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Title:
ACTUATOR OF A STEERING SYSTEM, IN PARTICULAR FOR A REAR AXLE STEERING SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/068423
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an actuator, comprising: a housing; a spindle drive provided in the housing and having a spindle (105) engaged with a spindle nut, said spindle having at least one fastening end (108); at least one bearing journal (110) displaceably provided in the housing and connected to the at least one fastening end (108) of the spindle (105); at least one link joint (104) provided outside the housing and connected to the at least one bearing journal (110). According to the invention, the at least one bearing journal (110) has a cavity (116), a connecting member (118) is provided in the cavity (116), and one end of the connecting member (118) is connected to the fastening end (108) of the spindle (105) and the other end of the connecting member is connected to the link joint (104).

Inventors:
SCHWENKE HENNING (DE)
GRAEULER DIRK (DE)
Application Number:
EP2018/074357
Publication Date:
April 11, 2019
Filing Date:
September 11, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
International Classes:
F16H25/20; B62D5/04; B62D7/15; F16H25/24
Foreign References:
DE102016204568A12017-09-21
DE102015219198A12017-04-06
DE102014206934A12015-10-15
DE102014206934A12015-10-15
DE102016200101A12017-07-13
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Claims:
Patentansprüche

1. Aktuator, aufweisend ein Gehäuse (2), einen im Gehäuse (2) angeordneten Spindelantrieb, welcher eine mit einer Spindelmutter (6) in Eingriff stehende Spindel (5) mit mindestens einem Befestigungsende (8, 9) aufweist, mindestens einen verschiebbar im Gehäuse (2) angeordneten Lagerzapfen (10, 1 1 ), der mit dem mindestens einen Befestigungsende (8, 9) der Spindel (5) verbunden ist, mindestens ein Gelenkverbindungsstück (3, 4), welches außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet und mit dem mindestens einen Lagerzapfen (10, 1 1 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lagerzapfen (110) einen Hohlraum (116) aufweist, dass in dem Hohlraum (1 16) ein Verbindungsglied (1 18) angeordnet und dass das Verbindungsglied (1 18) einerseits mit dem Befestigungsende (108) der Spindel (105) und andererseits mit dem Gelenkverbindungsstück (104) verbunden ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsglied (1 18) einen biegeweichen Bereich (122) aufweist.

3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsglied (1 18) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dass der biegeweiche Bereich als Querschnittsverengung (122) ausgebildet ist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung als Ringnut (122) mit einem Rundprofil ausgebildet ist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (110) topfförmig ausgebildet ist und einen Boden (1 10a) sowie einen zylindrischen Mantel (1 10b) aufweist.

6. Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (1 10a) einen Durchbruch (1 17) aufweist, welcher von der Spindel (105) durchsetzt wird.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsglied (1 18) ein erstes Gewindesackloch (1 19) aufweist, in welches das Befestigungsende (108) der Spindel (105) eingeschraubt ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsglied (1 18) ein zweites Gewindesackloch (120) aufweist, in welches ein Befestigungsbolzen (1 14) zur Befestigung des Gelenkverbindungsstücks (104) eingeschraubt ist.

9. Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gewindesackloch (120) einen Ringflansch (121 ) aufweist, welcher über den Befestigungsbolzen (1 14) mit dem Gelenkverbindungsstück (104) verspannt ist.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mantel (110b) des Lagerzapfens (1 10) und dem Gelenkverbindungsstück (104) ein Spiel (s1 , s2) in radialer und axialer Richtung belassen ist.

1 1 . Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (110) respektive dessen Mantel (1 10b) biegesteif ausgebildet ist.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (105) im Bereich zwischen dem Verbindungsglied (1 18) und dem Boden (1 10a) des Lagerzapfens (1 10) eine umlaufende Kerbe (105a) aufweist.

13. Verwendung eines Aktuators nach einem der vorhergehenden Ansprüche für steer-by-wire-Lenkung, vorzugsweise eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges.

Description:
Aktuator einer Lenkung, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Verwendung des Aktuators.

Durch die DE 10 2014 206 934 A1 wurde ein Stellmotor, auch Aktuator oder kurz Steller genannt, für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Aktuator ist mittig am Achsträger des Kraftfahrzeuges befestigt und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung der beiden Hinterräder. Der Aktuator weist einen Spindelantrieb, bestehend aus Spindel und Spindelmutter, auf, welche drehbar im Gehäuse gelagert und axial fixiert ist. Die Spindelmutter wird über einen Elektromotor angetrieben und bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel nach der einen oder anderen Seite. Die Spindel weist einen etwa mittig angeordneten Gewindeabschnitt mit einem Bewegungsgewinde, welches in Eingriff mit der Spindelmutter steht, sowie zwei konisch ausgebildete Spindelenden auf, welche jeweils über eine Gewindehülse mit einer Lagerhülse verbunden sind, die ihrerseits gleitend im Gehäuse geführt sind. An den Lagerhülsen, im Folgenden auch Lagerzapfen genannt, sind Gelenkgabeln für eine Verbindung mit einem Lenkgestänge angeordnet. Ein Problem bei derartigen Aktua- toren kann dann auftreten, wenn Querkräfte auf die Gelenkgabeln und damit auch auf die Lagerzapfen wirken, wobei die Querkräfte Biegemomente auf die Spindel ausüben können, so dass es für die Spindel zu einer erhöhten Beanspruchung kommt.

