DE69924307T2 - Elektrische Servolenkung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Verbesserung in Getriebeanordnungen und insbesondere elektrische Servolenkanordnungen, die eine Schnecken- und Radgetriebeanordnung zur Übertragung eines Drehmoments von einem Elektromotor auf eine Lenksäule oder eine betrieblich damit verbundene Ausgangswelle umfassen.
  • Es ist bekannt, ein Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, das einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, einer Eingangswelle, die betrieblich mit dem Rotor verbunden und dazu eingerichtet ist, sich mit diesem zu drehen, eine einer Lenksäule zugeordnete Ausgangswelle und ein Getriebe umfasst, das dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf eine von einem Drehmomentsensor erzeugte Messgröße für ein Drehmoment in der Ausgangswelle ein Drehmoment von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle zu übertragen. Der Motor wird typischerweise so betrieben, dass er ein zunehmendes Drehmoment auf die Ausgangswelle überträgt, wenn das gemessene Drehmoment zunimmt und somit ein Unterstützungsdrehmoment aufbringt, das das Steuern des Fahrzeugs unterstützt.
  • In einer einfachen Anordnung legt die Eingangswelle ein Schneckenrad fest und die Ausgangswelle ist mit einem Zahnrad versehen, das dazu eingerichtet ist, sich mit dem Schneckenrad in Eingriff zu befinden. Obwohl ein derartiges System relativ wirksam ist, besteht ein Problem durch Lärm und Schwingungen aufgrund eines fehlerhaften Eingriffs zwischen der Schnecke und dem Zahnrad. zu diesem fehlerhaften Eingriff kann aufgrund von Herstellungstoleranzen, thermischen Dimensionsänderungen, einer Verzerrung aufgrund von Torsionslasten und Verschleiß während des Betriebs kommen.
  • Wir kennen die US-A-4,967,859, die eine elektrische Servovorrichtung mit all den im Oberbegriff des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmalen offenbart. Insbesondere ist bei der aus der US-A-4,967,858 bekannten Vorrichtung keine Form einer Vorspannung für die Welle vorgesehen.
  • Wir kennen darüber hinaus die EP-A-0 420 131, die eine Hinterradlenkeinrichtung offenbart, bei der eine sich von einem Motor erstreckende Schneckenwelle durch eine elastische Einrichtung in Form einer helixförmigen Feder in Richtung eines Schneckenrads vorgespannt ist.
  • In der J-A-62 255 618 weist ein elastisches Element, das durch Blattfedern gebildet wird, eine Mehrzahl von Antriebsflächen auf, die mit Antriebsflächen zusammenwirken, welche an einem Rotor und an einer Eingangswelle festgelegt sind.
  • Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Servolenksystem bereit, das ein Gehäuse, einen relativ zu dem Gehäuse befestigten Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, eine betrieblich mit dem Rotor verbundene Eingangswelle, eine betrieblich mit einer Lenksäule verbundene Ausgangswelle und einen Drehmomentsensor umfasst, der ein für das Drehmoment in der Ausgangswelle charakteristisches Ausgangssignal zu erzeugen vermag, wobei der Motor in Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem Drehmomentsensor durch ein an der Eingangswelle vorhandenes Schneckenrad, das in ein Zahnrad an der Ausgangswelle einzugreifen vermag, ein Drehmoment auf die Ausgangswelle aufzubringen vermag, wobei das Lenksystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner eine erste Lagereinrichtung, die die Eingangswelle relativ zu dem Gehäuse an ihrem von dem Motor entfernten Ende abstützt und eine elastische Vorspanneinrichtung umfasst, die auf die erste Lagereinrichtung zu wirken vermag, um die Eingangswelle in Richtung des Zahnrads vorzuspannen.
  • Vorzugsweise ist die Eingangswelle in eine Kippbewegung vorgespannt, die an einer zweiten Lagereinrichtung zentriert ist, welche die Eingangswelle relativ zu dem Gehäuse an ihrem zu dem Motor benachbarten Ende abstützt.
  • Die Vorspanneinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine ausreichende Vorspannkraft auf die erste Lagereinrichtung aufzubringen, um die Zähne des Schneckenrads und die Zähne des Zahnrads über einen vorbestimmten Bereich von durch das Zahnrad getragenen Drehmomentwerten vollständig in Eingriff zu halten. Dies trägt dazu bei, beim Geradeausfahren oder auf unwegsamen Straßen ein Getriebeklappern zu verhindern, indem gewährleistet wird, dass über diesem Bereich von Drehmomenten beide Seiten der sich miteinander in Eingriff befindenden Zähne an der Schnecke und dem Rad im Wesentlichen immer miteinander in Kontakt sind. Da die Anordnung die statische Reibung in dem Getriebe erhöht, ist es wichtig, die Kontrolle über die von der Vorspanneinrichtung über den vollständigen Bereich der Eingangswelle, der benötigt wird, aufgebrachte Kraft zu behalten. Daher muss die Vorspanneinrichtung eine niedrige Federkonstante aufweisen.
  • Die Bereitstellung der Vorspanneinrichtung ermöglicht es, eine gesteuerte Vorspannkraft aufzubringen, während eine ausreichende Kippbewegung der Eingangswelle ermöglicht wird, um Dimensionsänderungen aufgrund von Herstellungstoleranzen und Temperaturveränderungen etc. zu kompensieren. Der maximale Drehmomentwert, bis zu dem der vollständige Eingriff wirksam ist, ist sorgfältig (durch einen Kompromiss) ausgewählt, um übermäßige Reibung zu verhindern.
