DE102010003105A1

DE102010003105A1 - Servolenkung

Info

Publication number: DE102010003105A1
Application number: DE102010003105A
Authority: DE
Inventors: Arthur Rupp; Steffen Truthmann
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2011-09-22
Also published as: KR20130007626A; HUE030941T2; CN102811897A; JP2013522114A; US20130228026A1; EP2550193B1; US8997597B2; CN102811897B; EP2550193A1; JP5666682B2; KR101719392B1; WO2011117099A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung (1), insbesondere Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer, von einem Servomotor angetriebenen Bewegungsschraube (2) aus einer axial unverschieblich in einem Gestell (3) gelagerten Mutter (4) und einem axial verschiebbaren Bauteil (5) dessen Gewinde (6) mit einem Muttergewinde (7) der Mutter (4) in Eingriff, ist und mit einem Riemenrad (8), das drehfest mit der Mutter (4) verbunden ist und Teil eines Zugmittelgetriebes zwischen dem Servomotor und der Mutter (4) ist, wobei die Mutter (4) mit einem Wälzlager (9) in dem Gestell (3) gelagert ist. Um eine Servolenkung anzugeben, die bei einer einfachen Montage eine geringe Geräuschbildung aufweist und sehr präzise im Betrieb ist, sowie kostengünstig herstellbar ist, ist vorgesehen, dass das Riemenrad (8) aus einem Kunststoff gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung, insbesondere eine Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer, von einem Servomotor angetriebenen Bewegungsschraube aus einer axial unverschieblich in einem Gestell gelagerten Mutter und einem axial verschiebbaren Bauteil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Servolenkungen, insbesondere elektrische Hilfskraftlenkungen bei Personenkraftwagen, deren Servomotor Drehzahl und Drehmoment über ein Zugmittelgetriebe auf eine Mutter, insbesondere eine Kugelumlaufmutter überträgt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei ist ein Servomotor und die von der Mutter angetriebene Zahntange oder deren Spindelabschnitt häufig achsparallel angeordnet.
So beschreibt die DE 103 10 492 A1 eine elektrische Servolenkung wobei ein Elektromotor ein axial verschiebbar in einem Lenkgetriebegehäuse gelagertes Bauteil antreibt. Das Bauteil ist als Zahnstange gebildet und ein Kugelgewinde des Bauteiles ist in Eingriff mit einem Muttergewinde einer axial unverschieblich in dem als Lenkgetriebegehäuse gebildeten Gestell gelagert. Die Mutter ist mit einem Riemenrad eines Zugmittelgetriebes zwischen dem Servomotor und der so gebildeten Bewegungsschraube drehfest verbunden. Die Mutter ist über ein Radial-Festlager, ein Wälzlager, an dem Lenkgetriebegehäuse abgestützt und gelagert. Das Radiallager ist häufig als Vierpunktlager gebildet, da insbesondere auch Axialkräfte aufzunehmen sind. Ein Innenring des Wälzlagers stützt sich dabei axial an den auf der Mutter montierten Bauteilen, wie etwa dem Riemenrad und an einem Anschlag in Form eines Ringes oder Sprengringes ab.
Das Riemenrad ist aus einem Metallwerkstoff, sodaß dessen Schallabstrahlung und – Leitung u. U. problematisch ist, zudem ist das Gewicht solcher Riemenräder nicht minimiert, woraus im Betrieb solcher Zugmittelgetriebe nicht minimierte Massenträgheitsmomente bei Drehung resultieren. Die bekannten Servolenkungen weisen ferner lange Toleranzketten auf, die nicht erwünscht sind.
Der Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkung anzugeben, die bei einer einfachen Montage eine geringe Geräuschbildung aufweist und sehr präzise im Betrieb und kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird mit einer Servolenkung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Dadurch dass zumindest das Riemenrad, welches drehfest mit der Mutter verbunden ist, aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem technischen Kunststoff oder Hochleistungskunststoff gebildet ist, ist eine konstruktive Maßnahme angegeben, die es ermöglicht, dass im Betrieb der Servolenkung Betriebsgeräusche, beispielsweise Aufschlaggeräusche eines Zahnriemens in Zahnzwischenräumen und auf Zähnen eines als Zahnscheibe gebildeten Riemenrades verringert sind. Auch die Schallabstrahlung und Schalleitung wird durch diese Maßnahme bei dem Riemenrad vorteilhaft beeinflußt. Zudem werden die Herstellungskosten der Servolenkung dadurch reduziert.
Bevorzuge Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Riemenrad so an der Mutter festgelegt, dass es auf eine Außenumfangsfläche der Mutter aufgeschoben wird und an einem radial gerichteten Anschlag an der Mutter zu liegen kommt.
