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Title:
BALL SCREW OF AN ELECTROMECHANICAL POWER STEERING SYSTEM HAVING AN INTEGRATED ANGULAR-CONTACT BALL BEARING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/220715
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electromechanical power steering system (1), in particular for a motor vehicle, comprising a servomotor (9), which drives an axially movable component (6) by means of a ball nut (13) rotatably mounted in a bearing (15), wherein the ball nut (13) is in engagement with a threaded spindle (6") formed on the component (6), wherein the bearing (15) is a two-row angular-contact ball bearing having a one-piece inner bearing ring (16).

Inventors:
ILLÉS ANDRÁS (CH)
RAITHER WOLFRAM (CH)
Application Number:
EP2017/065361
Publication Date:
December 28, 2017
Filing Date:
June 22, 2017
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP PRESTA AG (9492, LI)
THYSSENKRUPP AG (45143, DE)
International Classes:
B62D5/04; F16H25/24
Domestic Patent References:
WO2002002390A12002-01-10
Foreign References:
US20150183455A12015-07-02
US20150183455A12015-07-02
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektromechanische Servolenkung (1), für ein Kraftfahrzeug, mit einem Servomotor (9), der ein axial verlagerbares Bauelement (6) über eine in einem Gehäuse (21) drehbar in einem Lager (15) gelagerte Kugelmutter (13) antreibt, wobei die Kugelmutter (13) mit einer an dem Bauelement (6) ausgebildeten Gewindespindel (6') in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (15) ein zweireihiges Schrägkugellager mit einem einteiligen Lagerinnenring (16) ist.

2. Elektromechanische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Kontaktwinkel (a) des zweireihigen

Schrägkugellagers (15) so ausgewählt sind, dass sich ein von Null verschiedener Stützabstand (X) ausbildet.

3. Elektromechanische Servolenkung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Kontaktwinkel (a) beider Reihen des zweireihigen Schrägkugellagers (15) gleich sind .

4. Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraußenring (18) zweiteilig ausgestaltet ist.

5. Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Außenoberfläche der Kugelmutter (13) eine Riemenscheibe (14) unmittelbar und drehfest verbunden ist.

6. Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen den Kugelmittelpunkten des Schrägkugellagers (15) in einem Bereich von minimal dem dreifachen und dem fünffachen Kugeldurchmesser liegt.

7. Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einteilige Lagerinnenring (16) durch die Kugelmutter (13) gebildet ist.

8. Elektromechanische Servolenkung nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass die Kugelmutter (13) an ihren Enden (13') auf ihrer äußeren Umfangsfläche (16) jeweils eine umlaufende Ausnehmung (17) aufweist, die eine Kugellaufbahn einer Reihe des zweireihigen Schrägkugellagers (15) bildet.

9. Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Zahnstange (6) eines Zahnstangenlenkgetriebes ist.

Description:
Kugelgewindetrieb einer elektromechanischen Servolenkung mit integriertem Schrägkugellager

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

In elektromechanischen Servolenkungen wird über einen Elektromotor ein Drehmoment erzeugt, das auf ein Getriebe übertragen und dort das vom Fahrer eingeleitete Lenkmoment überlagert.

Eine gattungsgemäße elektromechanische Servolenkung weist einen Servomotor auf, der auf eine Kugelmutter eines Kugelgewindetriebs wirkt. Die Kugelmutter steht über umlaufende Kugeln mit einem Kugelgewinde in

Eingriff, welches am äußeren Umfang einer Zahnstange angeordnet ist, die Teil einer Zahnstangenlenkung ist. Eine Drehung der Kugelmutter bewirkt eine axiale Verlagerung der Zahnstange, wodurch eine Lenkbewegung des Fahrers unterstützt wird . Bevorzugt ist der Kugelgewindetrieb über einen Zahnriemen mit dem Elektromotor gekoppelt.

Die Kugelmutter ist in einem Kugellager in dem Lenkungsgehäuse drehbar gelagert. Auf die Zahnstange außerhalb der Achse wirkende Kräfte erzeugen Kippmomente der Zahnstange, die von dem Lager abgefangen werden müssen. Das Lager unterliegt weiterhin Temperatureinflüssen, die im Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Lagerschalen und des Lenkungsgehäuses beispielsweise zu einer Bildung von Spalten im Bereich des Lagersitzes oder zur Schädigung der Bauteile führen, wenn diese nicht kompensiert werden.