In der DE 10 2016 200 101 A1 wurde zur Lösung des vorgenannten Problems bereits vorgeschlagen, dass die Spindel, die direkt mit dem Lagerzapfen verbunden ist, zur Verminderung von Biegebeanspruchungen einen biegeweichen Abschnitt aufweist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aktuator einer Lenkung bzw. den Spindelantrieb, insbesondere die Spindel und deren Anbindung an die Gelenkgabel beanspruchungsgerechter zu gestalten. Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Aktuator eine Lenkung, ein Gehäuse sowie einen im Gehäuse angeordneten Spindelantrieb auf. Der Spindelantrieb weist eine mit einer Spindelmutter in Eingriff stehende Spindel mit mindestens einem Befestigungsende auf. Des Weiteren mindestens einen verschiebbar im Gehäuse angeordneten Lagerzapfen, der mit dem mindestens einen Befestigungsende der Spindel verbunden ist. Mindestens ein Gelenkverbindungsstück ist vorgesehen, welches außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem mindestens einen Lagerzapfen verbunden ist, wobei innerhalb des Lagerzapfens, welcher hohl ausgebildet ist, ein Verbindungsglied angeordnet ist, welches einerseits mit der Spindel und andererseits mit dem Gelenkverbindungsstück verbunden ist. Die Spindel ist somit nicht - wie beim Stand der Technik - über den Lagerzapfen mit dem Gelenkverbindungsstück, insbesondere einer Gelenkgabel verbunden, sondern mittelbar über das Verbindungsglied, welches beanspruchungsgerecht gestaltet werden kann. Insbesondere kann das Verbindungsglied hinsichtlich seiner konstruktiven Ausbildung an erhöhte Biegebeanspruchungen angepasst werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied einen biegeweichen Bereich auf, welcher vorzugsweise als Querschnittsverengung oder Einschnürung ausgebildet ist. Es ergibt sich somit für das Verbindungsglied, welches gegenüber dem Stand der Technik ein zusätzliches Bauteil darstellt, eine„Soll- Biegestelle", in welcher bei Auftreten von Biegemomenten, welche über die Gelenkgabel eingeleitet werden, eine Biegung zugelassen wird. Dadurch werden die Beanspruchungen, insbesondere im Randfaserbereich reduziert, wodurch auch die Lebensdauer des Verbindungsgliedes erhöht wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Querschnittsverengung als Ringnut, vorzugsweise mit einer Halbkreisform ausgebildet, wodurch der Querschnitt kontinuierlich verringert wird und Spannungsspitzen vermieden werden. Eine solche Ringnut kann z.B. durch Umformen mittels eines Rundprofils hergestellt werden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lagerzapfen topfförmig ausgebildet, d. h. er weist einen Boden und einen zylindrischen Mantel auf und ist an der dem Boden gegenüberliegenden Seite offen. Von der offenen Seite her kann das Verbindungsglied in den Mantel eingesetzt werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Boden einen Durchbruch oder eine Durchgangsbohrung auf, in welcher die Spindel, vorzugsweise mit einem Presssitz aufgenommen ist. Die Spindel durchsetzt den Durchbruch und ragt mit ihrem ein Gewinde aufweisenden Befestigungsende in den Hohlraum des Lagerzapfens hinein.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied ein erstes Gewindesackloch auf, in welches das Befestigungsende der Spindel eingeschraubt ist. Damit ist eine feste Verbindung zwischen der Spindel und dem Verbindungsglied hergestellt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied, koaxial zum ersten Gewindesackloch, ein zweites Gewindesackloch, auf, in welches ein Befestigungsbolzen einschraubbar ist, welcher das Gelenkverbindungsstück mit dem Verbindungsglied verbindet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Gewindesackloch einen Ringflansch auf, d. h. eine etwa kreisringförmige ebene Auflagefläche, welche mit einer entsprechenden Auflagefläche des Gelenkverbindungsstücks verspannt ist. Diese Verbindung zwischen Ringflansch und Gelenkverbindungsstück respektive Gelenkgabel mittels des Befestigungsbolzens ist derart ausgebildet, dass nicht nur Zug- und Druckkräfte in axialer Richtung, sondern insbesondere auch Biegemomente übertragen werden können. Die Biegemomente resultieren aus der Krafteinleitung über das Gelenkverbindungsstück, vorzugsweise durch eine Gelenkgabel, die mit einem Lenkgestänge verbunden ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Verbindungsglied und dem Gelenkverbindungsstück einerseits und dem Mantel des Lagerzapfens andererseits ein Spiel sowohl in radialer als auch in axialer Richtung belassen. Damit wird erreicht, dass das von der Gelenkgabel ausgehende Biegemoment ausschließlich in das Verbindungsglied, und nicht in den Mantel des Lagerzapfens eingeleitet wird, der somit nicht auf Biegung beansprucht wird. Das Verbindungsglied einschließlich Gelenkverbindungsstück und der Mantel des Lagerzapfens sind also bezüglich der Biegebeanspruchung entkoppelt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lagerzapfen, insbesondere dessen Mantel biegesteif ausgebildet. Damit wird erreicht, dass zwischen dem Außenumfang des Lagerzapfens, welcher in einem Gleitlager des Gehäuses geführt wird, ein konstantes Lagerspiel aufrechterhalten wird und keine Klemmung eintritt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Spindel im Bereich zwischen dem Boden des Lagerzapfens und dem Verbindungsglied respektive ihrem eingeschraubten Befestigungsende eine Kerbe oder leichte Querschnittsverengung auf, wodurch eine weitere biegeweiche Stelle, allerdings in der Spindel geschaffen wird. In diesem Bereich wird also ebenfalls eine kontrollierte Biegung zugelassen, um damit die Beanspruchungen zu reduzieren.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der vorgenannte Aktuator einer Lenkung bevorzugt in einer steer-by-wire-Lenkung, vorzugsweise in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendet. Da die Hinterachslenkung im Kraftfahrzeug ein sicherheitsrelevantes System darstellt, wirken sich eine erhöhte Bruchsicherheit und eine verlängerte Lebensdauer von Spindel und Verbindungsglied besonders vorteilhaft aus. Steer-by-wire-Lenkungen werden bevorzugt elektromechanisch betrieben und haben keine direkte bzw. unmittelbare mechanische Verbindung zum Lenkrad des Fahrers. Die Lenkung wird über einen oder mehrere Aktuatoren ermöglicht, welche aufgrund elektrischer Steuersignale die Lenkbewegung erzeugen. Da das Lenken quasi über ein Kabel erfolgt wird von steer-by-wire gesprochen. Eine fehlerfreie Funktion des Aktuators der Lenkung ist daher über die gesamte Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten. Der Begriff Kabel ist in diesem Zusammenhang lediglich als ein Synonym zu verstehen, da die Lenk- bzw. Steuersignale auch über ein Bussystem, wie z.B. CAN-Bus, oder zumindest zum Teil auch drahtlos übertragen werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

