WO2011058115A2 - Steering comprising an electric motor for steering assistance - Google Patents

Steering comprising an electric motor for steering assistance Download PDF

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WO2011058115A2
WO2011058115A2 PCT/EP2010/067317 EP2010067317W WO2011058115A2 WO 2011058115 A2 WO2011058115 A2 WO 2011058115A2 EP 2010067317 W EP2010067317 W EP 2010067317W WO 2011058115 A2 WO2011058115 A2 WO 2011058115A2
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steering
pinion
electric motor
measuring device
tie rod
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Werner M. Bless
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Bless Werner M
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    • B62D5/0448Ball nuts
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K7/10Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

Definitions

  • the invention relates to a steering system for a motor vehicle having an electric motor for steering power assistance.
  • DE 39 1 1 088 A1 shows a power steering system which is designed as a rack and pinion steering.
  • a tie rod has two toothed areas.
  • a steering pinion connected to the steering column meshes with one of these areas, while one auxiliary pinion meshes with the other area.
  • the auxiliary power pinion is driven via a reduction gear by an electric motor.
  • a hollow shaft motor is arranged on a steering column approach and acts via a reduction gear on the steering column approach or a steering pinion.
  • the invention therefore has the object to provide a power steering system for a motor vehicle, which allows for low construction costs a particularly good feedback to the driver of the motor vehicle.
  • the invention is defined by the independent claims.
  • the dependent claims relate to optional features of some embodiments of the invention.
  • the above object is achieved by a rack and pinion steering in which a pinion, which engages in a toothing of the tie rod, is gearless connected to the rotor of an electric motor for power steering assistance.
  • the electric motor in a de-energized operating state ("free running") affects the movement of the tie rod - and thus the feedback to the driver - not or only slightly. This is because the gearless rotor connected to the pinion is easily rotatable. If, on the other hand, a reduction gear were present, then slight movements of the tie rod by the friction and the breakaway torque of the reduction gear, as well as by the correspondingly translated moment of inertia of the engine, would be significantly hindered.
  • the term "gearless” is to be understood in the present document in particular that no reduction gear between the electric motor and the pinion is connected.
  • the electric motor and the pinion directly - for example, via a rigid shaft or even in one piece - connected to each other.
  • it can also be provided at least one joint which rotatably connects the electric motor and the pinion each other.
  • the term “rotationally fixed” in the present document includes a direct connection as well as a connection via at least one joint, even if the joint possibly causes a certain rotational angle error.
  • the pinion is a steering pinion, which is also gearless - in some embodiments, rotationally fixed or direct - coupled to a steering column. It goes without saying that a connection via shaft pieces and / or joints can also take place here.
  • a torque-measuring device can be coupled between the steering column and the steering pinion, as corresponds to the currently customary arrangement in the case of power steering systems.
  • the pinion is an auxiliary power pinion provided in addition to the steering pinion.
  • the entire steering assist assembly of the actual steering gear - which can be configured in a known per se - structurally separate. This results in a particularly high flexibility in the adaptation to a given space.
  • the above-mentioned object is achieved by a steering system for a motor vehicle in which an electric motor assembly for steering power assistance via an actuating element acts on a tie rod, wherein a measuring device between the actuating element and the electric motor assembly is arranged to one on the actuating element applied force or acting on the actuator torque to measure.
  • the measuring device is assigned functionally to the auxiliary power assembly.
  • the otherwise common measuring device on the steering gear can then be omitted in many embodiments or, if it is still provided, lead to improved measurement accuracy or increased redundancy.
  • the electric motor assembly includes an electric motor and a reduction gear, wherein the measuring device is disposed between the actuating element and the reduction gear.
  • the measuring device has at least one spring element and a sensor.
  • the at least one spring element may be, for example, at least one web formed like a spoke in a wheel or at least one web extending between two shaft sections in the axial direction.
  • the actuator may be in different embodiments, a pinion - in particular a steering pinion or an auxiliary power pinion - or a ball nut or have.
  • FIG. 1 A and 1 B each show a perspective view of components of a steering system in a first exemplary embodiment
  • 1 C is a view obliquely from above and front of the first embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column,
  • 1 D is a side view of the first embodiment in a direction along the tie rod and normal to the steering column
  • FIGS. 2A and 2B are each a perspective view of components of a steering in a second embodiment
  • FIG. 2C is a front view of the second embodiment in a direction normal to the tie rod
  • Fig. 2D is a side view of the second embodiment in a direction along the tie rod
  • 3A is a perspective view of a built-in housing steering according to the second embodiment
  • FIG. 3B is a plan view of the embodiment of FIG. 3A in a direction normal to the tie rod
  • Fig. 3C is a rear view of the embodiment of FIG. 3A in one
  • FIG. 4A shows a perspective view of a steering system built into a housing according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4B is a plan view of the embodiment of FIG. 4A in a
  • Fig. 4C is a rear view of the embodiment of FIG. 4A in one
  • FIG. 5A is a perspective view of components of a steering in a fourth embodiment
  • FIG. 5B is a plan view of the fourth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • Fig. 5C is a view obliquely from below on the fourth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • 5D is a side view of the fourth embodiment in a direction along the tie rod
  • FIG. 6A is a perspective view of components of a steering in a fifth embodiment
  • 6B is a plan view of the fifth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • 6C is a front view of the fifth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • FIG. 7A is a perspective view of components of a steering in a sixth embodiment
  • Fig. 7B is a view obliquely from the top and front of the sixth embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column
  • Fig. 7C is a view obliquely from above and behind the sixth embodiment in a direction along the steering column, in the direction of the driver .
  • FIG. 8A is a perspective view of components of a steering in a seventh embodiment
  • 8B is a view obliquely from above and in front of the seventh embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column,
  • 8C is a view obliquely from above and behind on the seventh embodiment in a direction along the steering column
  • FIG. 9A is a perspective view of components of a steering in an eighth embodiment
  • Fig. 9B is a plan view of the eighth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • 9C is a side view of the eighth embodiment in a direction along the tie rod
  • 10A and 10B each show a perspective view of components of a steering in a ninth embodiment
  • 10C is a view obliquely from below and on the front of the ninth embodiment in a direction along the steering column, against the line of sight of the driver
  • FIG. 1 1 A is a sectional view of components of a steering in a tenth embodiment along the center axis of the tie rod, as shown as section A-A in Fig. 1 1 B, Fig. 1 1 B is a cross section of the tenth embodiment,
  • FIG. 1 1 C is an enlarged view of the marked in Fig. 1A with the circle C area
  • Fig. 1 1 D is a side view of the tenth embodiment in a direction normal to the tie rod
  • Fig. 1 1 E an exploded view of components of the tenth embodiment
  • Fig. 1 1 F is an enlarged view of the in Fig. 1 1 E marked with the circle F spring package.
  • FIGS. 1A-1D show a first embodiment in which a tie rod 10 in a region 12, which is located near a steering column (not shown), a toothing 14 has. It is understood that the toothing 14 and the steering pinion 16 can be configured in a variety of different designs. While FIGS. 1A-1D show a simple embodiment of a rack-and-pinion steering system, alternative embodiments provide progressive steering systems, for example according to EP 1 841 635 B1, in which the teeth 14 and the steering pinion 16 are complexly formed and optionally consist of several parts , The steering pinion 16 is connected to a steering shaft part 18 or formed as a toothing on the steering shaft part 18.
  • the steering shaft part 18 is in turn in a conventional manner - for example via a universal joint (not shown) - coupled to the steering column.
  • the steering shaft part 18 has a torque-measuring device 20, which responds to the steering column controlled via the steering torque.
  • the torque-measuring device 20 is configured as a tubular portion of the steering shaft portion 18 having cuts 22, between which thin webs of the steering shaft portion 18 extending in the axial direction. These webs bend depending on the
  • a sensor measures the rotation and generates a corresponding measurement signal, which is evaluated by control electronics (not shown).
  • the torque-measuring device 20 may be configured differently in alternative embodiments.
  • the torque-measuring device 20 in a conventional manner have a torsion bar whose rotation caused by the steering torque is scanned by a suitable sensor.
  • the torque-measuring device 20 may have one or more springs, which are arranged between two sections of the steering shaft part 18.
  • the sensor (not shown) for sensing the rotation or relative movement produced by the steering torque in the torque measuring device 20 can also be designed in many different ways, for example as a piezo sensor or as an optical sensor or as an electromagnetic sensor that is sensitive to a change the shielding of a permanent magnetic field responds.
  • an electric motor 24 is further provided for steering power assistance.
  • the electric motor 24 is connected directly to the steering pinion 16 via a short shaft 26.
  • the Electric motor 24 is configured in the present embodiment as an external rotor.
  • a bell-shaped rotor 28 has an outer magnetic ring 30 and a perforated connecting wheel 32, which connects the magnetic ring 30 with the shaft 26.
  • An annular stator 34 is disposed within the magnet ring 30 and in the present embodiment has an inner stator ring 36 with a plurality of magnet windings 38.
  • An essential feature of the present embodiment is that the rotor 28 via the shaft 26 - or in alternative embodiments, another connecting piece or a one-piece extension - gearless coupled to the steering pinion 16.
  • This embodiment has the considerable advantage that the electric motor 24 in the freewheeling movement of the tie rod 10 barely opposes resistance and thus excellent feedback of road influences on the steering column - and the steering wheel to the driver - allowed.
  • the electric motor 24 may be configured in different ways. In addition to the design described so far as external rotor configurations are also provided as a pancake or internal rotor.
  • the electric motor 24 may be designed brushless or with brushes, and the magnet windings may be part of the rotor and / or part of the stator. Desirable in many embodiments, a sufficiently high torque with the lowest possible weight and low cost and the smallest possible moment of inertia. It is understood that the electric motor 24 must be suitably dimensioned to afford the desired power steering even without reduction gear. This is achieved in particular by the combination of a relatively large rotor diameter with a relatively small pinion - here the steering pinion 16.
  • a steering force of about 3,000 N acting laterally on the tie rod 10 may be desirable. If about 1 500 N of these are applied as a manual torque via the steering wheel, approximately 1 500 N remain, which the electric motor 24 must provide. At a typical torque of the electric motor 24 in the range of 9 - 22 Nm, this force is available when the pinion - here the steering pinion 16 - has a radius in the range of 6-15 mm.
  • the torque just mentioned, of the order of 9-22 Nm may for example be generated by an electric motor 24 having a diameter of approximately 20 cm and 4 cm in height.
  • the electric motor 24 may have, for example, an operating voltage of 12 V or 24 V or 70 V or 200 V or 400 V and a maximum power consumption of 3 kW.
  • the diameter of the rotor - for example of the rotor 28 - by at least a factor of 5 or 10 or 15 greater than the diameter of the pinion connected to the electric motor 24 - here the steering pinion 16, but in other embodiments also a Hilfskraftritzels - be.
  • a single pinion - namely the steering pinion 16 - - provided, on which both the manual torque of the driver and the auxiliary torque of the electric motor 24 act.
  • This embodiment is particularly component-saving and therefore inexpensive.
  • separate assemblies for the manual torque and the auxiliary torque are provided, as shown for example in the embodiment of FIG. 2A-2D.
  • the tie rod 10 has two regions 12, 40 with teeth 14, 42.
  • the first region 12 corresponds to the region already described above in connection with FIGS. 1A-1 D, in which the steering pinion (not shown in FIGS. 2A-2D) engages.
  • the second region 40 is provided with the toothing 42.
