DE19931850A1

DE19931850A1 - Motor vehicle power steering has electrical servo motor and planetary roller gear spindle drive with rack, spindle nut, rollers or roller bodies with corrugated profile fitting rack thread

Info

Publication number: DE19931850A1
Application number: DE1999131850
Authority: DE
Inventors: Jochen Hermann; Nicole Steinmeier
Original assignee: Mercedes Benz Lenkungen GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Presta Muelheim GmbH
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-11

Abstract

The power steering has a steering wheel operated by the driver, a steering gearbox that pivots the steerable vehicle wheels by displacing a movable component and an electrical servo motor connected to the component via a transmission to provide drive. The transmission is a planetary roller threaded spindle gear consisting of a rack (3), a spindle nut (19) and a number of intervening rollers or roller bodies (21) with a corrugated profile fitting the rack's thread.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a power steering system the features of the preamble of claim 1.

Derartige Servolenkungen sind aus der EP 101 579 B1 bekannt, bei der ein elektrischer Servomotor über einen Kugelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Der Elektromotor, der Kugelumlauf und die Zahnstange sind dabei koaxial angeordnet. Der Elektromotor umgreift den Kugelumlauf an seiner Außenseite.Such power steering systems are from EP 101 579 B1 known in which an electric servo motor via a Ball circulation acts on a rack. The electric motor, the ball screw and the rack are coaxial arranged. The electric motor engages around the ball its outside.

Weiter ist aus der EP 0 133 003 B1 eine entsprechende Servolenkung bekannt, bei der ein Elektromotor ebenfalls über einen Kugelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Hierbei ist der erforderliche Bauraum für die Verwendung am Kraftfahrzeug günstiger aufgeteilt, indem der Elektromotor von dem Kugelumlauf in Axialrichtung beabstandet ist.Another is from EP 0 133 003 B1 Power steering known, in which an electric motor also acts on a rack via a ball recirculation. Here is the space required for use on Vehicle divided more favorably by the Electric motor from the ball recirculation in the axial direction is spaced.

Das in beiden Dokumenten dargestellte Kugelumlaufgetriebe zur Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in eine Axialbewegung der Zahnstange erfordert in der Praxis entweder einen relativ großen, langsam laufenden Elektromotor (EP 0 101 579 B1) oder aber ein Reduziergetriebe zwischen dem Elektromotor und dem Kugelumlauf (EP 0 133 003 B1), um den Drehmomentbereich und den Drehzahlbereich des jeweiligen Elektromotors an das Übersetzungsverhältnis des Kugelumlaufs anzupassen.The ball screw mechanism shown in both documents to convert the rotary motion of the electric motor into a Axial movement of the rack requires in practice either a relatively large, slow-moving one Electric motor (EP 0 101 579 B1) or one Reduction gear between the electric motor and the Ball circulation (EP 0 133 003 B1) to the torque range and the speed range of the respective electric motor to the Adjust gear ratio of the ball circulation.

