DE102020130015A1

DE102020130015A1 - Elektrisches kugelumlauf-servolenkungssystem

Info

Publication number: DE102020130015A1
Application number: DE102020130015.8A
Authority: DE
Inventors: Kun Yang; Peter D. Schmitt; Jeffrey E. Beyerlein
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN112829823A; CN112829823B; US11780491B2; US20210155286A1

Abstract

Ein elektrisches Servolenkungssystem umfasst einen Elektromotor, der eine Motorausgangswelle umfasst. Das System umfasst auch eine Schnecke, die funktional mit der Motorausgangswelle gekoppelt ist. Das System umfasst ferner ein Schneckenrad, das in Kontakt mit der Schnecke ist und funktional mit einer Zusatzwelle gekoppelt ist. Das System umfasst ferner auch ein treibendes Zahnrad, das funktional mit der Zusatzwelle gekoppelt ist. Das System umfasst auch ein angetriebenes Zahnrad, das in Kontakt mit dem treibenden Zahnrad steht und funktional mit einer Eingangswelle gekoppelt ist, um ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe anzutreiben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Lenkungssysteme und insbesondere ein elektrisches Kugelumlauf-Servolenkungssystem mit hoher Leistung.
HINTERGRUND
Viele Fahrzeuge erfordern entweder aufgrund der Fahrzeugaufhängungs- und Lenkungsarchitektur oder der erforderlichen Getriebeausgabe ein Kugelumlauf-Lenkgetriebe. Die meisten Kugelumlauf-Lenkgetriebe verwenden hydraulische Leistung, um die notwendige Unterstützung bereitzustellen.
Das von einem elektrischen Kugelumlauf-Lenkgetriebe verfügbare Ausgangslenkdrehmoment ist eine Funktion des Motordrehmoments multipliziert mit der Getriebeübersetzung des Assistenzmechanismus, summiert mit dem Fahrereingabedrehmoment, und zuletzt multipliziert mit der Getriebeübersetzung des Kugelumlauf-Lenkgetriebes. Frühere Versuche, Assistenzmechanismen mit elektrischer Lenksäulen-Servolenkung (CEPS) zu verwenden, konnten die gewünschte Lenkgetriebe-Gesamtausgabeleistung nur sehr eingeschränkt erreichen, entweder aufgrund einer zu geringen Übersetzung oder einer unzureichenden Drehmomentkapazität für bestehende Schnecken-Schneckenrad-Sätze.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein elektrisches Servolenkungssystem einen Elektromotor, der eine Motorausgangswelle umfasst. Das System umfasst auch eine Schnecke, die funktional mit der Motorausgangswelle gekoppelt ist. Das System umfasst ferner ein Schneckenrad, das in Kontakt mit der Schnecke steht und funktional mit einer Zusatzwelle gekoppelt ist. Das System umfasst ferner auch ein treibendes Zahnrad, das funktional mit der Zusatzwelle gekoppelt ist. Das System umfasst auch ein angetriebenes Zahnrad, das in Kontakt mit dem treibenden Zahnrad steht und funktional mit einer Eingangswelle gekoppelt ist, um ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe anzutreiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst ein elektrisches Servolenkungssystem einen Elektromotor. Das System umfasst auch eine erste Zahnradanordnung, die von dem Elektromotor angetrieben wird. Das System umfasst ferner eine zweite Zahnradanordnung, die durch die erste Zahnradanordnung angetrieben wird, wobei die zweite Zahnradanordnung funktional mit einer Eingangswelle gekoppelt ist, um ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe anzutreiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Servounterstützung für ein Lenkungssystem bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Drehmomenteingangs mit einem Drehmomentsensor. Das Verfahren umfasst auch das Übertragen des erfassten Drehmomenteingangs an ein Steuergerät. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen eines erforderlichen Unterstützungsdrehmoments zumindest zum Teil auf Grundlage des Drehmomenteingangs. Das Verfahren umfasst noch weiter das Senden eines Befehls an einen Elektromotor. Das Verfahren umfasst auch das Ausgeben eines Drehmoments mit dem Motor, um eine Schnecken-Schneckenrad-Anordnung anzutreiben, wobei die Schnecken-Schneckenrad-Anordnung eine Zusatzwelle antreibt. Das Verfahren umfasst ferner das Drehen der Zusatzwelle, um ein treibendes Zahnrad anzutreiben. Das Verfahren umfasst noch weiter das Übertragen von Drehmoment mit dem treibenden Zahnrad auf ein angetriebenes Zahnrad. Das Verfahren umfasst auch das Antreiben eines Eingangs.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher werden.
Figurenliste
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, ist insbesondere in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung dargelegt und konkret beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden, in welchen:

