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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Verbinden von Gehäuseteilen einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
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Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkungen weisen Servoeinheiten auf, die als Hilfskraftunterstützungseinrichtung an einem Ritzel oder einer Zahnstange des Lenkgetriebes angeordnet sein können. Die Servoeinheit weist dabei neben einem Elektromotor eine zur Berechnung der Lenkunterstützung elektronische Steuereinheit (ECU) auf.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
US 2016 065 027 A1 , ein mehrteiliges Elektromotorgehäuse, welches mit einem ECU-Gehäuse verbunden ist, über mehrere Bolzen mechanisch zu verbinden. Als nachteilig erweist sich diese Lösung, da über undichte Bereiche Schmutz und Wasser eindringen und die Komponenten schädigen kann. Weiterhin wird für eine derartige Verbindung viel Bauraum benötigt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten mechanischen Verbindung zwischen den Gehäuseteilen einer elektromechanischen Kraftfahrzeugservolenkung anzugeben, das eine stabile, kompakte und dichte Verbindung ermöglicht, die in ihrer Herstellung einfach und gut überwachbar ist.
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Diese Aufgabe wird von einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Verbinden von Gehäuseteilen einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Demnach ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung umfassend einen Elektromotor und eine elektronische Steuereinheit vorgesehen, wobei die elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung zumindest teilweise von Gehäuseteilen umgeben ist, und mindestens zwei der Gehäuseteile mittels Reibrührschweißen miteinander verbunden sind. Die resultierende stabile mechanische Verbindung ist in axialer und radialer Richtung dadurch so kurz wie möglich und stellt somit keine räumliche Einschränkung für das Design der Gehäuseteile dar. Der Verbindungsprozess ist einfach, wenig anfällig für Prozessschwankungen und zudem gut überwachbar.
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Vorzugsweise sind die Gehäuseteile aus Aluminium hergestellt. Es ist auch denkbar und möglich, dass die Gehäuseteile aus anderen Materialien hergestellt sind, wie beispielsweise Stahl bzw. Stahl-Legierungen. Mittels der Reibrührschweißverbindung können Gehäuseteile gleicher Materialien oder eine Kombination aus unterschiedlichen Materialien miteinander fest verbunden werden, also beispielsweise ein Kunststoffgehäuseteil mit einem Stahlgehäuseteil. Die Gehäuseteile weisen bevorzugt einen Stumpfstoß oder einen Überlappstoß oder eine Kombination aus Stumpf- und Überlappstoß auf, wodurch ein einfaches relatives Positionieren der Gehäuseteile zueinander ermöglicht wird und unterschiedliche Gehäuseformen fest miteinander verbunden werden können.
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Bevorzugt ist ein den Elektromotor umgebendes Motorgehäuse mit einem die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteil mittels Reibrührschweißen verbunden. Dadurch wird eine geschlossene elektronische Steuereinheit ermöglicht und eine Abdichtung erzielt, bei der auf zusätzliche Dichtungen verzichtet werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Motorgehäuse einen umlaufenden Rand aufweist, der auf einem umlaufenden Rand des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteils aufgesetzt ist, wobei der Rand des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteils einen ringförmigen Absatz aufweist, so dass der ringförmige Absatz oder ein innerer Bereich des Randes eine radiale Abstützung für den Rand des Motorgehäuses bildet. Die radiale Abstützung verhindert, dass beim Reibrührschweißen das Motorgehäuse verformt wird und ermöglicht eine höhere Stabilität. Es ist selbstverständlich denkbar und möglich, dass der Rand des das Motorgehäuse umgebenden Gehäuseteils einen ringförmigen Absatz aufweist, so dass der ringförmige Absatz oder ein innerer Bereich des Randes eine radiale Abstützung für den Rand des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteils bildet. Der Absatz kann am kompletten Umfang des Randes ausgebildet sein oder nur abschnittsweise entlang des Umfangs vorgesehen sein. Weiterhin ist es denkbar und möglich, dass zur Positionierung beider Gehäuseteile Vorsprünge oder Nasen vorgesehen sind, um ein Verschieben oder Verrutschen beider Gehäuseteile zueinander zu verhindern.
