DE10103642A1 - Actuator for steer-by-wire steering system with dry-running clutch and transmission and part of clutch integrated in transmission - Google Patents

Abstract

Part of the clutch (6) is integrated in the dry-running transmission (12). The gearwheel (8) is also used as a clutch plate (13). The clutch can be operated under load and has self-locking serration (7). At least one transmission wheel has coated running surfaces with higher wear-resistance and lower friction coefficient than the associated base material. The surfaces are subjected to PVD, mechanical, or galvanic coating, or ion implantation. The actuator is a combined steering actuator (3) and steering wheel actuator (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to an actuator according to the The preamble of claim 1 defined in more detail.

Aktuatoren werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen Verwendet, so z. B. bei Lenksystemen, die ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Fahrzeugrädern arbeiten. Diese Lenksysteme werden als steer-by-wire-Lenksysteme bezeichnet. Diese Lenksysteme weisen einen mit dem Lenkhandrad gekoppelten Lenkhandradak­ tuator auf, der sich beispielsweise aus Elektromotor, Lenk­ winkel- und/oder Drehmomentsensor zusammensetzt. Dieser Lenkhandradaktuator ist über eine elektronische Regelung mit einem Lenkaktuator verbunden, der elektrisch, hydrau­ lisch oder pneumatisch arbeiten kann. Die Differenz zwi­ schen einem vorgegebenen Soll-Wert und einem gemessenen Ist-Wert wird von einer Erfassungseinheit erfaßt und an ein Steuergerät übermittelt. Eine Elektronikeinheit berechnet dann aus diesem Signal und in Abhängigkeit von weiteren Faktoren wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleuni­ gung, Fahrbahnoberfläche und Beladungszustand ein erforder­ liches Hilfsmoment, das über den Lenkaktuator auf die zu lenkenden Räder des Kraftfahrzeuges übertragen wird. Um dem Fahrer Rückmeldung über den momentanen Fahrzustand übermit­ teln zu können, wird über den Lenkhandradaktuator ein ent­ sprechendes Signal auf das Lenkhandrad übertragen, sodaß der Fahrer ein gleiches Lenkgefühl wahrnimmt, wie er es von herkömmlichen, mechanisch gekoppelten Lenksystemen gewohnt ist. Neben den Baugruppen Lenkaktuator, Lenkhandradaktuator und Regelsystem weisen solche steer-by-wire-Lenksysteme häufig noch ein Rückfallsystem auf, das z. B. aus einer durch eine Kupplung unterbrochene Lenksäule bestehen kann. Diese Kupplung muß unter Last schaltbar sein, um die volle Funktionalität des steer-by-wire-Lenksystems zu gewährlei­ sten. Die Kupplung wird im normalen Betriebszustand ge­ schmiert, dadurch muß die Anpreßkraft der Kupplungsfeder und demzufolge auch die für das Öffnen notwendige magneti­ sche Kraft erhöht werden. Dies bedingt eine größere magne­ tische Spule. Meist ist jedoch keine Einbauraumvergrößerung möglich, so daß die Kupplung möglichst klein bauen muß, um überhaupt im Fahrzeug integriert werden zu können. Aus die­ ser Forderung heraus ergibt sich eine trocken laufende Kupplung, die platzsparend eingebaut werden kann.Actuators come in a variety of technical Applications used, e.g. B. in steering systems without mechanical coupling between steering wheel and steered Vehicle wheels work. These steering systems are called called steer-by-wire steering systems. These steering systems have a steering handwheel coupled to the steering handwheel tuator on, for example, from an electric motor, steering composed of angle and / or torque sensor. This Steering handwheel actuator is via an electronic control connected to a steering actuator that is electric, hydraulic can work mechanically or pneumatically. The difference between a predetermined target value and a measured Actual value is recorded by a registration unit and sent to Control unit transmitted. An electronics unit calculates then from this signal and depending on others Factors such as B. vehicle speed, lateral acceleration required, road surface and loading condition Lich auxiliary torque that the steering actuator to steering wheels of the motor vehicle is transmitted. To that Driver feedback on the current driving status via To be able to, is a ent via the steering wheel actuator transmit speaking signal to the steering wheel so that the driver feels the same steering feel as he does from conventional, mechanically coupled steering systems is. In addition to the steering actuator and steering wheel actuator assemblies and control system have such steer-by-wire steering systems often still a fallback system that z. B. from a  steering column interrupted by a clutch. This clutch must be switchable under load to the full To guarantee functionality of the steer-by-wire steering system sten. The clutch is in normal operating condition lubricates, so the contact pressure of the clutch spring and consequently also the magneti necessary for opening force can be increased. This requires a larger magne table coil. Mostly, however, there is no increase in installation space possible so that the coupling must be as small as possible in order to to be able to be integrated into the vehicle at all. From the This requirement results in a dry running Coupling that can be installed to save space.

