WO2011009810A1 - Lenkgetriebe und fahrzeuglenkanordnung - Google Patents

Lenkgetriebe und fahrzeuglenkanordnung Download PDF

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gear
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Wolfgang Schweiger
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Magna Powertrain Ag & Co Kg
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0421—Electric motor acting on or near steering gear
    • B62D5/0424—Electric motor acting on or near steering gear the axes of motor and final driven element of steering gear, e.g. rack, being parallel
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    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442—Conversion of rotational into longitudinal movement
    • B62D5/0454—Worm gears

Definitions

  • the present invention relates to a steering gear with a rotatably mounted in a housing drive spindle and a vehicle steering assembly with such a steering gear.
  • Known steering arrangements are usually designed either as a mechanical rack and pinion steering in which a rack is displaceable by a steering pinion, or they comprise a drive spindle, which can be moved translationally for example via a drivable spindle nut for moving the wheels of the motor vehicle.
  • EPS Electrical Power Steering
  • EAFS Electrical Active Front Steering
  • active steering systems usually have to be realized by relatively complex additional equipment.
  • known steering systems use separate systems arranged on the steering column (so-called steering column dividers) for the angle superposition with active AFS function or they are designed as hydraulic power steering systems with an additional superposition unit for the AFS function on the steering pinion. It is an object of the invention to provide a steering gear of the type mentioned, which is very compact.
  • a steering gear with the features of claim 1.
  • a vehicle steering arrangement according to the invention comprises the features of claim 16.
  • the steering gear is described by the compact design suitable for both front axle and Schuachslenksy stones. An integration of the steering gear in the subframe is possible lent.
  • the steering gear is also suitable for high tie rod forces. Due to the preferred tubular design and the small outer diameter, the use as a Schuachslenksystem and the integration in the subframe is possible.
  • an actuator unit consisting of a hollow shaft motor, a running at its ends as a spindle drive shaft and a superposition gear unit (eg planetary gear), the torque support (EPS function) and optionally the angle superposition (EAFS function) can be done via an electric motor.
  • EPS function torque support
  • EAFS function angle superposition
  • the servomotor can be fastened to a rotating, axially fixed drive spindle or, for example via a reduction gear, in particular a planetary gear, are in operative connection with the drive spindle.
  • a steering gear with EPS system is shown.
  • the steering gear comprises an actuator motor 2 in the form of a hollow shaft motor, the rotor 1 of which is connected in a rotationally fixed manner to a drive spindle 3 which is rotatable about its axis of rotation 3a and which is immovably fixed in the axial direction relative to a housing, not shown, of the steering device.
  • the rotor 1 can also be integrated in the drive spindle 3, for example by embedded magnetic bars.
  • the ends of the drive spindle 3 each comprise a thread 3b designed as an external thread, onto which two coupling elements designed as threaded nuts 4 are screwed.
  • the threads 3b can also be embodied as internal threads into which, for example, rod-shaped or tubular coupling elements with external threads are screwed. This is also possible in the embodiments of FIGS. 2 to 4.
  • the threads 3b and the mating threads are each inclined in the same direction and in particular each have the same Slope on, so that when turning the drive spindle 3, the coupling elements 4 are each moved synchronously in the same direction.
  • the coupling elements 4 are operatively connected to the pivoting of wheels, not shown, of the motor vehicle with these.
  • a reduction gear unit 12 may be arranged between the rotor 1 of the hollow shaft motor 2 and the drive spindle 3. This also applies to the embodiments shown in FIGS. 3 and 4.
  • the coupling elements 4 are axially slidably guided in the housing of the steering gear according to double arrows 14, but secured against rotation and are used to implement a rotational movement of the drive spindle 3 in a steering action corresponding axial movement.
  • Such a rotational movement can be achieved via a steering shaft 5, which is connected to the input element of an optional reduction gear 6.
  • the reduction gear is designed as a planetary gear, wherein the planet carrier, the input element and the sun gear forms the output. While the ring gear of the planetary gear is fixed to the housing, the sun gear is connected as a driven element with a trained as bevel gear steering pinion 7 rotatably connected.
  • the steering pinion 7 engages without play or by axial preload play in a further rotatably connected to the drive spindle 3 bevel gear 8, so that upon rotation of the steering shaft 5, the drive spindle 3 is rotated.
  • another coupling between the steering shaft 5 and the drive spindle 3 is possible.
  • a torque sensor 13 may be provided, in particular before the reduction gear 6 and advantageously within arranged the steering housing and designed to determine the transmitted torque from the steering shaft 5.
  • the ring gear of the reduction gear 6 can be connected via an external external toothing 9 via a worm drive 10 self-locking with an actuator motor 11, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the actuator motor 11 can be arranged parallel to the drive spindle (FIG. 3) or perpendicular thereto (FIG. 4). Also any other angles are possible.
  • the hollow shaft motor 2 and / or the actuator motor 11 may be provided or omitted.
  • the connection to a steering shaft 5 can be omitted and the rotary actuation of the drive spindle can only take place via the electric motor 2.
  • the electric motor 2 is used as a servomotor (torque assistance by EPS system).
  • the Kopplugs institute 4 can be designed to reduce axial play and sliding friction with a ball screw.
  • this ball screw nut can be designed in such a way that that the ball recirculation of the ball circulation takes place via special grooves integrated on the outer circumferential surface and thus the ball screw nut in the housing is additionally guided in the axial direction. The rotation can be done at the remote diameter.
  • EPS torque superposition
  • EAFS function angle superimposition
  • a simple and compact realization of EPS (torque superposition) and EAFS function (angle superimposition) in a steering gear unit is possible.
  • This can be done in particular in coaxial design, based on a spindle drive with a rotating drive spindle, an optional reduction gear unit, a superposition gear unit (eg helical planetary gear) and two electric motors.
  • the system is characterized by a very compact design and high efficiency.
  • the required in the known concepts rack and pinion completely eliminated. Thanks to its tubular design and small outer diameter, this steering actuator is suitable for integration into the subframe.
  • the spindle is preferably self-locking or it may be an additional locking mechanism (brake, locking pin, ...) may be provided.