  • An auxiliary power pinion 44 meshes with the toothing 42.
  • the electric motor 24 is connected in the embodiment described here via the shaft 26 with the auxiliary power pinion 44. Again, thus provided by the electric motor 24 auxiliary steering force acts directly - without reduction gear - on the tie rod 10th
  • the embodiment according to FIGS. 2A-2D is somewhat more complicated than the embodiment described above according to FIGS.
  • Figs. 3A-3C are external views of the housing-mounted embodiment of Figs. 2A-2D.
  • the tie rod 12 is in a
  • Tie rod housing 46, and the electric motor 24 is located in a motor housing 48. Furthermore, a housing 50 for the steering gear - in particular the steering pinion 16 - and the torque-measuring device 20 is provided.
  • the shaft 26, which connects the rotor 28 of the electric motor 24 to the auxiliary power pinion 44 is relatively short.
  • the electric motor 24 is arranged below the tie rod 10
  • FIGS. 4A-4C Such an embodiment is shown in Figs. 4A-4C.
  • the motor housing 48 in this case has an elongated connector 52 to the tie rod housing 46 to receive the extended shaft 26. Since the motor housing 48 in the embodiment according to FIGS. 4A-4C points downwards, a particularly deep center of gravity results. This is especially important for sports and racing vehicles.
  • the conditional by the electric motor 24 weight is usually in racing unproblematic, because racing vehicles usually have balance weights, which can be made correspondingly lighter in a heavy - but mainly advantageous arranged - electric motor 24.
  • 5A-5D show another embodiment in which the rotor 28 of the electric motor 24 is connected to the auxiliary power pinion 44 via a universal joint 54.
  • the occurring universal joint error of the universal joint 54 can be compensated by a suitable motor control of the electric motor 24.
  • a gearless and non-rotatable connection between the rotor 28 and the auxiliary power pinion 44 is used in these embodiments.
  • the shaft 26 is reduced in the embodiment according to FIGS. 5A-5D to two extensions 56, 58.
  • an elongated shaft 26 (similar to those in FIGS. 4A-4C) and / or further joints and / or further connecting pieces may be provided.
  • the torque-measuring device 20 was associated with the steering column and integrated into the steering shaft portion 18 between the steering pinion 16 and the steering column.
  • a measuring device - which may be configured, for example, as a torque measuring device or as a measuring device for a translational movement - is assigned to the power steering assembly.
  • an electric motor assembly for power steering is generally provided.
  • This electric motor assembly has in some embodiments, only an electric motor - as described above - on. In other embodiments, however, an electric motor and a reduction gear connected thereto are provided as electric motor assembly.
  • FIGS. 6A-6C is similar to the embodiment according to FIGS.
  • a tie rod 10 with two toothed portions 12, 40 and correspondingly two teeth 14, 42 are provided.
  • An electric motor assembly 60 designed as a gearless electric motor 24 acts on the toothing 42 of the second region 40 of the tie rod 10 via an actuating element 62-configured here as an auxiliary power pinion 44.
  • the forces or moments occurring between the electric motor assembly 60 and the actuator 62 are measured by a measuring device 64.
  • the connecting wheel 32 which connects the outer magnetic ring 30 of the rotor 28 with the shaft 26 and the auxiliary power pinion 44, configured as a measuring device 64 which responds to a torque between the auxiliary power pinion 44 and the outer magnetic ring 30.
  • the connecting wheel 32 has a plurality of sector-shaped notches 66, each defining a likewise circular sector-shaped wheel disc section 68. Between the cuts 66 thin, spoke-like webs 70 are formed in the connecting wheel 32. The webs 70 connect an inner hub region 72 to an outer edge region 74 of the connecting wheel 32.
  • each ridge 70 is straight and centered between each pair of wheel disc sections 68.
  • track rod 10 is slightly to the right (in the orientation of Figs. 6A-6C).
  • shifts so designed as auxiliary power pinion 44 actuator 62 slightly rotates counterclockwise.
  • the hub portion 72 and the wheel disc portions 68 follow this rotational movement. Due to the inertia of the rotor 28, however, this does not follow the rotational movement immediately, so that the outer edge region 74 initially remains stationary.
  • the webs 70 therefore bend slightly, and a suitable sensor (not shown) measures the relative rotational movement between the shaft 26 and the hub region 72 on the one hand and the rim 74 and outer magnet ring 30 on the other hand.
  • the maximum bending of the webs 70 is achieved by abutment of the webs 70 on the respectively clockwise adjacent wheel disk sections 68 (in the case of rotation of the hub section 72 in the counterclockwise direction) or by abutment of the webs 70 on the respectively counterclockwise adjacent wheel disk sections 68 (when the hub portion 72 is rotated clockwise).
  • the counteracting a rotation spring force is determined in particular by the width and thickness of the webs 70 and by their number. It will be appreciated that in alternative embodiments, instead of the six webs 70 shown in FIGS. 6A-6C, more or fewer webs may be provided.
  • the sensor (not shown) for measuring the rotational movement may be configured in different ways, similar to the sensor of the torque measuring device 20 of the embodiments described above.
  • a piezo sensor or an optical sensor or a magnetic sensor or a resistance sensor or a high-frequency distance sensor can be used.
  • the measured value determined by the measuring device 64 thus corresponds to the torque exerted on the actuating element 62 -or in other embodiments, the force exerted on the actuating element 62 -in relation to the mass inertia and the breakaway torque of the electric motor assembly 60 Embodiment of FIG. 6A-6C, this counter-torque is relatively low, because the rotor 28 is directly - in particular gearless - coupled to the actuator 62.
  • embodiments are also provided in which the electric motor assembly 60 in addition to the actual electric motor 24 has a reduction gear.
  • the counter-torque in the currentless operation ("freewheeling") of the electric motor is significantly higher because, firstly, the breakaway torque of the reduction gear has to be overcome and, secondly, the mass inertia of the rotor multiplied by the reduction factor.
  • the bending region of the webs 70 is 5 ° in each direction until it abuts against the respectively adjacent wheel disk sections 68, an excellent response of ruts or other roadway properties takes place at least when driving straight ahead.
  • This feedback is namely only an unobstructed movement of the tie rod 10 by a few millimeters or even less than a millimeter (eg a maximum of 4 mm or a maximum of 2 mm) is required.
  • the auxiliary power pinion 44 which can move due to the bending of the webs 70 without movement of the reduction gear and rotor 28 in each direction by 5 °, for example, allows such a displacement of the tie rod 10 readily.
  • actuating element 62 is configured not as an auxiliary power pinion 44 but as a steering pinion 16.
  • Figs. 7A-7C Such an embodiment, which is a modification of the embodiment of Figs. 1A-1D, is shown in Figs. 7A-7C.
  • the steering pinion 16 On one of the steering column (not shown) connected to the steering shaft portion 18, the steering pinion 16 is formed as an actuator 62 in the embodiment of FIGS. 7A-7C.
  • the steering pinion 16 is further connected to the electric motor assembly 24 designed as an electric motor assembly 60 via a shaft 26.
  • the shaft 26 has a measuring device 64, which is similar to the torque-measuring device 30 shown in FIG. 1A-1 D is formed, but not Lenkklaxen melt, but between the steering pinion 16 and the electric motor 24 is arranged.
  • the embodiment according to FIGS. 7A-7C can optionally also be designed with a measuring device 64 integrated in the connecting wheel 32, similar to that shown in FIGS. 6A-6C. Such a configuration is shown in FIGS. 8A-8C.
  • the wheel disk sections 68 are designed to be V-shaped here for material savings, with the legs of the "V" forming stops for limiting the maximum bending of the webs 70.
  • an extended shaft 26 may be provided with a measuring device 64 integrated in the shaft 26, as shown in FIGS. 7A-7C.
  • the connecting wheel 32 then needs to have no bending sections.
  • the electric motor assembly 60 can be equipped with a sub-reduction gear.
  • FIGS. 9A-9C is a modification of the embodiment of FIGS. 6A-6C.
  • the electric motor assembly 60 here has an electric motor 24 of any type, which via a reduction gear 76 and a measuring device 64 on the actuator 62 - which is designed here as a power steering pin 44 - acts.
  • the reduction gear 76 may be configured, for example, as a gear with a worm or bevel gear or conical helical gear or crown-gear transmission.
  • the reduction gear 76 has a bevel gear 80 directly connected to the electric motor 24 and the wheel 78 with a likewise conical toothing.
  • 6A-6C a disk with a plurality of spoke-like webs 70 and a plurality of wheel disk sections 68 acting as lateral stops is formed. Similar to the embodiment according to FIGS. 6A-6C, a sensor 71 measures the lateral bending of the webs 70. The measurement result corresponds to that applied by the tie rod 10 to the actuating element 62. controlled torque against the inertia and the breakaway torque of the electric motor assembly 60, so in the present case of the electric motor 24 with the reduction gear 76.
  • the measuring device 64 functionally between the actuator 62 - which is configured here as auxiliary power pinion 44 - And the reduction gear 76 to switch, so that the loaded only by the restoring force of the webs 70 freewheeling area of the measuring device 64 leads directly to a corresponding freewheeling area of the power steering gear 44.
  • FIGS. 8A-8C with an electric motor assembly 60 and a measuring device 64 according to FIGS. 9A-9C.
  • the measuring device 64 is functionally connected between the actuator 62 and the reduction gear 76.
  • the steering shaft part 18 has no torsion elements and thus provides a direct connection between the steering pinion 16 and the control column. In addition to the component savings, this results in a particularly direct steering feel with excellent feedback properties.
  • Fig. 1 1A-1 1 F show a further embodiment in which the tie rod 10 instead of the toothing 14 has a screw thread 82 for a recirculating ball nut 84.
  • the ball nut 84 is held by two spring assemblies 86, 88 axially floating in a housing 90.
  • the housing 90 has a first and a second part 92, 94 which are fixedly connected to each other.
  • the first part 92 of the housing 90 is provided with a serration 96 for a toothed belt (not shown), via which the housing 90 is driven by an electric motor assembly (not shown).
  • an electric motor assembly not shown
  • spring tabs 98 of the spring assemblies 86, 88 non-rotatably engage in recesses 100 of the ball nut 84 and (not shown) of the two housing parts 92, 94 a.
  • the ball nut 84 is thus rotationally fixed, but axially floating, held in the housing 90. A rotational movement of the housing 90 is therefore transmitted to the ball nut 84, which in turn pushes the tie rod 10 in the axial direction - depending on the direction of rotation of the ball nut 84 to the right or left -.
  • the axially resilient spring tabs 98 of the spring packs 86, 88 allow some relative axial movement between the ball nut 84 and the housing 90, which is measured by a sensor (not shown). Within the spring travel, the measured value of the sensor is thus approximately proportional to the force acting axially between the housing 90 and the tie rod 10. Since the measurement takes place in the transverse direction of the vehicle, occurring transverse or gear forces should be taken into account as far as possible for correcting the measured value.
  • the electric motor assembly 60 may comprise an electric motor of any type.
  • a steering system according to the invention with electromotive steering power assistance can be used both for vehicles with internal combustion engine and for electric vehicles.
  • electric vehicles there is the advantage that the electric motor can be fed to the steering power assistance without further energy distribution measures from the same power source as the main drive motor of the vehicle.
  • strong steering angles which require strong assistance from the power engine, occur only at low speeds - ie low load on the main drive motor.
  • at high load of the main drive motor - ie high speed or high acceleration - no strong steering angle so that the power motor needs no or at most low power.