In der DE 198 05 015 C1 ist ein Lenksystem beschrie­ ben, das einen hydraulischen Aktuator aufweist, der über ein elektrisches Regelventil einen Zylinder ansteuert. Das beschriebene Lenksystem weist zudem eine Lenksäulenverbin­ dung mit einer hydraulischen Kupplung auf. Diese Kupplung hat die Aufgabe in Notfällen eine mechanische Zwangskopp­ lung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Rädern herzustel­ len. Die verwendete Kupplung ist durch Federkraft in schließender Richtung beaufschlagt und kann durch Einspei­ sung von hydraulischem Druck in ein Verdrängeraggregat ge­ öffnet werden.A steering system is described in DE 198 05 015 C1 ben that has a hydraulic actuator that over an electric control valve controls a cylinder. The The steering system described also has a steering column connection with a hydraulic clutch. This clutch has the task of emergency mechanical mechanical coupling between steering handwheel and steered wheels len. The coupling used is in by spring force closing direction and can be by injection solution of hydraulic pressure in a displacement unit be opened.

Nachteilig an dem in der DE 198 05 015 C1 beschriebe­ nen Lenksystem ist die Tatsache, daß es für elektrische Regelventile in hydraulischen Lenksystemen kaum Seriener­ fahrungen gibt, was ein hohes Risiko und einen hohen Ent­ wicklungsaufwand bedeutet. Zudem fällt das Lenksystem bei Ausfall des Regelsystems in eine mechanische Lenkung zu­ rück, was für den Fahrer große Lenkkräfte bedeutet. Erfolgt diese Reaktion plötzlich, kann dies zu Fehlreaktionen beim Fahrer führen.A disadvantage of that described in DE 198 05 015 C1 NEN steering system is the fact that it is for electrical Control valves in hydraulic steering systems hardly serial experience gives what is a high risk and a high ent development effort means. The steering system is also included Failure of the control system in a mechanical steering too back, which means great steering forces for the driver. He follows  this reaction suddenly, it can lead to wrong reactions when Lead drivers.

Desweiteren sind Lenksysteme bekannt, die mit einer Kupplung und einem elektrischen Aktuator ausgerüstet sind. Bei diesen Lenksystemen ist vor allem eine ausreichende Energieversorgung bei großen Lenkkräften schwierig umzuset­ zen.Furthermore, steering systems are known, which with a Coupling and an electrical actuator are equipped. With these steering systems, a sufficient one is above all Power supply difficult to implement with large steering forces Zen.

