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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kraftfahrzeuglenkung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Gewindetriebe
können eine Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung
umwandeln, unabhängig davon ob die Mutter oder die Spindel
angetrieben wird. Bei Gewindetrieben für Fahrzeuglenksysteme
wird die Mutter des Gewindetriebes zum Beispiel elektrisch angetriebenen
und die Spindel, als Schubstange der Lenkung ausgebildet, wird axial verschoben.
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Aus
der Technik bekannt sind Gewindetriebe für die Positionierung
und das Verfahren von Werkstücken an Werkzeugmaschinen
und Vorrichtungen. Üblicherweise wird bei dieser Technologie
die Spindel des Gewindetriebes angetrieben und die form- oder kraftschlüssig
drehfest mit Tischen oder Führungen verbundene Gewindetriebmutter
führt eine translatorische Bewegung aus.
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Stand der Technik
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Es
sind verschiedene Technologien und marktgängige Produkte
zu Lenksystemen vorhanden, wie beispielhaft das nachfolgende Dokument zeigt.
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Das
Dokument
US 20070102230
A1 publiziert eine Hilfskraftlenkanlage, wobei wenigstens
ein Teil der zur Auslenkung der Fahrzeugräder notwendigen
Kraft durch den Fahrzeuglenker bereitgestellt wird. Über
ein Ritzelgehäuse wird das manuell von einem Fahrzeugführer
aufgebrachte Drehmoment auf die Schubstange 1 übertragen.
Der motorische Antrieb erfolgt durch einen Motor über eine
Welle auf ein Zahnrad. Das Zahnrad bildet mit einem weiteren Zahnrad
eine Kegelverzahnung. Es umgibt drehfest die Kugelmutter. Im Ergebnis
ist der konstruktive Aufbau des Antriebes und insbesondere der Kugelmutter
eine singuläre Lösung mit hohem Aufwand an Bearbeitung
und Fertigungsgenauigkeit und wenig kompatibel bei Variantenbildung.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Fahrzeuglenkung
im Hinblick auf eine systematische Trennung von Gewindetriebmutter
und deren Antrieb in Form eines Baukastens, sowie eine wirtschaftlich
herstellbare, drehfeste Verbindung.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe von einer Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Antriebselement eine die Kugelmutter umgebende Triebhülse
ist, die mit der Kugelmutter in drehmomentschlüssiger Verbindung
steht. Vorteilhaft an dieser Lösung ist insbesondere, dass
diese eine systematische Trennung der Kugelmutter und des diese
weitgehend umgebenden äußeren Antriebselementes
beinhaltet. Kugelmutter und Triebhülse sind geometrisch
weitgehend einfache Körper, welche mit materialsparenden
Vorprodukten beispielsweise als Stangenmaterial oder aus Halbzeugen
zur Verfügung gestellt werden können. Die äußere
zylindrische Grundstruktur der Kugelmutter begünstigt zudem
eine Montage durch einfache Axialbewegungen. In einer Variante der
Erfindung wird zur Axialbewegung noch ein Schraubvorgang hinzugefügt,
um die Kugelmutter innerhalb der Triebhülse endgültig
zu positionieren und zu sichern.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindung von Kugelmutter und Triebhülse
wird dadurch erzielt, dass die Verbindung formschlüssig
ist. Als formschlüssig günstig ausgebildet stellen
sich vorzugsweise Verbindungen dar, welche insbesondere einen kleinen
radialen Raumbedarf haben, wie beispielsweise Kerbverzahnungen.
Die vergleichsweise feingliedrige Kerbverzahnung trägt
an zahlreichen Flanken die Wechselbeanspruchung der Kraftfahrzeuglenkung.
Keilwellenverbindungen in der leichten und mittleren Reihe verfügen
je nach Durchmesser über wenigstens vier Keile, entscheidender
Nachteil der Keilwellenverbindung für Kraftfahrzeuglenkungen
ist aber die hohe Kerbwirkung, da die Keile radial weit in die Nabe
eingreifen und diese schwächen. Formschlüssige
Verbindungen, welche üblicher weise manuell leicht gefügt
werden, erfordern häufig teure Außen- oder Innenräumwerkzeuge,
sind nach dem spanenden Bearbeiten mit einer einzigen axialen Schnittbewegung
von mehreren abgestuften Schneiden jedoch fast montagefertig und
mit niedrigen Stückkosten herstellbar.
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Alternativ
zur formschlüssigen Verbindung von Kugelmutter und umgreifender
Triebhülse kann eine wirtschaftlich herstellbare Verbindung
so gestaltet sein, dass die Verbindung reibschlüssig ist.
