DE10223863A1

DE10223863A1 - Fahrzeuglenkung mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE10223863A1
Application number: DE2002123863
Authority: DE
Inventors: Heiko Schumann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Eine Fahrzeuglenkung (1) mit elektrischem Antrieb umfaßt eine axial bewegbare Lenkstange (3) zur Einstellung eines Lenkwinkels an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs, einen stationären elektrischen Motor (8) mit einem Rotor (9), der (9) koaxial zu der Lenkstange (3) angeordnet ist, einen Kugel- oder Rollengewindetrieb, der zwischen der Lenkstange (3) und dem Rotor (9) derart eingekoppelt ist, um eine Drehbewegung des Motors (8) in eine Axialbewegung an der Lenkstange (3) umzusetzen und dazu eine Kugel- oder Rollenmutter (11) aufweist, die mit einem Gewindeabschnitt (12) der Lenkstange (3) kämmt. Die Kugel- oder Rollenmutter (11) ist in einer Hülse (14) aus einem flexiblen Material, vorzugsweise Kunststoff, drehfest aufgenommen, welche ihrerseits wenigstens mit einem Abschnitt an dem Rotor (9) festgelegt ist. Damit wird eine gute Anpassung der Kugel- bzw. Rollenmutter (11) an eine durch Reaktionskräfte verursachte Durchbiegung der Lenkstange (3) erzielt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeuglenkung mit elektrischem Antrieb, umfassend eine axial bewegbare Lenkstange zur Einstellung eines Lenkwinkels an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs, einen stationären elektrischen Motor mit einem Rotor, der koaxial zu der Lenkstange angeordnet ist, und einen Kugel- oder Rollengewindetrieb, der zwischen der Lenkstange und dem Rotor derart eingekoppelt ist, um eine Drehbewegung des Motors in eine Axialbewegung an der Lenkstange umzusetzen und der dazu eine Kugel- oder Rollenmutter aufweist, die mit einem Gewindeabschnitt der Lenkstange kämmt.

Eine derartige Fahrzeuglenkung ist beispielsweise aus der DE 44 25 101 C2 bekannt, die sich auf eine Zahnstangenlenkung mit einem elektrischen Hilfsantrieb bezieht. Bei dieser bekannten Lenkung ist die Lenkstange als Zahnstange ausgeführt und weist einen Gewindeabschnitt auf, der sich koaxial durch den Rotor des Motors erstreckt. Über die Kugelmutter wird eine Drehbewegung des Rotors in eine Axialbewegung der Zahnstange übersetzt.

Dabei ist die Kugelmutter als langgestreckte, steife Buchse ausgebildet, die koaxial um die Zahnstange herum angeordnet ist und lediglich an einem axialen Ende einen Gewindeabschnitt zum Eingriff mit dem Gewindeabschnitt der Zahnstange aufweist. Das andere Ende der Buchse ist über ein Vierpunkt-Kontaktlager drehbar in einem Gehäuse der Lenkung gehalten, so daß die Buchse bzw. Kugelmutter um dieses andere Ende ein wenig kippen kann. Dies hat zur Folge, daß das Gewindeende Verspannungen oder Verbiegungen der Zahnstange, die durch Reaktionskräfte von den Fahrzeugrädern hervorgerufen werden, leicht folgen kann. Dadurch wird verhindert, daß die Kugelmutter stärkeren Belastungen ausgesetzt wird.

Eine ähnliche Konstruktion ist weiterhin aus der DE 100 11 140 A1 bekannt. Insbesondere ist dort eine Rollenmutter über eine langgestreckte Hohlwelle mit einem glockenförmigen Rotor eines Motors verbunden.

Die bekannten Lösungen bedingen jedoch verhältnismäßig hohe Herstellungskosten. Sie erfordern überdies eine aufwendige Verbindungstechnik sowie einen großen Bauraum und neigen außerdem im Betrieb zu einem unrunden Lauf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere wird angestrebt, eine Fahrzeuglenkung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Ankopplung des Motors an die Lenkstange im Hinblick auf die Fertigungseigenschaften, den Bauraumbedarf und das Drehmomentübertragungsverhalten verbessert ist.