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Abstract

Es wird ein Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten Antriebsspindel beschrieben. Die Antriebsspindel umfasst zumindest an ihren beiden Enden jeweils ein Gewinde, wobei an jedem Ende ein Kopplungselement mit einem Gegengewinde angeordnet ist, das mit dem jeweiligen Gewinde der Antriebsspindel in Eingriff ist. Weiterhin wird eine Fahrzuglenkanordnung mit einem solchen Lenkgetriebe beschrieben.

Description

Lenkgetriebe und Fahrzeuglenkanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten Antriebsspindel sowie eine Fahrzeuglenkanordnung mit einem solchen Lenkgetriebe. Bekannte Lenkanordnungen sind meist entweder als mechanische Zahnstangenlenkungen ausgebildet, bei denen eine Zahnstange durch ein Lenkritzel verschiebbar ist, oder sie umfassen eine Antriebsspindel, die beispielsweise über eine antreibbare Spindelmutter zum Bewegen der Räder des Kraftfahrzeugs translatorisch verschoben werden kann. EPS (Electric Power Steering) Systeme und EAFS (Electric Active Front Stee- ring) Systeme (Aktivlenkungen) müssen dabei üblicherweise durch relativ komplexe Zusatzeinrichtung realisiert werden.
So verwenden bekannte Lenksysteme beispielsweise separate, an der Lenksäule angeordnete Systeme (sogenannte Lenksäulensteiler) für die Winkelüberlagerung bei aktiver AFS-Funktion oder sie sind als hydraulische Hilfskraftlenkungen mit zusätzlicher Überlagerungseinheit für die AFS-Funktion am Lenkritzel ausgebildet. Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Lenkgetriebe der eingangs genannten Art anzugeben, das sehr kompakt ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Fahrzeug- lenkanordnung umfasst die Merkmale des Anspruchs 16. Das beschriebene Lenkgetriebe ist durch die kompakte Bauweise sowohl für die Anwendung in Vorderachs- als auch in Hinterachslenksy steinen geeignet. Eine Integration des Lenkgetriebes in den Hilfsrahmen ist mög- lieh.
Mit der Erfindung wird eine Reduktion von Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten von bekannten EPS Lenksystemen, insbesondere von solchen mit EAFS-Funktion (Aktivlenkung) erreicht. Weiter kann eine Wirkungsgraderhöhung durch die Verwendung von elektrischen Systemen, die bei Bedarf aktiviert werden, erreicht werden. Durch solche optionale elektrische System können EPS- und/oder Aktivlenksystem realisiert werden. Die bei den bekannten Systemen erforderliche Zahnstangenverzahnung entfällt gänzlich. Durch die "Steer-by-wire" -Tauglichkeit, den einfachen Aufbau und die optionale AFS-Ausstattung eröffnet sich ein großes Einsatzgebiet.
Insbesondere bei koaxialer Bauweise und z.B. Ausführung mit Kugelgewindetrieb ist das Lenkgetriebe auch für hohe Spurstangenkräfte geeignet. Durch die bevorzugt rohrförmige Bauweise und den klein gehaltenen Außendurchmesser ist die Anwendung als Hinterachslenksystem sowie die Integration in den Hilfsrahmen möglich.
Durch eine Aktuatoreinheit bestehend aus einem Hohlwellenmotor, einer an Ihren Enden als Spindel ausgeführten Antriebswelle und einer Überlagerungsgetriebeeinheit (z.B. Planetenradgetriebe) können die Momentenunterstützung (EPS-Funktion) sowie optional die Winkelüberlagerung (EAFS-Funktion) über jeweils einen Elektromotor erfolgen. Die Umsetzung der Drehbewegung der Antriebswelle in eine der Lenkaktion entsprechen- de Axialbewegung kenn durch je eine axial im Gehäuse geführte und gegen Verdrehung gesicherte Gewindemutter erfolgen.
