DE60225628T2

DE60225628T2 - Kugelgewindespindelisolator

Info

Publication number: DE60225628T2
Application number: DE60225628T
Authority: DE
Inventors: Randy R. Gladwin Lynn; Joel E. Vassar Birsching; David E. Freeland KING; Anthony J. Saginaw Champagne
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: DE60225628D1; US6883635B2; DE60235587D1; US20040007417A1; EP1270369A2; EP1270369A3; EP1270369B1; JP2003063428A; EP1726509A1; EP1726509B1; JP4159808B2

Description

HINTERGRUND
Elektrisch betätigte oder elektrisch unterstützte Lenksysteme stellen eine Hilfskraft für eine Lenkanordnung bereit, indem sie eine Hülse vorsieht, die ein Gestänge umgibt und damit in Gewindeeingriff steht, sodass die Drehung der Hülse durch einen Motor dem Gestänge Kraft verleiht, wodurch der Fahrer beim Lenken des Fahrzeugs unterstützt wird. Die Kraft von dem Motor auf der Hülse kann jedoch zu einer hohen Reibung und übermäßiger Abnutzung führen.
Außerdem können elektrisch betätigte oder elektrisch unterstützte Lenksysteme ein Geräusch erzeugen, das von dem Fahrer gehört wird. Insbesondere wird in einer Gestängeanordnung ein Geräusch erzeugt, wenn der Drehmechanismus des Motors durch eine Kugelumlaufspindelanordnung in eine lineare Bewegung umgewandelt wird. Wenn sich die Kugeln in den Lagern und Kugeln in der Kugelumlaufspindel in den Kanälen der Lager und der Kugelumlaufspindel bewegen, wird ein Geräusch erzeugt, das vom Fahrer gehört wird. Wenn das Fahrzeug auf der Fahrbahn fährt, läuft der Aufprall der Straßenräder auf die Fahrbahn von den Straßenrädern in die Gestängeanordnung. Die Lager und damit in Verbindung stehende Hardware müssen so bemessen sein, dass Lasten aufgrund eines solchen Aufpralls getragen werden, ohne annehmbare Geräuschpegel zu überschreiten. Solche Lastfälle können aufgrund eines maximalen Systemausgangs eine Bauteiltragfähigkeit erfordern, die gut über der erforderlichen liegt. Die US-A-4735271 offenbart ein System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Lenksystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 vorgesehen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Unter Bezug auf die Zeichnungen, wo gleiche Elemente in den mehreren Figuren gleich numeriert sind, zeigen nun:
1 eine Veranschaulichung eines Lenksystems für ein Fahrzeug;
2 eine Veranschaulichung eines Abschnitts des Lenksystems von 1;
3 eine Querschnittsansicht eines Kugelumlaufspindelanordnungsisolators;
4 eine alternative Ausführungsform einer Querschnittsansicht eines Kugelumlaufspindelanordnungsisolators;
5 eine alternative Ausführungsform einer Seitenansicht eines Kugelumlaufspindelisolators;
6 eine Querschnittsansicht des Kugelumlaufspindelanordnungsisolators in 5;
7 eine Querschnittsansicht des Kugelumlaufspindelanordnungsisolators in 5;
8 eine Querschnittsansicht des Kugelumlaufspindelanordnungsisolators in 5;
9 eine Querschnittsansicht des Kugelumlaufspindelanordnungsisolators in 5;
10 eine alternative Ausführungsform einer Draufsicht eines Kugelumlaufspindelanordnungsisolators; und
11 eine alternative Ausführungsform einer Draufsicht eines Kugelumlaufspindelanordnungsisolators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezug auf 1 ist ein Lenksystem 10 zur Verwendung in einem (nicht gezeigten) Fahrzeug veranschaulicht. Das Lenksystem 10 ermöglicht dem Bediener des Fahrzeugs, durch Handhabung einer Lenksäule 12 die Richtung des Fahrzeugs zu steuern. Die Lenksäule 12 ist mechanisch mit Straßenrädern 14 verbunden (nur eines gezeigt).
Die Lenksäule 12 umfasst eine obere Lenkwelle 18 und eine untere Lenkwelle 28. Ein Lenkrad 16 ist an der oberen Lenkwelle 18 angeordnet. Das Lenkrad 16 ist derart positioniert, dass der Bediener eine Drehkraft auf die Lenksäule 12 aufbringen kann. Ein Drehmomentsensor 22 und ein Positionssensor 24 sind an der oberen Lenksäulenwelle 18 angeordnet, um den Drehwinkel des Lenkrades 16 zu erfassen. Der Drehmomentsensor 22 und der Positionssensor 24 stehen in elektronischer Verbindung mit einem Controller 26. Ein Säulenuniversalgelenk 20 koppelt die obere Lenksäulenwelle 18 mit der unteren Lenksäulenwelle 28. Die untere Lenksäulenwelle 28 ist an dem Säulenuniversalgelenk 20 an einem Ende und einem Zahnradgehäuse 30 an dem anderen Ende befestigt. Das Zahnradgehäuse 30 umfasst ein Ritzel 38 (in 2 gezeigt), das in mechanischer Verbindung mit einer Gestängeanordnung 32 steht. Die Gestängeanordnung 32 ist mit den Straßenrädern 14 mit einem Lenkgestänge gekoppelt. Spurstangen 34 (nur eine gezeigt) sind an der Gestängeanordnung 32 an einem Ende und Gelenken 36 (nur eines gezeigt) am anderen befestigt.
