WO1999026831A1 - Elektromotorischer stellantrieb für eine fahrzeuglenkanlage - Google Patents

Elektromotorischer stellantrieb für eine fahrzeuglenkanlage Download PDF

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    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
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    • H02K7/1166—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears where at least two gears have non-parallel axes without having orbital motion comprising worm and worm-wheel
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    • F16H57/021—Shaft support structures, e.g. partition walls, bearing eyes, casing walls or covers with bearings
    • F16H2057/0213—Support of worm gear shafts

Definitions

  • the invention relates to an electromotive actuator for a vehicle steering system with a worm gear, consisting of a worm mounted in a housing and a worm wheel connected to the steering linkage, preferably the steering column, and a torque sensor for detecting the steering torque applied by the driver and an electronic control unit. which controls the motor after evaluating the torque sensor signals.
  • the regulation should be relatively soft, which implies that the coupling of the actuator to the steering linkage should not be too direct.
  • the actuator should work as quietly as possible, in particular rattling noises of the actuator gregats are prevented, which are caused by external forces acting on the wheels.
  • a device for steering the rear wheels in which the adjustment is effected via a ball screw.
  • the nut of the gearbox is mounted on two roller bearings in the gearbox housing, the outer shells of the bearings being held in preloaded rubber elements, which have the task of absorbing shocks exerted under high loads, in order to protect the ball screw from damage.
  • This presupposes that the rubber elements are preloaded relatively high to withstand the high loads to be able to record.
  • the preload is intended to ensure that the play is removed from the recirculating ball mechanism.
  • the restoring forces of the resilient elements according to the invention should be set as follows: their resistance should be less than the internal resistance of the steering system, so that when the motor is actuated the play between worm and worm wheel is first overcome, then the worm is shifted, whereby it is supported on the teeth of the worm wheel by compressing one of the elastic elements, and only when the resistance becomes so great that the internal forces of the steering system can be overcome, does an actual force support take place. With this measure it is achieved that the steering system responds with a delay to the switching on of the engine, whereby the control process is positively influenced.
  • the worm wheel is often coupled directly to the drive shaft of the motor, if not in one piece with it. In this case, the combination of the drive shaft and the worm shaft must have sufficient axial movement. If this is not possible, the stem is suggested the worm slidable in the axial direction on the drive shaft of the motor.
  • the screw is supported with at least one ball or roller bearing with an inner and an outer shell.
  • at least one collar is provided on the shaft of the screw and the element is arranged between the inner shell and the collar. Since the arrangement is rotationally symmetrical, it makes sense to use a rubber ring as the elastic element.
  • the worm is supported on both sides and each provided with a collar and an elastic support.
  • Fig. 2 an actuator in partial section.
  • the two front wheels 3 of a vehicle are articulated on a steering gear 1 via two steering rods 2.
  • the steering gear 1 is connected to the steering wheel 5 of the vehicle via a steering shaft 4. Turning the steering wheel to the left or right leads to a proportional turning of the front wheels 3 in accordance with the translation in the steering gear 1.
  • the steering shaft 4 is connected via a gear 6 to an electric motor 7, which has a electronic control unit 8 is operated.
  • the motor forces are regulated as follows: brought steering torque is detected with a torque sensor 9, the signals of which are fed via a signal line 10 to the electronics 8, which controls the electric motor 7 based on a predetermined algorithm.
  • Worm gearboxes have proven themselves as gearboxes, which in this form can also be used for other actuating tasks in the vehicle.
  • Such a drive unit consisting of the electric motor 7 and the worm gear 6, is shown in FIG. 2.
  • the axis 11 of the worm wheel 12 is formed by a portion of the steering shaft 4, so that the worm wheel 12 is directly and directly coupled to the steering shaft 4.
  • the worm 13 is machined out of a shaft 14 which is arranged coaxially with the drive shaft 15 of the electric motor 7.
  • the connection between the shaft 14 and the drive shaft 15 is rotationally fixed, but allows the shaft to move axially with respect to the shaft.
  • the shaft 14 is supported in two ball bearings 16, 17 on both sides of the screw 13.
  • the bearings 16, 17 are arranged in the gear housing 18, the outer shell of one bearing 17 being supported on an inner end wall of the housing 18 and the outer shell of the other bearing 16 being supported on a rubber ring embedded in the housing, with the side facing away from the worm 13 .
