DE10310505A1

DE10310505A1 - Lenksystem mit Riementrieb

Info

Publication number: DE10310505A1
Application number: DE2003110505
Authority: DE
Inventors: Martin Budaker; Helmut KNÖDLER
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades. Das Rad ist gelenkig mit einem verlagerbaren Bauelement, das vorzugsweise eine Schubstange (10) ist, eines Getriebes, das vorzugsweise ein Kugelumlaufgetriebe (9) ist, verbunden. Um einen geräuscharmen Antrieb des Getriebes (9) durch einen elektrischen Servomotor (6) zu ermöglichen, ist vorgesehen, sowohl einen Zahnriementrieb (15) als auch parallel dazu einen Keilriementrieb, vorzugsweise einen Keilrippenriementrieb (16) anzuordnen. In einer bevorzugten Ausführung hat der Zahnriementrieb (15) ein etwa größeres Übersetzungsverhältnis als der Keilriementrieb (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere ein Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die DE 100 52 275 A1 beschreibt ein Lenksystem, das als Servolenkung für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, wobei eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades dient. Das Rad ist gelenkig in bekannter Weise mit Radlenkhebeln und Spurstangen mit einem verlagerbaren Bauelement, wie etwa einer Schub- oder Zahnstange, eines Getriebes, wie etwa einem Kugelumlaufgetriebe, verbunden. Ein elektrischer Servomotor ist antriebsmäßig mit dem verlagerbaren Bauelement des Getriebes verbunden. Zur spielfreien Verbindung des elektrischen Servomotors mit dem Getriebe dient eine Zahnriemenscheibe an der Motorwelle des Servomotors, die mit einer eingangsseitigen Zahnriemenscheibe an dem Getriebe über einen Zahnriemen wirkverbunden ist.

Die Geräuschemission eines solchen Zahnriementriebes ist nicht minimiert. Zudem können bei dieser formschlüssigen, spielfreien getrieblichen Verbindung von Servomotor und Getriebe durch insbesondere stochastische Einleitung von radseitigen Lasten Schäden an Elementen des Lenksystems und insbesondere an dem Servomotor entstehen.

Um diese Probleme zu umgehen, könnten Keilriementriebe eingesetzt werden. Diese haben aber im Vergleich zu den Zahnriementrieben einen steiferen Aufbau und benötigen zur Momentenübertragung eine höhere Vorspannung. Dies führt zu einem höheren Leerdurchdrehmoment des Getriebes und somit zu einer Lenkung, die mit einer größeren Reibung behaftet ist, was sich wiederum nachteilig auf das Rückstellverhalten der Lenkung auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem anzugeben, das eine geringe Geräuschemission, aber dennoch ein ausgeprägtes Rückstellverhalten aufweist.

Die Aufgabe wird mit einem Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass die Motorwelle zusätzlich zu der ersten Zahnscheibe noch eine erste Keilriemenscheibe trägt, und dass an der zweiten Zahnscheibe eine zweite Keilriemenscheibe angeordnet ist, die über einen Keilriemen mit der ersten Keilriemenscheibe des Getriebes ebenfalls zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes verbunden ist, wird ein zweizügiger Riementrieb gebildet, der einen Zahnriementrieb und einen parallel dazu arbeitenden Keilriementrieb umfasst.

Diese Konstruktion ermöglicht es, dass sehr schmale Riemen verwendet werden können, weil das Motormoment von beiden Riementrieben übertragen wird. Da die Geräuschemission eines Zahnriemens aber direkt abhängig ist von seiner Breite, kann die Geräuschentwicklung sehr stark eingedämmt werden. Außerdem ist die geringe Breite auch bei dem Keilriemen von Vorteil für das Lenkverhalten, weil die Steifigkeit des Keilriemens mit kleiner werdender Riemenbreite abnimmt.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn der Keilriemen ein Verbundkeilriemen, insbesondere ein Keilrippenriemen (16c), ist, und wenn die erste und zweite Keilriemenscheiben (16a, 16b) mehrrillig ausgebildet sind. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Keilriemen ein elastischer Riemen ist, der vorgespannt ist. Dadurch wird bei einem Momentenwechsel der Rücklauf der Lenkung unterstützt.

