DE10057242A1 - Kupplung für eine Steer-by-Wire-Lenkanlage - Google Patents

Abstract

Es wird eine Kupplung für eine Steer-by-Wire-Lenkanlage mit oder ohne mechanischer Rückfallebene vorgeschlagen, die auf einem schaltbaren Freilauf basiert. Die erfindungsgemäße Kupplung (7) baut sehr kompakt, erfordert nur wenig elektrische Energie, um sie im geöffneten Zustand zu halten und ist in der Lage, große Drehmomente zuverlässig zu übertragen. Des Weiteren sind Freiläufe bewährte und in großen Stückzahlen hergestellte Bauteile, so dass die Herstellungkosten der erfindungsgemäßen Kupplung gering sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kupplung bzw. Bremse für eine Steer-by-Wire-Lenkanlage eines Fahrzeugs.

Steer-by-Wire-Lenkanlagen zeichnen sich dadurch aus, dass im Normalbetrieb keine direkt mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern vorhanden ist. Der Fahrerlenkwunsch wird vielmehr über Drehwinkelsensoren an der Lenksäule erfasst und von einem Steuergerät verarbeitet, welches entsprechende Steuersignale an einen auf die gelenkten Räder des Fahrzeugs wirkenden Lenksteller übermittelt.

Ein Lenkradaktuator simuliert dem Fahrer dabei über ein Moment den Straßenkontakt. Hierfür werden relativ niedrige Momentenniveaus benötigt (ca. 5 Nm). Aus diesem Grund lässt sich der momentenerzeugende E-Motor ohne zusätzliches Übersetzungsgetriebe als Direktantrieb in den Aktuator integrieren. Dadurch wird ein sehr gutes Lenkgefühl mit geringer Momentenschwankung und geringer Geräuschbildung ermöglicht.

Sollen dem Fahrer höhere Momente durch z. B. Lenkungsanschlag oder Bordsteinanschlag der Räder simuliert werden, so ist das mit einem solchen E-Motor ohne Getriebe nicht möglich. Da der bei herkömmlichen Lenkungen durch das Lenkgetriebe vorgegebene Lenkanschlag bei Steer-by-Wire- Lenkanlagen keine Begrenzungen der Drehbewegung des Lenkrads bewirkt, ist es notwendig einen gesonderten Lenkanschlag für das Lenkrad bzw. die Lenksäule vorzusehen. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass z. B. eine Wickelfeder in der Lenksäule, welche für die Betätigung der Hupe, das Auslösen eines Airbags und/oder die Betätigung eines Automatikgetriebes erforderlich ist, unzulässig weit verdreht wird. Wenn die Wickelfeder unzulässig weit verdreht wird, nimmt sie Schaden. Auch ein Bordsteinanschlag kann durch die Drehwinkelbegrenzung der Lenksäule simuliert werden.

Darüber hinaus gibt es Steer-by-Wire-Lenkanlagen, die über eine sogenannte Rückfallebene verfügen. Unter Rückfallebene wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine konventionelle mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenksteller verstanden, die bei Ausfall der Steer-by-Wire- Lenkanlage aktiviert wird. Im Steer-by-Wire-Betrieb ist die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenksteller durch eine lösbare Kupplung getrennt, während zum Aktivieren der Rückfallebene die lösbare Kupplung geschlossen wird.

