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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum längenveränderlichen Verstellen eines
Lenkers einer Radaufhängung,
insbesondere für
Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, des Anspruchs 6 und des Anspruchs 9.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
37 36 229 A1 ist bereits eine Vorrichtung zum längenveränderlichen
Verstellen eines Lenkers bekannt. Hierbei handelt es sich um eine
Radaufhängung
für ein
gelenktes Rad eines Kraftfahrzeuges, bei dem mehrere Querlenker
in Abhängigkeit
von erfassten Fahrbahnparametern längenveränderlich ausgebildet sind,
um z.B. Sturz und Spur des Rades entsprechend verändern bzw.
korrigieren zu können.
Konkret ist der längenveränderliche
Querlenker hier durch eine in einem Führungsgehäuse drehbar und längsverschiebbar
gelagerte Schubstange gebildet, wobei die Schubstange über einen
Teil ihrer Länge
mit einem Außengewinde
versehen ist, das mit einem Innengewinde eines im Führungsgehäuse verdrehbar
und axial unverschiebbar an Drucklagern abgestützten Schneckenrades in Eingriff
ist. Der Antrieb des Schneckenrades erfolgt über eine Antriebsschnecke eines
im Führungsgehäuse installierten
elektrischen Stellmotors. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Potentiometer
für einen
Spannungsabgriff, dessen Abnehmer durch die Schubstange über ein
Verbindungsstück
verschiebbar ist.
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Weiter
ist aus der DE 20 2004 001 614 U1 ein Aktor für ein aktives Fahrwerk eines
Kraftfahrzeuges bekannt, dessen erstes Befestigungsauge an einem
Aufhängungsteil
des Fahrwerks und dessen zweites Befestigungsauge an der Fahrzeugkarosserie
befestigt werden kann. Der Aktor weist ein Antriebsritzel auf, das über eine
Antriebswelle und ein Getriebe mit einem Abtriebsmotor in Verbindung steht.
Die Antriebswelle ist durch eine Gelenkwelle oder eine flexible
Welle gebildet, um den Antriebsmotor im Abstand vom Aktor an einer
geeigneten Stelle im Fahrzeug unterzubringen. Das Antriebsritzel
des Aktors greift in zwei Zahnstangen ein, die Teil eines Stößels sind.
Die beiden Stößel sind
ineinander verschiebbar gelagert, wobei die beiden Stößel jeweils wechselseitig
in Aufnahmen des anderen Stößels gleiten.
Je nach Drehrichtung des Ritzels können hier die beiden Stößel zusammen-
oder auseinandergeschoben werden, so dass das aufhängungsseitige Befestigungsauge
und das karosserieseitige Befestigungsauge zueinander in die gewünschte Position verschoben
werden können.
Um die einmal eingenommene Position des Aktors halten zu können, ist es
hier dauerhaft erforderlich, Energie durch den Antriebsmotor aufzunehmen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum längenveränderlichen Verstellen eines
Lenkers bzw. einer Spurstange vorzuschlagen, die neben einer schnellen
und präzisen
Verstellbarkeit eine besonders steife Abstützung bzw. Radführung sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 6 sowie den Merkmalen
des Anspruchs 9.
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Gemäß Anspruch
1 ist der Aktor durch ein Watt'sches
Gestänge
gebildet, das über
mit einem Schwinghebel gekoppelte Hebel mit den Lenkerabschnitten
zu deren Verstellung gekoppelt ist.
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Vorteilhaft
können
mit einem derartigen Watt'schen
Gestänge über die
Drehwinkellage und die wirksame Länge des Zwischenhebels gewünschte Übersetzungsverhältnisse
so vorgegeben werden, dass eine schnelle, robuste Verstellbarkeit
erreicht wird. So resultiert hier aus einer gleichförmigen Antriebsbewegung
im Gegensatz zu einem linear arbeitenden Steller eine „sinusförmige" Abtriebsbewegung,
welche sehr gut für
die Arbeitsbereiche große Kräfte/kleine
Wege einerseits bzw. kleine Kräfte/große Wege
andererseits nutzbar sind. Das bedeutet, dass sich hiermit verschiedene
Arbeitsbereiche bezüglich
des Stellweges einfach realisieren lassen. So haben geringe Verdrehwinkel
eine große
Längenänderung
zur Folge, wobei die Zunahme der Lenkerlänge mit zunehmendem Verdrehwinkel „flacher" wird. Damit lassen
sich kurze Stellwege sehr schnell einstellen, große Stellwege
können
dagegen mit geringerer Dynamik eingestellt werden. Mit dem von einem
vorzugsweise elektrischen Stellmotor als Antriebsmotor aufzuwendenden
Drehmoment verhält es
sich wie folgt: Bei kleinen Winkeln werden große Stellmomente benötigt, während bei
großen
Winkeln kleine Stellmomente benötigt
werden. Damit eignet sich dieser erfindungsgemäße Aufbau beispielsweise sehr
gut als Aktor für
eine Hinterachslenkung, da bei fahrdynamischen Eingriffen der Lenkung
die benötigten
Auslenkungen und die Rückstellmomente aus
der Lenkung sehr gering sind, die Stellgeschwindigkeit jedoch hoch
sein muss. Ebenso ergeben sich hier Vorteile in Verbindung mit dem
Parkieren, wo bei geringen Lenkungseingriffen große Stellwege
benötigt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften konkreten Ausgestaltung weist der Aktor einen Stellmotor
auf, dessen Antriebsspindel über
ein selbsthemmendes Getriebe auf die Lenkerabschnitte wirkt, wobei
das selbsthemmende Getriebe bevorzugt ein Schneckentrieb mit einer
Schnecke auf der Antriebsspindel und einem Schneckenrad ist. Auch
ein Schraubentrieb könnte grundsätzlich verwendet
werden.
