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WO2004000629A2 - Lenksystem für ein fahrzeug - Google Patents

Lenksystem für ein fahrzeug Download PDF

Info

Publication number
WO2004000629A2
WO2004000629A2 PCT/EP2003/005895 EP0305895W WO2004000629A2 WO 2004000629 A2 WO2004000629 A2 WO 2004000629A2 EP 0305895 W EP0305895 W EP 0305895W WO 2004000629 A2 WO2004000629 A2 WO 2004000629A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steering
shaft
steering system
gear
servo motor
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/005895
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2004000629A3 (de
Inventor
Johannes Baur
Original Assignee
Zf Lenksysteme Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10253465A external-priority patent/DE10253465A1/de
Application filed by Zf Lenksysteme Gmbh filed Critical Zf Lenksysteme Gmbh
Publication of WO2004000629A2 publication Critical patent/WO2004000629A2/de
Publication of WO2004000629A3 publication Critical patent/WO2004000629A3/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • 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
    • B62D5/0409—Electric motor acting on the steering column
    • B62D5/0412—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel
    • B62D5/0415—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel the axes being coaxial
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Definitions

  • the invention relates to a steering system for a vehicle, in particular a power steering or auxiliary power steering system for a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • Servo or power steering systems with steering tube drive are known from: H. Stoll "Chassis technology: steering systems and power steering systems", Vogel subuch, 1st edition, 1992, p. 222 ff.
  • a steering shaft or steering tube connects a steering handle designed as a steering wheel with one Steering gear consisting approximately of a pinion, which meshes with a rack.
  • a servo motor is arranged on the steering shaft of such servo or power steering systems and provides a torque for a gear connection of the steering shaft to the servo motor. This support steering torque of the servo motor can be controlled depending on the parameters.
  • Such servo or power steering systems are suitable for retrofitting a mechanical steering system, but they require a lot of space in the area of the steering column and are complex to build and expensive due to the gear connection of the servo motor to the steering shaft.
  • DE 198 53 343 A1 describes an electric power steering system for a vehicle, which comprises a steering column, wherein a section of the steering column is designed as a rotor of an electric drive.
  • the electric drive applies a torque that supports the rotary movement of the steering column to the steering column.
  • the steering has a reduced installation space requirement, but the installation space requirement and the energy consumption of the known steering systems are not minimized.
  • EP 1 013 534 A1 describes an electric steering servo transmission with a steering shaft actuated by a steering handle, which forms an input for a reduction gear in the form of a pulsator or wave gear and connects the steering handle to an input shaft or a steering element of a steering gear.
  • a servo motor the stator of which is arranged in a rotationally fixed manner in a radially flexible rolling bush of the wave gear, provides a torque on an eccentric, in particular elliptical, drive core of the wave gear.
  • the drive core rotatably engages axially in the radially flexible roll-off bush, one or more circumferential sections of the outer surface of the roll-off bush engaging in continuous alternation with a support surface of a ring stator or support ring fixed to the vehicle.
  • the rolling bushing encompasses the entire servo motor and represents a mechanical connection from the steering handle to the input shaft of the steering gear.
  • the expensive roll-off bushing which is complex to manufacture, is large and merely represents a torsionally soft mechanical connection between the steering handle and the steering gear.
  • the servo motor is supported on the steering shaft and disadvantageously transmits the counter torque to the steering shaft.
  • the invention has for its object to provide a steering system for a vehicle, the space requirements and energy consumption is minimized with inexpensive construction.
  • the invention provides that the steering shaft engages through the wave gear and preferably also through the servo motor.
  • the steering shaft is preferably formed in one piece in its axial section on the shaft gear and on the servo motor.
  • the drive core also known as a wave generator, engages axially with a radially flexible one
  • Roll-off bushing (flex-spline) and rolls with the help of radially intermediate bearings in the roll-off bushing and deforms it in continuous change.
  • one or more peripheral sections of the outer circumferential surface of the rolling bush come into engagement with an essentially cylindrical support surface of a rigid, stationary or vehicle-fixed support ring.
  • the support ring (circular spline) radially surrounds the rolling bush. Since the circumferential surface or outer circumferential surface is shorter than the circumference of the support surface of the support ring, the outer circumferential surface of the rolling bush rotates by this difference in length.
  • the rolling bushing is axially longer than the support ring and has, for example, a stable, circular output flange on its end face facing away from the support ring.
  • the output flange of the rolling bush is non-rotatably connected to an end of the steering tube designed as an input shaft or pinion of the steering gear.
  • the steering shaft protrudes through the hollow shaft motor and is non-rotatably connected to the output flange.
  • the servo motor can be made slim, easily accessible for maintenance work, which also applies to the wave gear.
  • the steering shaft connects the steering handle to the input shaft or a pinion of the steering gear in a torsionally rigid manner.
  • the servomotor rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the steering handle, which results in dynamic stabilization of the steering system.
  • This steering system is also characterized by a cheaper natural frequency and a more favorable vibration behavior.