Fig. 1 einen Aktuator einer Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug nach dem

Stand der Technik und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung von Spindel, Lagerzapfen und

Gelenkgabel eines Aktuators.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Aktuator 1 , auch Stellmotor 1 genannt, mit einem Gehäuse 2, welches an einem Achsträger eines Kraftfahrzeuges befestigt ist und zwei diametral zueinander angeordnete Gelenkgabeln 3, 4, allgemein auch als Gelenkverbindungsstücke 3, 4 bezeichnet, zur Verbindung mit nicht dargestellten Spurlenkern aufweist. Der Aktuator 1 umfasst einen Spindelantrieb mit einer axial verschiebbaren Spindel 5, welche über eine Spindelmutter 6 von einem Elektromotor 7 antreibbar, d. h. verstellbar ist. Die Spindel 5 weist im Bereich der Spindelmutter 6 ein als Trapezgewinde ausgebildetes, selbsthemmendes Bewegungsgewinde 5a auf, welches mit einem entsprechenden Innengewinde 6a der Spindelmutter 6 in Eingriff steht. Bei Rotation der Spindelmutter 6 führt die Spindel 5, welche auf nicht dargestellte Weise am Verdrehen gehindert ist, eine Axialbewegung (in der Zeichnung) nach rechts oder links aus. Die Spindel 5 weist zwei entgegengesetzte Spindel- oder Befestigungsenden 8, 9 auf, welche ihrerseits fest mit Lagerzapfen 10, 1 1 verbunden sind. Die Lagerzapfen 10, 1 1 sind gehäuseseitig in Gleitlagern 12, 13 geführt und mittels Schraubbolzen 14, 15 mit den beiden Gelenkgabeln 3, 4 verbunden.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Lagerzapfen 1 10 für einen Aktuator einer Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug. Gleiche oder analoge Teile in Fig. 2 sind mit gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnet. Der Lagerzapfen 1 10 ist topfförmig ausgebildet und weist einen Topfboden 1 10a, im Fol- genden kurz Boden 1 10a genannt, sowie einen zylindrischen Mantel 1 10b auf, welcher einen Innen- oder Hohlraum 1 16 aufweist und in einem gehäuseseitigen Gleitlager 1 12 geführt ist. Im Boden 1 10a ist ein Durchbruch 1 17 angeordnet, welcher von einer Spindel 105 durchsetzt wird. Die Spindel 105 weist ein Befestigungsende 108 mit einem Gewinde 108a auf. Ein als Gelenkgabel 104 ausgebildetes Gelenkverbindungsstück 104 ist teilweise, d. h. in seinem Befestigungsbereich dargestellt - die Gelenkgabel 104 bildet den Anschluss an ein nicht dargestelltes Lenkgestänge für ein Hinterrad des Kraftfahrzeuges. Die Gelenkgabel 104 weist eine Durchgangsbohrung 104a auf, welche von einem Befestigungsbolzen 1 14 durchsetzt wird.