1 eine schematische Veranschaulichung eines Lenkungssystems ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems gemäß einem Aspekt der Offenbarung ist;
3 eine erste Seitenrissansicht des elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems von 2 ist;
4 eine zweite Seitenrissansicht des elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems von 2 ist;
5 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist;
6 eine erste Seitenrissansicht des elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems von 5 ist; und
7 eine zweite Seitenrissansicht des elektrischen Kugelumlauf-Servolenkungssystems von 5 ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun bezugnehmend auf die Figuren, in welchen die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wird, sollte klar sein, dass die offenbarten Ausführungsformen rein zur Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung dienen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Verschiedene Elemente der offenbarten Ausführungsformen können kombiniert oder weggelassen werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu; einige Merkmalen können überskaliert oder minimiert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern rein als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise umzusetzen.
1 veranschaulicht einen Abschnitt einer Lenksäulenanordnung, die allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Die Lenksäulenanordnung 10 umfasst eine Lenkeingabevorrichtung, wie etwa das veranschaulichte Lenkrad 12. Das Lenkrad 12 ist funktional mit einer Lenkwelle 13 gekoppelt, die drehbar ist. Die Größenordnung und Richtung des Drehmoments, das von dem Fahrer aufgebracht wird, wird durch einen Drehmomentsensor erfasst und an ein elektrisches Servolenkungs- bzw. EPS-System 14 übertragen. Wie aus der Offenbarung hierin deutlich wird, umfasst das EPS-System 14 ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe, das ein Drehmoment an einen Lenkstockhebel 16 ausgibt, der funktional mit einer Spurstange 18 gekoppelt ist, die mechanisch mit einer zweiten Spurstange 20 mit einem Mittelglied 22 gekoppelt ist. Die Spurstangen 18, 20 sind jeweils funktional mit einem der Straßenräder (nicht gezeigt) des Fahrzeugs gekoppelt.
Das EPS-System 14 stellt eine elektrische Lösung (im Gegensatz zu einer hydraulischen) für das Kugelumlauf-Lenkgetriebe bereit. Die Zahnrad-Anordnungen des hierin offenbarten EPS-Systems 14 erhöhen die verfügbare Drehmomentassistenz, die mit einem Elektromotor verfügbar ist, ohne wesentlich mehr elektrische Leistung von dem Elektromotor zu erfordern.
Nun bezugnehmend auf 2-4 wird dort das EPS-System 14 gemäß einem Aspekt der Offenbarung veranschaulicht. Das EPS-System 14 umfasst einen Elektromotor 30, der eine Motorausgangswelle 32 umfasst, die funktional mit einer Schnecke 34 gekoppelt ist, die sich entlang einer ersten Achse A erstreckt. Die Schnecke 34 steht in verzahntem Eingriff mit einem Schneckenrad 36, so dass die Drehung der Motorausgangswelle 32 zu einer Drehung der Schnecke 34 und des Schneckenrads 36 führt. Die Schnecke 34 und das Schneckenrad 36 können hierin als eine erste Zahnradanordnung bezeichnet werden. Die erste Zahnradanordnung stellt eine teilweise Vervielfachung des Motorausgangsdrehmoments bereit.
Das Schneckenrad 36 ist funktional mit einer Zusatzwelle 38 gekoppelt, die sich entlang einer zweiten Achse B erstreckt. Ein treibendes Zahnrad 40 ist funktional mit der Zusatzwelle 38 gekoppelt. Das treibende Zahnrad 40 steht in verzahntem Eingriff mit einem angetriebenen Zahnrad 42, so dass die Drehung der Zusatzwelle 38 zu einer Drehung des treibenden Zahnrads 40 und des angetriebenen Zahnrads 42 führt. Das treibende Zahnrad 40 und das angetriebene Zahnrad 42 sind jeweils Kegelräder und können hierin als ein erstes Kegelrad bzw. einzweites Kegelrad bezeichnet werden. Gemeinsam können das treibende Zahnrad 40 und das angetriebene Zahnrad 42 hierin als eine zweite Zahnradanordnung bezeichnet werden. Die zweite Zahnradanordnung stellt eine zweite Vervielfachung des Motorausgangsdrehmoments bereit.
Das angetriebene Zahnrad 42 ist funktional mit einer Eingangswelle 44 eines manuellen Kugelumlauf-Lenkgetriebes gekoppelt, das sich innerhalb eines Gehäuses 46 befindet. Die Eingangswelle 44 erstreckt sich entlang einer dritten Achse C. Wie dargestellt sind die erste Achse A und die dritte Achse C im Wesentlichen parallel zueinander orientiert, während die zweite Achse B im Wesentlichen senkrecht relativ zu den Achsen A und C orientiert ist.
