WO2011160752A1 - Rotatorisch abgestützte lenkspindel - Google Patents

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WO2011160752A1
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Manfred Rombold
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
    • B62D5/10—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle characterised by type of power unit
    • B62D5/12—Piston and cylinder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442—Conversion of rotational into longitudinal movement
    • B62D5/0445—Screw drives
    • B62D5/0448—Ball nuts

Definitions

  • the present invention relates to an actuator for a motor vehicle steering system with the features of the preamble of claim 1.
  • a toothed rack or steering spindle is mounted longitudinally displaceably in a steering housing. The displacement in the longitudinal direction causes via connected to the rack tie rods and stub axles pivoting of the steered wheels of the motor vehicle.
  • the rack is usually from a steering shaft via a
  • CONFIRMATION COPY powered or assisted rack-and-pinion steering systems in which a gearbox for implementing a rotary
  • the transmission can be a
  • Recirculating ball which surrounds the rack coaxially and cooperates with a ball screw on the rack.
  • the recirculating ball is driven by a hollow shaft motor or by an electric motor and a gearbox arranged laterally next to the recirculating ball. A rotation of the ball causes a longitudinal displacement of the rack or
  • the steering shaft so to avoid the substantially torsionally rigid connection between a steering wheel and a steering pinion. This may be for reasons of accident safety
  • Steering gear developed in which a mechanical coupling between the steering wheel and the steering gear, for example via cables or hydraulic donor and Nehmeraggregate are provided.
  • Such steering can be with or without
  • Servo support to be performed.
  • steer-by-wire steering systems known which provide a pure electrical coupling between the steering wheel and the steering gear.
  • the steering shaft can be supported on the piston on the likewise non-circular steering housing.
  • the rotation upon occurrence of a torque about the longitudinal axis is thereby reliably prevented.
  • the steering shaft as a transmission element is part of a transmission that has a rotational movement of a
  • Steering spindle converts, such as one
  • the steering shaft with a
  • piston in the form of a regular polygon.
  • piston is provided at its outer periphery with a sealing insert and a separate sliding insert, which bear against the inside of the steering housing.
  • Fig. 1 a steering actuator according to the invention in one
  • Fig. 2 the actuator of Fig. 1 in a cross section
  • a steering actuator for a motor vehicle is shown in a longitudinal section.
  • the steering actuator comprises a steering housing 1, in which a steering shaft 2 along
  • the steering shaft 2 is provided with a ball screw 3, which forms a ball screw together with balls 4 and a ball nut 5.
  • Ball screw is driven by a toothed belt 6 by an electric motor 7 in this embodiment. In a known manner causes a rotation of the ball nut 5 a straight-line displacement of the steering shaft 2 in the longitudinal direction.
  • the steering shaft 2 further has a piston 8.
  • the piston 8 is provided with a sealing insert 9 and a sliding insert 10 and is located approximately concentrically on the steering shaft 2.
  • the steering housing 1 has a cylindrical inner
  • the inner surface 11 of the steering housing 1 defines an interior, which is divided by the piston 2 into a first working space 12 and a second working space 13.
  • the first working space 12 is hydraulically sealed by means of a sealing ring 14.
  • the steering housing 1 has a free end 15, in which the steering shaft 2 in a plain bearing 16th
  • the second working space 13 is opposite to the - o c -
  • Steering spindle 2 thus forms with the piston 8 and the two
  • Hydraulic connections 18 and 19 are for connecting the working spaces 12 and 13 with a known per se
  • the steering actuator has no steering pinion. Rather, the steering actuator according to this embodiment is for a
  • a steering wheel is connected via a short steering column with a hydraulic piston-cylinder unit as a donor unit.
  • the encoder unit is over
  • the two working chambers 12 and 13 are then formed together with the piston 8 as a slave unit, which causes a rotation of the steering wheel, not shown, a displacement of the steering shaft 2 in the longitudinal direction, in a simple design without
  • Such a hydraulic system is due to the omission of a hydraulic pump
  • Hydraulically stiff and as such can be designed as a simple steer-by-wire system that does not require elaborate sensors and complete redundancy.