Aus der DE PS 198 05 015 ist eine Lenksäulenverbindung mit einer hydraulisch betätigten Kupplung bekannt. Nachteilig an dieser Kupplung ist der erforderliche Bauraum, die großen Herstellungskosten und schließlich der Energiebedarf der geöffneten Kupplung. Außerdem sind elektromagnetisch betätigte Flächen oder Zahnkupplungen bekannt. Nachteilig an den Flächenkupplungen ist deren großer Platzbedarf und der hohe elektrische Energiebedarf. Bei Zahnkupplungen kann eine "Zahn-auf-Zahn"-Stellung beim Schließen der Kupplung eintreten und außerdem ist auch bei diesen Kupplungen der elektrische Energiebedarf im Steer-by-Wire-Betrieb hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung und Drehwinkelbegrenzung für eine Steer-by-Wire-Lenkanlage bereitzustellen, die kompakt baut, kostengünstig herstellbar ist und außerdem im Steer-by-Wire-Betrieb nur eine geringe Energieaufnahme hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kupplungseinrichtung durch einen schaltbaren Freilauf gebildet ist der in einem ersten Schaltzustand für beide Drehrichtungen einen Freilauf und in einem zweiten Schaltzustand für beide Drehrichtungen eine drehfeste Verbindung von Antriebswelle und Abtriebswelle bewirkt.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung mit einem schaltbaren Freilauf können bei kleinen Abmessungen große Drehmomente zuverlässig übertragen werden. Außerdem sind die Herstellungskosten gering, da Freiläufe in großen Stückzahlen gefertigt werden. Darüberhinaus ist der Energiebedarf im Steer-by-Wire-Betrieb gering.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Freilauf einen mit der Antriebswelle verbundenen Außenring und eine dazu konzentrisch angeordnete, mit der Abtriebswelle verbundene Nabe aufweist, dass von den einander zugewandten Flächen von Außenring und Nabe eine erste Fläche zylindrisch ausgebildet ist, während die zweite Fläche einen in Umfangsrichtung zu- und abnehmenden Durchmesser aufweist, dass zwischen dem Außenring und der Nabe Klemmkörper angeordnet sind, und dass eine Betätigungseinrichtung vorhanden ist mit der die Klemmkörper relativ zur zweiten Fläche arretierbar oder bewegbar sind. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung können aufgrund der Klemmwirkung im eingekoppelten Zustand sehr große Momente auf kleinstem Raum übertragen werden.

Außerdem sind die erforderlichen Bauteile einfach herstellbar. Da die Kupplung geschlossen wird in dem die Klemmkörper bewegt werden, ist auch der Energiebedarf beim Offenhalten der Kupplung sehr gering.

Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass die Antriebswelle und die Abtriebswelle Teil der Lenksäule des Fahrzeugs sind oder dass die Abtriebswelle oder die Nabe drehfest mit dem Fahrzeug verbunden sind, so dass je nachdem, ob es sich um eine Steer-by-Wire-Lenkanlage mit oder ohne Rückfallebene handelt, die erfindungsgemäße Kupplung gleichermaßen vorteilhaft einsetzbar ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Kupplung für eine steer-by-Wire-Lenkanlage eines Fahrzeugs, mit einer Lenksäule und mit einer Kupplungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung durch einen schaltbaren Freilauf gebildet ist, der in einem ersten Schaltzustand für beide Drehrichtungen der Lenksäule einen Freilauf und in einem zweiten Schaltzustand für beide Drehrichtungen eine drehfeste Verbindung von Lenksäule und Fahrzeug bewirkt.

Bei dieser Ausführung ist der Elektromotor des Lenkradaktuators in die Kupplung integriert, deren Außenring gehäusefest angeordnet. Der Stator des Elektromotors ist drehbar im Außenring gelagert und wird von Grenzkraftfedern in einer bestimmten Stellung gehalten. Die Nabe der Kupplung, bzw. die Lenksäule ist gleichzeitig Rotor des Elektromotors. Der Käfig der Klemmkörper ist mit dem Stator drehfest verbunden. Wird auf den Stator ein Reaktionsmoment ausgeübt, das die Grenzkraftfedern überwindet, so bewegt sich der Stator gegen die Federvorspannung. Bei der Bewegung wird der Käfig ebenfalls gedreht und die Klemmkörper in die Arretierstellung eingedrückt. Dadurch sind unabhängig von der Lenkradstellung hohe Lenkmomente realisierbar.