Der Servomotor kann an einer rotierenden, axial fixierten Antriebsspindel befestigt sein oder beispielsweise über ein Reduktionsgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, mit der Antriebbspindel in Wirkverbindung stehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrie- ben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. In Fig. 1 ist ein Lenkgetriebe mit EPS-System gezeigt. Das Lenkgetriebe umfasst einen als Hohlwellenmotor ausgebildeten Aktuatormotor 2, dessen Rotor 1 drehfest mit einer um ihre Rotationsachse 3a verdrehbaren, in axialer Richtung gegenüber einem nicht dargestellten Gehäuse der Lenkeinrichtung unverschiebbar fixierten Antriebsspindel 3 verbunden ist. Grundsätzlich kann der Rotor 1 auch in die Antriebsspindel 3 integriert sein, beispielsweise durch eingelagerte Magnetstäbe.
Die Enden der Antriebsspindel 3 umfassen jeweils ein als Außengewinde ausgebildetes Gewinde 3b, auf die zwei als Gewindemuttern 4 ausgebilde- te Kopplungselemente aufgeschraubt sind. Grundsätzlich können die Gewinde 3b auch als Innengewinde ausgeführt sein, in die beispielsweise stab- oder rohrförmige Kopplungselemente mit Außengewinde eingeschraubt sind. Dies ist auch bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 möglich. Die Gewinde 3b sowie die Gegengewinde sind dabei jeweils in gleicher Richtung geneigt und weisen insbesondere jeweils die gleiche Steigung auf, so dass beim Verdrehen der Antriebsspinde 3 die Kopplungselemente 4 jeweils synchron in dieselbe Richtung verschoben werden. Die Kopplungselemente 4 sind zum Verschwenken von nicht dargestellten Rädern des Kraftfahrzeugs mit diesen wirkverbunden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann optional eine Reduktionsgetriebeeinheit 12 zwischen dem Rotor 1 des Hohlwellenmotors 2 und der Antriebsspindel 3 angeordnet sein. Dies gilt auch für die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen .
Die Kopplungselemente 4 sind in dem Gehäuse des Lenkgetriebes gemäß Doppelpfeilen 14 axial verschiebbar geführt, jedoch gegen Verdrehung gesichert und dienen zur Umsetzung einer Drehbewegung der Antriebsspindel 3 in eine einer Lenkaktion entsprechende Axialbewegung.
Eine solche Drehbewegung kann über eine Lenkwelle 5 erreicht werden, die mit dem Eintriebselement eines optionalen Untersetzungsgetriebes 6 verbunden ist. Das Untersetzungsgetriebe ist als Planetengetriebe ausgebildet, wobei der Planetenträger das Eintriebselement und das Sonnenrad den Ausgang bildet. Während das Hohlrad des Planetengetriebes gehäusefest angeordnet ist, ist das Sonnenrad als Abtriebselement mit einem als Kegelzahnrad ausgebildeten Lenkritzel 7 drehfest verbunden. Das Lenkritzel 7 greift spielarm bzw. durch axiale Vorspannung spielfrei in ein weiteres drehfest mit der Antriebsspindel 3 verbundenes Kegelzahnrad 8 ein, so dass bei einem Verdrehen der Lenkwelle 5 die Antriebsspindel 3 verdreht wird. Grundsätzlich ist auch eine andere Kopplung zwischen der Lenkwelle 5 und der Antriebsspindel 3 möglich.
