DE102017106671A1

DE102017106671A1 - Lenkgetriebe für Einzelradlenkung eines Kraftfahrzeugs mit Steer-by-Wire Lenksystem

Info

Publication number: DE102017106671A1
Application number: DE102017106671.3A
Authority: DE
Inventors: Claudio Delmarco
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: DE102017106671B4

Abstract

Ein Lenkgetriebe für Einzelradlenkung eines Kraftfahrzeugs mit Steer-by-Wire Lenksystem, wobei für jedes lenkbare Fahrzeugrad eine Gewindespindeleinheit (2, 3) vorgesehen ist, die eine durch einen Elektromotor (5, 6) angetriebene, drehbar gelagerte Spindelmutter (7, 71) aufweist, die auf einer drehfest gelagerten Gewindespindel (11, 12) angeordnet ist, wird hinsichtlich eines geringeren Bauraumes und einer einfachen Ausgestaltung dadurch verbessert, dass die Gewindespindel (11, 12) an einem ihrer Enden (13, 14) in einem Getriebegehäuse (1) in axialer Richtung (17) verschiebbar gelagert ist und die Spindelmutter (7, 71) im Getriebegehäuse (1) unverschiebbar gelagert ist, so dass das jeweilige Fahrzeugrad schwenkbar ist, indem der Elektromotor (5, 6) die Spindelmutter (7, 71) dreht, welche die Gewindespindel (11, 12) verschiebt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für Einzelradlenkung eines Kraftfahrzeugs mit Steer-by-Wire Lenksystem, umfassend eine erste Gewindespindeleinheit und eine zweite Gewindespindeleinheit, wobei die erste Gewindespindeleinheit eine durch einen ersten Elektromotor angetriebene, drehbar gelagerte erste Spindelmutter aufweist, die mit einer drehfest gelagerten ersten Gewindespindel in Eingriff steht, und die zweite Gewindespindeleinheit eine durch einen zweiten Elektromotor angetriebene, drehbar gelagerte zweite Spindelmutter aufweist, die mit einer drehfest gelagerten zweiten Gewindespindel in Eingriff steht.
Bei derartigen Steer-by-Wire Lenksystemen sind die lenkbaren denkbaren Räder unabhängig voneinander verschwenkbar. Der Lenkbefehl, der in das Lenkrad durch den Fahrer eingebracht wird, wird mittels eines Sensors detektiert und anschließend an eine Steuereinheit (ECU) weitergeleitet, wobei die Steuereinheit unter anderem aus dem Lenkmoment und dem Lenkwinkel den bzw. die Stellmotoren der Einzelradlenkung ansteuert und dadurch die lenkbaren Räder gemäß dem Wunsch des Fahrers verschwenkt. Aus der DE 10 2012 219 888A ist eine derartige Einzelradlenkung bekannt. Nachteilig an dieser Lösung ist der komplizierte und bauraumintensive Aufbau.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lenkgetriebe für Einzelradlenkung bereitzustellen, das einen einfachen, platzsparenden Aufbau und eine hohe Steifigkeit aufweist.
Gelöste wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung ist die erste und die zweite Spindelmutter in einem Getriebegehäuse unverschiebbar gelagert, wobei die erste und die zweite Gewindespindel in dem Getriebegehäuse in Richtung ihrer Längsachse unabhängig voneinander verschiebbar gelagert ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist mit Vorteil kompakt und einfach aufgebaut, wobei die lenkbaren Räder unabhängig voneinander verschwenkt werden können.
