DE102012023462A1

DE102012023462A1 - Schneckengetriebe sowie Kraftfahrzeuglenkung mit Schneckengetriebe

Info

Publication number: DE102012023462A1
Application number: DE201210023462
Authority: DE
Inventors: Ernst Wilske; Peter Marx; Stefan Wilske
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-12-01
Also published as: DE102012023462B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneckengetriebe (10), insbesondere für den Einsatz in einer Kraftfahrzeuglenkung sowie eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Schneckengetriebe. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneckengetriebe (10) sowie eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Schneckengetriebe (10) zur Verfügung zu stellen, die kompakte Baumaße sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und ferner kostengünstig herstellbar sind. Ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe umfasst eine Schnecke (12) und ein Schneckenrad (14), wobei das Schneckenrad (14) eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Zähnen (18) aufweist. Das Schneckenrad (14) umfasst ferner Zähne (18), die in Querrichtung des Schneckenrades (14) in nur einer Richtung eine zu einer Außenseite des Schneckenrades (14) ansteigende Zahnhöhe aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneckengetriebe, insbesondere für den Einsatz in einer Kraftfahrzeuglenkung, sowie eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Schneckengetriebe.
Aus DE 10 2010 027 744 A1 ist ein Schneckenrad für ein Schneckengetriebe mit globoidisch ausgebildeten Zähnen bekannt, deren Dicke von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite des Schneckenrads abnimmt.
Weitere Schneckengetriebe und Kraftfahrzeug-Lenksysteme mit Schneckengetrieben sind aus DE 198 35 121 A1 , DE 10 2008 000 344 A1 , DE 103 14 107 A1 , DE 102 17 123 A1 und aus EP 2 330 319 A1 bekannt.
Wie aus den vorstehend genannten Druckschriften und aus der Praxis bekannt, kommen Schneckengetriebe in Kraftfahrzeugen regelmäßig in Lenkhilfesystemen zum Einsatz. Diese Lenkhilfesysteme dienen dazu, das vom Fahrer aufzubringende Lenkmoment zu einem großen Teil durch ein Antriebssystem zur Verfügung zu stellen. Dazu umfassen die bekannten Lenkhilfesysteme ein Antriebselement, insbesondere einen Elektromotor. Das Motormoment des Elektromotors oder des sonstigen Antriebselements wird auf die Schneckenwelle übertragen. Der Abtrieb, d. h. die Weiterleitung des Lenkhilfsmoments in das Lenksystem, erfolgt über das Schneckenrad.
Zur Ermittlung des benötigten Lenkhilfsmoments wird der Lenkwunsch des Fahrers über einen Drehwinkel- und Drehmomentsensor ermittelt. Mit Hilfe hinterlegter Unterstützungskurven wird das notwendige Lenkmoment zum Verstellen des Lenkwinkels normalerweise zu einem vorbestimmten, großen Teil vom Lenkmotor aufgebracht. Bei sogenannten ”Column type Electric Power Steering Systems” Lenkhilfesystemen (verkürzt auch CEPS-Systeme genannt) wirkt ein von einem Lenkhilfemotor aufgebrachtes unterstützendes Drehmoment auf die Lenksäule. In vielen Ländern muss nach aktueller Rechtslage immer eine direkte mechanische Verbindung vom Lenkrad zu den Vorderrädern gewährleistet sein, damit der Fahrer – falls das Lenkhilfesystem ausfällt – die Möglichkeit hat, das Fahrzeug auch unabhängig von einem vorhandenen Lenkhilfesystem zu lenken. In diesem Fall muss der Fahrer das vollständige Lenkmoment selbst aufbringen. Dazu muss er nicht nur die Lenkkräfte, sondern auch die (passiven) Reibungskräfte des Lenkhilfesystems überwinden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die vorstehend beschriebenen Lenksysteme, in denen eine Drehwinkeldifferenz an einem Torsionsstab ermittelt wird, um die Funktionsfähigkeit des Lenkhilfesystems zu überwachen. Bei diesen Lenksystemen wird der Torsionsstab bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrehmoments in bekannter Art und Weise ”überbrückt” und ermöglicht es dem Fahrer, das erforderliche Lenkmoment vollständig oder teilweise selbst aufzubringen. Vollständig muss der Fahrer das Lenkmoment aufbringen, wenn das Lenkhilfesystem ganz ausfällt. Vollständig oder teilweise muss der Fahrer das Lenkmoment aufbringen, wenn das von dem Lenksystem bereitgestellte Lenkmoment nicht ausreichend groß ist, beispielsweise weil eine sehr schnelle Lenkbewegung erforderlich ist. Bei funktionierendem Lenkhilfesystem, aber nur teilweiser Unterstützung durch dieses, addieren sich das vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment und das von Lenkhilfesystem bereitgestellte Lenkmoment.