  • Electric motor 7 applied via the ball screw on the steering shaft 2.
  • torques arise about the longitudinal axis in the direction of the torque arrows 20.
  • the piston 8 is executed non-circular, as shown in FIG.
  • Fig. 2 shows a cross section along the line II / II through the steering actuator of Fig. 1.
  • the piston 8 is in
  • the Steering spindle 2 is round and rod-shaped in a known manner.
  • Lenkaktuator can be made particularly short in its longitudinal direction, because the torque support is in the region of the non-round piston. There are no guides or supports outside of the ball screw 3 or the
  • the support of the steering shaft against torques by means of the non-circular hydraulic piston can also be provided in other similar steering gears having a purely mechanical connection between the steering column and the steering shaft via a steering pinion or the like.
  • the execution of the mechanical connection can then be simpler and thus made lighter and cheaper, because this assembly does not have to support the torque in addition to the power transmission.
  • Preferred forms of the hydraulic piston are non-circular in the technical sense.
  • geometric shapes and cross-sections which deviate periodically from a circle or a circular movement are called non-circular.
  • the piston may have the shape of a so-called equal dik.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lenkaktuator für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Lenkungsgehäuse in einer Längsrichtung verschieblich gelagerten Lenkspindel, wobei die Lenkspindel drehfest und unverschieblich einen Kolben trägt, der in einem als Zylinder ausgebildeten Abschnitt des Lenkungsgehäuses mit der Lenkspindel verschiebbar angeordnet ist und der wenigstens einen hydraulischen Arbeitsraum begrenzt, wobei der Kolben und der Zylinder in einer senkrecht zu der Längsrichtung ausgerichteten Ebene unrund ausgebildet sind.

Description

Rotatorisch abgestützte Lenkspindel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei Kraftfahrzeuglenkungen von der allgemeinen Bauart einer Zahnstangenlenkung ist eine Zahnstange oder Lenkspindel längsverschieblich in einem Lenkungsgehäuse gelagert. Die Verlagerung in Längsrichtung bewirkt über mit der Zahnstange verbundene Spurstangen und Achsschenkel eine Verschwenkung der gelenkten Räder des Kraftfahrzeugs. Die Zahnstange wird üblicherweise von einer Lenkwelle über einen
Verzahnungseingriff angetrieben. Der Verzahnungseingriff, bei dem ein Lenkritzel mit einem Zahnsegment der Zahnstange kämmt, verhindert gleichzeitig auch eine Verdrehung der Zahnstange um ihre Längsachse. Das Ritzel stützt die Zahnstange also gegenüber einer Rotationsbewegung ab.
Drehmomente, die die Rotationsbewegung der Zahnstange bewirken können, werden einerseits über die Spurstangen in die
Zahnstange eingeleitet. Andererseits gibt es elektromechanisch
BESTÄTIGUNGSKOPIE angetriebene oder unterstützte Zahnstangenlenkungen, bei denen ein Getriebe zur Umsetzung einer rotatorischen
Antriebsbewegung in eine Linearbewegung der Zahnstange vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Getriebe einen
Kugelumlauf aufweisen, der die Zahnstange koaxial umgibt und mit einem Kugelgewinde auf der Zahnstange zusammenwirkt. Der Kugelumlauf wird über einen Hohlwellenmotor oder über einen seitlich neben dem Kugelumlauf angeordneten Elektromotor und ein Getriebe angetrieben. Eine Drehung des Kugelumlaufs bewirkt eine Längsverschiebung der Zahnstange oder
Lenkspindel. Das damit einhergehende Drehmoment wird wie oben beschrieben abgestützt.
