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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Für große und schwere Fahrzeuge der sogenannten Mittelklasse, der Luxusklasse und für Geländefahrzeuge wird eine Bauform der elektrischen unterstützten Lenkgetriebe für Kraftfahrzeuge bevorzugt, bei der die Unterstützungskraft über eine zweite Verzahnung in die Zahnstange eingeleitet wird. Es sind Lenkgetriebe bekannt, bei denen der Servoantrieb über ein zweites Lenkritzel und eine zweite Verzahnung auf die Zahnstange wirkt. Solche Lenkgetriebe sind in den Offenlegungsschriften
DE 10 2005 022 867 A1 ,
DE 10 2007 004 218 A1 und
WO 2006/138209 A2 gezeigt. Diese Lenkgetriebe weisen ein relativ großes Bauvolumen auf, da der Servoantrieb separat neben dem Eingriff Lenkritzel/Zahnstange vorgesehen wird. Zudem muss die Führung der Zahnstange im Bereich des Lenkritzels über ein Druckstück spielfrei gehalten werden. Diese Lagerung ist mit Produktionskosten verbunden und stellt in der Praxis eine mögliche Geräuschquelle dar, die unerwünscht ist.
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Aus der
DE 10 2010 027 553 A1 ist ein Doppelritzel-Lenkgetriebe bekannt, bei dem die beiden Lenkritzel gegenüberliegend an der Zahnstange unter einem Winkel von 90° zur Zahnstange angeordnet sind. Die beiden Lenkritzel sind dabei zu einer gegensinnigen Drehung mittels Stirnräder oder Kegelräder mechanisch zwangsgekoppelt. Durch die geometrische Anordnung der Ritzel zueinander wird der Wegfall eines aufwändigen Druckstücks in der bisher bekannten Form ermöglicht. Mindestens ein Lenkritzel ist mit einem Servomotor gekoppelt, der die Lenkung unterstützt. Die Verdrehung der Lenkwelle wird dabei von einem Sensor erfasst. Der Nachteil der Anordnung ist, dass es aufgrund der Lage des Servoantriebs und des Sensors zu Bauraumengpässen kommt.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe zu schaffen, das kompakte Abmessungen aufweist und dennoch die für schwere Kraftfahrzeuge erforderlichen Lenkhilfskräfte zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird von einem Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist ein Lenkgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Lenkungsgehäuse, in dem eine Zahnstange längsverschiebbar gelagert und zur Verschwenkung von lenkbaren Rädern mit diesen verbunden ist, wobei die Zahnstange mit einem ersten Zahnsegment versehen ist, welches mit einem ersten Ritzel einer Ritzelwelle kämmt und wobei die Ritzelwelle mittelbar über eine Lenkwelle mit einem Lenkrad verbunden ist, wobei die Zahnstange ein zweites Zahnsegment aufweist, das dem ersten Zahnsegment bezüglich der Längsachse der Zahnstange gegenüber liegt, und dass ein zweites Ritzel vorgesehen ist, das mit dem zweiten Zahnsegment in Eingriff steht, wobei ein Elektromotor vorgesehen ist, der das mit dem zweiten Ritzel zu einer gegensinnigen Drehung mechanisch zwangsgekoppelte erste Ritzel mittelbar antreibt vorgesehen, bei dem der Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet ist, der die Eingangswelle und/oder die Ritzelwelle zumindest in einem Abschnitt einer dieser Wellen teilweise umgibt. Durch diese Anordnung ist eine besonders kompakte Bauform möglich. Dies gilt insbesondere, wenn die Hohlwelle des Elektromotors koaxial zu der Eingangswelle angeordnet ist.
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Bevorzugt treibt der Hohlwellenmotor eine Getriebewelle an, die über ein Getriebe mit der Ritzelwelle verbunden ist.
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In einer Ausführungsform sind ein Drehwinkelsensor auf der Eingangswelle und ein Drehwinkelsensor auf der Ritzelwelle vorgesehen, so dass das anliegende Lenkradmoment und die Position des Rotors bestimmt werden können.
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Vorzugsweise ist das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe. Der Motor kann somit kompakt mit hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment ausgestaltet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das erste und das zweite Ritzel schräg gegenüberliegend der Zahnstange angeordnet sind, wobei die Ebene, die die Ritzel aufspannen die Längsachse der Zahnstange unter einem Neigungswinkel kleiner als 90° schneidet. Durch die schräge Anordnung kann Bauraum im Bereich der Ritzel eingespart werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die mechanische Kopplung der beiden Ritzel über Zahnräder erfolgt.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Drehachsen der beiden sich gegenüber liegenden Ritzel in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind. So kann der Eingriff Ritzel/Zahnstange ohne Druckstück eingestellt werden.