Getriebeanordnungen als sogenannte PWG- oder SPGW- Getriebe sind aus den Dokumenten EP 0 320 621 A1 sowie DE 197 50 585 A1 bekannt. Diese Getriebe dienen zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung und finden beispielsweise als Getriebe für den Antrieb von Robotergreifarmen Verwendung. In der zweitgenannten DE 197 50 585 A1 sind derartige Getriebe vorgesehen, um einer an sich bekannten Kraftfahrzeuglenkung einen geringen zusätzlichen Lenkwinkel aufzuprägen, der der Kompensation von Giermomenten dient. Als Getriebe für den alleinigen Servoantrieb einer Kraftfahrzeuglenkung finden diese Anordnungen keine Verwendung.Gear arrangements as so-called PWG or SPGW Gears are from documents EP 0 320 621 A1 and DE 197 50 585 A1 known. These gears are used for implementation a rotational movement in an axial movement and find for example as a gear for driving Robot-free use. In the second DE 197 50 585 A1, such gears are provided to one a well-known motor vehicle steering additional steering angle to impress, that of compensation of yaw moments. As a gearbox for the sole Servo drive a motor vehicle steering find this Orders no use.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Servolenkung der bekannten Art dahingehend zu verbessern, daß das Getriebe zur Umsetzung der Drehbewegung in eine Axialbewegung bei einem relativ kleinen, hoch drehenden elektrischen Servomotor ohne ein vorgeschaltetes Reduziergetriebe zu betreiben ist.It is therefore an object of the present invention to To improve power steering of the known type in that that the transmission to implement the rotary motion in a Axial movement with a relatively small, high rotating one electric servo motor without an upstream Reduction gear is to be operated.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weil die Getriebeeinrichtung ein Planeten-Wälz-Gewinde-(PWG)- Spindelgetriebe ist, welches aus einer Spindelstange, einer diese umgebenden Spindelmutter und einer Anzahl dazwischen angeordneter Wälz- oder Rollkörper mit einer zum Gewinde der Spindelstange passenden Rillenprofilierung besteht, kann ein Elektromotor relativ kleinen Durchmessers und damit relativ hoher Nenndrehzahl unmittelbar über das PWG-Spindelgetriebe auf die Zahnstange wirken. Das Volumen des Elektromotors und damit der Bauraum sowie die mechanischen Verluste des Getriebes sind dabei geringer als bei den nach dem Stand der Technik bekannten Anordnungen.This task is performed by a device with the Features of claim 1 solved. Because the Planetary Rolling Thread (PWG) Gear Device - Spindle gearbox, which consists of a spindle rod, a spindle nut surrounding it and a number roller or rolling element with a suitable for the thread of the spindle rod Groove profiling exists, an electric motor can be relative small diameter and therefore relatively high nominal speed directly via the PWG spindle gear Rack act. The volume of the electric motor and so that the installation space and the mechanical losses of the Gearboxes are less than those according to the state arrangements known in the art.

Dabei ist vorteilhaft, wenn die Wälz- oder Rollkörper über eine Anzahl Führungsringe oder über einen Führungskörper und über dazwischen angeordnete Lager gelagert sind, und die Wälz- oder Rollkörper relativ zur Spindelmutter und zueinander in einem fest vorgegebenen Abstand angeordnet sind. Eine solche Anordnung weist eine feste Relation zwischen der Umdrehungszahl des Elektromotors und der Axialbewegung des Bauelements der Lenkung auf. Es kann auch von Vorteil sein, wenn die Wälz- oder Rollkörper mit unterschiedlichen Profilierungen, nämlich mit einer zum Gewinde der Spindelstange passenden Rillenprofilierung und einer zu einer Führungsprofilierung der Spindelmutter passenden Profilierung passenden Profilierung versehen sind, wobei die Profilierungen der Wälz- oder Rollkörper einander überlappen und ineinander abwechselnden Abständen ausgebildet sind, und die Wälz- oder Rollkörper relativ zur Spindelmutter und zueinander in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sind. Eine solche an sich einfachere Ausführungsform weist keine feste Relation zwischen dem Elektromotor und der Stellung der Spindel auf. Bei einer Steuerung des Servomotors über das am Lenkrad eingeleitete Drehmoment ist dies jedoch auch nicht erforderlich.It is advantageous if the rolling or rolling elements over a number of guide rings or over one Guide body and bearings located between them are stored, and the rolling or rolling element relative to Spindle nut and each other in a fixed predetermined Distance are arranged. Such an arrangement has one fixed relation between the number of revolutions of the Electric motor and the axial movement of the component Steering on. It can also be beneficial if the Rolling or rolling elements with different Profiling, namely with a thread to the Spindle rod matching groove profiling and one too a guide profile of the spindle nut Profiling matching profiling are provided, whereby the profiles of the rolling or rolling elements each other overlap and alternate intervals are formed, and the rolling or rolling elements relatively to the spindle nut and to each other in a predetermined Distance are arranged. Such a simpler in itself Embodiment has no fixed relation between the Electric motor and the position of the spindle. At a Control of the servo motor on the steering wheel the torque introduced is not, however, either required.