Aus verschiedenen Gründen ist man für bestimmte Anwendungen bestrebt, die Lenkwelle, also die im wesentlichen drehstarre Verbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkritzel, zu vermeiden. Dies kann aus Gründen der Unfallsicherheit
vorteilhaft sein, aber auch zur Vermeidung von
Körperschallübertragung zwischen der Vorderachse und dem Innenraum des Kraftfahrzeugs. Für solche Fälle werden
Lenkgetriebe entwickelt, bei denen eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe beispielsweise über Seilzüge oder über hydraulische Geber- und Nehmeraggregate vorgesehen sind. Solche Lenkungen können mit oder ohne
Servounterstützung ausgeführt werden. Es sind auch Steer-by- wire-Lenkungen bekannt, die eine reine elektrische Kopplung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe vorsehen.
Wenn die übliche Drehmomentabstützung im Bereich des Ritzels wegfällt, ist es erforderlich, das durch Fahrbahnrückwirkungen oder auch durch einen Servoantrieb entstehende Drehmoment anderweitig abzustützen. Dies gilt insbesondere bei elektrisch unterstützten Lenkungen mit dem erwähnten Kugelumlauf oder einem anderen rotatorischen Getriebe.
Hierzu ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Abstützung der Lenkspindel bei einem Lenkaktuator mit einem _ _ hydraulischen Arbeitszylinder zu schaffen, die eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Diese Aufgabe wird von einem Lenkaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weil der Lenkaktuator über einen nicht kreisrunden,
insbesondere unrunden Hydraulikkolben verfügt, kann sich die Lenkspindel über den Kolben an dem ebenfalls nicht kreisrunden Lenkungsgehäuse abstützen. Die Rotation bei Auftreten eines Drehmoments um die Längsachse wird dadurch zuverlässig verhindert . Vorzugsweise ist die Lenkspindel als Getriebeelement Teil eines Getriebes, das eine rotatorische Bewegung eines
elektrischen Servomotors in eine Linearbewegung der
Lenkspindel umsetzt, wie beispielsweise eines
Umlaufrädergestriebes, eines Spindeltriebs oder dergleichen. Vorzugsweise ist insbesondere die Lenkspindel mit einem
Kugelgewinde versehen, auf das ein Kugelumlaufgetriebe zum elektromotorischen Antrieb der Lenkspindel greift.
Es ist weiter bevorzugt, den Kolben in Form eines regelmäßigen Vielecks auszubilden. Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Kolben an seinem äußeren Umfang mit einer Dichteinlage und einer separaten Gleiteinlage versehen ist, die an der Innenseite des Lenkungsgehäuses anliegen.
Im Zusammenhang dieser Patentanmeldung soll unter
„Lenkspindel" ein innerhalb eines Lenkungsgehäuses
längsverschieblich gelagertes, stangenartiges Getriebeelement verstanden werden, das in der Funktion einer Zahnstange entspricht, aber nicht notwendigerweise eine entsprechende Verzahnung aufweist. Das Wort „zylindrisch" ist im
mathematischen Sinn zu verstehen und bezeichnet eine Form mit zwei kongruenten Grundflächen, die über eine Mantelfläche miteinander verbunden sind. Der Begriff „unrund" bedeutet bei dieser Definition, dass die Grundflächen keine Kreise sind. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Lenkaktuator in einem
Längsschnitt; sowie Fig. 2: den Aktuator aus Fig. 1 in einem Querschnitt
entlang der Linie II-II.
In der Fig. 1 ist in einem Längsschnitt ein Lenkaktuator für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der Lenkaktuator umfasst ein Lenkungsgehäuse 1, in dem eine Lenkspindel 2 längs
verschieblich angeordnet ist. Die Lenkspindel 2 ist mit einem Kugelgewinde 3 versehen, das gemeinsam mit Kugeln 4 und einer Kugelmutter 5 einen Kugelgewindetrieb bildet. Der
Kugelgewindetrieb wird bei diesem Ausführungsbeispiel über einen Zahnriemen 6 von einem Elektromotor 7 angetrieben. In bekannter Weise bewirkt eine Drehung der Kugelmutter 5 eine geradlinige Verlagerung der Lenkspindel 2 in Längsrichtung.
