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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus
der
DE 102 20 123
A1 ist eine Überlagerungslenkung
mit einer Überlagerungseinrichtung bekannt.
Der durch die Lenkbetätigung
des Lenkrades erzeugte Lenkradwinkel und ein von einem Aktuator
erzeugter Zusatzwinkel werden durch die Überlagerungseinrichtung zu
einem Ausgangswinkel überlagert.
Entsprechend des Ausgangswinkels wird der Lenkwinkel an den lenkbaren
Fahrzeugrädern eingestellt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte und günstig zu
fertigende Überlagerungslenkung
anzugeben, die ein sicheres Verhalten bei Ausfall des Aktuators
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Grundgedanke
der Erfindung ist, den Ein- und Ausgang des Aktuators über ein
Getriebe miteinander zu verbinden, wobei das Getriebe ein mit dem Hilfskraftmotor
drehfest verbundenes Schneckenrad und ein koaxial zur Lenksäule angeordnetes
Kronrad umfasst und das Schneckenrad und das Kronrad über eine
Ritzelwelle antriebsverbunden sind. Durch die koaxiale Anordnung
des Kronrades und des mit dem Hilfskraftmotor drehfest verbundenen
Schneckenrades sowie die Verbindung dieser beiden Getriebeteile
durch eine Ritzelwelle ergibt sich eine sehr kompakte Bauform.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, die Ritzelwelle in einem mit der Lenkhandhabe drehfest
verbundenen Ritzelwellenträger
drehbar zu lagern. Über
die Lagerung wird der von der Lenkhandhabe in die Lenksäule eingebrachte
und auf den Ritzelwellenträger
sowie in die Ritzelwelle als Querkraft übertragene Lenkwinkel auf das
Kronrad übertragen.
Da das Schneckenrad aufgrund der Geometrie der Verzahnung von der
Ritzelwelle nicht angetrieben werden kann, tritt eine Rotation der
Ritzelwelle nur auf, wenn die Schneckenwelle vom Hilfskraftmotor
angetrieben wird. Insofern wird bei inaktivem Hilfskraftmotor der
Lenkwinkel zwischen Eingang und Ausgang des Aktuators 1:1 übertragen.
Lediglich bei aktivem Hilfskraftmotor tritt eine Erhöhung oder Verringerung
des am Lenkgetriebe anliegenden Lenkwinkels auf.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, den Ritzelwellenträger zweiteilig auszugestalten.
Eine mehrteilige Ausführung
des Ritzelwellenträgers
bietet Vorteile hinsichtlich der Realisierung der Lagerung der Ritzelwelle
bzw. der Abstützung
der Lagerung am Ritzelwellenträger.
Besonders vorteilhaft ist eine zweiteilige, insbesondere hälftige Ausführung. Dabei
können
die Ritzelwellenträgerhälften symmetrisch
ausgebildet sein, wodurch infolge hoher Gleichteileanzahl die Überlagerungslenkung
besonders rationell gefertigt werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Ritzelwelle im Kontaktbereich mit dem Schneckenrad eine
spindelförmige Außenkontur
auf. Im Bereich dieser spindelförmigen
Außenkontur
ist die Ritzelwelle mit dem Schneckenrad verzahnt. Zusammen mit
der Verzahnungspaarung Ritzelwelle/Kronrad ist es möglich, eine
in axialer Richtung in der Ritzelwelle wirkende Kraft zu minimieren
und so für
die Lagerung der Ritzelwelle einfache Nadel- oder Kugellager ohne aufwendige
Lagereinstellungen zu verwenden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Überlagerungslenkung ergeben
sich aus den übrigen abhängigen Patentansprüchen und
der nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Überlagerungslenkung
näher beschriebenen
Zeichnung.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schaltplanartig schematisierte Darstellung einer Überlagerungslenkung
in einem Fahrzeug mit einer hydraulischen Servounterstützung,
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2 einen
Querschnitt durch einen Aktuator der erfindungsgemäßen Überlagerungslenkung und
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3 eine
Ansicht gem. 2 einer alternativen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Überlagerungslenkung.
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Gemäß 1 weist
ein nicht näher
dargestelltes Fahrzeug eine Überlagerungslenkung 1 mit hydraulischer
Servounterstützung 2 auf.
Dabei sind gelenkte Fahrzeugräder 3 über Spurstangen 4 mit
einer Zahnstange 5 verbunden, welche gleichachsig in die
Kolbenstange 6 eines als Servomotor angeordneten doppeltwirkenden
Kolben-Zylinder-Aggregates 7 übergeht bzw. mit der Kolbenstange 6 verbunden
ist.
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Die
Zahnstange 5 kämmt
mit einem Ritzel 9, welches über eine Lenksäule 15 mit
einer Lenkhandhabe 19 in Form eines Lenkhandrads antriebsmäßig verbunden
ist. In der Lenksäule 15 ist
ein drehelastisches Element 20 angeordnet, so dass zwischen
Ritzel 9 und Lenkhandhabe 19 eine begrenzte Relativdrehung
auftreten kann, deren Maß von
den zwischen Ritzel 9 und Lenkhandhabe 19 übertragenen Kräften und
Momenten abhängig
ist.