In allen Fällen, in denen das Lenkhilfesystem ein nur reduziertes oder überhaupt kein unterstützendes Lenkmoment bereitstellt, ist es von Vorteil, wenn das Getriebe möglichst leichtgängig ist, d. h. wenn es einen hohen Wirkungsgrad aufweist, damit das vom Fahrer aufzubringende zusätzliche Lenkmoment möglichst gering ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneckengetriebe sowie eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Schneckengetriebe zur Verfügung zu stellen, die kompakte Baumaße sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und ferner kostengünstig herstellbar sind.
Ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe umfasst eine Schnecke und ein Schneckenrad, wobei das Schneckenrad eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Zähnen aufweist. Ferner umfasst das Schneckenrad Zähne, die in Querrichtung des Schneckenrades in nur einer Richtung eine zu einer Außenseite des Schneckenrades ansteigende Zahnhöhe aufweisen. Ein Schneckengetriebe mit einem solchen Schneckenrad hat den Vorteil, dass es einen – im Vergleich zu Zylinder-Schneckengetrieben – verbesserten Wirkungsgrad aufweist, sich aber dennoch einfach und kostengünstig herstellen lässt. Ein erfindungsgemäßes Schneckenrad lässt sich insbesondere so konstruieren, dass es einstückig als Kunststoffspritzgussteil herstellbar ist. Ferner lässt es sich so konstruieren, dass es dennoch leicht montierbar ist und somit kompakte Baumaße aufweisen kann. Diesbezüglich werden im Folgenden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen konkrete Gestaltungsmöglichkeiten angegeben. Die Zähne des Schneckenrades weisen vorzugsweise alle die gleiche Zahngeometrie auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneckengetriebes umfasst das Schneckenrad Zähne, deren Zahnhöhe maximal über 70 Prozent der Zahnbreite zu einer Außenseite ansteigend ausgebildet ist. In anderen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Schneckenrad Zähne, deren Zahnhöhe über maximal 60 Prozent, maximal 50 Prozent oder maximal 30 Prozent der Zahnbreite zu einer Außenseite ansteigend ausgebildet sind. Diese Zahngeometrien, mit vorzugsweise genau halbseitig ansteigender Zahnhöhe und im Übrigen konstanter Zahnhöhe, hat den Vorteil, dass ein Teilbereich der Zähne (bei mittiger Trennung: eine Zahnhälfte) zur Wirkungsgradverbesserung genutzt wird, während der andere Teilbereich der Zähne (bei mittiger Trennung: die andere Zahnhälfte) einfach gestaltet ist, so dass sich ein einfach und kostengünstig herstellbares und leicht montierbares Schneckengetriebe ergibt.
Die Zähne mit in nur einer Richtung, d. h. einseitig, ansteigender Zahnhöhe sind vorzugsweise globoidisch oder linear ansteigend ausgebildet. Eine linear ansteigende Zahngeometrie hat den Vorteil, dass diese besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist. Eine globoidisch ausgebildete Zahngeometrie wirkt sich besonders vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Schneckengetriebes aus.