Eine Ergänzung dieser Variante sieht vor, dass Stator und Außenring gehäusefest angeordnet sind. Die Klemmkörper werden durch in den Käfig integrierte Federelemente bzw. durch den Käfig selbst von der ersten Fläche weggedrückt. Eine Bestätigungseinrichtung mittels Hubmagnet bietet die Möglichkeit, z. B. in Abhängigkeit des Motorstroms ein Bremsmoment am Lenkrad zu erzeugen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Freilauf einen mit dem Fahrzeug drehfest verbundenen Außenring aufweist, dass der Außenring konzentrisch zur Lenksäule angeordnet ist, dass von den einander zugewandten Flächen von Außenring und Lenksäule eine erste Fläche zylindrisch ausgebildet ist, während die zweite Fläche einen in Umfangsrichtung zu- und abnehmenden Durchmesser aufweist, dass zwischen dem Außenring und der Lenksäule Klemmkörper angeordnet sind, und dass eine Betätigungseinrichtung vorhanden ist mit der die Klemmkörper relativ zur zweiten Fläche in Umfangsrichtung arretierbar oder verdrehbar sind. Mit dieser Kupplung kann ein Lenkanschlag oder ein festes Hindernis, welches sich der Lenkbewegung der gelenkten Räder entgegenstellt, an der Lenksäule simuliert werden, so dass der Fahrer am Lenkrad eine sehr realistische Rückmeldung am Lenkrad erhält.

Bei einer Ergänzung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass die Betätigungseinrichtung einen Elektromotor umfasst, dass der Elektromotor einen drehfest mit der ersten Fläche verbundenen Rotor aufweist, dass der Elektromotor einen relativ zum Außenring verdrehbaren Stator aufweist, und dass die Relativdrehung von Stator und Außenring durch mindestens ein Federelement bis zum Erreichen eines vom Elektromotor abgegebenen Aulösememoments verhindert wird, so dass die Lenksäule momentenabhängig gebremst, bzw. blockiert werden kann.

In weiterer Ergänzung der Erfindung werden die Klemmkörper in einem Käfig geführt und durch in den Käfig integrierte Federelemente bzw. durch den Käfig selbst von der ersten Fläche weggedrückt und weist die Betätigungseinrichtung ein Betätigungsglied auf mit dem der Käfig in Richtung der ersten Fläche bewegbar ist, so dass die Klemmkörper stets in einer definierten Position zueinander angeordnet sind und durch Bewegen des Käfigs alle Klemmkörper gleichzeitig einrücken oder ausrücken.

Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass ein Betätigungsglied der Betätigungseinrichtung durch die Kraft einer Feder in Richtung der ersten Fläche bewegt wird, und dass das Betätigungsglied durch die Kraft eines Hubmagneten, insbesonderes eines Elektromagneten, in entgegengesetzter Richtung betätigbar ist, wenn die Kupplung stromlos ist, die Rückfallebene automatisch aktiviert wird.

Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Käfig und die Nabe sich in axialer Richtung über den Außenring hinaus erstrecken, und dass die Betätigungseinrichtung auf den sich in axialer Richtung über den Außenring hinaus erstreckenden Abschnitt des Käfigs einwirkt, so dass die Betätigungseinrichtung drehfest angeordnet sein kann und trotzdem das Öffnen bzw. Schließen der erfindungsgemäßen Kupplung bewirken kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Steer-by- Wire-Lenkanlage mit mechanischer Rückfallebene,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Steer-by- Wire-Lenkanlage ohne mechanische Rückfallebene,

Fig. 3a einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung,

Fig. 3b einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 3a,

Fig. 3c einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kupplung entlang der Linie I-I.

Fig. 4a einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung,

Fig. 4b einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 4a,

Fig. 4c einen Querschnitt entlang der Linie I-II und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Steer-by-Wire-Lenkanlage mit einer mechanischen Rückfallebene schematisch dargestellt. Aufgabe jeder Lenkanlage ist es, den durch Drehen eines Lenkrads 1 geäußerten Lenkwunsch auf die in Fig. 1 nicht dargestellten gelenkten Räder des Fahrzeugs zu übertragen. Bei konventionellen mechanischen, hydraulischen oder elektrischen Lenkungen erfolgt diese Übertragung über eine aus mehreren Teilen 3a, 3b, 3c und 3d zusammengesetzte Lenksäule 3 und ein Lenkgetriebe 5, welches die Drehbewegung der Lenksäule 3 in eine Linearbewegung umsetzt.

