DE102020208512A1

DE102020208512A1 - Spindelantrieb für einen Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges sowie Steer-by-wire-Lenkvorrichtung

Info

Publication number: DE102020208512A1
Application number: DE102020208512.9A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kuhnt; Henning Schwenke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-01-13
Also published as: WO2022008246A1

Abstract

Ein Spindelantrieb (41, 141) für einen Aktuator (40) einer Steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs weist ein Gehäuse (46), eine Spindel (42, 142) und eine drehbar ortsfest gelagerte Spindelmutter (43, 143) auf, welche innerhalb des Gehäuses (46, 146) einen Spindelantrieb (41) zum axialen Verlagern der Spindel (42, 142) gegenüber der Spindelmutter (43) ausbilden. Zumindest ein Schwingungstilger (100, 200, 300) ist mit der Spindel (42, 142) gekoppelt, um Torsionsschwingungen zumindest zu vermindern, wobei der Schwingungstilger unter Berücksichtigung seines Eigenschwingverhaltens und des Eigenschwingverhaltens der Spindel (142) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb für einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges sowie einer Steer-by-wire Lenkvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aus der DE 10 2014 206 934 A1 ist ein Stellmotor bzw. Aktuator mit einem Spindelantrieb bekannt, welche eine ortsfest gelagerte Spindelmutter und eine axial gegenüber dieser verlagerbare Spindel aufweist. Zumindest ein Ende dieses Aktuators, welcher in einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung Anwendung findet, ist mittels eines Lenkgestänges mit einem Radträger verbunden. Durch die lineare Verschiebung der Spindel kann eine Änderung des Radlenkwinkels eines drehbar an dem Radträger gelagerten Rades bewirkt werden. Die steer-by-wire-Lenkvorrichtung wird auf dem Signalwege, also ohne mechanische Kopplung angesteuert. Das Innengewinde der Spindelmutter und das Außengewinde der Spindel bilden ein Bewegungsgewinde aus, welches z. B. als Trapezgewinde ausgebildet wird, welches selbsthemmend ist.
Bei einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs treten hohe Seitenkräfte auf, die durch den vorgenannten Spindelantrieb abgestützt werden müssen, damit die Lenkvorrichtung radführend ist und sich der eingestellte Radlenkwinkel nicht ändert. Die hohen Kräfte bewirken in dem Bewegungsgewinde des Spindelantriebs des Aktuators eine hohe Reibung. Zwischen den Gewindeflanken von Spindel und Spindelmutter tritt auch bei Verwendung von optimierten Schmiermitteln eine hohe Reibung auf. Aufgrund der zwischen den Gewindeflanken auftretenden Haftreibung und Gleitreibung an den Kontaktflächen der aneinander liegenden Gewindeflanken kann es zu einem sogenannten Stick-Slip-Effekt kommen. Es handelt sich hierbei um das abwechselnde Haften und Gleiten der Gewindeflanken, welches zu schwankenden Drehmomenten zwischen der Spindelmutter und der Spindel führen kann. Hierbei kann die Spindel zu Torsionsschwingungen, auch Drehschwingungen genannt, angeregt werden. Eine fortwährende Anregung über einen Mindestzeitraum nahe der Resonanzfrequenz der Spindel oder anderer Bauteile in dem Aktuator kann eine Maximierung der Amplitude zur Folge haben. Die Anregung kann somit bewirken, dass Luftschall derart emittiert wird, dass dieser von Fahrzeuginsassen akustisch wahrgenommen werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Spindelantrieb für einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs dahingehend weiterzubilden, dass der Aktuator akustisch unauffällig ist.
Die Lösung des Problems gelingt durch einen Spindelantrieb für einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges sowie einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Spindelantrieb eines Aktuators einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges weist ein Gehäuse auf, in welchem eine Spindel und eine drehbar sowie ortsfest angeordnete Spindelmutter gelagert ist. Die Spindel und die Spindelmutter bilden innerhalb des Gehäuses einen Spindelantrieb zum axialen Verlagern der Spindel gegenüber der Spindelmutter aus. Die Spindel weist ein Außengewinde auf, welches mit dem Innengewinde der Spindelmutter in Eingriff ist und somit ein Bewegungsgewinde bilden. Wird die Spindelmutter drehangetrieben, z. B. durch einen Elektromotor, bevorzugt durch ein Getriebe, vorzugsweise Riemengetriebe, so bewirkt das Bewegungsgewinde, dass die Spindel axial entlang ihrer Längsachse gegenüber der Spindelmutter bzw. dem Gehäuse verlagert wird. Durch die axiale Verlagerung entlang ihrer Längsachse kann der Radlenkwinkel eines Rades geändert werden, welches drehbar an einem Radträger angeordnet ist, welcher zumindest mit einem Ende der Spindel verbunden ist.