Alle diese Lenksysteme haben zusätzlich das Problem des Einbauraums. Die verwendeten Bauteile müssen sich leicht ein- und ausbauen lassen können, ohne dabei mit an­ deren Aggregaten im Motorraum zu kollidieren. Die Kupplung, die unter Last schaltbar ist, darf keinen großen Bauraum in Anspruch nehmen, vielmehr sollte sie sich in anderen Kompo­ nenten integrieren lassen.All of these steering systems also have the problem of the installation space. The components used must be can be easily installed and removed without being involved their aggregates collide in the engine compartment. The coupling, which can be switched under load must not have a large installation space Claim it, rather it should be in other compos let nenten integrate.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Aktuator darzustellen, der trotz kompakter Einbaumaße hohe Kupplungsmomente übertragen kann und unter Last schaltbar ist.The present invention is based on the object to represent an actuator that despite compact installation dimensions can transmit high clutch torques and under load is switchable.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden, gattungsgemäßen Aktuator gelöst.The object underlying the invention is achieved by one, also the characteristic features of the main claim having generic actuator solved.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt insbesondere dadurch, daß in dem Aktuator die Kupplung und das Getriebe trocken laufen und ein Teil der Kupplung in dem Getriebe integriert ist. Die Kupplung kann auch unter Last geöffnet werden. Eine Stirnverzahnung überträgt dabei ein Drehmoment in Ab­ hängigkeit von Verzahnungswinkel, Reibwert, Anpreßkraft der Kupplungsfeder und Durchmesser der Stirnverzahnung. Diese Faktoren müssen so gewählt werden, daß keine Selbsthemmung der Kupplung auftreten kann, welche ein Öffnen der Kupplung unter Last ausschließen würde. Aufgrund des wesentlich hö­ heren Reibwertes einer trocken laufenden Kupplung kann der Durchmesser der Stirnverzahnung der Kupplungsscheiben klei­ ner gewählt werden, wodurch sie leichter im Fahrzeug inte­ griert werden kann. Eine Kupplungsscheibe ist gleichzeitig Teil des Getriebes, was zu einer hohen Funktionalität bei kleinem Einbauraum führt. Durch die Integration des Getrie­ bes muß dieses aufgrund der Forderung nach einer trocken laufenden Kupplung und einer kompakten Bauweise auch troc­ ken laufen. Aufgrund dieser Forderungen muß eine geeignete Verzahnung des Getriebes gewählt werden, die hohe Funktio­ nalität und Trockenlauf miteinander verbindet. Um die Ge­ fahr eines Verklemmen der Zahnräder des Getriebes zu redu­ zieren, wählt man bei einem trocken laufenden Getriebe auf­ grund eines höheren Reibwertes eine größere positive Pro­ filverschiebung am treibenden Zahnrad mit kleiner Zähnezahl und eine kleine positive bis negative Profilverschiebung am getriebenen Zahnrad mit großer Zähnezahl. Zusätzlich ver­ kleinert man bei der trocken laufenden Verzahnung die Ein­ trittseingriffsstrecke und vergrößert die Austrittsein­ griffsstrecke. Die trocken laufende Verzahnung kann als progressives oder degressives Reibsystem ausgelegt werden. Ein progressives Reibsystem am Eintrittsbeginn hat bei Trockenlauf die Tendenz die Flanken der Verzahnung aufzu­ rauhen, während ein degressives Reibsystem bei Trockenlauf am Zahnaustritt die Flanken eher glättet. Der Übergang vom progressiven zum degressiven Reibsystem erfolgt im Wälz­ punkt. Bei weit vom Wälzpunkt entfernt liegenden Punkten auf der Eingriffsstrecke, gleitet ein großer Abschnitt der Gegenzahnkopfkante der Verzahnung an einem kleinen Ab­ schnitt der Zahnfußflanke vorbei. Aufgrund des kleinen Krümmungsradius steigt hier die Hertz'sche Pressung in der Verzahnung stark an. Bei großen Reibungswinkeln, d. h. große Reibwerte und große Abstände vom Wälzpunkt besteht die Ge­ fahr des Verklemmens der Verzahnung, da die resultierende Kraft nicht mehr