STEER-BY-WIRE-LENKUNG

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 somit Teil der Lenkung und 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 Aktuatoren kann dann auftreten, wenn Querkräfte auf die Gelenkgabeln und damit auch auf die Lagerzapfen wirken, wobei die Querkräfte Biegemomente in der Spindel bewirken können, so dass es für Teile der 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 mit dem Lagerzapfen verbunden ist, zur Verminderung von Biegebeanspruchungen einen biegeweichen Abschnitt aufweist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Alternative eines Aktuators bereitzustellen, so dass Querkräfte eine möglichst geringe Wirkung auf die Spindel haben.

Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung betrifft einen Aktuator einer Lenkung, insbesondere einer Hinterachslenkung, aufweisend ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten Spindelantrieb, wobei der Spindelantrieb eine mit einer axial ortsfest gelagerten Spindelmutter in Eingriff stehenden axial verlagerbare Spindel mit mindestens einem Befestigungsende aufweist. Mindestens ein axial verschiebbar im Gehäuse angeordneter Lagerzapfen, ist mit dem mindestens einen Befestigungsende der Spindel verbunden. Dabei ist mindestens ein Gelenkverbindungsstück, welches vorzugweise in Form einer Gelenkgabel außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, mit dem mindestens einen Lagerzapfen verbunden. Bei einem einfach wirkenden Aktuator wird die Spindel aus dem Gehäuse heraus und gegenüber diesem axial verlagert. Daher wird dort nur ein Lagerzapfen eingesetzt. Bei einem Zentralsteller oder auch beidseitig wirkender Aktuator einer Lenkung genannt, wird die Spindel axial durch das Gehäuse nach links oder rechts verlagert. Die Spindel wird hier in zwei Gleitlagern abgestützt. Die AbStützung und Verbindung zur Lenkung wird über je einen Lagerzapfen links und rechts vorgenommen. Die Lagerzapfen sind bevorzugt mit der Spindel kraft- und formschlüssig verbunden, insbesondere miteinander verschraubt. Das Gehäuse des Aktuators ist in beiden Fällen an der Karosserie abgestützt.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem solchen Aktuator der mindestens eine Lagerzapfen mit einer Verjüngung versehen, die einen biegeweichen Bereich ausbildet. Von einer Verjüngung wird gesprochen, wenn ein Querschnitt eines Körpers, z.B. eines Rohres, zumindest in einem Teilbereich vermindert, mit anderen Worten im Durchmesser vermindert ist. Das kann über eine gewisse Länge oder einen Teilabschnitt des Körpers erfolgen. Mit anderen Worten kann die Querschnittsänderung am oder gegen Ende des Körpers erfolgen. Es kann aber auch ein von den Enden des Rohres beabstandeter Bereich, z.B. ein etwa mittig liegender Bereich, verjüngt sein. Diese Einengung des Querschnitts kann zum Beispiel durch ein Druckumformverfahren vorgenommen werden. Speziell bei Vollkörpern (z.B. massives Rohr) wird auch von einer Querschnittsreduktion gesprochen, die durch Verjüngen erzielt wird. Man erhält z.B. bei einem zylindrischen Körper (Rohr als Vollkörper) einen Bereich oder Abschnitt, welcher einen verringerten oder reduzierten Querschnitt bzw. Durchmesser aufweist. Ein geringer Querschnitt bedeutet für den Körper, dass dieser in dem Bereich biegeweicher wird. Man kann so gezielt einen Körper erzeugen, der je nach Anforderung Teilbereiche mit geringerer Biegesteifigkeit aufweist.