Der Innenring des Wälzlagers wird anschließend mit direkt durch die Mutter gebildeten Axialanschlägen bzw. mit einem Anschlag, der von einem Sprengring oder dergleichen, der an der Mutter eingreift, gehalten wird, in Anschlag gebracht.
Der radial gerichtete Anschlag für den Innenring kann ein Umfangsbund der Mutter sein, der eine Anschlagsebene definieren kann, die deckungsgleich mit einer radial verlaufenden Stirnfläche des Riemenrades zu liegen kommt. Auf diese Weise lässt sich das Riemenrad axial in seiner anderen Richtung durch den Innenring als Gegenanschlag sichern. Der Innenring kommt so mit einem Axialanschlag der Mutter direkt in Kontakt, was die Toleranzkette im Vergleich zu Lösungen gemäß dem Stand der Technik verkürzt. Das Riemenrad kann dabei auf die Mutter aufgeschoben werden und mit einer radial formschlüssigen Verbindung, wie einer Keil- oder Zahnwellenverbindung, die auch lediglich durch zwei ineinandergreifende Nuten und Federn an den betreffenden Bauteilen darstellbar ist, mit der Mutter verbunden sein. Jede anderer drehfeste Verbindung, die durch eine Wellenverbindung gebildet ist, die von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweist, (z. B. Polygonverbindung), ist ebenso anwendbar. Es kann auch zweckmäßig sein, das Riemenrad auf die Mutter als Kunststoff-Spritzgussteil auf die Mutter aufzuspritzen oder in anderer Weise stoffschlüssig und formschlüssig mit der Mutter zu verbinden.
Für die Herstellung des Riemenrades empfiehlt sich die Anwendung von technischen Kunststoffen, wie Polyamid, Polyoxymethylen oder Polyethylenterephtalat. Polyamide (PA) sind die wichtigsten technischen Kunststoffe deren Grundbaustein durch Carbonsäureamidgruppen miteinander verknüpft sind. Man unterscheidet zwei Gruppen von Polyamiden: Polyamid-6-Typ, dessen Grundstoff durch Polykondensation von ω-Aminocarbonsäuren oder Polymerisaten ihrer Lactame entstehen.
Polyamid 66-Typ, dessen Grundstoff durch Polykondensation von Diaminen und Dicarbonsäuren entstanden ist. Unterschiede zwischen den verschiedenen Polyamiden werden durch unterschiedliche Kristallinität, das Verhältnis von CH₂-/CONH-Gruppen in den Polymeren, gerad- oder ungeradzahliger C-Atomzahl und dem Abstand benachbarter Makromoleküle und damit durch den Kristallinitätsgrad hervorgerufen. Polyamide können in ihren Eigenschaften, wie Biegefestigkeit, Oberflächenhärte etc. durch Additive wie Glasfasern, Glaskugeln, Mineralpulver, Kohlenstoff-Fasern oder auch Graphit und Molybdänsulfid stark beeinflußt werden. Teilkristalline Polyamide besitzen hohe bis mittlere Festigkeit und mittlere Steifigkeit, geringe Härte, gute bis ausgezeichnete Schlagzähigkeit sowie gute Gleit- und Verschleißeigenschaften. Polyoxymethylen (POM) besitzt mittlere bis hohe Festigkeit (Wechselfestigkeit) und Steifigkeit und eignet sich für die Herstellung eng tolerierter Bauteile wie Zahnräder und dergleichen. Polyethylenterephtalat (PET) weist eine hohe Steifigkeit und Härte und hohe Abriebfestigkeit auf. Zudem eine geringe Wärmedehnung und eignet sich gut für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Riemenrades.
Hochleistungskunststoffe wie Polyaryletherketone, wie Polyetheretherketon oder Polyetherketon, weisen eine hohe mechanische Wechselfestigkeit und gutes Gleit- und Verschleißverhalten auf. Sie behalten ihre guten Festigkeitseigenschaften bis zu Temperaturen von über 250°C bei.