An der Lenkwelle 5 kann ein Drehmomentsensor 13 vorgesehen sein, der insbesondere vor dem Untersetzungsgetriebe 6 und vorteilhaft innerhalb des Lenkgehäuses angeordnet sowie zur Ermittlung des von der Lenkwelle 5 übertragenen Drehmoments ausgebildet ist.
Zur Erzeugung einer Winkelüberlagerung bei aktiver AFS-Funktion kann das Hohlrad des Untersetzungsgetriebes 6 über eine zusätzliche Außenverzahnung 9 über einen Schneckentrieb 10 selbsthemmend mit einem Aktuatormotor 11 verbunden sein, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Je nach Anwendungsfall kann dabei der Aktuatormotor 11 parallel zur Antriebsspindel (Fig. 3) oder senkrecht dazu (Fig. 4) angeordnet sein. Auch sonstige beliebige Winkel sind möglich.
Durch die Selbsthemmung des Schneckentriebs 10 wird bei inaktiver AFS-Funktion (Aktuatormotor AFS unbestromt) eine konstante Übersetzung von Lenkraddrehwinkel zu Spindelhub gewährleistet. Bei Ausfüh- rung ohne AFS-Funktion ist das Hohlrad der Überlagerungsgetriebeeinheit gehäusefest ausgeführt. Die Hohlrad-Außenverzahnung und der Aktuatormotor AFS entfallen in diesem Fall.
Je nach Anwendung können der Hohlwellenmotor 2 und/oder der Aktua- tormotor 11 vorgesehen sein oder entfallen. Insbesondere bei Verwendung in einer Hinterachslenkung oder bei einem Steer-by-Wire System kann die Anbindung an eine Lenkwelle 5 entfallen und die Drehbetätigung der Antriebsspindel nur über den Elektromotor 2 erfolgen. In Verbindung mit einer Anbindung an eine Lenkwelle 5 wird der Elektromotor 2 hingegen als Servomotor (Drehmomentunterstützung durch EPS-System) genutzt.
In einer besonderen Ausführungsform können die Kopplugselemente 4 zur Verminderung von Axialspiel und Gleitreibung mit einem Kugelgewinde ausgeführt sein. In einer weiteren besonderen Ausführungsform als Ku- gelgewindemutter kann diese Kugelgewindemutter derart gestaltet sein, dass die Kugelrückführung des Kugelumlaufs über spezielle an der äußeren Mantelfläche integrierte Nuten erfolgt und somit die Kugelgewindemutter im Gehäuse zusätzlich in axialer Richtung wälzgeführt ist. Die Verdrehsicherung kann am abgesetzten Durchmesser erfolgen.
Mit der Erfindung ist eine einfache und kompakte Realisierung von EPS- (Momentenüberlagerung) und EAFS-Funktion (Winkelüberlagerung) in einer Lenkgetriebeeinheit möglich. Diese kann insbesondere in koaxialer Bauweise, basierend auf einem Spindeltrieb mit rotierender Antriebsspin- del, einer optionalen Reduktionsgetriebeeinheit, einer Überlagerungsgetriebeeinheit (z.B. Stirnrad-Planetengetriebe) und zwei Elektromotoren erfolgen. Das System zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. Die bei den bekannten Konzepten erforderliche Zahnstangenverzahnung entfällt gänzlich. Durch eine rohr- förmige Bauweise und den klein gehaltenen Außendurchmesser ist dieser Lenkaktuator für die Integration in den Hilfsrahmen geeignet. Bei Anwendung als Hinterachslenksystem ist die Spindel bevorzugt selbsthemmend ausgeführt oder es kann ein zusätzlicher Sperrmechanismus (Bremse, Sperrstift,...) vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 Elektromotor
3 Antriebsspindel
3a Rotationsachse
3b Gewinde
4 Kopplungselemente
5 Lenkwelle
6 Untersetzungsgetriebe
7 Lenkritzel
8 Kegelzahnrad
9 Außenverzahnung
10 Schneckentrieb
1 1 Aktuatormotor
12 Reduktionsgetriebeeinheit
13 Drehmomentsensor
14 Doppelpfeil

