DE102015002686B4

DE102015002686B4 - Einteilige Eingangswelle

Info

Publication number: DE102015002686B4
Application number: DE102015002686.0A
Authority: DE
Inventors: Ueli Schlegel; Manuel Büchel; Patrick Renggli
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: EP3265363A1; WO2016139214A1; DE102015002686A1; CN107428363B; CN107428363A

Abstract

Hilfskraftlenkung (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend- eine drehbar gelagerte Lenkspindel (2), mit einem ersten Endbereich (8) und einem zweiten Endbereich (9), wobei der erste Endbereich (8) Mittel zum Anschluss eines Lenkrades aufweist,- eine motorische Lenkunterstützungseinrichtung (30) mit einem Getriebe (10), einem Elektromotor (15) und einer Abtriebswelle (19), wobei die Abtriebswelle (19) über das Getriebe (10) von dem Elektromotor (15) antreibbar ist und mit dem zweiten Endbereich (9) der Lenkspindel (2) über einen Drehstab (23) unmittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (2) in ihrem zweiten Endbereich (9) einen Bereich mit einer Bogenverzahnung aufweist, der in der zentralen Bohrung der Abtriebswelle (19) aufgenommen ist, wobei die zentrale Bohrung der Abtriebswelle (19) in dem Bereich der Aufnahme ein korrespondierendes Profil zur Bildung einer Überlastsicherung (27) aufweist und die Bogenverzahnung in Form eines Kleeblattprofilrohrs ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Lenksäule eines Kraftfahrzeugs stellt sowohl die Halterung der drehmomentübertragenden Lenkwelle, auch Lenkspindel genannt, und des Lenkrades im Kraftfahrzeug als auch die mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad des Kraftfahrzeuges und dem Lenkgetriebe dar. Lenksäulen mit motorischen Lenkunterstützungseinrichtungen, so genannten Servomotoren oder Servoantrieben, die die Lenkwelle antreiben, werden als Servolenkungen oder Hilfskraftlenkungen bezeichnet. Sie unterstützen das von einem Fahrer aufgebrachte Lenkdrehmoment durch Aufprägen eines zusätzlichen Drehmoments auf die Lenkwelle.
Die Lenkkraftunterstützung einer Hilfskraftlenkung kann durch Lenkmomentüberlagerung erfolgen. Für leichte Kraftfahrzeuge ist vor allem die Bauart geeignet, bei der der Servoantrieb direkt auf die Lenkwelle wirkt. Diese Bauart wird als „column driven power assisted steering“ oder kurz ColPAS genannt.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lenksäulen bekannt, bei denen die Lenksäule eine aus mehreren Lenkspindelteilen zusammengesetzte Lenkspindel aufweist, wobei die Lenksäule teleskopierbar ist und im Falle eines Crashs in ihrer Länge gestaucht werden kann.
Aus der DE 10 2011 050 683 A1 ist eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine Lenkspindel aus zwei drehmomentübertragenden und miteinander verbundenen Lenkspindelteilen aufweist, wobei die Teile zur Dämpfung von über die Lenkspindel übertragenen Vibrationen mittels eines Dämpfungskörpers verbunden sind. Dabei sind die Eingangswelle der Lenkunterstützungseinrichtung und die Lenkspindel der Lenksäule als zwei separate Bauteile ausgestaltet, welche erst bei der Montage der Lenksäule zu einer Baugruppe zusammengesetzt werden.
Diese Montage ist zeitaufwändig und es müssen eine Vielzahl von Bauteilen mit engen Fertigungstoleranzen hergestellt werden, was zu unerwünschten Kosten führt. Aus der DE 11 2010 001 889 T5 ist eine gattungsgemäße Getriebeanordnung für eine Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die einfach montierbar und kostengünstig herstellbar ist, wobei die Eigenfrequenz des Systems positiv beeinflusst werden soll.
Diese Aufgabe wird von einer Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
Danach ist eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine drehbar gelagerte Lenkspindel, mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich, wobei der erste Endbereich Mittel zum Anschluss eines Lenkrades aufweist, weiterhin umfassend eine motorischen Lenkunterstützungseinrichtung mit einem Getriebe, einem Elektromotor und einer Abtriebswelle, wobei die Abtriebswelle über das Getriebe von dem Elektromotor antreibbar ist, vorgesehen, wobei die Abtriebswelle mit dem zweiten Endbereich der Lenkspindel über einen Drehstab unmittelbar verbunden ist. Die Lenkspindel ist von dem Lenkrad bis zum Getriebe durchgängig ausgestaltet und fungiert somit ebenfalls als Eingangswelle der Lenkunterstützungseinrichtung. Durch diese