Bei einer Steer-by-Wire-Lenkanlage wird die Lenksäule 3 durch eine Kupplung 7 in die Teile 3a und 3b aufgetrennt. Selbstverständlich kann die Kupplung 7 auch an den Teilen 3c und 3d angeordnet sein.

Im Steer-by-Wire-Betrieb, d. h. bei geöffneter Kupplung 7, wird der Fahrerlenkwunsch an dem direkt mit dem Lenkrad 1 verbundenen Teil 3a der Lenksäule von einem in Fig. 1 nicht dargestellten Lenkraddrehwinkelsensor aufgenommen und an ein ebenfalls nicht dargestelltes Steuergerät übertragen. Das Steuergerät wiederum steuert den Lenksteller 5 an, welcher auf die nicht dargestellten gelenkten Räder des Fahrzeugs einwirkt.

Im Steer-by-Wire-Betrieb werden Rückwirkungen von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder über einen Lenkradaktuator 9 an das Lenkrad 1 übertragen. Für den Fall, dass in der Steer-by-Wire-Lenkanlage ein Fehler erkannt wird, wird die Kupplung 7 geschlossen und die Übertragung des Fahrerlenkwunsches vom Lenkrad 1 auf die gelenkten Räder erfolgt auf konventionelle Weise über die Lenksäule 3 und den Lenksteller 5.

In Fig. 2 ist eine Steer-by-Wire-Lenkanlage schematisch dargestellt, bei der keine mechanische Rückfallebene vorhanden ist. Der Lenksteller 5 wird in diesem Fall wie im Steer-by-Wire-Betrieb der Fig. 1 angesteuert.

Um den Lenkraddrehwinkel begrenzen zu können ist an einem Ende der Lenksäule 3 eine erfindungsgemäße Kupplung 7 vorgesehen. Die Eingangswelle der Kupplung 7 ist die Lenksäule 3a, während der Ausgang der Kupplung 7 drehfest mit dem Fahrzeug verbunden ist. Bei Steer-by-Wire- Lenkanlagen ohne mechanische Rückfallebene dient die Kupplung als Lenkanschlag und zum Blockieren des Lenkrads. Wenn das Lenkrad 1 mehrere Umdrehungen in eine Richtung ausgeführt hat, wird die Kupplung 7 geschlossen und somit ein Weiterdrehen verhindert. Damit ist die in Fig. 2 nicht dargestellte Wickelfeder in der Lenksäule 3 wirksam gegen Beschädigungen geschützt. Die Kupplung 7 wird von dem Steuergerät angesteuert, welches über den Lenkraddrehwinkelsensor Informationen über den Drehwinkel des Lenkrads 1 erhält. Das Blockieren des Lenkrads 1 erfolgt auch, wenn das Fahrzeug außer Betrieb ist, so dass das Lenkrad 1 beim Ein- und Aussteigen dem Fahrer als Halt dienen kann. Darüberhinaus hat das Blockieren des Lenkrads 1 noch eine Diebstahlsicherungsfunktion und kann zur Simulation einer durch einen Bordstein hervorgerufenen. Begrenzung des Lenkwinkels am Lenkrad 1 dienen. Es ist vorteilhaft, wenn die Kupplung 7 im stromlosen Zustand geschlossen ist.

In der Fig. 3a ist eine erfindungsgemäße Kupplung 7 im Längsschnitt dargestellt. Eine Eingangswelle 11 ist drehfest mit einem Außenring 13 verbunden. Koaxial zur Eingangswelle 11 ist eine Ausgangswelle 15 angeordnet, welche an ihrem Ende eine Nabe 17 mit zylindrischer Außenfläche 19 aufweist. Die Nabe 17 ragt teilweise in den Außenring 13 der Eingangswelle 11. Zwischen einer Innenfläche 21 des Außenrings 13 und der Außenfläche 19 der Nabe 17 sind Klemmkörper 23 angeordnet. Die Klemmkörper 23 werden von einem Käfig 25 fixiert. Der Käfig 25 ragt über den Außenring 13 hinaus. In diesem Bereich 27 umschließt der Käfig 25 die Nabe 17 der Ausgangswelle.