  • Die Vorspanneinrichtung kann eine elastische Feder jeglicher Art umfassen, die zwischen einem Abschnitt des Gehäuses und der ersten Lagereinrichtung zu wirken vermag.
  • In einigen Anordnungen ist es bevorzugt, dass die elastische Feder eine Blattfeder umfasst, die an einem ersten Ende an dem Gehäuse befestigt und an ihrem zweiten Ende auf die erste Lagereinrichtung wirken kann. Dies kann die erste Lagereinrichtung an der entgegengesetzten Seite der Eingangswelle mit dem Zahnrad in Eingriff bringen, um die Schnecke in Kontakt mit dem Zahnrad zu drängen.
  • Die Blattfeder kann außerhalb des Gehäuses vorgesehen sein und das zweite Ende der Blattfeder kann durch eine Öffnung in dem Gehäuse geführt sein, um mit der ersten Lagereinrichtung in Eingriff zu gelangen. Das zweite Ende der Blattfeder kann eine Dichtung tragen, die die Öffnung abdichtet, durch die es geführt ist.
  • Die Eingangswelle kann unmittelbar mit dem Motorrotor verbunden sein. Sie kann sich kontinuierlich durch den Rotor erstrecken.
  • Die Eingangswelle kann durch eine flexible Kupplung betrieblich mit dem Rotor verbunden sein, die es der Schnecke ermöglicht, ohne eine Bewegung des Rotors zu kippen.
  • Die flexible Kupplung kann ein elastisches Element, beispielsweise aus Gummi umfassen. Der Motorrotor kann dazu eingerichtet sein, durch eine oder mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, sich in radialer Richtung erstreckende Oberflächen des elastischen Elements eine Antriebskraft auf das elastische Element aufzubringen. Das elastische Element kann seinerseits dazu eingerichtet sein, durch eine oder mehrere weitere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, sich in radialer Richtung erstreckende Oberflächen des Elements eine Antriebskraft auf die Eingangswelle aufzubringen. Das Element kann eine Spinnenform mit einer Mehrzahl von Armen aufweisen, die eine Anzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Antriebsflächen umfassen.
  • Wenn die Eingangswelle durch eine flexible Kupplung mit dem Motorrotor verbunden ist, kann eine erste Druckeinrichtung zwischen dem Gehäuse und der ersten Lagereinrichtung an dem von dem Motor entfernten Ende der Eingangswelle vorhanden sein, die eine Druckkraft auf die Eingangswelle aufbringt, um sie in Richtung des Motorrotors vorzuspannen. Sie kann eine Schraubenfeder umfassen. Ihre Funktion besteht darin, Lärm und Vibrationen aufgrund des axialen freien Spiels in der zweiten Lagereinrichtung zu verhindern. In ihrem zusammengedrückten Zustand sollte ein freier Raum zwischen benachbarten Wicklungen vorhanden sein, um einen Reibungswiderstand für die Kippbewegung der Eingangswelle zu verhindern.
  • Eine zweite Druckeinrichtung (wie z.B. eine Schraubenfeder) kann darüber hinaus zwischen dem zu dem Motorrotor benachbarten Ende der Eingangswelle und dem Motorrotor vorgesehen sein. Diese kann in einem Lager angeordnet sein, das an einem Ende der Eingangswelle ausgebildet ist, während ein Stift, der sich um die Rotationsachse des Motorrotors erstreckt und einen Teil des Rotors bildet, in das Lager ragt, um mit der Feder in Eingriff zu gelangen.
  • Während somit die erste Druckeinrichtung die zweite Lagereinrichtung durch die flexible Kupplung vorspannt, spannt die zweite Druckeinrichtung den Rotor unmittelbar durch den Stift vor. Es muss eine Differenz zwischen den Kräften bestehen, die jeweils durch die ersten und zweiten Druckeinrichtungen bereitgestellt werden, die ausreichend ist, um die zweite Lagereinrichtung um das gewünschte Maß in die Richtung der Eingangswelle vorzuspannen.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die Vorspanneinrichtung einen ringförmigen O-Ring umfassen, der zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse vorgesehen ist. Der O-Ring kann aus Gummi bestehen und kann in Kontakt mit einem Außenumfang der ersten Lagereinrichtung und einem Abschnitt des Gehäuses stehen.
  • Die erste Lagereinrichtung kann sich daher relativ zu dem Gehäuse gegen eine von dem O-Ring aufgebrachte Widerstandskraft bewegen, da zumindest ein Teil des O-Rings zusammengedrückt ist. In einer derartigen Anordnung kann das Zahnrad oder das Schneckenrad relativ zu den Abmessungen, die entsprechend dem Abstand zwischen ihren jeweiligen Wellenachsen berechnet werden, bewusst leicht überdimensioniert werden. Dies stellt sicher, dass sich der O-Ring immer unter einem geringen Restdruck befindet.
  • Alternativ zu einem O-Ring kann die elastische Vorspanneinrichtung ein elastisches Element umfassen, das zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse aufgenommen ist, wie z.B. einen Distanzblock aus Gummi. Das Element kann zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse gegenüber der Seite der Eingangswelle angeordnet sein, die sich mit dem Zahnrad in Eingriff befindet. Die Vorspanneinrichtung kann im Druck- oder Zugmodus wirken.
  • Die zweite Lagereinrichtung kann ein Kugellager umfassen, das eine radiale und axiale Bewegung der Eingangswelle relativ zu dem Gehäuse zu verhindern vermag, während es eine Kippbewegung der Eingangswelle gegen die von der Vorspanneinrichtung aufgebrachte Vorspannkraft ermöglicht.