Die zuvor angesprochenen hohen Seitenkräfte der Räder im Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges bewirken eine hohe Flächenpressung zwischen den Gewindeflanken in dem Bewegungsgewinde. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Reibung in dem Bewegungsgewinde. Der zuvor genannte Stick-Slip-Effekt verstärkt sich, wenn der Drehantrieb die Spindelmutter temporär bzw. in Intervallen antreibt und dabei sehr hohe Seitenkräfte auf die Spindel wirken. Das ist z.B. der Fall, wenn das Fahrzeug mit einer sehr geringen Geschwindigkeit bewegt wird, wie z.B. bei einem Parkiervorgang - vor allem wenn große bis maximale Radlenkwinkel eingestellt werden. Somit kann es im Betrieb des Spindelantriebs durch einen ständigen Wechsel von drehender und stehender Spindelmutter zu torsionalen Anregungen in dem Bauteil Spindel kommen. Auch ist der Stick-Slip-Effekt vom Drehrichtungswechsel und der Drehgeschwindigkeit der Spindelmutter abhängig. Neben der Spindel können hierdurch aber auch weitere Bauteile zum Schwingen angeregt werden, insbesondere wenn diese eine ähnliche Eigenschwingung wie die Spindel besitzen.
Der Begriff Stick-Slip-Effekt (Haftgleiteffekt) leitet sich aus den beiden englischen Wörtern „stick“ (haften) und „slip“ (gleiten) ab. In der Physik und Technik beschreibt der Stick-Slip-Effekt ein in aller Regel unerwünschtes, ruckartiges Gleiten von Festkörpern, die sich gegeneinander bewegen (vom Stillstand ruckartig zum Gleiten). Hier sind als Festkörper die Gewindeflanken der Spindel und die Gewindeflanken der drehbar gegenüber der Spindel angeordneten Spindelmutter anzusehen. Die Spindel wird somit durch die Spindelmutter in deren Drehrichtung ruckartig tordiert bis die Haftreibung überwunden ist und Gleiten einsetzt. Dieser Vorgang wiederholt sich in kurzen Intervallen und versetzt die Spindel in Drehschwingungen. Der Effekt und dessen impulsartige Auswirkung ist zumindest von verschiedenen Faktoren abhängig wie zum Beispiel der momentan anliegenden Seitenkraft durch die Räder, der Drehbewegung der Spindelmutter aus deren Stillstand sowie der Drehgeschwindigkeit der Spindelmutter und auch der Temperatur in dem Bewegungsgewinde und des Schmierstoffs. Bei einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit der Spindelmutter gegenüber der Spindel tritt dabei eine maximale Anregung zum Schwingen auf, weil hier der Stick-Slip-Effekt am größten ist. Liegt quasi die Relativgeschwindigkeit der Gewindeflanken im Betriebspunkt der Mischreibung (Übergang der Haft- zur Gleitreibung) so tritt der Stick-Slip auf. Des Weiteren ergeben sich Reibwerte aufgrund der verwendeten Werkstoffe von Spindelmutter und Spindel.
Zur Änderung des Schwingverhaltens der Spindel könnte man diese mit einer größeren Masse, z. B. mit einem größeren Durchmesser fertigen. Dieses würde jedoch zu einem höheren Materialeinsatz mit erhöhtem Gewicht und zusätzlich erforderlicher mechanischer Bearbeitung z.B. in Form von Zerspanung bei der Herstellung führen, welcher die Spindel teurer werden ließe. Bei einer Durchmesserzunahme der Spindel müssten aber auch Lagerungen der Spindel gegenüber dem Gehäuse sowie die Spindelmutter in ihren Dimensionen angepasst werden und ggfs. müsste die Montage des Spindelantriebs angepasst werden.
Um die Torsionsschwingungen der Spindel und dadurch bewirktes Schwingen weiterer Bauteile des Aktuators zumindest zu reduzieren bzw. zu minimieren oder ganz zu verhindern, wird gemäß der Erfindung ein Schwingungstilger mit der Spindel gekoppelt. Der Schwingungstilger wird unter Berücksichtigung seines Eigenschwingverhaltens und des Eigenschwingverhaltens der Spindel ausgebildet.
Die Spindel ist als ein Hauptsystem anzusehen, welches durch den vorgenannten Stick-Slip-Effekt zum Drehschwingen angeregt wird. Eine größere Masse der Spindel würde bei gleicher Anregung lediglich zu einer Dämpfung bei der Anregung führen. Es wird damit der Zeitpunkt des Erreichens einer kritischen Amplitude verzögert, wobei der Energieeintrag abhängig vom maximalen Stellhub der Spindel, auch Verstellweg genannt, abhängig sein kann. Auch kann eine größere Masse zu einer veränderten Eigenschwingung, auch Eigenfrequenz genannt, führen, welche ggfs. außerhalb der Anregung liegt.
