkt, die auf das Zahnrad wirkt. Die durch das nachgiebige Element ausgeübte Kraft wird vorzugsweise so gewählt, dass die Reibung zwischen den Teilen der Stützeinrichtung und dem Gehäuse überwunden wird.
Die zweite Stützanordnung kann ein erste Platte und eine zweite Platte umfassen, die einen Lagerlaufring zwischen sich einspannen. Jede Platte kann einen oder mehrere Vorsprünge umfassen, die den mittleren Laufring der Lageranordnung einspannen. Besonders bevorzugt weist jede Platte eine mittige Bohrung auf, durch die die Ausgangswelle hindurchtreten kann, sowie ein Paar diametral zueinander beabstandeter Vorsprünge auf jeder Seite der Bohrung, die im eingespannten Zustand der Lageranordnung zugewandt sind. Die Lageranordnung ist vorzugsweise im Wesentlichen über den Bereich ihres mittleren Drittels nur durch die Vorsprünge eingespannt, so dass sie um die Vorsprünge "kippbar" oder schwenkbar ist. Daher ist ein Grad an winkelmäßiger Drehung der Lagerlaufringe möglich, der die Verwendung von Lagern mit geringer Toleranz ermöglicht.
Die Vorsprünge können gehärtete Kissen sein und die Lagerlaufringe können eine hohe axiale Steifigkeit aufweisen, um eine übermäßige ungleichmäßige Belastung der Kugellager in der Horizontalebene zu verhindern, wenn Axialkräfte auf das Lager wirken.
Ein Vorteil der automatischen Einstelleinrichtung besteht darin, dass sie im Wesentlichen die Notwendigkeit beseitigt, die Stellung der Ausgangswelle während des Betriebs manuell einzustellen, wodurch der Verschleiß im Zahnradsatz automatisch korrigiert werden kann.
Zusätzlich zur automatischen Einstelleinrichtung kann außerdem eine manuelle Einrichtung vorhanden sein, um eine Feineinstellung der Ausgangswellenstellung durchführen zu können.
Es werden nun lediglich beispielhaft zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Zuhilfenahme der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht einer elektrischen Servolenkungsanordnung ist, die Ausgangswellen-Stützanordnungen umfasst,
2 eine Endansicht einer ersten Stützanordnung ist, die das freie Ende der Ausgangswelle gemäß 1 bezüglich eines Gehäuses lagert und eine manuelle Einstellung der Radialstellung der Ausgangswelle ermöglicht,
3 eine Endansicht einer alternativen ersten Stützeinrichtung ist, die eine automatische Einstellung der Radialstellung der Ausgangswelle ermöglicht,
4 die Kräfte zeigt, die zwischen den Zähnen des Schneckenrads und des Zahnrades wirken,
5 die Kräfte zeigt, die zwischen dem Schneckenrad und dem Zahnrad infolge der Ausübung einer Vorspannkraft wirken, die durch eine automatische Einstelleinrichtung erzeugt wird, wie etwa der in 3 gezeigten, und
6 eine zu der in 3 dargestellten Einrichtung alternative Anordnung zeigt.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Stützeinrichtung wird nun beispielhaft erläutert. 1 ist eine Darstellung der Bestandteile eines typischen elektrischen Servolenkungssystems. Das System umfasst ein einstückiges Gehäuse 1 mit einer Öffnung 2, die von einem Fixierflansch 3 umgeben ist, an dem ein Gehäuse 4 eines Elektromotors befestigt ist.
Das Motorgehäuse 4 trägt einen Motorstator (nicht gezeigt) und ein Motorrotor 5 ist innerhalb des Stators gelagert. Eine Ausgangswelle 6, die sich zumindest teilweise durch den Motor erstreckt, ist am Rotor 5 angebracht und erstreckt sich durch die Öffnung 2 in das Gehäuse 1. Ein Betrieb des Motors bewirkt eine Drehung des Rotors 5 und somit der Ausgangswelle 6. Die Ausgangswelle 6 umfasst ein längs eines mittleren Abschnitts ausgebildetes Schneckenrad 8.