Unter Bezug auf 1 und 2 umfasst das Zahnradgehäuse 30 ein Ritzel 38. Das Ritzel 38 ist derart positioniert, dass es Kontakt mit einem passenden gezahnten Abschnitt 40 einer Gestängeanordnung 32 herstellt. Das Ritzel 38 hat Zähne, die mit Zähnen eines passenden gezahnten Abschnitts 40 in Eingriff stehen. Das Ritzel 38 bildet in Kombination mit dem passenden gezahnten Abschnitt 40 der Gestängeanordnung 32 einen Zahnstangengetriebesatz 42. Der passende gezahnte Abschnitt 40 ist in einer Kugelumlaufspindel 44 integriert, die in mechanischer Verbindung mit einem Motor 46 steht. Der Motor 46 kann entweder an einer ersten Seite 100 oder einer zweiten Seite 102 des passenden gezahnten Abschnitts 40 der Gestängeanordnung 32 angeordnet sein. Außerdem kann der Motor 46 entweder an einer oberen Seite 104 oder einer Bodenseite 106 der Gestängeanordnung 32 angeordnet sein.
Wenn der Bediener des Fahrzeugs das Lenkrad 16 dreht, wird eine Drehkraft auf die Lenksäule 12 aufgebracht, und das Ritzel 38 wird entsprechend gedreht. Die Bewegung des Ritzels 38 bewirkt die Bewegung der Gestängeanordnung 32 in Richtung der Pfeile 47, die wiederum die Spurstangen 34 (nur eine gezeigt) und die Gelenke 36 (nur eines gezeigt) betätigt, um die Straßenräder 14 (nur eines gezeigt) des Fahrzeugs neu zu positionieren. Wenn demnach das Lenkrad 16 gedreht wird, wandeln der passende Zahnabschnitt 40 und das Ritzel 38 die Drehbewegung des Lenkrades 16 in die lineare Bewegung der Gestängeanordnung 32 um. Um die von Bediener auf das Lenksystem 10 aufgebrachte Kraft zu unterstützen, wird der Motor 46 erregt und stellt eine Hilfskraft für die Bewegung der Gestängeanordnung 32 über die Kugelumlaufspindel 44 bereit, wodurch beim Lenken des Fahrzeugs durch den Fahrzeugbediener geholfen wird.
Unter Bezug auf 3 steht der Motor in Wirkverbindung mit einer Ausführungsform eines Kugelumlaufspindelanordnungsisolators (Isolators) 48. Die Wirkverbindung wird über eine Welle 50 aufrechterhalten, die sich von einem Motor 46 erstreckt, und eine Riemenscheibe 54 ist starr an einem entgegengesetzten Ende der Welle 50 angebracht. Ein Lager 56 stützt die Welle 50 und läßt die Welle 50 drehen, wenn der Motor 46 erregt wird. Ein Riemen 58, der eine (nicht gezeigte) Außenfläche und eine Innenfläche 60 hat, ist derart um die Riemenscheibe 54 gewickelt, dass die Innenfläche 60 des Riemens 58 in Kontakt mit der Riemenscheibe 54 steht. Der Riemen 58 wickelt sich auch um den Isolator 48, sodass die Innenfläche 60 des Riemens 58 in Kontakt mit dem Isolator 48 steht. Der Riemen 58, die Riemenscheibe 54 und die Welle 50 können in einem Gehäuse 64 enthalten sein.
Der Isolator 48 umfasst einen Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66, der eine erste Schale 68 und eine zweite Schale 70 umfasst. Die erste Schale 68 und die zweite Schale 70 können eine zylindrische Form haben. Die erste Schale 68 und die zweite Schale 70 werden verwendet, sodass der Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 einfach zusammengebaut werden kann. Der Riemen wickelt sich um die erste Schale 68, der als eine Riemenscheibe wirkt, sodass dann, wenn sich der Riemen 58 bewegt, die Bewegung des Riemens 58 bewirkt, dass sich die erste Schale 68 dreht. Die erste Schale 68 ist kraftschlüssig gegen die zweite Schale 70, womit be wirkt wird, dass sich die zweite Schale 70 mit der ersten Schale 68 dreht. Solange sich die erste Schale 68 und die zweite Schale 70 zusammen als eine Einheit drehen, können darüber hinaus beliebige Mittel verwendet werden, um die erste Schale 68 und die zweite Schale 70 zusammenzubauen.
