DE102007000939A1

DE102007000939A1 - Elektrische Hilfskraftlenkung

Info

Publication number: DE102007000939A1
Application number: DE102007000939A
Authority: DE
Inventors: Achim Domhan; Jürgen HÖRSCH; Wolfgang Dr. Runge; Arthur Rupp
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2009-03-05
Also published as: SE0801850L; FR2920392A1; SE533644C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Hilfskraftlenkung (1) für ein Fahrzeug, mit einer axialverschieblich in einem Gestell (2) gelagerten Zahnstange (3), die einen ersten Zahnstangenabschnitt (4) mit einer Verzahnung (5) aufweist, welcher mit einem mit einer Lenkhandhabe (6) über eine Lenkwelle (7) wirkverbundenen Ritzel (8) kämmt, und mit einem elektrischen Servomotor (9) zur Bereitstellung einer Lenkhilfskraft. Um eine elektrische Hilfskraftlenkung mit einem kostengünstigen, den Fahrkomfort nicht mindernden Fahrdynamikregelsystem zu schaffen, ist vorgesehen, dass der elektrische Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) angesteuert ist, welche zudem einen elektrischen Servomotor (11) eines Überlagerungsstellers (12) ansteuern kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug mit einer axialverschieblich in einem Gestell gelagerten Zahnstange, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 10 2005 012 974 A1 beschreibt eine elektrische Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer axialverschieblich in einem Gestell oder Lenkgetriebegehäuse gelagerten Zahnstange. Die Zahnstange ist in einem ersten Zahnstangenabschnitt, der eine Verzahnung aufweist, welche mit einem mit einer Lenkhandhabe wirkverbundenen Ritzel kämmt, und in einen zweiten Zahnstangenabschnitt unterteilt, welcher als Spindelwelle gebildet ist. Die Spindelwelle durchragt eine Kugelumlaufmutter, die von einem Servomotor angetrieben ist und um die Spindelwelle rotiert. Die Kugelumlaufmutter ist axial unverschieblich in dem Lenkgetriebegehäuse gelagert, sodaß bei deren Rotation die Spindelwelle axial verschoben wird. Der Servomotor stellt ein Drehmoment oder eine Lenkhilfskraft in Abhängigkeit von einem Lenkmoment an der Lenkhandhabe bereit, das von einem Lenkmomentsensor gemessen und von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung verarbeitet wird.
Der Hilfskraftlenkung mangelt es an einem Fahrdynamikregelsystem, welches die Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen etwa beim Übersteuern oder Untersteuer in Kurvenfahrten verbessern kann und ein Fahrzeug stabilisieren kann. Die DE 10 2005 053 A1 beschreibt ein Fahrdynamikregelsystem zum Stabilisieren eines Fahrzeug in fahrdynamischen Grenzsituationen, wobei bei einem untersteuernden Fahrzeug die für das Kurven-Fahrverhalten kritischen Vorderräder nicht oder nur geringfügig zu bremsen und die beiden Hinterräder wesentlich stärker gebremst werden. Dies soll den Vorteil haben, dass die Seitenführungskräfte an den Vorderrädern erhalten bleiben und das Fahrzeug einen kleinstmöglichen Kurvenradius fahren kann. Die von dem Fahrdynamikregelsystem vorgenommenen Bremseingriffe sind allerdings komfortmindernd für einen Fahrer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Hilfskraftlenkung mit einem kostengünstigen, den Fahrkomfort nicht mindernden Fahrdynamikregelsystem anzugeben.
Die Aufgabe wird mit einer elektrischen Hilfskraftlenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Kombination der elektrischen Hilfskraftlenkung mit einem Überlagerungssteller, der von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung der elektrischen Hilfskraftlenkung gemeinsam angesteuert werden kann oder von einer separaten Steuer- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert sein kann, bietet die Möglichkeit, sowohl die Fahrdynamik des Fahrzeugs als auch Einpark- und Rangiervorgänge mit geringer Geschwindigkeit komfortabel zu verbessern. Ein Lenkwinkel gelenkter Räder des Fahrzeugs kann mit dem Überlagerungssteller unabhängig von einem Fahrer des Fahrzeugs eingestellt werden. Ein Überlagerungsgetriebe des Überlagerungsstellers weist zu diesem Zweck eine erste Getriebeeingangswelle und eine zweite Getriebeeingangswelle auf und überlagert die an den beiden Getriebeeingangswellen auftretenden Drehwinkel auf eine Getriebeausgangswelle, die mit einem Lenkgetriebe mit Zahnstange wirkverbunden ist.
