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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, für Geländefahrzeuge und für leichte Nutzfahrzeuge 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. Weiter gibt es Lenkgetriebe, bei denen neben dem Eingriff des Lenkritzels ein Kugelgewinde auf der Zahnstange vorgesehen ist, das über einen Kugelgewindetrieb mit einem Servomotor verbunden ist. Hier wird die Lenkhilfskraft über das Kugelgewinde in die Zahnstange eingeleitet. Die Belastung des Lenkritzels wird dadurch reduziert. Lenkgetriebe mit einem auf die Zahnstange wirkenden Kugelgewindetrieb sind relativ teuer.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2010 027 553 A1 ist ein preisgünstiges Lenkgetriebe mit kompakten Abmessungen bekannt, bei dem die Zahnstange ein erstes und ein dem ersten bezüglich der Längsachse der Zahnstange gegenüberliegendes zweites Zahnsegment aufweist, wobei das Lenkritzel mit dem ersten Zahnsegment und ein zweites von einem Servomotor angetriebene Ritzel mit dem zweiten Zahnsegment kämmt. Durch diese kompakte Anordnung der beiden Ritzel kann auf ein aufwändiges Druckstück verzichtet werden. Da aber das Unterstützungsmoment im Bereich der Eingangswelle eingeleitet wird, ist die Bauraumfreiheit stark begrenzt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe zu schaffen, das erhöhte Bauraumfreiheit aufweist und dennoch die für schwere Kraftfahrzeuge erforderlichen Lenkhilfskräfte zur Verfügung stellen kann.
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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 vorgesehen, 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 Lenkritzel einer Ritzelwelle kämmt und wobei die Ritzelwelle über eine Eingangswelle mittelbar mit einem Lenkrad verbunden ist, und wobei die Zahnstange mit einem zweiten Zahnsegment versehen ist, welches mit einem zweiten Ritzel kämmt, und wobei die Zahnstange ein drittes Zahnsegment aufweist, das dem zweiten Zahnsegment bezüglich der Längsachse der Zahnstange gegenüber liegt, und wobei ein drittes Ritzel vorgesehen ist, das mit dem dritten Zahnsegment in Eingriff steht. Durch das Vorhandensein von insgesamt drei Ritzeln kann die Bauraumgestaltung sehr flexibel gestaltet werden.
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Die erforderliche Lenkhilfskraft wird vorzugsweise durch wenigstens einen Elektromotor aufgebracht, der an dem zweiten Ritzel und/oder dem dritten Ritzel angreift.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das zweite Zahnsegment und das dritte Zahnsegment in einem zweiten Zahnstangenabschnitt angeordnet sind und das erste Zahnsegment in einem vom zweiten Zahnstangenabschnitt beabstandeten ersten Zahnstangenabschnitt angeordnet ist. Diese Anordnung ergibt eine erhöhte Bauraumfreiheit, da das Unterstützungsmoment nicht im Bereich der Eingangswelle eingeleitet wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Ritzel von einem ersten Elektromotor und das dritte Ritzel von einem zweiten Elektromotor angetrieben werden.
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Diese Ausführungsform ist besonders bei Lenkgetrieben einer Steer-by-Wire Lenkung vorteilhaft.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Ritzel mit dem dritten Ritzel zu einer gegensinnigen Drehung mechanisch zwangsgekoppelt ist.
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Diese mechanische Kopplung der beiden Ritzel erfolgt vorzugsweise über Zahnräder, Schneckenräder und/oder Kegelräder.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn die Drehachsen der beiden sich gegenüber liegenden Ritzel in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und wenn 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. Es ist aber auch denkbar und möglich, die Drehachsen der beiden gegenüberliegenden Ritzel parallel anzuordnen. In diesem Falle können spezielle Druckstücke vorgesehen sein, die Spiele zwischen den Verzahnungen beseitigen und die Verzahnungen unter Vorspannung in Eingriff bringen. Dazu können elastisch vorgespannte Lagerungen der Ritzelwellen und oder andere Techniken, wie sie bei der Spielbeseitigung von Schneckenradgetrieben bekannt sind, eingesetzt werden.