  • the shaft 14 is provided with radially projecting shoulders 20, 21, which are each arranged in the installed state between the screw 13 and the associated bearing 16, 17. Between the shoulders 20, 21 and the respective inner shells of the bearings 16, 17 there are rubber rings 22, 23 arranged, which are clamped under a slight preload between the inner shell of a bearing 16 (or 17) and the associated paragraph 20 (or 21).
  • the worm 13 and the ring gear of the worm wheel 12 mesh with each other with a certain amount of play.
  • the rubber rings 22, 23 have the effect that when the electric motor 7 is switched on, that is to say when a supporting force is applied, this is only brought to the steering shaft 4 with a delay, since first the shaft is displaced in the axial direction while compressing the respective rubber ring 22, 23 .
  • This somewhat late response has a positive influence on the control loop. A too direct response could lead to clipping.
  • the rubber rings 22, 23 have the task of damping impacts that are introduced into the steering system via the wheels. These impacts with high-frequency excitation cause noises in the transmission, particularly when there is play between the worm wheel 12 and the worm 13, as is deliberately provided in this case, which are transmitted and emitted as structure-borne noise. With the rubber rings 22, 23 this can be effectively prevented.
  • the play of the gear provided between worm and worm wheel in this exemplary embodiment is approximately 0.5 ° rotation of the motor drive shaft, the displacement of the shaft 14 to be absorbed by the rubber elements 22, 23 corresponds approximately to a rotation of the motor drive shaft of 2 ° to 3 °. If this tolerance were to be represented solely by the mechanical play between the worm and the steering wheel, this would lead to considerable noise when there is external excitation.

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Abstract

Es wird ein elektromotorischer Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage vorgestellt. Dieser besteht aus einem elektromotorisch angetriebenen Schneckenradgetriebe (6) mit der Besonderheit, dass der Schaft (14) der Schnecke (13) elastisch abgestützt im Getriebegehäuse gehalten wird. Die Federkraft der Elemente (22, 23) ist auf die innere Reibung der Lenkanlage abgestimmt, so dass beim Anfahren des Motors (7) zunächst der Schaft (14) mit der Schnecke (13) unter Zusammendrückung eines der Elemente (20, 23) je nach Drehrichtung verschoben wird und erst dann ein Antrieb der Lenkwelle (4) erfolgt. Dies hat einen äusserst positiven Einfluss auf die Regelgüte der Servolenkung.

Description

B e s c h r e i b u n g
Elektromotorischer Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage mit einem Schneckenradgetriebe, bestehend aus einer in einem Gehäuse gelagerten Schnecke und einem mit dem Lenkgestän- ge vorzugsweise der Lenksäule verbundenen Schneckenrad sowie einem Drehmomentsensor zur Erfassung des vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments und einer elektronischen Regeleinheit, die den Motor nach Auswertung der Drehmomentsensorsignale ansteuert.
Ein solcher Stellantrieb ist in der EP 0 535 422 AI beschrieben. Der mechanische Aufbau sowie die elektronische Steuerung muß den folgenden Anforderungen genügen:
In bestimmten Fahr- und Lenksituationen ist keine Lenkkraftunterstützung notwendig, so z. B. bei leichten Spurkorrekturen bei Fahrten auf der Autobahn. In diesen Situationen soll der an die Lenkung angekoppelte elektromotorische Stellantrieb keine negativen Einflüsse auf das Lenkgefühl haben. Insbesondere soll vermieden werden, daß durch den Stellantrieb zusätzliche vom Fahrer zu überwindende Reibungskräfte erzeugt werden.
Die Regelung soll relativ weich erfolgen, was impliziert, daß die Kopplung des Stellantriebs mit dem Lenkgestänge nicht zu direkt sein soll.
Der Stellantrieb soll möglichst geräuscharm arbei- ten, insbesondere sollen Klappergeräusche des Ag- gregats unterbunden werden, die durch von außen auf die Räder einwirkende Stoßkräfte hervorgerufen werden.
Um den verschiedenen Forderungen zu genügen, wird daher vorgeschlagen, zwischen der Schnecke und dem Schneckenrad ein Spiel vorzusehen, die Schnecke in axialer Richtung verschiebbar zu lagern und über elastisch nachgiebige Elemente am Getriebegehäuse abzustützen.