  • the servomotor is controlled by a control and / or regulating device, the control and / or regulating device being connected on the input side to a sensor for determining the steering torque and / or with a sensor for determining the angle of rotation of the steering handle. It may be expedient to design the sensors as contactless sensors and to design the steering system as parameter-controlled servo or power steering.
  • Parameters such as the driving speed of the vehicle can be used as input variables for a map of the servo motor.
  • the servo motor, the control and / or regulating device, the wave gear and the sensors for determining the angle of rotation and torque are expedient Steering handle combined in one housing.
  • the housing surrounds the steering shaft and is part of the steering column.
  • the steering system can be designed as a pinion or double pinion steering, as described, for example, in EP 0931 714 A1, a pinion being connected in a rotationally fixed manner to a steering handle and serving as an input element for a steering gear, such as a rack and pinion gear.
  • the pinion is connected to a steering torque sensor which specifies a drive torque of a servo drive, the servo drive having a second pinion acting on the steering gear.
  • a preferred embodiment of the steering system provides that the steering shaft is axially interrupted, so that “an input shaft section adjoining the steering handle and an axially connecting output shaft section of the steering shaft result.
  • the input shaft is connected to the output shaft with a torsion bar ,
  • the senor is arranged between the input shaft and the output shaft, it being expedient to determine the magnetic resistance which changes as a function of the respective steering torque in a sensor coil on the output shaft.
  • the magnetic resistance changes here under the influence of the change in position of a magnet arranged on the input shaft.
  • the sensors Due to the local proximity of the sensors to the control and / or regulating device and the servo motor, the sensors can be connected to the control and / or regulating device by means of fixed electrical conductors without the aid of plugs and cables.
  • the shaft gear is preferably made of steel for use in power steering systems, at least the rolling bushing and the drive core are made of this material.
  • the internally toothed support ring has a larger number of teeth than the rolling bushing, which engages with the inner toothing of the fixed support ring with at least two diametrically opposed peripheral sections of its external toothing.
  • the gear ratio i is calculated:
  • any ratio can be selected within certain limit ranges.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a wave gear
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through the wave gear in FIG. 2 after a quarter turn of the drive core
  • Fig. 4 is a schematic cross section through the wave gear in Fig. 2 after half a turn of the drive core.
  • a steering system 1 for a vehicle is partially shown in a schematic longitudinal section in FIG.
  • the steering system 1 is designed in the exemplary embodiment shown as a servo or power steering system with a steering shaft drive.
  • the steering gear 5 can be formed from a pinion which meshes with an axially displaceably mounted rack.
  • the pinion here forms the axial end of the steering shaft 2 or an input shaft 4 of the steering shaft 2 in the steering gear 5.
  • the rack, not shown, is fastened in a known manner to the steerable wheels of the vehicle, not shown, with toggle levers.
  • the steering system can also be constructed as a double-pinion steering system, with a steering gear having two input elements in the form of a pinion that is non-rotatably connected to the steering handle and a second pinion that is connected to a servo motor.
  • an electric motor 14 designed as a hollow shaft motor is provided to provide a torque or auxiliary steering torque to the steering shaft 2.
  • the electric motor 14 serves as a servo motor 6 of the steering system 1 and acts via a wave gear 8 on the steering shaft 2, or its input shaft 4 for the steering gear 5.
  • the wave gear 8 or harmonic-drive has a strongly reducing effect and enables that
  • the wave gear 8 is arranged concentrically with the steering shaft 2, so that the longitudinal axis 28 of the wave gear 8 is aligned with the longitudinal axis 29 of the steering shaft 2.
  • the steering shaft 2 extends through the shaft gear 8 and is fixed in a rotationally fixed manner with an output flange 30 to a rolling bushing 9 of the shaft gear 8.
  • the servo motor 6 is arranged on the steering shaft 2 at an axial distance from the steering wheel 27 and is penetrated by the steering shaft 2.
  • a rotor 15 of the servo motor 6 is firmly connected to a hollow shaft 31.
  • the hollow shaft 31 is rotatably held about the steering shaft 2 by means of bearings 32, 32 'at its axial ends. Since the wave gear 8 causes low axial forces, it is possible to dispense with elaborate measures to avoid play in the bearings 32, 32 '.
  • the hollow shaft 31 is in turn connected at its axial end 33 facing away from the steering wheel 27 to a drive core 7 (wave generator) rotating with the hollow shaft 31 during operation of the electric motor 14.
  • the drive core 7 is part of the wave gear 8.
  • a stator 34 of the electric motor 14 is fixedly connected to a housing 19 which encloses the shaft gear 8, the electric motor 14, its control and / or regulating device 16, and a torque sensor 17 and angle of rotation and speed sensor 18 for the electric motor 14 ,
  • FIGS. 2 to 4 show in a schematic cross section through the wave gear 8, the drive core 7 is elliptical in cross section and a ball bearing is mounted around its circumference.
  • the entire length of the drive core 7 engages in the cup-shaped, radially flexible roll-off bushing 9 (flex-spline) formed from a steel sheet.