Die Lenkspindel 2 weist weiter einen Kolben 8 auf. Der Kolben 8 ist mit einer Dichteinlage 9 und einer Gleiteinlage 10 versehen und sitzt etwa konzentrisch auf der Lenkspindel 2. Das Lenkungsgehäuse 1 weist eine zylindrische innere
Oberfläche 11 auf, an der der Kolben 8 mit der Dichteinlage 9 und der Gleiteinlage 10 anliegt. Bei einer Längsbewegung der Lenkspindel 2 gleitet der Kolben 8 auf der Oberfläche 11 in Längsrichtung . Die innere Oberfläche 11 des Lenkungsgehäuses 1 begrenzt einen Innenraum, der von dem Kolben 2 in einen ersten Arbeitsraum 12 und eine zweiten Arbeitsraum 13 unterteilt wird. Gegenüber dem Abschnitt des Lenkungsgehäuses 1, in dem der Kugelgewindetrieb angeordnet ist, ist der erste Arbeitsraum 12 mittels eines Dichtrings 14 hydraulisch abgedichtet. An dem gegenüber liegenden Ende weist das Lenkungsgehäuse 1 ein freies Ende 15 auf, in dem die Lenkspindel 2 in einem Gleitlager 16
abgestützt ist. Der zweite Arbeitsraum 13 ist gegenüber dem - oc -
Gleitlager 16 in einem Dichtring 17 abgedichtet. Die
Lenkspindel 2 bildet so mit dem Kolben 8 und den beiden
Arbeitsräumen 12, 13 ein doppelt wirkendes Kolben-Zylinder- Aggregat. Hydraulikanschlüsse 18 und 19 sind zur Verbindung der Arbeitsräume 12 bzw. 13 mit einer an sich bekannten
Hydraulik vorgesehen.
Der Lenkaktuator weist kein Lenkritzel auf. Vielmehr ist der Lenkaktuator nach diesem Ausführungsbeispiel für ein
Lenksystem vorgesehen, in dem ein Lenkrad über eine kurze Lenksäule mit einem hydraulischen Kolben-Zylinder-Aggregat als Geberaggregat verbunden ist. Das Geberaggregat ist über
Hydraulikleitungen mit den Anschlüssen 18 und 19 des
Lenkaktuators verbunden. Die beiden Arbeitsräume 12 und 13 sind dann gemeinsam mit dem Kolben 8 als Nehmeraggregat ausgebildet, welches bei einer Drehung des nicht dargestellten Lenkrades eine Verlagerung der Lenkspindel 2 in Längsrichtung bewirkt, und zwar bei einer einfachen Ausführung ohne
hydraulische Lenkunterstützung. Ein solches hydraulisches System ist aufgrund des Wegfalls einer Hydraulikpumpe
„hydraulisch steif" und kann als solches als ein einfaches Steer-by-wire-System ausgelegt werden, das keine aufwändige Sensorik und keine vollständige Redundanz benötigt.
Die Lenkhilfskraft wird erforderlichenfalls von dem
Elektromotor 7 über den Kugelgewindetrieb auf die Lenkspindel 2 aufgebracht. Hierbei entstehen Drehmomente um die Längsachse in Richtung der Drehmomentpfeile 20. Um diese Drehmomente abzustützen, ist der Kolben 8 unrund ausgeführt, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II/II durch den Lenkaktuator aus Fig. 1. Der Kolben 8 ist im
Wesentlichen sechseckig mit abgerundeten Ecken ausgeführt und er stützt sich in Umfangsrichtung in dem entsprechend
ausgebildeten Lenkungsgehäuse 1 ab, wobei die Dichteinlage 9 und die Gleiteinlage 10 nicht dargestellt sind. Die Lenkspindel 2 ist in bekannter Weise rund und stangenförmig ausgebildet .
Der insoweit schematisch dargestellte und beschriebene
Lenkaktuator kann in seiner Längsrichtung besonders kurz ausgeführt werden, weil die Drehmomentabstützung im Bereich des unrunden Kolbens erfolgt. Es sind keine Führungen oder Abstützungen außerhalb des Kugelgewindes 3 oder des
hydraulischen Nehmeraggregats erforderlich. Solche
Abstützungen würden ansonsten beispielsweise im Bereich der Lagerbuchse 16 vorgesehen sein und dort zusätzlichen Bauraum erfordern. Dies wird mit der dargestellten Lösung vermieden.
Die Abstützung der Lenkspindel gegen Drehmomente mittels des unrunden Hydraulikkolbens kann auch bei anderen ähnlichen Lenkgetrieben vorgesehen sein, die eine rein mechanische Verbindung zwischen der Lenksäule und der Lenkspindel über ein Lenkritzel oder dergleichen aufweisen. Die Ausführung der mechanischen Verbindung kann dann einfacher und damit leichter und preiswerter gestaltet werden, weil diese Baugruppe nicht zusätzlich zur Kraftübertragung auch noch das Drehmoment abstützen muss.
Bevorzugte Formen des Hydraulikkolbens sind im technischen Sinne unrund. Als unrund bezeichnet man in der Technik geometrische Formen und Querschnitte, die vom Kreis oder einer kreisförmigen Bewegung periodisch abweichen. Insbesondere kann der Kolben die Form eines so genannten Gleichdicks aufweisen.
Bezugs zeichen
1. Lenkungsgehäuse
2. Lenkspindel
3. Kugelgewinde
4. Kugeln
5. Kugelmutter
6. Zahnriemen
7. Elektromotor
8. Kolben
9. Dichteinlage
10. Gleiteinlage
11. Zylindrische innere Oberfläche
12. Arbeitsraum
13. Arbeitsraum
14. Dichtring
15. Freies Ende
16. Gleitlager
17. Dichtring
18. Hydraulikanschluss
19. Hydraulikanschluss
20. Drehmomentpfeile

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Lenkaktuator für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Lenkungsgehäuse (1) in einer Längsrichtung verschieblich gelagerten Lenkspindel (2) , die drehfest und
unverschieblich einen Kolben (8) trägt, der in einem als Zylinder ausgebildeten Abschnitt des Lenkungsgehäuses (1) mit der Lenkspindel (2) verschiebbar angeordnet ist und der gemeinsam mit dem Lenkungsgehäuse (1) wenigstens einen hydraulischen Arbeitsraum (12, 13) begrenzt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (8) und der Zylinder in einer senkrecht zu der Längsrichtung ausgerichteten Ebene nicht kreisrund ausgebildet sind.
Lenkaktuator nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (8) und der Zylinder in einer senkrecht zu der Längsrichtung
ausgerichteten Ebene unrund ausgebildet sind.
Lenkaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lenkspindel (2) als Getriebeelement Teil eines Getriebes ist, das eine rotatorische Bewegung eines elektrischen Servomotors in eine Linearbewegung der Lenkspindel (2) umsetzt .
4. Lenkaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Getriebe einen Kugelgewindetrieb aufweist, der die
Lenkspindel (2) koaxial umgibt und mit einem auf der Lenkspindel (2) angeordneten Kugelgewinde (3)
zusammenwirkt .
5. Lenkaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (8) und der Zylinder senkrecht zu der
Längsrichtung einen vieleckigen Querschnitt mit
abgerundeten Ecken aufweisen.
6. Lenkaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (8) in Form eines regelmäßigen Vielecks
ausgebildet ist.
7. Lenkaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (8) an seinem äußeren Umfang mit einer
Dichteinlage (9) und einer separaten und in Längsrichtung von der Dichteinlage (9) beabstandeten Gleiteinlage (10) versehen ist, die an der Innenseite (11) des
Lenkungsgehäuses (1) anliegen
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