  • Die zweite Lagereinrichtung kann so gewählt sein, dass sie eine Kugellageranordnung mit einer hohen Toleranz umfasst, die aufgrund der Form der Nut, in der die Kugeln angeordnet sind, eine radiale Verschiebung der Eingangswelle relativ zu dem Gehäuse, wenn sie durch die zweite Lagereinrichtung geführt ist, nahezu vollständig zu verhindern vermag, während sie ein Schwenken der Eingangswelle um einen Punkt auf ihrer Achse, die durch einen Punkt in der Ebene der zweiten Lagereinrichtung führt, ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Anordnung legt das Gehäuse einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt fest, wobei der erste Abschnitt ein Gehäuse für die Eingangswelle mit zumindest einem Paar von einander gegenüberliegenden Wänden und einer Öffnung in jeder Wand umfasst, in der jeweils die ersten und zweiten Lagereinrichtungen angeordnet sind, und wobei der zweite Abschnitt ein Gehäuse für zumindest einen Teil der Ausgangswelle mit zumindest einem Paar von einander gegenüberliegenden Wänden umfasst, wobei in jeder Wand eine Öffnung vorgesehen ist, um eines oder mehrere Lager aufzunehmen, das/die die Ausgangswelle relativ zu dem Gehäuse festzulegen vermag/vermögen. Die Ausgangswelle ist vorzugsweise rechtwinklig zu der Eingangswelle angebracht und wird im Wesentlichen daran gehindert, sich radial relativ zu dem Gehäuse zu bewegen.
  • Ein Auskleidungsabschnitt aus Kunststoff, der bei übermäßigen Verschiebungen einen Kontakt zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse vermeidet, kann um eine äußere Umfangsfläche der ersten Lagereinrichtung vorgesehen sein. Dies trägt dazu bei, Vibrationslärm aufgrund des Aufeinandertreffens von Metall auf Metall zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse zu vermeiden.
  • Die in dem ersten Abschnitt des Gehäuses festgelegte erste Öffnung (die die erste Lagereinrichtung aufnimmt) kann einen langgestreckten Schlitz, durch den die Eingangswelle geführt ist, mit halbkreisförmigen Endabschnitten sowie einem mittleren Paar von parallelen Seiten aufweisen. Der Abstand zwischen den parallelen Seiten kann im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der ersten Lagereinrichtung sein. Der Radius der halbkreisförmigen Endabschnitte des Schlitzes kann im Wesentlichen gleich dem äußeren Radius der ersten Lagereinrichtung sein. Somit kann die erste Lagereinrichtung dazu eingerichtet sein, sich axial entlang des Schlitzes zu bewegen, sie kann jedoch daran gehindert werden, sich in radialer Richtung senkrecht zu dem Schlitz zu bewegen.
  • Die erste Öffnung in dem ersten Abschnitt kann eine ringförmige Bohrung umfassen, welche eine Innenfläche mit einem Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der ersten Lagereinrichtung. Die Außenfläche der ersten Lagereinrichtung kann somit von der Innenwand beabstandet sein. Das die Vorspanneinrichtung bildende O-Ringelement kann in diesem Raum aufgenommen sein.
  • Eine Nut kann um einen Umfang der Innenwand vorgesehen sein, die den O-Ring in einer vorbestimmten Position relativ zu der Wand positioniert, wobei die Tiefe der Nut geringer ist als die radiale Dicke des O-Ringelements. In diesem Fall kann die erste Lagereinrichtung aus ihrer Ruheposition gegen die durch den O-Ring bereitgestellte Vorspannkraft um eine Strecke verschoben werden, die gleich der Differenz zwischen der radialen Dicke des O-Rings und der Tiefe der Nut ist. Danach wird eine weitere radiale Verschiebung der ersten Lagereinrichtung in der Öffnung verhindert, da sie die Innenwand der ersten Öffnung berührt.
  • In noch einer weiteren alternativen Anordnung kann die Vorspanneinrichtung einen Torsionsstab umfassen, der ein auf die erste Lagereinrichtung wirkendes erstes Ende sowie ein relativ zu einem Abschnitt des Gehäuses befestigtes zweites Ende aufweist, so dass der Torsionsstab eine Vorspannkraft gegen die erste Lagereinrichtung aufbringt.
  • Der Torsionsstab kann eine im Wesentlichen U-förmige langgestreckte Stange mit einem Anschlussendabschnitt an einem ersten Ende der Stange aufweisen, der um einen Winkel von ungefähr 90° relativ zu dem verbleibenden Teil des ersten Endes und relativ zu dem mittleren Abschnitt der Stange gebogen ist, um mit einem Abschnitt der ersten Lagereinrichtung in Eingriff zu gelangen. Vorzugsweise wirkt der Anschlussendabschnitt unmittelbar auf eine Außenfläche der ersten Lagereinrichtung gegenüber dem Zahnrad der Ausgangswelle, indem er durch einen Öffnungskanal in dem Gehäuse geführt wird, welcher sich in radialer Richtung von der Innenwand der ersten Öffnung des ersten Abschnitts des Gehäuses weg erstreckt.
  • Der mittlere Abschnitt des Torsionsstabs kann durch eine oder mehrere Klammer(n) oder Lasche(n) an einem Abschnitt des Gehäuses befestigt sein.