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Diese
Relativdrehung steuert ein Servoventil 21, welches einerseits über Motorleitungen 22 mit den
beiden Kammern 8a, 8b des Kolben-Zylinder-Aggregates 7 und
andererseits mit der Druckseite einer nicht dargestellten Hydraulikpumpe
angeschlossen ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine hydraulische Servounterstützung 2 beschränkt. Vielmehr
kann die Hilfskraft auch von einer z.B. elektrisch bzw. elektromagnetischen
Hilfskrafteinrichtung aufgebracht werden. Diese kann dabei auf die
Zahnstange 5, auf ein Lenkgetriebe 10 oder auf
die Lenksäule 15 wirken. Die
erfindungsgemäße Überlagerungslenkung 1 kann
jedoch auch bei Fahrzeugen ohne jegliche Servounterstützung verwirklicht
werden.
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Zwischen
dem Ritzel 9 und dem drehelastischen Element 20 ist
ein Aktuator 25 angeordnet, auf dessen Aufbau im Zusammenhang
mit der Beschreibung der 2 und der 3 näher eingegangen wird.
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Der
Aktuator 25 ist eingangsseitig über einen ersten Abschnitt 16 der
Lenksäule 15 mit
dem Lenkrad 19 und ausgangsseitig über einen weiteren Abschnitt 17 der
Lenksäule 15 mit
dem Lenkgetriebe 10 verbunden.
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Über eine
Signalleitung 33 ist der Aktuator 25 mit dem Ausgang
einer Steuereinheit 30 verbunden. Die Eingänge der
Steuereinheit 30 wiederum sind über Signalleitungen 33 mit
nicht dargestellten Sensoren verbunden, die kontinuierlich beispielsweise fahrdynamische
Kenngrößen wie
Fahr- und Giergeschwindigkeit sowie Quer- und Längsbeschleunigung des Fahrzeugs
und Lenkrad- und Radstellungswinkel ermitteln. Abhängig von
diesen Kenngrößen steuert
die Steuereinheit 30 den Aktuator 25 oder besser
einen Hilfskraftmotor des Aktuators 25.
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In 1 ist
auch eine alternative Anordnung des Aktuators 25 zwischen
dem drehelastischen Element 20 und dem Lenkrad 19 strichliert
dargestellt.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Aktuator 25 der erfindungsgemäßen Überlagerungslenkung 1.
In einem zylindrischen Gehäuse 28 ist
koaxial zur Lenksäule 15 ein
Schneckenrad 35 angeordnet. Dabei ist das Schneckenrad 35 drehfest
mit einem in den Figuren nicht dargestellten Hilfskraftmotor, beispielsweise
einem hydraulischen Motor oder einem Elektromotor, verbunden.
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Der
Hilfskraftmotor stützt
sich an einem Ritzelwellenträger 40 ab,
der mehrteilig, in 2 und 3 aus Herstellungs-
und Montagegründen
zweigeteilt ausgeführt
ist. Dabei sind die beiden Ritzelwellenträgerhälften 41,42 kraftschlüssig, beispielsweise über Verschraubungen,
miteinander verbunden. Der Ritzelwellenträger 40 ist, wie auch
das Gehäuse 28 des
Aktuators 25, mit dem Aktuatoreingang 26 drehfest
verbunden.
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In
Ausnehmungen der Ritzelwellenträgerhälften 41,42,
beispielsweise Bohrungen sind zwei Ritzelwellen 45a, 45b drehbeweglich
mit geringem axialem Spiel mittels zweier Nadellager 50 radial
gelagert. Dabei sind die Ritzelwellen 45a, 45b parallel zueinander
angeordnet und ihre Längsachsen 46a, 46b liegen
in einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse 18 der Lenksäule 15 in
der Zeichnungsebene liegt.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 2 erfolgt
die Lagerung in der Ausführungsform gemäß 3 durch
ein Nadel- 50 und ein Kugellager 51, wobei letzteres
ein verhältnismäßig großes Lagerspiel
aufweist, um ein Klemmen bei der Montage der beiden Ritzelwellenträgerhälften 41, 42 zu
vermeiden.
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Eine
axiale Führung
erfahren die Ritzelwellen 45a, 45b vorwiegend
durch das Schneckenrad 35, mit dem sie in einem spindelförmigen Kontaktbereich 47 der
Ritzelwellen 45a, 45b verzahnt sind. Bei Ausführungsformen
ohne spindelförmige
Einschnürung
der Ritzelwellen 45a, 45b ist hingegen eine axiale
Führung,
beispielsweise bei Gleit- 50 oder Nadellagern durch Anlaufscheiben
oder durch Kugellager 51 vorgesehen.
