EP1062142A1 - Elektrische lenkhilfe - Google Patents

Elektrische lenkhilfe

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EP1062142A1
EP1062142A1 EP99911682A EP99911682A EP1062142A1 EP 1062142 A1 EP1062142 A1 EP 1062142A1 EP 99911682 A EP99911682 A EP 99911682A EP 99911682 A EP99911682 A EP 99911682A EP 1062142 A1 EP1062142 A1 EP 1062142A1
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EP
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clutch
electric steering
worm
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worm wheel
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EP99911682A
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Nouhad Bachnak
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Mannesmann VDO AG
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D7/00—Slip couplings, e.g. slipping on overload, for absorbing shock
    • F16D7/02—Slip couplings, e.g. slipping on overload, for absorbing shock of the friction type
    • F16D7/024—Slip couplings, e.g. slipping on overload, for absorbing shock of the friction type with axially applied torque limiting friction surfaces
    • F16D7/028—Slip couplings, e.g. slipping on overload, for absorbing shock of the friction type with axially applied torque limiting friction surfaces with conical friction surfaces

Definitions

  • the clutch is designed so that it can transmit the torques required to support the steering column in a substantially slip-free manner during normal operation. In certain circumstances, for example in the event of brief overloads or a blockage of the electric steering aid, however, it allows the steering column to rotate relative to the worm wheel, so that the toothing of the worm gear are protected against excessive forces or the emergency running properties of the system are preserved.
  • the spring element preferably does not act directly, but via a pressure ring and friction elements on the end face. Since, depending on the pitch of the toothing, axial forces are introduced into the worm wheel, which could change the slip torque in the case of a conical friction clutch, for example, it may be advisable to store the worm wheel separately in the axial direction.
  • Figure 2 shows a cross section of the electric steering aid according to Figure 1 along the line A-A;
  • FIG. 3 an enlarged section of the coupling between the worm wheel and the steering column according to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a cross section through the steering column 16 and the worm wheel 22.
  • a friction / slip clutch 24 is integrated into the worm wheel 22, which couples the worm wheel 22 to the steering column 16.
  • the slipping torque of the slipping clutch 24 is dimensioned such that it represents a rigid drive-through under the torques normally occurring during operation. If the slip torque is exceeded, it ensures rotational slip between the steering column 16 and the worm wheel 22, which limits the forces in the worm drive caused by the moment of inertia of the motor 12.
  • a pressure ring 42 which includes the steering column with play and which is provided with a friction lining 46 toward the end face 44 of the driver part.
  • the pressure ring 42 is fixed to the retaining ring 38 in a rotationally rigid manner.
  • a preloaded plate spring 48 is provided between the retaining ring 38 and the pressure ring 42. The pretensioning of the plate spring 48 results in an axial force between the driver part 32 and the worm wheel 22, which, in conjunction with the conical friction surface, enables a rigid through-drive from the worm wheel 22 to the steering column 16, as long as the torques to be transmitted move within the usual range.
  • An additional axial support (not shown) of the worm wheel 22 prevents the slipping torque from being influenced by the axial forces introduced into the worm wheel 22 via the worm 18.

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Abstract

Die elektrische Lenkhilfe (10) besitzt einen elektrischen Antriebsmotor (12), der über ein Schneckengetriebe (14) die Drehbewegung der Lenksäule (16) unterstützt. Um die empfindlichen Zahnflanken vor Überbelastungen zu schützen, ist bei bekannten Ausführungen zwischen dem Motor (12) und der Schnecke (18) eine trennbare Kupplung (24) vorgesehen. Bei defekten Lagern kann das Schneckengetriebe (14) dennoch die Lenksäule (16) blockieren. Um dies zu vermeiden, ist die Kupplung (24) in das Schneckenrad (22) integriert und bildet die Schnittstelle zwischen diesem und der Lenksäule (16). Der Wegfall der Kupplung an der bisher üblichen Stelle ermöglicht auch die unmittelbare Anordnung der Schnecke (18) auf der Motorwelle (20), so daß sich deren Lagerung vereinfacht und der Wirkungsgrad der Lenkhilfe (10) verbessert.