Das manuelle Kugelumlauf-Lenkgetriebe umfasst eine Ausgangswelle 48, die für eine Vervielfachung der endgültigen Getriebeübersetzung durch die Eingangswelle 44 angetrieben wird. Die Ausgangswelle 48 ist funktional mit dem Lenkstockhebel 16 gekoppelt, welcher das endgültige Lenkdrehmoment bereitstellt, das auf die Fahrzeugstraßenräder aufgebracht wird.
Nun bezugnehmend auf 5-7 wird dort das EPS-System gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung veranschaulicht und ist allgemein mit der Bezugszahl 114 bezeichnet. Das EPS-System 114 umfasst einen Elektromotor 130, der eine Motorausgangswelle 132 umfasst, die funktional mit einer Schnecke 134 gekoppelt ist, die sich entlang einer ersten Achse D erstreckt. Die Schnecke 134 steht in verzahntem Eingriff mit einem Schneckenrad 136, so dass die Drehung der Motorausgangswelle 132 zu einer Drehung der Schnecke 132 und des Schneckenrads 136 führt. Die Schnecke 134 und das Schneckenrad 136 können hierin als eine erste Zahnradanordnung bezeichnet werden. Die erste Zahnradanordnung stellt eine teilweise Vervielfachung des Motorausgangsdrehmoments bereit.
Das Schneckenrad 136 ist funktional mit einer Zusatzwelle 138 gekoppelt, die sich entlang einer zweiten Achse E erstreckt. Ein treibendes Zahnrad 140 ist funktional mit der Zusatzwelle 138 gekoppelt. Das treibende Zahnrad 140 steht in verzahntem Eingriff mit einem angetriebenen Zahnrad 142, so dass die Drehung der Zusatzwelle 138 zu einer Drehung des treibenden Zahnrads 140 und des angetriebenen Zahnrads 142 führt. Das treibende Zahnrad 140 und das angetriebene Zahnrad 142 bilden eine Stirnradanordnung. In einigen Ausführungsformen weisen das treibende Zahnrad 140 und das angetriebene Zahnrad 142 jeweils ein Schrägverzahnungsmuster auf. Gemeinsam können das treibende Zahnrad 140 und das angetriebene Zahnrad 142 hierin als eine zweite Zahnradanordnung bezeichnet werden. Die zweite Zahnradanordnung stellt eine zweite Vervielfachung des Motorausgangsdrehmoments bereit.
Das angetriebene Zahnrad 142 ist funktional mit einer Eingangswelle 144 eines manuellen Kugelumlauf-Lenkgetriebes gekoppelt, das sich innerhalb eines Gehäuses 146 befindet. Die Eingangswelle 144 erstreckt sich entlang einer dritten Achse F. Wie dargestellt ist die zweite Achse E im Wesentlichen parallel zu der dritten Achse F orientiert, während die erste Achse D im Wesentlichen senkrecht auf die zweite und dritte Achse E und F orientiert ist.
Das manuelle Kugelumlauf-Lenkgetriebe umfasst eine Ausgangswelle 148, die für eine Vervielfachung der endgültigen Getriebeübersetzung durch die Eingangswelle 144 angetrieben wird. Die Ausgangswelle 148 ist funktional mit dem Lenkstockhebel 16 gekoppelt, welcher das endgültige Lenkdrehmoment bereitstellt, das auf die Fahrzeugstraßenräder aufgebracht wird.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen stellen eine weitere zusätzliche Zahnradanordnung (d. h., zweite Zahnradanordnung) bereit, um das Unterstützungsdrehmoment zwischen dem Assistenzmechanismus (d. h., dem Elektromotor und der ersten Zahnradanordnung) und dem Eingang des manuellen Kugelumlauf-Lenkgetriebes zu entkoppeln. Wie vorstehend beschrieben stellen die Ausführungsformen eine elektrische Lösung für ein Kugelumlauf-Lenkgetriebe bereit. Die Vorteile in Verbindung mit solchen Ausführungsformen umfassen Kraftstoffeinsparungen, vereinfachte Unterbringung und Montage im Fahrzeug, Bereitstellung von fortschrittlichen EPS-Funktionen wie etwa Radunwuchtabweisung, und die Fähigkeit zur Unterstützung fortschrittlicher Fahrerassistenzsystem- bzw. ADAS-Funktionen wie Spurhaltung.
Während die Erfindung in Verbindung mit einer nur begrenzten Anzahl von Ausführungsformen im Detail beschrieben wurde, sollte ohne Weiteres klar sein, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Varianten, Abwandlungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen einzubeziehen, die vorstehend nicht beschrieben wurden, die jedoch ebenfalls dem Geist und Umfang der Erfindung entsprechen. Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sollte außerdem klar sein, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt anzusehen.