Claims

Patentansprüche
1. Lenkgetriebe mit einer in einem Gehäuse verdrehbar gelagerten
Antriebsspindel (3), die zumindest an ihren beiden Enden jeweils ein Gewinde (3b) umfasst, wobei an jedem Ende ein Kopplungselement (4) mit einem Gegengewinde angeordnet ist, das mit dem jeweiligen Gewinde (3b) der Antriebsspindel (3) in Eingriff ist.
2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Kopplungselemente (4) als Gewindemuttern ausgebildet sind.
3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Kopplungselemente (4) gegenüber dem Gehäuse axial verschiebbar aber unverdrehbar gelagert sind.
4. Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Antriebsspindel (3) gegenüber dem Gehäuse verdrehbar a- ber axial unverschiebbar gelagert ist.
5. Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass ein Elektromotor (2) zum Antreiben der Antriebsspindel (3) vorgesehen ist.
6. Lenkgetriebe nach Anspruch 5,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Elektromotor (2) konzentrisch zur Antriebsspindel (3) angeordnet ist.
7. Lenkgetriebe nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Elektromotor (2) einen gehäusefesten Stator sowie einen Rotor (1) umfasst, der mit der Antriebsspindel (3) drehfest verbun- den, insbesondere in diese integriert ist.
8. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Elektromotor (2) einen gehäusefesten Stator sowie einen Rotor (1) umfasst und dass der Rotor (1) über eine Reduktionsgetriebeeinheit (12), insbesondere ein Planetengetriebe, mit der Antriebsspindel (3) verbunden ist.
9. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Elektromotor (2) als Hohlwellenmotor ausgebildet ist.
10. Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass ein mit einer Lenkwelle (5) antriebswirksam verbindbares oder verbundenes Lenkritzel (7) zum drehbaren Antreiben der Antriebsspindel (3) mit dieser in Wirkverbindung steht.
11. Lenkgetriebe nach Anspruch 10,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Lenkritzel (7) als Kegelrad ausgebildet ist, das mit einem drehfest mit der Antriebsspindel (3) verbundenen Kegelrad (8) in Eingriff steht.
12. Lenkgetriebe nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass dem Lenkritzel (7) ein Untersetzungsgetriebe (6), insbesondere ein Planetengetriebe vorgeschaltet ist, wobei ein Eingang des Untersetzungsgetriebes (6) mit der Lenkwelle (5) verbindbar oder verbun- den ist und das Lenkritzel (7) mit einem Ausgang des Untersetzungsgetriebes (6) verbunden ist.
13. Lenkgetriebe nach Anspruch 12,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Untersetzungsgetriebe (6) als Winkelüberlagerungsgetriebe mit einem zweiten Eingang ausgebildet ist und dass der zweite Eingang mit einem Aktuator (11), insbesondere einem Elektromotor wirkverbunden ist.
14. Lenkgetriebe nach Anspruch 13,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Aktuator (ll)über ein selbsthemmendes Getriebeelement, insbesondere über einen Schneckentrieb (10) mit dem zweiten Eingang verbunden ist.
15. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Drehmomentsensor (13) zur Erfassung des über die Lenkwelle (5) übertragenen Drehmoments vorgesehen ist.
16. Fahrzeuglenkanordnung mit einem Lenkgetriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungselemente (4) zum Verschwenken von Rädern des Fahrzeugs mit den Rädern, insbesondere über an den Rädern angelenkte Spurstangen, wirkverbunden sind.
17. Fahrzeuglenkanordnung nach Anspruch 16,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Antriebsspindel (3) schräg zu einer mit der Antriebsspindel (3) antriebswirksam verbundenen Lenkwelle (5) angeordnet ist.
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