Dazu wird eine Fahrzeuglenkung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der die Kugel- oder Rollenmutter in einer Hülse aus einem flexiblen Material, vorzugsweise Kunststoff drehfest aufgenommen ist, welche ihrerseits wenigstens mit einem Abschnitt an dem Rotor festgeklemmt ist.

Diese Lösung bewirkt eine biegeweiche Verbindung zwischen dem Rotor und dem Gewindeabschnitt der Lenkstange, so daß selbst bei einer Durchbiegung der Lenkstange infolge von Reaktionskräften stets ein guter Gewindeeingriff der Kugel- bzw. Rollenmutter gewährleistet bleibt. Die Flexibilität der Hülse ermöglicht es der Kugel- bzw. Rollenmutter der Biegelinie des Gewindeabschnitts der Lenkstange prinzipiell zu folgen, wodurch die Anzahl der tragenden Kugeln erhöht wird. Damit wird insbesondere das Drehmomentübertragungsverhalten verbessert und die Beanspruchung der Kugel- bzw. Rollenmutter reduziert, woraus eine erhöhte Lebensdauer resultiert.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird hier für die Anpassung der Kugel- bzw. Rollenmutter an eine Biegelinie der Lenkstange die Werkstoffelastizität und nicht allein eine Kippbeweglichkeit der Hülse ausgenutzt.

Gegebenenfalls begrenzt ein Anschlag die Überdehnung der Kunststoffhülse, so daß über die gesamte Lebensdauer ein sicherer Betrieb gewährleistet wird.

Überdies läßt sich die Kunststoffhülse sehr kompakt ausführen, so daß der Bauraumbedarf gering bleibt. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind niedrige Herstellungskosten, die Erleichterung der Einstellung der Toleranzen während des Fügeprozesses sowie aufgrund des E-Moduls geringere Biegesteifigkeiten. Konturbedingt treten überdies keine Rundlauf-Ungenauigkeiten auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt die flexible Kunststoffhülse einen Aufnahmeabschnitt für die Kugel- oder Rollenmutter, der gegenüber dem Rotor Radialspiel aufweist, sowie weiterhin einen axial davon beanstandeten Befestigungsabschnitt, der in dem Rotor festgelegt ist. Dies ist für eine biegweiche Verbindung zwischen dem Rotor und der Mutter besonders günstig.