Die Kupplung 7 ist von einem Gehäuse 28 umgeben, welches eine Betätigungseinrichtung 29 aufweist. Die Betätigungseinrichtung 29 weist ein Betätigungsglied 31 auf, welches als zylindrischer Stift ausgebildet ist. Wenn das Betätigungsglied 31 zur Richtung der zylindrischen Außenfläche 19 der Nabe 17 bewegt wird, presst es den Abschnitt 27 des Käfigs 25 auf die Nabe 17, so dass der Käfig 25 die Drehbewegung der Nabe 17 annimmt. Sobald der Außenring 13 sich relativ zur Nabe 17 verdreht, werden die Klemmkörper 23 durch den Käfig 25 relativ zum Außenring 13 bewegt, was ein Einrücken der Kupplung zur Folge hat. Das Einrücken der Kupplung 7 wird anhand der Fig. 3b, welche einen Schnitt entlang der Linie II-II darstellt, erläutert.

Aus der Fig. 3b ist ersichtlich, dass die Nabe 17 eine zylindrische Außenfläche 19 aufweist, und dass die Innenfläche 21 des Außenrings 13 nicht zylindrisch gestaltet ist. Die Innenfläche 21 weist vielmehr unterschiedliche Radien auf. In Fig. 3b sind die Klemmkörper 23 an den Orten des größten Durchmessers der Innenfläche 21 positioniert. In dieser Position berühren die Klemmkörper 23 die Außenfläche 19 der Nabe 17 nicht, so dass keine Übertragung von Momenten zwischen Außenring 13 und Nabe 17 erfolgt. Die Klemmkörper 23 werden durch den Käfig 25 in der dargestellten Position gehalten. Dabei ist der Käfig 25 entweder selbst so elastisch ausgebildet, dass er die Klemmkörper 23 nach außen drückt oder er weist zusätzliche Federelemente auf, welche die Klemmkörper 23 nach außen drücken.

Wenn nun, wie im Zusammenhang mit der Fig. 3a bereits erläutert, der Käfig 25 durch die Nabe 17 mitgenommen wird, dann bewegt der Käfig 25 die Klemmkörper 23 aus der in Fig. 3b gezeigten Lage mit dem Ergebnis, dass wegen der Innenkontur des Außenrings 13 die Klemmkörper 23 sich der Nabe 17 nähern und diese sich schließlich berühren. Sobald sich Außenring 13 und Nabe 17 noch weiter relativ zueinander verdrehen, verklemmen die Klemmkörper 23 Außenring 13 und Nabe 17 und es entsteht eine drehfeste Verbindung zwischen Außenring 13 und Nabe 17. In diesem Zustand, der in Fig. 3b nicht dargestellt ist, ist die Kupplung 7 eingerückt. Da der Durchmesser der Innenfläche 21 des Außenrings 13 ausgehend von den Orten mit dem größten Durchmesser symmetrisch zu beiden Seiten abnimmt, rückt die Kupplung 7 unabhängig von der Richtung der Relativdrehung von Außenring 13 und Nabe 17 ein, wenn das Betätigungsglied 31 den Abschnitt 27 des Käfigs 25 auf die Nabe 17 presst. Ein gewises Spiel in der Lenksäule 3 bei geschlossener Kupplung 7 beim Wechsel der Drehrichtung des Lenkrads 1, ist beim Betrieb der Rückfallebene akzeptabel.

Die Funktion der Betätiungseinrichtung 29 wird anhand der Fig. 3c näher erläutert. Die Fig. 3c ist gegenüber den Fig. 3a und 3b vergrößert dargestellt. In dieser Darstellung ist die Ausgestaltung der Innenfläche 21 des Außenrings 13 besonders deutlich zu erkennen. Durch den unterschiedlichen Abstand zwischen Außenfläche 19 der Nabe 17 und der Innenfläche 21 des Außenrings 13 tritt ein Verklemmen der Klemmkörper 23 zwischen Nabe 17 und Außenring 13 auf, sobald die Klemmkörper 23 sich aus der in den Fig. 3b und 3c gezeigten Positionen relativ zum Außenring 13 bewegen.