Der Schwingungstilger ist jedoch nicht starr mit dem Hauptsystem Spindel verbunden, sondern schwingend im Sinne eines Drehpendels an diesem gelagert, z.B. mittels einer Feder. Der Schwingungstilger kann mit anderen Worten um die Spindel herum schwingen. Vorliegend wird die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers, also der Tilgermasse mit der Feder auf die zu eliminierende Eigenfrequenz der Spindel eingestellt. Es wird mit anderen Worten das Eigenschwingverhalten der Tilgermasse und der Spindel bei der Auslegung des Schwingungstilgers berücksichtigt. Dabei schwingt der Schwingungstilger gegebenenfalls phasenverschoben zur Spindel und verhindert damit die Weiterleitung von Schwingungsenergie. Es kommt somit nicht zur Anregung und die Emission von Luftschall bleibt aus.
Physikalisch näher betrachtet entstehen durch den Schwingungstilger zwei neue Eigenfrequenzen, welche oberhalb und unterhalb der Eigenfrequenz des Schwingungstilgers liegen und eine deutlich geringere Amplitude aufweisen als die Amplitude der Eigenschwingung der angeregten Spindel. Diese entstehen aus der Kombination des Hauptsystems mit dem Schwingungstilger. Dieses ergibt sich aus der gleichphasigen und der gegenphasigen Schwingung von Hauptsystem mit Schwingungstilger. Diese neuen Eigenfrequenzen wirken sich jedoch nicht hörbar aus. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Amplituden der neu entstandenen Eigenfrequenzen durch eine zusätzliche Dämpfung zu verkleinern.
Durch Variationen der Parameter des Schwingungstilgers, wie z.B. Tilgermasse, Steifigkeit der Feder, Abstand der Tilgermasse von der Torsionsachse, lässt sich die Schwingung erheblich beeinflussen. Auch wenn die Spindel im stark vereinfacht betrachteten Fall lediglich eine monofrequente, harmonische Anregung erfährt, so ist die Wirklichkeit erheblich komplexer. Es liegt nicht eine einzige anregende Frequenz vor, sondern vielmehr zumindest ein Frequenzband, welches z.B. 9 kHz ± 2,5 kHz beträgt. Das liegt an der Beschaffenheit der Spindel, welche über ihre Länge unterschiedliche Durchmesser und somit z.B. unterschiedliche Trägheitsmomente aufweist. Für die genaue Bestimmung der Parameter des Schwingungstilgers sind aufwändige Messungen bei dem Spindelantrieb des Aktuators erforderlich, um hiernach eine wirksame Minimierung der Eigenschwingungen bzw. letztlich der Ausschließung der Emission von Luftschall zu bewirken.
Die Eigenschwingung oder auch Eigenfrequenz wird auch Resonanzfrequenz genannt, weil diese das maximale Erreichen der Eigenschwingung darstellt. Das entspricht einem Maximum der Anregung der Spindel oder anderer Bauteile, die aufgrund der Stick-Slip-Anregung schwingen. Die Resonanzfrequenz ist mit anderen Worten die Frequenz, bei der die Amplitude einer erzwungenen Schwingung maximal wird. Bei einer Anregung im gut hörbaren Bereich von z.B. 7-12 kHz wird Luftschall emittiert, der für Insassen im Fahrzeug wahrgenommen werden kann. Die Spindel weist bei einem Aktuator einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung eine Resonanzfrequenz z.B. in diesem Bereich auf. Da sich auch bei geringer Anregung nahe der Resonanzfrequenz große Amplituden ergeben, reichen mit anderen Worten geringe Anregungen aus, um hierdurch gut hörbaren Luftschall mit der Spindel zu erzeugen. Dieses kann durch die Erfindung wirkungsvoll reduziert bzw. eliminiert werden.
Der Schwingungstilger weist bevorzugt zumindest eine Tilgermasse und zumindest eine Feder auf. Je nach vorhandenem Bauraum kann es sinnvoll sein, die berechnete Tilgermasse aufzuteilen, sodass zumindest zwei unterschiedlich große Tilgermassen verwendet werden können. Es können ineinander geschachtelte Federn verwendet werden, welche unterschiedliche Federsteifigkeiten aufweisen. Die zumindest eine Tilgermasse und/oder die zumindest eine Feder sind zumindest mittelbar mit der Spindel gekoppelt. Die Kopplung mit der Spindel kann kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig erfolgen.
Bevorzugt ist in Abhängigkeit von der zu eliminierenden Eigenfrequenz der Spindel die Tilgermasse zum einen von der Längsachse der Spindel mit einer radialen Distanz beabstandet und weist zum anderen eine bestimmte Masse auf. Bei der Spindel handelt es sich um ein System, welches von der Spindelmutter aufgrund von Haft- und Gleitreibung zu Torsionsschwingungen um ihre Längsachse angeregt wird. Da bei dem Spindelantrieb die Längsachsen von Spindelmutter, Spindel und Schwingungstilger aufeinander liegen, findet die Torsion um diese Längsachse herum statt. Der Abstand der Tilgermasse von der Längsachse ist dabei maßgeblich für die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers. Die Auslenkung - also die Amplitude oder der Betrag der Auslenkung - ist unabhängig von der Frequenz. Der Abstand der Tilgermasse von der Längsachse bestimmt wiederum deren Trägheit. Durch die Masse und ihren Abstand sowie der Federsteifigkeit der Feder kann damit die Frequenz des Schwingungstilgers festgelegt werden, wenn die zu eliminierende Frequenz bekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umgreift die Tilgermasse die Spindel zumindest teilweise. Ist die Tilgermasse des Schwingungstilgers kreisringförmig ausgebildet, so umgreift die Tilgermasse die Spindel offensichtlich vollständig. Die Tilgermasse kann als Kreiszylindersegment, Trapezkörper oder als Hohlzylindersegment etc. ausgebildet sein. Eine solche Tilgermasse, welche sich zum Beispiel nur über 1/5 des Umfangs um die Längsachse herum erstreckt, umgreift die Spindel zumindest teilweise.