Gute Übersetzungs- und Kräfteverhältnisse ergeben sich, wenn die Spindelmutter von dem elektrischen Servomotor angetrieben ist. Dabei ist eine kompakte Bauform so ausgebildet, daß die Spindelmutter koaxial zu der Abtriebswelle des Servomotors angeordnet ist und mit dieser in drehfester Verbindung steht. Wenn weiter das bewegliche Bauelement mit der Spindelstange einstückig, insbesondere als Teil einer Zahnstange ausgelegt ist, ergibt sich eine weitere Vereinfachung. Die Profilierung der Spindelstange kann unmittelbar auf die Zahnstange aufgebracht sein, vorzugsweise in einem Bereich der Zahnstange, der nicht von einer mit dem Lenkritzel in Eingriff stehenden herkömmlichen Verzahnung beaufschlagt ist. Diese Ausgestaltung läßt sich einfach in den Fertigungsprozeß einer herkömmlichen Zahnstange integrieren. Für die Einbauverhältnisse in einem Kraftfahrzeug ist es günstig, wenn die Getriebeeinrichtung das Bauelement, insbesondere die Zahnstange koaxial umgibt. Entsprechendes gilt, wenn die Spindelmutter von dem elektrischen Servomotor angetrieben ist. Der erforderliche Bauraum in Radialrichtung des Lenkgehäuses wird minimiert, wenn die Getriebeeinrichtung und der Servomotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das mit einem Lenkgehäuse der Servolenkung.Good translation and power relationships result, if the spindle nut from the electric servo motor is driven. A compact design is like this trained that the spindle nut coaxial with the Output shaft of the servo motor is arranged and with this is in a rotationally fixed connection. If further that movable component in one piece with the spindle rod, is especially designed as part of a rack, there is a further simplification. The profiling the spindle rod can be directly on the rack be applied, preferably in an area of Rack that is not from one with the steering pinion in Engaging standing conventional toothing is. This configuration can be easily in the Manufacturing process of a conventional rack integrate. For the installation conditions in one It is cheap if the motor vehicle Gear device the component, in particular the Coaxially surrounds rack. The same applies if the Spindle nut driven by the electric servo motor is. The space required in the radial direction of the Steering box is minimized when the transmission device and the servo motor in a common housing are arranged with a steering housing Power steering.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zahnstangenlenkung beschrieben. Es zeigen: In the following an embodiment of the present invention using a rack and pinion steering described. Show it:

Fig. 1 Eine Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Servoantrieb in einem Querschnitt entlang der Längsachse der Zahnstange; sowie Figure 1 A rack and pinion steering for a motor vehicle with an electric servo drive in a cross section along the longitudinal axis of the rack. such as