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Dabei ist es bevorzugt vorgesehen ist, dass die Zahnsegmente in zueinander geneigten Ebenen angeordnet sind, in Korrespondenz zu den in einem spitzen Winkel zueinander angeordneten Ritzel.
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Bei der erfinderischen Ausführungsform weist das antriebsferne Lager des zweiten Ritzels vorteilhafterweise eine Lageranordnung zum Einstellen des Spiels des Eingriffs Ritzel/Zahnstange auf.
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Eine besonders einfach aufgebaute Anordnung ergibt sich allerdings, wenn die Drehachsen der beiden sich gegenüber liegenden Ritzel parallel zueinander angeordnet sind, da dann die diese Ritzel koppelnden Getriebeelemente zum Beispiel als Stirnräder ausgebildet sein können.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1: einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe mit Doppelritzel-Anordnung und Hohlwellenmotor,
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2: eine Seitenansicht der Eingangswelle in Verbindung mit der Ritzelwelle und einen Längsschnitt sowie zwei Querschnitte der Anordnung,
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3: eine räumliche Darstellung der Drehwinkelsensoren und Gebermagneten an der Eingangswelle in einem vormontierten Zustand,
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4: einen Längsschnitt des Getriebes aus 1,
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5: eine räumliche Darstellung des Getriebes aus 4, sowie
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6: einen Längsschnitt des Ritzel/Zahnstangen Eingriffs.
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In der 1 ist ein Hohlwellenmotor 1 in einem Motorgehäuse 2 liegend als Servoantrieb eines Lenkgetriebes gezeigt. Der Hohlwellenmotor 1 umgibt eine zentriert im Gehäuse 2 mit einer Längsachse 3 liegende Eingangswelle 4, die mit der hier nicht dargestellten, mit dem Lenkrad verbundenen Lenkwelle drehfest in Verbindung steht. Ein kreiszylinderförmiger Drehstab 5 verbindet einerseits die Eingangswelle 4 mit einer Ritzelwelle 6 in axialer Richtung, so dass sie zueinander eine definierte Position haben. Andererseits bewirkt der Drehstab 5 in Abhängigkeit vom Lenkradmoment eine relative Verdrehung zwischen der Eingangswelle 4 und der Ritzelwelle 6, die zur Steuerung der Lenkunterstützung und ihrer Richtung genutzt wird. Wie in 2 gezeigt, wird dazu der Drehstab 5 an einem Ende in eine runde zentrierte Bohrung 7 der Ritzelwelle 6 eingepresst. Am anderen Ende wird er mit der Eingangswelle 4 verbunden, in dem er die Eingangswelle 4 mittig über die gesamte Länge durchsetzt und beide am Ende quer durchbohrt und verstifted sind. Der Drehstab 5 ist dabei in einem mittleren Abschnitt verjüngt. Die Eingangswelle 4 weist zur Aufnahme des Drehstabs 5 und der Ritzelwelle 6 eine durchsetzende zentrale Ausnehmung 8 mit drei Absätzen 9, 10, 11 auf. Am ritzelfernen Ende im Bereich der Verjüngung des Drehstabs 5 weist die Ausnehmung 8 den ersten Absatz 9 auf. Bis zum ritzelnahen Ende ist die Ausnehmung 8 kreiszylinderförmig. Der zweite Absatz 10 der Ausnehmung 8 dient als Bund für die Ritzelwelle 6 und ist am Ende der Verjüngung des Drehstabs 5 angeordnet. Im Bereich des zweiten Absatzes 10 sind die Ausnehmung 8, sowie die darin mit Spiel aufgenommene Ritzelwelle 6 ovalzylinderförmig ausgestaltet. Die Ritzelwelle 6 kann somit in der ovalzylinderförmigen Ausnehmung 8 um einen bestimmten Winkelbereich gedreht werden bis ein Anschlag als mechanische Mitnahme dient. Diese Begrenzung stellt einen Schutz des Drehstabs 5 dar. An den zweiten Absatz 10 schließt der dritte Absatz 11 an, in dem die Ausnehmung 8 wieder kreiszylinderförmig ausgebildet ist und auch die Ritzelwelle 6 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Eingangswelle 4 umgibt die Ritzelwelle 6 dabei mit wenig Spiel, wobei Nadellager 12 auf der Ritzelwelle 6 dafür sorgen, dass die Eingangswelle 4 um die Ritzelwelle 6 drehbar gelagert ist. Die Eingangswelle 4 weist auf der Außenseite einen ersten Vorsprung 13 und einen zweiten Vorsprung 14 auf, wobei der erste Vorsprung 13 in Bereich des ersten Absatzes 9 der Ausnehmung 8 liegt.
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Die Verdrehung des Drehstabs 5 wird über zwei magnetische Drehwinkelsensoren 15, 16 erfasst. Die Drehwinkelsensoren 15, 16 weisen jeweils einen Magnetring 17, 18 als Gebermagnet und ein Sensorelement 19, 20 auf. Bevorzugt werden die Gebermagneten 17, 18 über eine Klebeverbindung auf der Eingangswelle 4 und der Ritzelwelle 6 fixiert. Das Sensorelement 19, 20 kann als Hall- oder magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein. Weiterhin sind optische Sensoren bestehend aus einem lichtemittierenden und einem lichtempfindlichen Bauteil oder Dehnungsmessstreifen denkbar. Ein erster Gebermagnet 17 ist auf der Eingangswelle 4 in Anlage an den vom zweiten Vorsprung 14 gebildeten Ringbund vor der Ritzelwelle 6 liegend angeordnet und ein zweiter Gebermagnet 18 ist auf der Ritzelwelle 6, wie auch in 3 gezeigt, angeordnet. Die Stellung der Magnetringe 17, 18 zueinander bei einer Verdrehung des Drehstabes 5 ergibt mit der bekannten Steifigkeit des Drehstabes 5 das Lenkradmoment.
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Der die Eingangswelle 4 und Ritzelwelle 6 umfassende Hohlwellenmotor 1 weist einen Stator 21, einen Rotor 22 und einen Magneten 23 auf. Die Eingangswelle 4 und die Ritzelwelle 6 sind dabei konzentrisch von dem Rotor 22 umgeben, wobei dazwischen die Gebermagneten 17, 18 und die Sensorelemente 19, 20 angeordnet sind. Der Rotor 22 wiederum wird von dem Magneten 23 und dem Stator 21 konzentrisch umgeben. Dabei ist der Rotor 22 mit einem Permanentmagneten realisiert und der feststehende Stator 21 umfasst Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor 22 verursacht. Der Rotor 22 treibt ein Getriebe 24 über eine drehfestverbundene Getriebewelle 25 an. Bevorzugt ist der Rotor 22 mit der Getriebewelle 25 über eine Kerbverzahnung verbunden.
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Die Getriebewelle 25 ist hohl und wird von der Ritzelwelle 6 mit Spiel durchsetzt. Das Getriebe 24 ist koaxial und als Zykloidgetriebe, wie in 4 und 5 dargestellt, ausgebildet. Das Zykloidgetriebe 24 weist zwei um 180 Grad versetzte Kurvenscheiben 26, 27, eine Mitnehmerscheibe 28, Mitnehmerstifte 29, Zylinderstifte 30 und einen Exzenter 31 auf. Der Exzenter 31 treibt die mit den Mitnehmerstiften 28 durchsetzten Kurvenscheiben 26, 27 an, die sich an den feststehenden Zylinderstiften 30 abwälzen. Die Mitnehmerstifte 29 sind dabei fest in die Mitnehmerscheibe 28 eingepresst und weisen in Höhe der Kurvenscheiben 26, 27 eine Lagerhülse 32 auf, die es erlaubt die Mitnehmerscheibe 28 über die Kurvenscheiben 26, 27 anzutreiben. Je Umdrehung der Getriebewelle 25 bewegt sich der Abtrieb um einen Kurvenabschnitt an den feststehenden Zylinderstiften 30 weiter. So wird die Ausgangsdrehzahl der Getriebewelle 25 des Getriebes 24 reduziert und gleichzeitig das Drehmoment der Mitnehmerscheibe 28 erhöht.