Es ist daher bekannt, Schrägkugellager zur Lagerung der Kugelmutter einzusetzen. Schrägkugellager können hohe Axial- und Kippkräfte aufnehmen, ohne beschädigt zu werden. Allerdings sind sie nur unter hohem Aufwand herstellbar und daher kostenintensiv. Die Offenlegungsschrift US 2015/0183455 AI offenbart zwei Schrägkugellager zur Lagerung einer Kugelmutter eines Kugelgewindetriebs. Die Lager weisen jeweils einen Lagerinnen- und Lageraußenring auf, zwischen denen Kugeln angeordnet sind. Die beiden Lageraußenringe stützen sich einseitig gefedert am Gehäuse ab. Dabei ist es nachteilig, dass eine Vielzahl an Bauteilen notwendig ist, die Bauraum benötigen und Kosten verursachen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektromechanische Servolenkung mit einem Kugelgewindetrieb anzugeben, bei dem die Kugelmutter in einem Lager gelagert ist, das eine verbesserte Kippsteifigkeit aufweist und hohe Axialkräfte übertragen kann, ohne großen Bauraum zu beanspruchen und hohe Herstellungskosten zu verursachen.

Diese Aufgabe wird von einer elektromechanischen Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Demnach ist eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Servomotor, der ein axial verlagerbares Bauelement über eine in einem Gehäuse drehbar in einem Lager gelagerte Kugelmutter antreibt, vorgesehen, wobei die Kugelmutter mit einer an dem Bauelement ausgebildeten Gewindespindel in Eingriff steht, und das Lager ein zweireihiges Schrägkugellager mit einem einteiligen Lagerinnenring ist. Durch die Anordnung eines Schrägkugellagers wird die Lagerung besonders kippsteif. Der einteilige Lagerinnenring ermöglicht eine kompakte Ausgestaltung, die in der Herstellung durch eine reduzierte Anzahl an Bauteilen kostengünstig ist.

Dabei ist es bevorzugt, dass die Kontaktwinkel des zweireihigen Schrägkugellagers so ausgewählt sind, dass sich ein von Null verschiedener Stützabstand ausbildet.

Unter dem Kontaktwinkel ist dabei der Winkel zu verstehen, unter dem sich die Verbindungslinien mit der Lagerachse schneiden, wobei die Verbindungslinien ausgehend vom Mittelpunkt der Kugeln des jeweiligen Schrägkugellagers durch den jeweiligen Kontakt zur Lauffläche des Lagerinnenrings verlaufen. Die Schnittpunkte der Verbindungslinien mit der Lagerachse der beiden Reihen des zweireihigen Schrägkugellagers bilden zueinander den Stützabstand, gemessen auf der Lagerachse.

Im Fall, dass die Kugeln in einem zweifachen Kontakt mit dem Lagerinnenring stehen, wird als Verbindungslinie die Winkelhalbierende der beiden Kontakt- Verbindungslinien, vom durch den jeweiligen Kontakt und den jeweiligen Mittelpunkt der Kugel verlaufen definiert.

Bevorzugt liegt dieser Stützabstand in einem Bereich von minimal dem einfachen Durchmesser der Kugeln des Schrägkugellagers und dem dreifachen des Durchmessers der Kugeln des Schrägkugellagers. Es ist jedoch zu bevorzugen, diesen Stützabstand in einem Bereich des l,5fachen bis 2,5fachen und besonders bevorzugt des zweifachen Durchmessers der Kugeln des Schrägkugellagers auszubilden. Im Fall, dass die beiden Lager des Schrägkugellagers unterschiedliche Kugeldurchmesser aufweisen, ist der kleinere Kugeldurchmesser als Maßstab anzusehen.

Vorzugsweise sind die Kontaktwinkel beider Reihen des zweireihigen Schrägkugellagers gleich, was die Herstellung vereinfacht.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Lageraußenring zweiteilig ausgestaltet ist. Zwischen den Lageraußenringen kann somit die Kugelführung angeordnet werden, wodurch das Lager möglichst kompakt wird . Zudem kann vorgesehen sein, dass mit der Außenoberfläche der Kugelmutter eine Riemenscheibe unmittelbar und drehfest verbunden ist, die ebenfalls zwischen den Lageraußenringen angeordnet ist.

