DE3713496C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vierrad-Servolenkanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine nach der GB-OS 21 48 812 bekannte ähnliche Anlage dieser Art weist einen Motor auf, mittels dem das Lenkwinkelverhältnis der Vorderräder zu den Hinterrädern in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit verstellbar ist. Eine die Lenkung unterstützende Kraft liefert der Motor nicht.

Nach der GB-OS 21 46 300 ist eine Servolenkanlage für Vorderräder bekannt, die mittels einer Zahnstange gelenkt werden. Die Zahnstange weist einen Abschnitt mit einer spiralförmigen Nut auf, die mit einer von einem Motor angetriebenen Kugelumlaufmutter in Wechselwirkung steht. Die von dem Motor gelieferte Kraft unterstützt die Längsverschiebung der Zahnstange und somit die Lenkung. Bei dieser Servolenkanlage muß also die Zahnstange gesondert ausgebildet werden und überdies muß die Kugelumlaufmutter die Zahnstange umfassen. Diese Servolenkanlage ist somit bereits in der Konstruktion ihrer Zahnstange dem Servobetrieb anzupassen.

Nach der teilweise prioritätsälteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 37 08 059.8 ist eine Servolenkanlage für Vorderräder bekannt, bei der der Läufer eines Servomotors eine der Lenkung dienende Zahnstange umfaßt und über eine Vorgelegewelle, in der sich eine spiralförmige Nut befindet, eine Kugelumlaufmutter verstellen kann, die an der Zahnstange befestigt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenkanlage für Fahrzeuge, die zur Lenkung von Vorderrädern und Hinterrädern ausgebildet ist, ohne erheblichen konstruktiven Aufwand mit einer die Lenkung unterstützenden Servoeinrichtung zu versehen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Bei Ausführung der Lehre der Erfindung bleibt die Zahnstange, die mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist, so wie sie ist. Der Motor wird nur in der Nähe der Zahnstange mit zur Zahnstange paralleler Abtriebswelle angeordnet. Die Abtriebswelle erhält eine spiralförmige Nut, die mit der Kugelumlaufmutter in Wechselwirkung steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die bei­ gefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht des wesentlichen Teils einer elektrischen Vierrad-Servolenkanlage für Fahrzeuge nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Lenkanlage insgesamt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist mit 100 eine Vier­ rad-Lenkanlage für Fahrzeuge mit elektrischer Servokraftunter­ stützung gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung insgesamt bezeichnet. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Anlage 100 eine Ritzelwelle 1 auf, die in einem Ge­ häuse 4 drehbar gelagert ist. Die Ritzelwelle 1 hat an ihrem unteren Endabschnitt ein Antriebsritzel 1 a, das an diesem En­ de ausgebildet ist. Das Antriebsritzel 1 a ist in Eingriff mit einem gezahnten Teil 2 a auf einem rechten Abschnitt 2 b einer im Gehäuse 4 in Querrichtung beweglich untergebrachten Zahn­ stange 2. Die Zahnstangenzähne sind in der rechten Hälfte eines Fahrzeugs angeordnet und auch ein Lenkrad 27. Ein linker Ab­ schnitt 2 c der Zahnstange 2 steht von dem Gehäuse 4 vor und hat ein daran angebrachtes elastisches Element 3. Das Element 3 ist relativ hart und wenig flexibel. Über dem Zwischenab­ schnitt des Gehäuses 4 ist ein Elektromotor zur Erzeugung des unterstützenden Hilfsmoments angeordnet. Der Motor 5 hat eine Drehachse, die parallel zur Zahnstange 2 angeordnet ist, so daß eine Abtriebswelle 7 längs des linken Abschnitts 2 c verläuft. Am gegenüberliegenden Ende ist der Motor 5 schwenkbar an der Oberseite eines nach oben verlaufenden Arms 6 angebracht, der an einem etwa mittigen Abschnitt des Gehäuses 4 ausgebildet ist und der um dieses geringfügig schwenkbar ist. Die Welle 7 hat eine spiralförmig verlaufende Nut 7 a, die auf dem Umfang an diesem Ende ausgebildet ist. Die Nut 7 a arbeitet mit ei­ ner weiteren spiralförmigen Nut 8 a zusammen, die auf der Innenumfangsfläche einer Kugelumlaufmutter 8 ausgebildet ist. Die Mutter 8, die auf der Welle 7 angebracht ist, ist schwenk­ beweglich an dem Mittelabschnitt an der Oberseite eines Arms 11 gelagert, von dem ein ringförmiges unteres Teil 11 a auf einem elastischen Element 3 angebracht ist. Die Drehung der Mutter 8 ist somit durch den Arm 11 begrenzt. Die Schwenkver­ bindung der Mutter 8 mit dem Arm 11 ist derart getroffen, daß eine geringfügige hin- und hergehende Bewegung zugelassen ist. Die Längsachse des Arms 11 ist senkrecht zur Zahnstange 2. Zwischen den spiralförmig verlaufenden Nuten 7 a, 8 a ist eine Vielzahl von Kugeln 9 angeordnet, die umlaufen und durch einen nicht gezeigten Rücklaufweg gehen, der in der Mutter 8 ausgebildet ist. Eine Kugelumlaufspindeleinrichtung 10 wird durch die Welle 7, die Mutter 8 und die Kugel 9 gebil­ det. Der Motor 5 ist oberhalb der Zahnstange 2 angeordnet, auf die die Antriebsenergie und die Drehbewegung über die Kugel­ umlaufspindeleinrichtung 10 übertragen wird, wobei eine Dreh­ geschwindigkeitsreduzierung erfolgt. Wenn sich die Welle 7 des Motors 5 in irgendeine der Richtungen dreht, bewegt sich die Mutter 9 kontinuierlich in axialer Richtung der Welle 7 in einer entsprechenden Richtung, d.h. quer zum Fahrzeug (nach links oder rechts in der Figur). Die zueinander pas­ senden Nuten 7 a, 8 a haben beide eine kleine Steigung, so daß die Drehgeschwindigkeit der Welle 7 insgesamt herabgesetzt wird, wenn eine Übertragung der Drehbewegung auf die Mutter 8 erfolgt. Die Querbewegung oder die Verschiebebewegung der Mutter 8 wird über den Arm 11 und das elastische Element 3 auf die Zahnstange 2 übertragen, die somit am linken Ende eine axial wirkende unterstützende Kraft erhält. Um einen staub- und wasserdichten Abschluß zu erreichen, sind zwei Schuhe 15, 16 in Balgform zwischen dem linken Ende des Ge­ häuses 4 und dem elastischen Element 3 und zwischen dem linken Ende des Motors 5 und dem rechten Ende der Mutter 8 jeweils angeordnet. Am linken Ende der Mutter 8 ist eine Staubabdeckung 17 vorgesehen, die die Spitze der Welle 7 um­ gibt.