Konstruktion ist die Hilfskraftlenkung besonders einfach montierbar, wobei die Eigenfrequenz des Systems im Vergleich zu mehrfach unterteilten Anordnungen erhöht ist. Weiterhin wird die Anzahl der Bauteile der Hilfskraftlenkung reduziert, was einen deutlichen Kostenvorteil erbringt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Drehstab mit seinem einen Ende in einer zentralen Bohrung der Abtriebswelle des Getriebes angeordnet ist und mit der Abtriebswelle drehfest verbunden ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Drehstab mit seinem anderen Ende in einer zentralen Bohrung des zweiten Endbereichs der Lenkspindel aufgenommen ist und mit dieser ebenfalls drehfest verbunden ist.
In der Erfindung weist die Lenkspindel in ihrem zweiten Endbereich einen Bereich mit einer Bogenverzahnung auf, der in der zentralen Bohrung der Abtriebswelle aufgenommen ist, wobei die zentrale Bohrung in dem Bereich der Aufnahme ein korrespondierendes Profil zur Bildung einer Überlastsicherung aufweist, die jedoch eine geringe Verdrehung der beiden Bauteile zueinander zulässt. Durch die Überlastsicherung wird eine Zerstörung des Torsionsstabes auch für hohe zu übertragende Drehmomente verhindert.
Erfindungsgemäß ist die Bogenverzahnung in Form eines Kleeblattprofilrohrs gebildet.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Getriebe ein Schneckengetriebe ist und die Abtriebswelle mit einem Schneckenrad des Schneckengetriebes drehfest verbunden ist. Die Abtriebswelle durchsetzt vorzugsweise das Getriebe. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Abtriebswelle an ihrem lenkspindelfernen Ende über ein Gelenk mit einer Lenkzwischenwelle verbunden ist und somit als Ausgangswelle fungiert.
Zur Messung eines Torsionsmomentes des Drehstabs ist bevorzugt ein Drehmomentsensor angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Lenkspindel und die Abtriebswelle des Getriebes Hohlwellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Hilfskraftlenkung zur Erläuterung des allgemeinen Aufbaus einer Lenksäule mit einer Lenkunterstützungseinrichtung,
2: eine räumliche Ansicht der Lenksäule im Bereich der Lenkunterstützungseinrichtung,
3: eine räumliche Ansicht der Lenksäule im Bereich der Lenkunterstützungseinrichtung ohne Gehäuse,
4: eine räumliche Ansicht der Lenksäule mit einem Getriebe der Lenkunterstützungseinrichtung,
5: eine Explosionszeichnung eines Anschlusses einer Lenkspindel und einer Abtriebswelle des Getriebes,
6: eine vergrößerte Darstellung der mit der Abtriebswelle des Getriebes zusammengesetzten Lenkspindel,
7: eine Explosionszeichnung des Anschlusses der Lenkspindel und der Abtriebswelle des Getriebes mit einem Drehstab,
8: einen Längsschnitt durch die Verbindung der Lenkspindel mit der Abtriebswelle des Getriebes,
9: eine Draufsicht auf das Getriebe und den Drehstab, sowie
10: einen Querschnitt entlang der Linie A-A der 8.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hilfskraftlenkung 1 eines nicht dargestellten Fahrzeugs mit einer drehbar gelagerten einteiligen Lenkspindel 2. Die Lenkspindel 2 dient der Übertragung der von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs am Lenkrad 3 ausgeführten Lenkbewegungen auf ein Zahnstangenlenkgetriebe 31, umfassend ein Lenkritzel 4 und eine Zahnstange 5. Das Zahnstangenlenkgetriebe 31 setzt die Drehbewegung der Lenkspindel 2 in eine translatorische Bewegung der Zahnstange 5 um, wodurch das an einer Spurstange 6 angelenkte Rad 7 des Fahrzeugs einen Lenkeinschlag ausführt. Zur Unterstützung der Lenkbewegung des Fahrers ist eine Lenkunterstützungseinrichtung 30 vorgesehen. Die Lenkspindel 2 ist an einem ersten Endbereich 8 (vergleiche 5) unmittelbar drehfest mit dem Lenkrad 3 und an einem zweiten Endbereich 9 über einen Drehstab 23 mit einem Getriebe 10 der Lenkunterstützungseinrichtung 30 verbunden. Das Getriebe 10 treibt ausgangsseitig über ein Kardangelenk 11 eine Lenkzwischenwelle 12 an, die wiederum über ein Kardangelenk 13 mit einer unteren Lenkwelle 14 verbunden ist. Das Getriebe 10 trägt an seinem Gehäuse einen Elektromotor 15. Die Hilfskraftlenkung 1 ist über eine Trageeinheit 16 an der Karosserie des Fahrzeugs befestigt.