In einer weiteren Ausführungsform ist zusätzlich zum Schwingungstilger eine Trägheitsmasse vorgesehen, welche zumindest mittelbar mit der Spindel gekoppelt ist. Diese kann zum einen eine Dämpfung Amplitude oder Änderung der Eigenschwingung bewirken. Durch die Verwendung des Schwingungstilgers mit der Spindel entstehen aber auch zwei neue Eigenfrequenzen, welche jedoch deutlich von der ursprünglichen Eigenschwingung der Spindel abweichen. Prinzipbedingt kann es zu einer Verstärkung dieser Schwingungen kommen. Hier lässt sich vorteilhafter Weise mittels zusätzlicher Dämpfung durch zumindest eine Trägheitsmasse die Wirkung solcher Frequenzen reduzieren. Die Trägheitsmasse kann als separates, z.B. zylindrisches, insbesondere rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet sein. Auch kann die Trägheitsmasse als Teil eines vorhandenen Bauteils des Spindelantriebs bzw. Aktuators ausgebildet sein. Ein solches Bauteil könnte ein Zapfen darstellen, welcher Teil einer Verdrehsicherung für die Spindel gegenüber dem Gehäuse ist und hierzu beispielsweise in die Spindel oder die Lagerhülse eingeschraubt ist. Die Trägheitsmasse ist bevorzugt kraft- und/oder stoff- und/oder formschlüssig mit der Spindel gekoppelt.
Die Trägheitsmasse oder ein zur Befestigung verwendetes Trägerbauteil können beispielsweise auf der Spindel aufgepresst (Übermaßpassung) oder mittels einer Klemmung z.B. über eine Klemmschraube kraftschlüssig festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Befestigung mittels Kleben oder Schweißen oder durch formschlüssig korrespondierende Geometrien erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Trägerbauteil zwischen Feder und Spindel ausgebildet. Somit ergibt sich eine mittelbare Fixierung der Feder mit der Spindel. Das Trägerbauteil weist vorzugsweise eine möglichst geringe Masse auf. Der Schwingungstilger aus Tilgermasse(n), Feder(n) sowie Trägerbauteil kann in vorteilhafter Weise als vorkonfiguriertes Bauteil hergestellt sein und mittels des Trägerbauteils mit der Spindel montiert werden. Des Weiteren kann das Trägerbauteil auch hinsichtlich des vorhandenen Bauraums vorteilhaft sein. Ist in dem Aktuator bzw. dessen Gehäuse für den Schwingungstilger lediglich in einem Teilbereich Bauraum vorhanden, so muss der Schwingungstilger gegebenenfalls als ein Exzenter ausgebildet sein. In diesem Fall wäre es einfach möglich, dass das Trägerbauteil ringartig die Spindel umgreift und an einer Stelle radial abragend zumindest eine Feder aufweist, an welcher eine oder mehrere Tilgermassen federnd gelagert ist. Eine solche Ausführung ist in 4a bzw. 4b beispielhaft gezeigt. Die zumindest eine Trägheitsmasse kann zusätzlich oder alternativ zumindest teilweise aus einer Lagerhülse gebildet sein, welche mit der Spindel gekoppelt ist. Die Lagerhülse und/oder das Trägerbauteil sind bevorzugt mit der Spindel kraft- und/oder formschlüssig verbunden, bevorzugt verschraubt, und bildet eine Verlängerung an zumindest einem Ende der Spindel aus. Mittels der Lagerhülse bzw. ihrer zylindrischen Außenwandung ist die Spindel gegenüber dem Gehäuse des Aktuators, insbesondere mittels einer in das Gehäuse eingepressten Lagerbuchse, gelagert. Die Spindel erhält so eine Führung entlang ihrer Längsachse in dem Gehäuse des Aktuators.
Ist nur sehr wenig Bauraum vorhanden, so kann es erforderlich sein, dass der Spindelantrieb sehr kompakt angeordnet und ausgebildet sein muss. Bevorzugt sind hierzu die Tilgermasse und/oder die Lagerhülse und/oder die Trägheitsmasse derart ausgebildet, dass diese ineinandergreifen. Mit anderen Worten sind die vorgenannten Bauteile in der gewünschten Kombination geschachtelt angeordnet, sodass sich diese teilweise umgreifen oder ineinander ragen, jedoch ohne sich in ihrer Funktion zu behindern.