  • the rolling bushing 9 has an axial extension that is a multiple of the axial extension of the drive core 7.
  • the outer lateral surface 11 of the rolling bush 9 has an external toothing 25 which is arranged over part of the axial extent of the rolling bush 9 and in the entire axial engagement area of the drive core 7.
  • the external toothing 25 engages, under the effect of the elliptical widening of the rolling bushing 9 with two peripheral sections 10, in an internal toothing 26 on a support surface 12 of a rigid and rigid support ring (circular-spline) 13 surrounding the rolling bushing 9 and the drive core 7.
  • the internally toothed support ring 13 has a larger number of teeth than the radially flexible rolling bush 9, which is constantly in engagement with the inner toothing 26 of the fixed support ring 13 with two diametrically opposed peripheral sections 10. on.
  • the rotation occurs by the difference in the number of teeth with each revolution of the drive core 7. Since a large number of teeth are in mesh at the same time, high torques can be transmitted.
  • the wave gear 8 is essentially made of steel, but can also be used in a superimposition depression only to change the transmission ratio between the change in the adjustment angle of the steering handle and the change in the steering angle of the steerable wheels of the motor vehicle depending on parameters such as the rotational speed of the steering wheel, be made of plastic.
  • the rolling bush 9 is connected to the output flange 30, which in turn is rotatably connected to the input shaft 4 of the steering gear 5.
  • the output flange 30 is also non-rotatably connected to the steering shaft 2, which extends through the shaft gear 8 and the servo motor 6 in one piece. If the shaft gear and / or the servo motor fails, this can be mechanically overridden.
  • any reduction ratios are chosen, the denominator of which is not an integer. Fine tooth pitches, corrugations or knurls can also be provided.
  • the steering shaft 2 is axially divided into an input shaft 20 and an output shaft 21 in the housing 19 which surrounds the servo motor 6, its control and / or regulating device 16 and the shaft gear 8.
  • Input shaft 20 and output shaft 21 are connected via a torsion bar 22 inserted in steering shaft 2.
  • the control and / or regulating device 16 can be connected on the input side to the contactless torque sensor 17 for determining the steering torque. It may be expedient to connect further sensors, such as the angle of rotation sensor 18 for the angle of rotation of the steering handle and / or the steerable vehicle wheels and the like, to the control and / or regulating device 16 on the input side.
  • the torque sensor 17 Due to the spatial proximity of the torque sensor 17 to the control and / or regulating device 16, the latter can be connected directly to the control and / or regulating device 16 without plug connections.
  • the torque sensor 17 is arranged in the housing 19 between its end wall 35 on the steering wheel side and the hollow shaft 31 equipped with the rotor.
  • the torque sensor 17 can consist of a magnet 24 which is connected to the input shaft 20 in a rotationally fixed manner and which changes the magnetic resistance of a sensor coil 23 connected to the output shaft 21 in a rotationally fixed manner.
  • a motor sensor 36 for determining the rotational speed and / or the rotational angle of the rotor 15 can be arranged between the torque sensor 17 and the rotor 15.
  • the motor sensor 36 is designed in a contactless mode of operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem (1) für ein Fahrzeug, das als Servolenkung ausgebildet ist. Eine Lenkwelle (2) zur mechanischen Verbindung einer Lenkhandhabe (3) mit einem Lenkgetriebe (5) weist eine getriebliche Verbindung mit einem Servomotor (6) zur Bereitstellung eines Drehmomentes auf die Lenkwelle (2) auf. Um den Bauraumbedarf und den Energiebedarf des Lenksystems (1) zu minimieren, ist vorgesehen, die getriebliche Verbindung als Wellgetriebe oder harmonic-drive (8) auszubilden und den Servomotor (6) bevorzugt als Hohlwellenmotor, von der Lenkwelle (2) durchragt, auszubilden. Das Wellegetriebe (8) wird von der Lenkwelle durchragt, wobei eine radialflexible Abrollbuchse (9) und die Lenkwelle (2) auf einen Abtriebsflansch (30) des Wellgetriebes (8) wirkt. Der Abtriebsflansch (30) ist mit einer Eingangswelle (4) des Lenkgetriebes (5) drehfest verbunden.

Description

Lenksystem für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere eine Servo- oder Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Servo- oder Hilfskraftlenkungen mit Lenkrohrantrieb sind aus: H. Stoll „Fahrwerktechnik: Lenkanlagen und Hilfskraftlenkungen", Vogel Fachbuch, 1. Aufl., 1992, S. 222 ff. bekannt. Eine Lenkwelle oder Lenkrohr verbindet dabei eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe mit einem Lenkgetriebe bestehend etwa aus einem Ritzel, welches mit einer Zahnstange kämmt.
An der Lenkwelle solcher Servo- oder Hilfskraftlenkungen ist ein Servomotor angeordnet, der auf eine getriebliche Verbindung der Lenkwelle mit dem Servomotor ein Drehmoment bereitsteilt. Dieses Unterstüt∑ungs-Lenkdrehmoment des Servomotors kann parameterabhängig gesteuert sein.