Die Zahnstange 2 ist an einer etwa mittig liegenden Stelle in Querrichtung des Fahrzeugs gesehen, mit einem gezahnten Abschnitt 13 versehen, der auf symmetrische Weise an einem vorbestimmten Bereich auf der Unterseite eingeschnitten ist.

Der gezahnte Abschnitt 13 ist in Eingriff mit einem An­ triebsritzel 14, das im Gehäuse 4 drehbar gelagert aufge­ nommen ist. Das Antriebsritzel 14 ist über eine lange Welle 53 einer Verbindung 50 verbunden, die sich in Längsrichtung etwa mittig zu den Seiten des Fahrzeuges erstreckt. Die Ver­ bindung 50 ist mechanisch mit der Zahnstange 2 gekoppelt, so daß eine Axialbewegung der Zahnstange 2 auf die Hinter­ rad-Lenkeinrichtung 40 der Zahnstangenbetriebebauart über­ tragen wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Zahnstange 2 an den äuße­ ren Endabschnitten 2 b, 2 c über Kugelgelenke 28 a, 28 b mit den jeweiligen rechten und linken Verbindungsstangen bzw. Spurstangen 29 a, 29 b verbunden. Die Verbindungsstangen 29 a, 29 b sind mit ihren äußeren Enden über Kugelgelenke 30 a, 30 b mit den Achsgelenken 31 a, 31 b der Vorderräder 32 a, 32 b je­ weils verbunden. Die Ritzelwelle 1 ist mit dem Lenkrad 27 über ein Gelenk 25, eine Zwischenwelle 24, ein weiteres Ge­ lenk 25 und eine Lenkstange 26 verbunden. Eine Vorderrad- Lenkeinrichtung 35 der Zahnstangengetriebebauart weist eine Ritzelwelle 1, eine Zahnstange 2, Verbindungs- bzw. Spur­ stangen 29 a, 29 b, Achsgelenke 31 a, 31 b und jene Teile auf, die damit zusammenarbeiten. Die Lenkeinrichtung 35 ist mit dem Lenkrad 27 über die Teile 23-26 verbunden.

