DE10052275A1 - Kraftfahrzeugservolenkung mit elektrischem Servomoto und Zahnriemen - Google Patents
Kraftfahrzeugservolenkung mit elektrischem Servomoto und ZahnriemenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem von einem Fahrer zu betätigenden Lenkrad, mit einem Lenkgetriebe, das durch Verlagerung eines über eine Getriebeeinrichtung anzutreibenden beweglichen Bauelements eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt. Weil ein elektrischer Servomotor, der mit einer eine Zahnscheibe tragenden Motorwelle über einen Zahnriemen mit einem zahnscheibenförmigen Eingangsrad der Getriebeeinrichtung und mit dem Bauelement antriebsmäßig verbunden ist, ist eine einfache, wartungsfreie und spielfreie Kraftübertragung gewährleistet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkung mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Derartige Servolenkungen sind aus der EP 101579 B1 be
kannt, bei der ein elektrischer Servomotor über einen Ku
gelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Der Elektromotor,
der Kugelumlauf und die Zahnstange sind dabei koaxial an
geordnet. Der Elektromotor umgreift den Kugelumlauf an
seiner Außenseite.
Weiter ist aus der EP 0133003 B1 eine entsprechende Ser
volenkung bekannt, bei der ein Elektromotor ebenfalls ü
ber einen Kugelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Hierbei
ist der erforderliche Bauraum für die Verwendung am
Kraftfahrzeug günstiger aufgeteilt, indem der Elektromo
tor von dem Kugelumlauf in Axialrichtung beabstandet ist.
Das in beiden Dokumenten dargestellte Kugelumlaufgetriebe
zur Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in eine
Axialbewegung der Zahnstange erfordert in der Praxis ent
weder einen relativ großen, langsam laufenden Elektromo
tor (EP 0101579 B1) oder aber ein Reduziergetriebe zwi
schen dem Elektromotor und dem Kugelumlauf (EP 0133003 B1),
um den Drehmomentbereich und den Drehzahlbereich des
jeweiligen Elektromotors an das Übersetzungsverhältnis
des Kugelumlaufs anzupassen.
In der EP 0133003 B1 kämmt das Motorritzel mit einem
Stirnrad mit großem Radius, welches koaxial zum Kugelum
lauf angeordnet ist. Die Summe der Radien der beiden
Stirnräder entspricht dabei dem Achsabstand von Motor zu
Kugelumlauf. Nachteilig ist hier der große Durchmesser,
der auch auf der dem Motor abgewandten Seite des Kugelum
laufs zu einem großen Platzbedarf der Vorrichtung führt.
Zur Verkleinerung des Bauraums ist in der WO 98/38072 ein
Zwischenrad zwischen dem Motorritzel und dem Stirnrad des
auf die Zahnstange wirkenden Reduziergetriebes vorgese
hen. Hier ergibt sich das Problem, dass dieses Zwischen
rad in der Praxis nicht spielfrei ist. Bei Lastrichtungs
wechseln kann dieses Spiel, das sich auch temperaturab
hängig ändern kann, zu Geräuschen und zu undefinierten
Zuständen der Regelung führen.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Servolenkung der bekannten Art dahingehend zu verbessern,
dass das Getriebe zur Verbindung des Servomotors mit dem
Lenkgetriebe spielfrei ist.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkma
len des Anspruchs 1 gelöst.
Weil das Ritzel und das Eingangsrad Zahnriemenscheiben
sind und dass das Getriebeelement ein Zahnriemen ist,
kann eine formschlüssige Kraftübertragung erreicht wer
den, die spielfrei eingestellt werden kann und die dauer
haft, wartungsfrei und geräuscharm ist.
Wenn die Zahnscheiben und der Zahnriemen ein ebenes Ge
triebe bilden, insbesondere die Achsen der Motorwelle und
des Eingangsrades parallel zueinander angeordnet sind,
ergibt sich ein kompakter Antrieb mit einfachem Aufbau.
Zur Einstellung der Zahnriemenspannung kann vorgesehen
sein, dass eine Spannrolle zahnseitig an dem Zahnriemen
vorgesehen ist oder dass der Achsabstand der Motorwelle
und der Getriebeeinrichtung einstellbar ist.