Es ergibt sich mit dem in einem Teilbereich verjüngten Lagerzapfen für den Aktuator einer Lenkung ein Bauteil mit einer„Soll-Biegestelle". Bei Auftreten von Biegemomenten, welche über eine Gelenkgabel aufgrund von Querkräften in der Lenkung eingeleitet werden, wird eine Biegung gezielt zugelassen. Dadurch werden Beanspruchungen, insbesondere im Randfaserbereich reduziert, wodurch die Lebensdauer der Spindel entschieden erhöht wird, da die Biegemomente in den Lagerzapfen eingeleitet und dort aufgenommen werden und nicht oder nur in geringem Maße von der Spindel selbst aufgenommen werden müssen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Lebensdauer einer Spindel in einem Aktuator einer Lenkung erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführung ist der mindestens eine Lagerzapfen an seinen Endbereichen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, wobei der biegeweiche Bereich dazwischenliegend ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Endbereiche genau zylindrisch ausgeführt, um eine besonders gute Gleitfläche gegenüber den Gleitlagern im Gehäuse des Aktuators zu ermöglichen. Die Verjüngung wird dabei je nach Anforderung ausgeführt, um den gewünschten biegeweichen Bereich zu erhalten. Je geringer der Querschnitt bzw. der Durchmesser der Verjüngung, desto biegeweicher wird der Bereich. Die Verjüngung kann z.B. den vom Betrag her halben Querschnitt bzw. Durchmesser der zylindrischen Endbereiche des Lagerzapfens aufweisen. Die Verjüngung kann ebenfalls zylindrisch sein. Auch kann im Bereich der Verjüngung der Querschnitt bzw. Durchmesser allmählich abnehmen und nach einem Minimum allmählich wieder zunehmen. Die Endbereiche können z.B. jeweils etwa ein Drittel der Längserstreckung des Lagerzapfens ausbilden. Der biegeweiche Bereich mit dem reduzierten Durchmesser bzw. Querschnitt hat dann eine Längserstreckung von etwa einem Drittel der Gesamtlänge des Lagerzapfens. Die Gestaltung ist jedoch nicht auf die hier genannten axialen Erstreckungen beschränkt.

Bevorzugt liegt der biegeweiche Bereich des zumindest einen Lagerzapfens außerhalb oder innerhalb eines Gleitlagers des Gehäuses. In beiden Fällen liegt der bie- geweiche Bereich zumindest in der Nulllage des Aktuators einer Lenkung, d.h. wenn der Lenkwinkel gleich Null ist, bevorzugt innerhalb des Gehäuses. Wenn der biegeweiche Bereich des zumindest einen Lagerzapfens außerhalb des Gleitlagers liegt, so gleitet der von der Spindel abgewandte zylindrische Endbereich in dem Gleitlager. Wenn der biegeweiche Bereich innerhalb eines Gleitlagers liegt, so ist die zylindrische Gleitfläche durch die Verjüngung bzw. den biegeweichen Bereich unterbrochen. Im letzteren Fall ist die Verjüngung von geringer Breite, vorzugsweise nur wenige Millimeter breit sowie tief. Breite und Tiefe der Verjüngung sind abhängig vom Material des Lagerzapfens und den auftretenden Kräften und der Richtung aus welcher die Kraft auf die Gelenkgabel und letztlich den Lagerzapfen wirkt. Daraus ergeben die resultierenden Biegemomente, welche durch den biegeweichen Bereich des oder der Lagerzapfen aufgenommen werden müssen.

Bevorzugt weisen die beiden zylindrischen Endbereiche des zumindest einen Lagerzapfens einen gleichen Querschnitt bzw. Durchmesser oder unterschiedliche Durchmesser auf, wobei der Querschnitt bzw. Durchmesser der Verjüngung des biegeweichen Bereichs geringer ist als die Durchmesser der Endbereiche ausgebildet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verjüngung bzw. der damit erhaltene biegeweiche Bereich als umlaufende Nut oder Rille oder Kerbe ausgebildet ist. Im Falle einer Kerbe ist eine umlaufende Vertiefung in der Oberfläche des zylindrischen Lagerzapfens z.B. spanend ausgebildet. Die Kerbe kann V-förmig oder im Wesentlichen V-förmig ausgeführt sein. Die Kerbe hat eine geringe Breite von z.B. wenigen Millimetern. Bei einer Rille handelt es sich um eine Vertiefung ähnlich der Kerbe, die U-förmig oder im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein kann. Die Rille hat eine im Vergleich zur Kerbe größere Breite.