Aus der DE 35 26 498 C2 ist zwar bekannt, Antrieb und Lenkstange elastisch miteinander zu koppeln. Dazu ist das letzte Zahnrad des Getriebes koaxial zur Lenkwelle angeordnet, wobei die Lenkwelle mit vier seitlich ab- stehenden Armen versehen ist, die in mit Gummielernenten versehene Löcher im Zahnrad eingreifen. Abgesehen davon, daß diese Anordnung relativ kompliziert ist, ist sie nicht geeignet, das Auftreten von Reibungskräften bei geringen Lenkeinschlägen zu verhindern. Die elasti- sehen Elemente müssen nämlich bei dieser Konstruktion eine gewisse Härte aufweisen, so daß bei jeder Drehung des Lenkrads jedes Zahnrad des Getriebes sowie der Rotor des Motors mitgedreht werden, was erhebliche, der Lenkbewegung entgegenwirkende Reibungskräfte erzeugt .
Aus der DE 37 35 517 AI ist eine Einrichtung zur Lenkung der Hinterräder bekannt, bei der die Verstellung über eine Kugelumlaufspindel bewirkt wird. Die Nuß des Getriebes ist über zwei Rollenlager im Getriebegehäuse gelagert, wobei die Außenschalen der Lager in vorgespannten Gummielementen gehalten sind, die die Aufgabe haben, unter hoher Belastung ausgeübte Stöße aufzunehmen, um damit die Kugelumlaufspindel vor Beschädigung zu bewahren. Dies setzt voraus, daß die Gummielemente relativ hoch vorgespannt sind, um die hohen Belastungen aufnehmen zu können. Außerdem soll mit der Vorspannung erreicht werden, daß das Spiel aus dem Kugelumlaufme- chanismus herausgenommen wird.
Demgegenüber sollen die Rückstellkräfte der elastisch nachgiebigen Elemente gemäß der Erfindung wie folgt eingestellt werden: Ihr Widerstand soll kleiner sein als die inneren Widerstände der Lenkanlage, so daß beim Betätigen des Motors zunächst das Spiel zwischen Schnecke und Schneckenrad überwunden wird, anschließend die Schnecke verschoben wird, wobei sie sich unter Zu- sammendrückung eines der elastischen Elemente an den Zähnen des Schneckenrades abstützt, und erst wenn der Widerstand so groß wird, daß die inneren Kräfte der Lenkanlage überwunden werden können, eine tatsächliche Kraftunterstützung erfolgt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Lenkanlage verzögert auf das Einschalten des Motors anspricht, wodurch der Regelprozeß positiv beeinflußt wird.
Mit dieser Einstellung wird weiterhin erreicht, daß bei kleinen Lenkeinschlägen, bei denen die Motorunterstützung noch nicht ausgelöst wird, das Schneckenrad die Schnecke lediglich mitnimmt, nicht aber dreht, so daß der Losbrechwiderstand des Elektromotors nicht überwunden werden braucht. Die Lenkung spricht daher in kleinen Winkelbereichen reibungsfrei an, da der Rotor des Motors nicht mitgedreht wird.
Häufig ist das Schneckenrad unmittelbar mit der Antriebswelle des Motors gekoppelt, wenn nicht sogar einstückig mit diesem ausgeführt . In diesem Fall muß der Kombination aus Antriebswelle und Schneckenschaft eine ausreichende axiale Bewegung zugemessen werden. Wenn dies nicht möglich ist, wird vorgeschlagen, den Schaft der Schnecke in axialer Richtung verschiebbar auf der Antriebswelle des Motors zu lagern.
Die Lagerung der Schnecke erfolgt mit mindestens einem Kugel- oder Wälzlager mit einer Innen- und einer Außenschale. Zum Anordnen des elastischen Elements wird am Schaft der Schnecke mindestens ein Bund vorgesehen und das Element zwischen der Innenschale und dem Bund angeordnet. Da die Anordnung rotationssymmetrisch ist, bie- tet es sich an, als elastisches Element einen Gummiring einzusetzen. Um die Wirkung sowohl beim Links- als auch beim Rechtslenken zu erreichen, ist die Schnecke beid- seitig gelagert und mit jeweils einem Bund und einer elastischen Abstützung versehen.
Im folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Fahr- zeuglenkanlage und
Fig. 2: einen Stellantrieb im Teilschnitt.
Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. An einem Lenkgetriebe 1 sind über zwei Lenkstangen 2 die beiden Vorderräder 3 eines Fahrzeuges angelenkt. Das Lenkgetriebe 1 ist über eine Lenkwelle 4 mit dem Lenkrad 5 des Fahrzeuges verbunden. Ein Drehen des Lenkrades nach links oder rechts führt entsprechend der Übersetzung im Lenkgetriebe 1 zu einem proportionalen Einschlag der Vorderräder 3. Um den Fahrer beim Aufbringen der Lenkkräfte zu unterstützen, ist die Lenkwelle 4 über ein Getriebe 6 mit einem Elektromotor 7 verbunden, der über eine elektronische Steuereinheit 8 betätigt wird. Die Motorkräfte werden dabei wie folgt geregelt: Das aufge- brachte Lenkmoment wird mit einem Drehmomentsensor 9 erfaßt, dessen Signale über eine Signalleitung 10 der Elektronik 8 zugeführt werden, die aufgrund eines vorgegebenen Algorithmus den Elektromotor 7 ansteuert. Als Getriebe haben sich Schneckenradgetriebe bewährt, die in dieser Form auch zu anderen Stellaufgaben im Fahrzeug herangezogen werden.
Eine solche Antriebseinheit, bestehend aus dem Elektro- motor 7 und dem Schneckenradgetriebe 6, ist in der Fig. 2 dargestellt . Die Achse 11 des Schneckenrades 12 wird vom einem Teilabschnitt der Lenkwelle 4 gebildet, so daß das Schneckenrad 12 unmittelbar und direkt mit der Lenkwelle 4 gekoppelt ist.
Die Schnecke 13 ist aus einem Schaft 14 herausgearbeitet, der koaxial zur Antriebswelle 15 des Elektromotors 7 angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Schaft 14 und der Antriebswelle 15 ist drehfest, läßt aber eine Axialbewegung des Schafts gegenüber der Welle zu.
Der Schaft 14 ist in zwei Kugellagern 16, 17 zu beiden Seiten der Schnecke 13 gelagert. Die Lager 16, 17 sind im Getriebegehäuse 18 angeordnet, wobei die Außenschale des einen Lagers 17 an einer inneren Stirnwand des Gehäuses 18 und wobei die Außenschale des anderen Lagers 16 an einem im Gehäuse eingelassenen Gummiring jeweils mit der von der Schnecke 13 abgewandten Seite abgestützt ist.
Der Schaft 14 ist mit radial vorstehenden Absätzen 20, 21 versehen, die im Einbauzustand jeweils zwischen der Schnecke 13 und dem zugehörigen Lager 16, 17 angeordnet sind. Zwischen den Absätzen 20, 21 und den jeweils in- neren Schalen der Lager 16, 17 sind Gummiringe 22, 23 angeordnet, die unter einer leichten Vorspannung jeweils zwischen der inneren Schale eines Lagers 16 (bzw. 17) und dem zugehörigen Absatz 20 (bzw. 21) eingespannt sind. Die Schnecke 13 und der Zahnkranz des Schneckenrades 12 greifen mit einem gewissen Spiel ineinander ein.
Die funktionale Bedeutung der Gummiringe 22, 23 ergibt sich aus der Beschreibung der folgenden Situationen:
Bei leichten Lenkeinschlägen, die mit geringen Lenkmomenten verbunden sind, z. B. bei leichten Lenkkorrekturen bei Fahrten auf der Autobahn, spricht die Motorsteuerung noch nicht an, da dabei keine Unterstützung notwendig ist. In diesem Fall wird wegen der leichten Selbsthemmung des Getriebes das Schneckenrad 12 den Schaft 14 je nach Lenkeinschlag nach links oder rechts verschieben, wobei der jeweilige Gummiring 22, 23 zusammengedrückt wird. Dies erzeugt eine definierte Rück- stellkraft, hat aber insbesondere die Bedeutung, daß bei diesen leichten Lenkeinschlägen der Motor noch nicht mitgedreht wird, so daß das Losbrechmoment des Motors nicht überwunden werden muß. Der Fahrer erhält somit in diesen Situationen ein klares Lenkgefühl.