Die Tilgermasse und/oder die Trägheitsmasse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Hierdurch sind hinsichtlich der Gestaltung des Schwingungstilgers und der Trägheitsmasse mit Blick auf den zur Verfügung stehenden Bauraum und auch der Montage vorteilhafte Möglichkeiten gegeben. So kann beispielsweise zunächst ein Teil einer Tilgermasse oder Trägheitsmasse mit der Spindel verbunden werden und in einem späteren Montageschritt diese mit einem weiteren abschließenden Teil der Trägheitsmasse montiert werden.
In einer besonders kompakten, d. h. Bauraum sparenden Ausführung ist die Trägheitsmasse und/oder Tilgermasse mit einer zur Längsachse der Spindel konzentrischen Außenwandung ausgebildet. Da die Trägheitsmasse und die Lagerbuchse mit der Spindel gekoppelt sind, kann deren konzentrische Außenwandung zumindest mittelbar mit dem Gehäuse, vorzugsweise mit einer Lagerbuchse zusammenwirken, um eine Gleitlagerung zur Führung der Spindel in dem Aktuator bzw. dessen Gehäuse auszubilden. Die Außenwandung ist für das Zusammenwirken mit der Lagerbuchse bevorzugt zylindrisch ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schwingungstilger mit der zuvor bereits genannten Lagerhülse mittels einer Feder gekoppelt. Die Lagerhülse ist wiederum mit der Spindel fest verbunden. Damit der Schwingungstilger mit seiner Tilgermasse frei um die Spindel herum schwingen kann, ist es erforderlich, dass der Innendurchmesser der Tilgermasse größer als der Außendurchmesser der Spindel ist. Ebenfalls muss hierzu der Außendurchmesser der Tilgermasse geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Lagerbuchse ausgeführt sein, damit eine Berührung ausgeschlossen ist. Die Tilgermasse lässt sich als zylindrische Hülse um die Spindel herum ausbilden und greift mit ihrer einen Stirnseite bevorzugt um einen Absatz der Lagerhülse herum, wobei in den Ringspalt zwischen Tilgermasse und Lagerhülse die Feder bevorzugt als ein eingespritztes Elastomer ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft schließlich eine steer-by-wire-Lenkvorrichtung, welche mit einem Aktuator mit einem Spindelantrieb wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Die steer-by-wire-Lenkvorrichtung ist bevorzugt als Hinterachslenkung ausgebildet.
Bei einer steer-by-wire-Lenkvorrichtung handelt es sich um eine von der mechanischen Lenkung entkoppelte Lenkvorrichtung. Die Lenkbewegung des Fahrers mittels einer Lenkhandhabe wird nicht auf rein mechanischem Wege, beispielsweise über ein Gestänge, auf die Radträger bzw. Räder übertragen. Vielmehr wird ein Lenkwinkel für die jeweiligen Räder einer Achse, z. B. in einem Steuergerät unter Berücksichtigung von Fahrzeugdaten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Gierrate etc. berechnet, welches Stellsignale an den oder die Aktuatoren der steer-by-wire-Lenkvorrichtung sendet und letztlich die Radlenkwinkeländerung bewirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1 einen Aktuator nach dem bekannten Stand der Technik,
2 eine schematische Ansicht eines Spindelantriebs eines Aktuators mit einem Schwingungstilger,
3 und 4 weitere Ausführungen eines Spindelantriebs eines Aktuators mit Trägheitsmasse, jeweils in Detailansicht.

1 zeigt einen Aktuator 40 für eine steer-by-wire-Lenkvorrichtung. Der Aktuator 40 wird auch Stellmotor genannt, und umfasst einen Spindelantrieb 41, welcher eine Spindel 42 mit einem Spindelaußengewinde 42a sowie eine Spindelmutter 43 mit einem Innengewinde 43a aufweist. Die Spindelmutter 43 ist über Wälzlager 44, 45 in einem Gehäuse 46 drehbar gelagert und axial fixiert - mit anderen Worten ortsfest gelagert. In dem Gehäuse 46 sind die vorgenannten Bauteile aufgenommen. Auf der Spindelmutter 43 ist drehfest ein Riemenrad 47 angeordnet, welches über einen Riementrieb 48 von einem Elektromotor 49 mittels eines Riemens 55 antreibbar ist. Die Spindel 42 ist an einem Ende mit einer Lagerhülse 50 in Form einer Lagerhülse, auch Schub- oder Aufschraubzapfen genannt, welcher in einer Lagerbuchse in Form eines Gleit- oder Schublagers 51 gehäuseseitig geführt ist, verbunden. Die Lagerhülse 50, die links teilweise aus dem Gehäuse 46 herausragt, ist mit einer Gelenkhülse 52 verbunden, an welche ein nicht dargestelltes Lenkgestänge mit einem Radträger gelenkig gekoppelt ist. Der rechte Gehäuseteil ist über ein Gelenk 53 fahrzeugseitig bzw. am Aufbau der Karosserie abgestützt.