Die Riemenscheibe 54 und der Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 können aus jedem Materialtyp konstruiert sein, einschließlich eines Eisenwerkstoffs, Kunststoff oder eines leichten Materials wie eine Aluminiumlegierung oder Verbundwerkstoffe. Bevorzugt wird das Aluminiumlegierungsmaterial verwendet, weil dies ermöglicht, dass die Gesamtmasse und die Trägheit des Lenksystems 10 reduziert werden, um die Herstellungskosten und das Verhalten zu verbessern.
Weiter unter Bezug auf 3 sind zwei Schräglager 72 und 74 an den gegenüberliegenden Seiten des Kugelumlaufspindelmutternbehälters 66 positioniert. Das Schräglager 72 presst gegen die erste Schale 68, und das Schräglager 74 presst gegen die zweite Schale 70. Die Schräglager 72 und 74 stützen den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 und lassen den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 drehen, wenn sich der Riemen 58 dreht. Sternscheiben 76 wie Wellenscheiben können auch verwendet werden, um eine Einstellung für die Schräglager 72 und 74 bereitzustellen. Alternativ können andere Typen von Lagern, z. B. Rillenlager anstelle der Schräglager 72 und 74 verwendet werden.
In dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 befinden sich eine Kugelumlaufspindelmutter 78 und ein Element 80. Das Element 80 kann aus einem Elastomermaterial oder ähnlichem ausgebildet sein, bei welchem variierende Grade von Steifigkeit durch die Materialwahl (sowohl bezüglich des Durometers als auch der klaren Materialzusammensetzung) und durch selektive Formung des Materials erhalten werden können. Der Begriff Element wird in der gesamten Beschreibung so verwendet, dass er den Singular oder den Plural umfasst, da das Element 80 aus mehreren einzelnen Teilen oder einem einzigen Teil bestehen kann. Wenn mehrere Teile verwendet werden, kann jedes Teil außerdem aus einem anderen Material bestehen, und jedes Material kann variierende Grade von Steifigkeit oder Elastomereigenschaften haben.
Ein Beispiel der Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien umfasst, dass ein steiferer Materialtyp an einem Mittelabschnitt 79 des Elements 80 und ein weicheres Material an einem ersten Ende 83 und einem zweiten Ende 85 des Elements 80 vorliegt. Durch Variierung des Materials zwischen dem Mittelabschnitt 79 und dem ersten und dem zweiten Ende 83 und 85 kann die axiale, radiale und die Drehsteifigkeit des Isolators 48 modifiziert werden. Außerdem können die Teile von Materialien auch verflochten sein, womit variierende Grade von Steifigkeit an verschiedenen Abschnitten des Elements 80 geschaffen werden. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Gesamtsteifigkeit des Elements 80, wie oben erörtert, durch mehrere Parameter beeinflusst werden kann, die selektiv angepasst werden können, um die gewünschte Steifigkeit und beliebige gewünschte Vibrationsdämpfungscharakteristika zu erzeugen.
Das Element 80 ist zwischen der Kugelumlaufspindelmutter 78 und dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 angeordnet. Das Element 80 kann an die zweite Schale 70 gepresst oder auch mit einem Kleber 82 daran befestigt sein. Außerdem veranschaulicht 4 eine alternative Ausführungsform zum Befestigen des Elements 80. Das Element 80 ist durch eine Verlängerung 81 der Kugelumlaufspindelmutter 78 eingefangen.
Wieder unter Bezug auf 3 hat die Kugelumlaufspindelmutter 78 einen Flansch 84, der kontinuierlich sein und entweder Schlitze oder Kerben enthalten kann, um den Eingriff des Elements 80 zu erlauben. Der Flansch 84 kann auch eine Oberfläche umfassen, die wenigstens eine Unterbrechung hat, die ausgeschnitten, ausgebildet oder anders darin angeordnet ist, um ein maximales Drehmoment zur Übertragung von dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 zu der Kugelumlaufspindelmutter 78 bereitzustellen. Außerdem kann der Flansch 84 derart eingerichtet sein, dass er ansonsten umfangsmäßig diskontinuierlich ist. Die Kugelumlaufspindelmutter 78 enthält auch eine Durchgangsöffnung, um die Kugelumlaufspindel 44 aufzunehmen. Eine Außenfläche 86 der Kugelumlaufspindel 44 steht mit einer Innenfläche 88 der Kugelumlaufspindelmutter 78 in Eingriff. Die Kugelumlaufspindelmutter 78 und die Kugelumlaufspindel 44 können zusammen auch als ein Dreh-zu-linear-Stellglied oder eine Kugelumlaufspindelanordnung bezeichnet werden.
