DE10142599A1

DE10142599A1 - Lenksystem für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE10142599A1
Application number: DE2001142599
Authority: DE
Inventors: Marten Wittorf
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2003-04-24

Abstract

Die Erfindung schlägt ein Lenksystem (1) für Fahrzeuge, insbesondere für Personenkraftwagen, mit einer Zahnstange und mit dieser verbundenen seitlichen Spurstangen (10) vor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zahnstange ein zentrales Segment (7) aufweist, das exzentrisch zu den benachbart der Spurstangen angeordneten seitlichen Segmenten (4, 5) der Zahnstange angeordnet ist. DOLLAR A Gemäß einer Weiterbildung ist das Lenksystem im Bereich des zentralen Segments mit einer elektrischen Hilfskraftunterstützung (12) versehen. DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht die Optimierung des Bauraumes bei Lenksystemen in Situationen mit kritischen Bauteilannäherungen, speziell im Fall von elektrischen Hilfskraftlenkungen, bei denen das Prinzip der zahnstangennahen Anordnung des Elektromotors gefordert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Zahnstange und mit dieser verbundenen seitlichen Spurstangen.

Bei bisher bekannten Zahnstangen-Lenksystemen, insbesondere solchen mit elektrischer Hilfskraftunterstützung (EPS), ist oftmals der zu große benötigte Bauraum zu bemängeln. Es sind sogenannte "Concentric Rack"- Anordnungen bekannt, bei denen der elektrische Antrieb konzentrisch zum Lenkgetriebe angeordnet ist. In dieser Anordnung umschlingt bzw. umhüllt der Elektromotor mit Rotor und Stator die Zahnstange und überträgt seine rotatorische Hilfskraft mittels eines Übertragungselementes, z. B. Kugelumlaufgetriebes, in eine translatorische Hilfskraft auf die Zahnstange.

Ein derartiger Zahnstangenantrieb ist in "H. Stoll, Lenkanlagen, Vogel Verlag, 8.3 Zahnstangenantrieb/8.3.1 Systembeschreibung" erläutert. Diese Lenkung besteht aus einem Zahnstangen-Lenkgetriebe mit seitlich abgreifenden Spurstangen. Der konzentrisch um die Zahnstange angeordnete Elektromotor überträgt seine Kraft/Last drehrichtungs- und geschwindigkeitsabhängig über eine Spindel mit Kugelumlauf auf die Zahnstange. Die Lenkmoment- und Drehwinkelsensoren sind mit in der Getriebeeinheit untergebracht. Lenkgetriebe und Elektromotor sitzen in einem gemeinsamen Gehäuse. Es nimmt innen den Permanentmagneten des Motors auf und stützt dessen Rotor über Wälzlager ab. Innerhalb desselben bewegt sich die Zahnstange berührungsfrei in axialer Richtung, ausgelöst durch den mechanischen Lenkanteil des Fahrers und mittels der Motorunterstützung, wenn diese zugeschaltet ist. In diesem Fall wird die Drehbewegung des Motors über einen Zahnrädersatz in die Rotation einer Lenkhilfespindel umgesetzt, die über einen Kugelumlauf die Mutter drehrichtungsabhängig hin- und herbewegt. Durch deren gelenkige Lagerung in der auf die Zahnstange geklemmten Gabel wird die Bewegung biegemomentfrei auf diese übertragen. Der Vorteil des Kugelumlaufes ist die geringe Reibung und der hohe mechanische Wirkungsgrad in beiden Richtungen.

Lenksysteme mit durchgängig geraden Zahnstangen, und insbesondere derartige mit elektrischer Hilfskraftunterstützung können in Situationen mit kritischen Bauteilannäherungen nicht optimal eingesetzt werden. Solche kritischen Bauteilannäherungen ergeben sich beispielsweise durch vorgegebene Positionen von Auspuff, Chassis, Pedalerie, Klimaanlage, Motorhinterkante oder Katalysator des Fahrzeuges

Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung des Bauraumes für Zahnstangenlenkungen in Situationen mit kritischen Bauteilannäherungen, speziell im Fall von elektrischen Hilfskraftlenkungen, bei denen das Prinzip der zahnstangennahen Anordnung des Elektromotors gefordert wird.

Gelöst wird die Aufgabe bei einem Lenksystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Zahnstange und mit diesen verbundenen seitlichen Spurstangen dadurch, dass die Zahnstange ein zentrales Segment aufweist, das exzentrisch zu den benachbart der Spurstangen angeordneten seitlichen Segmenten angeordnet ist.