Die Betätigungseinrichtung 29 weist ein Betätigungsglied 31 . auf, welches über eine Feder 33 auf den Käfig 25 gepresst wird. Die Feder 33 stützt sich einerseits am Gehäuse 28 und andererseits an einem Bund 35 des Betätigungsglieds 33 ab. Das Betätigungsglied 31 taucht mit seinem oberen Ende in einen Hubmagneten 37 ein, der als Elektromagnet ausgeführt ist.

Wenn die Steer-by-Wire-Lenkanlage im Betrieb ist, soll die Kupplung 7 geöffnet sein. Dies bedeutet, dass der Hubmagnet 37 von Strom durchflossen ist, und dass er eine der Kraft der Feder 33 entgegenwirkende und vom Betrag her größere Kraft auf das Betätigungsglied 31 ausübt. Im Ergebnis wird das Betätigungglied 31 somit vom Käfig 25 abgehoben, so dass Eingangswelle 11 und Ausgangswelle 15 sich relativ zueinander verdrehen können. Sobald ein nicht dargestelltes Steuergerät den Stromfluss durch den Hubmagneten 37 unterbricht oder die Stromversorgung des Fahrzeugs zusammenbricht, senkt sich das Betätigungsglied 31 aufgrund der Kraft der Feder 33 auf den Käfig 25 und bewirkt somit ein Einrücken der erfindungsgemäßen Kupplung 7.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Innenfläche 21 des Außenrings 13 zylindrisch auszugestalten und die Nabe 17 mit entsprechenden Klemmflächen zu versehen. Auch diese Ausführungsform ist, da sie nur auf einer geometrischen Umkehr beruht, vom Schutzbereich des Patents umfasst.

Wenn die Kupplung bei einer Steer-by-Wire-Lenkanlage gemäß Fig. 1 eingesetzt wird, dann entspricht die Eingangswelle 11 dem Teil 3a der Lenksäule und die Ausgangswelle 15 dem Teil 3b der Lenksäule 3, d. h. die Kupplung 7 trennt die Lenksäule 3 auf. Wenn die erfindungsgemäße Kupplung 7 bei einer Steer-by-Wire-Lenkanlage gemäß Fig. 2 eingesetzt werden soll, dann entspricht die Eingangswelle 11 der Lenksäule 3 in Fig. 2 und ist die Ausgangswelle 15 drehfest mit dem Fahrzeug verbunden.

Es ist selbstverständlich auch möglich im Gehäuse 28 der Kupplung 7 eine der Nabe 17 entsprechende zylindrische Außenfläche vorzusehen die über die Befestigung des Gehäuses 28 am nicht dargestellten Fahrzeug ebenfalls drehfest mit dem Fahrzeug verbunden ist.

Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, die bei einer Steer-by-Wire-Lenkanlage gemäß Fig. 2 einsetzbar ist, ist die zweite Fläche drehfest am Fahrzeug befestigt und werden die Klemmkörper durch den Käfig in einer Position gehalten, die kein Verklemmen zwischen der sich mit der Lenksäule drehenden ersten Fläche und der zweiten Fläche bewirkt. Der Käfig und die Betätigungseinrichtung sind bei geöffneter Kupplung formschlüssig miteinander verbunden. Wenn die Kupplung geschlossen werden soll, wird der Formschluß aufgehoben und der Käfig, bzw. die Klemmkörper werden von der ersten Fläche mitgenommen. In Folge dessen schließt die Kupplung.

In Fig. 4a ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung 7 im Längsschnitt dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel übernimmt der Außenring 40 auch die Funktion des Kupplungsgehäuses und ist drehfest am Fahrzeug verbunden. Der Außenring 40 weist Klemmflächen 41 auf. Im Außenring 40 ist der Stator 42 eines Elektromotors drehbar gelagert. Der Rotor 43 des Elektromotors ist drehfest mit der Lenksäule 3 verbunden. Der Käfig 44 der Klemmkörper 45 ragt in den Stator 42 und ist mit diesem drehfest verbunden.