Auf der anderen Seite bewirken die Gummiringe 22, 23, daß bei eingeschaltetem Elektromotor 7, also bei Aufbringung einer Unterstützungskraft, diese nur verzögert auf die Lenkwelle 4 gebracht wird, da zunächst der Schaft unter Zusammendrückung des jeweiligen Gummirings 22, 23 in axialer Richtung verschoben wird. Dieses etwas verspätete Ansprechen hat einen positiven Einfluß auf den Regelkreis. Ein zu direktes Ansprechen könnte zu Übersteuerungen führen. Schließlich haben die Gummiringe 22, 23 die Aufgabe, Stöße, die über die Räder in die Lenkanlage eingeleitet werden, zu dämpfen. Diese Stöße mit hochfrequenter Anregung lassen im Getriebe insbesondere dann, wenn ein Spiel zwischen Schneckenrad 12 und der Schnecke 13 , wie in diesem Fall bewußt vorgesehen, vorhanden ist, Geräusche entstehen, die als Körperschall übertragen und abgestrahlt werden. Mit den Gummiringen 22, 23 kann dies wirkungsvoll unterbunden werden.
Das in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Spiel des Getriebes zwischen Schnecke und Schneckenrad beträgt etwa 0,5° Drehung der Motorantriebswelle, die von den Gummielementen 22, 23 aufzunehmende Verschiebung des Schaftes 14 entspricht etwa einer Drehung der Motorantriebswelle von 2° bis 3°. Wenn man diese Toleranz allein durch das mechanische Spiel zwischen Schnecke und Lenkrad darstellen soll, würde dies zu erheblichen Geräuschen bei einer äußeren Anregung führen.
Die dargelegten Wirkungen lassen sich auch dann erreichen, wenn die Gummielemente 22, 23 z. B. jeweils zwischen einer Stirnwand des äußeren Lagerrings und dem Gehäuse angeordnet wären. Denkbar wäre auch eine ela- stische Abstützung der Stirnfläche des Schaftes 14 am Boden des Gehäuses und der Antriebswelle 15 am Boden des Motorgehäuses, wobei dann natürlich eine Einteiligkeit von Antriebswelle 15 und Schaft gegeben sein muß. Eine mögliche Ausführungsform dazu ist in der EP 0 655 358 AI dargestellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Elektromotorischer Stellantrieb für eine Fahrzeuglenkanlage mit einem Schneckenradgetriebe (6) , be- stehend aus einer in einem Gehäuse (18) gelagerten Schnecke (13) und einem mit der Lenkwelle (4) gekoppelten Schneckenrad (12) sowie mit einem Drehmomentsensor (9) zur Erfassung des vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments und einer Steuereinheit (8) , die den Motor (7) in Abhängigkeit vom aufgebrachten Lenkmoment ansteuert , dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiel zwischen dem Schneckenrad
(12) und der Schnecke vorgesehen, daß die Schnecke
(13) in axialer Richtung verschiebbar gelagert und daß die Schnecke (13) in axialer Richtung über elastisch nachgiebige Elemente (22, 23) am Getriebegehäuse (18) abgestützt ist.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Rückstellkräfte der elastisch nachgiebigen Elemente (22, 23) so eingestellt sind, daß ihre Rückstellkräfte kleiner sind als die inneren Kräfte der Lenkanlage, so daß beim Betätigen des Motors (7) die Schnecke (13) axial unter Zu- sammendrückung eines der elastisch nachgiebigen Elemente (22, 23) verschoben wird.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (13) auf einem Schaft (14) ausgebildet ist, der in oder an der Antriebswelle (15) des Motors (7) in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.
4. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Schaftes (14) im Getriebegehäuse (18) mittels mindestens eines Kugel- oder Wälzlagers (16, 17) mit einer Innen- und einer Außenschale erfolgt .
5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (14) mindestens einen radial vorstehenden Absatz (20, 21) aufweist, wobei zwischen der Innenschale des Kugel- oder Wälzlagers (16, 17) und dem Absatz eines der elastisch nach- giebigen Elemente (22, 23) eingesetzt ist.
6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch nachgiebige Element aus einem Gummiring (22, 23) besteht, der zwischen der Innenschale und dem vorspringenden Absatz (20, 21) eingespannt ist .
7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (14) der Schnecke (13) zu beiden Seiten der Schnecke (13) gelagert ist, und daß der Schaft (14) an den Innenschalen beider Lager (16, 17) über ein elastisch nachgiebiges Element (22, 23) abgestützt ist .
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