Die Übersetzung der elektrischen Hilfskraftlenkung setzt sich aus den Übersetzungen des Lenkgetriebes und des Überlagerungsgetriebes zusammen. Soll die Übersetzung beispielsweise aus fahrdynamischen Gründen variiert oder eine große Übersetzung bei einem Rangiervorgang und Parkiervorgang des Fahrzeugs gewählt werden, so wird im Fall eines Planetenradgetriebes als Überlagerungsgetriebe der Käfig über einen elektrischen Servomotor des Überlagerungsstellers angetrieben, oder bei einem Wellgetriebe als Überlagerungsgetriebe ein exzentrischer Antriebskern des Wellgetriebes durch einen elektrischen Servomotor in Drehung versetzt.
Bevorzugt Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die elektrische Hilfskraftlenkung und ihr elektrischer Servomotor ist optimiert angepasst an den Überlagerungssteller und dessen elektrischen Servomotor in Bezug auf deren Leistungsabgabe. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der elektrischen Hilfskraftlenkung ist ein Verhältnis der maximalen Leistungsabgabe des elektrischen Servomotors der Hilfskraftlenkung zu der maximalen Leistungsabgabe des elektrischen Servomotors des Überlagerungsstellers von etwa 1 bis 5 vorgesehen. Der elektrische Servomotor des Überlagerungsstellers hat eine höchste Leistung von etwa 500 Watt.
Es ergibt sich bei der Anwendung besonders bevorzugter Getriebe für beide elektrischen Servomotoren ein Verhältnis des größten Drehmoments des elektrischen Servomotors für die Hilfskraftlenkung zu dem größten Drehmoment des elektrischen Servomotors des Überlagerungsstellers von etwa 1 bis 20.
Zur Realisierung der genannten Leistungsdaten ist es zweckmäßig, das Verhältnis der größten Drehzahl des elektrischen Servomotors der Hilfskraftlenkung zu der größten Drehzahl des elektrischen Servomotors des Überlagerungstellers von etwa 0,02 bis 2 zu wählen, wobei ein Verhältnis der Getriebeübersetzung des Lenkgetriebes zu dem Getriebe des Überlagerungstellers von etwa 0,2 bis 2 vorgesehen ist.
Das Verhältnis des kleinsten erforderlichen Drehmoments an einer Getriebeeingangswelle des Überlagerungsstellers zu dem Drehmoment des elektrischen Servomotors der Hilfskraftlenkung beträgt etwa 0,02 bis 2.
Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung der elektrischen Hilfskraftlenkung und deren Programme sind vorzugsweise so angelegt, dass Messwerte von Sensoren, wie Lenkwinkelsensoren, Raddrehzahlsensoren, Lenkmomentsensoren und Sensoren zur Ermittlung der Wank- und Gierrate des Fahrzeugs gemeinsam zur Ansteuerung beider elektrischer Servomotoren benutzt werden können.
Der Überlagerungssteller kann auch als Kompensationsglied zwischen den gelenkten Rädern des Fahrzeugs und der Lenkhandhabe in Bezug auf die Rückstellkraft und/oder den Lenkradeinschlag dienen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der elektrischen Hilfskraftlenkung ist die Zahnstange mit einem zweiten Zahnstangenabschnitt versehen, welcher als Spindelwelle mit Außengewinde ausgebildet ist. Die Spindelwelle durchragt eine Kugelumlaufmutter, die von dem elektrischen Servomotor der elektrischen Hilfskraftlenkung angetrieben ist. Die Kugelumlaufmutter ist axial unverschieblich in dem Lenkgetriebegehäuse gelagert, sodaß bei deren Rotation die Spindelwelle axial verschoben wird. Die Längsachsen von Zahnstange und elektrischem Servomotor können auch etwa parallel zueinander angeordnet sein.