In einer anderen praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes ist das Schneckenrad zweiteilig ausgebildet und umfasst mindestens zwei Teilräder, welche Zähne aufweisen, die in Querrichtung des Schneckenrades in nur einer Richtung, d. h. einseitig, zu einer Außenseite des Schneckenrades eine ansteigende Zahnhöhe aufweisen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich ein Schneckenrad sehr einfach und kostengünstig zweiteilig herstellen lässt, indem zwei – vorzugsweise identische Teile – mit vorstehend beschriebener Geometrie hergestellt und in geeigneter Weise zusammengesteckt werden. Auch diesbezüglich sind globoidisch oder linear ansteigende Zahngeometrien bevorzugt. Auf die vorstehend genannten Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen. Die Herstellung eines Schneckenrades durch zwei, bevorzugt identische, Teile – mit, besonders bevorzugt, globoidischer Geometrie vereint in besonders vorteilhafter Weise die Vorteile eines globoidisch verzahnten Schneckenrades mit den Vorteilen einer einfachen und kostengünstigen Herstellung und Montage.
Wenn das Schneckenrad mit Hilfe eines elastischen Elements, beispielsweise mit Hilfe von einem oder mehreren Federelementen, in Richtung Schnecke vorgespannt ist, können die Zähne des Schneckengetriebes spielfrei gehalten werden. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann auch die Schnecke mit Hilfe eines elastischen Elements in Richtung Schneckenrad vorgespannt sein. Dadurch können Kontaktgeräusche insbesondere bei Lastrichtungswechseln im Schneckengetriebe deutlich reduziert bzw. vollständig vermieden werden. Wenn das Schneckenrad nur in einer Richtung, d. h. einseitig, erhöht ist, erfolgt die Vorspannung vorzugsweise auf der Seite des Schneckenrades, auf der die Erhöhung ausgebildet ist.
Wie bereits erwähnt, sind das Schneckenrad und/oder die Teilräder des Schneckenrades vorzugsweise als Kunststoffspritzgussteile hergestellt.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform besteht das Schneckenrad aus einer Nabe und einem oder mehreren, mit der Nabe verbindbaren Zahnkränzen. Solche Zahnkränze können beispielsweise axial aufsteckbar oder in sonstiger Art und Weise kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig mit der Nabe verbindbar gestaltet sein.
Die Erfindung betrifft auch eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem wie vorstehend beschriebenen Schneckengetriebe. Insbesondere betrifft sie eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem auf die Lenksäule wirkenden Lenkhilfemotor, dessen Motormoment in die Schnecke des Schneckengetriebes eingeleitet wird. Bei dieser Art von Kraftfahrzeuglenkung kommen Schneckengetriebe regelmäßig zum Einsatz und eine Wirkungsgradverbesserung, wie sie durch das erfindungsgemäßes Schneckengetriebe erzielt wird, ist insbesondere bei diesen Kraftfahrzeuglenkungen erwünscht.
Zusammenfassend können folgende Vorteile einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung festgehalten werden:

• Der Wirkungsgrad ist erhöht und ermöglich eine große Untersetzung in einer Getriebestufe,
• keine Kontaktgeräusche bei spielfreier Lagerung der Getriebeteile,
• einfache Entformung bei der Herstellung als Gussteil,
• die Getriebeteile lassen sich bei der Montage aus einer Richtung aufstecken, wodurch eine kompakte Bauform möglich ist und
• die Lager des Schneckengetriebes können vormontiert werden und müssen nach der Montage nicht eingestellt werden.

Die Zahndicke der Schneckenräder der wie vorstehend beschriebenen Zahnräder ist vorzugsweise konstant. Sie kann aber auch in Querrichtung des Schneckenrades variieren und insofern beliebig gestaltet sein. Vorzugsweise ist der Verlauf der Zahndicke so gewählt, dass das Schneckenrad oder ein mit einer Nabe zu verbindendes Ringelement mit Verzahnung des Schneckenrades einstückig aus Kunststoffspritzguss herstellbar ist.