Description

Beschreibung
Elektrische Lenkhilfe
Die Erfindung befaßt sich mit einer elektrischen Lenkhilfe mit einem elektrischen Antriebsmotor, der über ein Schneckengetriebe die Drehbewegung der Lenksäule unterstützt, und einer Kupplung, mit Hilfe derer in Überlastfällen der Durchtrieb aufhebbar ist.
Elektrische Lenkhilfen kommen seit einiger Zeit vermehrt anstelle der bisher üblichen hydraulischen Lenkhilfen zum Einsatz. Bedingt durch das große Übersetzungsverhältnis dreht sich der Antriebsmotor beim Verdrehen der Lenksäule des Kraftfahrzeuges mit sehr großer Drehzahl. In Verbindung mit dem hohen Massenträgheitsmoment des Antriebsmotors führen Stoßeinflüsse auf die Lenkung zu hohen Drehmomentspitzen im Antriebsstrang der elektrischen Lenkhilfe. Derartige Spitzen treten beispielsweise dann auf, wenn die Lenkung bis an den mechanischen Anschlag bewegt wird und der Motor dadurch abrupt abgebremst wird. Umgekehrt wird der Motor - geschleppt durch das Getriebe - sehr stark beschleunigt, wenn durch Fahrbahnunebenheiten oder Bordsteinkanten schlagartige Stoßeinwirkungen auf die Lenkung erfolgen oder die Räder bei aufgebocktem Wagen zur Wartungszwecken manuell bis zum mechanischen Anschlag verdreht werden. Die hohen Trägheitsmomente des Motors führen in allen Fällen zu hohen Belastungen des Getriebes und der Lenksäule, die Beschädigungen insbesondere im Bereich der Zahnflanken der Schnecke verursachen können.
Aus diesem Grund ist es üblich, zwischen dem Motor und der Schnecke eine Reib- beziehungsweise Rutschkupplung, die mit Schlupf auf Drehmomentspitzen reagiert, oder eine elektromagnetische Kupplung vorzusehen, die nur dann eingekuppelt ist, wenn die Lenkunterstützung durch den Motor gefordert ist. Durch das Vorsehen der Kupplung ist es jedoch notwendig, die Motorwelle und die Schneckenwelle des Schneckengetriebes getrennt mit je zwei Lagern zu lagern. Dies führt zu erheblich gesteigerten Reibmomenten, insbesondere bei geschlepptem Motor, so daß das Rückstellmoment der Räder unter Umständen nicht mehr ausreicht, das Lenkrad in die Mittellage zurückzustellen. Hierdurch wird der Fahrkomfort erheblich eingeschränkt. Eine weitere Verschlechterung des Wirkungsgrades ist auf den kaum vermeidbaren Achsversatz zwischen Motor- und Schneckenwelle zurückzuführen.
Unabhängig davon, ob eine Überlastkupplung vorgesehen ist oder nicht, besteht bei elektrischen Lenkhilfen mit Schneckengetrieben das Problem, daß es im Falle eines Getriebeschadens, zum Beispiel bei einem defekten Lager oder bei klemmendem Motor, zu einer erheblichen Erhöhung der Lenkkräfte oder sogar zu einem Blockieren der Lenkung kommt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Lenkhilfe zu schaffen, die auch bei einem Schaden die Lenkung nicht blockieren kann und die in der Lage ist, kurzzeitige Überbelastungen abzufangen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine elektrische Lenkhilfe der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei welcher die Kupplung in das Schneckenrad des Schneckengetriebes integriert ist und die Schnittstelle zwischen Lenksäule und Schneckenrad bildet.
Die Kupplung ist so beschaffen, daß sie im normalen Betrieb die zur Unterstützung der Lenksäule gewünschten Drehmomente im wesentlichen schlupffrei übertragen kann. Unter bestimmten Umständen, zum Beispiel bei kurzzeitigen Überbelastungen oder einer Blockade der elektrischen Lenkhilfe, erlaubt sie jedoch eine Relativdrehung der Lenksäule in bezug auf das Schneckenrad, so daß die Verzahnungen des Schneckengetrie- bes vor zu hohen Kräften geschützt beziehungsweise die Notlaufeigenschaften des Systems gewahrt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Schneckenwelle und die Motorwelle als einstückige Welle ausgebildet.
Die Ausbildung als einstückige Welle ermöglicht es, die Einheit aus Schneckenwelle und Motorwelle mit nur zwei Lagern reibungsarm zu lagern. Ein Versatz zwischen Motorwelle und Schneckenwelle kann bei dieser Konzeption nicht auftreten. Die einstückige Welle ermöglicht daher einen besseren Wirkungsgrad der elektrischen Lenkhilfe und erlaubt gleichzeitig ein besseres Rückstellen der Lenkung durch die Autoräder, was beim Fahren als sehr angenehm empfunden wird. Die Schnecke kann in üblicher Weise auf der einstückigen Welle befestigt oder unmittelbar aus dem Wellenkörper herausgearbeitet sein.