Der Überlagerungssteller weist eine erste Getriebeeingangswelle, die mit der Lenkhandhabe wirkverbunden oder drehfest verbunden ist und eine zweite Getriebeeingangswelle auf, die mit dem elektrischen Servomotor des Überlagerungsstellers drehfest verbunden ist. Zudem ist, um bei einem Fehlerfall des elektrischen Servomotors eine feste Überlagerung zu realisieren, eine vorzugsweise elektromechanische Verriegelungseinrichtung vorgesehen, die die zweite Getriebeeingangswelle formschlüssig lösbar an einem karosseriefesten Teil festlegen kann. Der elektrische Servomotor des Überlagerungsstellers ist bevorzugt als Hohlwellenmotor gebildet, dessen Welle von der ersten Getriebeeingangswelle durchragt wird. Es kann zweckmäßig sein, ein Gehäuse des elektrischen Servomotors des Überlagerungsstellers und/oder ein Gehäuse des Getriebes des Überlagerungstellers an einem karosseriefesten Teil des Fahrzeugs festzulegen.
Das Abschalten der wichtigsten Komponenten der elektrischen Hilfskraftlenkung im Fehlerfall erfolgt von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit folgender Reihenfolge:

1. elektrischer Servomotor des karosseriefesten Überlagerungsstellers,
2. Verriegelungseinrichtung
3. elektrischer Servomotor der Hilfskraftlenkung

Das Anschalten der elektrischen Hilfskraftlenkung erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge.
Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben. In der Zeichnung zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Hilfskraftlenkung.
In 1 ist in einem schematischen Längsschnitt eine elektrische Hilfskraftlenkung 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt, bei der ein elektrisches Fahrdynamikregelsystem über einen in eine Lenkwelle eingebundenen Überlagerungssteller 12 wirkt. In einem als geschlossenes, mehrteiliges Gehäuse 26 gebildetes Gestell 2 ist eine Zahnstange 3 axialverschieblich gehalten. An beiden Enden der Zahnstange 3 sind über Kugelköpfe 27 Spurstangen 28 drehbar aber axial relativ zu der Zahnstange 3 unverschiebbar festgelegt. Die Spurstangen 28 sind über Radlenkhebel 29 mit lenkbaren Rädern 16 des Personenkraftwagens verbunden. Die Zahnstange 3 ist in einen ersten Zahnstangenabschnitt 4 und in einen etwa gleichlangen, zweiten Zahnstangenabschnitt 17 unterteilt. Der erste Zahnstangenabschnitt 4 weist eine Verzahnung 5 auf, in die ein Ritzel 8 eingreift. Das Ritzel 8 bildet einen Endteil einer Lenkwelle 7. Die Lenkwelle 7 verbindet das Ritzel 8 mit einer Lenkhandhabe 6 drehfest. In die Lenkwelle 7 ist in an sich bekannter Weise ein Drehmomentsensor 30 mit einem Torsionsstab eingebunden, wobei der Drehmomentsensor 30 mit einer Regel- und/oder Steuereinrichtung 10 die Bestromung eines elektrischen Servomotors 9 steuert. Der elektrische Servomotor 9 ist im Axialbereich des zweiten Zahnstangenabschnitts 17 in dem Gehäuse 26 angeordnet und ist als dauermagneterregter Synchronmotor und Hohlwellenmotor 25 gebildet, dessen Läufer 31 durch den zweiten Zahnstangenabschnitt 17, in dem Ferritmagnete 32 eingelassen sind, gebildet wird. Der Läufer 31 dreht sich durch die Wirkung des von einem Frequenzumrichter gesteuerten Drehfeldes eines Stators 33.
Ein Kugelumlaufmechanismus ist zur Wandlung der Rotation des zweiten Zahnstangenabschnitts 17 in eine Axialbewegung der Zahnstange 3 vorgesehen und besteht aus einer gehäusefesten Mutter 20 mit Innengewinde 19, die von dem zweiten Zahnstangenabschnitt 17 durchragt wird und dessen Aussengewinde 18 unter Zwischenlage von Kugeln in die Mutter 20 eingreift. Der Kugelumlaufmechanismus bildet ein Getriebe 13 für den elektrischen Servomotor 9. Die beiden Zahnstangenabschnitte 4, 17 sind axial unverschiebbar gegeneinander, aber drehbar gegeneinander verbunden.