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Wenn weiter die Zahnstange im Bereich des zweiten Zahnstangenabschnitts wenigstens eine Führung aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement zur Führung der Zahnstange in Richtung der parallelen oder in einem spitzen Winkel zueinander angeordneten Drehachsen der Lenkritzel zusammenwirkt, bleiben die Lenkritzel nahezu frei von Axialkräften, das Spiel kann eingestellt werden und die Zahnstange wird präzise geführt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Zahnstange im Bereich des ersten Zahnstangenabschnitts wenigstens eine Führung aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement zur Führung der Zahnstange in Richtung der Drehachse des ersten Lenkritzels zusammenwirkt.
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In einer Ausführungsform kann weiterhin vorgesehen sein, dass das zweite Zahnsegment und das dritte Zahnsegment gegenüber dem ersten Zahnsegment um einen Winkel im Bereich von 60 bis 90 Grad um die Längsachse der Zahnstange versetzt sind. Bevorzugt sind dabei 90 Grad. Diese unabhängige Orientierung der gegenüberliegenden Zahnsegmente im Bezug auf das erste Zahnsegment ermöglicht erheblich mehr Bauraumfreiheit.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der wenigstens eine Elektromotor durch einen Torsionssensor an der Lenkwelle gesteuert wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Gleichwirkende oder gleichartige Elemente in verschiedenen Ausführungsbeispielen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Anordnung eines Lenkgetriebes mit zwei Ritzel sowie zwei Antriebsmotoren und einem Lenkritzel,
- 2: eine Ansicht eines Lenkgetriebes analog zur 1,
- 3: eine andere Ansicht des Lenkgetriebes der 2,
- 4: einen Längsschnitt durch eine Lenkwelle mit Torsionssensor,
- 5: eine räumliche Darstellung eines Lenkgetriebes mit zwei Ritzeln sowie einem Antriebsmotor,
- 6: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei Ritzeln sowie einem Antriebsmotor,
- 7: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei von einem Antriebsmotor mittels einer Schneckenwelle und zwei Schneckenrädern angetriebenen Ritzeln,
- 8: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei Ritzeln sowie zwei Antriebsmotoren,
- 9: schematische Darstellungen des Lenkgetriebes aus 7,
- 10: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit Schneckenradgetriebe,
- 11, 12: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit Zahnradgetriebe, sowie
- 13, 14: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit Kegelradgetriebe.
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Die 1 zeigt eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad 1, das mit einer oberen Lenkwelle 2 und einer unteren Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist. Die untere Lenkwelle 3 ist wiederum drehfest mit einem ersten Lenkritzel 4 gekoppelt. Das Lenkritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 5 einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 1 führt über die Verbindung der Lenkwelle 2 und 3 und des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 9 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 1 erforderlich macht. Zwei Servomotoren 10, 11 sind vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Drehrichtung und das Drehmoment der Servomotoren 10, 11 werden durch einen Torsionssensor 12 an der Lenkwelle gesteuert. Die Servomotoren 10, 11 leiten die Lenkhilfskraft über ein zweites Ritzel 13, das mit einem zweiten Zahnsegment 14 in Eingriff steht bzw. ein drittes Ritzel 15, welches mit einem dritten Zahnsegment 16 in Eingriff steht, in die Zahnstange 6 ein.
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Das erste Zahnsegment 5 liegt dabei in einem ersten Zahnstangenabschnitt 17 und das zweite und dritte Zahnsegment 14, 16 sind in einem zweiten, von dem ersten beabstandeten Zahnstangenabschnitt 18 angeordnet. Weiterhin sind das zweite und dritte Zahnsegment 14, 16 auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange 6 angeordnet, wobei das dritte Zahnsegment 16 auf der gleichen Zahnstangenseite wie das erste Zahnsegment 5 vorgesehen ist. Die Drehachse 131 (=Wellenachse) des zweiten Ritzels 13 und die Drehachse 151 (=Wellenachse) des dritten Ritzels 15 sind in diesem Beispiel parallel zueinander ausgerichtet. Mit nicht dargestellten Vorspannelementen und/oder exzentrischen Lagerungen der Wellen der Ritzel 13, 15 erfolgt die Spielreduktion des Flankenspiels im Getriebeeingriff zwischen Ritzel 13, 15 und Verzahnung 14, 16 der Zahnstange 6. Eine alternative Ausrichtung der Wellenachsen in einem spitzen Winkel zueinander ist jedoch möglich.