Die Kupplung kann beispielsweise als elektromagnetische oder elektro- rheologische Kupplung ausgebildet sein, wobei diese bevorzugt nur dann geschlossen ist, wenn der Motor die Lenksäule unterstützt.
Eine derartige Kupplung hat den Vorteil, daß bei einem Schaden an der elektrischen Lenkhilfe ein völliges Abkoppeln von der Lenksäule möglich ist, so daß beim Lenken zwar keine Unterstützung mehr vorhanden ist, jedoch auch keine zusätzlichen Kräfte überwunden werden müssen. Der Aufwand für die Kupplungen selbst und ihre Ansteuerung ist jedoch höher.
Als Alternative zu den elektromagnetischen beziehungsweise -rheolo- gischen Kupplungen kann die Kupplung als Reib-. Rutschkupplung ausgebildet sein.
Eine derartige Rutschkupplung ist sehr einfach im Aufbau und platzsparend anzuordnen. Das Rutschmoment wird so gewählt, daß die Kupplung im Bereich der im Betrieb üblichen Drehmomentwerte einen starren Durchtrieb darstellt, bei darüber hinausgehenden Drehmomentbelastungen jedoch Schlupf zuläßt. Kommt es im Falle eines Versagens zu einem Blockieren der elektrischen Lenkhilfe, muß beim Lenken zwar das Rutschmoment der Kupplung überwunden werden, das Fahrzeug bleibt jedoch grundsätzlich lenkbar.
In bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Reibfläche der Reib- /Rutschkupplung konisch ist. Dabei verfügt vorzugsweise das Schneckenrad über einen Innenkonus, in dem unter axialer Vorbelastung ein drehstarr mit der Lenksäule verbundener Außenkonus sitzt, wobei der Innenkonus und/oder der Außenkonus mit Reibelementen versehen sind.
Die konisch ausgebildete Reibfläche erlaubt das Übertragen relativ hoher Drehmomente bei vergleichsweise geringen Vorspannungswerten.
Zweckmäßigerweise ist der Innenkonus gegen den Außenkonus durch ein Federelement, zum Beispiel eine Schraubenfeder oder wenigstens eine Tellerfeder, vorbelastet. Mit Hilfe derartiger Federelemente läßt sich eine definierte Vorspannung erzielen, so daß das Rutschmoment der Kupplung exakt vorbestimmbar ist. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Federelement zwischen einer Stirnfläche des mit dem Außenkonus versehenen Elements und einem Haltering sitzt, der über ein Gewinde in axialer Richtung verstellbar an dem Schneckenrad festgelegt ist. Gegenüber einer starren Festlegung am Schneckenrad, die für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist, bietet die Anbringung über das Gewinde die Möglichkeit, die Vorbelastung des Außenkonus gegen den Innenkonus zu variieren. Da es im Überlastfall zu einer Relativdrehung zwischen dem Außenkonus und dem Federelement kommen kann, wirkt letzteres vorzugsweise nicht unmittelbar, sondern über einen Druckring und Reibelemente auf die Stirnfläche. Da es je nach Steigung der Verzahnung auch zu einem Einleiten von axialen Kräften in das Schneckenrad kommt, die beispielsweise im Falle einer konischen Reibkupplung das Rutschmoment verändern könnten, kann es zweckmäßig sein, das Schneckenrad in axialer Richtung separat zu lagern.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.
Es zeigen:
Figur 1 : eine teilgeschnittene Ansicht einer elektrischen Lenkhilfe für
Kraftfahrzeuge;
Figur 2: einen Querschnitt der elektrischen Lenkhilfe nach Figur 1 entlang der Linie A-A;
Figur 3: einen vergrößerten Ausschnitt der Kupplung zwischen Schneckenrad und Lenksäule gemäß Figur 2.
Die in Figur 1 dargestellte elektrische Lenkhilfe 10 verfügt über einen elektrischen Motor 12, der über ein Schneckengetriebe 14 die Drehbewegung einer Lenksäule 16 eines Kraftfahrzeuges beim Lenken unterstützt. Die Ansteuerung des Motors erfolgt in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern, wie zum Beispiel der Geschwindigkeit des Fahrzeuges.
Der Motor 12 treibt eine Schnecke 18 an, die unmittelbar auf der Motorwelle 20 sitzt oder aus dieser unmittelbar herausgearbeitet ist. Die Schnecke 18 wirkt mit einem Schneckenrad 22 zusammen, das konzentrisch um die Lenksäule 16 angeordnet ist. Das Schneckengetriebe 14 ist in einem mit dem Motor 12 verblockten Getriebegehäuse 23 angeordnet. Die Geometrie der Schnecke 18 und des Schneckenrades 22 ist so ge- wählt, daß es nicht zu einer Selbsthemmung kommen kann, wenn sich die Lenksäule 16 unter dem Einfluß der Rückstellkräfte der Autoräder nach einer durchfahrenen Kurve in die Mittellage zurückdreht.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Lenksäule 16 und das Schnek- kenrad 22. In das Schneckenrad 22 ist eine Reib-/Rutschkupplung 24 integriert, die das Schneckenrad 22 mit der Lenksäule 16 koppelt. Das Rutschmoment der Rutschkupplung 24 ist so bemessen, daß diese unter den im Betrieb normalerweise auftretenden Momenten einen starren Durchtrieb darstellt. Für den Fall eines Überschreiten des Rutschmomentes sorgt sie für einen Drehschlupf zwischen der Lenksäule 16 und dem Schneckenrad 22, der die durch das Trägheitsmoment des Motors 12 entstehenden Kräfte im Schneckentrieb begrenzt.