Wie 1 zeigt, ist in die Lenkwelle 7 der Überlagerungsteller 12 eingeknüpft. Der Überlagerungssteller 12 besteht aus einem elektrischen Servomotor 11 und einem Wellgetriebe 34. Das Wellgetriebe 34 dient zur Überlagerung eines auf eine erste Getriebeeingangswelle 21 über die Lenkhandhabe 6 aufgebrachten Lenkwinkels mit einem, von dem elektrischen Servomotor 11 auf eine zweite Getriebeeingangswelle 22 aufgebrachten Drehwinkel auf eine Getriebeausgangswelle 14. Die erste Getriebeeingangswelle 21 wird von der Lenkwelle 7 gebildet, während die zweite Getriebeeingangswelle 22 durch eine Hohlwelle, auf der Rotormagnete des Servomotors 11 festgelegt sind, gebildet ist. Die Hohlwelle ist einstückig mit einem exzentrischen, vorzugsweise ellipsenförmigen Antriebskern 35 gebildet. Die Funktion eines solchen Wellgetriebes 4 ist in früheren Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart und soll an dieser Stelle nicht weiter dargestellt werden.
Um bei einer Fehlfunktion oder bei einem Ausfall des Servomotors 11 zu verhindern, dass die den Rotor des elektrischen Servomotors 11 bildende Hohlwelle dreht und somit eine Übertragung eines Drehwinkels der ersten Getriebeeingangswelle 2 und der Lenkhandhabe 6 gänzlich unmöglich gemacht und das Fahrzeug nicht steuerbar ist, ist eine elektromagnetische Verriegelungseinrichtung 23 zur formschlüssig lösbaren Festlegung der zweiten Getriebeeingangswelle 22 an ein Gehäuse 36 des elektrischen Servomotors 11 des Überlagerungsstellers 12 vorgesehen. Das Gehäuse 36 ist an einem karosseriefesten Teil 24 des Personenkraftfahrzeugs festgelegt. Sensoren 15, wie Radrehzahlsensoren, Lenkwinkelsensoren, Sensoren zur Bestimmung der Gierrate und des Wankmoments des Personenkraftwagens sind mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung signalübertragend verbunden und dienen zur Ansteuerung beider elektrischer Servomotoren 9, 11.

1: Elektrische Hilfskraftlenkung
2: Gestell
3: Zahnstange
4: Zahnstangenabschnitt, erster
5: Verzahnung
6: Lenkhandhabe
7: Lenkwelle
8: Ritzel
9: Servomotor, elektrisch
10: Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
11: Servomotor, elektrisch
12: Überlagerungssteller, karosseriefest
13: Getriebe, für 9
14: Getriebeausgangswelle
15: Sensor
16: Rad, gelenkt
17: Zahnstangenabschnitt, zweiter
18: Außengewinde
19: Innengewinde
20: Mutter
21: Getriebeeingangswelle, erste
22: Getriebeeingangswelle, zweite
23: Verriegelungseinrichtung
24: Teil, karosseriefest
25: Hohlwellenmotor
26: Gehäuse, v. 13
27: Kugelkopf
28: Spurstange
29: Radlenkhebel
30: Drehmomentsensor
31: Läufer
32: Ferritmagnet
33: Stator, v. 9
34: Wellgetriebe
35: Antriebskern, exzentrisch
36: Gehäuse, v. 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005012974 A1 [0002]
- DE 102005053 A1 [0003]

Claims

Elektrische Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer axialverschieblich in einem Gestell (2) gelagerten Zahnstange (3), die einen ersten Zahnstangenabschnitt (4) mit einer Verzahnung (5) aufweist, welche mit einem, mit einer Lenkhandhabe (6) über eine Lenkwelle (7) wirkverbundenen Ritzel (8) kämmt, und mit einem elektrischen Servomotor (9) zur Bereitstellung einer Lenkhilfskraft, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung (1) von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) angesteuert ist, welche zudem einen elektrischen Servomotor (11) eines Überlagerungssteller (12) ansteuern kann.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Leistungsabgabe des elektrischen Servomotors (9) der Hilfskraftlenkung (1) zu der maximalen Leistungsabgabe des elektrischen Servomotor (11) des karosseriefesten Überlagerungsstellers (12) etwa 1 bis 5 beträgt