Unter Bezug auf 5 bis 9 ist eine alternative Ausführungsform des Isolators 48 gezeigt, die eine Änderung der Struktur des Elements 80 veranschaulicht, indem Teilstücke des Elements 80 ausgeschnitten werden, um verschiedene Geometrien des Elements 80 zu schaffen. Durch das Ausschneiden von Teilstücken des Elements 80 kann das Material des Elements in die Hohlräume strömen und so einen unterschiedlichen Steifigkeitswert für das Element schaffen. Diese Ausführungsform demonstriert das Element 80 mit einer Verrippung 202, die aus rechteckigen ausgeschnittenen Teilstücken des Elements 80 besteht. Die Verrippung 202 kann an verschiedenen Teilstücken entlang des Elements 80 vorhanden sein und sorgt für eine zusätzliche Torsionsnachgiebigkeit des Isolators 48. Die Verrippung 202 kann durch eine Außenkante 203 verbunden sein, um die Bindung zu verbessern.
Ebenso kann bei dem Isolator 48 eine zusätzliche axiale Nachgiebigkeit erreicht werden. Die Stoßdämpfer 204, Sternscheiben 206 und/oder Ringe 208 können an Enden 210 und 212 des Isolators 48 eingefügt sein. Zu Veranschaulichungszwecken sind die Stoßdämpfer 204 an einem Ende von 6 gezeigt und auch in 8 wiedergegeben, und die Sternscheiben 206 sind am anderen Ende von 6 gezeigt und in 9 wiedergegeben. Der Ring 208 ist in 6 wiedergegeben. Die Stoßdämpfer 204 können ebenfalls einen Bereich in Durometer haben, der die axiale Nachgiebigkeit beeinflusst. Die Ringe 206 können auch die Reduzierung der Reibung unterstützen, wenn sich der Isolator 48 dreht. Um eine noch höhere Steifigkeit oder eine niedrigere Reibung zu erreichen, können die Ringe 208 aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sein.
Unter Bezug auf 10 ist eine alternative Ausführungsform des Isolators 48 gezeigt, die einen alternativen Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 mit einem Behälter 90 mit einem Deckel 92 veranschaulicht. Der Deckel 92 ist an dem Behälter mit einem oder mehreren Verbindungselementen 94 wie Schrauben, Bolzen u. ä. befestigt. Wenn sich also der Riemen 58 bewegt, dreht sich der Behälter 90. Außerdem erstreckt sich das Element 80 um die Kugelumlaufspindelmutter 78 zu einem ersten Ende 95 sowie einem zweiten Ende 97 der Kugelumlaufspindelmutter 78, sodass die Kugelumlaufspindelmutter 78 in dem Element 80 eingeschlossen ist. Die Kugelumlaufspindelmutter 78 kann in dem Element 80 entweder völlig oder im wesentlichen eingeschlossen sein. Wie in 3 ist das Element 80 zwischen der Kugelumlaufspindelmutter 78 und dem Behälter 90 angeordnet. Das Element 80 kann an dem Behälter 90 mit einem Klebstoff 82 befestigt sein. 4 veranschaulicht auch einen Flansch 98, der kontinuierlich um die gesamte Kugelumlaufspindelmutter 78 ist; der Flansch 98 kann jedoch auch wie in 3 diskontinuierlich sein.
Unter Bezug auf 11 ist eine alternative Ausführungsform des Isolators 48 gezeigt, die einen Isolator ohne Kugelumlaufspindelmutternbehälter veranschaulicht. Der Riemen 58 wickelt sich direkt um das Element 80. Wenn sich also der Riemen 58 bewegt, dreht sich das Element 80. Das Element 80 kann an der Kugelumlaufspindelmutter 78 mit einem Klebstoff 82 befestigt sein. Unter Bezug auf 1 bis 10 läuft der Betrieb des Lenksystems 10 mit dem Isolator 48 wie folgt ab. Wenn der Bediener des Fahrzeugs das Lenkrad 16 dreht, erfassen der Drehmomentsensor 22 und der Positionssensor 24 den Lenkwinkel des Lenkrades 16. Der Drehmomentsensor 22 und der Positionssensor 24 senden ein Signal zu einem Controller 26. Der Controller 26 liefert dann ein Signal an den Motor 46. Der Motor 46 stellt über eine Welle 50 ein Drehmoment für die Riemenscheibe 54 bereit. Das Drehmoment der Riemenscheibe 54 wird zu dem Riemen 58 übertragen. Alternativ kann der Riemen 58 durch ein Ketten- oder Zahnradsystem ersetzt sein, das ein Drehmoment für den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 bereitstellt. Demnach liefern der Motor 46, die Welle 54 und der Riemen eine Dreh-Dreh-Umwandlung, die durch die Abmessungen der Riemenscheibe 54 und des Kugelumlaufspindelmutternbehälters 66 zueinander bestimmt ist (z. B. Übersetzungsverhältnis).