Mit Vorteil ist die im Getriebegehäuse gelagerte erste und zweite Gewindespindel jeweils mit einem Schlitten verbunden, der mit im Getriebegehäuse angeordneten Führungselementen in Eingriff steht, die sich parallel zu der ersten und zweiten Gewindespindel erstrecken. Somit ist die este Gewindespindel mit einem ersten Schlitten und die zweite Gewindespindel mit einem zweiten Schlitten verbunden. Bei dieser Ausgestaltungsform der drehfesten und axial verschiebbaren Lagerung der Gewindespindel wird das an der Gewindespindel auftretende Drehmoment über den Schlitten auf die Führungselemente und damit auf das Getriebegehäuse übertragen, so dass eine Drehung der Gewindespindel verhindert wird, wenn die Spindelmutter mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und somit die rotatorische Bewegung der Spindelmutter in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel umgesetzt wird. Gleichzeitig ist der Schlitten zusammen mit der Gewindespindel in den Führungselementen axial verschiebbar.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die jeweilige Gewindespindel und der jeweilige Schlitten mittels einer kraftschlüssigen Verbindung in Form einer Presspassung und/oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, beispielsweise als Schweißverbindung, miteinander verbunden sind. Alternativ ist es ebenfalls denkbar und möglich, dass die jeweilige Gewindespindel mit dem jeweiligen Schlitten als einstückiges integrales Bauteil ausgebildet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Führungselemente als Schienen ausgebildet, die von seitlichen Ausnehmungen des Schlittens umgriffen werden. Durch das Umgreifen der Schienen wird eine besonders exakte Führung des Schlittens erreicht und ein Herausspringen oder Abgleiten des Schlittens von den Führungselementen verhindert.
Die Schienen können einen kreisförmigen oder teilkreisförmigen Querschnitt aufweisen, um eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung zu gewährleisten. Unter einem teilkreisförmiger Querschnitt ist eine Querschnittsfläche in der Form eines Kreissegments oder eines Kreissektors zu verstehen.
In einer vorteilhaften einfachen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schlitten auf den Schienen gleitend bewegbar ist. Dabei kann diese Ausführungsform mit Vorteil dadurch verbessert werden, dass die Ausnehmungen des Schlittens mit Gleitkörpern versehen sind. Das Material der Gleitkörper wird so gewählt, dass es ein möglichst reibungsarmes und abriebarmes Gleiten auf den Schienen ermöglicht. Bevorzugt sind die Gleitkörper aus einem Kunststoffwerkstoff oder aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Messing, gebildet. Es kann vorgesehen sein, dass der Gleitkörper mit einer Beschichtung versehen ist. Bevorzugt weist diese Beschichtung Polytetrafluorethylen (PTFE) auf.
Die Gleitlagerung des Schlittens ist jedoch nicht auf die genannten Ausführungsformen mit separatem Schienen beschränkt. Beispielsweise könnten auch linienhafte Vorsprünge des Getriebegehäuses, die sich in Richtung der Längsachse der Gewindespindeln erstrecken, die Funktion der Schienen übernehmen. Des Weiteren könnte der Schlitten in seitlichen Nuten des Getriebegehäuses gleiten, wofür er mit seitlichen Vorsprüngen auszustatten wäre, die in die Nuten eingreifen. Auch bei einer solchen Ausführungsform können zwischen den Vorsprüngen des Schlittens und den Nuten Gleitkörper vorgesehen sein.
Wenn es auf besondere Reibungsarmut der Führung ankommt, wird eine Ausführungsform empfohlen, bei der zwischen dem Schlitten und den Schienen lineare Wälzlager angeordnet sind.
Je nach Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität der Führung der Gewindespindel können mehrere lineare Führungselemente im Getriebegehäuse vorgesehen sein. In einer möglichst einfachen, aber dennoch ausreichend stabilen Ausführungsform sind mit Vorteil zwei Führungselemente vorgesehen, die auf entgegengesetzten Seiten neben der Gewindespindel angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe kann mit Vorteil noch kompakter aufgebaut sein, wenn zwei Gewindespindeleinheiten in einem gemeinsamen Getriebegehäuse untergebracht sind. Ein gemeinsames Getriebegehäuse ist nicht auf ein einteiliges Gehäuse begrenzt. Vielmehr kann das gemeinsamen Getriebegehäuse mehrere Getriebegehäuseteile umfassen. Vorzugsweise sind die zwei Gewindespindeleinheiten spiegelbildlich zueinander angeordnet, wobei sich die linearen Führungselemente zwischen den beiden Gewindespindeleinheiten erstrecken und diese miteinander verbinden, so dass beide Gewindespindeleinheiten dieselben Führungselemente gemeinsam benutzen. Hierdurch wird insbesondere in der axialen Bewegungsrichtung der beiden Gewindespindeln eine Einsparung an Bauraum erzielt..