Die vorgenannte Anordnung ist als steer-by-wire-Lenkvorrichtung an einer Fahrzeugachse, bevorzugt als eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges einsetzbar. Der dargestellte Aktuator 40 ist als Einzelsteller ausgebildet, d. h. er ist z.B. radnah angeordnet und einseitig an der Karosserie abgestützt, um einen Radlenkwinkel eines Rades zu ändern. Mit dem anderen Ende ist der Aktuator über die Gelenkhülse 52 mittels eines Lenkgestänges oder unmittelbar mit einem Radträger verbunden, an dem ein Rad drehbar gelagert ist. Es sind 2 Kräfte F1 und F2 eingezeichnet, welche stellvertretend auf die Spindel 42 des Aktuators 40 wirkende Seitenkräfte darstellen. Die Kraft F2 wirkt etwa parallel zur Längsrichtung der Spindel 42 während die Kraft F1 eine sogenannte Querkraft darstellt, welche in einem gewissen Winkel zur Längsachse auf das Gelenk 52 und somit auf die Spindel 42 des Aktuators 40 wirkt.
Der Aktuator 40 wirkt beispielsweise auf ein Hinterrad und ändert dessen Radlenkwinkel, wenn die Spindel 42 linear verlagert wird. Entsprechend ist für das zweite Hinterrad ein weiterer Aktuator 40 vorgesehen. Die Änderung des Radlenkwinkels erfolgt über die Spindel 42, welche bei einem Antrieb durch die Spindelmutter 43 axial verschiebbar ist und die Linearbewegung über die Lagerhülse 50 auf die Gelenkhülse 52 überträgt. Bei einem zentral, d.h. auf beide Räder einer Achse lenkend wirkenden Aktuator ist der geschilderte Spindelantrieb ebenfalls anwendbar. Etwaige Schwingungen der Spindel 42, welche durch den sogenannten Stick-Slip-Effekt hervorgerufen werden, bewirken unter Umständen die Emission von Luftschall. Dieser wird ungehindert durch das Gehäuse nach außen herbei übertragen. Derartige Schwingungen können auch die weiteren beschriebenen Bauteile zum Mitschwingen anregen. Über die Anwendungspunkte an der Karosserie (Gelenk 53) und am Fahrwerk (Gelenk 52) werden derartige Schwingungen in die Karosserie eingeleitet und werden somit für die Fahrzeuginsassen wahrnehmbar.
2 zeigt eine zum Teil im Schnitt gezeichnete schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spindelantriebes 141. Eine Spindel 142 ist umgeben von einer Spindelmutter 143, welche beide konzentrisch zur Längsachse a angeordnet sind. Die Spindelmutter 141 ist mit ihrem Innengewinde mit dem Außengewinde der Spindel 142 im Eingriff und diese bilden ein Bewegungsgewinde. Die Spindelmutter 143 wird, analog zu 1, mittels eines nicht dargestellten Elektromotors mit Antriebsriemen, welcher auf das Riemenrad 147 wirkt, welches mit der Spindelmutter 143 fest verbunden ist, in der durch den großen Pfeil dargestellten Drehrichtung in Drehung versetzt. Aufgrund der Reibung im Bewegungsgewinde, welche durch die Seitenkräfte F1, F2 verstärkt werden, wird in dem Bewegungsgewinde der vorgenannte Stick-Slip-Effekt bewirkt. Aufgrund der Reibung versucht die Spindelmutter 143 die Spindel 142 in dieselbe Richtung mit zu drehen. Die Spindel 142 ist jedoch gegen Verdrehen gesichert (nicht gezeigt), damit diese ausschließlich linear verlagert werden kann. Durch den Stick-Slip-Effekt ergeben sich Schwingungen, genauer Drehschwingungen, welche bei ausreichend großer Anregung die Emission von Luftschall zur Folge hat. Um die Drehschwingungen zu reduzieren oder im Idealfall komplett zu verhindern, ist ein Schwingungstilger 100 abseits der Spindelmutter 143 auf der Spindel 142 angeordnet. Der Schwingungstilger 100 ist aus einer Tilgermasse 100m, einer Feder 100f sowie einem Trägerbauteil 100t gebildet. Die Tilgermasse 100m ist mit der Feder 100f fest verbunden, wobei die Feder 100f schließlich drehfest mit dem Trägerbauteil 100t verbunden ist. Das Trägerbauteil 100t ist drehfest auf der Spindel 142 angeordnet. Die Tilgermasse 100m umgreift die Spindel 142 ringförmig und weist zur Längsachse a einen radialen Abstand R auf. Die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers kann durch die Tilgermasse 100m sowie den Abstand R zur Längsachse a eingestellt werden. Die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 100 wird dabei auf die Eigenfrequenz der Spindel 142 ohne einen Schwingungstilger eingestellt. Wird nun die Spindelmutter 143 in Drehrichtung angetrieben, so kann aufgrund der Reibung eine verminderte oder keine Anregung zum Schwingen durch den Stick-Slip-Effekt erfolgen. Die Emission von Luftschall unterbleibt.