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsabgabe des elektrischen Servomotors (11) für den Überlagerungsteller (12) höchsten 500 Watt beträgt.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des größten Drehmoments des elektrischen Servomotors (9) der Hilfskraftlenkung (1) zu dem größten Drehmoment des elektrischen Servomotors (11) des Überlagerungsstellers (12) etwa 1 bis 20 beträgt.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der größten Drehzahl des elektrischen Servomotors (9) der Hilfskraftlenkung (1) zu der größten Drehzahl des elektrischen Servomotors (11) des Überlagerungsstellers (12) etwa 0,02 bis 2 ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Getriebeübersetzung eines dem elektrischen Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung (1) zugeordneten Getriebes (13) zu der Getriebeübersetzung des Überlagerungssteller (12) etwa 0,02 bis 2 beträgt.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des kleinsten erforderlichen Drehmoments einer Getriebeausgangswelle (14) des Überlagerungsstellers (12) zu einem kleinsten erforderlichen Antriebsmoment des elektrischen Servomotors (9) der Hilfskraftlenkung (1) etwa 0,02 bis 2 ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung (1) und der elektrische Servomotor (11) des Überlagerungsstellers (12) von zwei getrennten Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (10) angesteuert werden.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (15) eines Fahrzustandsregelsystems, wie Lenkwinkelsensoren, Raddrehzahlsensoren, Lenkmomentsensoren, Sensoren zur Ermittlung der Wank- und Gierrate des Fahrzeugs, für die Ansteuerung der elektrischen Servomotoren (9, 11) der Hilfskraftlenkung (1) und des Überlagerungstellers (12) gemeinsam benutzt werden.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungssteller (12) als Kompensationsglied zwischen den gelenkten Rädern (16) des Fahrzeugs und der Lenkhandhabe (6) in Bezug auf die Rückstellkraft und/oder den Lenkeinschlag herangezogen ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (3) einen zweiten Zahnstangenabschnitt (17) aufweist, der ein Außengewinde (18) trägt, welches mit einem Innengewinde (19) einer axial unverschieblich an dem Gestell (2) gehaltenen Mutter (20) in Eingriff ist und von dem elektrischen Servomotor (9) angetrieben wird, wobei die Zahnstange (3) den elektrischen Servomotor (9) axial durchragt.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungssteller (12) eine erste Getriebeeingangswelle (21) und eine zweite Getriebeeingangswelle (22) zur Überlagerung der an den beiden Getriebeeingangswelle (21, 22) auftretenden Drehwinkeln auf die Getriebeausgangswelle (14) aufweist, wobei die erste Getriebeeingangswelle (21) mit der Lenkhandhabe (6) wirkverbunden ist und die zweite Getriebeeingangswelle (22) mit dem elektrischen Servomotor (11) wirkverbunden ist, und die zweite Getriebeeingangswelle (22) mittels einer Verriegelungseinrichtung (23) an einem karosseriefesten Teile (24) formschlüssig lösbar festlegbar ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Servomotor (11) für den Überlagerungssteller (12) ein Hohlwellenmotor (25) ist, der von der ersten Getriebeeingangswelle (21) durchragt wird und die zweite Getriebeeingangswelle (22) radial um die erste Getriebeeingangswelle (21) angeordnet ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (36) des elektrischen Servomotors (11) des Überlagerungsstellers (12) und/oder ein Gehäuse des Getriebes des Überlagerungsstellers (11) an dem karosseriefesten Teil (24) festgelegt ist.
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall der elektrischen Hilfskraftlenkung (1) deren Komponenten mit folgender Reihenfolge abgeschaltet werden: 1. elektrischer Servomotor (11) des Überlagerungsstellers (12), 2. Verriegelungseinrichtung (23), 3. Elektrischer Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung (1).
Elektrische Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Inbetriebnahme der elektrischen Hilfskraftlenkung (1) deren Komponenten mit folgender Reihenfolge eingeschaltet werden: 1. elektrischer Servomotor (9) der Hilfskraftlenkung (11), 2. Verriegelungseinrichtung (23), 3. Elektrischer Servomotor (11) des Überlagerungsstellers (12).