Die innere Reibung der Gewindespindeleinheit kann verringert werden und die Positioniergenauigkeit kann erhöht werden, wenn diese mit Vorteil als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet ist. Zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel sind Wälzkörper in Form von Kugeln angeordnet, die in Laufbahnen der Spindelmutter und in Laufbahnen der Gewindespindel abwälzen. Die Spindelmutter umfasst eine Kugelrückführung. Solche Kugelumlaufgetriebe sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
Mit Vorteil sind der Elektromotor und die Spindelmutter über ein Umschlingungsgetriebe miteinander gekoppelt. Die Rotorwelle des Elektromotor ist mit einem ersten Riemenrad, auch als Antriebsrad bezeichnet, gekoppelt, wobei die Spindelmutter mit einem zweiten Riemenrad gekoppelt, wobei das erste Riemenrad zu dem zweiten Riemenrad einen vorbestimmten Achsabstand aufweist. Diese Maßnahme ist mit einfachen Mitteln realisierbar und ermöglicht einen kompakten Aufbau.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Umschlingungsgetriebe einen Zahnriemen aufweist. Dieser ermöglicht eine exakte Verschwenkung des Fahrzeuggrades, die exakt der Vorgabe entspricht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1: eine perspektivische Außenansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes;
2: das Lenkgetriebe von 1 im teilweise demontierten Zustand mit Sicht auf die Linearführung der Gewindespindeln;
3: ein vergrößertes Detail aus 2;
4: eine geschnittene Ansicht des Lenkgetriebes von 1 mit Blickrichtung von innen nach außen auf die rechte Gewindespindeleinheit;
5: das Lenkgetriebe von 1 im Längsschnitt.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe 100 mit einem Getriebegehäuse 1, wobei das Lenkgetriebe 100 eine erste Gewindespindeleinheiten 2 und eine zweite Gewindespindel 3 aufweist, die durch eine Gehäusebrücke 4 miteinander verbunden sind. Das Getriebegehäuse 1 umfasst mehrere Getriebegehäuseteile und die Gehäusebrücke 4. Die erste Gewindespindeleinheit 2ist mit einem ersten Elektromotor 5 und einer ersten Steuereinheit 51 versehen. Die zweite Gewindespindeleinheit 3 ist mit einem zweiten Elektromotor 6 und einer zweiten Steuereinheit 61 versehen.
Die erste Gewindespindeleinheit 2 umfasst eine im Getriebegehäuse 1 mittels Kugellagern 8 drehbar und axial nicht verschiebbar gelagerte erste Spindelmutter 7, welche eine Außenverzahnung zur Darstellung eines Riemenrades aufweist, die mittels eines Zahnriemens 9 mit einem Antriebsrad 10 des des ersten Elektromotors 5 verbunden ist. In der 2 ist der Riemen der ersten Gewindespindeleinheit 2 nicht dargestellt, um die Darstellung des Antriebsrad 10 und der ersten Spindelmutter 7 mit Außenverzahnung zu ermöglichen. Die zweite Gewindespindeleinheit 3 umfasst eine im Getriebegehäuse 1 mittels Kugellagern 8 drehbar und axial nicht verschiebbar gelagerte zweite Spindelmutter 71, welche eine Außenverzahnung zur Darstellung eines Riemenrades aufweist, die mittels eines Zahnriemens 9 mit einem Antriebsrad 10 des ersten Elektromotors 5 verbunden ist. Das jeweilige Antriebsrad 10 ist mit der jeweiligen Rotorwelle 52, 62 gekoppelt.
Somit bildet das Antriebsrad 10 des Elektromotors, der Zahnriemen 9 und die Außenverzahnung der Spindelmutter 7, 71 ein Umschlingungsgetriebe, mit dem das vom Elektromotor 5, 6 gelieferte Drehmoment an der Spindelmutter 7, 71 verstärkt wird. Die erste Spindelmutter 7 stehtmit einer ersten Gewindespindel 11 in Eingriff, die zweite Spindelmutter 71 steht mit einer zweiten Gewindespindel 12 in Eingriff. Die Gewindespindeln 11, 12 sind an ihren geführten Enden 13, 14 jeweils mit einem Schlitten 15, 16 verbunden, über den die Gewindespindeln 11, 12 im Getriebegehäuse 1 in axial Richtung 17 verschiebbar gelagert sind.