  • Das zweite Ende des Torsionsstabs kann auf einer Stirnfläche eines mit einem Gewinde versehenen Bolzens ruhen, der sich mit dem Gehäuse in Eingriff befindet. Eine Drehung des Bolzens in der mit einem Gewinde versehenen Bohrung verschiebt das zweite Ende des Torsionsstabs relativ zu dem Gehäuse. Da sich das erste Ende mit der ersten Lagereinrichtung in Eingriff befindet, hat dieses die Wirkung, die Torsion in dem Stab in einer bekannten Art und Weise zu erhöhen oder zu senken, um dann die auf die erste Lagereinrichtung aufgebrachte Vorspannkraft zu verändern (d.h. zur Verwendung beim Einstellen).
  • In einer bevorzugten Anordnung ist ein Anschlussabschnitt des zweiten Endes des Torsionsstabs um ungefähr 90° relativ zu dem verbleibenden Teil des zweiten Endabschnitts gebogen und greift in eine Ausnehmung in der Stirnfläche des Bolzens ein. Dies sorgt für eine formschlüssige Positionierung des zweiten Endabschnitts.
  • In noch einer weiteren alternativen Anordnung kann die Vorspanneinrichtung, wenn es der Platz in dem Fahrzeug erlaubt, eine Schraubenfeder umfassen, deren Achse im Wesentlichen senkrecht zu der der Schneckenwelle ist. Die Schraubenfeder kann in einer Öffnung in dem Gehäuse installiert sein. Ein erstes Ende der Feder kann über ein geformtes Ende der Feder oder über eine zwischen der Feder und der ersten Lagereinrichtung platzierte separate Komponente eine Kraft auf den äußeren Laufring der ersten Lagereinrichtung aufbringen. Ein Verschlussstopfen oder eine Platte am Ende der von der Lagereinrichtung entfernten Öffnung würde eine Abstützung für die Schraubenfeder und eine Abdichtungseinrichtung bereitstellen.
  • In einer besonders bevorzugten Anordnung befindet sich der Anschlussabschnitt des zweiten Endes des Torsionsstabs in Eingriff mit einer Ausnehmung in dem Gehäuse. Dies macht die Anordnung nicht einstellbar und sicher gegen unsachgemäße Eingriffe, was für Produktionsversionen bevorzugt ist.
  • In einer Verfeinerung, bei der die Vorspanneinrichtung eine zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Gehäuse wirkende O-Ringdichtung umfasst, kann die Mit telachse des O-Rings relativ zur Mittelachse der Eingangswelle versetzt sein. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Mittelachsen des O-Rings und der Welle zusammenfallen, sorgt dies für ein anderes Verhältnis zwischen der Vorspannkraft und einer Verschiebung der Lagereinrichtung. Es ist bevorzugt, dass die Achse des O-Rings näher an dem Zahnrad liegt als die der Eingangswelle, wo sie durch die erste Lagereinrichtung geführt ist.
  • Um das Verhältnis zwischen der Vorspannkraft und der Verschiebung der ersten Lagereinrichtung weiter zu verfeinern, kann die Form der O-Ringnut (wo vorhanden) relativ zu dem Querschnitt des O-Rings so gewählt sein, dass der zusammengedrückte Abschnitt des O-Rings die Nut bei einer vorbestimmten Verschiebung, die einer vorbestimmten Vorspannkraft entspricht, gerade vollständig füllt, woraufhin die Rate der Zunahme der Vorspannkraft bei vollständiger Verschiebung deutlich größer ist als die Rate der Zunahme der Vorspannkraft bei der Verschiebung von Verschiebungen unterhalb der vorbestimmten Verschiebung. Wenn sich der O-Ring in seiner normalen Position befindet, die einem Drehmoment Null an dem Zahnrad entspricht, kann der O-Ring daher an diesem Punkt die Nut nur teilweise füllen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Servolenksystem mit einem Gehäuse, einem relativ zu dem Gehäuse befestigten Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, und einer betrieblich mit dem Rotor verbundenen Eingangswelle, einer betrieblich mit einer Lenksäule verbundenen Ausgangswelle und einem Drehmomentsensor bereit, der ein für das Drehmoment in der Ausgangswelle charakteristisches Ausgangssignal zu erzeugen vermag, wobei der Motor in Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem Drehmomentsensor durch ein an der Eingangswelle vorhandenes Schneckenrad, das in ein Zahnrad an der Ausgangswelle einzugreifen vermag, ein Drehmoment auf die Ausgangswelle aufzubringen vermag, wobei das Lenksystem dadurch gekennzeichnet ist, dass die Eingangswelle mit dem Motorrotor durch eine flexible Kupplung betrieblich verbunden ist, wobei die flexible Kupplung einen elastischen sternförmigen Körper mit einer Mehrzahl sich radial erstreckender Arme umfasst, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen radial erstreckenden Antriebsflächen festlegen, wobei eine oder mehrere der Antriebsflächen mit einer oder mehreren an dem Rotor festgelegten radialen Antriebsfläche(n) zusammenwirken und eine oder mehrere der Antriebsflächen mit an der Eingangswelle festgelegten Antriebsflächen zusammenwirken.
  • Die Eingangswelle kann an ihrem dem Motorrotor benachbarten Ende eine Lagerschale aufweisen. Ein längs der Rotationsachse des Rotors angeordneter Stift kann dazu eingerichtet sein, in der Lagerschale aufgenommen zu werden. Die flexible Kupplung kann zwischen einer Stirnfläche der Lagerschale und dem Rotor, beispielsweise um den Stift, vorgesehen sein.