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Vorzugsweise ist die Nahttiefe der Reibrührschweißnaht kleiner als 4 mm, weiter bevorzugt kleiner als 3 mm oder weiter bevorzugt kleiner als 1 mm in radialer Richtung. Die sich ausbildende Schweißnaht ist stabil und fest, sodass schon eine geringe Nahttiefe ausreicht, um das Eigengewicht der Steuereinheit, des Motors, sowie auftretende Schwingungen auszuhalten und somit den Motor und die Steuereinheit dauerhaft stabil zu verbinden.
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Es ist weiterhin ein Verfahren zum Verbinden von Gehäuseteilen einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung umfassend einen Elektromotor und eine elektronische Steuereinheit mit folgenden Schritten vorgesehen:
- • Bereitstellen zweier Gehäuseteile;
- • Positionieren des ersten Gehäuseteiles auf dem zweiten Gehäuseteil, so dass sich ein Stoß ausbildet;
- • Entlangfahren eines sich drehenden Werkzeuges am Stoß zur Ausbildung einer Reibrührschweißnaht;
- • Am Nahtende Herausziehen des Werkzeuges aus dem Stoß der beiden Gehäuseteile.
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Das Reibrührschweißen verbindet die beiden Gehäuseteile und ermöglicht eine stabile, kompakte und dichte Verbindung. Weiterhin ist eine Zugänglichkeit für das Werkzeug leichter umsetzbar.
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Vorzugsweise sind die Gehäuseteile aus Aluminium hergestellt. Die Gehäuseteile weisen in einem Ausführungsbeispiel einen Stumpfstoß, einen Überlappstoß oder eine Kombination aus Stumpf- und Überlappstoß auf. Bevorzugt sind die beiden Gehäuseteile ein den Elektromotor umgebendes Motorgehäuse und ein die elektronische Steuereinheit umgebendes Gehäuseteil. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Motorgehäuse einen umlaufenden Rand aufweist, der auf einem umlaufenden Rand des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteils aufgesetzt ist, wobei der Rand des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuseteils einen ringförmigen Absatz aufweist, so dass der ringförmige Absatz oder ein innerer Bereich des Randes eine radiale Abstützung für den Rand des Motorgehäuses bildet. Oder in anderen Worten im Verbindungsbereich zwischen Motorgehäuse und dem Gehäuseteil der Steuereinheit kann eines der Gehäuseteile eine Abstufung haben, sodass das jeweils andere Gehäuseteil im verbundenen Zustand besser abgestützt werden kann. Als Rand wird dabei ein offenes Ende eines jeweiligen Gehäuseteils verstanden, sodass die Gehäuseteile an ihren jeweiligen offenen Enden mittels Reibrührschweißen miteinander verbunden werden können. Vorzugsweise sind das Motorgehäuse und der die elektronische Steuereinheit umgebende Gehäuseteil zylindrisch ausgebildet, so dass sich der Stoß ringförmig entlang des Umfanges erstreckt. Das Werkzeug zum Reibrührschweißen kann so besonders einfach in radialer Richtung auf den Stoß der beiden Gehäuseteile zugestellt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das Reibrührschweißen derart ausgeführt wird, dass die resultierende Nahttiefe der Reibrührschweißnaht kleiner als 4 mm, weiter bevorzugt kleiner als 3 mm oder weiter bevorzugt kleiner als 1 mm in radialer Richtung ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
- 1: eine räumliche Darstellung einer elektromechanischen Servolenkung;
- 2: eine schematische Darstellung der Anordnung des Elektromotors der elektromechanischen Servolenkung an der Zahnstange;
- 3a: eine schematische Darstellung einer Reibrührschweißverbindung eines Gehäuses des Elektromotors mit einem Gehäuse einer Steuereinheit mittels eines Werkzeugs;
- 3b: eine räumliche Darstellung eines Gehäuses des Elektromotors mit einem Gehäuse einer Steuereinheit eines Elektromotors mit elektrischer Steuereinheit;
- 4: ein Längsschnitt durch das Gehäuse des Elektromotors und der elektrischen Steuereinheit; sowie
- 5: eine Detailansicht der Verbindung zwischen den Gehäuseteilen des Elektromotors und der elektrischen Steuereinheit.
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In der 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment einer Zahnstange 6. Das Lenkritzel 5 bildet zusammen mit der Zahnstange 6 ein Lenkgetriebe 40.