Bevorzugt kann die Nut ähnlich der Rille oder der Kerbe U-förmig oder V-förmig ausgebildet sein. Die Form wird in der Seitenansicht oder in einer Schnittdarstellung deutlich. Beispiele hierzu sind der Figurenbeschreibung zu entnehmen. Die Nut wird hier jedenfalls als eine Vertiefung angesehen, die eine deutlich größere Breite aufweist, als die zuvor genannte Kerbe oder die Rille. Die Nut kann eine Breite von meh- reren Zentimetern aufweisen. Die Nut ist vorzugsweise als Ringnut ausgebildet. Die Querschnittsverengung als Ringnut ist mit einem Rundprofil, vorzugsweise einer Halbkreisform ausgebildet bzw. umformend in den Lagerzapfen eingearbeitet. Der Querschnitt des Lagerzapfens wird ausgehend von dem Querschnitt der Endbereiche des Lagerzapfens kontinuierlich verringert und es werden so Spannungsspitzen in diesem Bauteil vermieden werden, wenn der Lagerzapfen durch Querkräfte auf Biegung beansprucht wird. In einer weiteren Ausführungsform ist die Nut derart ausgebildet, dass der Durchmesser ausgehend vom ersten Endbereich zunächst allmählich abnimmt und dann ein zylindrischer Bereich folgt, der konzentrisch zur Längsachse des Lagerzapfens bzw. der Spindel ausgebildet ist. Es folgt dann eine umgekehrte allmähliche Zunahme des Durchmessers bis auf den Außendurchmesser des Lagerzapfens an dessen zweiten Endbereich. Die Nut liegt auch hier zwischen den Endbereichen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Spindel an Ihrem zumindest einen Ende eine umlaufende Kerbe auf. Die Kerbe ist als eine leichte Querschnittsverengung oder Verjüngung ausgebildet, wodurch ein biegeweicher Bereich im Endbereich der Spindel geschaffen wird. In diesem Bereich wird also ebenfalls kontrollierte eine Biegung zugelassen, um damit die Beanspruchungen am Ende der Spindel zu reduzieren. Die Spindel geht nach der Kerbe in ein Befestigungsende über, welches ein Gewinde zur kraft-und formschlüssigen Verbindung mit dem Lagerzapfen aufweist. Das Gewinde ragt in den Lagerzapfen hinein, bevorzugt vollständig. Der Lagerzapfen weist hierzu ein erstes Gewindesackloch auf, in welches das Befestigungsende der Spindel eingeschraubt ist. Damit ist eine feste Verbindung zwischen der Spindel und dem Lagerzapfen herstellbar.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Lagerzapfen koaxial zum ersten Gewindesackloch, ein zweites gegenüberliegendes Gewindesackloch auf, in welches ein Befestigungsbolzen einschraubbar ist, welcher ein Gelenkverbindungsstück mit dem Lagerzapfen form- und kraftschlüssig verbindet. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das von der Spindel abgewandte Ende des Lagerzapfens 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, welches als Gelenkgabel ausgebildet sein kann, ist mittels des Befestigungsbolzens derart ausgebildet, dass nicht nur Zug- und Druckkräfte in axialer Richtung, sondern insbesondere auch Biegemomente übertragen werden können, welche durch schräg bzw. quer auftretende Kräfte verursacht werden. Die Biegemomente resultieren aus der Krafteinleitung über das Gelenkverbindungsstück, vorzugsweise durch eine Gelenkgabel, die mit einem Lenkgestänge verbunden ist.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Aktuator einer Lenkung bevorzugt in einer steer-by-wire-Lenkung, bevorzugt 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 Lagerzapfen als Verbindungsglied zu weiteren Lenkungsbauteilen 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.„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 Detailansicht eines erfindungsmäßen Lagerzapfens