  • Die Lagerschale kann dazu eingerichtet sein, ein erstes elastisches Vorspannelement, wie z.B. eine Feder aufzunehmen, die zwischen dem Ende des Stifts und der Basis der Lagerschale wirkt, um den Rotor von der Eingangswelle weg vorzuspannen.
  • Eine zweite Druckeinrichtung kann vorhanden sein, die die Eingangswelle in Richtung des Rotors vorzuspannen vermag. Diese kann eine Feder umfassen, die zwischen dem Gehäuse und einer Lagereinrichtung angeordnet ist, welche die Eingangswelle abstützt.
  • Es werden hier nun drei Beispiele der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben. Es wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile enthalten, wobei:
  • 1 eine aufgebrochene Teilansicht einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Servolenksystems ist, das die vorliegende Erfindung enthält;
  • 2 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines elektrischen Servolenksystems ist, das die vorliegende Erfindung enthält;
  • 3 eine alternative Ansicht des in 2 dargestellten Systems ist, die die Verbindung zwischen dem Torsionsstab und einem mit einem Gewinde versehenen Bolzen zeigt, der an dem Gehäuse befestigt ist;
  • 4 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform eines elektrischen Servolenksystems ist, das die vorliegende Erfindung enthält;
  • 5 ein Detail der zweiten Stütznabe für den Motorrotor ist;
  • 6 ein Detail des flexiblen sternförmigen Elements ist; und
  • 7 eine Draufsicht des Blattfederelements zeigt.
  • 1 ist eine aufgebrochene Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen elektrischen Servolenksystems zur Verwendung in einem Fahrzeug.
  • Ein Motor 1 zum Aufbringen eines Unterstützungsdrehmoments auf eine betrieblich mit einer Lenksäulenwelle verbundene Ausgangswelle 12 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Motor ist an einer Seite eines Gehäuses 4 befestigt. Ein Ende einer Eingangswelle 5, die mit einem Ende des Rotors verkeilt ist, erstreckt sich durch eine Öffnung 8 in einen inneren Hohlraum 6 des Gehäuses. Das andere Ende der Eingangswelle ist durch eine Öffnung 7 an einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses zu der Öffnung 8 geführt und eine erste Lagereinrichtung 9 und eine zweite Lagereinrichtung 10, die in der Öffnung 7 bzw. der Öffnung 8 angeordnet sind, stützen die Eingangswelle bezüglich des Gehäuses ab.
  • Die Eingangswelle 5 trägt ein Schneckenrad 13 zwischen den zwei Lagereinrichtungen, das dazu eingerichtet ist, sich mit einem Zahnrad 11 in Eingriff zu befinden, das auf der Ausgangswelle 12 vorgesehen ist, wo sie durch das Gehäuse geführt ist. Lager (nicht gezeigt) stützen die Ausgangswelle 12 relativ zu dem Gehäuse 4 rechtwinklig zur Achse der Eingangswelle 5 ab, so dass das Schneckenrad und das Zahnrad ineinander greifen.
  • Im Betrieb wird eine Ausgabe von einem Drehmomentsensor (nicht gezeigt), der das Drehmoment in der Ausgangswelle 12 (oder einer betrieblich damit verbundenen Lenkwelle) zu messen vermag, an eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit, ECU) geleitet, um daraus ein Motorantriebssignal zu erzeugen, das das von dem Motor 1 erzeugte Drehmoment steuert. Der Motor 1 überträgt dann das Drehmoment durch den Motorrotor 3 auf die Eingangswelle 5 und auf die Ausgangswelle 12, um eine Unterstützung für einen Fahrer des Fahrzeugs bereitzustellen.
  • Jede der Lagereinrichtungen 9, 10 umfasst einen Kugellager- oder Wälzlagereinsatz mit einem inneren Lagerlaufring, der mit der Eingangswelle zusammenwirkt, und einem äußeren Lagerlaufring, der in einem Abstand um den inneren Laufring angeordnet ist, wobei Lager zwischen diesen vorgesehen sind. Jede bekannte Lageranordnung kann verwendet werden, vorausgesetzt sie erfüllt die von dem Konstrukteur festgelegten Anforderungen hinsichtlich Toleranzen und Tragverhalten.
  • Die zweite Lagereinrichtung 10 ist an dem Gehäuse 4 befestigt und wirkt als Gelenk, um das die Eingangswelle 5 kippen kann. Sie verhindert im Wesentlichen jede radiale Bewegung der Welle 5, wenn sie durch das Lager 10 geführt ist.
  • Die erste Lagereinrichtung 9 ist von dem Gehäuse 4 durch eine elastische Vorspanneinrichtung 14 beabstandet, die die Eingangswelle 5 in Richtung des Zahnrads 12 der Ausgangswelle 11 vorzuspannen vermag.
  • Die zweite (und größere) Lagereinrichtung 10 wirkt daher von der Schnecke auf das Zahnrad aufgebrachten tangentialen Kräften sowie radialen Kräften (d.h. rechtwinklig zur Achse der Schnecke) aufgrund des Schrägungswinkels und des Eingriffswinkels der Zähne entgegen.
  • Die erste Lageranordnung 9 ist axial relativ zu dem Gehäuse 4 (wie nachfolgend beschrieben) festgelegt, sie kann sich jedoch in radialer Richtung gegen die von der Vorspanneinrichtung 12 aufgebrachte Vorspannkraft bewegen.