Solche Servo- oder Hilfskraftlenkungen eignen sich zwar zum Umrüsten einer mechanischen Lenkung, haben aber im Lenksäulenbereich einen hohen Bauraumbedarf und sind wegen der getrieblichen Verbindung des Servomotors mit der Lenkwelle aufwändig zu bauen und teuer.
Die DE 198 53 343 A1 beschreibt eine elektrische Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, die eine Lenksäule umfasst, wobei ein Abschnitt der Lenksäule als Läufer eines elektri- sehen Antriebs ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb bringt ein die Drehbewegung der Lenksäule unterstützendes Drehmoment auf die Lenksäule auf.
Die Lenkung hat zwar einen verminderten Bauraumbedarf, der Bauraumbedarf und der Energieverbrauch der bekannten Lenksysteme ist jedoch nicht minimiert.
Die EP 1 013 534 A1 beschreibt ein elektrisches Lenkservogetriebe mit einer von einer Lenkhandhabe betätigten Lenkwelle, die einen Eingang für ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Pulsator- oder Wellgetriebes bildet und die Lenkhandhabe mit einer Eingangswelle oder einem Lenkelement eines Lenkgetriebes verbindet. Ein Servomotor, dessen Stator drehfest in einer radialflexiblen Abrollbuchse des Wellgetriebes angeordnet ist, stellt ein Drehmoment auf einen exzentrischen insbesondere ellipsenförmigen Antriebskern des Wellgetriebes bereit. Der Antriebskern greift rotie- rend axial in die radialflexible Abrollbuchse ein, wobei ein oder mehrere Umfangsab- schnitte der Außenmantelfläche der Abrollbuchse in fortlaufendem Wechsel mit einer Stützfläche eines fahrzeugfesten Ringstators oder Stützringes eingreifen. Die Abrollbuchse umfasst dabei den gesamten Servomotor und stellt eine mechanische Verbin- düng von der Lenkhandhabe zu der Eingangswelle des Lenkgetriebes dar.
Dies ist montage- und reparaturtechnisch von Nachteil. Zudem baut die aufwändig herzustellende , teure Abrollbuchse groß und stellt lediglich eine torsionsweiche mechani- sehe Verbindung der Lenkhandhabe mit dem Lenkgetriebe dar. Der Servomotor stützt sich dabei an der Lenkwelle ab und überträgt auf die Lenkwelle in unvorteilhafter Weise das Gegendrehmoment.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem für ein Fahrzeug zu schaf- fen, dessen Bauraumbedarf und Energieverbrauch bei kostengünstiger Bauweise minimiert ist.
Die Aufgabe wird mit einem Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Um ein Lenksystem, das als Servo-, Hilfskraft- oder Überiagerungslenkung ausgebildet sein kann, in seinem Bauraumbedarf zu minimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lenkwelle das Wellgetriebe und vorzugsweise auch den Servomotor durchgreift. Die Lenkwelle ist in ihrem axialen Abschnitt am Wellgetriebe und am Servomotor bevorzugt einstückig ausgebildet.
In axialer Verlängerung der Hohlwelle des Servomotors ist diese drehfest direkt mit einem Antriebskern, der einen exzentrisch oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweist, verbunden.
Der auch als wave-generator bezeichnete Antriebskern greift axial in eine radialflexible
Abrollbuchse (flex-spline) ein und wälzt sich mit Hilfe radial dazwischenliegender Lager in der Abrollbuchse ab und verformt diese in fortlaufendem Wechsel. Dabei gelangen, in Abhängigkeit von der Querschnittsform des Antriebskerns, ein oder mehrere Umfangsabschnitte der Außenmantelfläche der Abrollbuchse mit einer im wesentlichen zylindrischen Stützfläche eines starren, ortsfest oder fahrzeugfest angeordneten Stützringes, in Eingriff. Der Stützring (circular-spline) umgibt radial die Abrollbuchse. Da die Umfangsfläche oder Außenmantelfläche kürzer als der Umfang der Stützfläche des Stützringes ist, dreht sich die Außenmantelfläche der Abrollbuchse um diese Längendifferenz. Die Abrollbuchse ist axial länger als der Stützring und weist an ihrer, dem Stützring abgewandten Stirnseite, beispielsweise einen stabilen, kreisrunden Abtriebsflansch auf. Der Abtriebsflansch der Abrollbuchse ist drehfest mit einem als Eingangswelle oder Ritzel des Lenkgetriebes ausgebildeten Ende des Lenkrohres verbunden.
Die Lenkwelle ragt durch den Hohlwellenmotor und ist drehfest mit dem Abtriebs- flansch verbunden.