Die Ausgangswelle 6 wird durch zwei Stützanordnungen 100, 200 gehalten. Eine erste Stützanordnung 100 ist am freien Ende der Ausgangswelle 6 distal vom Motor vorgesehen und in einer Öffnung 7 des Gehäuses 1 angeordnet, so dass auf sie von außerhalb des Gehäuses zugegriffen werden kann. Die zweite Stützanordnung 200 ist vorgesehen, um die Ausgangswelle 6 an einer Stelle zwischen dem Motorrotor und dem Schneckenrad 8 zu lagern. Eine Antriebswelle 9 erstreckt sich rechtwinklig zur Ausgangswelle 6 durch das Gehäuse 1 und trägt ein Zahnrad 10 mit konformer Zahnform. Die getriebene Welle 9 ist im Gehäuse 1 durch feststehende Lager (nicht gezeigt) gelagert, so dass sie relativ zum Gehäuse nicht radial verlagert werden kann. Sie wird in einer Stellung gehalten, in der das Zahnrad 10 mit dem Schneckenrad 8 auf der Ausgangswelle in Eingriff steht.
Die erste Stützanordnung 100 umfasst eine exzentrische Buchse 101 mit einem an ein Ende geschweißten Flansch 102. Der Außenumfang der Buchse 101 ist zylindrisch und dafür ausgelegt, in der zylindrischen Bohrung 7 im Gehäuse 1 angeordnet zu werden, so dass der Flansch 102 an einer Außenfläche des Gehäuses 1 anliegt. Das freie Ende der Ausgangswelle 6 wird durch eine Lageranordnung gelagert, die ein Lager 103 umfasst, das im Presssitz in eine exzentrische kreisförmige Bohrung 104 in der Buchse 101 eingepasst ist. Das Lager 103 ist so eingepasst, dass es zum Außenumfang der Buchse 101 exzentrisch angeordnet ist, wie in 2 gezeigt.
Der Außenumfang der Buchse 101 wurde kreisförmig gewählt, so dass sie innerhalb der Bohrung 7 des Gehäuses gedreht werden kann. Selbstverständlich muss der Umfang nicht kreisförmig sein, jede Form, die wenigstens einen gewissen Drehbereich der Buchse 101 relativ zum Gehäuse 1 zulässt, wäre akzeptabel. Die Buchse 101 wird durch Bolzen 105 in Stellung gehalten, die durch längliche Schlitze 106 im Flansch hindurchtreten. Die Länge der Schlitze 106 bestimmt in diesem Fall das größtmögliche Maß der Drehung der Buchse 101 innerhalb der Bohrung 7. Da der Flansch 102 auf der Außenseite des Gehäuses 1 angebracht ist, ist es trivial, die Stellung des Flansches 102 während des Betriebs durch Lockern des Bolzens, Drehen der Buchse und erneutes Festziehen der Bolzen 105 zu verändern.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Ausgangswelle 6 durch ein Lager 103 innerhalb der ersten Stützanordnung 100 angeordnet, so dass eine Drehung der Buchse 101 eine radiale Verlagerung des Schneckenrads 8 erzeugt, wodurch es möglich ist, das Spiel einzustellen.
Die zweite Stützanordnung 200 ist dafür ausgelegt, ein Maß an winkelmäßiger Verlagerung der Ausgangswelle 6 zuzulassen, um eine winkelmäßige Fehlausrichtung zu tolerieren, die auftritt, wenn das Schneckenrad radial verschoben wird. Die zweite Stützanordnung 200 umfasst eine erste Platte 201 und eine zweite Platte 202, die jede Seite einer Lageranordnung 203 einspannen, durch die die Ausgangswelle 6 verläuft. Die Platten 201, 202 umfassen erhabene Vorsprünge 210, die den äußeren Laufring der Lageranordnung nur im Bereich seines mittleren Drittels einzuspannen vermögen, wobei das Lager um die erhabenen Abschnitte "kippbar" oder schwenkbar ist. Daher können Lager mit geringem Spiel eingesetzt werden, ohne Probleme infolge eines nicht fluchtenden Betriebs zu verursachen.
Es wird nun der Einstellvorgang des Spiels und der freien Zwischenräume erläutert. Angenommen beispielsweise, das Untersetzungsverhältnis des Zahnradsatzes betrage typischerweise zwischen 12 und 20:1. Für dieses Beispiel sei angenommen, dass es tatsächlich 16,5:1 beträgt. Ferner sei angenommen, dass der Teilkreisdurchmesser des Zahnrades 92,7 mm und der Zahndruckwinkel α 14° betragen. Der Teilkreisdurchmesser der Schnecke beträgt 15,2 mm.