Claims

Elektrisches Servolenkungssystem, umfassend: einen Elektromotor, der eine Motorausgangswelle umfasst; eine Schnecke, die funktional mit der Motorausgangswelle gekoppelt ist; ein Schneckenrad, das in Kontakt mit der Schnecke ist und funktional mit einer Zusatzwelle gekoppelt ist; ein treibendes Zahnrad, das funktional mit der Zusatzwelle gekoppelt ist; und ein angetriebenes Zahnrad, das in Kontakt mit dem treibenden Zahnrad steht und funktional mit einer Eingangswelle gekoppelt ist, um ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe anzutreiben.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zusatzwelle und die Eingangswelle senkrecht zueinander orientiert sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 2, wobei das treibende Zahnrad ein erstes Kegelrad ist und das angetriebene Zahnrad ein zweites Kegelrad ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zusatzwelle und die Eingangswelle parallel zueinander orientiert sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 4, wobei das treibende Zahnrad und das angetriebene Zahnrad eine Stirnradanordnung bilden.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 5, wobei das treibende Zahnrad und das angetriebene Zahnrad Schrägstirnräder sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Steuergerät in funktionaler Kommunikation mit dem Elektromotor und einem Drehmomentsensor.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Ausgangswelle des manuellen Kugelumlauf-Lenkgetriebes funktional mit einem Lenkstockhebel gekoppelt ist, wobei der Lenkstockhebel funktional mit einer Spurstange gekoppelt ist, um ein Unterstützungsdrehmoment für Fahrzeugstraßenräder bereitzustellen.
Elektrisches Servolenkungssystem, umfassend: einen Elektromotor; eine erste Zahnradanordnung, die von dem Elektromotor angetrieben wird; und eine zweite Zahnradanordnung, die durch die erste Zahnradanordnung angetrieben wird, wobei die zweite Zahnradanordnung funktional mit einer Eingangswelle gekoppelt ist, um ein manuelles Kugelumlauf-Lenkgetriebe anzutreiben.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 9, wobei die erste Zahnradanordnung umfasst: eine Schnecke, die funktional mit dem Elektromotor gekoppelt ist; und ein Schneckenrad, das in Kontakt mit der Schnecke ist und funktional mit einer Zusatzwelle gekoppelt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 9, wobei die zweite Zahnradanordnung umfasst: ein treibendes Zahnrad, das funktional mit einer Zusatzwelle gekoppelt ist, die durch die erste Zahnradanordnung angetrieben wird; und ein angetriebenes Zahnrad, das in Kontakt mit dem treibenden Zahnrad ist und funktional mit der Eingangswelle gekoppelt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 11, wobei die Zusatzwelle und die Eingangswelle senkrecht zueinander orientiert sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 12, wobei das treibende Zahnrad ein erstes Kegelrad ist und das angetriebene Zahnrad ein zweites Kegelrad ist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 11, wobei die Zusatzwelle und die Eingangswelle parallel zueinander orientiert sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 14, wobei das treibende Zahnrad und das angetriebene Zahnrad eine Stirnradanordnung bilden.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 15, wobei das treibende Zahnrad und das angetriebene Zahnrad Schrägstirnräder sind.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Steuergerät in funktionaler Kommunikation mit dem Elektromotor und einem Drehmomentsensor.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 11, wobei eine Ausgangswelle des manuellen Kugelumlauf-Lenkgetriebes funktional mit einem Lenkstockhebel gekoppelt ist, wobei der Lenkstockhebel funktional mit einer Spurstange gekoppelt ist, um ein Unterstützungsdrehmoment für Fahrzeugstraßenräder bereitzustellen.
Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Servounterstützung für ein Lenkungssystem, umfassend: Erfassen eines Drehmomenteingangs mit einem Drehmomentsensor; Übertragen des erfassten Drehmomenteingangs an ein Steuergerät; Bestimmen eines erforderlichen Unterstützungsdrehmoments zumindest zum Teil auf Grundlage des Drehmomenteingangs; Senden eines Befehls an einen Elektromotor; Ausgeben eines Drehmoments mit dem Motor, um eine Schnecken-Schneckenrad-Anordnung anzutreiben, wobei die Schnecken-Schneckenrad-Anordnung eine Zusatzwelle antreibt; Drehen der Zusatzwelle, um ein treibendes Zahnrad anzutreiben; Übertragen von Drehmoment mit dem treibenden Zahnrad auf ein angetriebenes Zahnrad; und Antreiben eines Eingangs.