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Die Mitnehmerscheibe 28 weist, wie in 1 gezeigt, einen konzentrischen Lagersitz 33 für ein erstes Zahnrad 34 auf. Das erste Zahnrad 34 ist drehfest mit der Mitnehmerscheibe 28 und der durchsetzenden Ritzelwelle 6 verbunden, so dass die Mitnehmerscheibe 28 die Ritzelwelle 6 mittelbar antreibt. Zudem kämmt das erste Zahnrad 34 ein zweites Zahnrad 35, welches drehfest ein zweites Ritzel 36 an einem antriebsnahen Ende umgibt. Die Ritzelwelle 6 weist an ihrem antriebsfernen Ende ein erstes Ritzel 37 auf, welches mit dem zweiten Ritzel 36 über die beiden Zahnräder 34, 35 an ihren antriebsnahen Enden zu einer gegensinnigen Drehung mechanisch zwangsgekoppelt ist. 6 zeigt die Ritzel 37, 36 und deren Eingriff in die Zahnstange 40 in einer Detailansicht. Die beabstandeten parallel ausgerichteten Ritzel 37, 36 stehen gegenüberliegend im Eingriff mit jeweils einem Zahnstangensegment 38, 39 auf einer Zahnstange 40, wobei die Zahnstangensegmente 38, 39 sich an der Zahnstange 40 bezüglich der Längsachse gegenüber liegen. Die Zahnstange 40 ist in einem Lenkgehäuse 41 senkrecht zur Längsachse 3 der Eingangswelle 4 gelagert.
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Bei der Montage wird die Eingangswelle 4, die Ritzelwelle 6 und der Motor 1 ins Motorgehäuse 2 eingesetzt, wobei ein Deckel 42 das Motorgehäuse 2 in Richtung der Lenkwelle auf Höhe des ersten Vorsprunges 13 der Eingangswelle 4 abschließt. Die Eingangswelle 4 durchsetzt dabei den Deckel 42 (siehe 1). Weiterhin sind die Eingangswelle 4 und der Rotor 22 drehbar im Motorgehäuse 2 durch entsprechende Lager 43 gelagert. Danach werden die Getriebewelle 25 und das Getriebe 24 montiert. Anschließend wird das aktive erste Zahnrad 34 des ersten Ritzels 37 auf eine Verzahnung 44 des ersten Ritzels 37 mit Passung aufgesetzt und mit der Außenseite drehfest in die Mitnehmerscheibe 28 eingesetzt. Das passive zweite Zahnrad 35 wird bei der Montage spielfrei in Eingriff mit dem aktiven ersten Zahnrad 34 gebracht. Dazu weist das passive zweite Ritzel 36 eine Kerbverzahnung und in Richtung des Antriebs 1 einen kurzen zylindrischen Absatz auf. Das passive zweite Zahnrad 35 hat einen Innendurchmesser der zu dem zylindrischen Absatz eine Spielpassung aufweist. Bei der Montage wird das aktive Zahnrad 34 auf den zylindrischen Teil aufgesetzt und das passive Zahnrad 35 zum aktiven Zahnrad 34 spielfrei in Eingriff gebracht. Nach dem die spielfreie Position gefunden ist, wird das passive Zahnrad 35 auf die Kerbverzahnung gepresst, wobei es zu einer formschlüssigen Verbindung kommt, die so ausgelegt ist, dass die anfallenden Momente übertragen werden können. Weiterhin werden die beiden Ritzel 37, 36 mit der Zahnstange 40 spielfrei in Eingriff gebracht, bevor das Lenkgehäuse 41 mit dem Motorgehäuse 2 in Längsrichtung in Anlage gebracht und mittels Befestigungsmittel verbunden wird.
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Das mit dem Motorgehäuse 2 verbundene Lenkgehäuse 41 umgibt das Getriebe 24 und die beiden Ritzel 37, 36, sowie die Zahnstange 40. Im Bereich der beiden Ritzel 37, 36 ist das Lenkgehäuse 41 in Längsrichtung konzentrisch zur Zahnstangenmitte ausgebildet. Zum Getriebe 24 hin verbreitert sich das Lenkgehäuse 41, wobei ein erster Absatz 45 auf Höhe der Zahnräder 34, 35 und ein zweiter Absatz 46 auf Höhe des Getriebes 24 angeordnet ist. Durch die azentrische Lage der Zahnstange 40 in Bezug auf die Längsachse 3 der Eingangswelle 4 bzw. der Ritzelwelle 6 ist das Lenkgehäuse 41 im Bereich des Getriebes 24 nicht rotationssymmetrisch um die Längsachse 3 ausgebildet. Daher weist das Getriebe 24 zur Lagesicherung im Lenkgehäuse 40 eine Verdrehsicherung in Form einer Nase 47 auf (siehe auch 5). Des Weiteren sind die Ritzel 37, 36 gegenüber dem Lenkgehäuse 41 jeweils an beiden Enden drehbar gelagert. Weiterhin weist das Lenkgehäuse 41 im Bereich eines antriebsfernen Lagers 48 des zweiten Ritzels 36 eine mit einem Verschlussdeckel 49 geschlossene Öffnung 50 auf.