Wenn sich der Riemen 58 dreht, wird eine Drehmomentkraft auf den Riemen 58 aufgebracht, die dann den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 dreht. Die Drehkraft wird über das Dreh-zu-linear-Stellglied in eine lineare Kraft umgewandelt, das als eine Kugelumlaufspindelanordnung gezeigt ist. Die Reibung zwischen dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 und der Kugelumlaufspindelmutter 78 bewirkt, dass sich die Kugelumlaufspindelmutter 78 dreht. Der Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 wirkt also als eine Riemenscheibe, um die Kugelumlaufspindelmutter 78 zu drehen. Alternativ könnte eine separate Riemenscheibe an dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 befestigt oder daran gepresst sein.
Wenn sich die Kugelumlaufspindelmutter 78 dreht, besteht ein Eingriff der Kugelumlaufspindel 44 und der Kugelumlaufspindelmutter 78, der bewirkt, dass sich die Kugelumlaufspindel 44 in einer linearen Richtung bewegt. Die Bewegung der Kugelumlaufspindel 44 bewegt die Gestängeanordnung 32 entsprechend in einer linearen Richtung, die als die Richtung der Pfeile 47 gezeigt ist. Natürlich entspricht die Bewegungsrichtung der Gestängeanordnung 32 der Drehrichtung der Riemenscheibe 54.
11 wirkt auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, es gibt jedoch keinen Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66. Wenn sich der Riemen 58 also dreht, wird eine Drehmomentkraft auf den Riemen 58 aufgebracht, die dann das Element 80 dreht. Die Drehkraft wird über das Dreh-zu-linear-Stellglied in eine lineare Kraft umgewandelt, das als eine Kugelumlaufspindelanordnung gezeigt ist. Die Reibung zwischen dem Element 80 und der Kugelumlaufspindelmutter 78 bewirkt, dass sich die Kugelumlaufspindelmutter 78 dreht. Die Lager 72 und 74 fangen das Element 80. Das Element 80 wirkt also als eine Riemenscheibe zum Drehen der Kugelumlaufspindelmutter 78.
1 und 2 veranschaulichen ein Hilfskraftlenksystem, das eine mechanische Verbindung zwischen dem (Zahnstangen-)Lenkrad 16 und der Gestängeanordnung 32 umfasst. Alternativ und bei Anwendungen, in denen ein „Steer-by-wire-System" verwendet wird, gib es keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 16 und der Gestängeanordnung. Bei dieser Anwendung wird die Drehbewegung des Lenkrades 16 durch den Fahrer (und/oder ein Signal von einer äquivalenten Fahrersteuereinrichtung) in den Controller 26 eingegeben, während der Motor 46 die erforderliche Kraft bereitstellt, um die Gestängeanordnung 32 zu betätigen. Außerdem ist auch wichtig zu bemerken, dass der Isolator 48 zwar als in ein Lenksystem integriert beschrieben worden ist, aber der Isolator 48 in jeden Mechanismus integriert sein kann, der eine Kugelumlaufspindelanordnung verwendet.
Wie durch die oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht, kann es zahlreiche Ausführungsformen für den Isolator 48 geben, indem das Material, der Durometer und die Geometrie des Elements 80 geändert werden. Durch Veränderung des Materials, des Durometers und der Geometrie des Elements 80 schafft der Isolator 48 einen Bereich von Torsionssteifigkeit, axialer Steifigkeit und radialer Steifigkeit in einem Gebiet, wo die untere Lenksäule 28 und die Gestängeanordnung 32 verbunden sind. Veränderliche Grade von Flexibilität können auch erreicht werden, indem Sternscheiben 206, Ringe 208, Stoßdämpfer 204 u. ä. an den Enden des Isolators 48 hinzugefügt werden.
Um die geeigneten Steifigkeitsziele für den Isolator 48 zu bestimmen, wird eine Anzahl von Fakten geprüft, um die Parameter der Steifigkeitsziele zu erhalten. Die Quelle der Vibration wird bestimmt, und ihr Frequenzgehalt wird berechnet. Außerdem wird die gewünschte Eigenfrequenz des Isolators 48 berechnet. Typischerweise beträgt die gewünschte Eigenfrequenz etwa die Hälfte der Quellfrequenz. Die gewünschte Vibrationsisolationssteifigkeit und die zulässige Bewegung der Quelle werden evaluiert. Beim Bestimmen der zulässigen Bewegung der Quelle sollten die Funktion sowie die Dauerhaltbarkeit der Quelle berücksichtigt werden. Außerdem wird die Auslenkung unter Last für die gewünschte Vibrationsisolationssteifigkeit berechnet. Die Steifigkeit könnte gegebenenfalls erhöht werden.
