EP3841316A1 - Steer-by-wire-lenkgetriebe mit hohlwellenmotor und kugelgewindetrieb - Google Patents

Steer-by-wire-lenkgetriebe mit hohlwellenmotor und kugelgewindetrieb

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EP3841316A1
EP3841316A1 EP19756359.6A EP19756359A EP3841316A1 EP 3841316 A1 EP3841316 A1 EP 3841316A1 EP 19756359 A EP19756359 A EP 19756359A EP 3841316 A1 EP3841316 A1 EP 3841316A1
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EP
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steering
gear
screw
steer
steering gear
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Withdrawn
Application number
EP19756359.6A
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French (fr)
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Wolfram RAITHER
Philippe Steck
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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Publication date
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    • F16H2025/2078—Coaxial drive motors the rotor being integrated with the nut or screw body

Definitions

  • the present invention relates to a steering gear for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle with the features of the preamble of claim 1 and a steer-by-wire steering system with the features of the preamble of claim 8.
  • the position of the steered wheels is not directly coupled to the steering input means, for example a steering wheel.
  • DE 10 2006 008 911 A1 discloses a steering system for a motor vehicle with a hollow shaft motor, through the hollow shaft of which a rod is guided which can be driven in the longitudinal direction by means of the electric motor and when used in an auxiliary power steering in a region as a rack for engagement with a steering pinion is trained.
  • the hollow shaft is rotatably connected to a pulley.
  • the belt gear forms an intermediate gear to a rolling element screw gear.
  • a steering gear for a steer-by-wire steering system is one
  • Motor vehicle having a hollow shaft motor with a housing-fixed stator and a rotatably mounted rotor, which is arranged coaxially to a longitudinal axis and is penetrated by a screw gear, the screw gear comprising a spindle nut arranged coaxially to the longitudinal axis, which is drivingly connected to the rotor and which sits on a spindle which can be displaced along the longitudinal axis by means of the hollow shaft motor, and the pitch angle of the screw transmission is less than 4.5 °, in particular less than 4 ° and particularly preferably less than 3.5 °.
  • Torque into an axial force where f is the angle of friction and a is the pitch angle.
  • the ball screw is self-locking below a defined value.
  • the angle of friction is preferably less than 4.4 ° and greater than 0.1 °.
  • the screw gear is a roller screw gear, in particular a ball screw or a roller screw.
  • the screw gear is a trapezoidal screw drive. It can be provided that the rotor sits directly on the nut and is connected to it in a rotationally fixed manner. It is advantageous if the rotor coaxially surrounds the nut. However, an intermediate gear can also be provided, which reduces the speed of the hollow shaft motor and connects the rotor to the nut.
  • a steer-by-wire steering system for a motor vehicle comprises:
  • a feedback actuator which can be acted upon by a driver with a driver request for a steering angle via a steering input device and which outputs a feedback signal to the steering input device in response to the driver request and a driving state of the motor vehicle
  • Control unit transmitted, provided, the control unit controls the steering gear to the
  • the spindle itself is preferably designed as a steering rod which is connected to tie rods for steering the wheels of the motor vehicle.
  • Fig. 2 a longitudinal section through a steering gear with a hollow shaft motor