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Das Lenkgehäuse 41 ist bevorzugt aus Aluminium oder Magnesium hergestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das zweite Ritzel am antriebsfernen Lager eine Lageranordnung mit zwei Hülsen auf, wobei die außenliegende Hülse eine Führung und die innenliegende Hülse ein Schiebestück bildet. Das Schiebestück ist entlang von schrägen Führungsflächen verschiebbar angeordnet, so dass beim Verschieben des Schiebestücks das Ritzel auf den Eingriff Ritzel/Zahnstange zustellbar ist. Zur Vorspannung und Einstellung des Spiels ist eine Feder zwischen den Hülsen und dem als Stellschraube ausgebildeten Verschlussdeckel vorgesehen.
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In einer anderen Ausführungsform ist es denkbar, dass das koaxiale Getriebe als Planetengetriebe oder sonstiges Exzentergetriebe bzw. untersetzendes Getriebe ausgeführt ist.
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Weiterhin ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Drehachsen der beiden sich gegenüberliegenden Ritzel in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und die beiden Zahnstangensegmente, die sich an der Zahnstange bezüglich der Längsachse gegenüber liegen, in zueinander geneigten Ebenen angeordnet sind, weil auf diese Weise eine Spielfreiheit der Verzahnungseingriffe durch eine Vorspannung der Zahnstange in den eingeschlossenen Winkel hinein erzielt werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ritzel zueinander in Längsrichtung der Zahnstange einen Versatz aufweisen, so dass Bauraum bei gleichbleibender Kopplungsbreite der Ritzel eingespart werden kann.
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Kommt es bei dem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe zu einer Lenkbewegung am Lenkrad detektiert der Drehstab eine Verdrehung der Lenkwelle gegenüber der Ritzelwelle. Das dadurch ausgelöste Signal steuert den Elektromotor, der die Ritzelwelle über das mit dem Rotor angetriebene Getriebe antreibt. Das koaxiale Getriebe überträgt die reduzierte Ausgangsdrehzahl der Getriebewelle auf das aktive erste Ritzel. Durch die zwangsmechanische Kopplung des ersten Ritzels mit dem zweiten Ritzel wird die Zahnstange von gegenüberliegenden Seiten zu einer Längsverschiebung angetrieben, was eine Verschwenkung der gelenkten Räder erwirkt. Die durch den Servomotor erzeugte Lenkhilfskraft wird somit über zwei Ritzel in die Zahnstange eingeleitet.
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Durch die Konstruktion eines die Eingangswelle umgebenden Hohlwellenmotors fällt der Servoantrieb sehr kompakt aus, da neben dem Platz für die Welle kein zusätzlicher Platz für deren Antrieb benötigt wird.
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Weiterhin kann durch die Anordnung der Ritzel im Bezug auf die Zahnstange auf ein Druckstück verzichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe weist bevorzugte kompakte Abmessungen auf und stellt dennoch die für schwere Kraftfahrzeuge erforderlichen Lenkhilfskräfte zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlwellenmotor
- 2
- Motorgehäuse
- 3
- Längsachse
- 4
- Eingangswelle
- 5
- Drehstab
- 6
- Ritzelwelle
- 7
- Bohrung
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Erster Absatz
- 10
- Zweiter Absatz
- 11
- Dritte Absatz
- 12
- Nadellager
- 13
- Erster Vorsprung
- 14
- Zweiter Vorsprung
- 15
- Drehwinkelsensor
- 16
- Drehwinkelsensor
- 17
- Magnetring
- 18
- Magnetring
- 19
- Sensorelement
- 20
- Sensorelement
- 21
- Stator
- 22
- Rotor
- 23
- Magnet
- 24
- Getriebe
- 25
- Getriebewelle
- 26
- Kurvenscheibe
- 27
- Kurvenscheibe
- 28
- Mitnehmerscheibe
- 29
- Mitnehmerstifte
- 30
- Zylinderstifte
- 31
- Exzenter
- 32
- Lagerhülse
- 33
- Lagersitz
- 34
- Erstes Zahnrad
- 35
- Zweites Zahnrad
- 36
- Zweites Ritzel
- 37
- Erstes Ritzel
- 38
- Zahnstangensegment
- 39
- Zahnstangensegment
- 40
- Zahnstange
- 41
- Lenkgehäuse
- 42
- Deckel
- 43
- Lager
- 44
- Verzahnung
- 45
- Erster Absatz
- 46
- Zweiter Absatz
- 47
- Nase
- 48
- Lager
- 49
- Verschlussdeckel
- 50
- Öffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005022867 A1 [0002]
- DE 102007004218 A1 [0002]
- WO 2006/138209 A2 [0002]
- DE 102010027553 A1 [0003]