Der genaue Aufbau der Rutschkupplung 24 ergibt sich aus der Detailansicht gemäß Figur 3. Das Schneckenrad 22 verfügt über einen innenkonus 26, der mit einem Reibbelag 28 zusammenwirkt, der auf der konischen Umfangsfläche 30 eines Mitnehmerteils 32 ausgebildet ist. Das Mitnehmerteil 32 sitzt drehstarr auf der Lenksäule 16, wobei die drehstarre Verbindung beispielsweise durch eine Preßverbindung oder eine sonstige bekannte Wellen-Nabenverbindung hergestellt sein kann.
Das Schneckenrad 22 verfügt über einen axialen Vorsprung 34, auf dessen Außenumfangsfläche ein Gewinde 36 vorgesehen ist. Das Gewinde 36 wirkt mit einem Innengewinde eines Halterings 38 zusammen, der ähnlich einem Deckel auf den axialen Vorsprung 34 aufgeschraubt ist und über eine konzentrische Öffnung 40 verfügt, durch welche die Lenksäule 16 mit Spiel hindurchragt. Eine Verdrehsicherung (nicht gezeigt), verhindert im Betrieb ein Verdrehen des Halterings 38 in bezug auf das Schnek- kenrad 22. 7
Zwischen dem Mitnehmerteil 32 und dem Haltering 38 ist ein die Lenksäule mit Spiel umfassender Druckring 42 vorgesehen, der zur Stirnfläche 44 des Mitnehmerteils hin mit einem Reibbelag 46 versehen ist. Der Druckring 42 ist drehstarr an dem Haltering 38 festgelegt. Zwischen dem Haltering 38 und dem Druckring 42 ist eine vorgespannte Tellerfeder 48 vorgesehen. Durch die Vorspannung der Tellerfeder 48 ergibt sich eine Axialkraft zwischen dem Mitnehmerteil 32 und dem Schneckenrad 22, die in Verbindung mit der konischen Reibfläche einen starren Durchtrieb vom Schneckenrad 22 auf die Lenksäule 16 ermöglicht, solange sich die zu übertragenden Drehmomente im üblichen Rahmen bewegen.
Kommt es bei Stoßbelastungen zu einer Überschreitung des durch die Vorspannkraft der Tellerfeder 48 eingestellten Rutschmomentes, beginnt das Schneckenrad 22 sich relativ zum Mitnehmerteil 32 zu drehen, wobei es zu einer Gleitbewegung zwischen dem Reibbelag 28 und dem Innenkonus 26 sowie zwischen dem Reibbelag 46 und der Stirnfläche 44 des Mitnehmerteils 32 kommt. Durch diese Drehmomentbegrenzung werden die Kräfte auf die Zahnflanken der Schnecke 18 im zulässigen Rahmen gehalten, so daß es nicht zu Beschädigungen kommen kann.
Eine zusätzliche axiale Abstützung (nicht gezeigt) des Schneckenrades 22 verhindert eine Beeinflussung des Rutschmomentes durch die über die Schnecke 18 in das Schneckenrad 22 eingeleiteten Axialkräfte.
Kommt es infolge wiederholter Überbeanspruchung zu einem Verschleiß der Reibbeläge 28, 46, sorgt die Haltefeder 48 für ein Nachstellen des Mitnehmerteils 32 in bezug auf den Innenkonus 26 des Schneckenrades 22. Solange der Nachstellweg klein ist, sinkt die Vorspannkraft dadurch kaum ab. Sollte sie jedoch durch wiederholtes Nachstellen so stark abfallen, daß es bei Vollast des Motors 12 zu einem Schlupf zwischen dem Innenkonus 26 und dem Reibbelag 28 kommt, kann durch entsprechendes 8
Nachstellen des Halterings 38 wieder die ursprüngliche Vorspannkraft eingestellt werden.
Außer bei elektrischen Lenkhilfen ist es auch bei Schneckengetrieben allgemein möglich, das Schneckenrad über eine Rutschkupplung entsprechend den vorhergehenden Ausführungen an die Abtriebswelle zu koppeln. Auch bei sonstigen Schneckengetrieben stellt die Rutschkupplung dabei einen Überlastschutz dar oder sie ermöglicht eine Schleppbewegung der Abtriebswelle bei blockiertem oder selbstsperrend ausgeführtem Schneckengetriebe.
Bezugszeichenliste:
10 elektrische Lenkhilfe
12 elektrischer Motor
14 Schneckengetriebe
16 Lenksäule
18 Schnecke
20 Motorwelle
22 Schneckenrad
23 Getriebegehäuse
24 Reib-/Rutschkupplung
26 Innenkonus
28 Reibbelag
30 Umfangsfläche
32 Mitnehmerteil
34 Vorsprung
36 Gewinde
38 Haltering
40 konzentrische Öffnung
42 Druckring
44 Stirnfläche
46 Reibbelag 48 Haltefeder