  • a steer-by-wire steering system 1 is shown in FIG. On a steering shaft 2, a rotation angle sensor (not shown) is attached, which one by rotating a steering input means 3, which in the example as a steering wheel
  • a feedback actuator 4 is attached to the steering shaft 2, which serves to simulate the repercussions from the roadway 70 on the steering wheel 3 and thus to give the driver feedback on the steering and driving behavior of the vehicle.
  • the driver's steering request is based on the one measured by the rotation angle sensor
  • the feedback actuator monitor unit transmits the driver's steering request to a control unit 5.
  • the feedback actuator monitor unit preferably also takes over the control of the feedback actuator 4.
  • the feedback actuator monitor unit can also be formed integrally with the control unit 5.
  • the control unit 5 controls in
  • an electric steering actuator 6 which controls the position of the steered wheels 7.
  • the steering actuator 6 is part of a steering gear 8 having a steering rod 9. It acts indirectly on the steered wheels 7 via tie rods 10 and other components.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a steering gear 8 according to the invention with ball screw 11 and hollow shaft motor 12 along their longitudinal axis 100.
  • the hollow shaft motor 12 is preferably permanently excited and has a hollow cylindrical shape. It consists of a stator 13 and a rotor 14 which is embedded in the stator 13. Stator 13 and rotor 14 are coaxial with the longitudinal axis 100.
  • the rotor 14 is rotatably mounted about the longitudinal axis 100 and has a hollow cylindrical shape.
  • the rotor 14 sits on a ball nut 15 and is connected to it in a rotationally fixed manner. It can also be provided that the rotor 14 via an intermediate gear
  • an intermediate gear can be provided which connects the rotor 14 to the ball nut 15 in the power flow.
  • the intermediate gear is preferably a planetary gear or a harmony drive.
  • the ball nut 15 is coaxial with the longitudinal axis 100
  • a torque is transmitted from the ball nut 15 via balls 17 to the ball screw 16.
  • the ball nut 15 is rotatably mounted in a housing 19 by means of a ball bearing 18.
  • a rotary movement of the hollow shaft motor 12 is converted into a translatory movement of the ball screw 16 along the longitudinal axis 100.
  • the ball screw drive 11 has a large transmission ratio (small pitch angle a). This allows electric motors with lower torque to be used.
  • the torque of an electric motor is approximately
  • the lead angle a of the ball screw is preferably less than 4 °.
  • the ratio of the thread pitch s to the ball center circle diameter of the ball screw D is less than 0.22, because the following relationship applies
  • FIG. 3 shows the efficiency h as a function of the gradient angle a for eight different friction angles f.
  • the angle of friction in the form of tan ( ⁇ ) decreases along the Y axis, from bottom to top. Below the dashed line, the ball screw is self-locking, i.e. H. the angle of inclination a ⁇ friction angle f applies approximately.
  • the angle of friction is preferably less than 4.4 ° and greater than 0.1 °.
  • the ball screw drive used in FIG. 2 preferably has a pitch angle of less than 4.5 °, in particular less than 4 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe (8) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor (12) mit einem gehäusefesten Stator (13) und einem drehbar gelagerten Rotor (14), der koaxial zu einer Längsachse (100) angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe (11) durchsetzt ist, wobei das Schraubgetriebe (11) eine koaxial zu der Längsachse (100) angeordnete Spindelmutter (15) umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor (14) verbunden ist und die auf einer Spindel (16) sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors (12) entlang der Längsachse (100) verschiebbar ist, und wobei der Steigungswinkel (α) des Schraubgetriebes (11) kleiner als 4,5° ist.