Fig. 2 eine Servolenkung entsprechend Fig. 1 mit in Radialrichtung beabstandetem Servomotor. Fig. 2 shows a power steering system corresponding to Fig. 1 with the servo motor spaced apart in the radial direction.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung in einem Querschnitt entlang der Längsachse der Zahnstange. Ein Lenkgehäuse 1 enthält an seinem in der Fig. 1 rechten Ende einen Anschluß 2 für eine nicht dargestellte Ritzelwelle, die über eine Lenksäule drehfest mit einem Lenkrad des Kraftfahrzeugs in Verbindung steht. Die Ritzelwelle kämmt mit einer Zahnstange 3 in an sich bekannter Weise. Neben dem Anschluß 2 ist das Lenkgehäuse 1 zunächst rohrförmig ausgestaltet, wobei eine Lasche 4 zur Befestigung des Lenkgehäuses 1 an dem Rahmen eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Das Lenkgehäuse 1 endet an seinem dem Anschluß 2 abgewandten Ende in einem die Zahnstange 3 radial umgebenden Flansch 5. Ein zweites Lenkgehäuse 11 umgibt das gegenüberliegende Ende der Zahnstange 3, Wobei ebenfalls eine Befestigungslasche 4 sowie ein Flansch 12 vorgesehen sind. Die offenen, den Flanschen 5, 12 abgewandten Enden der Lenkgehäuse 1, 11 umgeben die Zahnstange 3 in an sich bekannter Weise im Bereich der Spurstangenabgriffe. Fig. 1 shows a rack and pinion steering according to the invention in a cross section along the longitudinal axis of the rack. A steering housing 1 contains at its right end in FIG. 1 a connection 2 for a pinion shaft, not shown, which is connected in a rotationally fixed manner to a steering wheel of the motor vehicle via a steering column. The pinion shaft meshes with a rack 3 in a manner known per se. In addition to the connection 2 , the steering housing 1 is initially tubular, a tab 4 being provided for fastening the steering housing 1 to the frame of a motor vehicle. The steering housing 1 ends at its end facing away from the connection 2 in a flange 5 radially surrounding the rack 3 . A second steering housing 11 surrounds the opposite end of the toothed rack 3 , a fastening tab 4 and a flange 12 likewise being provided. The open ends of the steering housing 1 , 11 facing away from the flanges 5 , 12 surround the rack 3 in a manner known per se in the area of the tie rod taps.

Zwischen den Flanschen 5 und 12 ist koaxial zu der Zahnstange 3 eine Elektromotor-Getriebe-Anordnung 13 vorgesehen, die ein Motorgehäuse 14, einen Stator 15, einen Läufer 16 sowie eine Abtriebswelle 17 umfaßt, die insgesamt die Zahnstange 3 koaxial umgeben. Die Abtriebswelle 17 ist zusammen mit dem Läufer 16 in Kugellagern 18 gelagert und außerdem an ihrem dem Flansch 12 zugewandten Ende drehfest mit einer Spindelmutter 19 verschraubt. Die Spindelmutter 19 wiederum ist ebenfalls in einem Kugellager 20 gelagert.Between the flanges 5 and 12 , an electric motor-gear arrangement 13 is provided coaxially to the rack 3 , which comprises a motor housing 14 , a stator 15 , a rotor 16 and an output shaft 17 , which coaxially surround the rack 3 . The output shaft 17 is mounted together with the rotor 16 in ball bearings 18 and is also screwed to a spindle nut 19 at its end facing the flange 12 in a rotationally fixed manner. The spindle nut 19 in turn is also mounted in a ball bearing 20 .

Die Spindelmutter 19 umgibt eine Anzahl von Wälzkörpern 21, die über eine entsprechende Profilierung mit der Innenseite der Spindelmutter 19 kämmen. Die Wälzkörper 21 tragen zusätzlich zu der mit der Spindelmutter 19 kämmenden Profilierung eine gewindeartige Profilierung, die wiederum mit einer dazu passenden Profilierung der Zahnstange 3 kämmt. Diese Profilierung ist in der Fig. 1 in einem Abschnitt 22 größeren Durchmessers auf der Zahnstange 3 aufgebracht.The spindle nut 19 surrounds a number of rolling elements 21 which mesh with the inside of the spindle nut 19 via a corresponding profiling. In addition to the profiling which meshes with the spindle nut 19, the rolling elements 21 carry a thread-like profiling which in turn meshes with a matching profiling of the toothed rack 3 . This profiling is applied in FIG. 1 in a section 22 of larger diameter on the rack 3 .

Die mehreren Wälzkörper 21 sind über einen Käfig 23, in dem jeder einzelne Wälzkörper drehbar gelagert ist, in ihrer relativen Position zueinander fixiert.The plurality of rolling elements 21 are fixed in their relative position to one another via a cage 23 in which each individual rolling element is rotatably mounted.