Auf diese Weise ist der Servomotor schmal bauend ausführbar, leicht zugänglich bei Wartungsarbeiten was auch für das Wellgetriebe zutrifft. Die Lenkwelle verbindet torsionssteif die Lenkhandhabe mit der Eingangswelle oder einem Ritzel des Lenkgetrie- bes. Der Servomotor dreht sich im Betrieb entgegengesetzt zur Drehrichtung der Lenkhandhabe, was eine dynamische Stabilisierung des Lenksystems zur Folge hat. Durch eine günstigere Eigenfrequenz und ein günstigeres Schwingungsverhalten zeichnet sich dieses Lenksystem zudem aus.
Der Servomotor wird von einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert, wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eingangsseitig mit einem Sensor zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes und/oder mit einem Sensor zur Bestimmung des Drehwinkels der Lenkhandhabe signalübertragend verbunden ist. Es kann zweckmäßig sein, die Sensoren als kontaktlos arbeitende Sensoren auszubilden und das Lenksystem als parametergesteuerte Servo- oder Hilfskraftlenkung auszubilden.
Es können Parameter, wie die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs als Eingangsgrößen für ein Kennfeld des Servomotors herangezogen werden.
Zweckmäßig sind der Servomotor, die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, das Wellgetriebe und die Sensoren zur Drehwinkel- und Drehmomentbestimmung der Lenkhandhabe in einem Gehäuse zusammengefasst. Das Gehäuse umschließt die Lenkwelle und ist Teil der Lenksäule.
Es kann zweckmäßig sein, die Sensoren räumlich von dem Servomotor und/oder von dem Wellgetriebe und deren Gehäuse getrennt anzuordnen. Das Lenksystem kann als Pinion- oder Double-Pinion-Lenkung ausgebildet sein, wie sie beispielsweise in der EP 0931 714 A1 beschrieben ist, wobei ein Ritzel drehfest mit einer Lenkhandhabe verbunden ist und als Eingangselement für ein Lenkgetriebe, wie etwa ein Zahnstangengetriebe dient. Das Ritzel ist mit einem Lenkdrehmomentsensor verbunden, der ein Antriebsdrehmoment eines Servoantriebs vorgibt, wobei der Servoantrieb ein zweites , auf das Lenkgetriebe wirkendes Ritzel aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Lenksystems sieht vor, dass die Lenkwelle axial unterbrochen ist, so dass" sich ein der Lenkhandhabe anschließender Eingangs- wellen-Abschnitt und ein diesem axial anschließender Ausgangswellen-Abschnitt der Lenkwelle ergibt. Die Eingangswelle ist mit der Ausgangswelle mit einem Drehstab verbunden.
In diesem, von dem Drehstab gebildeten axialen Abschnitt der Lenkwelle ist der Sen- sor zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle angeordnet, wobei es zweckmäßig ist, den sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lenkdrehmoment verändernden magnetischen Widerstand in einer Sensorspule an der Ausgangswelle zu ermitteln. Der magnetische Widerstand ändert sich hierbei unter dem Einfluss der Lageänderung eines an der Eingangswelle angeordneten Magneten.
Aufgrund der örtlichen Nähe der Sensoren zu der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung und dem Servomotor lassen sich die Sensoren durch feste elektrische Leiter, ohne Zuhilfenahme von Steckern und Kabel mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung verbinden.
Das Wellgetriebe ist für den Einsatz in Servolenkungen bevorzugt aus Stahl gebildet, zumindest die Abrollbuchse und der Antriebskern sind aus diesem Werkstoff gebildet.
DDDD DDD D GD DDÜGΠ DDGDDGDGDD DDHDG FDDDGDA.DA.ÜAQΛΠA.ÜA.GG\DDD αα#ααααααααααααααααααDααααααααααααααααDαααααααAαααA. DDDΛ.D DπA.DαDΛ.DαDΛD DπDKGGDyDyDyDD DDDGDDDD D DDDyDyDyD DDDDπ αüπDDDrJDDD-JDCDHDDDDu. U. vergleichsweise kleinere Drehmomente als bei der Servolenkung zu übertragen sind. Der Eingriff der Außenmantelfiäche der Stützringes kann form - oder reibschlüssig erfolgen.
Es ist zweckmäßig zum formschlüssigen Eingriff die Außenmantelfläche der Abroll- buchse mit einer Außenverzahnung und die Stützfläche des Stützringes mit einer Innenverzahnung zu versehen. Der innenverzahnte Stützring hat eine größere Zähnezahl als die Abrollbuchse, die mit zumindest zwei sich diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitten ihrer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des feststehen- den Stützringes in Eingriff steht.
Durch die Drehung des exzentrischen oder elliptischen Antriebskernes in der radialflexiblen Abrollbuchse werden bei jeder Umdrehung alle Zähne der Außenverzahnung der Abrollbuchse nacheinander mit den Zähnen der Innenverzahnung des feststehenden Stützringes in Eingriff gebracht, wodurch sich die Abrollbuchse um die Differenz der Zähnezahlen verdreht. Die An- und Abtriebsdrehrichtungen von Antriebskern und Abrollbuchse sind gegensinnig. Es lassen sich mit einer Stufe, wobei mehrere hinter- einander schaltbar sind, Übersetzungen von etwa 1 :20 bis 1 :600 erreichen.