Vorzugsweise wird der einteilige Lagerinnenring durch die Kugelmutter gebildet.

Besonders bevorzugt ist der Abstand entlang der Lagerachse zwischen den Kugelmittelpunkten des Schräglagers in einem Bereich von minimal dem dreifachen und dem fünffachen Kugeldurchmesser auszubilden. Es ist zu bevorzugen diesen Abstand in einem Bereich des 4,5fachen Kugeldurch- messers des Schräglagers auszubilden.

Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Kugelmutter an ihren Enden auf ihrer äußeren Umfangsfläche jeweils eine umlaufende Ausnehmung aufweist, die eine Kugellaufbahn einer Reihe des zweireihigen Schrägkugellagers bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement eine Zahnstange eines Zahnstangenlenkgetriebes.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen :

Figur 1 : eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Servolenkung mit Kugelgewindetrieb;

Figur 2 : eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs ohne das umschließende Gehäuse,

Figur 3 : einen Längsschnitt durch ein Schrägkugellager einer erfindungsgemäßen Servolenkung,

Figur 4: eine teilweise Explosionsdarstellung des Schrägkugellagers

entsprechend den Figuren 2 und 3,

Figur 5 : eine teilweise Explosionsdarstellung des Kugelgewindetriebs mit

Kugelrückführung entsprechend den Figuren 2 und 3,

Figur 6: eine räumliche Ansicht der Kugelmutter,

Figur 7 : eine räumliche Darstellung der Kugelrückführung in Ansicht von oben, sowie

Figur 8: eine räumliche Darstellung der Kugelrückführung in Ansicht von unten.

In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer oberen Lenkwelle 3 und einer unteren Lenkwelle 4 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Die obere Lenkwelle 3 steht über einen Torsionsstab in funktioneller Verbindung mit der unteren Lenkwelle 4. Die untere Lenkwelle 4 ist mit einem Ritzel 5 drehfest verbunden. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 6' einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihren freien Enden ist die Zahnstange 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke mit Spurstangen 7 verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung mit der Lenkwelle 3, 4 und dem Ritzel 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um den Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Dazu treibt der Elektromotor 9 über einen Riementrieb 11 eine Kugelmutter eines Kugelgewindetriebs 12 an. Eine Drehung der Mutter versetzt die Gewindespindel des Kugelgewindetriebs 12, die Teil der Zahnstange 6 ist, in eine Axialbewegung, die letztlich eine Lenkbewegung für das Kraftfahrzeug bewirkt.

Auch wenn hier im Beispiel eine elektromechanische Servolenkung mit mechanischer Kopplung zwischen Lenkrad 2 und Lenkritzel 5 dargestellt ist, kann die Erfindung auch für Kraftfahrzeuglenkungen angewendet werden, bei denen keine mechanische Kopplung vorhanden ist. Derartige Lenksysteme sind unter dem Begriff Steer-by-Wire bekannt.

In der Figur 2 ist der Kugelgewindetrieb räumlich dargestellt. Die Gewindespindel 6" ist Teil der Zahnstange 6 und beabstandet zu dem Zahnsegment 6' angeordnet. Die Kugelmutter 13 weist auf ihrer äußeren Umfangsfläche eine Riemenscheibe 14 auf.

In Figur 3 sind die Kugelmutter 13 und die Gewindespindel 6" in einem

Längsschnitt dargestellt. Die Kugelmutter 13 ist in einem zweireihigen Schrägkugellager 15 drehbar gelagert. Das Lager 15 weist einen einzigen gemeinsamen Innenring 16 auf, der durch die Kugelmutter 13 gebildet ist. Dazu weist die Kugelmutter 13 an ihren Enden 13' auf ihrer Außenumfangs- fläche 16 jeweils eine umlaufende Ausnehmung 17 für eine Kugellaufbahn auf. Die Ausnehmung 17 bzw. das Laufbahnprofil ist dabei entsprechend einem Schrägkugellager 15 ausgestaltet. Das Laufbahnprofil 17 und oder die Hülse des Schrägkugellagers kann als gotisches Profil ausgebildet sein, sodass ein Punktkontakt zwischen Laufbahn und Kugeln 100 entsteht. Dadurch werden eine gleichmäßige Lastverteilung, eine hohe Steifigkeit sowie bessere Laufeigenschaften mit genauerer Führung ermöglicht. Bevorzugt haben die Kugeln einen Zweipunktkontakt zwischen der Ausnehmung 17 und der Hülse 19.

Weiter bevorzugt kann zwischen den Enden 13' der Kugelmutter 13 und der Hülse ein Vierpunktkontakt vorliegen. Hierzu kann das Ende 13' der

Kugelmutter als Trichterform ausgebildet sein.

Das Lager 15 weist weiterhin jeweils einen Außenring 18 auf. Die Außenringe 18 sind jeweils in einer separaten Hülse 19 aufgenommen, die in einem

Lagersitz 20 des Gehäuses 21 angeordnet ist. Auf der Kugelmutter 13 ist die Riemenscheibe 14 des Zahnriemenantriebs 11 drehfest befestigt. Die Hülse 19 wird bevorzugt aus einem Werkstoff gebildet, der eine größere Wärmeausdehnung als Aluminium und Stahl besitzt. Insbesondere ist die Hülse 19 bevorzugt aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus PA66GF30

(Polyamid 66 mit Glasfaserverstärkung mit 30% Volumenanteil) gebildet. Die Hülse 19 ist bevorzugt aus Kunststoff gefertigt und kompensiert Wärmeausdehnungen zwischen dem Getriebegehäuse 21 und dem Kugelmuttertrieb 12.

Bevorzugt umfasst die Hülse eine kreiszylindrische Umfangswand 191, die das Lager 15 und die Lagerachse 24 umschließt, und einen kreiszylindrischen Bodenbereich 192, der sich radial nach Innen in Richtung der Lagerachse 24 erstreckt und eine kreiszylindrische Öffnung 193 aufweist, die die Lagerachse 24 umschließt. Die beiden separaten Hülsen 19 sind dabei bevorzugt derart angeordnet, dass die beiden Lager 15 zwischen den beiden Bodenbereiche 192 angeordnet sind. Bevorzugt sind die Bodenbereiche 192 eben ausgebildet mit bevorzugt konstanter Dicke. Es ist aber auch denkbar und möglich, die Boden- bereiche gezielt mit Rillen, Gravuren oder Rippen oder einer Wellenform zu versehen, um beispielsweise die Schmierung und/oder die Wärmeeigenschaften gezielt zu beeinflussen.

Zur weiteren Verbesserung der Kompensationseigenschaften kann die Hülse in ihrer Umfangswand 191 Ausnehmungen, bevorzugt sich in Richtung der Lagerachse 24 erstreckende Schlitze 194 aufweisen. Diese Schlitze laufen bevorzugt zum bis ans offene Ende der Umfangswand 191, das vom Bodenbereich 192 weggerichtet ist. Mit anderen Worten sind die Schlitze 194 in Richtung der Riemenscheibe 14 geöffnet.

Die Hülse 19 ist bevorzugt einstückig aus einem einzigen Bauteil, bevorzugt integral aus einem einzigen Werkstoff gebildet, besonders bevorzugt in einem Spritzgussverfahren.

Wie in Figur 4 dargestellt, ist in der Hülse 19 in der bevorzugten Ausführungsform eine Wellfeder 22 angeordnet, die das Lager 15 in Axialrichtung vorspannt. Die Wellfeder 22 liegt zwischen Hülse 19 und Lageraußenring 18. Durch die Kombination von Hülse 19 und Wellfeder 22 lässt sich die

Anbindungssteifigkeit einstellen. Zudem ermöglicht diese Kombination eine Dämpfung der Bewegung des Lagers 15 bei dynamischen Belastungen und einen Abbau von Lastspitzen.

Je nach Anwendungsfall kann jedoch diese Wellfeder 22 durch eine Tellerfeder oder durch eine Kombination aus Tellerfeder und Wellfeder ersetzt werden.

Die Kugeln 100 des Schrägkugellagers 15 werden in einem Kugelkäfig 101 geführt.