sowie

Fig. 3 erfindungsgemäßen Aktuator einer Lenkung

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 Lenkung 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 stabförmig ausgebildet und weist einen zylindrischen Mantel 1 10b auf, welcher durch eine Verjüngung 10v in Form einer Ringnut 122r unterbrochen ist. 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 Rad, z.B. Hinterrad des Kraftfahrzeuges. Die Gelenkgabel 104 weist eine Durchgangsbohrung 104a auf, welche von einem Befestigungsbolzen 1 14 durchsetzt wird. Der Lagerzapfen 1 10 weist in Richtung Spindel 105 ein erstes Gewindesackloch 1 19 und dem entgegengesetzten Ende ein zweites Gewindesackloch 120 auf. Der Lagerzapfen 1 10 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 bzw. dem Endbereich 1 101 und dem zweiten Gewindesackloch 120 bzw. dem Endbereich 1 10r weist der Lagerzapfen 1 10 einen biegeweichen Bereich 122 auf, welcher gegenüber den benachbarten Endbereichen 1 101, 1 10r einen verminderten Durchmesser und ein vermindertes Flächenträgheitsmoment aufweist. Der biegeweiche Bereich 122 ist als Verjüngung bzw. hier als umlaufende Ringnut mit einem etwa halbkreisförmigen Profil ausgebildet, so dass eine allmähliche Durchmesserverringerung erreicht wird. Der Lagerzapfen 1 10 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 weist eine umlaufende, gerundete Kerbe 105a auf, welche zusätzlich als biegeweicher Bereich an der Spindel 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.

Fig. 3 zeigt einen Aktuator 1 in einer ähnlichen Darstellung wie in Figur 1 . Im linken Teil ist ein Lagerzapfen 1 1 1 gezeigt, der mit einer Gelenkgabel 103 mit einem

Schraubbolzen 15 verspannt ist. Der Lagerzapfen 1 1 1 weist einen mittleren Bereich

122 auf, der mit einem gegenüber den Endbereichen 1 1 11, 1 1 1 r geringeren Durchmesser d1 und d2 und somit gegenüber den Endbereichen biegeweich ausgebildet ist. Die zylindrische Oberfläche des Endbereichs 1 1 11 gleitet in dem Gleitlager 13, welches in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Der Endbereich 1 1 11 weist einen Durchmesser d1 auf, welcher größer als der Durchmesser d2 des Endbereichs 1 1 1 r ist.

Der in der Figur 3 rechts dargestellte Lagerzapfen 1 10 weist einen durchgehenden zylindrischen Außendurchmesser d3 auf, der etwa mittig durch eine V-förmig Kerbe 1 10v unterbrochen ist. Der Lagerzapfen 1 10 gleitet mit seiner zylindrischen Außenoberfläche im Bereich links und rechts der Kerbe 1 10v in dem Gleitlager 12, welches im Gehäuse 2 des Aktuators 1 angeordnet ist. Die eingezeichneten Querkräfte Q wirken schräg auf die Gelenkgabeln 103, 104 und bewirken Biegemomente auf den Aktuator 1 und somit die Lagerzapfen 110, 1 1 1 , welche diese aufgrund der jeweiligen Verjüngung 1 10v, 1 1 1 v bzw. den dadurch erreichten biegeweichen Bereich 122 aufnehmen können, wodurch die Spindel 5 gezielt deutlich geringer auf Biegung beansprucht wird. Die Gelenkgabel 103 hat eine Bauform, die schräg abgewinkelte Gabelenden aufweist, um den schräg einwirkenden Querkräften Q Rechnung zu tragen.

Bezuqszeichen Aktuator

Gehäuse

Gelenkgabel

Gelenkgabel

Spindel

a Trapezgewinde

Spindelmutter

a Trapezgewinde

Elektromotor

Spindelende

Spindelende

0 Lagerzapfen

1 Lagerzapfen

2 Gleitlager

3 Gleitlager

14 Schraubbolzen

15 Schraubbolzen

103 Gelenkgabel

104 Gelenkgabel

104a Durchgangsbohrung

105 Spindel

105a Kerbe

108 Befestigungsende, Spindelende

108a Gewinde

1 10 Lagerzapfen

1 101 Endbereich

1 10r Endbereich

1 10v Verjüngung

1 1 1 Lagerzapfen

1 1 11 Endbereich 1 1 r Endbereich

1 1 1 v Verjüngung, Kerbe

1 12 Gleitlager

1 14 Schraubbolzen

1 19 erstes Gewindesackloch

120 zweites Gewindesackloch

121 Ringflansch

121 a Auflagefläche

122 biegeweicher Bereich 122r Nut, Ringnut

Q Querkraft

d1 Durchmesser

d2 Durchmesser

d3 Durchmesser