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Die Lenkwelle 3 weist eingangsseitig eine mit dem Lenkrad 2 verbundene Eingangswelle 30 und ausgangsseitig eine mit der Zahnstange 6 über das Lenkritzel 5 verbundene Ausgangswelle 31 auf. Die Eingangswelle 30 und die Ausgangswelle 31 sind drehelastisch über einen in der 1 nicht dargestellten Drehstab miteinander verbunden. Ein vom Fahrer über das Lenkrad 2 in die Eingangswelle 30 eingeleitetes Drehmoment führt zu einer Relativdrehung der Eingangswelle 30 bezüglich der Ausgangswelle 31. Diese Relativdrehung zwischen Eingangswelle 30 und Ausgangswelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden.
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Die Lenkwelle 3 gemäß 1 umfasst weiterhin ein oder mehrere kardanische Gelenke 32, mittels welchen der Verlauf der Lenkwelle 3 im Kraftfahrzeug an die räumlichen Gegebenheiten angepasst werden kann. Die Lenkzwischenwelle der Lenkwelle 3, die in dem dargestellten Beispiel zwischen zwei kardanischen Gelenken 32 angeordnet ist und die Ausgangswelle 31 mit dem Lenkritzel 5 des Lenkgetriebes 40 verbindet, ist als längenveränderbare Lenkwelle 3 ausgebildet.
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Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse 60 in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Eine Servoeinheit 10 aus einem Elektromotor 9 und einer elektronischen Steuereinheit 13 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Servoeinheit 10 kann dabei entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 5 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit kann dabei als Überlagerungslenkung an der Lenksäule oder als Hilfskraftunterstützungseinrichtung an dem Ritzel 5 oder der Zahnstange 6 angeordnet sein.
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In der 2 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung 1 mit einem Elektromotor 9 dargestellt, der auf eine Kugelmutter eines Kugelgewindetriebs 11 wirkt. In 2 ist lediglich das Gehäuse des Kugelgewindetriebs und des Lenkgetriebes 40 dargestellt. Die Kugelmutter steht über umlaufende Kugeln mit einem Kugelgewinde in Eingriff, welches am äußeren Umfang der Zahnstange 6 angeordnet ist. Eine Drehung der Kugelmutter bewirkt eine axiale Verlagerung der Zahnstange 6, wodurch eine Lenkbewegung des Fahrers unterstützt wird. Bevorzugt ist der Kugelgewindetrieb 11 über einen Zahnriemen mit dem Elektromotor 9 gekoppelt.
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3b zeigt den Elektromotor 9 mit der Motorwelle 12 und eine mit dem Elektromotor 9 verbundene elektronische Steuereinheit (ECU) 13. Das Motorgehäuse 90 des Elektromotors 9 ist mit dem Gehäuseteil 130 der elektronischen Steuereinheit 13 mittels Reibrührschweißen verbunden. In der 3b ist die aus dem Reibrührschweißen resultierende Schweißnaht 14 zwischen den beiden Gehäuseteilen 90,130 dargestellt. Bevorzugt werden die beiden Gehäuseteile 90,130 aus Aluminium gebildet.
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Das Reibrührschweißen, welches auch als Rührreibschweißen und im englischen als „friction stir welding“ bezeichnet wird und als Synonym verwendet werden kann, ist ein Pressschweißverfahren und ist in 3a dargestellt. Ein sich drehendes Werkzeug 141 wird an einem Stoß oder einem Fügespalt 143 oder einem Fügeabschnitt zwischen zwei Werkstücken, in diesem Beispiel zwischen dem Motorgehäuse 90 und dem Gehäuseteil 130 der ECU 13, entlang geführt. Als (Schweiß-) Stoß wird der Bereich bezeichnet, in dem die Schweißteile miteinander vereinigt werden. Das verschleißfeste drehende Werkzeug hat einen profilierten Stift 142 und eine Schulter mit einem größeren Durchmesser als der Stift. Die Stiftlänge gleicht der erforderlichen Schweißnahttiefe. Das Werkzeug wird entlang des Stoßes verfahren, während die Schulter auf die Werkstückoberfläche gepresst wird, um den durch die entstehende Reibwärme plastifizierten Werkstoff zusammenzustauchen, sodass die Schweißnaht 14 gebildet wird. Am Nahtende wird das Werkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen. Die Schweißnaht ist unmittelbar belastbar.
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Die 4 und 5 zeigen im Detail die Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 90,130.