Bevorzugt erfolgt die Fertigung der Kunststoffhülse aus einem thermoplastischen Elastomer, wobei die Kugel- bzw. Rollenmutter umspritzt und der Rotor durch Plastifizieren des entsprechenden Bereichs der Kunststoffhülse gefügt sein kann.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine Fahrzeuglenkung mit elektrischem Antrieb nach der Erfindung in schematischer Darstellung, und in
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Verbindungsbereich zwischen dem Motor und der Lenkstange der Lenkung aus Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Fahrzeuglenkung 1 mit elektrischem Antrieb, die hier beispielhaft als Zahnstangenlenkung mit Hilfsantrieb für ein Personkraftfahrzeug ausgebildet ist.
Die Fahrzeuglenkung 1 umfaßt ein Lenkgetriebegehäuse 2, in dem eine Lenkstange 3 axial bewegbar aufgenommen ist. An den Enden der Lenkstange 3 koppeln zwei Spurstangen 5 und 6 jeweils gelenkig an, die zu den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs führen.
In das Lenkgetriebegehäuse 2 leitet eine Lenksäule 7, die mit einem Lenkrad verbunden ist. Im Lenkgetriebegehäuse 2 ist ein Ritzel vorgesehen, das mit einer Verzahnung der Lenkstange 3 kämmt, um einen fahrerseitig an dem Lenkrad eingebrachten Lenkbefehl in eine Axialbewegung der Lenkstange 3 umzusetzen, wie dies in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
Zudem ist an das Lenkgetriebegehäuse 2 ein Motor 8 angesetzt oder sogar in dieses integriert, der einen koaxial zu der Lenkstange 3 angeordneten Rotor 9 aufweist. Der zugehörige Stator 10 ist an dem Lenkgetriebegehäuse 2 festgelegt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Motor 8 der Unterstützung der fahrerseitig eingebrachten Lenkkraft. Bei einem Ausfall der elektrischen Lenkkraftunterstützung kann das Fahrzeug weiterhin manuell gelenkt werden.
In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es jedoch auch möglich, einen fahrerseitigen Lenkbefehl bzw. die Stellung des Lenkrads allein sensorisch zu erfassen und die erfaßten Stellungsinformationen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Regeleinrichtung, zur Ansteuerung des Motors 8 zu verwenden.
Zur Umsetzung der Drehbewegung des Rotors 9 in eine Axialbewegung der Lenkstange 3 dient ein Kugelgewindetrieb, der zwischen der Lenkstange 3 und dem Rotor 9 eingekoppelt ist. Der Kugelgewindetrieb weist dazu eine Kugelmutter 11 auf, die mit einem Gewindeabschnitt 12 der Lenkstange 3 kämmt. Anstelle einer Kugelmutter 11 kann auch eine Rollenmutter vorgesehen sein.
Die Kugelmutter 11 ist nun in besonderer Art und Weise mit dem Rotor 9 verbunden, der über ein Wälz- bzw. Kugellager 13 drehbar in dem Lenkgetriebegehäuse 2 gelagert und axial festgehalten ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist zwischen der Kugelmutter 11 und dem Rotor 9 eine Hülse 14 vorgesehen, die aus einem flexiblen Kunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen Elastomer besteht. Mit dieser Hülse 14 ist die Kugelmutter 11 drehfest verbunden. Gleichzeitig ist die Hülse 14 drehfest mit dem Rotor 9 verbunden, so daß eine Drehmomentübertragung von dem Rotor 9 zu der Kugelmutter 11 gewährleistet ist. Zudem sorgt die Hülse 14 für die axiale Sicherung der Kugelmutter 11. Durch die Hülse 14 wird eine biegeweiche Verbindung realisiert, die hinreichend flexibel ist, um bei einer Durchbiegung der Lenkstange 3 eine sichere Kraftübertragung zwischen dem Gewindeabschnitt der Kugelmutter 11 und dem Gewindeabschnitt 12 der Lenkstange 3 mit einer möglichst großen Anzahl von Kugeln zu gewährleisten.
Die flexible Hülse 14 aus Kunststoff erstreckt sich entlang der Lenkstange 3 und weist einen Aufnahmeabschnitt 15 für die Kugelmutter 11 auf. Dieser Aufnahmeabschnitt 15 ist mit Radialspiel zu dem Rotor 9 angeordnet, so daß die Kugelmutter 11 der Biegelinie der Lenkstange 3 leicht folgen kann. An der Hülse 14, gegebenenfalls auch an der Kugelmutter 11 selbst, ist ein radialer Vorsprung 16 zur Begrenzung dieses Radialspiels vorgesehen, um eine Überdehnung der Hülse 14 zu verhindern.
Weiterhin weist die flexible Hülse 14 einen axial von dem Aufnahmeabschnitt 15 beanstandeten Befestigungsabschnitt 17 auf, der in dem Rotor 9 festgehalten und folglich mit dem Rotor 9 verbunden ist. Der Befestigungsabschnitt 17 ist vorzugsweise im Bereich des Kugellagers 13 angeordnet. Das Festhalten kann beispielsweise durch ein Einpressen des Befestigungsabschnitts 17 in den Rotor 9 erzielt werden, so daß sich die Hülse 14 in diesem Bereich zumindest elastisch verformt. Möglich ist auch ein Festhalten durch Warmeinbetten. Hierbei wird durch Rundkneten an dem Rotor 9 ein profilierter Innenwandabschnitt, beispielsweise eine Innenverzahnung 4 ausgebildet. Bei der Montage des Rotors 9 und der Hülse 14 wird letztere unter Temperaturbeaufschlagung in die Innenverzahnung 4 eingepreßt, so daß zwischen der Hülse 14 und dem Rotor 9 ein Formschluß besteht. In jeden Fall bleibt gewährleistet, daß die Hülse 14 und der Befestigungsabschnitt 17 die Lenkstange 3 mit Radialspiel umgeben. Eine entsprechende Verbindung kann auch zwischen der Hülse 14 und der Kugelmutter 11 vorgesehen werden, wobei letztere beispielsweise mit einer Außenverzahnung oder Abflachung versehen ist.
Des weiteren ist zwischen dem Aufnahmeabschnitt 14 und dem Befestigungsabschnitt 17 ein biegeelastischer Verbindungsabschnitt 18 vorgesehen, der radial innerhalb des Wälzlagers 13 liegt und für eine torsionssteife und axialsteife, jedoch biegeweiche Verbindung sorgt.
Wie bereits erwähnt, ist die Hülse 14 vorzugsweise aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt. Neben der Bereitstellung einer hohen Elastizität hat dies auch herstellungstechnische Vorteile, da die Kugelmutter 11 unmittelbar in die Hülse 14 eingebettet werden kann. Dies ermöglicht eine Vormontage, welche die Handhabung der Kugelmutter 11 und der Hülse 14 als Einheit erlaubt. So kann die Kugelmutter 11, die aus einem metallischen Werkstoff besteht, zumindest radial außenseitig mit der Hülse 14 umspritzt sein. Bevorzugt werden jedoch auch die axialen Enden der Kugelmutter 11 umschlossen, so daß die Kugelmutter 11 in der Hülse 14 axial festgelegt ist.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 9 innerhalb des Stators 10 angeordnet. Es jedoch auch möglich, den elektrischen Motor 8 so zu konfigurieren, daß der Rotor den Stator glockenförmig umgibt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Fahrzeuglenkung
2 Lenkgetriebegehäuse
3 Lenkstange
4 Innenverzahnung
5 Spurstange
6 Spurstange
7 Lenksäule
8 Motor
9 Rotor
10 Stator
11 Kugelmutter
12 Gewindeabschnitt
13 Wälzlager
14 Hülse
15 Aufnahmeabschnitt
16 radialer Vorsprung
17 Befestigungsabschnitt
18 Verbindungsabschnitt