  • Die Vorspanneinrichtung 14 dient dazu, die Schnecke über ein elastisches Medium in Eingriff mit dem Zahnrad vorzuspannen und es ihr zu ermöglichen, für den Bereich einer Zahnradgröße und Positionsvariationen (aufgrund von Herstellungstoleranzen), Temperaturen und Verschleißzuständen der Zähne einen vollständig verzahnten Zustand zu erreichen (d.h. bei dem kein Spiel zwischen den Flanken an allen Seiten der sich miteinander in Eingriff befindenden Zähne der Schnecke und des Zahnrads vorhanden ist). Wie in 1 gezeigt ist, weist die Vorspanneinrichtung einen O-Ring auf, der in einer Nut 15 mit einem quadratischen Querschnitt angeordnet ist.
  • Es ist erforderlich, diesen vollständig verzahnten Zustand für einen Bereich von an dem Zahnrad gemessenen Drehmomentwerten (beispielsweise bis zu 4 N-m in einer Anwendung) beizubehalten, um ein Klappern des Getriebes beim Geradeausfahren oder beim Fahren auf unwegsamen Straßen zu vermeiden. Eine Kraft von 20 N muss radial bezüglich des Zahnrads auf die Schnecke aufgebracht werden, um bei einem 4 N-m Zahnraddrehmoment eine vollständige Verzahnung aufrechtzuerhalten. Wenn ein höheres Drehmoment aufgebracht wird, wird sich die Schnecke von dem Zahnrad wegbewegen und ein Spiel wird an den Seiten der Zähne auftreten, die das Drehmoment nicht übertragen. Das maximale Nenndrehmoment des in 1 gezeigten Getriebesystems ist 42 N-m.
  • Versuche haben gezeigt, dass der Bereich der Variation des Dimensionsspiels aufgrund von Toleranzen, Temperatur und Verschleiß, der auftreten kann, wenn keine Vorspanneinrichtung vorgesehen wird, typischerweise um 0,150 mm liegt. Um dies zu kompensieren, wird ein Bereich radialer Verschiebungen der Schnecke relativ zu dem Zahnrad benötigt, der ungefähr 2 X der Spielvariation beträgt (aufgrund des 14 Grad Eingriffswinkels); d.h. insgesamt 0,300 mm (oder +/–0,150 mm von der nominalen Position der Schneckenachse). Dieser Bereich von Verschiebungen wird bereitgestellt, indem es der Schneckenwelle ermöglicht wird, um das größere Kugellager zu schwenken, wobei sie sich nominal in einer vertikalen Ebene bewegt, und die Bewegung in Richtung des Zahnrads durch den 3 mm breiten O-Ring vorzuspannen, der auf den äußeren Laufring des kleineren Kugellagers wirkt.
  • In der in der 1 gezeigten speziellen Konstruktion bedeutet das Verhältnis der Längen von dem sich in Eingriff befindenden Mittelpunkt der Schnecke zu den Mittelpunkten der jeweiligen Lager, dass eine Kraft von 20 × 48[48 + 38,5] N (= 11 N) auf den O-Ring aufgebracht werden sollte. Dies sollte idealerweise über einen Bereich von Verschiebungen von der nominalen Position der Schneckenachse von +/–0,270 mm (= +/–0,150 × [48 + 38,5)48] mm) beibehalten werden. Dies ist jedoch nicht praktikabel, da sich die Kraft im Fall eines derart einfachen elastischen Mediums mit der Bewegung verändern muss. Als Kompromiss erreicht die Erfindung einen Kraftbereich von ungefähr 17 bis 27 N über den 0,540 mm (d.h. +/–0,270 mm) Gesamtverschiebungsbereich. Dies wird durch eine Positionierung des Mittelpunkts der O-Ringnut versetzt relativ zu der nominalen Position der Schneckenachse erreicht. Der Betrag des Versatzes hängt von der Kraft/Verschiebungs-Kennlinie des O-Rings ab, der als nichtlineare Feder wirkt, deren Konstante zunimmt, wenn die Schnecke weiter von dem Zahnrad weggedrängt wird. Wenn die Grenze des obigen Betriebsverschiebungsbereichs in Richtung von dem Zahnrad weg überschritten wird, sollte der Widerstand des O-Rings sehr schnell zunehmen, um bei hohen Drehmomenten eine übermäßige Bewegung der Schneckenwelle zu verhindern.
  • Eine absolute Grenze der Bewegung (beispielsweise 0,500 mm von der nominalen Achse) ist aufgrund der Tatsache vorhanden, dass die Bohrung in dem Gehäuse für das 22 mm Durchmesser-Lager auf 23 mm bearbeitet ist. Um Lärm aufgrund des Aufeinandertreffens von Metall auf Metall zu vermeiden, kann die Kraft des O-Rings bei 0,500 mm außermittiger Verschiebung des kleinen Lagers so gewählt sein, dass sie mindestens 150 N beträgt. Dies erfordert eine sehr schnell ansteigende Federkonstante zwischen einer Verschiebung von 0,300 und 0,500 mm. Dies kann durch eine Anpassung der exakten Form der O-Ringnut im Verhältnis zum Durchmesser des O-Ringquerschnitts erreicht werden, so dass das O-Ringmaterial die Nut an dem exakten Punkt, an dem die Federkonstante steil ansteigen muss, gerade füllt. Die Härte des Gummis ist ein weiterer Parameter, der optimiert werden kann.