In den 2 und 3 ist die Lenkunterstützungseinrichtung 30 vergrößert dargestellt. Dabei ist das Getriebe 10 und der Elektromotor 15 dargestellt. Das Getriebe 10 ist als Schneckengetriebe mit einem Schneckenrad 17 und einer Schnecke 18 ausgebildet. Zur Momentübertragung greift die vom Elektromotor 15 angetriebene Schnecke 18 in das Schneckenrad 17, das wiederum drehfest mit einer Abtriebswelle 19 des Getriebes 10 verbunden ist. Das Getriebe 10 ist von einem Getriebegehäuse 20 umgeben, welches mit einem Gehäuse 21 des Servomotors verschraubt ist.
Die 4, 5, 6 und 7 zeigen die Verbindung der einteiligen Lenkspindel 2 mit dem Getriebe 10. Die Lenkspindel 2 reicht von einem Lenkradanschluss 22, der am ersten Endbereich 8 der Lenkspindel 2 angeordnet ist, bis zum Schneckenrad 17 des Getriebes 10, wo sie mit ihrem zweiten Endbereich 9 mit der Abtriebswelle 19 des Getriebes 10 mittels des Drehstabs 23 verbunden ist. Eine Bewegung der Lenkspindel 2 relativ zur Abtriebswelle 19 des Getriebes 10 führt zu einem Torsionsmoment an dem Drehstab 23. Das Torsionsmoment des Drehstabs 23 ist durch einen bekannten Drehmomentsensor messbar und bestimmt die gewünschte Lenkunterstützung. Die Lenkspindel 2 fungiert dabei als Eingangswelle der motorischen Lenkunterstützungseinrichtung 30. Die Abtriebswelle 19 ist an ihrem lenkspindelfernen Ende über das Kardangelenk 11 mit der Lenkzwischenwelle 12 verbunden. Die Lenkzwischenwelle 12 verfügt über ein längenausgleichendes und drehmomentübertragenes Teleskopgestänge. Das Teleskopgestänge dient zum Ausgleich von Fahrzeugtoleranzen und elastischen Verformungen bei dynamischer Beanspruchung oder zur Kompensation einer Längsbewegung an der Lenksäule. Die Lenkzwischenwelle 12 weist an ihrem getriebefernen Ende wiederum ein Kardangelenk 13 zur Verbindung mit der unteren Lenkwelle 14 auf.
Die Verbindung zwischen der Lenkspindel 2 und der Abtriebswelle 19 des Getriebes 10 ist detailliert im Längsschnitt in 8 dargestellt. Sowohl die Lenkspindel 2 als auch die Abtriebswelle 19 sind als Hohlwellen ausgebildet und konzentrisch zu einer gemeinsamen Längsachse 200 angeordnet. Die Abtriebswelle 19 ist drehfest mit dem sie umgebenden Schneckenrad 17 verbunden. Der Innendurchmesser der Abtriebswelle 19 ist so gewählt, dass die Abtriebswelle 19 die Lenkspindel 2 an ihrem zweiten Endbereich 9 umgibt. Der Drehstab 23 ist sowohl von der Lenkspindel 2 als auch von der Abtriebswelle 19 umfasst. An einem ersten Ende 24 ist der Drehstab 23 drehfest mit der Lenkspindel 2 und an einem zweiten Ende 25 drehfest mit der Abtriebswelle 19 verbunden. In einem Übergangsbereich 26, in dem die Lenkspindel 2 und die Abtriebswelle 19 überlappend angeordnet sind, ist der Außendurchmesser des Drehstabs 23 kleiner als der Innendurchmesser der Lenkspindel 2. Im Übergangsbereich 26 weist die Lenkspindel 2 (wie in 10 gezeigt) auf ihrer Außenseite 201 in Umfangsrichtung eine Bogenverzahnung auf. Die Abtriebswelle 19 ist auf Ihrer Innenseite 191 mit einem dazu korrespondierenden Profil zur Bildung einer Überlastsicherung 27 versehen.
Die 9 und 10 zeigen im Detail die Überlastsicherung 27. Vorzugsweise ist die Bogenverzahnung, wie dargestellt, in Form eines Kleeblattprofilrohres ausgebildet. Die Lenkspindel 2 und die Abtriebswelle 19 greifen derart ineinander, dass zwischen der Außenseite 201 der Lenkspindel 2 und der Innenseite 191 der Abtriebswelle 19 im Normalfall ein kleiner umfangseitiger Spalt gebildet ist, so dass eine geringe Verdrehung der beiden Bauteile gegeneinander möglich ist. Diese Relativbewegung wird mittels des Drehstabs 23 und dem dazugehörigen Sensor gemessen und zur Bestimmung der Lenkunterstützung weiterverarbeitet. Bei Erreichen der Anschlagsgeometrie gibt der nicht dargestellte Drehmomentsensor einen vorgegebenen Maximalwert aus. Dies kann beispielsweise bei einem Ausfall der motorischen Lenkunterstützungseinrichtung 30 oder aber bei einem Werkstatt-Missbrauchstest oder bei besonderen Fahrsituationen erfolgen. Durch die korrespondierenden Profile ist die drehmomentübertragende Verbindung der Lenkspindel 2 mit der Abtriebswelle 19 gewährleistet.
Die Lenkspindel 2 ist bevorzugt ein Rohr, dass beispielsweise gehämmert oder radial umgeformt wurde.
Die erfindungsgemäße Hilfskraftlenkung 1 mit der einteiligen Lenkspindel 2 ist durch die reduzierte Anzahl an Bauteilen kostengünstig herstellbar und die Lenkspindel 2 und das Getriebe 10 sind in einfacher Weise zu montieren. Weiterhin wird die Eigenfrequenz des Systems durch die von dem Lenkrad 3 bis zum Getriebe 10 durchgängige Lenkspindel 2 erhöht.