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Abstract

According to a first concept of the invention, a steering for a motor vehicle comprises an electric motor (24) for steering assistance and a tie rod (10). The electric motor (24) comprises a rotor (28) coupled to a pinion (16). The tie rod (10) comprises a toothing that engages with the pinion (16). The pinion (16) is connected gearlessly to the rotor (28) of the electric motor (24). According to a second concept, an electric motor assembly is provided in the steering for steering assistance, which acts on the tie rod by means of an actuating element. A measuring device is arranged between the actuating element and the electric motor assembly to measure a force that is applied to the actuating element and a torque that acts on the actuating element.

Description

Lenkung mit einem Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung  Steering with an electric motor for steering power assistance
Die Erfindung betrifft eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug, die einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung aufweist. The invention relates to a steering system for a motor vehicle having an electric motor for steering power assistance.
Hilfskraftlenkungen mit Elektromotor sind gut bekannt. So zeigt DE 39 1 1 088 A1 eine Hilfskraftlenkung, die als Zahnstangenlenkung ausgebildet ist. Eine Spurstange weist zwei gezahnte Bereiche auf. Ein mit der Lenksäule verbundenes Lenkritzel kämmt mit einem dieser Bereiche, während ein Hilfskraftritzel mit dem anderen Bereich kämmt. Das Hilfskraftritzel wird über ein Untersetzungsgetriebe von einem Elektromotor getrieben. Power steering with electric motor are well known. Thus, DE 39 1 1 088 A1 shows a power steering system which is designed as a rack and pinion steering. A tie rod has two toothed areas. A steering pinion connected to the steering column meshes with one of these areas, while one auxiliary pinion meshes with the other area. The auxiliary power pinion is driven via a reduction gear by an electric motor.
Aus DE 10 2008 021 591 A1 ist eine elektromechanische Zahnstangenlenkung bekannt. Ein Hohlwellenmotor ist an einem Lenksäulenansatz angeordnet und wirkt über ein Untersetzungsgetriebe auf den Lenksäulenansatz oder ein Lenkritzel. From DE 10 2008 021 591 A1 an electromechanical rack and pinion steering is known. A hollow shaft motor is arranged on a steering column approach and acts via a reduction gear on the steering column approach or a steering pinion.
Allgemein ist es ein wichtiger Gesichtspunkt bei Hilfskraftlenkungen, dass Kräfte, die auf die Räder des Kraftfahrzeugs wirken, in geeigneter Weise an den Fahrer rückgemeldet werden. Beispielsweise soll der Fahrer am Lenkrad klar spüren können, wenn Spurrillen den Geradeauslauf das Fahrzeugs beeinträchtigen. Eine mangelnde Rückmeldung führt zu einem unbefriedigenden Fahreindruck und kann sogar die Fahrsicherheit beeinträchtigen. In general, an important consideration in power steering systems is that forces acting on the wheels of the motor vehicle are appropriately reported back to the driver. For example, the driver should be able to feel clearly on the steering wheel when ruts affect the directional stability of the vehicle. A lack of feedback leads to an unsatisfactory driving impression and can even affect driving safety.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die bei geringem Bauaufwand eine besonders gute Rückmeldung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen optionale Merkmale einiger Ausgestaltungen der Erfindung. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Zahnstangenlenkung gelöst, bei der ein Ritzel, das in eine Verzahnung der Spurstange eingreift, getriebelos mit dem Rotor eines Elektromotors zur Lenk- kraftunterstützung verbunden ist. Bei solchen Ausführungsformen beeinflusst der Elektromotor in einem stromlosen Betriebszustand ("Freilaufbetrieb") die Bewegung der Spurstange - und damit die Rückmeldung an den Fahrer - nicht oder nur geringfügig. Dies liegt daran, dass der getriebelos mit dem Ritzel verbundene Rotor leicht drehbar ist. Wenn dagegen ein Untersetzungsgetriebe vorhanden wäre, so würden gerade leichte Bewegungen der Spurstange durch die Reibung und das Losbrechmoment des Untersetzungsgetriebes, sowie durch das entsprechend übersetzte Trägheitsmoment des Motors, erheblich behindert werden. The invention therefore has the object to provide a power steering system for a motor vehicle, which allows for low construction costs a particularly good feedback to the driver of the motor vehicle. The invention is defined by the independent claims. The dependent claims relate to optional features of some embodiments of the invention. According to a first aspect of the invention, the above object is achieved by a rack and pinion steering in which a pinion, which engages in a toothing of the tie rod, is gearless connected to the rotor of an electric motor for power steering assistance. In such embodiments, the electric motor in a de-energized operating state ("free running") affects the movement of the tie rod - and thus the feedback to the driver - not or only slightly. This is because the gearless rotor connected to the pinion is easily rotatable. If, on the other hand, a reduction gear were present, then slight movements of the tie rod by the friction and the breakaway torque of the reduction gear, as well as by the correspondingly translated moment of inertia of the engine, would be significantly hindered.
Unter dem Ausdruck "getriebelos" soll im vorliegenden Dokument insbesondere verstanden werden, dass kein Untersetzungsgetriebe zwischen den Elektromotor und das Ritzel geschaltet ist. In manchen Ausgestaltungen sind der Elektromotor und das Ritzel direkt - beispielsweise über eine starre Welle oder sogar einstückig - miteinander verbunden. Es kann jedoch auch mindestens ein Gelenk vorgesehen sein, das den Elektromotor und das Ritzel drehfest miteinander verbindet. Hierbei schließt der Ausdruck "drehfest" im vorliegenden Dokument eine direkte Verbindung sowie eine Verbindung über mindestens ein Gelenk ein, auch wenn das Gelenk möglicherweise einen gewissen Drehwinkelfehler hervorruft. The term "gearless" is to be understood in the present document in particular that no reduction gear between the electric motor and the pinion is connected. In some embodiments, the electric motor and the pinion directly - for example, via a rigid shaft or even in one piece - connected to each other. However, it can also be provided at least one joint which rotatably connects the electric motor and the pinion each other. Here, the term "rotationally fixed" in the present document includes a direct connection as well as a connection via at least one joint, even if the joint possibly causes a certain rotational angle error.
In manchen Ausführungsformen ist das Ritzel ein Lenkritzel, das ferner getriebelos - in manchen Ausgestaltungen drehfest oder direkt - mit einer Lenksäule gekoppelt ist. Es versteht sich, auch hier eine Verbindung über Wellenstücke und/oder Gelenke erfolgen kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann ferner eine Drehmoment-Messeinrichtung zwischen die Lenksäule und das Lenkritzel gekoppelt sein, wie dies der gegenwärtig üblichen Anordnung bei Hilfskraftlenkungen ent- spricht. In anderen Ausführungsformen ist das Ritzel dagegen ein Hilfskraftritzel, das zusätzlich zu dem Lenkritzel vorgesehen ist. In diesem Fall ist in manchen Ausgestaltungen die gesamte Lenkhilfskraft-Baugruppe von dem eigentlichen Lenkgetriebe - das auf an sich bekannte Art ausgestaltet sein kann - baulich getrennt. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität bei der Anpassung an einen vorgegebenen Bauraum. In some embodiments, the pinion is a steering pinion, which is also gearless - in some embodiments, rotationally fixed or direct - coupled to a steering column. It goes without saying that a connection via shaft pieces and / or joints can also take place here. In these embodiments, furthermore, a torque-measuring device can be coupled between the steering column and the steering pinion, as corresponds to the currently customary arrangement in the case of power steering systems. In other embodiments, however, the pinion is an auxiliary power pinion provided in addition to the steering pinion. In this case, in some embodiments, the entire steering assist assembly of the actual steering gear - which can be configured in a known per se - structurally separate. This results in a particularly high flexibility in the adaptation to a given space.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug gelöst, bei der eine Elektromotorbaugruppe zur Lenkkraftunterstützung über ein Betätigungselement auf eine Spurstange einwirkt, wobei eine Messeinrichtung zwischen dem Betätigungselement und der Elektromotorbaugruppe angeordnet ist, um eine auf das Betätigungselement ausgeübte Kraft oder ein auf das Betätigungselement einwirkendes Moment zu messen. Mit anderen Worten ist bei diesen Ausgestaltungen die Messeinrichtung funktional der Hilfskraft-Baugruppe zugeordnet. Die sonst übliche Messeinrichtung am Lenkgetriebe kann dann in vielen Ausgestaltungen entfallen oder, wenn sie dennoch vorgesehen ist, zu einer verbesserten Messgenauigkeit oder einer erhöhten Redundanz führen. In manchen Ausführungsformen weist die Elektromotorbaugruppe einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe auf, wobei die Messeinrichtung zwischen dem Betätigungselement und dem Untersetzungsgetriebe angeordnet ist. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass der Messweg des Messeinrichtung zumindest in einem stromlosen Betriebszustand ("Freilaufbetrieb") der Elektro- motorbaugruppe einem Freilaufbereich für die Spurstange entspricht, in dem die Bewegung der Spurstange nicht oder nur geringfügig gehemmt wird. According to a second aspect of the invention, the above-mentioned object is achieved by a steering system for a motor vehicle in which an electric motor assembly for steering power assistance via an actuating element acts on a tie rod, wherein a measuring device between the actuating element and the electric motor assembly is arranged to one on the actuating element applied force or acting on the actuator torque to measure. In other words, in these embodiments, the measuring device is assigned functionally to the auxiliary power assembly. The otherwise common measuring device on the steering gear can then be omitted in many embodiments or, if it is still provided, lead to improved measurement accuracy or increased redundancy. In some embodiments, the electric motor assembly includes an electric motor and a reduction gear, wherein the measuring device is disposed between the actuating element and the reduction gear. These refinements have the advantage that the measuring path of the measuring device, at least in an electroless operating state ("freewheeling operation") of the electric motor assembly corresponds to a freewheeling region for the tie rod, in which the movement of the tie rod is not or only slightly inhibited.
In manchen Ausgestaltungen weist die Messeinrichtung mindestens ein Federelement und einen Sensor auf. Das mindestens eine Federelement kann bei- spielsweise mindestens ein in einem Rad speichenartig ausgebildeter Steg oder mindestens ein zwischen zwei Wellenabschnitten in axialer Richtung verlaufender Steg sein. Das Betätigungselement kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ein Ritzel - insbesondere ein Lenkritzel oder ein Hilfskraftritzel - oder eine Kugelumlaufmutter sein oder aufweisen. In some embodiments, the measuring device has at least one spring element and a sensor. The at least one spring element may be, for example, at least one web formed like a spoke in a wheel or at least one web extending between two shaft sections in the axial direction. The actuator may be in different embodiments, a pinion - in particular a steering pinion or an auxiliary power pinion - or a ball nut or have.