  • Es ist zu berücksichtigen, dass es wichtig ist, die bei den niedrigeren Drehmomenten auftretende Eingriffskraft zu begrenzen, da sie zu einem signifikanten Betrag an stationärer Reibung im Betrieb des Getriebes führt und dies ist nachteilig für die Effizienz und ein gutes Straßengefühl. Eine Eingriffskraft von 20 N erzeugt eine Reibung von 0,4 N, gemessen an dem Zahnrad. Das akzeptable Maximum beträgt typischerweise ungefähr 0,5 N.
  • Um es ihm zu ermöglichen, als Schwenkmittelpunkt für die Schneckenwelle zumindest über die betroffenen kleinen Winkelverschiebungen (+/– 0,18 Grad) zu wirken, kann das größere Lager als "C3"-Spielklasse (d.h. mit der maximalen Standardspielqualität) spezifiziert werden. Dies ermöglicht es dem Lager, mit dem erforderlichen Versatz ohne übermäßige Reibung und Verschleiß zu laufen. Um zu verhindern, dass es aufgrund der sporadischen Getriebedrehmomentumkehrungen, die beim Geradeausfahren und beim Fahren auf unwegsamen Straßen auftreten, klappert, kann das Lager axial mit 90 N vorbelastet sein. Die Vorlast kann über die Welle aufgebracht werden, indem der äußere Laufring des kleineren Lagers durch eine zusammengedrückte Schraubenfeder 16 vorbelastet wird.
  • Die Verbindung zwischen der Schneckenwelle 5 und dem Motorrotor 3 erfolgt über eine Keil-Spielverbindung, bei der eine kleine Blattfeder eingesetzt wird, um den Keil seitlich relativ zu der Keilnut zu belasten und jegliches Torsionsspiel in dem Motorantrieb zu beseitigen. Diese Anordnung ermöglicht eine geringe Biegenachgiebigkeit zwischen der Schneckenwelle und dem Motorrotor und ermöglicht somit die gewünschte Verschiebung der Schneckenwelle.
  • Eine alternative Ausführungsform ist in den 2 und 3 gezeigt und wo es möglich ist, wurden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet, da viele Komponenten identisch sind.
  • Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insofern, dass die Vorspanneinrichtung anstelle einer O-Ringdichtung einen Torsionsstab 100 aufweist, der auf eine Außenfläche der ersten Lagereinrichtung wirkt.
  • Der Torsionsstab 100 umfasst einen langgestreckten Stab, der in eine langgestreckte U-Form gebogen ist. Jedes Ende des Stabs ist ferner um ungefähr 90 Grad umgebogen.
  • Der mittlere Abschnitt 101 des Stabs 100 ist durch eine Hülse auf einen Abschnitt des Gehäuses 4 geklemmt, die es dem Stab ermöglicht, um seine Achse zu rotieren. Ein Ende 102 des Stabs wirkt auf die Lagereinrichtung, während das andere Ende 103 auf einen Bolzen 104 wirkt, der sich im Gewindeeingriff mit dem Gehäuse 4 befindet. Eine Drehung des Bolzens 104 verschiebt das zugehörige Ende des Stabs, wodurch eine Torsion in dem Stab erzeugt wird, da das andere Ende durch die Lagereinrichtung an einer Bewegung gehindert wird. Somit kann die Vorspannkraft durch eine Drehung des Bolzens eingestellt werden.
  • Selbstverständlich ist ein Bolzen nicht notwendigerweise erforderlich und viele anderen Möglichkeiten zur Variation der Vorspannkraft können eingesetzt werden. Beispielsweise können Beilagscheiben zwischen dem Ende des Torsionsstabs und entweder der Lagereinrichtung oder dem Gehäuse eingefügt werden. Alternative Federarten werden ebenfalls als im Schutzbereich der Erfindung liegend betrachtet.
  • Der Fachmann versteht daher, dass die vorliegende Erfindung zumindest bezüglich eines Gesichtspunktes in der Bereitstellung einer Vorspanneinrichtung liegt, die die Eingangswelle mit einem gewünschten Verschiebungs-Vorspannkraft-Verhältnis in Richtung der Ausgangswelle vorspannt, um ein Klappern des Getriebes zumindest teilweise zu verhindern.
  • Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Servolenksystems ist in 4 gezeigt.
  • Dieses System unterscheidet sich von den vorhergehenden zwei Systemen darin, dass das Schneckenrad an einer Eingangswelle 5 vorgesehen ist, die durch eine flexible Kupplung von dem Motorrotor 3 getrennt ist. Sie ist darüber hinaus unter Verwendung einer Blattfeder 200 gegen das Zahnrad 11 vorgespannt, die so angeordnet ist, dass sie auf die erste Lagereinrichtung 9 wirkt, welche das dem Motor entgegengesetzte Ende der Welle 5 abstützt.
  • Der Motorrotor 3 ist zylindrisch und an jedem Ende durch eine entsprechende Nabe 30, 31 abgestützt. Eine erste Nabe 30 weist einen Stützrahmen mit einem Lager auf, das an ihrer Rotationsachse angeordnet ist. Das Lager ist ein Gleitsitz über einem zentrierten Zapfen 32, der einen Teil des Motorgehäuses 4 bildet und der auf der Rotationsmittelachse des Rotors angeordnet ist. Der Zapfen ist somit durch das Lager geführt, um für eine Abstützung des Rotors am Ende des Motors gegenüber dem Getriebe zu sorgen.
  • Die zweite Nabe 31 weist einen radialen Stützrahmen und einen integriert ausgebildeten, mittig angeordneten Stift 33 auf. Der Stift ragt von dem Rotor 3 in Richtung des Getriebes nach außen und ist in einer Lagerschale 51 aufgenommen, die am Ende der Eingangswelle 5 ausgebildet ist, um eine ungefähr axiale Ausrichtung des Rotors und der Eingangswelle 5 zu gewährleisten.