Vorteilhaft ist diese Verbindung so ausgebildet, dass zwischen der
Kugelmutter und der Triebhülse ein in einer umlaufenden
Nut der Kugelmutter oder der Triebhülse angeordnetes, verformbares
Ausgleichselement, insbesondere ein Toleranzring, vorgesehen ist.
Die umlaufende Nut bildet an ihren jeweils axialen Enden Kanten,
welche eine axiale Begrenzung bei der Verschiebung des Toleranzrings
auf der Kugelmutter für den Montage- und Demontagefall
darstellt. Eine Kante für den Montagefall ist derart ausgebildet,
dass diese den Toleranzring zentriert und einen ungestörten
Montageprozess sicherstellt. Andere weniger geeignete kraftschlüssige
Verbindungen wie beispielsweise Schrumpfverbindungen, Spannsätze
oder auch Kegelverbindungen erfordern einen höheren Aufwand
an Prozessen oder Montagetätigkeiten.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Kennzeichen der Kraftfahrzeuglenkung ist
die kompakte Bauweise, indem die Triebhülse die Kugelmutter
in Axialrichtung vollständig übergreift.
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Nach
dem Fügen von Triebhülse und Kugelmutter kann
die Übertragung der Axialkräfte von der Kugelmutter
auf die Triebhülse dadurch erfolgen, dass die Triebhülse
endseitig wenigstens ein Innengewinde aufweist, in das ein Si cherungsmittel
zur axialen Festlegung der Kugelmutter einschraubbar ist. Abhängig
von der Variante der erfindungsgemäßen Lenkung
können ein oder zwei axial angeordnete Sicherungsmittel
Verwendung finden, welche durch vorzugsweise flüssige Schraubensicherung
zu sichern sind. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Sicherung
mit einem an der Kugelmutter befindlichen, vorzugsweise mit kleiner
Steigung versehenen, Gewinde erfolgen.
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Weitergeleitet
werden die vornehmlich auftretenden Axialkräfte von der
Triebhülse auf das Lenkungsgehäuse indem die Triebhülse
an ihrem äußeren Umfang mit einem Lagersitz versehen
ist. Hierbei wird sichergestellt, dass der Lagersitz ein Lager für eine
koaxial mit der Achse ausgerichtete Lagerung der Triebhülse
in dem Lenkungsgehäuse trägt.
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Ausführungsbeispiele
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand von vier Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1:
einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch Toleranzhülse;
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2:
einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch Toleranzhülse
und axialer Arretierung durch Gewindescheibe;
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3:
einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch radialen
Formschluss; sowie
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4 das
Detail E aus den 1 und 2 in einer
vergrößerten Darstellung
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1a)
zeigt in einer Schnittdarstellung eine Triebhülse 1,
welche die äußere zylindrische Hüllfläche
einer in 1b) im Schnitt dargestellten
Kugelmutter 2 völlig bedecken kann. Dargestellt
ist weiterhin eine außerhalb der Kugelmutter 2 gezeichnete mittelbar
im Eingriff befindliche Schubstange 3. Üblicherweise
ist bei Hilfskraftlenkanlagen ein Zahnstangensegment 4 in
der Erstreckung der Schubstange vorhanden, in welches ein nicht
dargestelltes muskelkraftbetriebenes Ritzel eingreift.
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Die
Schubstange 3 steht über Wälzkörper 5 mittelbar
im Eingriff mit der Kugelmutter 2. Die Rückführung
der Wälzkörper 5 gegen die translatorische Bewegung
der Schubstange 3 und der im Wälzeingriff befindlichen
Wälzkörper 5 ist durch Führungselemente 6 ausgebildet.
Mehrere Kugelrückführungen innerhalb der Kugelmutter 2 erlauben
eine variable Zahl von Wälzelementen und eine Anpassung
an zum Beispiel verschiedene Fahrzeugmassen und daraus resultierende
translatorische Kräfte der Schubstange 3. Vorzugsweise
können bei zwei oder mehr Kugelrückführungen
(n) die Führungselemente 6 um 360°/n
radial versetzt angeordnet sein, damit die Wälzbahnen der
Schubstange 3 gleichmäßiger belastet
werden.
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Führungselemente
erfordern weniger radialen Bauraum als Kugelrücklaufrohre
und sind ein bevorzugtes Merkmal. 1a) zeigt
ein Lager 7 mittels einer Nutmutter 8 und einem
Sicherungsblech 9 auf der Triebhülse 1 befestigt.