Das Riemenrad kann fliegend an der Mutter festgelegt sein, sodaß es beispielsweise zur Hälfte seiner axialen Erstreckung auf der Mutter festgelegt ist. Ein Teil der Lauffläche des Riemens ist außerhalb des Axialbereiches der Mutter, wobei Verstärkungsrippen an dem Riemenrad für die notwendige Steifigkeit sorgen und bei der Herstellung des Riemenrades etwa durch Spritzgießen mitausgeformt werden können. Das Riemenrad kann auch über nur etwa 1/3 seiner axialen Länge auf der Mutter festgelegt sein. Die Servolenkung ist bevorzugt als elektrische Servolenkung mit achsparalleler Anordnung von Servomotor und Zahnstange gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Servolenkung
2: Bewegungsschraube
3: Gestell
4: Mutter
5: Bauteil, axial verschiebbar
6: Gewinde
7: Muttergewinde
8: Riemenrad
9: Wälzlager
10: Innenring
11: Anschlag
12: Anschlag
13: Ebene
14: Stirnfläche, v. 11
15: Stirnfläche, v. 12
16: Nut- Feder Verbindung
17: Axialanschlag
18: Zahnstangen-Hilfskraftlenkung
19: Lenkgetriebegehäuse
20: Zahnstange
21: Spindelabschnitt
22: Kugelgewinde
23 23': Lagerscheibe
24: Verstärkungsrippe
25: Flanschbereich
26 26': Feder
27: Nut
28: Bund
29: Verzahnung, an 8
X: Montagerichtung Erstreckung, axial
d₁: Aussendurchmesser, v. 4
d₂: Aussendurchmesser, v. 4
d₃: Aussendurchmesser, v. 4

Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen teilweisen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Servolenkung,
1a einen Ausschnitt I in 1,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Riemenrades aus Kunststoff,
3 eine perspektivische Ansicht des Riemenrades in 2 von seiner Montageseite auf der Mutter.
In 1 ist in einem teilweisen Längsschnitt eine als elektrische Zahnstangen-Hilfskraftlenkung 18 gebildete Servolenkung 1 für einen Personenkraftwagen oder einen Nutzkraftwagen gezeigt. In einem als zylinderförmigen Lenkgetriebegehäuse 19 gebildeten Gestell 3 ist ein als Zahnstange 20 gebildetes, axial verschiebbares Bauteil 5 gelagert. Parallel zu der Zahnstange 20 ist an einem Radialflansch des Lenkgetriebegehäuses 19 ein nicht gezeigter elektrischer Servomotor festgelegt. Die Zahnstange 20 kämmt an einem nicht gezeigten Verzahnungsabschnitt mit einem nicht gezeigten Ritzel an einer Lenkwelle und weist an einem Spindelabschnitt 21 ein als Kugelgewinde 22 gebildetes Gewinde 6 auf, welches in Eingriff mit einem als Kugelumlaufgewinde gebildeten Muttergewinde 7 einer Mutter 4 ist. Die Mutter 4 und der Spindelabschnitt 21 bilden eine Bewegungsschraube 2. Die Mutter 4 ist drehfest mit einem als Zahnscheibe (vgl. 2, 3) gebildeten Riemenrad 8 verbunden und über ein als Radiallager gebildetes Wälzlager 9 in einem nicht gezeigten Gehäusedeckel des Lenkgetriebegehäuses 19 gehalten. Das Wälzlager 9 ist als Festlager gebildet und vermag axiale und radiale Kräfte von der Mutter 4 auf das Gestell 3 zu übertragen.
Die Mutter 4 weist an ihrem Aussenumfang, wie dies auch in einer Einzelheit I in 1a gezeigt ist, zwei Durchmessersprünge auf, zwischen denen die Kontur der Mutter 4 zylinderartig ist. Von ihrer Aussenumfangsseite betrachtet, bildet die Mutter 4 einen Stufenzylinder. Im Radialbereich des Wälzlager 9 ist der Aussendurchmesser d₁ der Mutter 4 am kleinsten. Er entspricht dem Innendurchmesser eines Innenringes 10 des Wälzlagers 9. Der Innenring 10 ist von einer Montagerichtung X in Betrachtungsrichtung der 1 von rechts nach links auf die Mutter 4 geschoben und liegt an einer Stirnfläche 14 des, einen Anschlag 11 bildenden ersten Durchmessersprunges an. In dem Bereich des Anschlages 11 hat die Mutter 4 einen Aussendurchmesser d₂, der dem ersten Aussendurchmesser d₁ zuzüglich etwa der Hälfte der Dicke des Innenringes 10 entspricht. In Betrachtungsrichtung weiter links ist an der Aussenumfangsfläche der Mutter 4 ein weiterer Durchmessersprung zu einem größeren Durchmesser d₃, wobei die Durchmesserzunahme zu d₃ etwa halb so groß wie die Durchmesserzunahme von d₁ zu d₂ sein kann, wie 1a verdeutlicht.
Der zweite Durchmessersprung von einem Außendurchmesser d₂ zu d₃ dient als Axialanschlag 17 für das Riemenrad, das dadurch so auf der Mutter 4 zu liegen kommt, dass seine Stirnfläche 15 in einer Ebene 13 mit der Stirnfläche 14 der Mutter 4 am ersten Durchmessersprung zu liegen kommt.