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An
jeweils einem axialen Ende 48 weisen die Ritzelwellen 45a, 45b ein
Ritzel 49 auf, welches über eine
entsprechende Verzahnung mit einem koaxial zum Schneckenrad 35 angeordneten
Kronrad 55 in Eingriff steht. Das Kronrad 55 ist
drehfest mit dem Aktuatorausgang 27 verbunden.
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Aufgrund
der gegenüber
der Längsachse 36 des
Schneckenrades 35 außermittig
angeordneten Ritzelwellen 45a, 45b, ergibt sich
beim Kronrad 55 eine Schrägverzahnung 56. Diese
ist in Abstimmung mit der Verzahnung der Paarung Schneckenrad 35/Ritzelwelle 45a; 45b so
ausgelegt, dass sich auftretende Axialschübe möglichst gegenseitig aufheben
und allenfalls geringe axiale Kräfte
vom Kronrad 55 bzw. vom Schneckenrad 35 in die
Ritzelwellen 45a, 45b eingeleitet und am Ritzelwellenträger 40 abgestützt werden.
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Prinzipiell
ist auch ein Getriebeaufbau des Aktuators 25 mit nur einer
Ritzelwelle 45a; 45b möglich, da eine Relativverdrehung
zwischen Ritzelwellenträger 40 und
Kronrad 55 nur dann auftreten kann, wenn eine Drehbewegung
vom Schneckenrad 35 auf diese Ritzelwelle 45a; 45b übertragen
wird. In umgekehrter Richtung greift die Selbsthemmung eines Schneckengetriebes.
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Der
Ritzelwellenträger 40 ist
in 2 und 3 jeweils zweigeteilt dargestellt.
Prinzipiell ist auch eine einteilige oder mehr als zweiteilige Ausführung möglich.
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Die
Ritzelwellenträgerhälften 41, 42 sind symmetrisch
ausgebildet. Spiegelbildliche Symmetrie besteht im Fall des Ausführungsbeispiels
in 2 hinsichtlich einer Ebene 37, die senkrecht
zu den Längsachsen 46a, 46b der
Ritzelwellen 45a, 45b und durch die Längsachse 36 des
Schneckenrades 35 verläuft.
Achssymmetrie besteht hinsichtlich der Längsachse 36 des Schneckenrades 35.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 besteht
zwischen den Ritzelwellenträgerhälften 41,42 aufgrund
der unterschiedlichen Lagerungsarten an den beiden Ritzelwellenenden 48 lediglich
Achssymmetrie hinsichtlich der Längsachse 36 des
Schneckenrades 35.
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Aufgrund
der Symmetrien können
die Ritzelwellenträgerhälften 41, 42 kostengünstig gefertigt werden.
In beiden Ausführungsbeispielen
sind die Ritzelwellenträgerhälften 41, 42 über außerhalb
der Zeichnungsebene liegende Klemm- bzw. Schraubverbindungen miteinander
kraftschlüssig
verbunden.
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Die
Vorteile einer Überlagerungslenkung
1 mit einem Schneckengetriebe 35, 45a, 45b sind
folgende:
Wird das Schneckenrad 35 nicht durch den
Hilfskraftmotor angetrieben, findet keine Relativbewegung zwischen
Schneckenrad 35 und Ritzelwellen 45a, 45b und
aufgrund der Sperrwirkung eines Schneckengetriebes 35, 45a, 45b somit
auch keine (zumindest rotatorische) Relativbewegung zwischen Ritzelwellen 45a, 45b und
Ritzelwellenträger 40 statt.
Daher kann auch keine Relativbewegung zwischen Ritzelwellenträger 40 und
Kronrad 55 auftreten. Dies ist gleichbedeutend damit, dass
der Eingang 26 und der Ausgang 27 des Aktuators 25 starr
miteinander verbunden sind.
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Wird
jedoch das Schneckenrad 35 vom Hilfskraftmotor angetrieben,
so werden die Ritzelwellen 45a, 45b jeweils um
den gleichen Winkel, jedoch gegenläufig zueinander verdreht. Dadurch
wird das Kronrad 55 in Relation zum Ritzelwellenträger 40 verdreht
und dem über
die Lenkhandhabe 19 auf die Lenksäule 15 aufgebrachten
Lenkwinkel wird ein weiterer Lenkwinkel vom Aktuator 25 überlagert.
Da der Hilfskraftmotor mit entgegengesetzten Drehrichtungen betreibbar
ist, kann der Überlagerungswinkel den
letztlich am Lenkgetriebe 10 anliegenden Lenkwinkel im
Verhältnis
zum über
die Lenkhandhabe 19 vorgegebenen Lenkwinkel sowohl erhöhen als
auch reduzieren.
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Im
Falle des Ausfalls des Hilfskraftmotors ist ohne zeitliche Verzögerung infolge
der Sperrwirkung des Schneckengetriebes 35, 45a, 45b eine
starre Verbindung zwischen Eingang 26 und Ausgang 27 des
Aktuators 25 gegeben.