Die beiden Riementriebe sollten vorzugsweise jeweils ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von etwa 3:1 aufweisen, wobei der Zahnriementrieb und der Keilriementrieb verschieden große Übersetzungsverhältnisse haben, die jedoch nicht mehr als 20% voneinander abweichen. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Übersetzungsverhältnis des Zahnriementriebs größer ist als das Übersetzungsverhältnis des Keilriementriebs. Weil der formschlüssige Zahnriementrieb die Getriebeübersetzung vorgibt, muss der Keilriemen die Übersetzungsdifferenz durch Schlupf ausgleichen. Das wiederum bewirkt eine Dehnung, also eine elastische Vorspannung, des Keilriemens und führt letztlich auch zu einer Unterstützung des Rücklaufs.

Die hier einzusetzenden Verbundkeilriemen sind vorzugsweise Riemen in Form von Verbund-Schmalkeilriemen oder Keilrippenriemen. Sie bestehen u.a. aus einem endlosen Zugstrang von Polyester- oder Polyamidcord oder dergleichen, mit hoher Festigkeit und geringer Dehnung zwischen einer verschleißfesten Deckschicht aus Polyester und parallel zur Laufrichtung verlaufenden Schmalkeilen bzw. Rippen. Diese sind im Unterbau des Verbundkeilriemens angeordnet und aus einem Elastomer-Werkstoff, wie Polychloropren ausgebildet und gewährleisten bei gutem Kraftschluss eine gleichmäßige Kraftübertragung über die gesamte Riemenbreite. Das Leistungsübertragungsverhalten und die Dehnbarkeit des Verbundkeilriemens werden in erster Linie durch den Zugstrang und dem Gewebe oder den Fäden aus dem der Zugstrang gebildet ist bestimmt, wobei der Elastizitätsmodul des gesamten Riemens generell gleich dem Elastizitätsmodul des Zugstranges ist.

Der erfindungsgemäße Riementrieb weist bevorzugt ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von etwa 3:1 auf und ist vorzugsweise in einem einzigen Gehäuse zusammen mit dem elektrischen Servomotor untergebracht.

Das Getriebe ist vorzugsweise als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet, bei dem eine Kugelumlaufmutter in einen Gewindeabschnitt der Schubstange eingreift, wobei die zweite Riemenscheibe drehfest mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist. Diese Anordnung eignet sich besonders gut für den Einsatz bei einem achsparallelem Hilfslenkantrieb.

Es kann auch zweckmäßig sein, insbesondere um ein steer-by-wire Lenksystem mit einer elektromechanischen Redundanzebene darzustellen, mehrere, insbesondere zwei elektrische Servomotoren über je einen Keilrippenriemen mit Riemenscheiben des Getriebes zu verbinden.

Die getriebliche Verbindung des elektrischen Servomotors mit dem Getriebe über den Keilrippenriemen eignet sich bevorzugt zur Verlagerung einer Schubstange in einer Servolenkung, wobei die Riemenscheibe des Getriebes drehfest mit einer Kugelumlaufmutter verbunden ist. Es ist aber auch denkbar, den Servomotor in der Nähe der Lenksäule anzuordnen und ein Lenkritzel über ein zwei- oder mehrstufiges, erfindungsgemäßes Riemengetriebe anzutreiben.