Auf diese Wiese kann zunächst bei der Montage das Riemenrades 8 mit der Montagerichtung X auf die Mutter 4 geschoben werden und anschließend in derselben Montagerichtung X das Wälzlager 9 aufgeschoben werden bis zum Anschlag des Innenringes 10 an der Stirnfläche 14 oder Anschlag 11 der Mutter 4 und gleichzeitig an der Stirnfläche 15 oder Anschlag 12 an dem Riemenrad 8.
Durch axial zu beiden Seiten des Wälzlagers 9 angeordnete Lagerscheiben 23, 23' wird das Wälzlager 9 auf der Mutter 4 fixiert. Das Riemenrad 8 ist etwa zur Hälfte seiner axialen Erstreckung I über die Mutter 4 gestülpt. Die andere Hälfte des Riemenrades 8, auf der ein Zugmittel, insbesondere ein Zahnriemen abläuft, ist fliegend angeordnet. Dies ist möglich, da wie 2 zeigt, Versteifungsrippen 24 radial um den Innenumfang des Riemenrades 8 ausgeformt sind, die keilförmig sich verjüngend von dem eigentlichen Flanschbereich 25 des Riemenrades 8 abragen und die Lauffläche des Zugmittels aussteifen helfen.
Wie insbesondere 3 in einer perspektivischen Ansicht des Riemenrades 8 von seiner Flanschseite aus zeigt, ist eine Nut- und Feder-Verbindung 16 zwischen der Mutter 4 und dem Riemenrad 8 vorgesehen, wobei eine breite Feder 26 diametral zu einer Feder 26' aus der Innenumfangsfläche des Riemenrades 8 ausgeformt ist, zum drehschlüssigen Eingriff in jeweils eine Nut an dem Außenumfang der Mutter 4.
Die Federn 26, 26' sind wiederum von jeweils einer Nut 27 seitlich begrenzt, in die jeweils zwei Federn an der Mutter 4 eingreifen können. Es ergibt sich so eine formschlüssig lösbare, drehfeste Verbindung von Riemenrad 8 und Mutter 4 in der Art einer Zunge-Gabel-Verbindung.
Zu seiner Flanschseite 25 hin weist das Riemenrad 8 einen Bund 28 auf, während ein axial gegenüberliegendes Ende des Riemenrades 28 in seiner Verzahnung 29 ohne Bund ausläuft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10310492 A1 [0003]

Claims

Servolenkung, insbesondere Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer, von einem Servomotor angetriebenen Bewegungsschraube (2) aus einer axial unverschieblich in einem Gestell (3) gelagerten Mutter (4) und einem axial verschiebbaren Bauteil (5) dessen Gewinde (6) mit einem Muttergewinde (7) der Mutter (4) in Eingriff ist, und mit einem Riemenrad (8), das drehfest mit der Mutter (4) verbunden ist und Teil eines Zugmittelgetriebes zwischen dem Servomotor und der Mutter (4) ist, wobei die Mutter (4) mit einem Wälzlager (9) in dem Gestell (3) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemenrad (8) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenring (10) des Wälzlagers (9) an einem radial gerichteten, einstückig mit der Mutter (4) gebildeten Anschlag (11), axial anliegt.
Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenring (10) des Wälzlagers (9) an einem radial gerichteten, einstückig mit der Mutter (4) gebildeten Anschlag (11) und an einem Anschlag (12) der einstückig mit dem Riemenrad (8) gebildet ist und in derselben Ebene (13) wie der Anschlag (11) der Mutter (4) liegt, axial anliegt.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (11) der Mutter (4) und der Anschlag (12) des Riemenrades (8) für den Innenring (10) konzentrisch aufeinander angeordnete Ring-Stirnflächen (14, 15) sind.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Riemenrad (8) über eine radial formschlüssige Verbindung, wie eine Keilwellen- oder Zahnwellen- oder eine andere Nut-Federverbindung (16) mit der Mutter (4) verbunden ist oder stoffschlüssig mit der Mutter (4) verbunden ist.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Riemenrad (8) in derselben Montagerichtung (X) wie das Wälzlager (9) auf die Mutter (4) bis an einen ringförmigen Axialanschlag (17) der Mutter (4) geschoben ist.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Riemenrad (8) aus einem technischen Kunststoff wie Polyamid, Polyoxymethylen, Polyethylenterephtalat oder einem Hochleistungskunststoff wie Polyetheretherketon oder Polyetherketon gebildet ist und als Keilriemen- Keilrippenriemen- oder Zahnriemenrad gebildet ist.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Riemenrad (8) etwa über die Hälfte seiner axialen Erstreckung (I) über die Mutter (4) ragt.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemenrad (8) etwa über 1/3 seiner axialen Erstreckung (I) auf der Mutter (4) aufliegt.
Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Servolenkung (1) eine elektrische Hilfskraftlenkung mit achsparalleler Anordnung von axial verschiebbarem Bauteil (5) und Servomotor ist.