Der Stator 42 ist, wie in Fig. 4b ersichtlich, über Grenzkraftfedern 46a und 46b und einen Absatz 47 am Gehäuse 40 fixiert. Der Käfig 44 wiederum ist z. B. mittels einer Nase 48 mit dem Stator 42 verbunden.

Erzeugt der Elektromotor ein Lenkmoment, so stützt sich das Reaktionsmoment am Stator 42 ab. Übersteigen die aus dem Reaktionsmoment resultierenden Kräfte die Vorspannung der Grenzkraftfedern 46a bzw. 46b, so bewegt sich der Stator 42 relativ zum Gehäuse 40. Die Grenzkraftfedern 46a und 46b stützen sich einenends an einem Vorsprung 47 des Stators und einem Anschlag 49 des Außenrings 40 und anderenends am Außenring 40 ab.

Sobald sich der Stator 42 dreht, wird der Käfig 44 ebenfalls verdreht und die Klemmkörper 45 werden, wie aus Fig. 4c ersichtlich, in die Klemmstellung eingerückt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Kupplung 7 in Abhängigkeit des vom Elektromotor abgegebenen Moments geschaltet. Soll beispielsweise ein Lenkanschlag simuliert werden, wird der Elektromotor so angesteuert, dass die aus dem Reaktionsmoment resultierenden Kräfte die Vorspannung der Grenzkraftfedern 46a und b überwinden und die Lenksäule 3 wird blockiert.

Soll das Schalten der als Drehwinkelbegrenzung arbeitenden Kupplung 7 nicht bei einem bestimmten Reaktionsmoment erfolgen, sondern z. B. von einem Steuergerät ausgelöst werden, so kann der Stator 42 ist in diesem Fall drehfest mit dem Gehäuse 40 verbunden werden (nicht dargestellt). Die Klemmkörper 45 werden federnd in die Klemmflächen 41 gedrückt. Das Betätigen und Einrücken der Kupplung erfolgt wie unter Fig. 3c beschrieben.

Soll das Schalten der als Drehwinkelbegrenzung arbeitenden Kupplung 7 nicht bei einem bestimmten Reaktionsmoment erfolgen, sondern z. B. von einem Steuergerät ausgelöst werden, so kann dies gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erfolgen. Der als Gehäuse ausgebildete Außenring 40 weist Klemmflächen 41 auf und ist drehfest mit dem Fahrzeug verbunden (nicht dargestellt). Die Klemmkörper 45 werden federnd in die Klemmflächen 41 des Außenrings 40 gedrückt. Der Käfig 44 ragt in Längsrichtung über die Klemmkörper 45 hinaus und kann sich relativ zum Außenring 40 verdrehen. Durch das Verdrehen des Käfigs 44 werden die Klemmkörper 45 gegen die Lenksäule 3 gedrückt und diese blockiert. Die Kupplung 7 wird durch eine Betätigungseinrichtung 29 eingerückt. Die Funktion der Betätigungseinrichtung 29 ist anhand der Fig. 3c oben ausführlich beschrieben.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (14)

1. Kupplung für eine steer-by-Wire-Lenkanlage eines Fahrzeugs, mit einer Eingangswelle (11), mit einer Ausgangswelle (15) und mit einer Kupplungseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (7) durch einen schaltbaren Freilauf gebildet ist, der in einem ersten Schaltzustand für beide Drehrichtungen der Eingangswelle (11) einen Freilauf und in einem zweiten Schaltzustand für beide Drehrichtungen eine drehfeste Verbindung von Eingangswelle (11) und Ausgangswelle (15) bewirkt.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf einen mit der Eingangswelle (11) verbundenen Außenring (13, 40) und eine dazu konzentrisch angeordnete, mit der Ausgangswelle (15) verbundenen Nabe (17) aufweist, dass von den einander zugewandten Flächen (19, 21) von Außenring (13, 40) und Nabe (17) eine erste Fläche (19) zylindrisch ausgebildet ist, während die zweite Fläche (21) einen in Umfangsrichtung () zu- und abnehmenden Durchmesser aufweist, dass zwischen dem Außenring (13, 40) und der Nabe (17) Klemmkörper (23, 45) angeordnet sind, und dass eine Betätigungseinrichtung (29) vorhanden ist mit der die Klemmkörper (23, 45) relativ zur zweiten Fläche (21) in Umfangsrichtung arretierbar oder bewegbar sind.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (11) und die Ausgangswelle (15) Teil der Lenksäule (3) des Fahrzeugs sind.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (15) oder die Nabe (17) drehfest mit dem Fahrzeug verbunden sind.