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten schematischen Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen: Fig. 1 A und Fig. 1 B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem ersten Ausführungsbeispiel, Further features, advantages and objects of the invention will become apparent from the accompanying schematic drawings of several embodiments. 1 A and 1 B each show a perspective view of components of a steering system in a first exemplary embodiment,
Fig. 1 C eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das erste Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule, 1 C is a view obliquely from above and front of the first embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column,
Fig. 1 D eine Seitenansicht auf das erste Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange und normal zur Lenksäule, 1 D is a side view of the first embodiment in a direction along the tie rod and normal to the steering column,
Fig. 2A und Fig. 2B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2A and 2B are each a perspective view of components of a steering in a second embodiment,
Fig. 2C eine Vorderansicht auf das zweite Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange, Fig. 2D eine Seitenansicht auf das zweite Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange, 2C is a front view of the second embodiment in a direction normal to the tie rod, Fig. 2D is a side view of the second embodiment in a direction along the tie rod,
Fig. 3A eine perspektivische Ansicht einer in ein Gehäuse eingebauten Lenkung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, 3A is a perspective view of a built-in housing steering according to the second embodiment,
Fig. 3B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3A in einer Richtung normal zur Spurstange, Fig. 3C eine Rückansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3A in einer 3B is a plan view of the embodiment of FIG. 3A in a direction normal to the tie rod, Fig. 3C is a rear view of the embodiment of FIG. 3A in one
Richtung normal zur Spurstange, Fig. 4A eine perspektivische Ansicht einer in ein Gehäuse eingebauten Lenkung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, 4A shows a perspective view of a steering system built into a housing according to a third exemplary embodiment,
Fig. 4B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A in einer 4B is a plan view of the embodiment of FIG. 4A in a
Richtung normal zur Spurstange, Direction normal to the tie rod,
Fig. 4C eine Rückansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4A in einer Fig. 4C is a rear view of the embodiment of FIG. 4A in one
Richtung normal zur Spurstange, Direction normal to the tie rod,
Fig. 5A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem vierten Ausführungsbeispiel, 5A is a perspective view of components of a steering in a fourth embodiment,
Fig. 5B eine Draufsicht auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange, Fig. 5C eine Ansicht schräg von unten auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange, 5B is a plan view of the fourth embodiment in a direction normal to the tie rod, Fig. 5C is a view obliquely from below on the fourth embodiment in a direction normal to the tie rod,
Fig. 5D eine Seitenansicht auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange, 5D is a side view of the fourth embodiment in a direction along the tie rod,
Fig. 6A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem fünften Ausführungsbeispiel, 6A is a perspective view of components of a steering in a fifth embodiment,
Fig. 6B eine Draufsicht auf das fünfte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange, Fig. 6C eine Vorderansicht des fünften Ausführungsbeispiels in einer Richtung normal zur Spurstange, 6B is a plan view of the fifth embodiment in a direction normal to the tie rod, 6C is a front view of the fifth embodiment in a direction normal to the tie rod,
Fig. 7A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem sechsten Ausführungsbeispiel, 7A is a perspective view of components of a steering in a sixth embodiment,
Fig. 7B eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das sechste Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule, Fig. 7C eine Ansicht schräg von oben und hinten auf das sechste Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule, in Blickrichtung des Fahrers, Fig. 7B is a view obliquely from the top and front of the sixth embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column, Fig. 7C is a view obliquely from above and behind the sixth embodiment in a direction along the steering column, in the direction of the driver .
Fig. 8A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem siebten Ausführungsbeispiel, 8A is a perspective view of components of a steering in a seventh embodiment,
Fig. 8B eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das siebte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule, 8B is a view obliquely from above and in front of the seventh embodiment in a direction normal to the tie rod and normal to steering column,
Fig. 8C eine Ansicht schräg von oben und hinten auf das siebte Ausführungs- beispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule, 8C is a view obliquely from above and behind on the seventh embodiment in a direction along the steering column,
Fig. 9A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem achten Ausführungsbeispiel, Fig. 9B eine Draufsicht auf das achte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange, 9A is a perspective view of components of a steering in an eighth embodiment, Fig. 9B is a plan view of the eighth embodiment in a direction normal to the tie rod,
Fig. 9C eine Seitenansicht auf das achte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange, 9C is a side view of the eighth embodiment in a direction along the tie rod,
Fig. 10A und Fig. 10B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem neunten Ausführungsbeispiel, Fig. 10C eine Ansicht schräg von unten und vorne auf das neunte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule, entgegen der Blickrichtung des Fahrers, 10A and 10B each show a perspective view of components of a steering in a ninth embodiment, 10C is a view obliquely from below and on the front of the ninth embodiment in a direction along the steering column, against the line of sight of the driver,
Fig. 1 1 A eine Schnittansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem zehnten Ausführungsbeispiel entlang der Mittelachse der Spurstange, wie als Schnitt A-A in Fig. 1 1 B eingezeichnet, Fig. 1 1 B einen Querschnitt des zehnten Ausführungsbeispiels, 1 1 A is a sectional view of components of a steering in a tenth embodiment along the center axis of the tie rod, as shown as section A-A in Fig. 1 1 B, Fig. 1 1 B is a cross section of the tenth embodiment,
Fig. 1 1 C eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 1A mit dem Kreis C markierten Bereichs, Fig. 1 1 D eine Seitenansicht des zehnten Ausführungsbeispiels in einer Richtung normal zur Spurstange, 1 1 C is an enlarged view of the marked in Fig. 1A with the circle C area, Fig. 1 1 D is a side view of the tenth embodiment in a direction normal to the tie rod,
Fig. 1 1 E eine auseinandergezogene Darstellung von Bauteilen des zehnten Ausführungsbeispiels, und Fig. 1 1 E an exploded view of components of the tenth embodiment, and
Fig. 1 1 F eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 1 E mit dem Kreis F markierten Federpakets. Fig. 1 1 F is an enlarged view of the in Fig. 1 1 E marked with the circle F spring package.
Fig. 1A-1 D zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Spurstange 10 in einem Bereich 12, der sich nahe einer Lenksäule (nicht dargestellt) befindet, eine Verzahnung 14 aufweist. Ein Lenkritzel 16 kämmt mit dieser Verzahnung 12. Es versteht sich, dass die Verzahnung 14 und das Lenkritzel 16 in einer Vielzahl unterschiedlicher Bauformen ausgestaltet sein können. Während Fig. 1A-1 D eine einfache Ausgestaltung einer Zahnstangenlenkung zeigen, sind in Ausführungs- alternativen progressive Lenkungen - beispielsweise gemäß EP 1 841 635 B1 - vorgesehen, bei denen die Verzahnung 14 und das Lenkritzel 16 komplex geformt sind und gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehen. Das Lenkritzel 16 ist mit einem Lenkwellenteil 18 verbunden oder als Verzahnung an dem Lenkwellenteil 18 ausgeformt. Das Lenkwellenteil 18 ist seinerseits in an sich bekannter Weise - beispielsweise über ein Kreuzgelenk (nicht gezeigt) - mit der Lenksäule gekoppelt. Das Lenkwellenteil 18 weist eine Drehmoment-Messeinrichtung 20 auf, die auf das über die Lenksäule eingesteuerte Lenkmoment anspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drehmoment-Messeinrichtung 20 als ein rohrförmiger Bereich des Lenkwellenteils 18 ausgestaltet, der Einschnitte 22 aufweist, zwischen denen dünne Stege des Lenkwellenteils 18 in axialer Richtung verlaufen. Diese Stege biegen sich in Abhängigkeit von dem1A-1D show a first embodiment in which a tie rod 10 in a region 12, which is located near a steering column (not shown), a toothing 14 has. It is understood that the toothing 14 and the steering pinion 16 can be configured in a variety of different designs. While FIGS. 1A-1D show a simple embodiment of a rack-and-pinion steering system, alternative embodiments provide progressive steering systems, for example according to EP 1 841 635 B1, in which the teeth 14 and the steering pinion 16 are complexly formed and optionally consist of several parts , The steering pinion 16 is connected to a steering shaft part 18 or formed as a toothing on the steering shaft part 18. The steering shaft part 18 is in turn in a conventional manner - for example via a universal joint (not shown) - coupled to the steering column. The steering shaft part 18 has a torque-measuring device 20, which responds to the steering column controlled via the steering torque. In the present embodiment, the torque-measuring device 20 is configured as a tubular portion of the steering shaft portion 18 having cuts 22, between which thin webs of the steering shaft portion 18 extending in the axial direction. These webs bend depending on the
Lenkmoment, so dass sich der dem Lenkritzel 16 zugewandte Abschnitt des Lenkwellenteils 18 gegenüber dem der Lenksäule zugewandten Abschnitt verdreht. Ein (nicht gezeigter) Sensor misst die Verdrehung und erzeugt ein entsprechendes Messsignal, das von einer Steuerelektronik (nicht gezeigt) ausgewertet wird. Steering torque, so that the steering pinion 16 facing portion of the steering shaft portion 18 relative to the steering column facing portion rotates. A sensor (not shown) measures the rotation and generates a corresponding measurement signal, which is evaluated by control electronics (not shown).
Es versteht sich, dass die Drehmoment-Messeinrichtung 20 in Ausführungsalternativen anders ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann die Drehmoment-Messeinrichtung 20 in an sich bekannter Art einen Torsionsstab aufweisen, dessen durch das Lenkmoment hervorgerufene Verdrehung von einem geeigneten Sensor abgetastet wird. In weiteren Ausführungsalternativen kann die Drehmoment-Messeinrichtung 20 eine oder mehrere Federn aufweisen, die zwischen zwei Teilstücken des Lenkwellenteils 18 angeordnet sind. It is understood that the torque-measuring device 20 may be configured differently in alternative embodiments. For example, the torque-measuring device 20 in a conventional manner have a torsion bar whose rotation caused by the steering torque is scanned by a suitable sensor. In other alternative embodiments, the torque-measuring device 20 may have one or more springs, which are arranged between two sections of the steering shaft part 18.
Auch der (nicht gezeigte) Sensor zum Abtasten der vom Lenkmoment hervorge- rufenen Verdrehung oder Relativbewegung in der Drehmoment-Messeinrichtung 20 kann auf die verschiedensten Arten ausgestaltet sein, beispielsweise als Piezo- Sensor oder als optischer Sensor oder als elektromagnetischer Sensor, der auf eine Veränderung der Abschirmung eines Permanentmagnetfeldes anspricht. Bei der erfindungsgemäßen Lenkung ist ferner ein Elektromotor 24 zur Lenkkraftunterstützung vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel Fig. 1A-1 D ist der Elektromotor 24 über eine kurze Welle 26 direkt mit dem Lenkritzel 16 verbunden. Der Elektromotor 24 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Außenläufer ausgestaltet. Ein glockenförmiger Rotor 28 weist einen äußeren Magnetring 30 und ein durchbrochenes Verbindungsrad 32 auf, das den Magnetring 30 mit der Welle 26 verbindet. Ein ringförmiger Stator 34 ist innerhalb des Magnetrings 30 angeordnet und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen inneren Statorring 36 mit einer Vielzahl von Magnetwicklungen 38 auf. The sensor (not shown) for sensing the rotation or relative movement produced by the steering torque in the torque measuring device 20 can also be designed in many different ways, for example as a piezo sensor or as an optical sensor or as an electromagnetic sensor that is sensitive to a change the shielding of a permanent magnetic field responds. In the steering system according to the invention, an electric motor 24 is further provided for steering power assistance. In the embodiment of FIGS. 1A-1D, the electric motor 24 is connected directly to the steering pinion 16 via a short shaft 26. Of the Electric motor 24 is configured in the present embodiment as an external rotor. A bell-shaped rotor 28 has an outer magnetic ring 30 and a perforated connecting wheel 32, which connects the magnetic ring 30 with the shaft 26. An annular stator 34 is disposed within the magnet ring 30 and in the present embodiment has an inner stator ring 36 with a plurality of magnet windings 38.
Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist, dass der Rotor 28 über die Welle 26 - oder in Ausführungsalternativen ein anderes Verbin- dungsstück oder einen einstückigen Fortsatz - getriebelos mit dem Lenkritzel 16 gekoppelt ist. Diese Ausgestaltung hat den erheblichen Vorteil, dass der Elektromotor 24 im Freilauf einer Bewegung der Spurstange 10 kaum einen Widerstand entgegensetzt und somit eine hervorragende Rückmeldung von Fahrbahneinflüssen an die Lenksäule - und über das Lenkrad an den Fahrer - gestattet. An essential feature of the present embodiment is that the rotor 28 via the shaft 26 - or in alternative embodiments, another connecting piece or a one-piece extension - gearless coupled to the steering pinion 16. This embodiment has the considerable advantage that the electric motor 24 in the freewheeling movement of the tie rod 10 barely opposes resistance and thus excellent feedback of road influences on the steering column - and the steering wheel to the driver - allowed.
Es versteht sich, dass der Elektromotor 24 in unterschiedlicher Art ausgestaltet sein kann. Neben der bisher beschriebenen Konstruktion als Außenläufer sind auch Ausgestaltungen als Scheibenläufer oder Innenläufer vorgesehen. Der Elektromotor 24 kann bürstenlos oder mit Schleifbürsten ausgestaltet sein, und die Magnetwicklungen können Teil des Rotors und/oder Teil des Stators sein. Wünschenswert sind in vielen Ausgestaltungen ein ausreichend hohes Drehmoment bei möglichst geringem Gewicht und geringen Kosten sowie ein möglichst kleines Trägheitsmoment. Es versteht sich, dass der Elektromotor 24 geeignet dimensioniert sein muss, um die gewünschte Lenkkraftunterstützung auch ohne Untersetzungsgetriebe zu leisten. Dies wird insbesondere durch die Kombination eines relativ großen Rotordurchmessers mit einem relativ kleinem Ritzel - hier dem Lenkritzel 16 - erreicht. Beispielsweise kann in manchen Ausgestaltungen eine seitlich auf die Spurstange 10 wirkende Lenkkraft von ungefähr 3.000 N wünschenswert sein. Wenn davon ungefähr 1 .500 N als Handmoment über das Lenkrad eingesteuert werden, verbleiben ungefähr 1 .500 N, die der Elektromotor 24 bereitstellen muss. Bei einem typischen Drehmoment des Elektromotors 24 im Bereich von 9 - 22 Nm steht diese Kraft zur Verfügung, wenn das Ritzel - hier das Lenkritzel 16 - einen Radius im Bereich von 6-15 mm aufweist. Das gerade genannte Drehmoment in der Größenordnung von 9- 22 Nm kann beispielsweise von einem Elektromotor 24 erzeugt werden, der einen Durchmesser von ungefähr 20 cm und 4 cm Höhe aufweist. Der Elektromotor 24 kann beispielsweise eine Betriebsspannung von 12 V oder 24 V oder 70 V oder 200 V oder 400 V und eine maximale Leistungsaufnahme von 3 kW aufweisen. Allgemein kann der Durchmesser des Rotors - beispielsweise des Rotors 28 - um mindestens den Faktor 5 oder 10 oder 15 größer als der Durchmesser des an den Elektromotor 24 angeschlossenen Ritzels - hier des Lenkritzels 16, aber in anderen Ausführungsformen auch eines Hilfskraftritzels - sein. Bei dem in Fig. 1 A-1 D gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein einziges Ritzel - nämlich das Lenkritzel 16 - vorgesehen, auf das sowohl das Handmoment des Fahrers als auch das Hilfskraftmoment des Elektromotors 24 einwirken. Diese Ausgestaltung ist besonders bauteilsparend und damit kostengünstig. In anderen Ausführungsformen sind dagegen getrennte Baugruppen für das Handmoment bzw. das Hilfskraftmoment vorgesehen, wie dies beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A-2D gezeigt ist. It is understood that the electric motor 24 may be configured in different ways. In addition to the design described so far as external rotor configurations are also provided as a pancake or internal rotor. The electric motor 24 may be designed brushless or with brushes, and the magnet windings may be part of the rotor and / or part of the stator. Desirable in many embodiments, a sufficiently high torque with the lowest possible weight and low cost and the smallest possible moment of inertia. It is understood that the electric motor 24 must be suitably dimensioned to afford the desired power steering even without reduction gear. This is achieved in particular by the combination of a relatively large rotor diameter with a relatively small pinion - here the steering pinion 16. For example, in some embodiments, a steering force of about 3,000 N acting laterally on the tie rod 10 may be desirable. If about 1 500 N of these are applied as a manual torque via the steering wheel, approximately 1 500 N remain, which the electric motor 24 must provide. At a typical torque of the electric motor 24 in the range of 9 - 22 Nm, this force is available when the pinion - here the steering pinion 16 - has a radius in the range of 6-15 mm. The torque just mentioned, of the order of 9-22 Nm, may for example be generated by an electric motor 24 having a diameter of approximately 20 cm and 4 cm in height. The electric motor 24 may have, for example, an operating voltage of 12 V or 24 V or 70 V or 200 V or 400 V and a maximum power consumption of 3 kW. Generally, the diameter of the rotor - for example of the rotor 28 - by at least a factor of 5 or 10 or 15 greater than the diameter of the pinion connected to the electric motor 24 - here the steering pinion 16, but in other embodiments also a Hilfskraftritzels - be. In the embodiment shown in Fig. 1 A-1 D, a single pinion - namely the steering pinion 16 - - provided, on which both the manual torque of the driver and the auxiliary torque of the electric motor 24 act. This embodiment is particularly component-saving and therefore inexpensive. In other embodiments, however, separate assemblies for the manual torque and the auxiliary torque are provided, as shown for example in the embodiment of FIG. 2A-2D.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A-2D weist die Spurstange 10 zwei Bereiche 12, 40 mit Verzahnungen 14, 42 auf. Der erste Bereich 12 entspricht dem bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 1A-1 D beschriebenen Bereich, in den das Lenkritzel (in Fig. 2A-2D nicht gezeigt) eingreift. Davon getrennt ist der zweite Bereich 40 mit der Verzahnung 42 vorgesehen. Ein Hilfskraftritzel 44 kämmt mit der Verzahnung 42. Der Elektromotor 24 ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über die Welle 26 mit dem Hilfskraftritzel 44 verbunden. Auch hier wirkt somit die vom Elektromotor 24 bereitgestellte Hilfslenkkraft direkt - ohne Untersetzungsgetriebe - auf die Spurstange 10. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 2A-2D ist etwas aufwendiger als die oben beschriebene Ausgestaltung gemäß Fig. 1 A-1 D, aber sie erhöht die Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten. Insbesondere kann eine bereits bestehende Bauform des Lenkgetriebes unverändert beibehalten werden, und die Hilfskraftbaugruppe kann, je nach dem verfügbaren Bauraum, an einer geeigneten Stelle entlang der Spurstange 10 und in einer geeigneten Orientierung angebracht werden. Wegen des relativ großen Elektromotors 24 kann diese flexiblere Anpassbarkeit der Konstruktion an gegebene Bauraumverhältnisse einen erheblichen Vorteil darstellen. Fig. 3A-3C zeigen Außenansichten der in Gehäuse eingebauten Ausführung gemäß Fig. 2A-2D. Insbesondere befindet sich die Spurstange 12 in einem In the embodiment according to FIGS. 2A-2D, the tie rod 10 has two regions 12, 40 with teeth 14, 42. The first region 12 corresponds to the region already described above in connection with FIGS. 1A-1 D, in which the steering pinion (not shown in FIGS. 2A-2D) engages. Separated therefrom, the second region 40 is provided with the toothing 42. An auxiliary power pinion 44 meshes with the toothing 42. The electric motor 24 is connected in the embodiment described here via the shaft 26 with the auxiliary power pinion 44. Again, thus provided by the electric motor 24 auxiliary steering force acts directly - without reduction gear - on the tie rod 10th The embodiment according to FIGS. 2A-2D is somewhat more complicated than the embodiment described above according to FIGS. 1A-1D, but it increases the possibilities of design and construction. In particular, an already existing design of the steering gear can be maintained unchanged, and the power unit can, depending on the available space, at a suitable location along the tie rod 10 and be mounted in a suitable orientation. Because of the relatively large electric motor 24, this more flexible adaptability of the construction to given installation space conditions can represent a considerable advantage. Figs. 3A-3C are external views of the housing-mounted embodiment of Figs. 2A-2D. In particular, the tie rod 12 is in a
Spurstangengehäuse 46, und der Elektromotor 24 befindet sich in einem Motorgehäuse 48. Ferner ist ein Gehäuse 50 für das Lenkgetriebe - insbesondere das Lenkritzel 16 - und die Drehmoment-Messeinrichtung 20 vorgesehen. Tie rod housing 46, and the electric motor 24 is located in a motor housing 48. Furthermore, a housing 50 for the steering gear - in particular the steering pinion 16 - and the torque-measuring device 20 is provided.
Es versteht sich, dass diverse Abwandlungen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich sind, um die Konstruktion an den verfügbaren Bauraum anzupassen. So ist beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A-2D die Welle 26, die den Rotor 28 des Elektromotors 24 mit dem Hilfskraftritzel 44 ver- bindet, relativ kurz. Insbesondere in Ausgestaltungen, bei denen der Elektromotor 24 unterhalb der Spurstange 10 angeordnet ist, kann es wünschenswert sein, diese Welle 26 zu verlängern. Auf diese Weise kann ein niedrigerer Schwerpunkt der Lenkung - und somit des gesamten Kraftfahrzeuges - erhalten werden, und das Motorgehäuse 48 kann bis zu einem geeigneten Befestigungspunkt - z.B. einem Querträger des Kraftfahrzeuges - verschoben werden. It is understood that various modifications of the embodiments described so far are possible in order to adapt the construction to the available installation space. For example, in the embodiment according to FIGS. 2A-2D, the shaft 26, which connects the rotor 28 of the electric motor 24 to the auxiliary power pinion 44, is relatively short. In particular, in embodiments in which the electric motor 24 is arranged below the tie rod 10, it may be desirable to extend this shaft 26. In this way, a lower center of gravity of the steering - and thus the entire motor vehicle - can be obtained, and the motor housing 48 can be up to a suitable attachment point - e.g. a cross member of the vehicle - be moved.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4A-4C gezeigt. Das Motorgehäuse 48 weist hierbei ein langgezogenes Verbindungsstück 52 zum Spurstangengehäuse 46 auf, um die verlängerte Welle 26 aufzunehmen. Da das Motorgehäuse 48 in der Ausgestaltung gemäß Fig. 4A-4C nach unten weist, ergibt sich ein besonders tiefer Schwerpunkt. Dies ist insbesondere für Sport- und Rennfahrzeuge wichtig. Das durch den Elektromotor 24 bedingte Gewicht ist im Rennbetrieb in der Regel unproblematisch, weil Rennfahrzeuge normalerweise Ausgleichsgewichte aufweisen, die bei einem schweren - aber schwerpunktmäßig vorteilhaft angeordneten - Elektromotor 24 entsprechend leichter ausgestaltet werden können. Fig. 5A-5D zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der der Rotor 28 des Elektromotors 24 mit dem Hilfskraftritzel 44 über ein Kreuzgelenk 54 verbunden ist. Der auftretende Kreuzgelenkfehler des Kreuzgelenks 54 kann durch eine geeignete Motorsteuerung des Elektromotors 24 ausgeglichen werden. Auch bei diesen Ausgestaltungen wird im vorliegenden Dokument von einer getriebelosen und dreh- festen Verbindung zwischen dem Rotor 28 und dem Hilfskraftritzel 44 gesprochen. Such an embodiment is shown in Figs. 4A-4C. The motor housing 48 in this case has an elongated connector 52 to the tie rod housing 46 to receive the extended shaft 26. Since the motor housing 48 in the embodiment according to FIGS. 4A-4C points downwards, a particularly deep center of gravity results. This is especially important for sports and racing vehicles. The conditional by the electric motor 24 weight is usually in racing unproblematic, because racing vehicles usually have balance weights, which can be made correspondingly lighter in a heavy - but mainly advantageous arranged - electric motor 24. 5A-5D show another embodiment in which the rotor 28 of the electric motor 24 is connected to the auxiliary power pinion 44 via a universal joint 54. The occurring universal joint error of the universal joint 54 can be compensated by a suitable motor control of the electric motor 24. In these embodiments, too, a gearless and non-rotatable connection between the rotor 28 and the auxiliary power pinion 44 is used in these embodiments.