Die Lenkanlage 100 weist die Vorderrad-Lenkeinrichtung 35 und die Hinterrad-Lenkeinrichtung 40 auf, die über die Ver­ bindung 50 mit der Einrichtung 35 verbunden ist. Die Welle 53 der Verbindung 50 ist an ihrem vorderen Ende über ein Universalgelenk 52 mit einer Welle 14 a des Antriebsritzels 14 verbunden. Das hintere Ende der Welle 53 ist über ein Universalgelenk 54 mit einer Eingangswelle 41 einer dreh­ zahlverändernden Einrichtung 42 der Hinterrad-Lenkeinrich­ tung 40 verbunden. Eine quergerichtete Linearbewegung der Zahnstange 2 wird in eine Drehbewegung umgewandelt, die über die Verbindung 50 auf die Eingangswelle 41 der Ein­ richtung 42 zu übertragen ist. Eine Ausgangswelle 42 a der Einrichtung 41 ist in ein Gehäuse 43 eingesetzt, in dem das hintere Ende der Welle 42 a mit einem nicht gezeigten An­ triebsritzel versehen ist, das mit einer nicht gezeigten Zahnstange kämmt, die in Querrichtung des Fahrzeugs verläuft. Die Zahnstange ist an beiden Enden über Kugelgelenke 44 a, 44 b jeweils mit den rechten und linken Verbindungsstangen 45 a, 45 b verbunden. Die Verbindungsstangen 45 a, 45 b sind mit ihren äußeren Enden über Kugelgelenke 46 a, 46 b mit den Achsgelenken 47 a, 47 b der Hinterräder 48 a, 48 b jeweils ver­ bunden. Die Hinterrad-Lenkeinrichtung 40 weist eine Über­ tragungsverhältnis-Änderungseinrichtung 42, eine Zahnstange in einem Gehäuse 43, Verbindungs- bzw. Spurstangen 45 a, 45 b, Achsgelenke 47 a, 47 b und jene Teile auf, die damit zusammen­ arbeiten.

Der Motor 5 wird durch eine Steuereinrichtung 20 gesteuert, der von einer Batterie 21 Strom zugeführt wird. Die Steuer­ einrichtung 20 wird mit Detektionssignalen von einem Lenk­ betriebssensor 18 auf der Zwischenwelle 24 und einem Fahr­ zeuggeschwindigkeitssensor 19 an einer nicht gezeigten Tacho­ meterwelle versorgt. Der Sensor 18 umfaßt ein nicht gezeig­ tes Drehmoment-Erfassungselement der Dehnungsbauart zum Detektieren des Lenkmoments und ein nicht gezeigtes Winkel­ geschwindigkeits-Erfassungselement zum Detektieren der Lenkgeschwindigkeit. Das Element zur Lenkgeschwindigkeits- Detektion kann einen elektrischen Generator aufweisen, dessen Drehung jener der Welle 24 entspricht. Der Motor 5 wird über die Steuereinrichtung 20 in Abhängigkeit von der Stärke und der Wirkrichtung des detektierten Lenkmoments ange­ trieben, so daß ein unterstützendes Hilfsmoment erzeugt wird, dessen Stärke relativ groß ist, wenn die Fahrzeug­ geschwindigkeit niedrig ist und dessen Stärke mit zunehmen­ der Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner wird, wobei auch die Lenkgeschwindigkeit Berücksichtigung findet.