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Das Motorgehäuse 90 ist in einem oberen, der elektronischen Steuereinheit 13 nahen Bereich 15 topfförmig ausgestaltet. Auf einem umlaufenden Rand 16, welcher in Richtung der elektronischen Steuereinheit ein offenes Ende bildet, dieses Bereichs 15 lässt sich das die elektronische Steuereinheit 13 umgebende Gehäuseteil 130 aufsetzten. Dazu weist das die elektronische Steuereinheit 13 umgebende Gehäuseteil 130 ebenfalls einen topfförmigen Bereich 131 mit einem umlaufenden und senkrecht vom Gehäuseboden 17 abstehenden Rand 18 auf und bildet dort ein offenes Ende. Der Rand 18 des Gehäuseteils 130 der Steuereinheit, welcher im Folgenden als Verbindungsabschnitt bezeichnet wird, weist einen ringförmigen Absatz 19 auf, der den Verbindungsabschnitt 18 im zusammengebauten Zustand in einen inneren Bereich 180 und einen äußeren Bereich 181 aufteilt. Im zusammengesetzten Zustand liegt der äußere Bereich 181 des Randes 18 mit seiner Stirnseite 20 auf der Stirnseite 21 des Randes 16 des topfförmigen Bereichs 15 des Motorgehäuses 90 auf und der innere Bereich 180 des Randes 18 bzw. der Absatz 19 liegt an der Innenseite 22 des Randes 16 des topfförmigen Bereichs 15 des Motorgehäuses 90 an und bildet somit eine radiale Abstützung für den Reibrührschweißprozess. Die Abstützung sorgt für eine höhere Formstabilität der Verbindung, weil das Gehäuse je nach Nahttiefe nicht oder nur wenig verformt wird.
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Die hier gewählte Stoßart ist eine Kombination aus Stumpf- und Überlappstoß. Sie ist vorteilhaft, weil dadurch die relative Positionierung der Gehäuseteile 90,130 und damit das Fügen der beiden Teile vor dem Schweißen vereinfacht wird. Prinzipiell sind aber verschiedene Stoßformen möglich.
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Das Reibrührschweißen hat den Vorteil, dass eine stabile, dichte mechanische Verbindung entsteht. Schon eine Naht die nur wenige Millimeter breit und sogar weniger als einen Millimeter tief ist, erfüllt die Anforderungen an die mechanische Stabilität. Der Platzbedarf ist dementsprechend gering. Da außerdem im Bereich des Stoßes nur die radiale Zugänglichkeit sichergestellt werden muss, gibt es keine Einschränkungen für das Gehäusedesign. Ein zylindrisches Design ist möglich und vorteilhaft, da der Schweißprozess sehr gleichmäßig erfolgen kann (konstanter Vorschub, einfache relativ Bewegung der Kombination aus Motorgehäuse und ECU-Gehäuse gegenüber dem Werkzeug). Je nach Wahl der elektrischen Verbindungstechnik ist eine geschlossene ECU umsetzbar. Ein weiterer Vorteil von Reibrührschweißen ist die gute Überwachbarkeit des Verfahrens. Anhand der Prozessparameter, wie z. B. der aufgebrachten Kraft, kann auf die Eigenschaften der Schweißnaht geschlossen werden. Es ist daher keine aufwändige Kontrolle der Schweißnaht durch z. B. Röntgen notwendig. Zusätzlich ermöglicht die dadurch geschaffene stoffschlüssige Verbindung, dass auf Dichtelemente, wie beispielsweise einen O-Ring, verzichtet werden kann. Dichtelemente können durch Wechselwirkungen mit anderen Stoffen, wie beispielsweise Fett, Öl oder Benzin, zur Verschlechterung der Dichtfunktion bis hin zu technischen Ausfällen führen. Darüber hinaus sind Dichtflächen korrosionsanfällig, sodass zusätzliche Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen.
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Die zuvor mit Hilfe der Zeichnungen beschriebene Verbindung eines Motorgehäuses mit einem Gehäuse für die elektronische Steuereinheit mittels Reibrührschweißen ist nur ein Beispiel für die vorliegende Erfindung. Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Verbindung von Gehäuseteilen in einer elektromechanischen Servolenkung mittels Reibrührschweißen. Es ist daher auch denkbar das Verfahren zur Verbindung eines mehrteiligen Lenkgetriebegehäuses, eines Schneckengehäuses mit einem Motorgehäuse, oder eines Sensorgehäuses mit einem Ritzelgehäuse, usw. einzusetzen. Je nach Einsatzbereich können verschiedene Stoßarten verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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