Ein komplett lieferbares und einfach montierbares System
ergibt sich, wenn die Getriebeeinrichtung und der Servo
motor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das
mit einem Lenkgehäuse der Servolenkung vorzugsweise
einstückig ist.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorlie
genden Erfindung anhand einer Zahnstangenlenkung be
schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Getriebeglieder einer Zahnstangenlen
kung mit elektrischem Servoantrieb für
ein Kraftfahrzeug in einem Querschnitt
entlang der Längsachse der Zahnstange;
sowie
Fig. 2 die Getriebeglieder einer Zahnstangenlen
kung mit redundantem elektrischem Servo
antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Getriebeglieder einer
erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung in einem Querschnitt
entlang der Längsachse der Zahnstange.
Eine Motorwelle 1 trägt bei diesem Ausführungsbeispiel
eine Zahnscheibe 2, die umfangsseitig mit einem Profil 3
versehen ist. Die Motorwelle 1 dreht sich im Betrieb um
eine Längsachse 4.
Ein Zahnriemen 5 läuft mit seinem zu der Zahnscheibe 2
passenden Profil umfangsseitig auf der Zahnscheibe 2 und
ist seitlich durch Borde 6 der Zahnscheibe 2 geführt.
Der Zahnriemen 5 läuft andererseits auf einer Zahnscheibe
7 einer Getriebeanordnung 8, die beispielsweise einen Ku
gelumlauf zur Übertragung der Drehbewegung in eine Stell
bewegung einer Zahnstange oder dergleichen zu übersetzen.
Die Zahnscheibe 7 ist dabei um eine Achse 9 drehbar gela
gert, die parallel zu der Achse 4 angeordnet ist.
Die übrigen Bauelemente, mit denen die Wellen 1 und 8 ge
lagert und geführt sind sowie der Antriebsmotor für die
Motorwelle 1 und die Zahnstange, auf die die Getriebeein
richtung 8 wirkt, sind aus dem Stand der Technik bekannt
und werden hier nicht näher beschrieben. Gleiches gilt
für das Gehäuse der gesamten Anordnung, das beispielswei
se einstückig aus Aluminium gefertigt werden kann.
In der Praxis wird die Achse 4 der Motorwelle 1 in einer
festen, parallel zur Achse 9 der Getriebeeinrichtung 8
angeordneten Position in einem gemeinsamen Gehäuse mit
der Getriebeeinrichtung 8 eingebaut sein. Die Achsen sind
relativ zueinander in Radialrichtung unverschieblich an
geordnet. Zur Montage wird der Zahnriemen 5 zunächst auf
die lose Zahnscheibe 2 zwischen die Borde 6 eingesetzt.
Zur Montage wird dann die Zahnscheibe 2 in Axialrichtung
auf die Welle 1 aufgesetzt, wobei gleichzeitig der Zahn
riemen 5 auf die Zahnscheibe 7 aufgeschoben wird. Zur
Einstellung der Zahnriemenspannung kann, falls erforder
lich, eine nicht dargestellte Spannrolle vorgesehen sein,
die von der Riemenrückenseite her auf ein freies Trum des
Zahnriemens 5 wirkt. Die Spannrolle soll dabei nicht fe
derbelastet sein, sondern mit einer festen Einstellung
fixiert sein, so dass die gesamte Anordnung insgesamt in
der Antriebsrichtung spielfrei wird. Die Spielfreiheit
ist dann auch bei wechselnden Lastrichtungen gewährleis
tet.
Bei einer alternativen Ausführung kann vorgesehen sein,
dass die Achse 4 in Radialrichtung zur Achse 9 verlager
bar ist, um ohne Spannrolle das Spiel des Zahnriemens
einstellen zu können. Es ist bei entsprechender Ferti
gungsgenauigkeit auch möglich, die Achsen 4 und 9 in Ra
dialrichtung fix zueinander anzuordnen und auf eine
Spannrolle zu verzichten.
In der Fig. 2 ist eine elektrische Servolenkung in einer
Ansicht entsprechend Fig. 1 dargestellt. Dabei sind
gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern bezeich
net.
Gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 ist ein zweiter
elektrischer Servoantrieb mit einer Motorwelle 11 vorge
sehen, der über eine Zahnscheibe 12, die umfangsseitig
ebenfalls mit einem Profil 13 versehen ist, auf einen
Zahnriemen 15 wirkt. Der Zahnriemen 15 wird auf der Zahn
scheibe 12 seitlich durch Borde 16 geführt.
Der Zahnriemen 15 läuft mit dem Zahnriemen 5 auf einer
gemeinsamen, gegenüber der Haftungsform der Fig. 1 brei
ter ausgeführten Zahnscheibe 17. Die Zahnscheibe 17 wie
derum wirkt auf die Getriebeeinrichtung 8 zur Betätigung
der weiteren Elemente der Kraftfahrzeuglenkung.
Gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 sind die An
triebselemente, die antriebsmäßig vor der Zahnscheibe 17
liegen, redundant ausgeführt. Eine solche Konfiguration
ist für Steer-By-Wire-Lenkungen vorteilhaft, bei denen
zwei unabhängig voneinander agierende Antriebe die not
wendige Ausfallsicherheit bieten. Die Motorwellen 1 und
11 sind folglich auch bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht miteinander gekoppelt, so dass beim Ausfall eines
Motors ebenso wie beim Ausfall eines der Zahnriemen 5, 15
die volle Funktion der Lenkung erhalten bleibt. Die übri
gen Vorteile hinsichtlich Geräuschentwicklung, Spielfrei
heit und einfacher Montage durch Zusammenfassung der Len
kung zu einem System entsprechend den im Zusammenhang mit
Fig. 1 erwähnten Vorteilen.
Insgesamt ergibt sich mit dieser Anordnung eine spiel
freie Kraftübertragung von einem elektrischen Servomotor
auf eine Getriebeeinrichtung einer Servolenkung, wobei
die Kraftübertragung über die erwartete Lebensdauer des
Kraftfahrzeugs zuverlässig und wartungsfrei arbeitet. Der
Einstellaufwand bei der Montage ist gering oder kann völ
lig entfallen. Die verwendeten Bauelemente sind in der
Praxis erprobt und relativ preiswert. Die Bauelemente
können insbesondere auch ohne Schmierung in einem Gehäuse
laufen, das nicht notwendig öldicht sein muss. Dies ist
sowohl bei der Herstellung als auch beim späteren Recyc
ling des Kraftfahrzeugs vorteilhaft, da an dieser Stelle
auf flüssige Betriebsstoffe verzichtet werden kann.
Claims (6)
1. Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem von ei
nem Fahrer zu betätigenden Lenkrad, mit einem Lenkge
triebe, das durch Verlagerung eines über eine Getrie
beeinrichtung (8) anzutreibenden beweglichen Bauele
ments eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern
bewirkt, mit wenigstens einem elektrischen Servomo
tor, der jeweils mit einer ein Ritzel (2, 12) tragen
den Motorwelle (1, 11) über ein Getriebeelement (5,
15) mit einem Eingangsrad (7, 17) der Getriebeein
richtung und dadurch mit dem Bauelement antriebsmäßig
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das we
nigstens eine Ritzel (2, 12) und das Eingangsrad (7,
17) Zahnriemenscheiben sind und dass das Getriebeele
ment (5, 15) jeweils ein Zahnriemen (5, 15) ist.
2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zahnscheiben (2, 12, 7, 17) und der Zahnrie
men (5, 15) ein ebenes Getriebe bilden, insbesondere
die Achsen (4, 9) der Motorwelle (1, 11) und des Ein
gangsrades (7, 17) parallel zueinander angeordnet
sind.
3. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannrolle zahnseitig
oder rückenseitig an dem wenigstens einen Zahn
riemen (5, 15) vorgesehen ist.
4. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Achsabstand der Mo
torwelle (1, 11) und der Getriebeeinrichtung (8) ein
stellbar ist.
5. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung
(8) und der Servomotor in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sind, das mit einem Lenkgehäuse der Servo
lenkung vorzugsweise einstückig ist.
6. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Servomotoren vorge
sehen sind, die mittels jeweils einer Zahnscheibe (2,
12) über jeweils einen Zahnriemen (5, 15) gemeinsam
auf ein Eingangsrad (7, 17) einer Getriebeeinrichtung
(8) wirken.
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