ES2199874T3 - Servoconduccion tubular sustentada electricamente, con elevado grado de efectividad. - Google Patents

Abstract

Disposición de servoconducción para hacer bascular unas ruedas de vehículo direccionables al girar un volante, en donde este dispositivo comprende: una disposición de cremallera (1) que puede moverse para provocar un movimiento de basculamiento de las ruedas, en donde la disposición de barra (1) muestra tres regiones parciales, una primera región parcial de barra (2), con unos dientes (5), una región intermedia (3) y una segunda región de barra (4) que está configurada como un husillo de bolas (4); una disposición con un piñón (6), que puede girarse con el volante y engrana con los dientes (5) de la primera pieza de barra (2), para aplicar una fuerza de dirección sobre la disposición de cremallera; una tuerca a bolas (7) que engrana en el husillo de bolas (4), en donde éste está montado de forma giratoria con una disposición de cojinete (8) con relación a una carcasa (18); una disposición de motor eléctrico (9, 10, 12) con un estator (10) dispuesto coaxialmente con relación a la disposiciónde barra (1) y un rotor (9), en donde el rotor (9) está en unión activa con la tuerca a bolas (7), caracterizada porque la disposición de cojinete (8) muestra un solo cojinete (8) para un apoyo unilateral del rotor (9) y el rotor (9) está montado giratoriamente junto con la tuerca (7).

Description

Servoconducción tubular sustentada eléctricamente, con elevado grado de efectividad.

La invención se refiere a una disposición de servoconducción para vehículos de motor según el preámbulo de la reivindicación 1.

Los sistemas de servodirección se accionan con un apoyo por ejemplo hidráulico, por medio de que en el árbol de dirección se mide el par de giro de control generado por la biela y de esta forma se controla, a través de un sistema hidráulico, un émbolo que actúa sobre la cremallera situada transversalmente del sistema de dirección que forma parte de una biela de empuje y, de este modo, genera un apoyo de fuerza según la amplitud del volante. Estos sistemas electro-hidráulicos tienen el inconveniente de que a elevadas velocidades del vehículo, en donde en realidad de necesita el mínimo apoyo de servofuerza, aparece la máxima potencia hidráulica y con el vehículo parado se reduce mucho el apoyo de fuerza, cuando se necesitarían las mayores fuerzas de dirección.

Por eso ya se ha intentado materializar unas disposiciones de servoconducción que accionen directamente la cremallera con un motor eléctrico. Estos sistemas ahorran espacio y energía, ya que el motor eléctrico sólo se activa en caso de necesidad. Con unas disposiciones de servoconducción accionadas por motor eléctrico sería posible disponer de la oferta de fuerza auxiliar en el momento oportuno, por ejemplo de manera correspondientemente más intensa con el vehículo parado.

De la memoria de patente de los EE.UU. 5,711,396 se ha dado a conocer por ejemplo un servoaccionamiento que funciona con un motor eléctrico, que actúa directamente sobre la cremallera del sistema de dirección. Para poder generar unas fuerzas suficientemente elevadas se ha previsto un motor eléctrico correspondientemente robusto, que debe desmultiplicarse con la intensidad correspondiente para generar unas fuerzas de ajuste suficientemente elevadas. En la memoria de patente antes citada se ha dispuesto el motor eléctrico lateralmente respecto a la cremallera o a la biela de empuje, la cual acciona un mecanismo de husillo de bolas que está dispuesto coaxialmente respecto al eje de la cremallera y sirve de engranaje reductor. En esta disposición existe el inconveniente de que el motor y la disposición de engranajes tienen una estructura complicada y necesitan relativamente mucho espacio de montaje. Además de esto el grado de eficacia no es especialmente elevado. Para ahorrar espacio de montaje también se ha intentado disponer coaxialmente mecanismos de husillo de bolas junto con el motor eléctrico sobre el eje de la cremallera, como se ha dado a conocer por ejemplo a partir del documento genérico GB 2 284 790. En el documento EP 0 101 579 se ha hecho patente otra disposición coaxial. Estas disposiciones conocidas hasta hoy en día tienen el inconveniente de que su construcción es relativamente complicada, en especial en el campo del apoyo de la tuerca a bolas y del rotor del motor. A causa del limitado grado de eficacia de las disposiciones de servodirección accionadas eléctricamente conocidas hasta ahora también está limitado el campo de aplicación, ya que éstas exigen también una elevada potencia eléctrica de alimentación del motor eléctrico. La potencia eléctrica disponible de la red de a bordo de un vehículo de motor es limitada. Asimismo las servoconduciones actuales son demasiado poco compactas, con lo que su aplicación a vehículos pequeños también es limitada o su aplicación no es rentable.

La misión de la presente invención consiste en eliminar los inconvenientes del estado de la técnica antes citado. La misión consiste en especial en materializar una servoconducción eléctrica para una disposición de dirección, que tenga una estructura muy compacta y que permita obtener un comportamiento de reacción rápido con una buena dinámica, con un comportamiento de dirección que reaccione para la biela, y que funcione con un elevado grado de efectividad y pueda generar grandes fuerzas de ajuste, que actúen directamente sobre la biela de empuje o la cremallera, y pueda producirse de forma económica. La disposición debe ser además compacta y poder disponerse tubular y coaxialmente respecto al eje de la biela de empuje.

La misión es resuelta conforme a la invención mediante la disposición según las particularidades de la reivindicación 1. Las reivindicaciones subordinadas definen otras formas de ejecución ventajosas.

La misión es resuelta conforme a la invención por medio de que un motor eléctrico con su rotor, dispuesto coaxialmente respecto al eje de la cremallera, acciona un convertidor de rotación-traslación. Éste se compone de una tuerca roscada a bolas que engrana a su vez con una pieza roscada, que está dispuesta en una región parcial de la biela de empuje. La tuerca giratoria o el rotor está dispuesto, montado giratoriamente, con un solo cojinete y éste está apoyado fijamente en el chasis del vehículo, de tal forma que esto provoca al girar la tuerca un desplazamiento axial de la biela de empuje, con lo que actúa una fuerza correspondiente sobre la biela de empuje. La tuerca y la biela de empuje actúan como un engranaje con relación a la transmisión de fuerza. La ventaja de esta disposición consiste en que el rotor del motor está acoplado directamente a la tuerca roscada a bolas del convertidor de rotación-traslación y solo se necesita un cojinete.

Como convertidor de rotación-traslación son especialmente adecuados los ya citados mecanismos de husillo de bolas o los mecanismos de husillo de transmisión por bolas. En estas disposiciones las bolas que ruedan entre la tuerca y el filete, por ejemplo en un lazo sinfín, se hacen retroceder de nuevo hasta su posición original. Una disposición especialmente apropiada de un mecanismo de husillo de transmisión por bolas la ofrece por ejemplo la compañía Amsler & Co A en CH-8245 Feuerthalten con la designación de tipo "Star" y el nombre transmisión de bolas rodantes. Con esta ejecución puede obtenerse una disposición conversora precisa, especialmente compacta con un elevado grado de eficacia. La utilización de un motor especial, conmutado electrónicamente, con rotor de tipo campana permite además la utilización de un solo cojinete para el soporte de la tuerca roscada a bolas junto con el rotor de tipo campana. El motor eléctrico dispuesto coaxialmente respecto al eje de la cremallera o de la biela de empuje está configurado de tal manera, que el estator abraza coaxialmente con su devanado el eje de la biela de empuje y, además de esto el rotor abraza, montado giratoriamente, el estator con preferencia tubularmente. El rotor soporta imanes permanentes del tipo tierras raras y está configurado como rotor en forma de campana que está montado unilateralmente junto con la tuerca roscada a bolas. Con una disposición de este tipo pueden conseguirse en una ejecución compacta unos elevados grados de eficacia.

La relación de transmisión de fuerzas del convertidor de rotación-traslación y del motor se diseña de tal manera, que pueden generarse evadas fuerzas de ajuste, con preferencia hasta de más de 9 kN con tiempos de reacción cortos, lo que es importante en especial para la seguridad de la dirección. El motor se controla en frecuencia conforme a los requisitos deseados a través de una etapa electrónica de potencia, en donde la frecuencia de activación está situada con preferencia por encima del margen de la capacidad auditiva humana. La etapa de potencia es accionada por una unidad de control que elabora como señal de valor real el par de giro medido en el árbol de dirección, que se genera al conducir con relación a la cremallera, para lo que se dispone por ejemplo una barra de torsión entre el engranaje de dirección y el árbol de dirección y se mide su deformación durante la aplicación de fuerzas. El control puede ser dotado con ventaja de una característica o función de transmisión correspondiente, para poder generar la deseada característica con un comportamiento operativo diferente. Por ejemplo puede tenerse en cuenta y compensarse el comportamiento de la fuerza de control, que depende de la cadencia y del tiempo. Aparte de esto puede apoyarse con ventaja la recuperación de las ruedas delanteras al soltar el volante y/o compensarse discontinuidades del engranaje de dirección, por ejemplo como consecuencia de fallos cardánicos, y/o amortiguarse activamente oscilaciones de rotación de la instalación de dirección. El motor controlado electrónicamente permite además compensar determinadas características negativas del motor como por ejemplo un comportamiento de ondulación residual o incluso tolerancias de acabado, por medio de que por ejemplo se modulada con compensación la potencia del motor, ya sea mediante prefijaciones fijas o mediante la medición del efecto a través de sensores y ligadura a un sistema de regulación programado. El control está configurado de forma ventajosa como control programable, por ejemplo como un sistema de microprocesador, que puede definirse a través de software o también a través de unos programas almacenados, ligados de forma fija. Con las disposiciones de convertidor de motor conforme a la invención pueden obtenerse buenos grados de eficacia totales con una forma constructiva compacta y con elevadas fuerzas de ajuste sin sobrecargar la red de abordo. A continuación se describe con detalle la invención a modo de ejemplo con figuras esquemáticas: aquí muestran:

la fig. 1 esquemáticamente y en sección transversal una disposición de servoconducción conforme a la invención,

la fig. 2 esquemáticamente y en sección transversal una disposición aumentada conforme a la fig. 1 de la disposición de convertidor de motor.

En las figuras se ha representado esquemáticamente y en corte una disposición de servoconducción conforme a la invención, con una disposición de cremallera 1 desplazable y una unidad de accionamiento de motor eléctrico dispuesta coaxialmente. La disposición de cremallera 1 se dispone de forma conocida en un vehículo de motor, de tal modo que ésta está acoplada por sus extremos a las ruedas direccionables, por ejemplo a través de unas llamadas barras de dirección que pueden bascularse con las ruedas, que están montadas giratoriamente, mediante un movimiento de vaivén durante la conducción, de tal forma que las ruedas reciben un virado de control correspondiente. La disposición de cremallera 1 muestra un primer segmento 2 sobre cuya región parcial de barra se han dispuesto unos dientes 5, que engranan en un piñón 6 que es accionado a través del árbol de dirección desde el volante de dirección durante el proceso de conducción. Esta primera región de barra parcial 2 con los dientes 5 forma, junto el piñón 6, el engranaje de dirección 20 alojado en la carcasa 20. Entre el piñón 6 y el volante se produce durante el giro una acción de fuerza, que es detectada a través de un medio de medición la señal resultante se valora y se guía de manera correspondiente, a través de una disposición de control o de una disposición de circuito de regulación, hasta un mecanismo de accionamiento de motor que a su vez acopla una fuerza a la disposición de cremallera 1 para, de este modo, hacer posible un proceso de control más sencillo.

La primera región de barra parcial 2 se continúa a través de una pieza intermedia 3, que une la región parcial de cremallera 2 a la segunda región parcial de barra 4, en donde esta pieza de barra 4 está configurada como un husillo de bolas y forma parte del accionamiento. El extremo exterior de la primera pieza de barra 2 y de la segunda pieza de barra 4 está unido activamente, en estado montado en el vehículo, a las ruedas basculantes. En la segunda pieza de barra o en el husillo de bolas se ha dispuesto de forma coaxialmente periférica una tuerca a bolas 7, que está montada con una disposición de cojinete 8 de forma giratoria alrededor del eje de barra, de tal forma que la tuerca 7 está fijada en dirección axial con relación a la posición de montaje y de esta forma con relación al chasis en dirección axial respecto a la disposición de barra 1. Al girar la tuerca a bolas 7 se absorben de este modo las fuerzas radiales y las fuerzas axiales por el camino más corto y se transfieren a la carcasa 19, la cual abraza el cojinete y el motor. El giro de la tuerca a bolas 7 provoca de este modo un desplazamiento longitudinal del husillo de bolas 4 y con ello de la disposición de cremallera 1. La disposición de cojinete 8 se compone de forma ventajosa de un rodamiento de bolas que admite una gran carga, por ejemplo un rodamiento de bolas oblicuo de doble fila o incluso de un rodamiento de cuatro puntos, de rodillos o radial rígido.

El motor eléctrico está configurado como motor electrónicamente conmutado y muestra un estator 10, que está configurado como devanado eléctrico y está dispuesto fijamente muy cerca de la tuerca a bolas 7 y abraza coaxialmente la disposición de cremallera 1. Este devanado de estator 10 puede disponerse por ejemplo sobre una pieza de carcasa 18, que abraza tubularmente la disposición de cremallera y servir al mismo tiempo como tubo de protección o tubo de unión entre la carcasa del engranaje de dirección 20 y la carcasa del convertidor de motor 18. El devanado de estator 10 se alimenta, como ya se ha citado, desde una unidad electrónica de control o regulación. El rotor 9 del motor eléctrico está configurado ventajosamente en forma de tubo o campana como un inducido exterior y está montado directamente, junto con la tuerca a bolas 7, a través de la disposición de cojinete 8. El rotor 9 lleva unos imanes permanentes con un producto de alta energía del tipo imán de tierras raras, con preferencia del tipo cobalto-samario o neodimio.

Entre el rotor 9 y el estator 10 se ha previsto un entrehierro efectivo 21 de menos de 2 mm, con preferencia el entrehierro debería ser < 1,5 mm, para obtener un grado de eficacia especialmente bueno. La tolerancia de la anchura del entrehierro es aquí |leq del 10% con relación a la dimensión de anchura de entrehierro promedio, para hacer posible unas buenas características de sincronismo y con ello un comportamiento de dirección suficientemente bueno.

La carcasa 18 está dotada enfrente del lado extremo de la segunda pieza de barra 4, de forma ventajosa, de un orificio 15 que forma una abertura coaxial 16, abrazando el husillo de bolas 4, y de este modo hace posible una abertura de entrada de aire hacia la región del motor. En este orificio 15 se ha dispuesto por ejemplo un fuelle de goma de protección que, durante el movimiento de vaivén de la disposición de cremallera 1, ejerce una especie de acción de bombea para el aire y con ello hace posible, por medio de unas aberturas o escotaduras 17 en la región de la disposición de cojinete 8, guiar aire en especial a través del entrehierro de motor 21. Esto provoca una refrigeración eficiente de la disposición con escasa complejidad.

La pieza de tubo de unión 19, que abraza la pieza intermedia 3 de la disposición de cremallera 1, se configura con ventaja en la superficie interior del tubo como superficie de deslizamiento, por la que puede deslizarse un elemento de apoyo 11 que está dispuesto en la pieza intermedia 3 durante el movimiento de vaivén de la disposición de cremallera 1. Este apoyo 11 provoca un impedimento del vuelco de la pieza de barra 4 del husillo de bolas, que tendría como consecuencia que, por medio de una especie de afianzamiento en el convertidor del husillo roscado de bolas, empeoraría el grado de eficacia. El apoyo 11 se dota de forma ventajosa con material deslizante en la región de las superficies de rodadura, como con materiales sintéticos adecuados o casquillos de deslizamiento correspondientes. Sin embargo, el apoyo también puede realizarse con un elemento de apoyo 11a, que está aplicado fijo al tubo interior 19, en donde la superficie de deslizamiento está configurada entonces en la pieza intermedia 3. También es posible una combinación de los dos tipos de apoyo.

En el orificio 15, que está unido a la carcasa 18, se prevé de forma ventajosa la fijación de la disposición de servoconducción con relación al chasis, por ejemplo con una disposición amortiguadora de anillo de goma 13 y un estribo de sujeción.

La disposición puede materializarse con un elevado grado de eficacia, de forma extremadamente compacta y económica, con muy pocas piezas. Son sin más posibles unas dimensiones compactas del convertidor de motor inferiores a 120 mm de diámetro d con una longitud l inferior a 140 mm, de manera correspondiente a la ejecución conforme a la invención. Con estas dimensiones es posible una elevación de husillo de aprox. 2 x 70 mm, es decir, en total 140 mm, en donde el diámetro del husillo está situado en la región de 24 mm, con un paso de rosca del husillo roscado de entre 5 y 10 mm. La fuerza axial en el husillo se alcanza aquí al menos 9.000 N, con una velocidad de giro del motor de hasta máx. 800º/s y un par de giro del motor eléctrico de hasta 10 Nm.