Das Übersetzungsverhältnis i berechnet sich:
i =
Zι - Z2
mit Zi = Zähnezahl der Abrollbuchse und Z2 = Zähnezahl der Innenverzahnung des Stützringes.
Es sind viele Zähne gleichzeitig im Eingriff, so dass bei der hohen Überdeckung eine mehrfache Drehmomentbelastung gegenüber vergleichbaren Getrieben ermöglicht ist und das Wellgetriebe entsprechend klein baut.
Ist die Außenmantelfläche der Abrollbuchse mit der Stützfläche des Stützringes reibschlüssig in Eingriff, so lassen sich innerhalb gewisser Grenzbereiche beliebige Übersetzungen wählen.
Es kann zweckmäßig sein, zwischen dem Abtriebsflansch der Abrollbuchse und der Lenkwelle eine Kupplung vorzusehen, um insbesondere im Fehlerfall des Servomotors oder des Wellgetriebes dieses außer Eingriff mit der Lenkwelle zu bringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Lenksystem,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein Wellgetriebe, Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe in Fig. 2 nach einer Vierteldrehung des Antriebskerns,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe in Fig. 2 nach einer halben Drehung des Antriebskerns.
In Figur 1 ist in einem schematischen Längsschnitt teilweise ein Lenksystem 1 für ein Fahrzeug dargestellt. Das Lenksystem 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Servo- oder Hilfskraftlenkung mit Lenkwellenantrieb ausgebildet.
Eine Lenkhandhabe 3, die als Lenkrad 27 ausgebildet ist, ist mechanisch über eine Lenkwelle 2 mit einem Lenkgetriebe 5 drehfest verbunden. Das Lenkgetriebe 5 kann aus einem Ritzel, das mit einer axialverschieblich gelagerten Zahnstange kämmt, gebildet sein. Das Ritzel bildet hierbei das axiale Ende der Lenkwelle 2 oder einer Eingangswelle 4 der Lenkwelle 2 in das Lenkgetriebe 5. Die nicht dargestellte Zahnstange ist in bekannter Weise mit Spurhebeln an nicht dargestellten lenkbaren Rädern des Fahrzeugs befestigt. Das Lenksystem kann auch als Double-Pinion-Lenkungs aufge- baut sein, wobei ein Lenkgetriebe zwei Eingangselemente in Form von einem drehfest mit der Lenkhandhabe verbundenen Ritzel und einem mit einem Servomotor verbundenen zweiten Ritzel aufweist.
Zur Bereitstellung eines Drehmomentes oder Unterstützungslenkdrehmomentes auf die Lenkwelle 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein als Hohlwellenmotor ausgebildeter Elektromotor 14 vorgesehen. Der Elektromotor 14 dient als Servomotor 6 des Lenksystems 1 und wirkt über ein Wellgetriebe 8 auf die Lenkwelle 2, bzw. deren Eingangswelle 4 für das Lenkgetriebe 5. Das Wellgetriebe 8 oder harmonic-drive wirkt stark untersetzend und ermöglicht die
Anwendung eines kleinbauenden Elektromotors mit geringem Energieverbrauch.
In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist das Wellgetriebe 8 konzentrisch zu der Lenkwelle 2 angeordnet, so dass die Längsachse 28 des Wellgetriebes 8 mit der Längsach- se 29 der Lenkwelle 2 fluchtet. Die Lenkwelle 2 durchragt das Wellgetriebe 8 und ist drehfest mit einem Abtriebsflansch 30 an einer Abrollbuchse 9 des Wellgetriebes 8 festgelegt.
Auf der Lenkwelle 2 ist mit axialem Abstand zu dem Lenkrad 27 der Servomotor 6 angeordnet und wird von der Lenkwelle 2 durchragt. Ein Läufer 15 des Servomotors 6 ist dabei fest mit einer Hohlwelle 31 verbunden. Die Hohlwelle 31 ist drehbar um die Lenkwelle 2 mit Hilfe von Lagern 32,32' an deren axialen Enden gehalten. Da das Wellgetriebe 8 geringe axiale Kräfte verursacht, kann bei den Lagern 32,32' auf aufwändige Spielvermeidungsmaßnahmen verzichtet werden.
Die Hohlwelle 31 ist wiederum an ihrem, dem Lenkrad 27 abgewandten axialen Ende 33 drehfest mit einem im Betrieb des Elektromotors 14 mit der Hohlwelle 31 rotierenden Antriebskernes 7 (wave-generator) verbunden. Der Antriebskern 7 ist Bestandteil des Wellgetriebes 8.
Ein Stator 34 des Elektromotors 14 ist fest an einem Gehäuse 19, das das Wellgetrie- be 8, den Elektromotor 14, dessen Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16, sowie einen Drehmomentsensor 17 und Drehwinkel- und Drehgeschwindigkeitssensor 18 für den Elektromotor 14 umschließt, angebunden.