Innerhalb des Hohlraumes 1 16 ist ein Verbindungsglied 1 18 angeordnet, welches in koaxialer Anordnung ein erstes Gewindesackloch 1 19 und auf dem entgegengesetzten Ende ein zweites Gewindesackloch 120 aufweist. Das Verbindungsglied 1 18 weist an seinem stirnseitigen Ende im Bereich des zweiten Gewindesackloches 120 einen Ringflansch 121 mit einer etwa kreisringförmig ausgebildeten Auflagefläche 121 a auf. Zwischen der ersten Sacklochbohrung 1 19 und dem zweiten Gewindesackloch 120 weist das Verbindungsglied 1 18 einen biegeweichen Bereich 122 auf, welcher gegenüber den benachbarten Bereichen einen verminderten Durchmesser und ein vermindertes Flächenträgheitsmoment aufweist. Der biegeweiche Bereich 122 ist als Einschnürung oder umlaufende Kerbe mit einem etwa halbkreisförmigen Profil ausgebildet, so dass eine allmähliche Durchmesserverringerung erreicht wird. Das Verbindungsglied 1 18 ist einerseits mit dem Befestigungsende 108 der Spindel 105 und andererseits mittels des Befestigungsbolzens 1 14 mit der Gelenkgabel 104 verbunden. Dabei ist der Befestigungsbereich 108 in das erste Gewindesackloch 1 19 eingeschraubt. Die Spindel 105 ist in der Durchgangsbohrung 1 17 des Bodens 1 10a bevorzugt mit einem Presssitz aufgenommen, sodass zwischen Spindel 105 und Lagerzapfen 1 10 ein Reib- oder Kraftschluss besteht. Zwischen dem Boden 1 10a und dem Gewinde 108a weist die Spindel 105 eine umlaufende, gerundete Kerbe 105a auf, welche als biegeweiche Stelle wirkt. Die Gelenkgabel 104 ist über den Schraubbolzen 1 14 mit der Auflagefläche 121 a des Ringflansches 121 fest verspannt, so dass sich eine biegesteife Verbindung ergibt. Gleichzeitig ist zwischen dem Ringflansch 121 und dem Mantel 1 10b ein Radialspiel s1 sowie zwischen der Stirnseite des Mantels 1 10b und der Gelenkgabel 104 ein Axialspiel s2 belassen. Das Radial- spiel s1 und das Axialspiel s2 haben die Wirkung, dass von der Gelenkgabel 104 eingeleitete Biegemomente ausschließlich über den Ringflansch 121 in das Verbindungsglied 1 18 übertragen und dort abgebaut werden, insbesondere in dem biegeweichen Bereich 122 und - auch in geringerem Maße in der Kerbe 105a der Spindel 105. Der Mantel 1 10b, der vorzugsweise biegesteif ausgebildet ist, ist somit bezüglich einer Biegebeanspruchung vom Verbindungsglied 1 18 entkoppelt, so dass zwischen dem Außenumfang des Mantels 1 10b und dem gehäuseseitigen Gleitlager 1 12 keine Verkippung oder Verklemmung auftritt.

Bezuqszeichen

Aktuator

Gehäuse

Gelenkgabel

Gelenkgabel

Spindel

a Trapezgewinde

Spindelmutter

a Trapezgewinde

Elektromotor

Spindelende

Spindelende

0 Lagerzapfen

1 Lagerzapfen

2 Gleitlager

3 Gleitlager

4 Schraubbolzen

5 Schraubbolzen 04 Gelenkgabel

04a Durchgangsbohrung

05 Spindel

05a Kerbe

08 Befestigungsende

08a Gewinde

10 Lagerzapfen

10a Boden

10b Mantel

12 Gleitlager

14 Schraubbolzen

16 Hohlraum

17 Durchbruch Verbindungsglied erstes Gewindesackloch zweites Gewindesackloch Ringflansch

Auflagefläche

biegeweicher Bereich

Radialspiel

Axialspiel