Claims

1. Fahrzeuglenkung mit elektrischem Antrieb, umfassend:
eine axial bewegbare Lenkstange (3) zur Einstellung eines Lenkwinkels an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs,
einen stationären elektrischen Motor (8) mit einem Rotor (9), der (9) koaxial zu der Lenkstange (3) angeordnet ist,
einen Kugel- oder Rollengewindetrieb, der zwischen der Lenkstange (3) und dem Rotor (9) derart eingekoppelt ist, um eine Drehbewegung des Motors (8) in eine Axialbewegung an der Lenkstange (3) umzusetzen und dazu eine Kugel- oder Rollenmutter (11) aufweist, die mit einem Gewindeabschnitt (12) der Lenkstange (3) kämmt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel- oder Rollenmutter (11) in einer Hülse (14) aus einem flexiblen Material, vorzugsweise Kunststoff drehfest aufgenommen ist, welche ihrerseits wenigstens mit einem Abschnitt an dem Rotor (9) festgelegt ist.

2. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Hülse (14) einen Aufnahmeabschnitt (15) für die Kugel- oder Rollenmutter (11) aufweist, der gegenüber dem Rotor (9) Radialspiel aufweist, und einen axial davon beanstandeten Befestigungsabschnitt (17), der in dem Rotor (9) festgelegt ist.

3. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsabschnitt (17) die Lenkstange (3) mit Radialspiel umgibt.

4. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Befestigungsabschnitt (17) und dem Aufnahmeabschnitt (15) der Hülse (14) ein biegeelastischer Verbindungsschnitt (18) vorgesehen ist.

5. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hülse (14) und/oder Kugel- oder Rollenmutter ein radialer Vorsprung (16) zur Begrenzung des Radialspiels zwischen dem Aufnahmeabschnitt (15) und dem Rotor (9) vorgesehen ist.

6. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel- oder Rollenmutter (11) in die Hülse (14) eingebettet ist.

7. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel- oder Rollenmutter (11) aus einem metallischen Werkstoff besteht und zumindest radial außenseitig mit der Hülse (14) umspritzt ist.

8. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel- oder Rollenmutter (11) axial in der Hülse (14) festgelegt ist.

9. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) aus einem thermoplastischen Elastomer besteht.

10. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) durch Warmeinbetten formschlüssig in einem profilierten Innenwandabschnitt des Rotors (9) befestigt ist.