Wie die Figuren 2 bis 4 in einem schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe 8 zeigen, ist der Antriebskern 7 im Querschnitt ellipsenförmig ausgebildet und es ist um dessen Umfang ein Kugellager aufgezogen. Der Antriebskern 7 greift mit seiner gesamten axialen Länge in die aus einem Stahlblech gebildete, topfförmige, radialflexible Abrollbuchse 9 (flex-spline) ein. Die Abrollbuchse 9 hat eine axiale Erstreckung, die ein Vielfaches der axialen Erstreckung des Antriebskerns 7 ist. Die Außenmantelfläche 11 der Abrollbuchse 9 weist eine Außenverzahnung 25 auf, die über einen Teil der axialen Erstreckung der Abroilbuchse 9 und im gesamten axialen Eingriffsbereich des Antriebskerns 7 angeordnet ist. Die Außenverzahnung 25 greift, unter Wirkung der ellipsenförmigen Aufweitung der Abrollbuchse 9 mit zwei Umfangsabschnitten 10 in eine Innenverzahnung 26 an einer Stützfläche 12 eines die Abrollbuchse 9 und den Antriebskern 7 radial umgebenden, gehäusefesten und starren Stützringes (circular-spline) 13 ein. Bei Rotation des Antriebskernes 7 erfolgt dies in fortlaufendem Wechsel entlang der Innenverzahnung 26. Der innenverzahnte Stützring 13 weist eine größere Zähnezahl als die radialflexible Abrollbuchse 9, die ständig mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitten 10 mit der Innenverzahnung 26 des feststehenden Stützringes 13 in Eingriff steht, auf. Durch die Drehung des ellipsenförmigen Antriebskerns 7 in der Abrollbuchse 9 werden bei jeder Umdrehung alle Zähne der Abrollbuchse 9 nacheinander mit den Zähnen der Innenverzahnung 26 des feststehenden Stützringes 13 in Eingriff gebracht, wodurch eine Verdrehung der Abrollbuchse 9 und damit eine Verdrehung der mit der Abrollbuchse 9 drehfest verbundenen Eingangswelle 4 des Lenkgetriebes 5 erfolgt (vgl. Fig. 2 - 4).
Die Verdrehung erfolgt um die Differenz der Zähnezahl bei jeder Umdrehung des Antriebskernes 7. Da eine Vielzahl von Zähnen gleichzeitig in Eingriff ist, können hohe Drehmomente übertragen werden.
Das Wellgetriebe 8 ist im wesentlichen aus Stahl gebildet, kann aber auch beim Einsatz in einer Überlagerungsienkung lediglich zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Änderung des Verstellwinkels der Lenkhandhabe und der Änderung des Lenkwinkels der lenkbaren Räder des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von Parametern wie der Drehgeschwindigkeit des Lenkrades, aus Kunststoff gebildet sein.
In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abrollbuchse 9 mit dem Abtriebsflansch 30 verbunden, welcher wiederum drehfest mit der Eingangswelle 4 des Lenkgetriebes 5 verbunden ist.
Der Abtriebsflansch 30 ist zudem drehfest mit der Lenkwelle 2, die das Wellgetriebe 8 und den Servomotor 6 einstückig durchragt, verbunden. Bei Ausfall des Wellgetriebes und/oder des Servomotors kann so mechanisch übersteuert werden.
Es kann zweckmäßig sein, zwischen der Abrollbuchse 9 oder dem Abtriebsflansch 30 und der Eingangswelle 4 eine Kupplung anzuordnen, die im Bedarfsfall, vorzugsweise bei einem Fehler des Servomotors, des Wellgetriebes, der Steuerungs- und Rege- lungseinrichtung oder der Sensoren 17, 18, ausgekuppelt wird und das Wellgetriebe 8 außer Eingriff mit der Lenkweile 2 bringt.
Anstelle des formschlüssigen Eingriffs der Außenmantelfläche 11 der Abrollbuchse 9 mit der Innenverzahnung 26 kann es zweckmäßig sein, einen reibschlüssigen Eingriff der Außenmantelfläche 11 mit der Stützfläche 12 des Stützringes 13 vorzusehen, wodurch beliebige Untersetzungsverhältnisse gewählt werden, deren Nenner keine ganze Zahl ist. Es können außerdem feine Zahnteilungen, Riefelungen oder Rändelungen vorgesehen sein.
Wie Figur 1 zeigt, ist die Lenkwelle 2 in dem Gehäuse 19, welches den Servomotor 6, dessen Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 und das Wellgetriebe 8 umgibt, axial in eine Eingangswelle 20 und eine Ausgangswelle 21 aufgeteilt. Eingangswelle 20 und Ausgangswelle 21 sind über einen in der Lenkwelle 2 eingesetzten Drehstab 22 verbunden.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 kann eingangsseitig mit dem kontaktlos arbeitenden Drehmomentsensor 17 zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes verbunden. Es kann zweckmäßig sein, weitere Sensoren, wie etwa den Drehwinkel- sensor 18 für den Drehwinkel der Lenkhandhabe und /oder der lenkbaren Fahrzeugräder und dgl. eingangsseitig mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 zu verbinden.