Die Profilierung der Zahnstange 3 in ihrem Bereich 22 entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel einem Gewinde mit trapezförmigen oder dreiecksförmigen Gewindegängen und einer Steigung von etwa einem Gewindegang pro Millimeter in Axialrichtung.The profiling of the rack 3 in its area 22 corresponds in this embodiment to a thread with trapezoidal or triangular threads and a pitch of approximately one thread per millimeter in the axial direction.

Im Betrieb wird von einer nicht dargestellten Steuerung in an sich bekannter Weise der Elektromotor in Drehung versetzt, um eine zusätzlich zu der vom Fahrer aufgebrachten Lenkkraft in der gewünschten Richtung wirkende Servounterstützung zu erzeugen. Der Elektromotor dreht dabei mit seiner Abtriebswelle 17 die Spindelmutter 19, die wie das Hohlrad eines Planetengetriebes auf die Wälzkörper 21 wirkt. Die Wälzkörper 21 rollen sich dabei auf der Oberfläche des Bereichs 22 ab, da die Zahnstange 3 bezüglich der Motor-Getriebe-Einheit 13 drehfest angeordnet ist. Die abrollenden Wälzkörper 21, die sich wie der Planetenradsatz eines Planetengetriebes bei festgelegtem Sonnenrad bewegen, rollt sich mit seiner Profilierung auf dem Bereich 22 ab und erteilt dem Bereich 22 der Zahnstange dadurch eine Axialkraft. Die Axialkraft wird je nach Richtung entweder gegen das Kugellager 18 oder das Kugellager 20 abgestützt. Die geringe Gewindesteigung im Eingriff zwischen den Wälzkörpern 21 und dem Bereich 22 bewirkt zusammen mit der Untersetzung des Eingriffs Spindelmutter/Wälzkörper eine sehr hohe Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors und erlaubt somit die Verwendung eines hoch drehenden Elektromotors relativ kleinen Bauvolumens und damit eines Elektromotors mit einem hohen Wirkungsgrad. Die mechanischen Verluste in dem dargestellten Getriebe sind in der Praxis geringer als die mechanischen Verluste von zwei hintereinander geschalteten herkömmlichen Getrieben, selbst dann, wenn ein Stirnrädergetriebe und ein Kugelumlaufgetriebe hintereinander geschaltet sind.In operation, a control, not shown, sets the electric motor in rotation in a manner known per se in order to generate servo assistance which acts in the desired direction in addition to the steering force applied by the driver. The electric motor rotates with its output shaft 17, the spindle nut 19 , which acts on the rolling elements 21 like the ring gear of a planetary gear. The rolling elements 21 roll on the surface of the area 22 since the rack 3 is arranged in a rotationally fixed manner with respect to the motor-gear unit 13 . The rolling rolling elements 21 , which move like the planetary gear set of a planetary gear with a fixed sun gear, roll with their profile on the area 22 and thereby impart an axial force to the area 22 of the rack. Depending on the direction, the axial force is supported either against the ball bearing 18 or the ball bearing 20 . The small thread pitch in the engagement between the rolling elements 21 and the area 22 , together with the reduction in the engagement of the spindle nut / rolling elements, brings about a very high reduction in the speed of the electric motor and thus allows the use of a high-rotating electric motor of relatively small construction volume and thus of an electric motor with a high volume Efficiency. In practice, the mechanical losses in the illustrated transmission are lower than the mechanical losses of two conventional transmissions connected in series, even if a spur gear and a ball screw are connected in series.

Eine zweite Ausführungsform ist in der Fig. 2 dargestellt. Hier ist ein Elektromotor 30 kompakterer Bauart mit einer massiven Abtriebswelle 31 versehen, die ebenso wie der gesamte Antriebsmotor 30 in Radialrichtung neben der Zahnstange 3 angeordnet ist. Die Abtriebsseite des Elektromotors 30 ist mit einem Stirnräderpaar 32, 33 versehen, wobei das Stirnrad 33 mit der Spindelmutter 19 in drehfester Verbindung steht und folglich die Eingangsseite des Getriebes zur Umsetzung der Drehbewegung in die Axialbewegung der Zahnstange 3 antreibt. A second embodiment is shown in FIG. 2. Here, an electric motor 30 of a more compact design is provided with a solid output shaft 31 which, like the entire drive motor 30 , is arranged next to the rack 3 in the radial direction. The output side of the electric motor 30 is provided with a pair of spur gears 32 , 33 , the spur gear 33 being in a rotationally fixed connection with the spindle nut 19 and consequently driving the input side of the transmission for converting the rotary movement into the axial movement of the rack 3 .