Als Schnecke, welche auch als Schneckenwelle bezeichnet werden kann, sind alle bekannten Schneckengestaltungen geeignet. Diesbezüglich wird insbesondere auf Schnecken mit globoidischer oder zylindrischer Verzahnungsgeometrie verwiesen. Eine globoidisch verzahnte Schnecke weist in Querrichtung der Schnecke keinen gleichbleibenden Zahnkopfdurchmesser auf, sondern verjüngt sich zur Mitte der Schnecke hin und hat unterschiedliche Steigungen.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes mit Schneckenrad und Schnecke in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben,
2 das in 1 gezeigte Schneckengetriebe in einer Ansicht parallel zur Drehachse der Schnecke.
3 den qualitativen Verlauf der Zahnhöhe des in den 1 und 2 gezeigten Schneckenrades in Querrichtung gemäß der Linie III in 2,
4 den qualitativen Verlauf der Zahnhöhe in Querrichtung eines Schneckenrades einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes,
5 den qualitativen Verlauf der Zahnhöhe eines Schneckenrades einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes sowie
6 den qualitativen Verlauf der Zahnhöhe eines Schneckenrades einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes.
Die 1 und 2 zeigen ein Schneckengetriebe 10 mit einer Schnecke 12 und einem Schneckenrad 14 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben (1) und in einer perspektivischen Ansicht gemäß dem Pfeil II in 1 (2), d. h. in Erstreckungsrichtung der Schnecke 12. Wie zu erkennen ist, ist die Schnecke 12 um eine Drehachse d₁ drehbar gelagert. Das Schneckenrad 14 ist um eine Drehachse d₂ drehbar gelagert. In der gezeigten Ausführungsform stehen die Drehachsen d₁ und d₂ senkrecht aufeinander. Dies ist jedoch zur Ausführung der Erfindung nicht zwingend erforderlich.
Wie insbesondere in 2 zu erkennen ist, weist die gezeigte Schnecke 12 eine zylindrische Außenkontur mit einer sich mehrfach schraubenförmig um die Achse d₁ windenden Verzahnung 16 auf.
Das Schneckenrad 14 umfasst eine Vielzahl von über den Umfang des Schneckenrades 14 verteilten Zähnen 18. Die Zähne 18 sind so angeordnet, dass das Schneckenrad 14 durch die sich um die Achse d₁ drehende Schnecke 12 angetrieben wird.
In 3 ist qualitativ das Höhenprofil der gezeigten Zähne 18 in Querrichtung des Schneckenrades 14 dargestellt, beispielsweise entlang der in 2 mit III gekennzeichneten, gestrichelten Linie. Dies ist auch in den 1 und 2 zu erkennen. Die Zahnhöhe ist beginnend von der linken Seite des Schneckenrades 14 zur Zahnmitte M konstant. Ab der Zahnmitte M bis zu einer mit x₁ gekennzeichneten Position verläuft die Zahnhöhe zur rechten Außenseite hin ansteigend. Von der mit x₁ gekennzeichneten Position bis zur rechten Seite des Schneckenrades 14 nimmt die Zahnhöhe wieder leicht ab. Die Zahnmitte M und die Position x₁ sind in 2 zur Veranschaulichung ebenfalls gekennzeichnet. Wie in 2 gut erkennbar ist, entspricht die Stelle x₁ derjenigen Stelle, an der die Schnecke 12 in Querrichtung außer Eingriff mit dem Schneckenrad 14 gelangt. Eine weitere Vergrößerung der Zahnhöhe zur Außenseite des Schneckenrades 14 hätte daher in der gezeigten Ausführungsform keine weitere Wirkungsgradverbesserung zur Folge.
Die 4 bis 6 zeigen den qualitativen Verlauf der Zahnhöhe in Querrichtung von Schneckenrädern weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schneckengetriebe.
Bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Zahnhöhe von der linken Seite des Schneckenrades bis zur Zahnmitte M konstant und ist bis zur rechten Seite des Schneckenrades vollständig globoidisch ansteigend ausgebildet.