Die Welle 26 ist in der Ausgestaltung gemäß Fig. 5A-5D auf zwei Ansatzstücke 56, 58 reduziert. In weiteren Abwandlungen können zusätzlich zum Kreuzgelenk 54 auch eine verlängerte Welle 26 (ähnlich wie in Fig. 4A-4C) und/oder weitere Gelenke und/oder weitere Verbindungsstücke vorgesehen sein. Allgemein wird es in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen lediglich als wichtig erachtet, dass keine oder nur eine geringfügige Untersetzung des Motormoments erfolgt, um die Spurstange 10 bei einem Freilauf des Elektromotors 24 möglichst wenig zu beeinflussen. The shaft 26 is reduced in the embodiment according to FIGS. 5A-5D to two extensions 56, 58. In further modifications, in addition to the universal joint 54, an elongated shaft 26 (similar to those in FIGS. 4A-4C) and / or further joints and / or further connecting pieces may be provided. In general, in the exemplary embodiments described here, it is only considered important that no or only a slight reduction of the engine torque takes place in order to influence the tie rod 10 as little as possible when the electric motor 24 is freewheeling.
In den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Drehmoment-Messeinrichtung 20 der Lenksäule zugeordnet und in das Lenkwellenteil 18 zwischen dem Lenkritzel 16 und der Lenksäule integriert. Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beschrieben, bei denen eine Messeinrichtung - die beispielsweise als Drehmoment-Messeinrichtung oder als Messeinrichtung für eine translatorische Bewegung ausgestaltet sein kann - der Lenkkraftunterstützungs-Baugruppe zugeordnet ist. Bei diesen Ausgestaltungen ist allgemein eine Elektromotorbaugruppe zur Lenkkraftunterstützung vorgesehen. Diese Elektromotorbaugruppe weist in manchen Ausgestaltungen lediglich einen Elektromotor - wie oben beschrieben - auf. In anderen Ausführungsformen sind dagegen ein Elektromotor und ein damit verbundenes Untersetzungsgetriebe als Elektromotorbaugruppe vorgesehen. Die Ausführungsform gemäß Fig. 6A-6C ähnelt der Ausgestaltung gemäß Fig. 2A- 2D. In beiden Fällen sind eine Spurstange 10 mit zwei verzahnten Bereichen 12, 40 und entsprechend zwei Verzahnungen 14, 42 vorgesehen. Eine als getriebe- loser Elektromotor 24 ausgestaltete Elektromotorbaugruppe 60 wirkt über ein Betätigungselement 62 - hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet - auf die Verzahnung 42 des zweiten Bereichs 40 der Spurstange 10 ein. Die zwischen der Elektromotorbaugruppe 60 und dem Betätigungselement 62 auftretenden Kräfte oder Momente werden von einer Messeinrichtung 64 gemessen. In the embodiments described so far, the torque-measuring device 20 was associated with the steering column and integrated into the steering shaft portion 18 between the steering pinion 16 and the steering column. In the following, embodiments will be described according to a further aspect of the invention, in which a measuring device - which may be configured, for example, as a torque measuring device or as a measuring device for a translational movement - is assigned to the power steering assembly. In these embodiments, an electric motor assembly for power steering is generally provided. This electric motor assembly has in some embodiments, only an electric motor - as described above - on. In other embodiments, however, an electric motor and a reduction gear connected thereto are provided as electric motor assembly. The embodiment according to FIGS. 6A-6C is similar to the embodiment according to FIGS. 2A-2D. In both cases, a tie rod 10 with two toothed portions 12, 40 and correspondingly two teeth 14, 42 are provided. An electric motor assembly 60 designed as a gearless electric motor 24 acts on the toothing 42 of the second region 40 of the tie rod 10 via an actuating element 62-configured here as an auxiliary power pinion 44. The forces or moments occurring between the electric motor assembly 60 and the actuator 62 are measured by a measuring device 64.
Im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsrad 32, das den äußeren Magnetring 30 des Rotors 28 mit der Welle 26 und dem Hilfskraftritzel 44 verbindet, als Messeinrichtung 64 ausgestaltet, die auf ein Drehmoment zwischen dem Hilfskraftritzel 44 und dem äußeren Magnetring 30 anspricht. Genauer weist das Verbindungsrad 32 mehrere kreissektorförmige Einschnitte 66 aus, die jeweils einen ebenfalls kreissektorförmigen Radscheibenabschnitt 68 definieren. Zwischen den Einschnitten 66 sind dünne, speichenartige Stege 70 im Verbindungsrad 32 ausgebildet. Die Stege 70 verbinden einen inneren Nabenbereich 72 mit einem äußeren Randbereich 74 des Verbindungsrades 32. In the presently described embodiment, the connecting wheel 32, which connects the outer magnetic ring 30 of the rotor 28 with the shaft 26 and the auxiliary power pinion 44, configured as a measuring device 64 which responds to a torque between the auxiliary power pinion 44 and the outer magnetic ring 30. More specifically, the connecting wheel 32 has a plurality of sector-shaped notches 66, each defining a likewise circular sector-shaped wheel disc section 68. Between the cuts 66 thin, spoke-like webs 70 are formed in the connecting wheel 32. The webs 70 connect an inner hub region 72 to an outer edge region 74 of the connecting wheel 32.
In dem in Fig. 6A-6C gezeigten unbelasteten Zustand verläuft jeder Steg 70 geradlinig und mittig zwischen je zwei Radscheibenabschnitten 68. Wenn sich dagegen, beispielsweise durch eine Spurrille, die Spurstange 10 etwas nach rechts (in der Orientierung von Fig. 6A-6C) verschiebt, so dreht sich das als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltete Betätigungselement 62 geringfügig gegen den Uhrzeigersinn. Der Nabenbereich 72 und die Radscheibenabschnitte 68 folgen dieser Drehbewegung. Wegen der Masseträgheit des Rotors 28 folgt dieser jedoch der Drehbewegung nicht unmittelbar, so dass der äußere Randbereich 74 zunächst ortsfest bleibt. Die Stege 70 verbiegen sich daher geringfügig, und ein geeigneter Sensor (nicht gezeigt) misst die relative Drehbewegung zwischen der Welle 26 und dem Nabenbereich 72 einerseits sowie dem Randbereich 74 und dem äußeren Magnetring 30 andererseits. Die maximale Biegung der Stege 70 ist durch einen Anschlag der Stege 70 an den jeweils im Uhrzeigersinn angrenzenden Radscheibenabschnitten 68 (bei einer Drehung des Nabenbereichs 72 gegen den Uhrzeigersinn) bzw. durch einen An- schlag der Stege 70 an den jeweils entgegen dem Uhrzeigersinn angrenzenden Radscheibenabschnitten 68 (bei einer Drehung des Nabenbereichs 72 im Uhrzeigersinn) definiert. Die einer Drehung entgegenwirkende Federkraft wird insbesondere durch die Breite und Dicke der Stege 70 sowie durch deren Anzahl bestimmt. Es versteht sich, dass in Ausführungsalternativen statt der in Fig. 6A-6C gezeigten sechs Stege 70 mehr oder weniger Stege vorgesehen sein können. In the unloaded condition shown in Figs. 6A-6C, each ridge 70 is straight and centered between each pair of wheel disc sections 68. On the other hand, if, for example, by a ridge groove, track rod 10 is slightly to the right (in the orientation of Figs. 6A-6C). shifts so designed as auxiliary power pinion 44 actuator 62 slightly rotates counterclockwise. The hub portion 72 and the wheel disc portions 68 follow this rotational movement. Due to the inertia of the rotor 28, however, this does not follow the rotational movement immediately, so that the outer edge region 74 initially remains stationary. The webs 70 therefore bend slightly, and a suitable sensor (not shown) measures the relative rotational movement between the shaft 26 and the hub region 72 on the one hand and the rim 74 and outer magnet ring 30 on the other hand. The maximum bending of the webs 70 is achieved by abutment of the webs 70 on the respectively clockwise adjacent wheel disk sections 68 (in the case of rotation of the hub section 72 in the counterclockwise direction) or by abutment of the webs 70 on the respectively counterclockwise adjacent wheel disk sections 68 (when the hub portion 72 is rotated clockwise). The counteracting a rotation spring force is determined in particular by the width and thickness of the webs 70 and by their number. It will be appreciated that in alternative embodiments, instead of the six webs 70 shown in FIGS. 6A-6C, more or fewer webs may be provided.
Der (nicht gezeigte) Sensor zur Messung der Drehbewegung kann - ähnlich wie der Sensor der Drehmoment-Messeinrichtung 20 der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele - auf unterschiedliche Weisen ausgestaltet sein. Beispielsweise kann ein Piezo-Sensor oder ein optischer Sensor oder ein Magnetsensor oder ein Widerstandssensor oder ein Hochfrequenz-Abstandssensor verwendet werden. The sensor (not shown) for measuring the rotational movement may be configured in different ways, similar to the sensor of the torque measuring device 20 of the embodiments described above. For example, a piezo sensor or an optical sensor or a magnetic sensor or a resistance sensor or a high-frequency distance sensor can be used.
Insgesamt entspricht bei einem Leerlauf der Elektromotorbaugruppe 60 der von der Messeinrichtung 64 bestimmte Messwert somit dem auf das Betätigungs- element 62 ausgeübten Drehmoment - oder in anderen Ausgestaltungen der auf das Betätigungselement 62 ausgeübten Kraft - gegenüber der Masseträgheit und dem Losbrechmoment der Elektromotorbaugruppe 60. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6A-6C ist dieses Gegenmoment relativ gering, weil der Rotor 28 direkt - insbesondere getriebelos - mit dem Betätigungselement 62 gekoppelt ist. Es sind jedoch auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Elektromotorbaugruppe 60 neben dem eigentlichen Elektromotor 24 ein Untersetzungsgetriebe aufweist. Overall, when the electric motor assembly 60 is idling, the measured value determined by the measuring device 64 thus corresponds to the torque exerted on the actuating element 62 -or in other embodiments, the force exerted on the actuating element 62 -in relation to the mass inertia and the breakaway torque of the electric motor assembly 60 Embodiment of FIG. 6A-6C, this counter-torque is relatively low, because the rotor 28 is directly - in particular gearless - coupled to the actuator 62. However, embodiments are also provided in which the electric motor assembly 60 in addition to the actual electric motor 24 has a reduction gear.