Die Auswirkung einer Radialbewegung der Zähne relativ zu dem entsprechenden Aufnahmespalt wird durch den Druckwinkel von 14° gemäß 2 × tan 14° ≈ 0,5 bestimmt. Somit bewirkt eine Radialverstellung der Schneckenzähne (d.h. der Ausgangswelle) von 0,2 mm eine Veränderung des Spiels um 0,1 mm. Wie vorstehend beschrieben, beträgt das typischerweise auftretende maximale Spiel 0,1 mm. Daher ist zur Beseitigung des gesamten Spiels während der Lebensdauer des Systems eine Radialbewegung der Zahneingriffsstelle von 0,2 mm (d.h. insgesamt ±0,1 mm) erforderlich. Somit ist am ersten Stützende der Ausgangswelle eine Gesamtverstellung von 0,4 mm erforderlich. Dies kann durch eine Verstellung der Stellung des Lagers, das die Ausgangswelle am ersten Stützende lagert, von ungefähr ±0,2 mm erzielt werden. Bei einer typischen Anordnung ergibt dies wiederum eine radiale Verlagerung der Ausgangswelle am Motorende von ±0,05 mm, was für den Betrieb des Motors durchaus akzeptabel ist.
Die winkelmäßige Drehung der Schneckenwelle infolge dieses Einstellbereichs wird auf ±0,115° geschätzt, was durch die zweite Stützeinrichtung aufgenommen wird, die eine geringe winkelmäßige Fehlausrichtung zulässt. Wenn an der zweiten Stützeinrichtung kein Fehlausrichtungsbereich vorgesehen ist, z.B. wenn in einer feststehenden Stützeinrichtung Lager mit geringer Toleranz verwendet werden, würden sich die Lager schnell abnutzen.
Zur Bereitstellung des erforderlichen Einstellbereichs umfasst die erste Stützeinrichtung eine zylindrische Buchse 101 mit einem exzentrischen Loch, in dem eine die Ausgangswelle stützende Lageranordnung 103 angeordnet ist. Das Lager 103 ist ungefähr 2 mm vom Zentrum entfernt angeordnet (d.h. Exzentrizität x = 2 mm), und die Buchse 101 ist anfangs so ausgerichtet, dass eine Drehung der Buchse 101 eine maximale vertikale Verlagerung (erwünscht) der Ausgangswelle bei minimaler horizontaler Verlagerung (nicht erwünscht) bewirkt. Der Flansch ist mit Schlitzen versehen, die eine Drehung von ungefähr ±6° zulassen, um den vollen Betrag an erforderlicher Einstellung bereitzustellen.
Bei einer in den 3 und 6 gezeigten Abwandlung umfasst eine erste Stützanordnung 100 eine Buchse 301 mit einem Flansch 302, wobei sich ein Abschnitt 303 des Flansches 302 radial erstreckt, um einen "Hebelarm" zu bilden. Ein nachgiebiges Element 304, wie etwa eine Zugfeder, ist zwischen dem Hebelarm 303 und einem Teil des Gehäuses 1 verbunden. Während bei der ersten Ausführungsform die Stellung des Flansches 101 relativ zum Gehäuse durch Bolzen fixiert war, ist der Flansch 302 bei dieser Abwandlung frei, um sich unter der Krafteinwirkung der Zugfeder drehen zu können. Dies ermöglicht es, die Radialstellung der Ausgangswelle im Betrieb automatisch einzustellen.
Die Federkraft T muss richtig gewählt werden, um freies Spiel zu beseitigen, ohne den Verschleiß des Zahnradsatzes infolge übermäßiger Kräfte zwischen dem Schneckenrad und dem Zahnrad zu vergrößern.
Angenommen beispielsweise, der Abstand d zwischen der Drehachse der Buchse 301 und der Stelle auf dem Hebelarm 303, an der die Feder 304 angebracht ist, betrage 40 mm und der Außendurchmesser OD der Buchse 28 mm. Die Kräfte, die durch die Feder auf die Buchse 301 wirken, wenn durch den Zahnradsatz keine Kraft ausgeübt wird, sind in 3 dargestellt.
Die Kraft T der Feder, die über den Hebel von 40 mm Länge wirkt, übt ein Drehmoment von T × 40N-mm auf die Buchse aus. Angenommen ein Reibungskoeffizient zwischen der Buchse und dem Gehäuse sei 0,3, wirkt dieser Kraft eine Kraft T¹ von T × 0,3 entgegen, die unter einem Abstand von 14 mm wirkt. Daher beträgt die auf die Buchse wirkende Nettodrehkraft ungefähr 36 × TN.mm, was bewirkt, dass die Schnecke vollständig mit den Flanken der Zähne des Zahnrads in Eingriff gerät. Dies ist in 4 gezeigt.