unterhalb des Drehpunktes der Verzahnung zeigt. Bei Ritzeln mit kleinen Zähnezahlen erzielt man mit einer großen Profilverschiebung am treibenden Rad eine kleine Eintrittseingriffsstrecke und eine große Aus­ trittseingriffsstrecke. Die Verzahnung des Getriebes zeich­ net sich dadurch aus, daß zumindest die Laufflächen eines der Zahnräder beschichtet sind, und. die Laufflächen der Verzahnung eine höhere Verschleißfestigkeit und einen nied­ rigeren Reibungskoeffizienten aufweisen als das jeweils zugehörige Grundmaterial. Durch eine geeignete Wahl der Beschichtung der Zahnräder des Getriebes kann eine Wir­ kungsgradverbesserung und eine Erhöhung der Dauerfestigkeit erreicht werden. Hierbei sind vor allem PVD-Beschichtungen, galvanische und mechanische Beschichtungen sowie Beschich­ tungen durch Ionenimplantation zu erwähnen.The problem is solved in particular by that in the actuator the clutch and the gearbox dry run and part of the clutch integrated in the transmission is. The clutch can also be opened under load. A spur toothing transmits a torque in Ab dependence of tooth angle, coefficient of friction, contact pressure of the Coupling spring and spur gear diameter. This  Factors must be chosen so that no self-locking the clutch can occur, which an opening of the clutch would exclude under load. Due to the much higher The higher coefficient of friction of a dry clutch can Small diameter of the front teeth of the clutch discs ner can be selected, which makes them easier to integrate into the vehicle can be grated. A clutch disc is at the same time Part of the transmission, which contributes to high functionality small installation space leads. By integrating the transmission bes must do this due to the requirement for a dry running clutch and a compact design also troc ken run. Because of these requirements, a suitable one Gear teeth can be selected, the high functio combines naturalness and dry running. To the Ge Risk of jamming of the gears of the gearbox to reduce grace, you choose on a dry running gear due to a higher coefficient of friction, a larger positive pro Fil shift on the driving gear with a small number of teeth and a small positive to negative profile shift on driven gear with a large number of teeth. In addition ver if the gear teeth run dry, the one is reduced step and increases the exit attacked stretch. The dry running teeth can be used as progressive or degressive friction system can be designed. A progressive friction system at the beginning of entry has Dry running the tendency to open the flanks of the teeth roughen while a degressive rubbing system when running dry at the tooth exit the flanks tend to smooth out. The transition from Progressive to degressive friction system takes place in the roller Point. At points far from the pitch point on the surgical route, a large section of the glides Counter tooth edge of the toothing at a small ab the tooth flank cut over. Because of the small  Here, the radius of curvature increases the Hertzian pressure in the Gearing strongly. At large friction angles, i.e. H. size The coefficient of friction and large distances from the pitch point exist Drive the jamming of the gearing as the result Force no longer below the pivot point of the toothing shows. With pinions with small number of teeth one achieves with a large profile shift on the driving wheel small entry route and a large out occurs intervened stretch. Draw the gear teeth net is characterized in that at least the treads of a the gears are coated, and. the treads of the Gearing a higher wear resistance and a low rigorous coefficient of friction than that associated basic material. By a suitable choice of Coating the gears of the gearbox can be a wir efficiency improvement and an increase in fatigue strength can be achieved. Here are mainly PVD coatings, galvanic and mechanical coatings as well as coating mentions by ion implantation.