Description

Steer-by-Wire-Lenkgetriebe mit Hohlwellenmotor und
Kugelgewindetrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire- Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen ist die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkeingabemittel, beispielsweise einem Lenkrad, gekoppelt.
Es besteht eine Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern über elektrische Signale. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkwinkel- sensor abgegriffen, und in Abhängigkeit von dem Fahrerlenkwunsch wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt. Die DE 10 2006 008 911 Al offenbart eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hohlwellenmotor, durch dessen Hohlwelle eine Stange geführt ist, die mittels des Elektromotors in Längsrichtung antreibbar ist und bei Verwendung in einer Hilfskraftlenkung in einem Bereich als Zahnstange für den Eingriff mit einem Lenkritzel ausgebildet ist. Die Hohlwelle ist dabei drehfest mit einer Riemenscheibe verbunden. Das Riemengetriebe bildet ein Zwischengetriebe zu einem Wälzkörper-Schraubgetriebe. Als nachteilig erweist sich diese Lösung dahingehend, da viele Komponenten notwendig sind, um Sicherheits- funktionen eines Steer-by-Wire Lenksystems zu gewährleisten. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe für ein Steer-by- Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges anzugeben, das einen geringen Bauraumbedarf aufweist, weniger Bauteile umfasst und gleichzeitig mehr funktionale Sicherheit bietet.
Diese Aufgabe wird von einem Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Steer- by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines
Kraftfahrzeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor mit einem gehäusefesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, der koaxial zu einer Längsachse angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe durchsetzt ist, vorgesehen, wobei das Schraubgetriebe eine koaxial zu der Längsachse angeordnete Spindelmutter umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor verbunden ist und die auf einer Spindel sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors entlang der Längsachse verschiebbar ist, und wobei der Steigungswinkel des Schraub- getriebes kleiner als 4,5°, insbesondere kleiner als 4° und besonders bevorzugt kleiner 3,5° ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ergibt sich, besonders in Kugel- gewindetrieben, ein Wirkungsgrad h = tan^ bei einer Umsetzung eines tan (a + <p)
Drehmoments in eine Axialkraft, wobei f der Reibungswinkel und a der Steigungswinkel ist. Unterhalb eines definierten Wertes ist der Kugelgewinde- trieb selbsthemmend, d. h. es gilt ungefähr Steigungswinkel a < Reibungs- winkel f. Der Reibungswinkel ist bevorzugt kleiner 4,4° und grösser 0,1°. Das große Übersetzungsverhältnis erlaubt eine kompakte Ausgestaltung des Hohlwellenmotors. Da kein Riementrieb notwendig ist, können Bauteile eingespart und die funktionale Sicherheit erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schraubgetriebe ein Wälz- körper-Schraubengetriebe, insbesondere ein Kugelgewindetrieb oder ein Rollengewindetrieb. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Schraubengetriebe ein Trapezgewindetrieb. Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor unmittelbar auf der Mutter sitzt und mit dieser drehfest verbunden ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Rotor die Mutter koaxial umgibt. Es kann aber auch ein Zwischengetriebe vorgesehen sein, das die Drehzahl des Hohlwellenmotors untersetzt und den Rotor mit der Mutter verbindet.
Weiterhin ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend :
- ein auf die gelenkten Räder wirkendes Lenkgetriebe,
- eine Ansteuereinheit,
- einen Feedback-Aktuator, der über ein Lenkeingabemittel von einem Fahrer mit einem Fahrerwunsch für einen Lenkwinkel beaufschlagt werden kann und ein Feedback-Signal an das Lenkeingabemittel als Reaktion auf den Fahrerwunsch und einen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ausgibt,
- eine Einrichtung zur Signalübertragung, die den Fahrerwunsch an die
Ansteuereinheit übermittelt, vorgesehen, wobei die Ansteuereinheit das Lenkgetriebe ansteuert, um den
Fahrerwunsch in eine Auslenkung der gelenkten Räder zu transformieren, und wobei das Lenkgetriebe wie zuvor beschrieben, ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Spindel selbst als Lenkstange ausgebildet, die zur Lenkung der Räder des Kraftfahrzeuges mit Spurstangen verbunden ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es
zeigen :
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein Lenkgetriebe mit Hohlwellenmotor und
Kugelgewindetrieb, sowie Fig. 3: Verläufe einer Abhängigkeit zwischen Wirkungsgrad und
Steigungswinkel für unterschiedliche Kugelgewindetriebe.
In der Figur 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 gezeigt. An einer Lenkwelle 2 ist ein nicht dargestellter Drehwinkelsensor angebracht, welcher einen durch Drehen eines Lenkeingabemittels 3, welches im Beispiel als Lenkrad