Die Schlitten 15, 16 sind in einer Gehäusebrücke 4 des Getriebegehäuse 1 in axialer Richtung 17 verschiebbar gelagert. Die axiale Richtung 17 ist parallel zur Längsachse L der Gewindespindeln 11, 12. Der jeweilige Schlitten 15, 16 steht mit zwei Führungselementen 18, 19 in Eingriff. Die Führungselemente 18,19 sind auf entgegengesetzten Seiten neben den Gewindespindeln 11, 12 angeordnet und erstrecken sich in axialer Richtung 17 parallel zu den Gewindespindeln 11, 12. Die Führungselemente 18, 19 bestehen aus Schienen, die von seitlichen Ausnehmungen 20, 21 der jeweiligen Schlitten 15, 16 umgriffen werden. Die Ausnehmung 20, 21 umgreifen die Führungselemente 18, 19 mit mehr als 200°. Dafür haben die Führungselemente 18, 19 jeweils einen teilkreisförmigen Querschnitt. Auch die Ausnehmungen und 20, 21 haben teilkreisförmigen Querschnitt, der aber jeweils einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Führungselemente 18, 19, so dass in den Ausnehmungen 20, 21 der Schlitten 15, 16 jeweils ein Gleitkörper 22, 23 aufgenommen ist. Der Gleitkörper umfasst ein Material, welches mit geringer Reibung und geringem Abrieb auf den Führungselementen 18, 19 gleitet. Die Gleitkörper 22, 23 sind bevorzugt als Messingbauteil ausgebildet. Statt der Gleitkörper 22, 23 könnte zwischen den Schlitten 15, 16 und den Führungselementen 18,19 auch Wälzlager vorgesehen sein.
Um die Reibung der Gewindespindeleinheiten 2, 3 zu verringern sind diese als Kugelumlaufgetriebe 24 ausgestaltet.
Die erste und die zweite Spindelmutter 7, 71 umfasst jeweils ein Innengewinde in Form einer inneren Kugellaufbahn. Die erste und die zweite Gewindespindel 11, 12 umfasst jeweils ein Außengewinde in Form einer äußeren Kugellaufbahn. Zwischen der jeweiligen inneren Kugellaufbahn und jeweiligen der äußeren Kugellaufbahn sind Wälzkörper in Form von Kugeln angeordnet.
Beide Gewindespindeleinheiten 2, 3 teilen sich ein und dasselbe Getriebegehäuse 1. Insbesondere sind gemeinsame Führungselemente 18, 19 in einer gemeinsamen Gehäusebrücke 4 untergebracht. Diese Maßnahme spart sehr viel Bauraum, weil sich beide Schlitten 15, 16 im Wesentlichen in dieselbe Richtung bewegen, auch wenn diese unabhängig voneinander bewegbar sind, und bei einer Verschiebung der Gewindespindel 11, 12 in axialer Richtung 17 jeweils nahezu die gesamte Länge der Gehäusebrücke 4 als Verschiebeweg zur Verfügung haben. Ein kleinerer Teil des verfügbaren Verschiebeweges wird benötigt, um zwischen den beiden gelenkten Fahrzeugrädern verschiedene Schwenkwinkel einzustellen. Dadurch verändert sich der relative Abstand zwischen den beiden Schlitten 15,16 während des Lenkeinschlages. Dennoch benötigt die erfindungsgemäße Anordnung lediglich diesen geringen relativen Verschiebungsweg zwischen den beiden Schlitten 15, 16 zusätzlich zum gesamten Verschiebungsweg jedes einzelnen Schlittens 15, 16. Würde man die beiden Gewindespindeleinheiten 2, 3 jeweils mit getrennten Führungseinrichtungen 15, 16, 18, 19 bauen, so würde man bei spiegelbildlicher Anordnung für jeden Schlitten 15, 16 einen kompletten Verschiebeweg, insgesamt also den doppelten Verschiebeweg als Bauraum benötigen.