  • Zwischen der zweiten Nabe 31 und der Lagerschale 51 ist eine flexible Kupplung 52 vorgesehen, die ein sternförmiges Element aus Gummi mit acht identischen, in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Armen 53 umfasst, welche sechzehn radiale Antriebsflächen 54 festlegen.
  • Wie in 6 zu sehen ist, weist die zweite Nabe 31 vier in Richtung des Getriebes ragende Antriebszähne oder Nasen 31a auf, die sich zwischen entsprechenden Armen des flexiblen sternförmigen Elements in Eingriff befinden. Die Lagerschale 51 an der Schneckenradwelle ist in ähnlicher Weise mit vier Zähnen oder Nasen versehen, die sich axial in Richtung des Rotors erstrecken und sich mit den verbleibenden Antriebsflächen zwischen den Armen des sternförmigen Elements in Eingriff befinden. Somit wird ein Antrieb von dem Motorrotor durch das sternförmige Element in die Schneckenwelle eingekoppelt.
  • Die Bereitstellung der flexiblen Kupplung, die in den 5 und 7 der beigefügten Zeichnungen detaillierter zu sehen ist, ermöglicht es der Eingangswelle 5, sich ohne die Notwendigkeit einer entsprechenden Bewegung des Motorrotors 3 zu bewegen, wodurch die Lebensdauer des Motors gesteigert wird.
  • Eine kleine Schraubenfeder 55 ist in der Lagerschale vorhanden, die durch ein Abstandselement auf das Ende des Stifts der zweiten Nabe wirkt, um den Motorrotor von dem Getriebe weg vorzuspannen. Eine zweite Feder 56 ist zwischen dem Getriebegehäuse und der ersten Lagereinrichtung vorhanden, um die Eingangswelle 5 in Richtung des Rotors vorzuspannen.
  • Die Blattfeder 200 ist in 7 der beigefügten Zeichnungen detaillierter zu sehen. Sie umfasst ein im Wesentlichen ebenes elastisches Element, das an einem Ende auf das Motorgehäuse geschraubt 202 ist, wobei die Ebene der Feder parallel zur Achse der Eingangswelle ist.
  • Das freie Ende 201 der Blattfeder 200 ist um 90 Grad gebogen und durch eine Öffnung in dem Gehäuse geführt, um mit der ersten Lagereinrichtung 9 in Eingriff zu gelangen. Dies bringt eine Kraft auf die Eingangswelle auf, die in Richtung des Zahnrads gerichtet ist. Eine überformte Dichtung an dem Ende 201 der Blattfeder wirkt mit den Wänden der Öffnung zusammen, um die Öffnung abzudichten. Darüber hinaus ist eine Abdeckplatte 300 vorgesehen, die den Zugang zu der Blattfeder verhindert, solange die Abdeckung nicht entfernt wird.
  • Die erste Lagereinrichtung, die das freie Ende der Schneckenradwelle abstützt, ist in einer Kunststoffführung angeordnet, die eine Presspassung in dem Gehäuse bildet. Die Führung ist um 0,76 mm bezüglich einer Bewegung der ersten Lagereinrichtung radial in Richtung des Zahnrads und von dem Zahnrad weg überdimensioniert, sie ist jedoch eine genaue Toleranzpassung in der orthogonalen (horizontalen) Richtung, um die Bewegung des Lagers in dieser Richtung zu begrenzen. Die Führung ermöglicht somit nur einen Bewegungsfreiheitsgrad der ersten Lagereinrichtung.

Claims (2)

  1. Elektrisches Servolenksystem mit einem Gehäuse (4), einem relativ zu dem Gehäuse befestigten Elektromotor (1), der einen Stator und einen Rotor aufweist, einer betrieblich mit dem Rotor (3) verbundenen Eingangswelle (5), einer betrieblich mit einer Lenksäule verbundenen Ausgangswelle (12) und einem Drehmomentsensor, der ein für das Drehmoment in der Ausgangswelle charakteristisches Ausgangssignal zu erzeugen vermag, wobei der Motor in Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem Drehmomentsensor durch ein an der Eingangswelle vorhandenes Schneckenrad (10), das in ein Zahnrad (11) an der Ausgangswelle einzugreifen vermag, ein Drehmoment auf die Ausgangswelle aufzubringen vermag, wobei das Lenksystem dadurch gekennzeichnet ist, dass die Eingangswelle mit dem Motorrotor durch eine flexible Kupplung betrieblich verbunden ist, wobei die flexible Kupplung einen elastischen sternförmigen Körper (52) mit einer Mehrzahl sich radial erstreckender Arme (53) umfasst, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen radial erstreckenden Antriebsflächen festlegen, wobei eine oder mehrere der Antriebsflächen mit einer oder mehreren an dem Rotor (3) festgelegten radialen Antriebsfläche(n) zusammenwirken und eine oder mehrere der Antriebsflächen mit an der Eingangswelle festgelegten Antriebsflächen zusammenwirken.
  2. Elektrisches Servolenksystem nach Anspruch 1, bei dem die Eingangswelle an ihrem dem Motorrotor benachbarten Ende eine Lagerschale (51) aufweist und ein längs der Rotationsachse des Rotors angeordneter Stift (33) dazu eingerichtet ist, in der Lagerschale aufgenommen zu werden.
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