Die Erfindung beschreibt damit ein Zahnstangen- Lenksystem, bei dem die Zahnstange nicht durchgängig gerade, sondern im package-kritischen Bereich, z. B. einer Motor- oder Auspuffkontur, mit einem definierten Offset ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Lenksystem findet prinzipiell bei beliebigen Zahnstangenlenkungen Verwendung, somit auch bei solchen, die keine Hilfskraftunterstützung aufweisen. Vorzugsweise betrifft der Anwendungsbereich der Erfindung allerdings hilfskraftunterstützte Lenksysteme, insbesondere mit elektrischer Hilfskraftunterstützung.

Speziell für Anordnungen mit elektromotorisch aufgebrachter Hilfskraftunterstützung wird vorgeschlagen, den Offset derart zu gestalten, dass der Elektromotor (Stator, Rotor) dem bei vorgegebener Lenkungslage package-kritischen Bauteil bis zum geforderten Mindest- oder Idealabstand ausweicht.

Die Exzentrizität des zentralen Segmentes kann, bezogen auf die Position der seitlichen Segmente der Zahnstange beliebig gerichtet sein. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Exzentrizität des zentralen Segments nach oben, unten vorn oder hinten gerichtet ist. Die Exzentrizität beträgt vorzugsweise 5 bis 70 mm.

Die sichere Verbindung der durch den Offset in verschiedene Segmente geteilten Zahnstange wird vorzugsweise mittels biegesteifer Verbindungselemente gewährleistet. Diese können die Verbindung form-, kraft- oder materialschlüssig herstellen. Die Beeinträchtigung der Biegesteifigkeit im Vergleich zu einer konventionellen sowie durchgängigen Zahnstange kann durch ggf. eingefügte, zusätzliche Lagerstellen und optimierte, variierende Querschnitte kompensiert werden.

Bei Integrierung einer elektrischen Hilfskraftunterstützung kann diese unterschiedlich ausgebildet sein. Eine baulich einfach gestaltete Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Elektromotor der elektrischen Hilfskraftunterstützung die Zahnstange umhüllt. In diesem Fall überträgt der mit Rotor und Stator versehene Elektromotor seine rotatorische Hilfskraft mittels eines Übertragungselementes, insbesondere eines Untersetzungsgetriebes mit nachgeschaltetem Umlaufgetriebe, in eine translatorische Hilfskraft auf die Zahnstange. Bei diesem Umlaufgetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Kugelumlaufgetriebe. Bei einer anderen, baulich aufwendigeren, aber die Problematik der Biegekräfte besser beherrschenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Elektromotor integraler Bestandteil der Zahnstange ist und sich mit dieser lateral bewegt. Bei einer solchen Gestaltung ist aus Gründen der vereinfachten Stromzuführung zum Elektromotor vorzugsweise der Stator fester Bestandteil der Zahnstange. Der Stator treibt beispielsweise den innen liegenden Rotor an, der seine rotatorische Hilfskraft über ein Übertragungselement in eine translatorische Hilfskraft auf die Zahnstange überträgt. Auch bei dieser Ausführungsform weist das Übertragungselement zweckmäßig ein Untersetzungsgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, mit nachgeschaltetem Umlaufgetriebe auf. Bei dem Umlaufgetriebe sollte es sich um ein Kugelumlaufgetriebe handeln.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung der Figuren und in den Figuren selbst dargestellt.

