Column-EPS System mit einteilig ausgeführter Motor-Schnecken-Welle

Abstract

Column-EPS-Systeme sind in die Lenksäule integrierte, elektromechanische Hilfskraftlenkungen. Dabei erfolgt die Lenkkraftunterstützung direkt an der Lenksäule durch einen Elektromotor. Bei den aktuell auf dem Markt befindlichen Systemen erfolgt die Kraftübertragung vom Elektromotor auf die Lenkwelle meist über ein Schneckengetriebe, wobei der Elektromotor über eine Kupplung mit der Schnecke des Getriebes verbunden ist. Dieser Aufbau bietet in Bezug auf Kosten, Lebensdauerhaltbarkeit und Akustikverhalten diverse Nachteile. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Column-EPS-Systems mit einteilig ausgeführter Motor-Schnecken-Welle. Dadurch kann die Kupplung entfallen und es ergeben sich neue Möglichkeiten zur Lagerung der Welle. Als Grundlage für die Umsetzung dient dabei ein unternehmensintern entstandenes Konzept. Zum Einstieg in die Thematik erfolgt zu Beginn eine Analyse des aktuellen Stands der Technik, wobei im speziellen die Patentsituation untersucht wird. Anschließend erfolgt die Ausarbeitung des Konzepts. Hierfür wird das System in Subsysteme unterteilt, die unabhängig voneinander betrachtet und ausgearbeitet werden. Das sich daraus ergebende, erfolgversprechendste Konzept wird in weiterer Folge detailliert und in Form eines Prototyps umgesetzt. Das Systemverhalten wird parallel zur detaillierten Ausarbeitung des Prototyps zusätzlich mithilfe einer Mehrkörpersimulation untersucht. Diese ermöglicht Rückschlüsse auf die Wahl von bestimmten Parametern am System. Im Anschluss an den Aufbau des Prototyps erfolgen verschiedene Versuche zur Erprobung des Systemverhaltens. Die Inbetriebnahme des Systems und erste Versuche mit aktivem System erfolgen auf dem Prüfstand. Ausgehend von diesen Erfahrungen erfolgt eine erste Optimierung des Systems, wobei der Fokus auf dem Akustikverhalten liegt. Mittels Versuchen im Fahrzeug wird abschließend das reale Verhalten dieses optimierten Systems untersucht. Die Versuche zeigen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des der Arbeit zugrundeliegenden Konzepts. In Anbetracht des frühen Entwicklungsstands ist das Akustikverhalten im Fahrzeug als gut zu beurteilen, es ist nur geringes Klappern und Umlenkklopfen vorhanden. Das ausgearbeitete System bietet daher das grundsätzliche Potential zur Weiterentwicklung in Richtung Serieneinsatz.

A Column EPS system is an electromechanical power steering system integrated in the steering column. At most systems found on the market today, the assist power of the electric motor is transmitted to the steering shaft by a worm gear. Thereby the electric motor is connected to the worm by a clutch. This structure contains various disadvantages in terms of costs, lifetime durability and acoustic behavior. The objective of this paper is the development of a column EPS system with a one-piece motor-worm-shaft. Thus the clutch can be omitted and new possibilities for supporting the shaft are available. A company internal concept is used as basis for the development. First step of the development process is the analysis of the current state of the art with a special focus on patents. Subsequently, the elaboration of the concept is carried out. Therefore the system is divided into subsystems and each subsystem is elaborated for its own. Afterwards the promising concept is worked out in detail and realized as a prototype. In parallel with the detailed elaboration of the prototype, the system behavior is analyzed using multi-body simulation. This is used as an indicator to define certain parameters of the system. After the assembly of the prototype various tests are carried out to analyze the system behavior. The initiation of the system and first tests with active system are done on the test bench. Based on these experiences, a first optimization of the system with focus on the acoustic behavior is executed. The actual system behavior of this optimized system is tested afterwards in the vehicle. The tests demonstrate the basic functionality of the concept the development is based on. In consideration of the early stage of development, the acoustic behavior at the vehicle tests is good. Rattle and counter-clunk noise is just slightly noticed. Therefore, the elaborated system has the basic potential for further development towards series production.