Ferner sei angenommen, dass eine Kraft F auf das Zahnrad ausgeübt wird, beispielsweise wenn die Lenksäule von einem Fahrer gedreht wird, wie in 4 gezeigt. Wenn diese Kraft beispielsweise 42000 N-mm beträgt, dann tritt eine Tangentialkraft F¹ von 890 N am Zahnrad-Teilkreisradius (46 mm) auf. Dies führt zu einer Zahnrad-Trennkraft F¹¹ von 890 × tan 140 = 222 N, der eine Reib-/Gleitkraft F¹¹ zwischen den Zähnen von (1/cos 140 × sin 140 × 0,05) = 11 N entgegenwirkt (wobei 0,05 der Reibungskoeffizient zwischen einem Kunststoffzahnrad und einer geschmierten Stahlschnecke ist). Die tatsächliche Trennkraft F¹¹ beträgt daher 211 N.
Die vertikale Reaktionskraft am Außendurchmesser der exzentrischen Buchse 301 beträgt ungefähr 105,5 N, was eine auf die Buchse wirkende Drehkraft von 2 × 105,5 N = 211 N.mm bewirkt sowie einen Drehwiderstand aufgrund der Reibungskraft zwischen der Buchse 301 und dem Gehäuse 1 (= 105,5 × 0,3 ≈ 33 N), der unter einem Radius von 14 mm wirkt, was ein Widerstandsmoment von 33 × 14 ≈ 460 N-mm ergibt. Dies ist größer als das Drehmoment, das infolge der Zahnradtrennkräfte auf die Buchse 301 wirkt, weshalb die Zähne vollständig in Eingriff bleiben, da sich die Buchse 301 nicht bewegt.
Aufgrund dieser inhärent selbstsperrenden Wirkung der exzentrischen Buchse, die auf den großen Unterschied zwischen dem äußeren Radius der Buchse (14 mm) und ihrer Exzentrizität (2 mm) zurückzuführen ist, ist der Betrag der Federkraft nicht unmittelbar für das selbstsperrende Verhalten relevant. Er kann daher unter Berücksichtigung anderer Faktoren gewählt werden, z.B. wie viel Zahnrad-Reibungsmoment infolge des Federeingriffs annehmbar ist.
Das Verhältnis zwischen der Zahnradeingriff-Vorspannkraft und der Auswirkung auf die Zahnradreibung wird anhand 5 erläutert.
Bezug nehmend nun auf 5 treten, wenn die Vorspannkraft BF 100 N beträgt, die kombinierten Flankenreaktionskräfte R auf beiden Seiten des Zahns auf, wobei
Die Gleitkraft beträgt 413 × 0,05 N und wirkt an einem Schnecken-Teilkreisradius von 7,6 mm, was zu einem Reibungsmoment der Schneckenwelle von 157 N-mm führt. Wie bei der Zahnradwelle entspricht dies: 157 × 16,5/0,86, wobei 0,86 der durchschnittliche Wirkungsgrad des Zahnradsatzes ist.
Das bedeutet, das ausgangsseitige Reibungsmoment infolge der Vorspannung der Schnecke in das Zahnrad beträgt 100 N = 3012 N-mm ≈ 3,0 N-m.
Wenn die maximal akzeptable Reibung = 0,3 N-m ist, dann beträgt die maximale Zahnrad-Vorspannkraft 10 N.

Kraft an Buchse = 5 N
Drehmoment an Buchse = 5 × 2 = 10 N-mm

* Buchsenreibung berücksichtigt

Dies ist eine eher schwache Federkraft.
Bei einer in 6 gezeigten zweiten Anordnung ist die Buchsenexzentrizität X auf 3 mm erhöht und die Hebelarmlänge auf 20 mm verkürzt (6).
Wenn die Federkraft = T¹¹, dann ist das Nettodrehmoment = T¹¹ × 20 – T¹¹ × 0,3 × 14 ≈ 16T = 15,
folglich T ≈ 1 N.

Zur Überprüfung, ob die Wirkung der Zahnradtrennkraft auf eine 3 mm exzentrische Buchse infolge der Reibungswirkung immer noch zu keiner Bewegung führt:

Vertikale Reaktion am Außendurchmesser OD der Buchse	≈ 105,5 N
Auf Buchse wirkendes Drehmoment =	3 × 3105,5
	= 316,5 N-mm
Drehwiderstand	≈ 460 N-mm
Folglich sperrt die Buchse noch immer.

Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Beseitigen von zwischen einem Schneckenrad und einem Zahnrad vorhandenen freien Zwischenräumen und Spiel in einem elektrischen Servolenkungssystem durch Vorsehen einer Radialbewegung an einem Ende der Ausgangswelle betrifft. Die Erfindung ist in keiner Weise auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt und es ist vorgesehen, dass verschiedene alternative Bauarten der Stützanordnungen, durch die die Radialbewegungen der Ausgangswelle erzielt werden, in den angestrebten Schutzumfang fallen.

Claims

Elektrisches Servolenkungssystem, bei dem ein Elektromotor (4) als Reaktion auf eine Messung des von einem Fahrer eines Fahrzeugs auf eine Lenksäule ausgeübten Drehmoments ein Unterstützungsmoment auf die Lenksäule auszuüben vermag und der Motor über ein Schneckenrad (8) und ein Zahnrad (10) auf die Lenksäule wirkt, wobei das Schneckenrad auf einer Ausgangswelle (6) des Motors vorgesehen ist und das Zahnrad auf einer Antriebswelle (9) vorgesehen ist, wobei die Motorausgangswelle (6), die das Schneckenrad (8) enthält, innerhalb eines Gehäuses (1) mittels zumindest zweier Stützanordnungen (100, 200) gelagert ist, die axial längs der Ausgangswelle beabstandet sind, wobei eine erste (100) der Stützanordnungen Mittel (101) zum Zulassen einer radialen Verlagerung eines Endes der Ausgangswelle bezüglich des Schneckenrades umfasst, während die andere Stützanordnung (200) eine winkelmäßige Verlagerung der Ausgangswelle (8) relativ zum Gehäuse (1) zu erlauben vermag, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stützanordnung (100) eine Lageranordnung (103) aufweist, die in einer Öffnung oder Ausnehmung gehalten ist, welche exzentrisch innerhalb einer Buchse (101) vorhanden ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Zahnrad (10) Zähne aufweist, die eine voll gerundete oder halbgerundete Zahnform haben, bei der der Halsradius wesentlich größer als der Radius der Schnecke ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste (100) der Stützanordnungen die Ausgangswelle im Wesentlichen an ihrem am weitesten von dem Elektromotor (4) entfernten Ende zu lagern vermag.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die andere Stützanordnung (200) die Ausgangswelle an einer Stelle zwischen der Motorbaugruppe (4) und dem Schneckenrad (8) lagert.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Motorausgangswelle (6), das Schneckenrad (8) und das Zahnrad (10) auf der Lenksäulenwelie alle wenigstens teilweise innerhalb eines einzigen gemeinsamen Gehäuses vorgesehen sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Buchse (101) in einer Öffnung oder Ausnehmung des Gehäuses (1) angeordnet ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Stützanordnung (100) manuell einstellbar ist, um die Radialverlagerung der Ausgangswelle (6) zu erleichtern.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Buchse (101) einen Flanschabschnitt (102) enthält, der am Gehäuse (1) befestigt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 8, bei dem der Flanschabschnitt (102) durch einen oder mehrere Bolzen oder Schrauben (105) befestigt ist, die längliche Öffnungen (106) in dem Flansch passieren.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste Stützanordnung (100) sich im Betrieb automatisch einzustellen vermag, um die Ausgangswelle (6) radial zu verlagern.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 10, bei dem die erste Abstützeinrichtung (100) automatische Einstellmittel mit einem nachgiebigen Element (304) umfasst, das über das Schneckenrad eine Last zwischen der Ausgangswelle und dem Zahnrad aufzubringen vermag.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Last einen festen Wert hat.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 12, bei dem das nachgiebige Element (304) eine Zugfeder oder eine Druckfeder umfasst.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 14, bei dem das nachgiebige Element eine Kraft zwischen dem Gehäuse (1) und der Buchse (301) auszuüben vermag, um die Buchse zu drehen.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die andere Stützanordnung (200) eine erste Platte (201) und eine zweite Platte (202) mit einer Bohrung durch sie hindurch, durch die die Ausgangswelle (6) führt, und eine Lageranordnung (203) aufweist, und bei der jede der Platten ein Paar diametral beabstandeter Vorsprünge (210) hat, die der Lageranordnung zugewandt und solchermaßen ausgeführt sind, dass die Lageranordnung in ihrem mittleren Bereich von den Vorsprüngen eingespannt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 15, bei dem die Lageranordnung (203) im Wesentlichen nur durch ihren Bereich des mittleren Drittels eingespannt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 15, bei dem die Vorsprünge (210) an einem äußeren Laufring der Lageranordnung angreifen.