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Der Getriebebereich der Lenkhilfe analog zur 1 ist in der 2 und der 3 detaillierter dargestellt. Die Zahnstange 6 ist im Bereich der sich gegenüber liegenden Zahnsegmente 14 und 16 mit einem etwa quadratischen Querschnitt versehen. Die Zahnsegmente 14 und 16 sind an zwei sich gegenüber liegenden Seitenflächen der Zahnstange 6 angeordnet. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel sind die Zahnsegmente 14 und 16 in einem spitzen Winkel von etwa 10° gegeneinander geneigt, so dass die von den Zahnsegmenten 14 und 16 definierten Ebenen von den Servomotoren 10, 11 gesehen aufeinander zulaufen. Dementsprechend sind die Drehachse 131 des zweiten Ritzels 13 und die Drehachse 151 des dritten Ritzels 15, im Unterschied zur Darstellung in 1, in einem spitzen Winkel zueinander orientiert. Die angetrieben Seiten der Ritzel 13 und 15, die einerseits mit dem Servoantrieb 10 und andererseits mit dem Servoantrieb 11 verbunden sind, weisen einen größeren Abstand voneinander auf als die freien Enden der Lenkritzel 13 und 15. Zwischen den Zahnsegmenten 14 und 16 weist die Zahnstange 6 zwei sich gegenüber liegende Führungen 19 auf, die in Form von Längsnuten etwa über die Länge der Zahnsegmente auf der Zahnstange angebracht sind. Die Führungen 19 verlaufen etwa parallel zu den Zahnsegmenten 14 und 16. In die Führungen 19 greifen bezüglich des Getriebegehäuses ortsfest in dem Lenkgetriebe angeordnete Führungselemente 20 ein, die die Zahnstange 6 führen. Die Zahnstange 6 wird durch die Führungselemente 20 in ihrer vertikalen Ausrichtung, also in ihrer relativen Lage zu den Drehachsen der Ritzel 13 und 15 fixiert. Auf diese Weise kann das Flankenspiel des Verzahnungseingriffs zwischen dem zweiten Lenkritzel 13 und dem Zahnsegment 14 sowie zwischen dem dritten Lenkritzel 15 und dem Zahnsegment 16 auf einen vordefinierten kleinen Wert, oder gar auf Null, eingestellt werden. Die Einstellung nutzt dabei die etwa V-förmige Orientierung der Ritzel 13 und 15 zueinander. Mit nicht dargestellten elastischen Elementen kann eine entsprechende Vorspannung zur Reduktion des Flankenspiels ausgebildet sein.
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Das zweite Ritzel 13 und das dritte Ritzel 15 müssen sich im Betrieb gegensinnig drehen. Eine genau synchronisierte Bewegung ist für einen präzisen Antrieb der Zahnstange 6 erforderlich. Die beiden Ritzel 13, 15 werden durch zwei separate Antriebsmotoren angetrieben. Dabei sind die Ritzel 13, 15 über ein Untersetzungsgetriebe, insbesondere ein Harmonic-Drive-Getriebe, ein Planetengetriebe oder ein Zykloidengetriebe mit dem jeweiligen Servomotor 10, 11 gekoppelt.