In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenksystems mit exzentrisch angeordnetem zentralen Segment, dem eine elektrische Hilfskraftunterstützung zugeordnet ist, die die Zahnstange umhüllt, veranschaulicht für die erfindungsrelevanten Bauteile,
Fig. 2 eine räumliche Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Lenksystems, allerdings mit Gehäusebauteilen, Gummibälgen usw. veranschaulicht,
Fig. 3 in Achsrichtung der Spurstange gesehen eine Einbausituation des Lenksystems gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2, veranschaulicht benachbart eines Auspuffkrümmers,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenksystems, bei der der Stator des Elektromotors fester Bestandteil der Zahnstange ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Lenksystem 1 ist die Zahnstange 26 nicht durchgängig gerade, sondern in einem package-kritischen Bereich, beispielsweise der in Fig. 3 veranschaulichten gekrümmten Kontur des Auspuffs 2 mit einer definierten Exzentrizität E bzw. Offset ausgeführt. Diese Exzentrizität E stellt das Abstandsmaß zwischen der Längsmittelachse 3 der beiden äußeren Zahnstangensegmente 4 und 5 und der Längsmittelachse 6 des zentralen Zahnstangensegmentes 7 dar.
Das äußere Zahnstangensegment 4 ist mit einer Verzahnung 8 zum Eingriff eines Ritzels 32 einer Lenkspindel versehen. Die Zahnstangensegmente 4 und 5 nehmen außen über Kugelköpfe 9 konventionelle Spurstangen 10 auf. Der gesamte Verstellweg der Zahnstange 26 ist im Bereich der Verzahnung 8 des Zahnstangensegmentes 4 und im Bereich des Zahnstangensegmentes 5 durch das Maß Z wieder gegeben. Zwei biegesteife Verbindungselemente 11 verbinden die äußeren Zahnstangensegmente 4 und 5 mit dem zentralen Zahnstangensegment 7. Die elektrische Hilfskraftunterstützung 12 ist stationär gelagert, wobei der elektrische Antrieb konzentrisch zum zentralen Zahnstangensegment 7 angeordnet ist. Es umhüllt der Stator 13 und der Rotor 14 das zentrale Zahnstangensegment 7 und überträgt seine rotatorische Hilfskraft mittels eines nicht veranschaulichten Übertragungselementes, z. B. eines Kugelumlaufgetriebes, in eine translatorische Hilfskraft auf das zentrale Zahnstangensegment 7. Der Elektromotor 12 ist so angeordnet, dass zwischen ihm und dem jeweiligen Verbindungselement 11 in einer neutralen Position ein Abstand verbleibt, der der Hälfte des ganzen Zahnstangenverschiebeweges entspricht. Dieser Abstand ist mit Z/2 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine Außenansicht des kompletten Lenksystems 1 mit einem Gehäuse 15, das die vorstehend beschriebenen Bauteile umschließt und nur die Kugelköpfe 9 und die Spurstangen 10 sowie mit diesen verbundene Spurstangenköpfe 16 freilässt. Der Bereich der äußeren Zahnstangensegmente 4 und 5 ist dabei mittels Gummibälgen 17 abgedeckt. Seitlich außen weist das Gehäuse 15 Flansche 19 mit Bohrungen 18 zum Befestigen des Lenksystems 1 auf. Im Bereich des äußeren Zahnstangensegmentes 4 ist das Gehäuse 15 mit einem Flansch 20 versehen, der ein unteres Wellenteil 21 der Lenkspindel aufnimmt. Das Wellenteil 21 ist drehfest mit dem Ritzel 32 verbunden, das in Eingriff mit der Verzahnung 8 steht. Mit dem Gehäuse 15 ist schließlich ein Kabelbaum 22 verbunden, über den die Strom- und Signalzuführung zum Elektromotor der elektrischen Hilfskraftunterstützung 12 erfolgt. In dem verdickten Bereich des Gehäuses 15 ist der Elektromotor angeordnet.
Fig. 3 veranschaulicht das Exzentrizitätsmaß E als Abstand zwischen den Längsmittelachsen 3 und 6. Aufgrund des Offset des zentralen Zahnstangensegmentes 7 findet die elektrische Hilfskraftunterstützung 12 ausreichend Raum im Bereich des Auspuffs 2.
Fig. 4 zeigt eine Variante des Lenksystems 1, bei dem die elektrische Hilfskraftunterstützung 12 integraler Bestandteil der Zahnstange 26 ist und sich mit dieser lateral bewegt. Erreicht wird dies, indem der Stator 13 des Elektromotors 33 fester Bestandteil der Zahnstange 26, sowie tragende Struktur des zentralen Zahnstangensegmentes 7 ist. Der Stator 13 ist über Kugellager 23 mit dem Rotor 14 rotatorisch frei, aber sonst weitestgehend spielfrei verbunden. Der im Ausführungsbeispiel innen liegende Rotor 14 treibt ein sich auf dem Stator 13 abstützendes Planeten-Untersetzungsgetriebe 24 und nachgeschaltet ein Kugelumlaufgetriebe 25 an. Letzteres stützt sich am Lenkungsgehäuse 15 ab und führt bei Verdrehung zu einer lateralen Verschiebung der Zahnstange. Wird nun der Rotor 14 und somit das Kugelumlaufgetriebe 25 angetrieben, wird die gesamte Einheit (Planetengetriebe 24, Rotor 14, Stator 13) und die damit verbundene Zahnstange 26, die aus den Zahnstangensegmenten 4, 5 und 7 gebildet ist, im Gehäuse 15 verschoben. Die Verschieberichtung ist in Fig. 4 durch den Doppelpfeil veranschaulicht. Die elektrische Verbindung wird entweder über Schleifkontakte oder aber über flexible Leitungen dem Elektromotor 33, vorzugsweise dem Stator 13 geführt. Die elektrische Verbindung ist allerdings nicht veranschaulicht.
Als Einzelheiten des einfachen Planetengetriebes 24 sind in der Fig. 4 das drehfest mit dem Rotor 14 verbundene, zentrale Sonnenrad 27, die mit diesem kämmenden Planeten 28, die im Planetenträger 29 gelagert sind, sowie der stationäre Planetenkranz 30 bezeichnet. Sofern die Untersetzung der Drehzahl des Rotors 14 nicht ausreicht und demzufolge die Drehzahl der drehfest mit dem Planetenträger 29 verbundene Spindel 31 des Kugelumlaufgetriebes 25 zu hoch ist, kann das Planetengetriebe als doppeltes Planetengetriebe ausgeführt werden. Bezugszeichenliste 1 Lenksystem
2 Auspuff
3 Längsmittelachse 3
4 äußeres Zahnstangensegment
5 äußeres Zahnstangensegment
6 Längsmittelachse
7 zentrales Zahnstangensegment
8 Verzahnung
9 Kugelkopf
10 Spurstange
11 Verbindungselement
12 elektrische Hilfskraftunterstützung
13 Stator
14 Rotor
15 Gehäuse
16 Spurstangenkopf
17 Gummibalg
18 Bohrung
19 Flansch
20 Flansch
21 Wellenteil
22 Kabelbaum
23 Kugellager
24 Planetengetriebe
25 Kugelumlaufgetriebe
26 Zahnstange
27 Sonnenrad
28 Planet
29 Planetenträger
30 Planetenkranz
31 Spindel
32 Ritzel
33 Elektromotor