ausgebildet ist, aufgebrachten Fahrerlenkwinkel erfasst. Es kann aber zusätzlich auch ein Lenkmoment erfasst werden. Als Lenkeingabemittel kann ein Joy-Stick dienen. Des Weiteren ist an der Lenkwelle 2 ein Feedback- Aktuator 4 angebracht, welcher dazu dient, die Rückwirkungen von der Fahrbahn 70 auf das Lenkrad 3 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben. Der Fahrerlenkwunsch wird über den vom Drehwinkelsensor gemessenen
Drehwinkel der Lenkwelle 2 an eine nicht dargestellte Feedback-Aktuator- Monitoreinheit übertragen. Die Feedback-Aktuator-Monitoreinheit überträgt den Fahrerlenkwunsch an eine Ansteuereinheit 5. Die Feedback-Aktuator- Monitoreinheit übernimmt bevorzugt auch die Ansteuerung des Feedback- Aktuators 4. Die Feedback-Aktuator-Monitoreinheit kann auch integral mit der Ansteuereinheit 5 ausgebildet sein. Die Ansteuereinheit 5 steuert in
Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelsensors sowie weiteren
Eingangsgrößen einen elektrischen Lenkaktuator 6 an, welcher die Stellung der gelenkten Räder 7 steuert. Der Lenkaktuator 6 ist Teil eines Lenkgetriebes 8 aufweisend eine Lenkstange 9. Er wirkt über Spurstangen 10 und anderen Bauteilen mittelbar auf die gelenkten Räder 7.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe 8 mit Kugelgewindetrieb 11 und Hohlwellenmotor 12 entlang deren Längsachse 100. Der Hohlwellenmotor 12 ist bevorzugt permanenterregt und weist eine hohlzylinderförmige Gestalt auf. Er besteht aus einem Stator 13 und einem Rotor 14, der in den Stator 13 eingelassen ist. Stator 13 und Rotor 14 liegen koaxial zur Längsachse 100. Der Rotor 14 ist um die Längsachse 100 drehbar gelagert und weist eine hohlzylinderartige Gestalt auf. Der Rotor 14 sitzt auf einer Kugelmutter 15 und ist mit dieser drehfest verbunden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Rotor 14 über ein Zwischengetriebe in
formschlüssigem Kontakt mit der Kugelmutter 15 steht und sie über das Zwischengetriebe antreibt. In anderen Worten, es kann ein Zwischengetriebe vorgesehen sein, das den Rotor 14 mit der Kugelmutter 15 im Kraftfluss verbindet. Das Zwischengetriebe ist bevorzugt ein Planetengetriebe oder ein Harmonie Drive. Die Kugelmutter 15 ist koaxial zur Längsachse 100
angeordnet und wird von einer Kugelgewindespindel 16 koaxial zur Längs- achse durchsetzt. Ein Drehmoment wird von der Kugelmutter 15 über Kugeln 17 zur Kugelgewindespindel 16 übertragen. Die Kugelmutter 15 ist mittels eines Kugellagers 18 in einem Gehäuse 19 drehbar gelagert. Eine Dreh- bewegung des Hohlwellenmotors 12 wird in eine translatorische Bewegung der Kugelgewindespindel 16 entlang der Längsachse 100 überführt.
Der Kugelgewindetrieb 11 weist ein großes Übersetzungsverhältnis (kleiner Steigungswinkel a) auf. Dies erlaubt Elektromotoren mit geringerem Dreh- moment einzusetzen. Das Drehmoment eines Elektromotors ist etwa
proportional zu seinem Durchmesser. Es können somit Bauraum und Kosten eingespart werden. Bevorzugt ist der Steigungswinkel a des Kugelgewinde- triebes kleiner als 4°. In anderen Worten ist das Verhältnis der Gewinde- Steigung s zum Kugelmittenkreisdurchmesser der Kugelgewindespindel D kleiner als 0,22, denn es gilt folgender Zusammenhang
In Steer-by-Wire-Lenkungen ohne mechanische Rückfallebene ist ein so großes Übersetzungsverhältnis unproblematisch, da hohe Durchschiebekräfte bzw. Selbsthemmung zugelassen sind. Auf den Einsatz eines Riementriebs kann verzichtet werden, wodurch Bauteile eingespart werden können und sich große Vorteile bezüglich funktionaler Sicherheit ergeben, die für Steer-by- Wire-Lenksysteme von essentieller Bedeutung sind. Vor allem durch den Verzicht auf einen Zahnriemen, der unter den Sicherheitsanforderungen einer Steer-by-Wire-Lenkung als potentiell kritisches Bauteil einzuschätzen ist, können in diesem Fall zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, wie redundante Komponenten, eingespart werden. Bei der Umsetzung eines Drehmomentes in eine Axialkraft in Kugelgewinde- trieben ergibt sich der Wirkungsgrad h = tan^ , wobei f der Reibungswinkel tan (a + f)
ist. Figur 3 zeigt den Wirkungsgrad h in Abhängigkeit von dem Steigungs- winkel a für acht verschiedene Reibungswinkel f. Der Reibungswinkel in Form von tan(^) nimmt entlang der Y-Achse, von unten nach oben ab. Unterhalb der gestrichelten Linie ist der Kugelgewindetrieb selbsthemmend, d. h. es gilt ungefähr Steigungswinkel a < Reibungswinkel f. Der Reibungswinkel ist bevorzugt kleiner 4,4° und grösser 0,1°. Der in Figur 2 eingesetzte Kugel- gewindetrieb weist bevorzugt einen Steigungswinkel kleiner als 4,5°, insbesondere kleiner als 4° auf. In konventionellen elektromechanischen
Lenkgetrieben mit Hohlwellenmotor kann ein solcher Kugelgewindetrieb nicht eingesetzt werden, da er die hohen Anforderungen an die Durchschiebekraft und die Vermeidung von Selbsthemmung (Anforderungen der
Durchlenkbarkeit bei Systemausfall) nicht erfüllen würde.