Bei Ausgestaltungen mit Untersetzungsgetriebe ist das Gegenmoment im strom- losen Betrieb ("Freilauf') des Elektromotors deutlich höher, weil erstens das Losbrechmoment des Untersetzungsgetriebes überwunden werden muss und sich zweitens die Masseträgheit des Rotors mit dem Untersetzungsfaktor multipliziert. In diesen Ausgestaltungen ist es besonders vorteilhaft, die Messeinrichtung 64 zwischen das Betätigungselement 62 und das Untersetzungsgetriebe der Elektro- motorbaugruppe 60 zu schalten, weil dann der für die Messung benötigte Drehwinkel der Messeinrichtung 64 einen Freilaufbereich für das Betätigungselement 62 mit sehr geringem Gegenmoment darstellt. Wenn beispielsweise bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 6A-6C der Biegebereich der Stege 70 bis zum Anschlag an die jeweils angrenzenden Radscheibenabschnitte 68 in jede Richtung 5° beträgt, so erfolgt zumindest bei Geradeausfahrt eine hervorragende Rückmeldung von Spurrillen oder sonstigen Fahrbahneigenschaften. Für diese Rückmeldung ist nämlich nur eine ungehinderte Bewegung der Spurstange 10 um wenige Millimeter oder sogar weniger als einen Millimeter (z.B. maximal 4 mm oder maximal 2 mm) erforderlich. Das Hilfskraftritzel 44, das sich wegen der Biegung der Stege 70 ohne Bewegung des Untersetzungsgetriebes und Rotors 28 in jeder Richtung um z.B. 5° bewegen kann, lässt eine derartige Verschiebung der Spurstange 10 ohne weiteres zu. In embodiments with reduction gear, the counter-torque in the currentless operation ("freewheeling") of the electric motor is significantly higher because, firstly, the breakaway torque of the reduction gear has to be overcome and, secondly, the mass inertia of the rotor multiplied by the reduction factor. In these embodiments, it is particularly advantageous to switch the measuring device 64 between the actuating element 62 and the reduction gear of the electric motor assembly 60, because then the rotation angle of the measuring device 64 required for the measurement represents a freewheeling range for the actuating element 62 with very little counter-torque. If, for example, in the embodiment according to FIGS. 6A-6C, the bending region of the webs 70 is 5 ° in each direction until it abuts against the respectively adjacent wheel disk sections 68, an excellent response of ruts or other roadway properties takes place at least when driving straight ahead. For this feedback is namely only an unobstructed movement of the tie rod 10 by a few millimeters or even less than a millimeter (eg a maximum of 4 mm or a maximum of 2 mm) is required. The auxiliary power pinion 44, which can move due to the bending of the webs 70 without movement of the reduction gear and rotor 28 in each direction by 5 °, for example, allows such a displacement of the tie rod 10 readily.
Es versteht sich, dass die Ausgestaltung mit einer Elektromotorbaugruppe 60 und einer dieser Baugruppe zugeordneten Messeinrichtung 64 auch in Ausführungsformen vorgesehen sein kann, bei denen das Betätigungselement 62 nicht als Hilfskraftritzel 44, sondern als Lenkritzel 16 ausgestaltet ist. Eine derartige Ausführungsform, die eine Abwandlung der Ausgestaltung nach Fig. 1A-1 D ist, ist in Fig. 7A-7C gezeigt. It is understood that the embodiment with an electric motor assembly 60 and a measuring device 64 assigned to this assembly can also be provided in embodiments in which the actuating element 62 is configured not as an auxiliary power pinion 44 but as a steering pinion 16. Such an embodiment, which is a modification of the embodiment of Figs. 1A-1D, is shown in Figs. 7A-7C.
An einem mit der Lenksäule (nicht dargestellt) verbundenen Lenkwellenteil 18 ist in der Ausführungsform nach Fig. 7A-7C das Lenkritzel 16 als Betätigungselement 62 ausgeformt. Das Lenkritzel 16 ist ferner mit der als Elektromotor 24 ausgebildeten Elektromotorbaugruppe 60 über eine Welle 26 verbunden. Die Welle 26 weist eine Messeinrichtung 64 auf, die ähnlich wie die Drehmoment-Messeinrichtung 30 gemäß Fig. 1A-1 D ausgebildet ist, aber nicht lenksäulenseitig, sondern zwischen dem Lenkritzel 16 und dem Elektromotor 24 angeordnet ist. Es versteht sich, dass die Ausführungsform nach Fig. 7A-7C wahlweise auch mit einer in das Verbindungsrad 32 integrierten Messeinrichtung 64 - ähnlich wie in Fig. 6A-6C gezeigt - ausgestaltet sein kann. Eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 8A-8C dargestellt. Die Radscheibenabschnitte 68 sind hier zur Materialerspar- nis V-förmig ausgebildet, wobei die Schenkel des "V" Anschläge zur Begrenzung der maximalen Biegung der Stege 70 bilden. On one of the steering column (not shown) connected to the steering shaft portion 18, the steering pinion 16 is formed as an actuator 62 in the embodiment of FIGS. 7A-7C. The steering pinion 16 is further connected to the electric motor assembly 24 designed as an electric motor assembly 60 via a shaft 26. The shaft 26 has a measuring device 64, which is similar to the torque-measuring device 30 shown in FIG. 1A-1 D is formed, but not Lenksäulenseitig, but between the steering pinion 16 and the electric motor 24 is arranged. It goes without saying that the embodiment according to FIGS. 7A-7C can optionally also be designed with a measuring device 64 integrated in the connecting wheel 32, similar to that shown in FIGS. 6A-6C. Such a configuration is shown in FIGS. 8A-8C. The wheel disk sections 68 are designed to be V-shaped here for material savings, with the legs of the "V" forming stops for limiting the maximum bending of the webs 70.
In einer weiteren Abwandlung kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6A-6C eine verlängerte Welle 26 mit einer in die Welle 26 integrierten Messeinrichtung 64 - wie in Fig. 7A-7C gezeigt - vorgesehen sein. Das Verbindungsrad 32 braucht dann keine Biegeabschnitte aufzuweisen. In a further modification, in the embodiment according to FIGS. 6A-6C, an extended shaft 26 may be provided with a measuring device 64 integrated in the shaft 26, as shown in FIGS. 7A-7C. The connecting wheel 32 then needs to have no bending sections.
Wie bereits erwähnt, kann als Abwandlung der Ausführungsformen nach Fig. 6A- 6C, Fig. 7A-7C und Fig. 8A-8C die Elektromotorbaugruppe 60 mit einem Unter- Setzungsgetriebe ausgestattet sein. As already mentioned, as a modification of the embodiments according to FIGS. 6A-6C, 7A-7C and 8A-8C, the electric motor assembly 60 can be equipped with a sub-reduction gear.
Die Ausgestaltung gemäß Fig. 9A-9C ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 6A-6C. Die Elektromotorbaugruppe 60 weist hier einen Elektromotor 24 beliebiger Bauart auf, der über ein Untersetzungsgetriebe 76 und eine Mess- einrichtung 64 auf das Betätigungselement 62 - das hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet ist - wirkt. Das Untersetzungsgetriebe 76 kann beispielsweise als Getriebe mit einem Schneckenrad oder Kegelrad oder konischem Schraubrad oder als Crown-Gear-Getriebe ausgestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9A-9C weist das Untersetzungsgetriebe 76 ein mit dem Elektromotor 24 direkt verbundenes Kegelrad 80 sowie das Rad 78 mit einer ebenfalls kegelförmigen Verzahnung auf. In dem Rad 78 ist - ähnlich wie in dem Verbindungsrad 32 gemäß Fig. 6A-6C - eine Scheibe mit mehreren speichenartigen Stegen 70 und mehreren als seitliche Anschläge wirkenden Radscheiben- abschnitten 68 ausgebildet. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6A- 6C misst ein Sensor 71 die seitliche Verbiegung der Stege 70. Das Messergebnis entspricht dem durch die Spurstange 10 auf das Betätigungselement 62 einge- steuerten Drehmoment gegen die Trägheit und das Losbrechmoment der Elektromotorbaugruppe 60, also im vorliegenden Fall des Elektromotors 24 mit dem Untersetzungsgetriebe 76. Auch bei der hier dargestellten Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Messeinrichtung 64 funktional zwischen das Betätigungselement 62 - das hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet ist - und das Untersetzungsgetriebe 76 zu schalten, damit der nur durch die Rückstellkraft der Stege 70 belastete Freilaufbereich der Messeinrichtung 64 unmittelbar zu einem entsprechenden Freilaufbereich des Hilfskraftritzels 44 führt. The embodiment of FIGS. 9A-9C is a modification of the embodiment of FIGS. 6A-6C. The electric motor assembly 60 here has an electric motor 24 of any type, which via a reduction gear 76 and a measuring device 64 on the actuator 62 - which is designed here as a power steering pin 44 - acts. The reduction gear 76 may be configured, for example, as a gear with a worm or bevel gear or conical helical gear or crown-gear transmission. In the embodiment of FIGS. 9A-9C, the reduction gear 76 has a bevel gear 80 directly connected to the electric motor 24 and the wheel 78 with a likewise conical toothing. In the wheel 78 -as in the connecting wheel 32 according to FIGS. 6A-6C-a disk with a plurality of spoke-like webs 70 and a plurality of wheel disk sections 68 acting as lateral stops is formed. Similar to the embodiment according to FIGS. 6A-6C, a sensor 71 measures the lateral bending of the webs 70. The measurement result corresponds to that applied by the tie rod 10 to the actuating element 62. controlled torque against the inertia and the breakaway torque of the electric motor assembly 60, so in the present case of the electric motor 24 with the reduction gear 76. Also in the embodiment shown here, it is advantageous, the measuring device 64 functionally between the actuator 62 - which is configured here as auxiliary power pinion 44 - And the reduction gear 76 to switch, so that the loaded only by the restoring force of the webs 70 freewheeling area of the measuring device 64 leads directly to a corresponding freewheeling area of the power steering gear 44.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist eine Ausgestaltung ähnlich wie in In a further embodiment variant is similar to one embodiment
Fig. 9A-9C in die Lenkgetriebeeinheit integriert. Diese Ausführungsvariante, die in Fig. 9A-9C integrated in the steering gear unit. This variant, which in
Fig. 10A-10C gezeigt ist, entspricht somit einer Kombination der räumlichen 10A-10C thus corresponds to a combination of the spatial
Anordnung gemäß Fig. 8A-8C mit einer Elektromotorbaugruppe 60 und einer Messeinrichtung 64 gemäß Fig. 9A-9C. Als Betätigungselement 62 dient hier das Lenkritzel 16. Wieder ist die Messeinrichtung 64 funktional zwischen das Betätigungselement 62 und das Untersetzungsgetriebe 76 geschaltet. Das Lenkwellenteil 18 weist keine Torsionselemente auf und sorgt somit für eine direkte Verbin- dung zwischen dem Lenkritzel 16 und der Steuersäule. Neben der Bauteilersparnis ergibt sich hierdurch ein besonders direktes Lenkgefühl mit ausgezeichneten Rückmeldeeigenschaften . Arrangement according to FIGS. 8A-8C with an electric motor assembly 60 and a measuring device 64 according to FIGS. 9A-9C. Again, the measuring device 64 is functionally connected between the actuator 62 and the reduction gear 76. The steering shaft part 18 has no torsion elements and thus provides a direct connection between the steering pinion 16 and the control column. In addition to the component savings, this results in a particularly direct steering feel with excellent feedback properties.