3 zeigt ausschnittsweise eine Schnittdarstellung eines Spindelantriebes mit Schwingungstilger im Detail. Für unveränderte Bauteile gleicher Funktion wurden die gleichen Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Die Spindel 142 ist an ihrem linken Ende mit der Lagerhülse 150 fest verschraubt. Die Spindel 142 wird entlang ihrer Längsachse a mittels der Lagerhülse 150 gegenüber dem Gehäuse 146 gleitend geführt, welches durch die in das Gehäuse 146 eingepresste Lagerbuchse 151 ermöglicht wird. Die Lagerhülse 150 weist einen Absatz 158 auf. Die Tilgermasse 200m weist einen ringförmigen Fortsatz 200a auf, welcher den Absatz 158 der Lagerhülse 150 konzentrisch umgreift. Der Fortsatz 200a ragt somit axial in den Absatz 158 der Lagerhülse 150 hinein. Zwischen dem Fortsatz 200a und dem Absatz 158 liegt ein Ringspalt 115 vor. Dieser Ringspalt 115 ist mit einer Feder 200f wie zum Beispiel einem eingespritzten Elastomer gefüllt und verbindet die Tilgermasse 200m mit der Lagerhülse 150 und bildet somit einen Schwingungstilger aus. Drehschwingungen der Tilgermasse 200m sind möglich, weil diese eine zylindrische Außenwandung aufweist, welche berührungslos axial in die Lagerbuchse 151 eintauchen kann (hier dargestellt). Zwischen Tilgermasse 200m und der Innenwandung der Lagerbuchse ist ein Ringspalt 105 vorhanden. Die Tilgermasse 200m umgreift ebenfalls die Spindel 142. Damit die Tilgermasse 200m um die Spindel 142 herum drehend schwingen kann, ist der Innendurchmesser T der Tilgermasse 200m zumindest geringfügig größer als der Außendurchmesser L der Spindel 142 im Bereich der Anordnung der Tilgermasse 200m gegenüber der Spindel 142 an dieser Stelle. Die Ausführung gemäß 3 ist eine sehr kompakte Bauweise, welche sowohl in axialer als auch in radialer Richtung betrachtet geringen Bauraum benötigt.
Die 4a sowie 4b zeigen eine weitere Ausführungsform, welche ebenfalls geschnitten dargestellt ist. Auch hier werden für unveränderte Bauteile gleicher Funktion die gleichen Bezugszeichen wie in den 2 oder 3 verwendet. Analog zu 3 ist eine Spindel 142 mit einer Lagerhülse 150 durch Verschraubung fest verbunden. Die Außenwandung der Lagerhülse 150 ist in der Lagerbuchse 151 gleitend geführt, welche in dem Gehäuse 146 eingepresst ist. In beiden Figuren ist eine Spindelmutter 143 mit ihrem Innengewinde im Eingriff mit dem Außengewinde der Spindel 142 und bildet ein Bewegungsgewinde. Die Spindelmutter 143 ist drehbar und ortsfest gegenüber dem Gehäuse 146 mittels eines Wälzlagers 145 gelagert.
4a zeigt eine Darstellung, bei der die Spindel 142 maximal nach links gefahren ist, wohingegen 4b eine Darstellung zeigt, bei welcher die Spindel maximal nach rechts gefahren ist. In der Ausführung gemäß der 4a/4b wird neben einem Schwingungstilger 300 zusätzlich eine Trägheitsmasse 330 eingesetzt. Die Trägheitsmasse 330 dämpft Schwingungen der Spindel, so dass eine Anregung verzögert erfolgt. Die Trägheitsmasse 330 umgreift mit ihrem ringförmigen, der Lagerhülse 150 zugewandten Fortsatz 200a die Lagerhülse 150 an deren der Spindel zugewandtem Absatz. Die Trägheitsmasse 330 ist an dem gezeigten Ort der Spindel 142 auf diese aufgepresst.
Der Schwingungstilger 300 ist aus einer Tilgermasse 300m, einer radial abragenden Feder 300f sowie einem Trägerbauteil 300t gebildet. In der Schnittdarstellung IV-IV, welche sich auf die 4a bezieht, ist eine Tilgermasse 300m gezeigt, welche an der Feder 300f angeordnet ist. Das ringartige Trägerbauteil 300t ist auf einen der Spindelmutter 143 zugewandten zylindrischen Teil der Spindel 142 neben der Trägheitsmasse 330 aufgepresst. Trägheitsmasse 330 und Schwingungstilger 300 sind berührungslos auf der Spindel 142 angeordnet. Wird die Spindel zum Drehschwingen angeregt, so kann der auf die Eigenschwingung der Spindel 142 abgestimmte Schwingungstilger 300 eine gegenphasige Drehschwingung ausführen, wodurch ein Drehschwingen der Spindel vermindert wird bzw. gar nicht erst auftritt.