Nachfolgend wird die Erfindung näher beschrieben anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen:
1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Lenksystems.
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines zweizügigen Riementriebs, der einen Zahnriementrieb und einen parallel dazu arbeitenden Keilriementrieb umfasst.
Die 1 zeigt den Aufbau einer Servolenkung mit einem Gehäuse 1, in dem eine (nicht dargestellte) als Zahnstange ausgebildete Schubstange bewegbar gelagert ist und mit einem Lenkgetriebe, in dem ein Kitzel angeordnet ist, das über eine Lenksäule bewegt wird und in die Zahnstange kämmend eingreift. An der Lenksäule ist ein Drehmomentensensor 2 angebracht, der einen Elektromotor 3 steuert, der über ein Getriebe 4 auf die Schubstange kraftunterstützend einwirkt. Das hier gezeigte Getriebe 4 ist als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet, bei dem eine Kugelumlaufmutter in einen Gewindeabschnitt der Schubstange eingreift. Die Kugelumlaufmutter rotiert im Betrieb des Lenksystems 1 in Abhängigkeit von der Drehrichtung des elektrischen Servomotors um die Schubstange, die sich entsprechend in axialer Richtung verschiebt, wodurch ein oder mehrere lenkbare Räder des Kraftfahrzeugs verschwenkt werden können.
In der 2 ist der Aufbau des Getriebes 4 dargestellt. Die 2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Schubstange 10, die mit einem Gewinde versehen ist, in das die Kugelumlaufmutter, auch kurz Lenkmutter 11 genannt, eingreift. Die Lenkmutter 11 ist über ein Lager 12 und den Gehäusedeckel 13 in dem Lenkungsgehäuse 14 gelagert.
Das hier dargestellte Getriebe 4 enthält zwei Riementriebe 15 und 16, die parallel das von dem Elektromotor 6 erzeugte Moment auf die Kugelmutter 11 übertragen und somit die Lenkbewegung der Schubstange 10 zusätzlich zu der über das Kitzel eingeleiteten Lenkbewegung unterstützen. Dieses zweizügige Getriebe 4 umfasst sowohl einen Zahnriementrieb 15 als auch einen Keilriementrieb 16 und stellt somit eine vorteilhafte Kombination von zwei unterschiedlichen Riementrieben dar.
Der Zahnriementrieb 15 enthält eine erste Zahnriemenscheibe 15a, die auf der Motorwelle 5 sitzt, und eine zweite Zahnriemenscheibe 15b, die auf der Kugelmutter 11 sitzt und über einen Zahnriemen 15c mit der ersten Scheibe 15a verbunden ist. Der Keilriementrieb 16 ist vergleichbar aufgebaut und enthält eine erste Keilriemenscheibe 16a, die neben der ersten Zahnriemenscheibe 15a auf der Motorwelle 5 angeordnet ist. Außerdem gibt es eine zweite Keilriemenscheibe 16b, die auf der Kugelmutter 11 sitzt und mit der zweiten Zahnriemenscheibe 15b zusammengefasst ist zu einer zweitteiligen Riemenscheibe. Für den Keilriementrieb 16 wird ein schmaler Keilrippenriemen 16c verwendet.
Dadurch dass zwei Riementriebe 15 und 16 vorhanden sind, können die Riemenbreiten deutlich schmaler dimensioniert werden, als dies bei einfachen herkömmlichen Riementrieben der Fall ist. Da das Geräusch des Zahnriemens 15c direkt abhängt von seiner Riemenbreite, hat dies den Vorteil, dass die Geräuschentwicklung deutlich reduziert wird. Außerdem bewirkt die Konstruktion ein deutlich verbessertes Lenkverhalten, da die Steifigkeit des Keilrippenriemens 16c abhängig ist von seiner Breite.
Beide Riementriebe 15 und 16 haben jeweils ein etwa gleichgroßes Übersetzungsverhältnis ins Langsame von 3:1 oder weniger, wobei die Riementriebe in der Lage sind bei kleinem Bauraum die zu einem Lenkvorgang erforderliche Leistung mit geringster Geräuschemission zu übertragen. Dies ist insbesondere auch dadurch ermöglichst, dass kein stetiger gleichförmiger Betrieb des elektrischen Servomotors erfolgt und dass die Riementriebe 15 und 16 als einstufige Getriebe ohne weitere mechanische Getriebestufen ausgebildet sind.
Vorzugsweise wird ein elastischer Keilrippenriemen 16c eingesetzt, der bei der Momentenübertragung gedehnt wird. Wird nun nach einer Lenkbewegung das vom Drehmomentensensor 2 (siehe 1) erfasste Drehmoment gleich Null, so baut der Keilrippenriemen 16c (siehe 2) seine elastische Vorspannung ab, indem er die Motorwelle 5 entgegen der bisherigen Drehrichtung bewegt. Diese Gegenbewegung der Motorwelle 5 bewirkt, dass bei einem Momentenwechsel keine hemmenden Reibungskräfte des Getriebes auftreten und dass der Rücklauf der Lenkung positiv unterstützt wird.
Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem die Übersetzungsverhältnisse der beiden Riementriebe 15 und 16 leicht verschieden voneinander sind. Das bedeutet, dass eine geringe Differenz zwischen dem Übersetzungsverhältnis des Zahnriementriebs 15 und dem Übersetzungsverhältnis des Keilrippenriementriebs 16 besteht. Beim Lenken um die Mitte gibt der formschlüssige Zahnriementrieb 15 die Getriebeübersetzung vor und der Keilrippenriementrieb 16 muss durch Schlupf die Übersetzungsdifferenz ausgleichen. Das wiederum bewirkt eine elastische Dehnung im Keilrippenriemen 16c, wodurch der Lenkungsrücklauf bei einem auftretenden Momentenwechsel unterstützt wird.
Der redundante Aufbau des zweizügigen Getriebes 4 hat außerdem den Vorteil, dass auch bei Ausfall eines der beiden Riementriebe 15 oder 16 der verbleibende Riementrieb im Fahrbetrieb eine ausreichende Lenkungsunterstützung sicherstellt. Fällt bei übermäßiger Belastung oder Verschleiß z.B. der Zahnriementrieb 15 wegen Zahnbruchs an einer oder beiden Zahnscheiben 15a bzw. 15b aus, so gewährleistet der Keilrippenriementrieb 16 eine noch ausreichende Drehmomentenübertragung, d.h. eine ausreichende Servounterstützung, so dass es für den Fahrer zu keiner fahrkritischen Situation kommen kann.
Die Erfindung ist nicht nur in den oben genau beschriebenen Anwendungsfällen von elektrischen Servolenkungen einsetzbar. Ebenso können auch im Bereich von anderen Bauformen von Elektrolenkungen, etwa solchen mit Doppleritzelantrieben, (dual pinion) oder an der Lenksäule mittels Lenkritzel einwirkende Antrieben.