Fig. 1 1A-1 1 F zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Spurstange 10 statt der Verzahnung 14 ein Schraubengewinde 82 für eine Kugelumlaufmutter 84 aufweist. Die Kugelumlaufmutter 84 ist mittels zweier Federpakete 86, 88 axial schwimmend in einem Gehäuse 90 gehalten. Das Gehäuse 90 weist einen ersten und einen zweiten Teil 92, 94 auf, die fest miteinander verbunden sind. Der erste Teil 92 des Gehäuses 90 ist mit einer Verzahnung 96 für einen Zahnriemen (nicht gezeigt) versehen, über den das Gehäuse 90 von einer (nicht gezeigten) Elektromotorbaugruppe angetrieben wird. Wie insbesondere aus Fig. 1 1 E und 1 1 F hervorgeht, greifen Federlaschen 98 der Federpakete 86, 88 drehfest in Ausnehmungen 100 der Kugelumlaufmutter 84 sowie (nicht gezeigt) der beiden Gehäuseteile 92, 94 ein. Die Kugelumlaufmutter 84 wird somit drehfest, aber axial schwimmend, im Gehäuse 90 gehalten. Eine Drehbewegung des Gehäuses 90 überträgt sich daher auf die Kugelumlaufmutter 84, die ihrerseits die Spurstange 10 in axialer Richtung - je nach dem Drehsinn der Kugelumlaufmutter 84 nach rechts oder links - drängt. Fig. 1 1A-1 1 F show a further embodiment in which the tie rod 10 instead of the toothing 14 has a screw thread 82 for a recirculating ball nut 84. The ball nut 84 is held by two spring assemblies 86, 88 axially floating in a housing 90. The housing 90 has a first and a second part 92, 94 which are fixedly connected to each other. The first part 92 of the housing 90 is provided with a serration 96 for a toothed belt (not shown), via which the housing 90 is driven by an electric motor assembly (not shown). As can be seen in particular from Fig. 1 1 E and 1 1 F, spring tabs 98 of the spring assemblies 86, 88 non-rotatably engage in recesses 100 of the ball nut 84 and (not shown) of the two housing parts 92, 94 a. The ball nut 84 is thus rotationally fixed, but axially floating, held in the housing 90. A rotational movement of the housing 90 is therefore transmitted to the ball nut 84, which in turn pushes the tie rod 10 in the axial direction - depending on the direction of rotation of the ball nut 84 to the right or left -.
Die in axialer Richtung nachgiebigen Federlaschen 98 der Federpakete 86, 88 lassen eine gewisse axiale Relativbewegung zwischen der Kugelumlaufmutter 84 und dem Gehäuse 90 zu, die von einem (nicht gezeigten) Sensor gemessen wird. Innerhalb des Federweges ist somit der Messwert des Sensors ungefähr proportional zu der axial zwischen dem Gehäuse 90 und der Spurstange 10 wirkenden Kraft. Da die Messung in Querrichtung des Fahrzeugs erfolgt, sollten auftretende Quer- oder Gear-Kräfte möglichst zur Korrektur des Messwertes berücksichtigt werden. The axially resilient spring tabs 98 of the spring packs 86, 88 allow some relative axial movement between the ball nut 84 and the housing 90, which is measured by a sensor (not shown). Within the spring travel, the measured value of the sensor is thus approximately proportional to the force acting axially between the housing 90 and the tie rod 10. Since the measurement takes place in the transverse direction of the vehicle, occurring transverse or gear forces should be taken into account as far as possible for correcting the measured value.
Insgesamt bildet somit bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 1 A-1 1 F die Kugelumlaufmutter 84 das Betätigungselement 62, während die Federpakete 86, 88 - zusammen mit dem nicht gezeigten Sensor - die Messeinrichtung 64 bilden. Die Elektromotorbaugruppe 60 kann einen Elektromotor beliebiger Bauart aufweisen. Overall, therefore, in the embodiment of FIG. 1 1 A-1 1 F, the ball nut 84, the actuator 62, while the spring assemblies 86, 88 - together with the sensor, not shown - form the measuring device 64. The electric motor assembly 60 may comprise an electric motor of any type.
Eine erfindungsgemäße Lenkung mit elektromotorischer Lenkkraftunterstützung kann sowohl für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als auch für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ergibt sich der Vorteil, dass der Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung ohne weitere Energieverteilungsmaßnahmen aus derselben Stromquelle wie der Haupt-Antriebsmotor des Fahrzeugs gespeist werden kann. Der Grund hierfür ist, dass starke Lenkeinschläge, die eine starke Unterstützung durch den Hilfskraftmotor erfordern, nur bei niedrigen Geschwindigkeiten - also geringer Belastung des Haupt-Antriebesmotors - auftreten. Umgekehrt erfolgen bei hoher Belastung des Haupt-Antriebsmotors - also hoher Geschwindigkeit oder starker Beschleunigung - keine starken Lenkeinschläge, so dass der Hilfskraftmotor keine oder allenfalls geringe Leistung benötigt. A steering system according to the invention with electromotive steering power assistance can be used both for vehicles with internal combustion engine and for electric vehicles. In particular, in electric vehicles, there is the advantage that the electric motor can be fed to the steering power assistance without further energy distribution measures from the same power source as the main drive motor of the vehicle. The reason for this is that strong steering angles, which require strong assistance from the power engine, occur only at low speeds - ie low load on the main drive motor. Conversely, at high load of the main drive motor - ie high speed or high acceleration - no strong steering angle, so that the power motor needs no or at most low power.
Die in der obigen Beschreibung genannten und in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten sollen nicht als Einschränkung des Erfindungsbereichs, sondern als Beispiele einiger Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden. Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. So können insbesondere Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu erhalten. Der Erfindungsbereich soll demgemäß nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert werden. The details given in the above description and illustrated in the drawings are not to be considered as limiting the scope of the invention but as examples of some embodiments of the invention. Further modifications will be apparent to those skilled in the art. Thus, in particular features of the embodiments described above can be combined with each other to obtain further embodiments of the invention. Accordingly, the scope of the invention should be defined not by the described embodiments but by the claims and their equivalents.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit: 1 . Steering for a motor vehicle, with:
einem Elektromotor (24) zur Lenkkraftunterstützung, der einen mit einem Ritzel (16, 44) gekoppelten Rotor (28) aufweist,  an electric motor (24) for steering power assistance, which has a rotor (28) coupled to a pinion (16, 44),
einer Spurstange (10), die eine Verzahnung (14, 42) aufweist, in die das Ritzel (16, 44) eingreift,  a track rod (10) having a toothing (14, 42), in which the pinion (16, 44) engages,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Ritzel (16, 44) getriebelos mit dem Rotor (28) des Elektromotors (24) verbunden ist.  the pinion (16, 44) is gearless connected to the rotor (28) of the electric motor (24).
2. Lenkung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) und der Rotor (28) des Elektromotors (24) durch mindestens eine Welle (26) und/oder mindestens ein Gelenk (54) drehfest miteinander verbunden sind. 2. Steering according to claim 1, characterized in that the pinion (16, 44) and the rotor (28) of the electric motor (24) by at least one shaft (26) and / or at least one joint (54) are rotatably connected to each other.
3. Lenkung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) ein Lenkritzel (16) ist, das getriebelos mit einer Lenksäule ge- koppelt ist. 3. Steering according to claim 1 or claim 2, characterized in that the pinion (16, 44) is a steering pinion (16), which is coupled gearless with a steering column.
4. Lenkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmoment-Messeinrichtung (20) zwischen die Lenksäule und das Lenkritzel (16) gekoppelt ist. 4. Steering according to claim 3, characterized in that a torque-measuring device (20) between the steering column and the steering pinion (16) is coupled.
5. Lenkung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) ein Hilfskraftritzel (44) ist, und dass die Lenkung ferner ein Lenkritzel (16) aufweist, das in eine weitere Verzahnung (14) der Spurstange (10) eingreift. 5. Steering according to claim 1 or claim 2, characterized in that the pinion (16, 44) is an auxiliary power pinion (44), and that the steering further comprises a steering pinion (16), in a further toothing (14) of the tie rod (10) intervenes.
6. Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors (28) um einen Faktor 5 oder einen Faktor 10 oder einen Faktor 15 größer ist als der Durchmesser des Ritzels (16, 44). 6. steering system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the diameter of the rotor (28) by a factor of 5 or a factor of 10 or a factor 15 is greater than the diameter of the pinion (16, 44).
7. Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit: 7. Steering for a motor vehicle, comprising:
einer Spurstange (10), und  a tie rod (10), and
einer Elektromotorbaugruppe (60) zur Lenkkraftunterstützung, die über ein Betätigungselement (62) auf die Spurstange (10) einwirkt,  an electric motor assembly (60) for power steering, which acts via an actuating element (62) on the tie rod (10),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- eine Messeinrichtung (64) zwischen dem Betätigungselement (62) und der Elektromotorbaugruppe (60) angeordnet ist, um eine auf das Betätigungselement (62) ausgeübte Kraft oder ein auf das Betätigungselement (62) einwirkendes Moment zu messen. - A measuring device (64) between the actuating element (62) and the electric motor assembly (60) is arranged to measure a force applied to the actuating element (62) or a force acting on the actuating element (62) moment.
8. Lenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotorbaugruppe (60) einen Elektromotor (24) und ein Untersetzungsgetriebe aufweist, und dass die Messeinrichtung (64) zwischen dem Betätigungselement (62) und dem Untersetzungsgetriebe angeordnet ist. 8. Steering according to claim 7, characterized in that the electric motor assembly (60) comprises an electric motor (24) and a reduction gear, and that the measuring device (64) between the actuating element (62) and the reduction gear is arranged.
9. Lenkung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (64) mindestens ein Federelement (70, 86, 88) aufweist, und dass ein Sensor zur Abtastung der Verformung des mindestens einen Federelements (70, 86, 88) oder einer damit verbundenen Bewegung vorgesehen ist. 9. Steering according to claim 7 or claim 8, characterized in that the measuring device (64) has at least one spring element (70, 86, 88), and in that a sensor for sensing the deformation of the at least one spring element (70, 86, 88) or an associated movement is provided.
10. Lenkung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (70, 86, 88) mindestens ein in einem Rad (32, 78) speichenartig ausgebildeter Steg (70) oder mindestens ein zwischen zwei Wellenabschnitten axial verlaufender Steg ist. 10. Steering according to claim 9, characterized in that the at least one spring element (70, 86, 88) at least one in a wheel (32, 78) spoke-like web (70) or at least one between two shaft sections axially extending web.
1 1 . Lenkung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (62) ein Ritzel (16, 44), insbesondere ein Lenkritzel (16) oder ein Hilfskraftritzel (44), ist. 1 1. Steering according to one of claims 7 to 10, characterized in that the actuating element (62) is a pinion (16, 44), in particular a steering pinion (16) or an auxiliary power pinion (44).
12. Lenkung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (64) dazu eingerichtet ist, ein zwischen dem Ritzel (16, 44) und der Elektromotorbaugruppe (60) wirkendes Drehmoment zu messen. 12. Steering according to claim 1 1, characterized in that the measuring device (64) is adapted to measure a between the pinion (16, 44) and the electric motor assembly (60) acting torque.
13. Lenkung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (62) eine Kugelumlaufmutter (84) ist. 13. Steering according to one of claims 7 to 12, characterized in that the actuating element (62) is a ball nut (84).
14. Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem der Ansprüche 7 bis 13. 14. Steering according to one of claims 1 to 6 and one of claims 7 to 13.
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