Die übrigen Bauelemente entsprechen denjenigen gemäß Fig. 1. In der Funktion ergibt sich eine zusätzliche Untersetzung durch das Stirnräderpaar 32, 33. Diese Ausführungsform kann in der Praxis Vorteile aufweisen, da der separat angeordnete Elektromotor 30 möglicherweise hinsichtlich des bei der Konstruktion des Kraftfahrzeugs vorzusehenden Einbauraums Vorteile bietet und er im übrigen einfacher zu montieren und gegebenenfalls zu demontieren ist als die koaxiale Anordnung gemäß Fig. 1. Das Stirnräderpaar 32, 33 eröffnet außerdem einen weiteren konstruktiven Freiheitsgrad, der zur Optimierung der Kombination PWG/SPWG-Getriebe mit dem Stirnräderpaar 32, 33 hinsichtlich Untersetzung oder Wirkungsgrad genutzt werden kann.The other components correspond to those according to FIG. 1. In terms of function, there is an additional reduction by the spur gear pair 32 , 33 . In practice, this embodiment can have advantages, since the separately arranged electric motor 30 may offer advantages with regard to the installation space to be provided in the construction of the motor vehicle, and it is moreover easier to assemble and possibly disassemble than the coaxial arrangement according to FIG. 1 32 , 33 also opens up a further degree of design freedom, which can be used to optimize the combination of PWG / SPWG gearbox with the spur gear pair 32 , 33 with regard to reduction or efficiency.

Claims

1. Power steering for a motor vehicle, having a by a driver-operable steering wheel, a steering gear, which causes through displacement of a movable component, a pivoting of the steerable vehicle wheels, with an electric servo motor which is drivingly connected via a transmission device with the component, characterized characterized in that the gear device is a planetary roller thread (PWG) spindle gear, which consists of a spindle rod, a spindle nut surrounding it and a number of roller or roller bodies arranged therebetween with a groove profile matching the thread of the spindle rod.

2. Power steering according to claim 1, characterized characterized in that the rolling or Rollers over a number of guide rings or over a guide body and arranged in between Bearings are stored, and the rolling or rolling elements relative to the spindle nut and to each other in one fixed predetermined distance are arranged.

3. Power steering according to claim 1, characterized characterized in that the rolling or Rolling elements with different profiles, namely with one for the thread of the spindle rod matching groove profiling and one to one Guide profile of the spindle nut matching Matching profiling are provided, the profiles of the rolling or rolling elements overlap and alternate Distances are formed, and the rolling or Rollers relative to the spindle nut and to each other are arranged at a predetermined distance.

4. Apparatus according to claim 2 or claim 3, characterized in that the spindle nut from the electric servo motor is driven.

5. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the spindle nut coaxial with the output shaft of the Servomotors is arranged and with this in non-rotatable connection.

6. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the movable component with the spindle rod is in one piece.

7. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the spindle rod part of a rack one Rack and pinion steering is.

8. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the profiling of the spindle rod on the rack is applied, preferably in an area of Rack that is not one with a steering pinion engaged conventional gearing is acted upon.

9. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the gear device coaxial with the component surrounds.

10. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the gear device and the servo motor coaxially the component are arranged around, the Gear device and the servo motor preferably spaced from each other in the axial direction and are arranged adjacent to each other.

11. Power steering according to one of the preceding claims, characterized in that the gear device and the servo motor in one common housing are arranged with a Power steering steering box.