Bei der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform ist die Zahnhöhe von der linken Seite des Schneckenrades bis zur Zahnmitte M konstant und ist bis zur rechten Seite des Schneckenrades linear ansteigend ausgebildet.
Bei der in 6 gezeigten vierten Ausführungsform ist das Schneckenrad aus einem ersten Teilrad 20 und einem zweiten Teilrad 22 gebildet. Das erste Teilrad 20, welches links angeordnet ist, ist von der an die Mitte M angrenzenden Innenseite des Schneckenrades zur Außenseite (hier: zur linken Außenseite) vollständig globoidisch ansteigend ausgebildet. Das zweite Teilrad 22, welches rechts angeordnet ist, ist ebenfalls von der an die Mitte M angrenzenden Innenseite des Schneckenrades bis zur Außenseite (hier: zur rechten Außenseite) vollständig globoidisch ansteigend ausgebildet.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. Zu diesen Variationen zählt insbesondere die Kombination der gezeigten Zahnhöhenverläufe miteinander, beispielsweise die Gestaltung eines Schneckenrades mit zwei Teilrädern, die beide den in einer der Figuren gezeigten Höhenverlauf aufweisen. Insbesondere wird auf die Verwendung von zwei Teilrädern mit dem Höhenverlauf zwischen der Mitte M und der rechten Außenseite des in 3 gezeigten Schneckenrad-Höhenprofils verwiesen.
Bezugszeichenliste

10: Schneckengetriebe
12: Schnecke
14: Schneckenrad
16: Verzahnung
18: Zahn
20: erstes Teilrad
22: zweites Teilrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010027744 A1 [0002]
DE 19835121 A1 [0003]
DE 102008000344 A1 [0003]
DE 10314107 A1 [0003]
DE 10217123 A1 [0003]
EP 2330319 A1 [0003]

Claims

Schneckengetriebe mit Schnecke (12) und Schneckenrad (14), wobei das Schneckenrad (14) eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Zähnen (18) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (14) Zähne (18) umfasst, die in Querrichtung des Schneckenrades (14) in nur einer Richtung eine zu einer Außenseite des Schneckenrades (14) ansteigende Zahnhöhe aufweisen.
Schneckengetriebe nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnhöhe der Zähne (18) maximal über 70 Prozent der Zahnbreite zu einer Außenseite ansteigend ausgebildet sind.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (18) mit ansteigender Zahnhöhe globoidisch ausgebildet sind.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (18) mit ansteigender Zahnhöhe linear ansteigend ausgebildet sind.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (14) zweiteilig ausgebildet ist und mindestens ein erstes Teilrad (20) und ein zweites Teilrad (22) umfasst, welche Zähne (18) aufweisen, die in Querrichtung des Schneckenrades (14) in nur einer Richtung zu einer Außenseite des Schneckenrades (14) eine ansteigende Zahnhöhe aufweisen.
Schneckengetriebe nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (18) der mindestens zwei Teilräder (20, 22) eine in Querrichtung des Schneckenrades (14) in nur einer Richtung zu einer Außenseite globoidische oder linear ansteigende Zahngeometrie aufweisen.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (14) und/oder die Teilräder (20, 22) des Schneckenrades (14) aus Kunststoffspritzguss hergestellt sind.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (14) aus einer Nabe und einem oder mehreren, mit der Nabe verbindbaren Zahnkränzen besteht.
Schneckengetriebe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (14) mit Hilfe eines elastischen Elements in Richtung Schnecke (12) vorgespannt ist und/oder die Schnecke (12) mit Hilfe eines elastischen Elements in Richtung Schneckenrad (14) vorgespannt ist.
Kraftfahrzeuglenkung umfassend ein Schneckengetriebe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeuglenkung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf die Lenksäule wirkenden Lenkhilfemotor aufweist, dessen Motormoment in die Schnecke (12) des Schneckengetriebes (10) eingeleitet wird.