Claims

1. Lenksystem (1) für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Zahnstange (26) und mit dieser verbundenen seitlichen Spurstangen (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (26) ein zentrales Segment (7) aufweist, das exzentrisch zu den benachbart der Spurstangen (10) angeordneten seitlichen Segmenten (4, 5) angeordnet ist.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (E) des zentralen Segmentes (7) nach oben, unten vorn oder hinten gerichtet ist.

3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (E) 5-70 mm beträgt.

4. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass biegesteife Verbindungselemente (11) zum Verbinden der durch die Exzentrizität (E) bedingten Segmente (4, 5, 7) der Zahnstange (26) vorgesehen sind.

5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Zahnstange (26) bezüglich auftretender Biegekräfte optimiert sind.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (26) in Bereichen erhöhter Biegebeanspruchung in zusätzlichen Lagern gelagert ist.

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer elektrischen Hilfskraftunterstützung (12) versehen ist.

8. Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hilfskraftunterstützung (12) im Bereich des zentralen Zahnstangensegmentes (7) angeordnet ist.

9. Lenksystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (33) der elektrischen Hilfskraftunterstützung (12) das zentrale Segment (7) der Zahnstange (26) umhüllt.

10. Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, das der Elektromotor (33) einen Rotor (14) und einen Stator (13) aufweist, wobei der Elektromotor (33) seine rotatorische Hilfskraft mittels eines Übertragungselementes, insbesondere Untersetzungsgetriebes (24) mit nachgeschaltetem Umlaufgetriebe (25), in eine translatorische Hilfskraft auf die Zahnstange (26) überträgt.

11. Lenksystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hilfskraftunterstützung (12) bzw. der Elektromotor (33) integraler Bestandteil der Zahnstange (26) ist und sich mit dieser lateral bewegt.

12. Lenksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) des Elektromotors (33) fester Bestandteil der Zahnstange (26) ist.

13. Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) einen innenliegenden Rotor (14) aufnimmt, der seine rotatorische Hilfskraft über ein Übertragungselement (24, 25) in eine translatorische Hilfskraft auf die Zahnstange (26) überträgt.

14. Lenksystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement ein Untersetzungsgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe (24), mit nachgeschaltetem Umlaufgetriebe (25) aufweist.