Einer von etwa 20 äußeren Lappen des Sicherungsblechs 9 wird
bei der Montage in eine axial fluchtende radiale Ausnehmung der Nutmutter 8 gebogen,
gleichzeitig greift der innere Lappen des Sicherungsblechs 9 formschlüssig
in eine nicht dargestellte Nut der Triebhülse 1.
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Die
mit einem festgelegten Drehmoment befestigte Nutmutter 8 kann
bei Bedarf etwas gelockert werden, damit eine axiale Flucht eines äußeren
Lappens des Sicherungsblechs 9 und einer radialen Ausnehmung
der Nutmutter 8 realisiert wird. Der Außenring
des beispielsweise als Wälzlager ausgebildeten Lagers 7 wird
im nicht dargestellten Lenkgehäuse arretiert.
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Eine
Lauffläche 10 wird von einem geeigneten Zugmittel
des Antriebs zumindest teilumhüllt. Es können
kraftschlüssige wirkende Flachriemen sein, formschlüssige
Kettenantriebe oder auch mit der Lauffläche 10 verbundene
Zahnräder, welche mit Zahnrädern der Antriebsseite
kämmen.
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Eine
Aufnahmebohrung 12 der Triebhülsen 1 in 1a)
bzw. einer Triebhülse 30 in 2a)
weist gegenüber einem Außendurchmesser 14 der
Kugelmutter 2 und einer Kugelmutter 32 nur geringes
Spiel auf und zentriert Triebhülsen und Kugelmuttern aus den 1 und 2.
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Eine
Toleranzhülse 16 umhüllt die Kugelmutter 2 und
die Kugelmutter 32 2b) radial
fast vollständig. Toleranzhülsen oder auch Toleranzringe, aus
der Gattung der Querpress- oder Radialpressverbindungen, sind rollgeprägte
Stahlbleche geringer Dicke mit axialen Sicken kleiner Erstreckung
und ungeprägten, zylindrischen, axialen Enden. Toleranzhülsen
stellen eine kraftschlüssige Verbindung dar, welche zwischen
Naben und Wellen gepresst werden und Drehmomente sowie translatorische
Kräfte übertragen können.
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Als
Werkstoffe kommen gehärtete und angelassene Federstähle
mit etwa 0,6% Kohlenstoff zur Anwendung. Zur Ver meidung von Sprödbruch
sind Federstähle mit niedrigen Phosphor- und Schwefelgehalten
zu bevorzugen, der Bedarf an insbesondere Silizium- oder Vanadiumanteilen,
welche die Dauerschwingfestigkeit und Temperaturbeständigkeit
stark erhöhen, ist gering, da die Toleranzhülsen
lediglich statisch belastet werden.
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Die
Kugelmutter 2 befindet sich bei der Montage bereits im
aufgekugelten Zustand und umgibt die Schubstange 3. Ein
geeignetes Handwerkzeug presst die Kugelmutter 2 gegen
die von den Radialkräften und den Reibwerten verursachte
Losbrechkraft mit notwendigem Axialschub auf die Toleranzhülse 16 bis
das Innengewinde 18 und ein korrespondierendes Außengewinde 20 formschlüssig
verbunden werden. Ein Verbinden der Gewinde erfolgt durch formschlüssigen
Eingriff geeigneter Werkzeuge in wenigstens zwei Axialbohrungen 26,
für eine Konterung des Einschraubmoments weist die Triebhülse 1 auf
der dem Innengewinde 18 abgewandten Seite der Treibhülse 1 wenigstens
zwei Axialbohrungen 28 auf. Eine Sicherung der Gewindeverbindung ist
aufgrund des Reibmoments der Toleranzhülse 16 nicht
erforderlich.
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Ein
ungewolltes radiales Ausweichen der Toleranzhülse 16 bei
Ausübung der Axialkraft verhindert eine Montageabweiskante 22,
welche die Toleranzhülse 16 vorteilhaft in Richtung
Rotationsachse zentriert. Die 4 zeigt
in vergrößerter Darstellung Einzelheiten der Gestaltung,
vorteilhafte Einstellungen für den Winkel α sind
etwa 60°, um teure Zerspanwerkzeuge für einen
noch stärkeren Hinterschnitt zu vermeiden. Günstig
für die Montage ist das durch die axialen Sicken der Toleranzhülse 16 erhöhte
axiale Flächenträgheitsmoment, ansonsten würde die
Toleranzhülse für diesen Fall 2 Knickfall
unweigerlich radial ausweichen, wäre Ausschuss und würde
den Montageprozess stören.