Sind die Parameter der Steifigkeitsziele evaluiert worden, kann die Konstruktion des Isolators stattfinden. Ein Material oder eine Vielzahl von Materialien werden für das Element 80 gewählt. Eine Geometrie wird auch gewählt, die das Ausschneiden von Teilstücken des Elements 80 umfasst. Bevorzugt wird mit einfachen Geometrien wie den in 7 und 8 beschriebenen begonnen, um zu bestimmen, ob eine einfache Geometrie des Elements 80 die geeignete Steifigkeit bereitstellen kann. Sind das Material und die Geometrie gewählt, wird ein Finite-Elemente-Modell konstruiert und verwendet, um die Torsionssteifigkeit, die axiale Steifigkeit und die radiale Steifigkeit zu schätzen. Der Design-Prozess verwendet sowohl einen iterativen Prozess zwischen Finite-Elemente-Modellierung als auch empirisches Testen. Wenn also eine spezifische gewählte Geometrie nicht die geeignete Steifigkeit bereitstellt, wird eine andere Geometrie gewählt. Außerdem können das Material oder die Vielzahl von Materialien auch geändert werden, um die Konstruktion zu unterstützen.
Bei der Konstruktion für Torsionssteifigkeit beträgt z. B. ein gewünschter Verschiebungsbereich der Kugelumlaufspindelmutter oder des Motors etwa 200000 Nm/rad für eine minimale Verschiebung bis etwa 20 Nm/rad für niederfrequente Vibration. Der gewünschte Bereich für die axiale Steifigkeit beträgt etwa 10000 N/mm für eine minimale Verschiebung bis etwa 400 N/mm für kleine Autos und leichte Lasten.
Zum vollständigeren Verständnis des Verfahrens zur Konstruktion des Isolators 48 wird ein Beispiel der Berechnungen für die Torsionssteifigkeit, axiale Steifigkeit und die radiale Steifigkeit als eine Art der Veranschaulichung bereitgestellt, wie die Steifigkeiten berechnet werden. Die Berechnungen berücksichtigen vereinfachte Annahmen von Materialmechanik und -eigenschaften. Bei der tatsächlichen Konstruktion des Isolators 48 sollten sowohl ein iterativer Prozess zwischen Finite-Elemente-Modellierung als auch empirisches Testen verwendet werden.
Um die Torsionssteifigkeit (Kt) und die Torsionsauslenkung der Kugelumlaufspindelmutter 78 zu der Riemenscheibe 54 zu berechnen, sei angenommen, dass die Quellfrequenz 100 Hz und mehr beträgt. Die gewünschte Eigenfrequenz des Systems beträgt also 50 Hz (f). Wenn die Mutternträgheit 0,003 kg·m²/rad (I) beträgt, ist die annähernde Torsionssteifigkeit Kt = I·(2πf)² = 0,003·(2·π50)² = 316 Nm/rad. Die Auslenkung ist das Drehmoment (T) dividiert durch die Torsionssteifigkeit oder θ = T/Kt. Diese Formel berechnet die Auslenkung in Radianten, und damit werden Radianten durch die Formel 2π rad = 360 deg in Grad umgerechnet; die Auslenkung bei 5 Nm ist also 5 Nm/316 Nm/rad·(360 deg/2π rad) = 1 Grad.
Um die axiale Steifigkeit (Ka) und die axiale Auslenkung zu berechnen, sei angenommen, dass die gewünschte Eigenfrequenz 100 Hz (f) beträgt, und es sei angenommen, dass die Masse der Kugelumlaufspindel 44 und der Spurstange 34 6 kg (m) ist. Die erforderliche axiale Steifigkeit ist Ka = M·(2π f)² = 6·(2·π·100)² = 2370000 N/m = 2370 N/mm. Die Auslenkung ist gleich der Kraft dividiert durch die axiale Steifigkeit oder x = F/Ka; die Auslenkung bei 4000 N Last ist also 4000 N/2370 N/mm = 1,7 mm.
Um die radiale Steifigkeit (Kr) zu berechnen, sei angenommen, dass der Betrag der benötigten radialen Bewegung 0,5 mm (x) ist. Außerdem sei eine Seitenlastkraft von 1000 N (F) angenommen. Die tatsächliche Seitenlastkraft auf der Kugelumlaufspindelmutter 78 in Abhängigkeit von der Position der Gestängeanordnung 32 wird ein Prozentsatz der gesamten Seitenlastkraft sein. Für dieses Beispiel sei angenommen, dass die Seitenlast auf der Kugelumlaufspindelmutter 75% der gesamten Seitenlastkraft ist. Da die Kraft gleich der radialen Steifigkeit multipliziert mit der Auslenkung ist oder F = (Kr)·x, ist die radiale Steifigkeit die Kraft dividiert durch die Auslenkung oder Kr = F/x = 750 N/0,5 mm = 1500 N/mm.