Nachfolgend ist anhand der Figur ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Aktuators näher beschrieben.An embodiment is shown below with reference to the figure game of an actuator according to the invention described in more detail.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen er­ findungsgemäßen Aktuator, der Teil eines steer-by-wire- Lenksystems ist.The only figure shows a section through a he Actuator according to the invention, part of a steer-by-wire Steering system is.

Ein Aktuator 1 weist einen Lenkhandradaktuator 2 und einen Lenkaktuator 3 auf, die in einem Gehäuse 4 integriert sind. Der Lenkhandradaktuator 2 und der Lenkaktuator 3 ste­ hen über eine Kupplung 6 und ein Getriebe 12 in Wirkverbin­ dung. Eine Eingangswelle 5 des Lenkhandradaktuators 2 ist mit einer nicht dargestellten Lenksäule verbunden. Über die, eine selbsthemmende Stirnverzahnung 7 aufweisende, Kupplung 6, kann die Eingangswelle 5 mit einem Getrieberad 8 in Eingriff gebracht werden. Das Getrieberad 8 greift in ein Antriebsritzel 9 ein, das mit einer Antriebswelle 10 eines Elektromotors 11 des Lenkaktuators 3 verbunden ist. Das Getrieberad 8 übernimmt gleichzeitig die Funktion einer Kupplungsscheibe 13. Das Getrieberad 8 steht mit einem Drehschieberventil 14 in Wirkverbindung. Das Drehschieber­ ventil 14 enthält zwei Ventilelemente, die koaxial ineinan­ der beweglich angeordnet und zum Erzielen eines Steuerweges begrenzt zueinander verdrehbar angeordnet sind.An actuator 1 has a steering wheel actuator 2 and a steering actuator 3 , which are integrated in a housing 4 . The steering handwheel actuator 2 and the steering actuator 3 are connected via a clutch 6 and a transmission 12 in operative connection. An input shaft 5 of the steering wheel actuator 2 is connected to a steering column, not shown. Via the coupling 6 , which has a self-locking spur toothing 7 , the input shaft 5 can be brought into engagement with a gear wheel 8 . The gear wheel 8 engages in a drive pinion 9 , which is connected to a drive shaft 10 of an electric motor 11 of the steering actuator 3 . The gear wheel 8 also takes over the function of a clutch disc 13 . The gear wheel 8 is operatively connected to a rotary slide valve 14 . The rotary slide valve 14 contains two valve elements which are arranged coaxially in one another and are arranged such that they can be rotated to one another to achieve a control path.

Dabei ist ein erstes Ventilelement, das mit einem Ventil- Eingangsglied 15 verbunden ist, als radial innenliegender Drehschieber 16 ausgebildet. Ein zweites Ventilelement ist mit einem Ventil-Ausgangsglied 17 drehfest verbunden und als radial außenliegende Steuerbuchse 18 ausgebildet. Der Drehschieber 17 ist zusätzlich über eine einen Steuerweg begrenzende Totgangkupplung mit einem Antriebsritzel 19 verbunden. Ein in dem Antriebsritzel 19 spielfrei einge­ presster Stift 20 greift zur Drehmitnahme in die Steuer­ buchse 18 ein.A first valve element, which is connected to a valve input member 15 , is designed as a radially inner rotary slide valve 16 . A second valve element is non-rotatably connected to a valve output member 17 and is designed as a radially outer control bushing 18 . The rotary valve 17 is additionally connected to a drive pinion 19 via a lost motion clutch which delimits a control path. A pin 20 pressed in the drive pinion 19 without play engages in the control bushing 18 for rotary driving.

Beide Ventilelemente weisen Steuerlängsnuten auf, die we­ nigstens zu einem Teil in ihrer axialen Erstreckung be­ grenzt sind und zur Steuerung eines Druckmittels von oder zu einem der zwei Arbeitsräume eines nicht dargestellten Servomotors dienen. Zur Rückstellung der beiden Ventilele­ mente aus einer ausgelenkten Stellung in ihre Neutralstel­ lung dient eine Drehstabfeder 21. Das Antriebsritzel 19 steht über seine Verzahnung im Eingriff mit einer Zahnstan­ ge 22, die in dem Gehäuse 4 axial verschiebbar geführt ist. Über ein federbelastetes Druckstück 23 wird ein definiertes Verzahnungsspiel zwischen Antriebsritzel 19 und Zahnstan­ ge 22 eingestellt. Both valve elements have longitudinal control grooves, which are at least partially limited in their axial extent and serve to control a pressure medium from or to one of the two working spaces of a servo motor, not shown. To reset the two Ventilele elements from a deflected position in their neutral position ting serves a torsion bar spring 21st The drive pinion 19 is via its teeth in engagement with a toothed rack ge 22 which is guided axially displaceably in the housing 4 . Via a spring-loaded thrust piece 23 , a defined tooth play between the drive pinion 19 and toothed rack 22 is set.