Wenn bei der Lenkanlage 100 das Lenkrad 27 gedreht wird, bewirkt das Antriebsritzel 1 a, das mit dem ersten Zahnstan­ genteil 2 a kämmt, daß sich die Zahnstange 2 in Querrichtung verschiebt und hierdurch die Vorderräder 32 a, 32 b gedreht werden. Zugleich wandelt das Antriebsritzel 14, das mit der zweiten Verzahnung 13 der Zahnstange 2 kämmt, eine axiale Verschiebebewegung der Zahnstange 2 in eine Winkelverschiebe­ bewegung um, die über die Verbindung 50 auf die Übertragungs­ verhältnis-Änderungseinrichtung 42 der Hinterrad-Lenkeinrich­ tung 40 zu übertragen ist, um die Hinterräder 48 a, 48 b in entsprechender Weise zu drehen. Die Einrichtung 42 hat einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Funktion zu der in der GB-PS 21 48 812 beschriebenen Einrichtung. Die Hinterräder 48 a, 48 b werden somit in derselben Richtung wie die Vorderräder 32 a, 32 b gedreht, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist und sie werden in Gegenrichtung zu den Vorderrädern 32 a, 32 b oder in keine der beiden Richtungen gedreht, wenn die Fahr­ zeuggeschwindigkeit niedrig ist. Während der Betätigung des Lenkrades 27 arbeitet der Motor 5, um über die Steuereinrich­ tung 20 der Zahnstange 2 ein unterstützendes Hilfsmoment zu liefern, wie dies voranstehend beschrieben ist. Als Folge hiervon wird die aufzubringende Lenkkraft bei niedrigen Fahr­ zeuggeschwindigkeiten reduziert, während ein übliches Straßen­ gefühl wiederum vermittelt wird, wenn die Fahrzeuggeschwin­ digkeit ansteigt.

Das unterstützende Hilfsmoment, das am Motor 5 erzeugt wird, wird auf die Zahnstange 2 über die Kugelumlaufspindelein­ richtung 10 übertragen, die einen geringen Reibungsverlust hat und eine gleichförmige Übertragung mit einem hohen Wir­ kungsgrad ermöglicht.

Die Kugelumlaufspindeleinrichtung 10 ist an der Ausgangs­ seite des Motors 5 angeordnet, so daß sich die Notwendigkeit einer zusätzlichen spiralförmigen Nut erübrigt, die sonst auf der Zahnstange auszubilden wäre. Somit erhält man kürzere Abmessungen für die Länge der Zahnstange.

Der Motor 5 ist etwa in einer Mittelstelle des Zahnstangen­ gehäuses 4 in Querrichtung des Fahrzeuges angeordnet und die Abtriebswelle 7 steht nach links vor. Das unterstützende Hilfsmoment vom Motor 5 wird über die Kugelumlaufspindelein­ richtung 10 auf den linken Endteil 2 c der Zahnstange 2 über­ tragen. Der rechte Endteil 7 b der Zahnstange 2 erhält ein Lenkmoment von dem Antriebsritzel 1 a, das mit dem Lenkrad 27 verbunden ist. Die Zahnstange 2 hat somit einen ausgewogenen Zustand im Hinblick auf das Lenkmoment und das unterstützende Hilfsmoment.

Das Antriebsritzel 14 der Verbindung 50 kämmt mit Zähnen 13 an der Unterseite einer Zahnstange 2, während der Motor 5 auf der stromaufwärtigen Seite desselben angeordnet ist. Der Motor 5 ist somit dem Antriebsritzel 14 gegenüberliegend, bezogen auf die Zahnstange 2, angeordnet, so daß der vor­ handene Raum effektiv genutzt werden kann, wobei man eine kompakte Auslegung der Anlage 100 erhält.

Die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung des Motors 5 ist nicht auf die dargestellte Ausbildungsform beschränkt, sondern kann auf beliebige Weise modifiziert werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das vorlie­ gende Beispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Ab­ änderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Nach der Erfindung wird eine elektrische Vierrad-Servoanlage 100 für Fahrzeuge mit Vorderrädern 32 a, 32 b und Hinterrädern 48 a, 48 b angegeben, die eine Vorderrad-Lenkeinrichtung 35, die eine Zahnstange 2 für die Vorderräder enthält, die in Quer­ richtung verläuft und einen Endabschnitt 2 b hat, der mit einem ersten gezahnten Teil 2 a ausgebildet ist, das mit einem ersten Antriebsritzel 1, 1 a kämmt, das mit einem Lenk­ rad 27 verbunden ist, eine Hinterrad-Lenkeinrichtung 40, eine Verbindungseinrichtung 50, die ein zweites Antriebs­ ritzel 14 enthält, das mit einem zweiten gezahnten Teil 13 kämmt, das an einem vorbestimmten Bereich an einer Seite eines etwa mittig in Querrichtung angeordneten Abschnitts der Zahn­ stange ausgebildet ist, um eine Querverschiebebewegung der Zahn­ stange zur Übertragung auf die Hinterrad-Lenkeinrichtung zu nutzen und einen Elektromotor 5 aufweist, der im Betriebs­ zustand ein unterstützendes Hilfsmoment der Vorderrad-Lenk­ einrichtung und der Hinterrad-Lenkeinrichtung liefert. Der Motor ist in der Nähe der Zahnstange an einer in Querrich­ tung etwa mittig liegenden Stelle und abweichend von der Po­ sition des zweiten Antriebsritzels angeordnet und hat eine sich drehende Abtriebswelle 7, die am anderen Endabschnitt 2 c der Zahnstange angeordnet ist. Die Lenkanlage weist ferner eine Kugelumlaufspindeleinrichtung 10 auf, die zwischen der Abtriebswelle des Motors und dem vorstehend genannten anderen Endabschnitt der Zahnstange vorgesehen ist, um das vom Motor erzeugte unterstützende Hilfsmoment auf die Zahnstange zu übertragen.