Claims

Hilfskraftlenkung (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend - eine drehbar gelagerte Lenkspindel (2), mit einem ersten Endbereich (8) und einem zweiten Endbereich (9), wobei der erste Endbereich (8) Mittel zum Anschluss eines Lenkrades aufweist, - eine motorische Lenkunterstützungseinrichtung (30) mit einem Getriebe (10), einem Elektromotor (15) und einer Abtriebswelle (19), wobei die Abtriebswelle (19) über das Getriebe (10) von dem Elektromotor (15) antreibbar ist und mit dem zweiten Endbereich (9) der Lenkspindel (2) über einen Drehstab (23) unmittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (2) in ihrem zweiten Endbereich (9) einen Bereich mit einer Bogenverzahnung aufweist, der in der zentralen Bohrung der Abtriebswelle (19) aufgenommen ist, wobei die zentrale Bohrung der Abtriebswelle (19) in dem Bereich der Aufnahme ein korrespondierendes Profil zur Bildung einer Überlastsicherung (27) aufweist und die Bogenverzahnung in Form eines Kleeblattprofilrohrs ausgebildet ist.
Hilfskraftlenkung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstab (23) in einer zentralen Bohrung der Abtriebswelle (19) angeordnet ist und mit dieser drehfest verbunden ist.
Hilfskraftlenkung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstab (23) in einer zentralen Bohrung des zweiten Endbereichs (9) der Lenkspindel (2) aufgenommen ist und mit dieser drehfest verbunden ist.
Hilfskraftlenkung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) ein Schneckengetriebe ist und die Abtriebswelle (19) mit einem Schneckenrad (17) des Schneckengetriebes drehfest verbunden ist.
Hilfskraftlenkung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung eines Torsionsmomentes des Drehstabs (23) ein Drehmomentsensor angeordnet ist.
Hilfskraftlenkung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (2) und die Abtriebswelle (19) Hohlwellen sind.
Hilfskraftlenkung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall der motorischen Lenkunterstützungseinrichtung (30) die Lenkspindel (2) und die Abtriebswelle (19) des Getriebes (10) drehmomentübertragend miteinander verbunden sind.
Hilfskraftlenkung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (19) an ihrem lenkspindelfernen Ende über ein Kardangelenk (11) mit einer Lenkzwischenwelle (12) drehmomentübertragend verbunden ist.