Bei der hier gezeigten Ausführung gemäß der 4a/4b wird ebenfalls eine sehr kompakte Bauform gewählt. Die Tilgermasse 300m ist exzentrisch bzw. als Exzenter angeordnet. In Bezug auf das maximale Ausfahren der Spindel 142 nach links gemäß 4a wird somit verhindert, dass die Tilgermasse 300m mit dem Gehäuse 146 kollidieren kann. Das wäre hier der Fall, wenn eine umlaufende, z.B. ringförmige Tilgermasse verwendet würde. Bei einem maximalen Ausfahren nach rechts, gemäß Darstellung in 4b, berühren sich die Bauteile nicht aufgrund der geschickt geschachtelten Anordnung der Tilgermasse 300m mit dem Riemenrad 147. Die Tilgermasse 300m taucht in die Ausnehmung 147a des Riemenrades 147 ein - eine Kollision ist trotz Drehung des Riemenrades mit der Spindelmutter 142 nicht möglich.
Bezugszeichenliste

40: Aktuator
41, 141: Spindelantrieb
42, 142: Spindel
42a: Innengewinde Spindelmutter
43, 143: Spindelmutter
43a: Außengewinde Spindel
44: Lager
45, 145: Lager
46, 146: Gehäuse
47, 147: Riemenrad
48: Riementrieb
49: Elektromotor
50, 150: Lagerhülse
51, 151: Lagerbuchse
52: Gelenkhülse
53: Lagerauge
55: Riemen
100, 200, 300: Schwingungstilger
100f, 200f, 300f: Feder
100m, 200m, 300m: Tilgermasse
100t, 300t: Trägerbauteil
105: Ringspalt
115: Ringspalt
130, 330: Trägheitsmasse
147a: Ausnehmung
150: Lagerhülse
151: Lagerbuchse
158: Absatz
200a: Fortsatz
a: Längsachse
T: Innendurchmesser Tilgermasse
L: Außendurchmesser Spindel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014206934 A1 [0002]

Claims

Spindelantrieb (41, 141) für einen Aktuator (40) einer Steer-by-wire-Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Spindel (42, 142) und eine drehbar sowie ortsfest gelagerte Spindelmutter (43, 143), welche innerhalb eines Gehäuses (46, 146) zum axialen Verlagern der Spindel (42, 142) gegenüber der Spindelmutter (43) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schwingungstilger (100, 200, 300) mit der Spindel (142) gekoppelt ist, um Torsionsschwingungen der Spindel zumindest zu minimieren, wobei der Schwingungstilger unter Berücksichtigung seines Eigenschwingverhaltens und des Eigenschwingverhaltens der Spindel (142) ausgebildet ist.
Spindelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger (100, 200, 300) zumindest eine Tilgermasse (100m, 200m, 300m) und zumindest eine Feder (1 00f, 200f, 300f) aufweist, wobei Tilgermasse(n) und/oder Feder(n) zumindest mittelbar mit der Spindel (142) gekoppelt sind.
Spindelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der zu eliminierenden Anregung der Eigenfrequenz der Spindel (142) die Tilgermasse (100m, 200m, 300m) von der Längsachse (a) der Spindel (142) mit einer radialen Distanz (R) beabstandet ist und eine Masse (M) aufweist, welche bevorzugt zu einer gegenphasigen Schwingung führt.
Spindelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (100m, 200m, 300m) die Spindel (142) zumindest teilweise umgreift.
Spindelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Schwingungstilger (100, 200, 300) eine Trägheitsmasse (130, 330) vorgesehen ist, welche zumindest mittelbar mit der Spindel (142) gekoppelt ist.
Spindelantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägerbauteil zwischen Feder und Spindel ausgebildet ist, wobei das Trägerbauteil bevorzugt zumindest teilweise die Trägheitsmasse (130, 330) ausbildet.
Spindelantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitsmasse zumindest teilweise aus einer Lagerhülse (150) gebildet ist, welche mit der Spindel (142) gekoppelt ist.
Spindelantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (100m, 200m, 300m) und/oder die Lagerhülse (150) und/oder die Trägheitsmasse (330) zumindest teilweise ineinander eingreifen.
Spindelantrieb nach einem der Ansprüche von 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (100, 200, 300) und/oder die Trägheitsmasse (130, 330) ein- oder mehrteilig ausgebildet sind.
Spindelantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitsmasse (130, 330) und/oder die Tilgermasse (200m) mit einer zur Längsachse (a) der Spindel (142) konzentrischen Außenwandung (105), bevorzugt zylindrischen Außenwandung ausgebildet ist, wobei die Außenwandung der Trägheitsmasse vorzugsweise eine Lagerfläche ausbildet, welche zumindest mittelbar mit dem Gehäuse (46), vorzugsweise mit einer Lagerbuchse (151) zusammenwirkt.
Spindelantrieb nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (T) der Tilgermasse (100m, 200m) größer als der Außendurchmesser (L) der Spindel (142) ausgebildet ist.
Steer-by-wire-Lenkvorrichtung mit einem Aktuator (40) mit einem Spindelantrieb (41, 141) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bevorzugt ausgebildet als Hinterachslenkung.