Wie oben erläutert, umfasst der Isolator 48 die Kugelumlaufspindelanordnung und das Element 80, welches die Kugelumlaufspindelmutter 78 umgibt, und kann auch den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 umfassen. Der Isolator 48 stellt Freiheitsgrade für jeden Typ von Mechanismus bereit, in den er integriert ist und der einen Lenkmechanismus umfasst. Der Isolator 48 kann Freiheitsgrade für den Lenkmechanismus bereitstellen, indem er die Gestängeanordnung 32 und die Kugelumlaufspindelanordnung in jeder Richtung auslenken läßt, einschließlich axial, torsionsmäßig, winkelig und/oder linear, wobei er gleichzeitig eine annehmbare Tragfähigkeit bereitstellt, ohne die Lager 72 und 74 sowie die Kugelumlaufspindelanordnung zu überlasten. Außerdem können durch die Steuerung der Torsionssteifigkeit, der axialen Steifigkeit und der radialen Steifigkeit durch das Design des Elements 80 über die Materialwahl und durch selektives Formen des Materials die Vibration und die Auslenkungen der Gestängeanordnung 32 und der Kugelumlaufspindelanordnung gesteuert werden, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten.
Die tatsächliche Anzahl von Freiheitsgraden kann unter Verwendung der Grubler-Gleichung berechnet werden, die in dem Buch Mabie & Reinholz, „Mechanisms and the Dynamics of Mechanisms and Dynamics of Machinery" (4. Auflage 1987), S. 11–14 und 582–599 zu finden ist, das hier in seiner Gesamtheit bezugsweise aufgenommen ist. Die Grubler-Gleichung sieht vor, dass die Freiheitsgrade (d. o. f) jedes Mechanismus gleich der Anzahl von Eingängen von den Gliedern und Gelenken in einem Mechanismus sein muss. Der Freiheitsgrad des gesamten Mechanismus kann berechnet werden durch: d. o. f = 6·(Zahl von Gliedern) + Summe der Gelenkbedingung
Die „Gelenkbedingung" ist eine Zahl, die zwei Gliedern zugewiesen ist, die durch ein Gelenk verbunden sind. Die Zahl kann aus jeder mechanischen Kinematikdiskussion erhalten werden, wie derjenigen, die in dem obengenannten Lehrbuch zu finden ist. Wenn die Berechnung einen negativen d. o. f angeibt, dann ist das System überbeschränkt. Wenn die Berechnung eine positive Zahl angibt, dann ist das System unterbeschränkt. Es ist erwünscht, eine positive Zahl für den Freiheitsgrad zu haben.
Der Isolator 48 stellt Freiheitsgrade an der Kugelumlaufspindelanordnung bereit. Beispielsweise hat eine Kugelumlaufspindelmutter zwei Glieder, nämlich eine Kugelumlaufspindelmutter und eine Kugelumlaufspindel. Der Gelenktyp ist eine Schraube. Die Gelenkbedingung für diese zwei Glieder und das Gelenk ist 5. Durch Addieren des Elements 80 zu der Kugelumlaufspindelmutter 78 steigt die Gelenkbedingungszahl, wodurch der Freiheitsgrad für das System erhöht wird, in welches das Element 80 und die Kugelumlaufspindelmutter 78 integriert sind. Der Isolator 48 stellt zusätzliche Freiheitsgrade für den Lenkmechanismus oder einen beliebigen Mechanismus bereit, in den er integriert ist, und beseitigt die Notwendigkeit einer Hochpräzisionsfertigung und der Verwendung von Kontaktpendellagern.
Ein weiterer Vorteil des Isolators 48 liegt darin, dass die Kugelumlaufspindelmutter 78 vom Rest des Lenksystems 10 isoliert ist, indem das Element 80 zwischen den Kugelumlaufspindelmutternbehälter 66 und die Kugelumlaufspindelmutter 78 eingefügt ist. Durch Isolierung der Kugelumlaufspindelmutter 78 dringt das Geräusch von den Kugeln in der Kugelumlaufspindel 44 nicht zum Fahrer. Darüber hinaus ist das Geräusch isoliert, und gleichzeitig bleibt die Lenkung steif.
Wie oben bemerkt, können außerdem die Straßenräder 14 durch die Mangelhaftigkeiten der Fahrbahn erschüttert werden, wenn das Fahrzeug die Straße entlang fährt. Wenn dies passiert, werden die Straßenräder zusammengepresst und erschüttert, und diese Bewegung läuft zu der Gestängeanordnung 32 und der Kugelumlaufspindelanordnung. Der Isolator 48 leitet die Aufprallenergie ab. Da die Energie am Isolator 48 abgeleitet wird, brauchen die Lagergrenzflächen nicht die Extralast der Aufprallenergie tragen. Als ein Ergebnis können solche Lagergrenzflächen ausgelegt und bemessen sein, um die niedrigeren resultierenden Lasten zu tragen.
