DE102008012245A1

DE102008012245A1 - Kugelgewindetrieb in Modulbauweise

Info

Publication number: DE102008012245A1
Application number: DE102008012245A
Authority: DE
Inventors: Frank Birkwald; Alexander Kiforiuk; Michael Stange
Original assignee: ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch erfinderisch gelöst, indem die Kugelmutter und deren Antrieb systematisch getrennt werden. Die Kugelmutter wird als weitgehend zylindrischer Grundkörper gestaltet und eine übergreifende Triebhülse kann die Kugelmutter in einer korrespondierenden Gestaltung aufnehmen. Die drehmomentschlüssige Verbindung von Triebhülse und Kugelmutter ist als kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung ausgeführt und kann wirtschaftlich hergestellt und montiert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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.
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.
Stand der Technik
Es sind verschiedene Technologien und marktgängige Produkte zu Lenksystemen vorhanden, wie beispielhaft das nachfolgende Dokument zeigt.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus dem Dokument US 20070102230 A1 bekannt.
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.
Aufgabenstellung
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.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe von einer Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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.
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.
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.
Ein weiteres vorteilhaftes Kennzeichen der Kraftfahrzeuglenkung ist die kompakte Bauweise, indem die Triebhülse die Kugelmutter in Axialrichtung vollständig übergreift.
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.
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.
Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen:
1: einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch Toleranzhülse;
2: einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch Toleranzhülse und axialer Arretierung durch Gewindescheibe;
3: einen Kugelgewindetrieb mit Momentübertragung durch radialen Formschluss; sowie
4 das Detail E aus den 1 und 2 in einer vergrößerten Darstellung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 20070102230 A1 [0005, 0006]

Claims

Kraftfahrzeuglenkung mit einem Lenkungsgehäuse und einer in dem Lenkungsgehäuse einer Achse axial verlagerbaren Schubstange (3) zur Betätigung von lenkbaren Räder, mit einem elektromotorischen Antrieb, der über einen Kugelgewindetrieb mit der Schubstange (3) gekoppelt ist, wobei der Kugelgewindetrieb ein auf der Schubstange (3) angeordnetes Kugelgewinde, einen Kugelumlauf (5, 6), eine den Kugelumlauf (5, 6) umgebende, koaxial zu der Achse drehbaren Kugelmutter (2, 32, 42) und ein Antriebselement umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement eine die Kugelmutter (2) umgebende Triebhülse (1, 30, 40) ist, die mit der Kugelmutter (2, 32, 42) in drehmomentschlüssiger Verbindung steht.
Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung formschlüssig ist.
Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung reibschlüssig ist.
Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebhülse (1, 30, 40) an ihrem äußeren Umfang mit einem Lagersitz versehen ist.
Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz ein Lager (7, 44) für eine koaxial mit der Achse ausgerichteten Lagerung der Triebhülse (1, 30, 40) in dem Lenkungsgehäuse trägt.
Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebhülse (1, 30, 40) die Kugelmutter (2, 32, 42) in Axialrichtung vollständig übergreift.
Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibhülse (1, 30, 40) endseitig wenigstens ein Innengewinde (18, 54) aufweist, in das ein Sicherungsmittel (34) zur axialen Festlegung der Kugelmutter (2, 32, 42) einschraubbar ist.
Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kugelmutter (2, 32) und der Triebhülse (1, 30) ein in einer umlaufenden Nut der Kugelmutter (2, 32) oder der Triebhülse (1, 30) angeordnetes, verformbares Ausgleichselement, insbesondere ein Toleranzring (16), vorgesehen ist.