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In der 4 ist der Torsionssensor 12 mit einem Torsionsstab 21, der zwischen der Lenkwelle und dem ersten Lenkritzel 4 angeordnet ist, dargestellt. Eine Drehung des Lenkrads 1 führt zu einer Drehung der Lenkwelle und somit zur Verdrehung des Torsionsstabs 21. Diese Torsion wird von dem Torsionssensor erfasst und dem Lenkungssteuergerät zugeführt. Das Steuergerät ermittelt daraus die richtige Steuergröße für die Servomotoren 10, 11. Die Lenkkraftunterstützung ist dabei in Abhängigkeit von der Torsion des Torsionsstabs 21 bemessen.
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Die 5, 6 und 7 zeigen drei Ausführungsbeispiele mit nur einem einzigen Servomotor.
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In der 5 treibt der Servomotor 11 das dritte Ritzel 15 an, wobei das zweite Ritzel 13 über eine Verzahnung eines Zahnradgetriebes angetrieben wird. Hierzu ist es nur schematisch veranschaulicht, dass das Ritzel 13 mit einem ersten Zahnrad 22 drehfest verbunden ist, während das zweite Lenkritzel 15 mit einem zweiten Zahnrad 23 drehfest verbunden ist. Die Zahnräder 22 und 23 stehen miteinander im Eingriff. Sie weisen den gleichen Umfang auf, so dass die Drehwinkelgeschwindigkeit der Ritzel 13 und 15 identisch ist. Dies ist bei identisch ausgebildeten Eingriffen zwischen dem Ritzel 13 und dem Zahnsegment 14 einerseits und dem Ritzel 15 und dem Zahnsegment 16 andererseits erforderlich. Es kann in anderen Ausführungsformen auch vorgesehen sein, dass die Verzahnungseingriffe zu beiden Seiten der Zahnstange 6 unterschiedlich ausgebildet sind, insbesondere die beiden Ritzel einen unterschiedlichen Umfang oder Wälzkreis aufweisen. Dann muss die Synchronisierung über entsprechend angepasste Zahnräder oder andere Synchronisierungsmittel erfolgen.
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In der 6 treibt der einzige Servomotor 11 ein drittes Ritzel 15 an, wobei das zweite Ritzel 13 über eine Verzahnung eines Zahnradgetriebes angetrieben wird. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 5 sind die gegenüberliegenden Zahnsegmente der beiden Ritzel 13, 15 um 90 Grad um die Längsachse der Zahnstange 6 gegenüber einem Zahnsegment, welches in Eingriff mit dem mit der Lenkwelle gekoppelten Lenkritzel 4 steht, versetzt. Durch die Anordnung der Ritzel auf separaten Zahnstangenabschnitten ist es möglich die Verzahnungen in unterschiedlichen Winkellagen anzuordnen und somit das Lenkgetriebe an verschiedene Fahrzeuge und ihre Bauräume individuell anzupassen.
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Die beiden Ausführungsformen der 5 und 6 zeigen einen ersten Zahnstangenabschnitt 17 mit nur einem Zahnsegment, welches mit dem ersten Ritzel 4 in Eingriff steht. Zusätzlich zu dem Führungselement 20 ist hier im Bereich des Eingriffs des ersten Ritzels 4 in die Zahnstange 6 ebenfalls eine Führung 24 mit einem bezüglich des Getriebegehäuses ortsfest in dem Lenkgetriebe angeordnete Führungselement 25 vorgesehen, sowie eine Führung 26 der Zahnstange auf der dem Ritzel 4 gegenüberliegenden Seite. Die Führung 26 kann auch als Druckstück ausgebildet sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Allerdings kann es Ausführungsformen geben, bei denen auf ein aufwendiges Druckstück zur Einstellung des Spiels des Eingriffs Ritzel/Zahnstange verzichtet werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform des Getriebes nach den 5 und 6 sieht vor, dass das Zahnrad 22 mit dem zweiten Ritzel 13 starr in dem Getriebegehäuse gelagert und mit dem Ritzel 13 verbunden ist, während die Lagerung des zweiten Zahnrades 23 und des dritten Ritzels 15 in engen Grenzen beweglich ausgeführt ist, so dass ein variabler Achsabstand zwischen dem Ritzel 13 und dem Ritzel 15 gewährleistet ist. Durch geeignete Anfederung kann dann das dargestellte Getriebe spielfrei gehalten werden. Die bei der Fertigung einzuhaltenden Toleranzen werden dadurch vergrößert, was die Fertigung vereinfacht.