Während die Erfindung unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren Umfang zu verlassen. Deshalb soll die Erfindung nicht auf die spezielle offenbarte Ausführungsform beschränkt sein, die als die beste Art zur Durchführung dieser Erfindung betrachtet wird, sondern die Erfindung wird alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Lenksystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend: ein Lenkrad (16); einen Lenkmechanismus zum Übertragen eines Lenkvorgangs des Lenkrads (16), um die Winkelkonfiguration eines Straßenrades (14) zu verändern; und einen Hilfskraftmechanismus zum Bereitstellen einer Hilfskraft an dem Lenkmechanismus, der eine Kugelumlaufspindelanordnung umfasst, die eine Kugelumlaufspindelmutter (78) aufweist, wobei der Hilfskraftmechanismus in Ansprechen auf den Lenkvorgang des Lenkrades (16) aktiviert wird; dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationssystem (48) funktional mit dem Hilfskraftmechanismus gekoppelt ist, wobei das Isolationssystem (48) ein Element (80) umfasst, das die Kugelumlaufspindelmutter (78) radial außen umschließt.
Lenksystem (10) nach Anspruch 1, umfassend: eine Gestängeanordnung (32), die mit einem Straßenrad (14) gekoppelt ist; wobei die Kugelumlaufspindelanordnung des Hilfskraftmechanismus mit der Gestängeanordnung (32) gekoppelt ist und mit einem Elektromotor (46) in Wirkverbindung steht, wobei der Elektromotor (46) eine Betätigungskraft an der Kugelumlaufspindelanordnung bereitstellt, wobei die Betätigungskraft bewirkt, dass sich die Gestängeanordnung (32) linear bewegt.
Lenksystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Kugelumlaufspindelanordnung umfasst: eine Kugelumlaufspindel (44), die in die Gestängeanordnung (32) integriert ist; und die Kugelumlaufspindelmutter (78), wobei die Kugelumlaufspindel (44) eingerichtet ist, mit der Kugelumlaufspindelmutter (78) in Eingriff zu stehen, wobei die Kugelumlaufspindelmutter (78) in einem Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) eingeschlossen ist.
Lenksystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Hilfskraftmechanismus umfasst: einen Elektromotor (46) zum Bereitstellen einer Drehkraft an einer Welle (50); eine Riemenscheibe (54), die an der Welle (50) starr befestigt ist; einen Riemen (58) in Wirkverbindung mit der Riemenscheibe (54) und einem Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66); eine Kugelumlaufspindel (44); und die Kugelumlaufspindelmutter (78), wobei die Kugelumlaufspindel (44) eingerichtet ist, mit der Kugelumlaufspindelmutter (78) in Eingriff zu stehen, wobei die Kugelumlaufspindelmutter (78) in dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) eingeschlossen ist.
Lenksystem (10) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die Kugelumlaufspindelmutter (78) mit einem Flansch versehen ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) eine erste Schale (68) und eine zweite Schale (70) umfasst.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) einen Behälter (90) und einen Deckel (92) umfasst.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) eine Aluminiumlegierung ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Element (80) des Isolationssystems (48) zwischen der Kugelumlaufspindelmutter (78) und dem Kugelumlaufspindelmutternbehälter (66) angeordnet ist, wobei das Element (80) ausgewählte Eigenschaften aufweist.
Lenksystem (10) nach Anspruch 9, wobei die ausgewählten Eigenschaften Nachgiebigkeitseigenschaften sind.
Lenksystem (10) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei das Element (80) ein ausgeschnittenes Teilstück mit einer Form umfasst.
Lenksystem (10) nach Anspruch 11, wobei das ausgeschnittene Teilstück ein ausgewähltes Profil umfasst, um das Element mit ausgewählten Eigenschaften zu ermöglichen.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Element (80) aus einem Elastomermaterial hergestellt ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Element (80) ein ausgewähltes Material oder ausgewählte Materia lien umfasst, das/die einen Durometer oder Durometer mit ausgewählten Eigenschaften aufweist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Element (80) eine Vielzahl von Durometerwerten aufweist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Element (80) an dem Kugelumlaufspindelmutternbehältern (66) durch einen Klebstoff (82) befestigt ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, das ferner eine Sternscheibe (206) umfasst, die an einem Ende (210) der Kugelumlaufspindelmutter (78) angebracht ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, das ferner einen Ring (208) umfasst, der an einem Ende (210) der Kugelumlaufspindelmutter (78) angeordnet ist.
Lenksystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, das ferner einen Stoßdämpfer (204) umfasst, der an einem Ende (210) der Kugelumlaufspindelmutter (78) angeordnet ist.
Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 19, das ferner eine Vielzahl von Sensoren (22, 24) zum Liefern von Signalen an einen Controller (26) umfasst, wobei der Controller (26) die Aktivierung und Deaktivierung des Elektromotors (46) steuert.