Aufgrund der räumlichen Nähe des Drehmomentsensors 17 zu der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 kann dieser ohne Steckverbindungen direkt mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 verbunden werden. In dem Gehäuse 19 ist zwischen dessen lenkradseitiger Stirnwand 35 und der Läuferbestückten Hohlwelle 31 der Drehmomentsensor 17 angeordnet. Der Drehmomentsensor 17 kann aus einem mit der Eingangswelle 20 drehfest verbundenen Magnet 24, der den magnetischen Widerstand einer drehfest mit der Ausgangswelle 21 verbundenen Sensorspule 23 verändert, bestehen.
In axialer Richtung der Lenkwelle 2 betrachtet kann zwischen dem Drehmomentsensor 17 und dem Läufer 15 ein Motorsensor 36 zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels des Läufers 15 angeordnet. Der Motorsensor 36 ist in kontaktloser Funktionsweise ausgeführt. BEZUGSZEICHENLISTE EM 01 ad
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Claims

Patentansprüche
1) Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere Servo- oder Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkwelle (2) zur mechanischen Verbindung einer
Lenkhandhabe (3) mit einer Eingangswelle (4) eines Lenkgetriebes (5), und mit einem Servomotor (6) zur Bereitstellung eines Drehmomentes auf einen exzentrischen, insbesondere ellipsenförmigen Antriebskern (7) eines Wellgetrie- bes (8) an der Lenkwelle (2), und mit einer radialflexiblen Abrollbuchse (9) in die der Antriebskern (7) axial eingreift, wobei ein oder mehrere Umfangsab- schnitte (10) einer Außenmantelfläche (11) der Abrollbuchse (9) in fortlaufendem Wechsel mit einer im wesentlichen zylindrischen Stützfläche (12) eines fahrzeugfesten Stützringes (13) in Eingriff gehalten sind und die Abrollbuchse (9) mit der Eingangswelle (4) des Lenkgetriebes (2) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (2) das Wellgetriebe (8) durchgreift.
2) Lenksystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (2) den Servomotor (6) durchgreift.
3) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (2) das Wellgetriebe (8) und/oder den Servomotor (6) einstückig durchgreift.
4) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (6) ein Elektromotor (14) ist.
5) Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (14) als Hohlwellenmotor ausgebildet ist, wobei der Läufer (15) des Elektromo- tors (14) um die Lenkwelle (2) drehbar angeordnet ist.
6) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (6) eine der Drehrichtung der Lenkhandhabe (3) entgegengesetzt gerichtete Drehrichtung aufweist.
7) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (6) von einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (16) angesteuert ist, wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (16) eingangsseitig mit einem Sensor (17) zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes und/oder mit einem Sensor (18) zur Bestimmung des Drehwinkels der Lenkhandhabe (3) signalübertragend verbunden ist.
8) Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor
(6) mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (16), das Wellgetriebe (8) und die Sensoren (17,18) zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes und des Drehwinkels der Lenkhandhabe (3) in einem einzigen Gehäuse (19) zusam- mengefasst sind.
9) Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes und/oder der Sensor (18) zur Bestimmung des Drehwinkels der Lenkhandhabe (3) räumlich von dem Servomo- tor (6) und dem Wellgetriebe (8) getrennt angeordnet sind.
10) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem (1) als Pinion- oder Double Pinion-Lenksystem aufgebaut ist.
11) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (2) axial in eine mit der Lenkhandhabe (3) verbundene Eingangswelle (20) und eine Ausgangswelle (21) aufgeteilt ist, wobei die Eingangswelle (20) mit der Ausgangswelle (21) über einen Drehstab (22) verbunden ist.
12) Lenksystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes axial zwischen der Eingangswelle (20) und der Ausgangswelle (21) der Lenkwelle (2) angeordnet ist, wobei der sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lenkdrehmoment verändernde ma- gnetische Widerstand in einer Sensorspule (23) an der Ausgangswelle (21) unter Einfluß eines an der Eingangswelle (20) angeordneten Magneten (24) ermittelt ist.
13) Lenksystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) zur Bestimmung des Lenkdrehmomentes und/oder der
Sensor (18) zur Bestimmung des Drehwinkels der Lenkhandhabe ohne Steck- Verbindungen, mit Kontaktierungen signalleitend mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (16) verbunden sind. 14) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (8) im wesentlichen aus Stahl gebildet ist.
15) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (8) im wesentlichen aus Kunststoff gebildet ist.
16) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollbuchse (9) eine Außenverzahnung (25) aufweist, die mit einer Innenverzahnung (26) des Stützringes (13) in Eingriff ist.
17) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (11) der Abroilbuchse (9) reibschlüssig mit der Stützfläche (12) des Stützringes (13) in Eingriff ist.
18) Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (8) von der Lenkwelle (2) auskuppelbar ist.
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