5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (11) Teil der Lenksäule (3) des Fahrzeugs ist.

6. Kupplung für eine steer-by-Wire-Lenkanlage eines Fahrzeugs, mit einer Lenksäule (3) und mit einer Kupplungseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (7) durch einen schaltbaren Freilauf gebildet ist, der in einem ersten Schaltzustand für beide Drehrichtungen der Lenksäule (3) einen Freilauf und in einem zweiten Schaltzustand für beide Drehrichtungen eine drehfeste Verbindung von Lenksäule (3) und Fahrzeug bewirkt.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf einen mit dem Fahrzeug drehfest verbundenen Außenring (40) aufweist, dass der Außenring (40) konzentrisch zur Lenksäule (3) angeordnet ist, dass von den einander zugewandten Flächen (19, 21) von Außenring (13, 40) und Lenksäule (3) eine erste Fläche (19) zylindrisch ausgebildet ist, während die zweite Fläche (21) einen in Umfangsrichtung zu- und abnehmenden Durchmesser aufweist, dass zwischen dem Außenring (13, 40) und der Lenksäule (3) Klemmkörper (45) angeordnet sind, und dass eine Betätigungseinrichtung (29, 39) vorhanden ist mit der die Klemmkörper (23, 45) relativ zur zweiten Fläche (21) in Umfangsrichtung arretierbar oder verdrehbar sind.

8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (39) einen Elektromotor umfasst, dass der Elektromotor einen drehfest mit der ersten Fläche (19) verbundenen Rotor (43) aufweist, dass der Elektromotor einen relativ zum Außenring (40) verdrehbaren Stator (42) aufweist, und dass die Relativdrehung von Stator (42) und Außenring (40) durch mindestens ein Federelement (46a, 46b) bis zum Erreichen eines vom Elektromotor abgegebenen Aulösememoments verhindert wird.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Stators (42) relativ zum Außenring (40) durch mindestens ein auf Stator (42) und Außenring (40) wirkendes Federelement (46a, 46b) bis zum Erreichen des Auslösemoments verhindert wird.

10. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Federelement (46a, 46b) mit einem ersten Ende gegen den Stator (42) und einen Anschlag (49) des Außenrings (40) und mit einem zweiten Ende gegen den Außenring (40) abstützt.

11. Kupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (45) in einem Käfig (44) geführt werden, dass die Klemmkörper (45) durch in den Käfig (44) integrierte Federelemente, bzw. durch den Käfig (44) selbst, von der ersten Fläche (19) weggedrückt werden, und dass der Käfig (44) durch die Betätigungseinrichtung (39) relativ zur zweiten Fläche (21) verdrehbar ist.

12. Kupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betätigungsglied (31) der Betätigungseinrichtung (29) durch die Kraft einer Feder (33) in Richtung der ersten Fläche (19) bewegt wird, und dass das Betätigungsglied (31) durch die Kraft eines Hubmagneten (37) in entgegengesetzter Richtung betätigbar ist.

13. Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubmagnet (37) ein Elektromagnet ist.

14. Kupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (25) und die Nabe (17) sich in axialer Richtung über den Außenring (13, 40) hinaus erstrecken, und dass die Betätigungseinrichtung (29, 39) auf den sich in axialer Richtung über den Außenring (13, 40) hinaus erstreckenden Abschnitt (27) des Käfigs (25, 44) einwirkt.