Claims (4)

1. Elektrische Vierrad-Servolenkanlage (100) für Fahrzeuge mit Vorderrädern (32 a, 32 b) und Hinterrädern (48 a, 48 b), mit einer Vorderrad-Lenkeinrichtung (35), die im Betriebszustand mit einem Lenkrad (27) verbunden ist, wobei die Vorderrad-Lenkeinrichtung (35) ein erstes Antriebsritzel (1 a) aufweist, das im Betriebszustand mit dem Lenkrad (27) verbunden ist, sowie eine Zahnstange (2), die in Querrichtung verläuft und einen Endabschnitt (2 b) aufweist, der mit einem ersten gezahnten Teil (2 a) ausgebildet ist, der mit dem ersten Antriebsritzel (1 a) kämmt, wobei die Zahnstange (2) lenkbar mit den Vorderrädern (32 a, 32 b) verbunden ist, mit einer Hinterrad-Lenkeinrichtung (40), mit einer Verbindungseinrichtung (50) zum Übertragen einer Querverschiebebewegung der Zahnstange (2) auf die Hinterrad-Lenkeinrichtung (40), wobei die Verbindungseinrichtung (50) ein zweites Antriebsritzel (40) enthält, das mit einem zweiten gezahnten Teil (13) kämmt, das an einem vorbestimmten Bereich auf einer Seite eines in Querrichtung etwa mittig angeordneten Abschnitts der Zahnstange (2) ausgebildet ist, mit einem Elektromotor (5), der im Betriebszustand ein unterstützendes Hilfsmoment für die Vorderrad-Lenkeinrichtung (35) und die Hinterrad-Lenkeinrichtung (40) liefert, und mit einer Steuereinrichtung (18, 19, 20, 21), die im Betriebszustand mit dem Motor (5) verbunden ist und den Motor (5) hinsichtlich seines Betriebs steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) in der Nähe der Zahnstange (2) an einer in Querrichtung etwa mittig liegenden Stelle abweichend von der Position des zweiten Antriebsritzels (14) angeordnet ist und eine sich drehende Abtriebswelle (7) aufweist, die am anderen Endabschnitt (2 c) der Zahnstange (2) angeordnet ist, daß die Abtriebswelle (7) mit einer spiralförmigen Nut (7 a) versehen ist, daß eine Kugelumlaufmutter (8) auf der Abtriebswelle (7) angeordnet ist, deren Innenumfangsfläche mit einer spiralförmigen Nut (8 a) versehen ist, und daß Kugeln (9) zwischen den spiralförmigen Nuten (7 a, 8 a) derart angeordnet sind, daß die Kugelumlaufmutter (8) sich in axialer Richtung der Abtriebswelle (7) bewegt, wenn sich die Abtriebswelle (7) dreht und die Kugelumlaufmutter (8) mit der Zahnstange (2) verbunden ist.

2. Lenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (7) im wesentlichen parallel zur Zahnstange (2) derart angeordnet ist, daß das Drehmoment der Abtriebswelle (7) durch die Kugelumlaufmutter (8) als unterstützende Hilfskraft in axialer Richtung auf die Zahnstange (2) übertragen wird.

3. Lenkanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) an der dem zweiten Antriebsritzel (14) gegenüberliegenden Seite der Zahnstange (2) angeordnet ist.

4. Lenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zahnstangengehäuse (4) zur drehbaren Lagerung des ersten Antriebsritzels (1 a) und des zweiten Antriebsritzels (14) und zur axial beweglichen Lagerung der Zahnstange (2) vorgesehen ist, und daß der Motor (5) an einem in Querrichtung etwa mittigen Abschnitt des Zahnstangengehäuses (4) angebracht ist.