Claims

Lenksystem, insbesondere Servolenksystem (1), für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades, welches gelenkig mit einem verlagerbaren Bauelement (10) eines Getriebes (4) verbunden ist, mit einem elektrischen Motor (6), dessen Motorwelle (5) eine erste Zahnriemenscheibe (15a) trägt, und mit einer an dem Getriebe (4) angeordneten zweiten Zahnriemenscheibe (15b), die zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes (10) mit der ersten Zahnriemenscheibe (15a) über einen Zahnriemen (15c) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Motorwelle (5) zusätzlich zu der ersten Zahnscheibe (15a) noch eine erste Keilriemenscheibe (16a) trägt, und dass an der zweiten Zahnscheibe (15b) eine zweite Kielriemenscheibe (16b) angeordnet ist, die über einen Keilriemen (16c) mit der ersten Keilriemenscheibe (16a) des Getriebes (4) ebenfalls zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes (10) verbunden ist, wobei der Zahnriementrieb (15) und der Keilriementrieb (16) parallel arbeiten und somit einen zweizügigen Riementrieb bilden.
Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilriemen ein Verbundkeilriemen, insbesondere ein Keilrippenriemen (16c) ist, und dass die erste und zweite Keilriemenscheiben (16a, 16b) mehrrillig ausgebildet sind.
Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Riementriebe (15, 16) jeweils ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von etwa 3:1 aufweisen.
Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriementrieb (15) und der Keilriementrieb (16) verschieden große Übersetzungsverhältnisse haben, die jedoch nicht mehr als 20% voneinander abweichen.
Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der das Übersetzungsverhältnis des Zahnriementriebs (15) größer ist als das Übersetzungsverhältnis des Keilriementriebs (16).
Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilriemen ein elastischer Keilriemen ist, der elastisch vorgespannt ist.
Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilriementrieb (16) im Spannwellenbetrieb oder im Spannrollenbetrieb betrieben ist.
Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verlagerbare Bauelement eine Schubstange (10) ist die über ein Kugelumlaufgetriebe (9) angetrieben wird, auf dessen Kugelmutter (11) die zweiten Riemenscheiben (15b, 16b) angebracht sind.
Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (6) und die beiden Riementriebe (15, 16) in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind.