DE19849326A1

DE19849326A1 - Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19849326A1
Application number: DE1998149326
Authority: DE
Inventors: Peter Brenner; Martin Budaker; Willi Nagel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-04-27

Abstract

Eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge enthält ein Lenkgetriebe (1) zur Umwandlung einer Rotationsbewegung eines Lenkhandrades in eine die Verstellung zu lenkender Fahrzeugräder bewirkende Bewegung. Mit einem Elektromotor (2) kann die eine Hilfskraft auf das Lenkgetriebe (1) ausgeübt werden. Ein Untersetzungsgetriebe (10) ist zwischen dem Elektromotor (2) und einer Eingangswelle (3) des Lenkgetriebes (1) angeordnet. Eine elektromagnetische Kupplung (6; 24; 35) dient zur Übertragung einer Drehbewegung des Elektromotors (2) auf eine Eingangswelle (8) des Untersetzungsgetriebes (10). Dabei sind zwei Kupplungsscheiben (5, 7) der elektromagnetischen Kupplung (6) zwischen dem Elektromotor (2) und der Eingangswelle (8) des Untersetzungsgetriebes (10) angeordnet. Die beiden Kupplungsscheiben (5, 7) bestehen aus einem anderen Material als Eisen. Außerdem ist eine Betätigungseinrichtung zur Betätigung der elektromagnetischen Kupplung (6) an der den beiden Kupplungsscheiben (5, 7) abgewandten Seite des Elektromotors (2) als ein Hubmagnet (13) unabhängig von den beiden Kupplungsscheiben (5, 7) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Hilfskraftlenkung weist ein Lenkgetriebe auf, auf das durch einen Servomotor eine Hilfskraft ausgeübt werden kann. Ein Untersetzungsgetriebe ist zwischen dem Servomotor und einer Eingangswelle des Lenkgetriebes angeordnet. Zur Übertragung einer Drehbewegung des Servomotors auf eine Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes dient eine elek tromagnetische Kupplung. Von dieser elektromagnetischen Kupplung sind zwei Kupplungsscheiben zwischen dem Servomo tor und der Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes ange ordnet.

Eine solche elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung ist bekannt aus der EP-A1-0 411 600. Bei dieser Hilfskraft lenkung ist die gesamte elektromagnetische Kupplung zwi schen dem Servomotor und dem Untersetzungsgetriebe angeord net. Die elektromagnetische Kupplung besteht dabei aus ei nem Magnetkörper, einem Rotor und einem Anker. Rotor und Anker sind drehfest und axialfest jeweils mit einem Wellen ende der Ausgangswelle des Servomotors bzw. der Eingangs welle des Untersetzungsgetriebes verbunden. Rotor und Anker werden durch eine von dem Magnetkörper erzeugte Magnetkraft axial zusammengepreßt. Dadurch ist im bestromten Zustand die elektromagnetische Kupplung geschlossen, im unbestrom ten Zustand öffnet eine Feder die elektromagnetische Kupp lung.

Bei dieser Ausführung müssen sowohl der Rotor als auch der Anker der elektromagnetischen Kupplung ferromagnetisch sein, d. h. sie sind in der Regel aus dem Werkstoff Eisen. Aufgrund ihres Werkstoffes und ihrer Abmessungen haben Ro tor und Anker ein relativ hohes Massenträgheitsmoment. Da mit dieses hohe Massenträgheitsmoment die Dynamik des elek trischen Antriebes nicht verschlechtert, muß der Servomotor entsprechend groß dimensioniert werden. Dies verursacht hohe Kosten und erhöht außerdem die Energieaufnahme bzw. die Belastung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gat tungsgemäße Hilfskraftlenkung derart zu verbessern, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbe sondere soll die Hilfskraftlenkung im Bereich ihrer elek tromagnetischen Kupplung vereinfacht und verkleinert wer den.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekenn zeichnete Hilfskraftlenkung gelöst. Die Lösung erfolgt da durch, daß die beiden Kupplungsscheiben aus einem anderen Material als Eisen bestehen. Dadurch wird das Massenträg heitsmoment der bisherigen ferromagnetischen Kupplungs scheiben stark reduziert. Zur Betätigung der elektromagne tischen Kupplung, d. h. zum Schließen der beiden Kupplungs scheiben, ist eine Betätigungseinrichtung unabhängig von den beiden Kupplungsscheiben angeordnet.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Betäti gungseinrichtung zur Betätigung der elektromagnetischen Kupplungen ist an der den beiden Kupplungsscheiben abge wandten Seite des Elektromotors angeordnet. Die Betäti gungseinrichtung liegt damit an einer Stelle, an der sie keinen besonderen Platz beansprucht. Die Betätigungsein richtung ist entweder als Hubmagnet oder als Elektro- Stelllmotor in Verbindung mit einem Getriebe angeordnet. Däbei wird durch das Getriebe das Drehmoment des Elektro- Stellmotors verstärkt und in eine Axialkraft zur Betätigung der beiden Kupplungsscheiben transformiert.

Die elektromagnetische Kupplung kann als Reibkupplung oder als Zahnkupplung ausgebildet sein. Dazu werden die beiden Kupplungsscheiben entweder mit im wesentlichen ebe nen oder leicht konischen Reibflächen versehen oder die beiden Kupplungsscheiben weisen mit Verzahnungen versehene Stirnflächen auf.

Um zu vermeiden, daß bei der Verwendung einer Zahn kupplung beim Schließen der elektromagnetischen Kupplung zwei Zahnköpfe der beiden Kupplungsscheiben aufeinander treffen, wird der Elektro-Stellmotor beim Schließen der Kupplung derart geregelt, daß er eine schwingende Rotati onsbewegung ausführt. Das Getriebe zur Umwandlung des Drehmoments des Elektro-Stellmotors in eine Axialkraft ent hält zweckmäßigerweise ein Gewinde. Zur Rückstellung in die geöffnete Stellung der elektromagnetischen Kupplung dient eine Spiralfeder.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der elektrisch unterstützten Hilfskraftlenkung werden die Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes und die Ausgangswelle des Elek tromotors als gemeinsame Welle einteilig ausgebildet. Ein Rotor des Elektromotors wird dabei auf der gemeinsamen Wel le axial verschiebbar gelagert. Die eine der beiden Kupp lungsscheiben ist mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbunden, während die andere der beiden Kupplungsscheiben mit der gemeinsamen Welle drehfest verbunden ist. In dem Elektromotor ist ein Magnetkörper integriert, durch den die beiden Kupplungsscheiben aneinander angelegt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Quer-Schnitt durch ein Untersetzungs getriebe, elektromagnetische Kupplung und Servomotor in einem ersten Ausführungsbei spiel, bei dem die Betätigungseinrichtung zur Betätigung der elektromagnetischen Kupp lung ein Hubmagnet ist;

Fig. 2 einen entsprechenden Längs-Schnitt in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Be tätigungseinrichtung ein Elektro-Stellmotor ist und

Fig. 3 einen entsprechenden Längs-Schnitt in einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes und die Ausgangswelle des Elektromotors als ge meinsame Welle ausgeführt sind.

Die erfindungsgemäße, elektrisch unterstützte Hilfs kraftlenkung enthält ein Lenkgetriebe 1 zur Umwandlung ei ner Rotationsbewegung eines nicht dargestellten Lenkhandra des in eine die Verstellung zu lenkender Fahrzeugräder be wirkende Bewegung. Das Lenkgetriebe kann beispielsweise die Form eines Zahnstangen- oder eines Kugelmutter-Lenkgetrie bes aufweisen. Die Ausgestaltung des Lenkgetriebes 1 ist nicht erfindungswesentlich. Deshalb wird das Lenkgetriebe 1 nur schematisch angedeutet.

Durch einen Elektromotor 2 kann eine Hilfskraft auf eine Eingangswelle 3 des Lenkgetriebes 1 ausgeübt werden.

An einer Ausgangswelle 4 des Elektromotors 2 ist eine Kupplungsscheibe 5 einer elektromagnetischen Kupplung 6 befestigt. Die Ausgangswelle 4 ist axial verschiebbar gela gert. Eine zweite Kupplungsscheibe 7 der Kupplung 6 ist auf einer Eingangswelle 8 eines Untersetzungsgetriebes 10 befe stigt. Das Untersetzungsgetriebe 10 ist beispielsweise als Schneckengetriebe ausgebildet, mit einer Schnecke 11 und einem Schneckenrad 12. Das Schneckenrad 12 ist mit der Ein gangswelle 3 des Lenkgetriebes 1 drehfest verbunden.

Zur Betätigung der elektromagnetischen Kupplung 6 dient eine Betätigungseinrichtung, die in dem Ausführungs beispiel nach Fig. 1 durch einen Hubmagneten 13 gebildet ist. Der Hubmagnet 13 besitzt einen Hubanker 14, der axial verschiebbar geführt ist und über ein Axiallager 15 auf die Ausgangswelle 4 des Elektromotors 2 einwirkt. Zwischen dem Hubanker 14 und dem Axiallager 15 ist zweckmäßigerweise eine topfförmige Scheibe 16 eingesetzt. Auf der dem Huban ker 14 und der Scheibe 16 entgegengesetzten Seite des Axiallagers 15 greift eine Druckfeder 17 an, die zum Öffnen der Kupplung 6 bei stromlosem Magneten 13 dient.

In diesem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Kupp lungsscheiben 5 und 7 im wesentlichen ebene Reibflächen auf. Die Reibflächen können jedoch auch unter einem gerin gen Winkel konisch ausgebildet sein. Beide Kupplungsschei ben 5 und 7 bestehen aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, d. h. aus einem anderen Werkstoff als Eisen. Sie können beispielsweise aus Kunststoff bestehen. In diesem Fall kann die Kupplungsscheibe 5 auf die Ausgangswelle 4 und die Kupplungsscheibe 7 auf die Eingangswelle 8 des Un tersetzungsgetriebes 10 aufgespritzt sein. Da bei dieser Ausführungsform zusätzlich noch der Vorteil besteht, daß nur die beiden Kupplungsscheiben 5 und 7 als Bestandteile der elektromagnetischen Kupplung 6 rotieren, nicht aber der Hubanker 14 und die Scheibe 16, so ergeben sich in jedem Fall wesentlich geringere Massenträgheitsmomente. Wegen dieser geringeren Massenträgheitsmomente kann auch der Elektromotor 2 kleiner dimensioniert werden. Insofern erge ben sich insgesamt niedrigere Herstellkosten, ein kleinerer Stromverbrauch und eine kompaktere Bauweise.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist im wesentli chen gleich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es unterscheidet sich jedoch durch folgende Merkma le:
Die Betätigungseinrichtung zur Betätigung der elektro magnetischen Kupplung 6 enthält einen Elektro-Stellmotor 18 und ein Getriebe 19. Das Getriebe 19 dient dazu, das Dreh moment des Elektro-Stellmotors 18 zu verstärken und in eine Axialkraft zum Betätigen der elektromagnetischen Kupplung 6 zu transformieren. Das Getriebe 19 enthält ein Gewinde 20, durch das eine Axialbewegung erzeugt werden kann, die über das Axiallager 15 auf die Ausgangswelle 4 des Elektromo tors 2 übertragen werden kann. Eine Hülse 21, die mit einer Welle 22 des Elektro-Stellmotors 18 verbunden ist, treibt eine Spiralfeder 23. Die Spiralfeder 23 dient dazu, daß dann, wenn der Elektro-Stellmotor stromlos ist, die Hül se 21 zurückgestellt und damit über die Axialverstellung der Welle 22 die Kupplung 6 geöffnet wird.

Bis hierher wurde beschrieben, daß der Elektro-Stell motor 18 zusammen mit dem Getriebe 19 einfach den Hubmagne ten 13 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ersetzen kann. Zusätzlich kann noch die als Reibkupplung ausgebildete Kupplung 6 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 durch eine Zahnkupplung 24 ersetzt werden, wie sie in Fig. 2 darge stellt ist. Dazu tragen die beiden Kupplungsscheiben 25 und 26 an ihren einander zugewandten Stirnflächen Verzah nungen 27.

Wenn die Zahnkupplung 24 durch Erregung des Elektro- Stellmotors 18 geschlossen werden soll, dann kann der Fall auftreten, daß Zahnköpfe der beiden Kupplungsscheiben 25 und 26 aufeinanderstoßen. Um diesen Zustand zu vermeiden, wird der Elektro-Stellmotor 18 derart geregelt, daß er beim Schließen der Zahnkupplung 24 eine schwingende Rotationsbe wegung ausführt.

Der Vorteil der Zahnkupplung 24 liegt darin, daß sich bei gleicher Anpreßkraft über die Verzahnung 27 ein wesent lich größeres Moment übertragen läßt als bei einer als Reibkupplung ausgeführten Kupplung 6 nach Fig. 1. Dadurch läßt sich die Zahnkupplung 24 kompakter bauen. Wegen der kleineren erforderlichen Anpreßkraft der Zahnkupplung 24 kann bei deren Verwendung der Elektro-Stellmotor 18 bzw. der Hubmagnet 13 kleiner dimensioniert werden.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, benötigen die beiden bis hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zwischen der Ausgangswelle 4 des Elektromotors 2 und der Eingangs welle 8 des Untersetzungsgetriebes 10 jeweils ein Lager 28.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vermeidet ein sol ches Lager dadurch, daß die Ausgangswelle des Elektromo tors 2 und die Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes 10 als gemeinsame Welle 30 einteilig ausgebildet werden. Auf der Welle 30 ist ein Rotor 31 des Elektromotors 2 axial verschiebbar gelagert.

Der Rotor 31 trägt an seiner einen Stirnseite einen Reibring und bildet dadurch eine Kupplungsscheibe 32. Eine zweite Kupplungsscheibe 33 ist mit der gemeinsamen Welle 30 drehfest und axial unverschiebbar verbunden. Die beiden Kupplungsscheiben 32 und 33 bilden zusammen mit einem Mag netkörper 34 eine elektromagnetische Kupplung 35. Der Mag netkörper ist in dem Elektromotor 2 auf der den Kupplungs scheiben 32 und 33 abgewandten Seite des Rotors 31 inte griert. Zwischen der Kupplungsscheibe 33 und dem Rotor 31 befindet sich eine Feder 36, die zur Öffnung der Kupp lung 35 dient. Die Funktion der elektromagnetisch betätig ten Kupplung 35 wird durch den Verlauf des magnetischen Flusses 37 verdeutlicht.

Die Welle 30 und der Rotor 31 sind aus dem Werkstoff Eisen. Sie leiten den magnetischen Fluß 27 und sind somit Bestandteil der elektromagnetischen Kupplung 35. Die Wel le 30 und der Rotor 31 übernehmen somit diese Kupplungs funktion zusätzlich zu ihrer Funktion als Lagerteil bzw. als Motorteil ohne technischen Mehraufwand. Lediglich der Magnetkörper 34 und die Kupplungsscheibe 33 werden aus schließlich für die Funktion der elektromagnetischen Kupp lung benötigt. Gegenüber bekannten Lösungen kommt die elek tromagnetische Kupplung 35 dieses Ausführungsbeispieles mit deutlich weniger Bauteilen aus. Geringere Kosten und ein geringeres Massenträgheitsmoment sind die Vorteile.

Bezugszeichen

1

Lenkgetriebe

2

Elektromotor

3

Eingangswelle von

1

4

Ausgangswelle von

2

5

Kupplungsscheibe

6

Kupplung

7

Kupplungsscheibe

8

Eingangswelle von

10

9

-

10

Untersetzungsgetriebe

11

Schnecke

12

Schneckenrad

13

Hubmagnet

14

Hubanker

15

Axiallager

16

Scheibe

17

Druckfeder

18

Elektro-Stellmotor

19

Getriebe

20

Gewinde

21

Hülse

22

Welle

23

Spiralfeder

24

Zahnkupplung

25

Kupplungsscheibe

26

Kupplungsscheibe

27

Verzahnung

28

Lager

29

-

30

Welle

31

Rotor

32

Kupplungsscheibe

33

Kupplungsscheibe

34

Magnetkörper

35

Kupplung

36

Feder

37

magnetischer Fluß

Claims

1. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge,

1. mit einem Lenkgetriebe (1) zur Umwandlung einer Rota tionsbewegung eines Lenkhandrades in eine die Verstel lung zu lenkender Fahrzeugräder bewirkende Bewegung,
2. mit einem Elektromotor (2), durch den eine Hilfskraft auf das Lenkgetriebe (1) ausgeübt werden kann,
3. mit einem Untersetzungsgetriebe (10), das zwischen dem Elektromotor (2) und einer Eingangswelle (3) des Lenk getriebes (1) angeordnet ist,
4. mit einer elektromagnetischen Kupplung (6; 24; 35) zur Übertragung einer Drehbewegung des Elektromotors (2) auf eine Eingangswelle (8) des Untersetzungsgetrie bes (10),
5. wobei zwei Kupplungsscheiben (5, 7; 25, 26; 32, 33) der elektromagnetischen Kupplung (6; 24; 35) zwischen dem Elektromotor (2) und der Eingangswelle (8) des Un tersetzungsgetriebes (10) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungsscheiben (5, 7; 25, 26; 32, 33) aus einem anderen Material als Eisen bestehen und daß eine Betätigungsein richtung zur Betätigung der elektromagnetischen Kupp lung (6; 24; 35) unabhängig von den beiden Kupplungsschei ben (5, 7; 25, 26; 32, 33) angeordnet ist.

2. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungseinrichtung zur Betätigung der elektromagneti schen Kupplung (6; 24) an der den beiden Kupplungsscheiben (5, 7; 25, 26) abgewandten Seite des Elektromotors (2) ein Hubmagnet (13) angeordnet ist.

3. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungseinrichtung zur Betätigung der elektromagneti schen Kupplung (6; 24) an der den beiden Kupplungsscheiben (5, 7; 25, 26) abgewandten Seite des Elektromotors (2) ein Elektro-Stellmotor (18) und ein Getriebe (19) angeordnet sind, wobei durch das Getriebe (19) das Drehmoment des Elektro-Stellmotors (18) verstärkt und in eine Axialkraft zur Betätigung der beiden Kupplungsscheiben (5, 7; 25, 26) transformiert wird.

4. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach ei nem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Kupplungsscheiben (5, 7; 32, 33) im wesentlichen ebene Reibflächen aufweisen.

5. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach ei nem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Kupplungsscheiben (25, 26) mit Verzahnungen (27) versehene Stirnflächen aufweisen.

6. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro-Stellmotor (18) beim Schließen der Kupplung (6; 24) eine schwingende Rotationsbewegung ausführt.

7. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (19) ein Gewinde (20) zur Umwandlung des Drehmo mentes in eine Axialkraft aufweist und daß für eine Rück stellung der elektromagnetischen Kupplung (6; 24) in ihre geöffnete Stellung eine Spiralfeder (23) angeordnet ist.

8. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach ei nem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Eingangswelle des Unterset zungsgetriebes (10) und die Ausgangswelle des Elektromo tors (2) als gemeinsame Welle (30) einteilig ausgebildet sind und daß ein Rotor (31) des Elektromotors (2) auf der gemeinsamen Welle (30) axial verschiebbar gelagert ist.

9. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 8, dadurch gekennzeichnet,

1. daß eine der beiden Kupplungsscheiben (32) mit dem Rotor (31) des Elektromotors (2) drehfest verbunden ist,
2. daß die andere der beiden Kupplungsscheiben (32) mit der gemeinsamen Welle (30) drehfest und axial unver schiebbar verbunden ist und
3. daß in dem Elektromotor (2) ein Magnetkörper (34) in tegriert ist.