La disposición de servoconducción conforme a la invención se compone fundamentalmente de muy pocas piezas constructivas, como el estator 10, el rotor 9 con los imanes 12, la disposición de cojinete 8, la carcasa 18 con la tapa de carcasa, la tuerca a bolas 7 y la pieza de husillo de bolas 4 o la disposición de cremallera 1. Por medio de la elevada integración de las piezas constructivas es no sólo muy reducida la dimensión de la disposición del convertidor de motor, como se ha citado, sino también la longitud total g de la disposición de cremallera 1 desde un extremo de la carcasa del engranaje de dirección hasta el otro extremo de la disposición de barra 1, por ejemplo 650 mm. Aparte de esto, por medio del número reducido de las piezas constructivas es muy corta la cadena de tolerancia, lo que hace posible una producción precisa con unos costes soportables y apoya el elevado grado de eficacia de la disposición.

Claims (12)

1. Disposición de servoconducción para hacer bascular unas ruedas de vehículo direccionables al girar un volante, en donde este dispositivo comprende:

una disposición de cremallera (1) que puede moverse para provocar un movimiento de basculamiento de las ruedas, en donde la disposición de barra (1) muestra tres regiones parciales, una primera región parcial de barra (2), con unos dientes (5), una región intermedia (3) y una segunda región de barra (4) que está configurada como un husillo de bolas (4);

una disposición con un piñón (6), que puede girarse con el volante y engrana con los dientes (5) de la primera pieza de barra (2), para aplicar una fuerza de dirección sobre la disposición de cremallera;

una tuerca a bolas (7) que engrana en el husillo de bolas (4), en donde éste está montado de forma giratoria con una disposición de cojinete (8) con relación a una carcasa (18);

una disposición de motor eléctrico (9, 10, 12) con un estator (10) dispuesto coaxialmente con relación a la disposición de barra (1) y un rotor (9), en donde el rotor (9) está en unión activa con la tuerca a bolas (7),

caracterizada porque la disposición de cojinete (8) muestra un solo cojinete (8) para un apoyo unilateral del rotor (9) y el rotor (9) está montado giratoriamente junto con la tuerca (7).

2. Disposición según la reivindicación 1, caracterizada porque el rotor (9) está configurado en forma de campana.

3. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la disposición de motor eléctrico (9, 10, 12) está configurada como disposición de motor conmutada electrónicamente.

4. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el estator (10) está dispuesto fijo y en el lado vuelto hacia la disposición de barra (1) y ésta está configurada como devanado.

5. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el rotor (9) está equipado con imanes permanentes (12), en especial del tipo imanes de tierras raras, como imanes de cobalto-samario o neodimio.

6. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque entre el rotor (9) y el estator (10) se ha previsto un entrehierro de \leq 2 mm, con preferencia \leq 1,5 mm, en donde en especial la tolerancia de la anchura del entrehierro es \leq del 10% con relación a la dimensión del entrehierro.

7. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la región de la pieza intermedia (3) se han previsto unos medios de apoyo deslizantes (11, 11a), que están dispuestos entre la pieza intermedia (3) y una pieza tubular de guiado (19), en donde los medios de apoyo (11, 11a) están dotados con preferencia en la región de las superficies de contacto de un material deslizante como con materiales sintéticos o materiales sinterizados deslizantes.

8. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la región de la disposición de cojinete (8) están dispuestas unas aberturas de paso de aire (16, 17) para hacer guiar el aire de refrigeración a través del entrehierro (21).

9. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la disposición de cojinete (8) se compone de cojinetes rodantes, en especial de rodamientos de bolas como un rodamiento de bolas oblicuo, con preferencia en dos filas.

10. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la tuerca a bolas (7) es una tuerca a bolas recirculante, como una tuerca a bolas periférica o un accionamiento roscado de bolas.

11. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la disposición de motor eléctrico (9, 10, 12) con la tuerca (7) y la disposición de cojinete (8) muestra un diámetro máximo (d) de 120 mm y una longitud máxima (l) de 140 mm.

12. Disposición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se han previsto unos medios de medición para medir el par de giro al girar el volante y estos están en unión activa, con un mecanismo de control y/o regulación, con la disposición de motor eléctrico (9, 10) y, con preferencia, el mecanismo de control y/o regulación contiene un control programable para determinar o seguir una característica de transmisión prefijable.