Die Laufbahnen des zweireihigen Schrägkugellagers 15 sind so ausgeführt, dass die Verbindungslinien 23, 23', 23", 23"' der Berührungspunkte zwischen Kugel und Laufbahnen die Lagerachse 24 zwischen den Außenringen 18 liegend schneiden. Zwischen den beiden Schnittpunkten mit der Lagerachse 24 bildet sich ein vordefinierter Stützabstand X aus. Durch den großen Stützabstand X wird das Lager 15 besonders kippsteif. Für eine besonders hohe Kippsteifigkeit liegt der Stützabstand X bevorzugt in einem Intervall zwischen dem einfachen und dem dreifachen Durchmesser der Kugeln 100 des

Schräglagers. Besonders zu bevorzugen ist ein Stützabstand der dem

doppelten Durchmesser der Kugeln 100 des Schrägkugellagers entspricht. Die Auflagefläche der Kugel 100 auf der Laufbahnfläche 17 und einer inneren Fläche der Hülse entspricht bevorzugt einer viertel Kugelumfangsfläche. Es bleibt bevorzugt sowohl auf der Laufbahnfläche als auch auf der inneren Fläche der Hülse ein Hinterschnitt, welcher nicht von der Kugel berührt wird. Als Kontaktwinkel α wird der Winkel bezeichnet, den eine Verbindungslinie der beiden Berührungspunkte zwischen Kugel 100 und Laufbahnen mit der

Radialebene einschließt und unter dem die Belastung von einer Laufbahn auf die andere übertragen wird . Bevorzugt ist der Kontaktwinkel für beide Reihen des Lagers 15 gleich groß. Mit einem vordefinierten Wert des Stützabstandes X lässt sich bei einem bestimmten Kontaktwinkel α die optimale Kippsteifigkeit des Lagers 15 einstellen.

In den Figuren 5 bis 8 ist die Kugelmutter 13 und eine Kugelrückführung 25 im Detail dargestellt. Die Ausschnitte zeigen die Zahnstange 6 mit Kugelgewinde 6" und dem darauf angeordneten Kugelgewindetrieb ohne Riemenscheibe.

In der Figur 5 ist die Kugelmutter 13 mit aufgesetztem Umlenkkörper 26 gezeigt. Die Kugelmutter 13 trägt auf ihrer Innenseite ein Kugelgewinde, in dem sich in an sich bekannter Weise Kugeln abwälzen. Die Kugelmutter 13 weist zwei durchsetzende Ausnehmungen 27 auf. Jeweils eine Ausnehmung 27 ist für den Eintritt bzw. Austritt von Kugeln 28 für die externe Kugelrückführung zu dem gegenüberliegenden Ende des Kugelgewindes vorgesehen. Die Kugelrückführung 25, die die beiden Ausnehmungen 27 miteinander verbindet, wird zumindest teilweise durch den Umlenkkörper 26 gebildet. Die Kugelrückführung 25 ist U-förmig ausgebildet. Der Rückführungskanal wird zumindest teilweise durch eine Ausnehmung 29 in dem Umlenkkörper 26 und zwei daran anschließende Zapfen 30 gebildet. Die Ausnehmung 29 ist diagonal über den Umlenkkörper 26 angeordnet, der als Aufsatz auf seiner Innenseite an die Krümmung der Oberseite der Kugelmutter 13 angepasst ist und sich in

Umfangsrichtung über einen begrenzten Sektor der Kugelmutter 13 erstreckt. Wie in Figur 5 gezeigt, wird der Umlenkkörper 26 mittels der Zapfen 30 in die beiden Ausnehmungen 27 der Kugelmutter 13 eingesetzt, so dass die

Kugelrückführung 25 mit beiden Enden des Kugelgewindes verbunden ist.

Das Lager 15 der Kugelmutter 13 ist so ausgestaltet, dass die Kugelrückführung 25 bzw. der Umlenkkörper 26 zwischen Kugelmutter und Riemenscheibe angeordnet werden kann. Die Kugelrückführung bzw. der Umlenkkörper findet somit Platz innerhalb des zweireihigen Lagers, wodurch die Anordnung besonders kompakt wird.

Die erfindungsgemäße Servolenkung weist somit ein Lager auf, das gegenüber herkömmlichen Lagern eine verbesserte Kippsteifigkeit hat. Es kann hohe Axialkräfte übertragen und weist durch den in die Kugelmutter integrierten Innenring eine reduzierte Bauteileanzahl auf, was sich positiv auf die Kosten auswirkt.