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In
einem möglichen Demontagefall wird eine relative axiale
Verschiebung der Toleranzhülse 16 und der Kugelmutter 2 durch
eine Demontageabweiskante 24 vermieden. Eine Zentrierung
der Toleranzhülse 16 im Demontagefall erübrigt
sich, da diese durch die Aufnahmebohrung 12 und die Kugelmuttern 2 und 30 radial
innen und außen fixiert ist.
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Die
Variante 2 gezeichnet in 2a), b)
und c) beinhaltet die Triebhülse 30 in einer größeren
axialen Erstreckung der Aufnahmebohrung 12 sowie die Kugelmutter 32,
ohne das Außengewinde 20. Eine Gewindescheibe 34 ist
mit einem zum Innengewinde 18 korrespondierenden Außengewinde 36 ausgebildet
und wenigstens zwei Axialbohrungen 38. Die Gewindescheibe 34 umhüllt
im montierten Zustand die Schubstange 3 und sichert die
axiale Arretierung der Kugelmutter 32 in der Triebhülse 30.
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Vorteilhaftes
Merkmal der Variante 2 ist die einfache Montage durch axiales
Einpressen der Kugelmutter 32 in die Aufnahmebohrung 12.
Anschließend wird das mit vorzugsweise kleiner Steigung
versehene Gewinde 36 mit flüssiger Schraubensicherung
benetzt und mit geeignetem Werkzeug mit dem Innengewinde 18 verschraubt.
Für eine Konterung des Einschraubmoments weist die Triebhülse 30 auf der
dem Innengewinde 18 abgewandten Seite wenigstens zwei Axialbohrungen 28 auf.
Sowohl das Innengewinde 18 als auch das Außengewinde 36 sind vor
dem Montagevorgang gereinigt.
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Die
Variante 3 des erfindungsgemäßen Antriebs
für Kraftfahrzeuglenkanlagen gezeichnet in 3a),
b), c) und d) verbindet eine Triebhülse 40 formschlüssig
mit einer Kugelmutter 42. Ein Lager 44 wird mit
einer Nutmutter 46 und einem Sicherungsblech 48 auf
der Triebhülse 40 befestigt und gesichert. Kennzeichnendes
Merkmal der Variante 3 ist das leichte Fügen eines
Innenprofils 50 in der Triebhülse 40 und
eines Außenprofils 52 auf der Kugelmutter 42.
Die axiale Arretierung der Kugelmutter 42 ist ausgebildet
durch zwei Gewindescheiben 34 an den axialen Enden der
Kugelmutter 42. Das Innengewinde 18 und ein in
der axialen Erstreckung größeres Innengewinde 54 werden
mit den Gewindescheiben 34 unter Verwendung flüssiger
Schraubensicherung und geeigneter rotierender Handwerkzeuge verbunden.
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Bevorzugte
Ausbildungen des formschlüssigen Innenprofils 50 und
des korrespondierenden Außenprofils 52 bilden
Profile mit kleiner radialer Erstreckung. Keilwellenprofile würden
insbesondere die Nabe, die Triebhülse 40, zu sehr
schwächen. Flankenzentrierte Kerbverzahnungen können
durch gezogenes Außenräumen des Außenprofils 52 und
gezogenes Innenräumen des Innenprofils 50 die
Elemente wirtschaftlich herstellen bei niedrigem axialen Raumbedarf
und hoher Wechselfestigkeit für Kraftfahrzeuglenkungen.
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- 1
- Triebhülse
- 2
- Kugelmutter
- 3
- Schubstange
- 4
- Zahnstangensegment
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Führungselement
- 7
- Lager
- 8
- Nutmutter
- 9
- Sicherungsblech
- 10
- Lauffläche
- 12
- Aufnahmebohrung
- 14
- Außendurchmesser
- 16
- Toleranzhülse
- 18
- Innengewinde
- 20
- Außengewinde
- 22
- Montageabweiskante
- 24
- Demontageabweiskante
- 26
- Axialbohrung
- 28
- Axialbohrung
- 30
- Triebhülse
- 32
- Kugelmutter
- 34
- Gewindescheibe
- 36
- Außengewinde
- 38
- Axialbohrung
- 40
- Triebhülse
- 42
- Kugelmutter
- 44
- Lager
- 46
- Nutmutter
- 48
- Sicherungsblech
- 50
- Innenprofil
- 52
- Außenprofil
- 54
- Innengewinde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 20070102230
A1 [0005, 0006]