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In der 7 ist eine weitere Ausführungsform mit einem einzigen Antriebsmotor 11 gezeigt, wobei das zweite und dritte Ritzel 13, 15 mittels Schneckenräder 27, 28 über eine Schneckenwelle 29 angetrieben werden.
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8 zeigt eine weitere mögliche Anordnung des zweiten und dritten Ritzels 13, 15, bei der die Ritzel entgegengesetzt ausgerichtet sind. Die hier gezeigten Servomotoren 10, 11, die die Ritzel antreiben, liegen somit auf entgegengesetzten Seiten der Zahnstange. Die Drehachsen des zweiten Ritzels 13 und dritten Ritzels 15 sind dabei weiterhin, wie in vorhergehenden Beispielen in einem spitzen Winkel zueinander orientiert. In diesem Beispiel ist jedoch auch eine parallele Lage der Wellenachsen oder Drehachsen 131, 151 der beiden Ritzel 13, 15 möglich.
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Die 9 veranschaulicht eine schematische Getriebeansicht, wie sie der 7 entspricht.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Schneckenradgetriebe, wobei der Antrieb über eine Schneckenwelle 30 ein erstes Schneckenrad 31 verbunden mit dem zweiten Ritzel 13 antreibt, wobei das zweite Schneckenrad 32, welches mit dem dritten Ritzel 15 verbunden ist, von dem ersten Schneckenrad 31 über eine entsprechende Zahngetriebestufe angetrieben wird.
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Die 11 und 12 veranschaulichen entsprechende Zahnradgetriebe bei denen jeweils ein Ritzel mit einem Zahnrad 33, 34 fest verbunden ist, welches über eine Welle 35 des Servomotors 11 angetrieben wird.
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Die 13 und 14 zeigen schematische Kegelradgetriebe. Über ein Kegelrad, welches mit dem Servomotor 11 über eine Welle 36 verbunden ist, werden die beiden Ritzel (13, 15) über jeweils ein Zahnrad 37, 38 angetrieben. Dabei können die beiden fest mit jeweils einem Ritzel in Verbindung stehenden Zahnräder direkt von dem Kegelrad (13) angetrieben werden, oder wie in 14 dargestellt kann ein erstes Zahnrad 37 in das Kegelrad und ein zweites Zahnrad 38 in Eingriff mit dem ersten Zahnrad stehen.
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Die vorangestellten Figuren sollen verdeutlichen, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf bestimmte Getriebeformen und Anriebe begrenzt ist. Das zweite und dritte Ritzel können über beliebigartige Getriebe angetrieben werden, wobei ein oder zwei Servomotoren vorgesehen sind.
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Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe ermöglicht es, eine Lenkhilfe mit einem oder zwei Servomotoren im Bereich eines zweiten vom Eingriff des Lenkritzel in die Zahnstange beabstandeten Zahnstangenabschnitts zu wählen, so dass das Lenkgetriebe besonders hohe Unterstützungsmomente bei flexibler Bauraumgestaltung aufbringen kann.
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Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe eignet sich zum Einsatz in ein Steer-by-Wire Lenksystem bei dem keine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe vorhanden ist. Dabei bieten insbesondere die Ausführungsbeispiele entsprechend den 1, 2, 3 und 8, bei denen zwei voneinander unabhängige Antriebsmotoren vorgesehen sind, ein hohes Maß an Redundanz, wie es für Steer-by-Wire Systeme vorteilhaft ist. Bei dem Ausfall einer der beiden Elektromotoren kann der andere Elektromotor somit einen Notbetrieb sicherstellen. Die ist besonders relevant, vor dem Hintergrund, dass die volle Antriebsleistung des Lenksystems bevorzugt beim Einparken und somit bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten benötigt wird.