Claims

10PatentansprücheElektrische Lenkhilfe
1. Elektrische Lenkhilfe mit einem elektrischen Antriebsmotor (12), der über ein Schneckengetriebe (14) die Drehbewegung der Lenksäule (16) unterstützt, und einer Kupplung (24), mit Hilfe derer der Durchtrieb in bestimmten Fällen aufhebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (24) in das Schneckenrad (22) des Schneckengetriebes (14) integriert ist und die Schnittstelle zwischen Lenksäule (16) und Schneckenrad (22) bildet.
2. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckenwelle und die Motorwelle als einstückige Welle (20) ausgebildet sind.
3. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (24) als elektromagnetische oder elektrorheo- logische Kupplung ausgebildet ist.
4. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische beziehungsweise -rheologische Kupplung nur dann geschlossen ist, wenn der Motor (12) die Lenksäule (16) unterstützt.
5. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung als Reib-/ Rutschkupplung (24) ausgebildet ist.
6. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche (26, 28) der Kupplung (24) konisch ist. 11
7. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneckenrad (22) über einen Innenkonus (26) verfügt, in dem unter axialer Vorbelastung ein drehstarr mit der Lenksäule (16) verbundener Außenkonus (30, 32) sitzt, wobei der Innenkonus (26) und/oder der Außenkonus (30) mit Reibelementen (28) versehen sind.
8. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkonus (26) gegen den Außenkonus (28, 30) durch ein Federelement (48) axial vorbelastet ist.
9. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus einer Schraubenfeder oder wenigstens einer Tellerfeder (48) besteht.
10. Elektrische Lenkhilfe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (48) zwischen einer Stirnfläche (44) des mit dem Außenkonus (30) versehenen Elements (32) und einem Haltering (38) sitzt, der über ein Gewinde (36) in axialer Richtung verstellbar an dem Schneckenrad (22, 34) festgelegt ist.
11. Elektrische Lenkhilfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneckenrad (22) über eine separate Lagerung in axialer Richtung verfügt, um die Kupplung (24) von Axialkräften zu entlasten.
EP99911682A 1998-03-18 1999-02-18 Elektrische lenkhilfe Withdrawn EP1062142A1 (de)

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