Claims

Patentansprüche
1. Lenkgetriebe (8) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahr- zeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor (12) mit einem gehäusefesten Stator (13) und einem drehbar gelagerten Rotor (14), der koaxial zu einer Längsachse (100) angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe (11) durchsetzt ist, wobei das Schraubgetriebe (11) eine koaxial zu der Längsachse (100) angeordnete Spindelmutter (15) umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor (14) verbunden ist und die auf einer Spindel (16) sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors (12) entlang der Längsachse (100) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (a) des Schraubgetriebes (11) kleiner als 4,5° ist.
2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (a) des Schraubgetriebes kleiner als 4° ist.
3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (a) des Schraubgetriebes kleiner als 3,5° ist.
4. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schraubgetriebe (11) ein Wälzkörper- Schraubengetriebe ist.
5. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schraubgetriebe (11) ein Kugelgewindetrieb, ein Trapezgewindetrieb oder ein Rollengewindetrieb ist.
6. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rotor (14) unmittelbar auf der Mutter (15) sitzt und mit dieser drehfest verbunden ist.
7. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (8) ein
Zwischengetriebe aufweist, das die Drehzahl des Hohlwellenmotors (12) untersetzt und den Rotor (14) mit der Mutter (15) des Schrauben- getriebes verbindet.
8. Steer-by-Wire-Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend :
- ein auf die gelenkten Räder (7) wirkendes Lenkgetriebe (8), - eine Ansteuereinheit (5),
- einen Feedback-Aktuator (4), der über ein Lenkeingabemittel (3) von einem Fahrer mit einem Fahrerwunsch für einen Lenkwinkel beaufschlagt werden kann und ein Feedback-Signal an das
Lenkeingabemittel als Reaktion auf den Fahrerwunsch und einen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ausgibt,
- eine Einrichtung zur Signalübertragung, die den Fahrerwunsch an die Ansteuereinheit (5) übermittelt, wobei die Ansteuereinheit (5) das Lenkgetriebe (8) ansteuert, um den Fahrerwunsch in eine Auslenkung der gelenkten Räder (7) zu
transformieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (16) als Lenkstange ausgebildet ist, die zur Lenkung der Räder (7) des Kraftfahrzeuges mit Spurstangen (9) verbunden ist.
EP19756359.6A 2018-08-21 2019-08-20 Steer-by-wire-lenkgetriebe mit hohlwellenmotor und kugelgewindetrieb Withdrawn EP3841316A1 (de)

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DE102018120266.0A DE102018120266A1 (de) 2018-08-21 2018-08-21 Steer-by-Wire-Lenkgetriebe mit Hohlwellenmotor und Kugelgewindetrieb
PCT/EP2019/072285 WO2020038952A1 (de) 2018-08-21 2019-08-20 Steer-by-wire-lenkgetriebe mit hohlwellenmotor und kugelgewindetrieb

Publications (1)

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EP3841316A1 true EP3841316A1 (de) 2021-06-30

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