Die erste und die zweite Gewindespindel 11, 12 umfasst jeweils an ihrem äußeren Ende eine Gewindebohrung 110, 120 zur Kopplung mit einer Spurstange, die ihrerseits mit dem lenkbaren Fahrzeugrad koppelbar ist.
Somit ermöglicht die Erfindung die unabhängige Verschwenkbarkeit der lenkbaren Räder über einen deutlich verringerten Bauraumbedarf.
Bezugszeichenliste

1: Getriebegehäuse
2: Erste Gewindespindeleinheit
3: Zweite Gewindespindeleinheit
4: Gehäusebrücke
5: Erster Elektromotor
6: Zweiter Elektromotor
7: Erste Spindelmutter
8: Kugellager
9: Zahnriemen
10: Antriebsrad
11: Erste Gewindespindel
12: Zweite Gewindespindel
13: geführtes Ende
14: geführtes Ende
15: Erster Schlitten
16: Zweiter Schlitten
17: axiale Richtung
18: Führungselemente / Schiene
19: Führungselemente / Schiene
20: Ausnehmung
21: Ausnehmung
22: Gleitkörper
23: Gleitkörper
24: Kugelumlaufgetriebe
51: Erste Steuereinheit (Erste ECU)
61: Zweite Steuereinheit (Zweite ECU)
71: Zweite Spindelmutter
100: Lenkgetriebe
110, 120: Gewindebohrung
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219888 A [0002]

Claims

Lenkgetriebe für Einzelradlenkung eines Kraftfahrzeugs mit Steer-by-Wire-Lenksystem, umfassend eine erste Gewindespindeleinheit (2) und eine zweite Gewindespindeleinheit (3), wobei die erste Gewindespindeleinheit (2) eine durch einen ersten Elektromotor (5) angetriebene, drehbar gelagerte erste Spindelmutter (7) aufweist, die mit einer drehfest gelagerten ersten Gewindespindel (11) in Eingriff steht, und die zweite Gewindespindeleinheit (3) eine durch einen zweiten Elektromotor (6) angetriebene, drehbar gelagerte zweite Spindelmutter (71) aufweist, die mit einer drehfest gelagerten zweiten Gewindespindel (12) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spindelmutter (7, 71) in einem Getriebegehäuse (1) unverschiebbar gelagert ist, wobei die erste und die zweite Gewindespindel (11, 12) in dem Getriebegehäuse (1) in Richtung ihrer Längsachse (L) unabhängig voneinander verschiebbar gelagert ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Getriebegehäuse (1) gelagerteerste und zweite Gewindespindel (11, 12) jeweils mit einem Schlitten (15, 16) verbunden ist, der mit im Getriebegehäuse (1) angeordneten Führungselementen (18, 19) in Eingriff steht, die sich parallel zu der ersten und zweiten Gewindespindel (11, 12) erstrecken.
Lenkgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (18, 19) als Schienen (18, 19) ausgebildet sind, die von seitlichen Ausnehmungen (20, 21) des Schlittens (15, 16) umgriffen werden.
Lenkgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (18, 19) einen teilkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (15, 16) auf den Schienen (18, 19) gleitend bewegbar ist.
Lenkgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20, 21) des Schlittens (15, 16) mit Gleitkörpern (22, 23) versehen sind.
Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schlitten (15, 16) und den Schienen (18, 19) lineare Wälzlager angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Führungselemente (18, 19) vorgesehen sind, die auf entgegengesetzten Seiten neben der Gewindespindel (11, 12) angeordnet sind.
Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Gewindespindeleinheiten (2, 3) in einem gemeinsamen Getriebegehäuse (1) untergebracht sind.
Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindeleinheit (2, 3) als Kugelumlaufgetriebe (24) ausgebildet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5, 6) und die Spindelmutter (7, 71) über ein Umschlingungsgetriebe (7, 9, 10) miteinander gekoppelt sind.
Lenkgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschlingungsgetriebe (7, 9 ,10) einen Zahnriemen (9) aufweist.