Bezugszeichenreference numeral

11

Aktuator
actuator

22

Lenkhandradaktuator
Lenkhandradaktuator

33

Lenkaktuator
steering actuator

44

Gehäuse
casing

55

Eingangswelle
input shaft

66

Kupplung
clutch

77

Stirnverzahnung
spur gearing

88th

Getrieberad
Pinion

99

Antriebsritzel
pinion

1010

Antriebswelle
drive shaft

1111

Elektromotor
electric motor

1212

Getriebe
transmission

1313

Kupplungsscheibe
clutch disc

1414

Drehschieberventil
Rotary valve

1515

Ventil-Eingangsglied
Valve inlet member

1616

Drehschieber
rotary vane

1717

Ventil-Ausgangsglied
Valve output member

1818

Steuerbuchse
control connector

1919

Antriebsritzel
pinion

2020

Stift
pen

2121

Drehstabfeder
Torsion bar

2222

Zahnstange
rack

2323

Druckstück
Pressure piece

Claims (9)

1. Aktuator (1), mit einer trocken laufenden Kupp­ lung (6) und einem trocken laufendem Getriebe (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kupp­ lung (6) in dem Getriebe (12) integriert ist.1. Actuator ( 1 ), with a dry-running coupling ( 6 ) and a dry-running gear ( 12 ), characterized in that part of the coupling ( 6 ) is integrated in the gear ( 12 ). 2. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Getrieberad (8) gleich­ zeitig als Kupplungsscheibe (13) verwendet werden kann.2. Actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a gear wheel ( 8 ) can be used simultaneously as a clutch disc ( 13 ). 3. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplung (6) unter Last geschaltet werden kann.3. Actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the clutch ( 6 ) can be switched under load. 4. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplung (6) eine selbsthemmende Stirnverzahnung (7) aufweist.4. Actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the coupling ( 6 ) has a self-locking spur toothing ( 7 ). 5. Aktuator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest ein Zahnrad des Getriebes (12) beschichtete Laufflä­ chen aufweist.5. Actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one gear of the transmission ( 12 ) has coated running surfaces. 6. Aktuator (1) nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laufflächen eine höhere Verschleißfestigkeit und einen niedrigeren Reibungskoeffi­ zienten aufweisen als das jeweils zugehörige Grundmaterial.6. Actuator ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the treads have a higher wear resistance and a lower coefficient of friction than the associated base material. 7. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das trocken laufende Ge­ triebe (12) aufgrund eines höheren Reibwertes eine größere positive Profilverschiebung am treibenden Zahnrad mit klei­ ner Zähnezahl und eine kleine positive bis negative Profil­ verschiebung am getriebenen Zahnrad mit großer Zähnezahl aufweist.7. Actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the dry running gear ( 12 ) due to a higher coefficient of friction, a larger positive profile shift on the driving gear with a small number of teeth and a small positive to negative profile shift on the driven gear has a large number of teeth. 8. Aktuator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine PVD-, galvanische oder mechanische Beschichtung der Oberfläche der Zahnräder des Getriebes (12) oder durch Io­ nenimplantation eine Wirkungsgradverbesserung und eine Er­ höhung der Dauerfestigkeit erreicht wird.8. Actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an improvement in efficiency and an increase in the fatigue strength is achieved by a PVD, galvanic or mechanical coating of the surface of the gears of the transmission ( 12 ) or by ion implantation. 9. Verwendung von mindestens einem Aktuator (1) in einem Lenksystem, der nach einem der vorangegangenen Pa­ tentansprüche ausgebildet ist, sich aus einem Lenkaktua­ tor (3) und einem Lenkhandradaktuator (2) zusammensetzt und über Kupplung (6) und Getriebe (12) miteinander in Wirkver­ bindung stehen.9. Use of at least one actuator ( 1 ) in a steering system, which is designed according to one of the preceding claims, composed of a steering actuator ( 3 ) and a steering wheel actuator ( 2 ) and via clutch ( 6 ) and gear ( 12 ) are connected to each other.