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Ein
Vorteil dieses Aufbaus ist, dass das Schneckengetriebe des Aktors
selbst Hemmungseigenschaften aufweist, so dass keine zusätzliche
Energie aus dem Antriebs- bzw. Stellmotor erforderlich ist bzw.
auch keine zusätzliche
Bremseinrichtung vorgesehen sein muss, um den Aktor in seiner aktuellen
Lage zu halten. Des weiteren lassen sich über das Übersetzungsverhältnis des
Schneckenradgetriebes die Vorschubgeschwindigkeit und Stellkräfte des
Aktors optimal auf die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors
abstimmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung sind sowohl die beiden Lenkerabschnitte
in einem diese und das Watt'sche
Gestänge
aufnehmenden Gehäuse
verschiebbar geführt
und/oder gelagert. Der Stellmotor selbst ist hier für einen
kompakten Aufbau am Gehäuse
angeordnet und mit der die Schnecke aufweisenden Antriebsspindel
in den Gehäuseinnenraum
geführt,
die dort mit dem Schneckenrad des Schwingenhebels kämmt. Die
Antriebsspindel kann auch mit ihrem freien Ende gehäuseseitig
nochmals gelagert sein, wodurch sich besonders stabile Verhältnisse
ergeben.
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Insgesamt
können
mit einer derartigen erfindungsgemäßen Lösung somit die physikalischen Größen Kraft,
Weg, Zeit und damit Verstellgeschwindigkeit und Leistung sehr gut
in der geforderten Weise eingestellt werden.
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Gemäß Anspruch
6 kann gemäß einer
weiteren Erfindungsvariante am Schneckenrad koaxial ein Zahnritzel
angeordnet sein, wobei das Zahnritzel mit an den Lenkerabschnitten
angeordneten Zahnstangenabschnitten in Eingriff ist, wobei die Zahnstangenabschnitte
in etwa achsparallel ausgerichtet beiderseits des Zahnritzels positioniert
sind. Das Zahnritzel ist somit über
das Schneckenrad selbsthemmend gehalten und sichert somit eine besonders
steife Abstützung
jeglicher im Fahrbetrieb auftretender Reaktionskräfte. Durch
die Anordnung von zwei Zahnstangen an einem Ritzel ergibt sich weiter
eine große Übersetzung
zwischen Drehwinkel und Längenänderung
des Lenkers, so dass bei geringem Bauraum relativ große Hübe möglich sind.
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Ferner
können
die Zahnstangenabschnitte durch im Gehäuse geführte Führungsmittel spielfrei zum
Zahnritzel gehalten sein. Dies können
wie bei Zahnstangenlenkgetrieben bekannt federnd vorgespannte Druckstücke sein;
bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, dass die Führungsmittel im Gehäuse drehbar
gelagerte Stützrollen
sind, die an den vorzugsweise rotationssymmetrischen Rücken der Zahnstangenabschnitte
entsprechend anlaufen.
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Gemäß Anspruch
9 kann der Aktor über nach
dem Kniehebelprinzip angeordnete Hebel mit den Lenkerabschnitten
zu deren Verstellung gekoppelt sein. Auch hier resultiert somit
aus einer gleichförmigen
Antriebsbewegung heraus wiederum eine „sinusförmige" Abtriebsbewegung, welche wiederum sehr
gut für
die bereits zuvor mit der ersten Erfindungsvariante beschriebenen
Arbeitsbereiche große Kräfte/kleine
Wege einerseits sowie kleine Kräfte/große Wege
andererseits nutzbar sind, so dass auch hier wiederum die physikalischen
Größen Kraft Weg,
Zeit und damit die Verstellgeschwindigkeit und Leistung optimal
eingestellt werden können.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
hierzu kann das selbsthemmende Getriebe ein Schraubentrieb sein,
mit einer schraubenförmigen Antriebsspindel
und einer auf die Hebel wirkenden Schraubenmutter. Der Stellmotor
kann hier, wie auch bei den zuvor erläuterten Varianten, ein elektrischer Antriebsmotor
sein.
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Alternativ
dazu kann der nach dem Kniehebelprinzip arbeitende Aktor aber auch
durch eine hydraulische Stelleinrichtung gebildet sein. Dabei kann nach
einer bevorzugten Ausführung
der Stellkolben des Stellmotors bei nichtaktivierter Verstellung
hydraulisch gesperrt sein. Dies kann beispielsweise mittels eines
Steuerventils bzw. Wegeventils mit geschlossener Mitte erreicht
werden, welches nur bei Stellbewegungen die Hydraulikkammern beiderseits des
Stellkolbens alternierend mit einer Druckmittelquelle und einem
Rücklauf
verbinden und ansonsten die Verbindungen sperrt. Derartige Steuerventile
an sich sind bekannt, z.B. für
hydrostatische Lenkvorrichtungen.
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Weiter
kann an zumindest einem der Lenkerabschnitte und/oder dem zugeordneten
Gehäuseteil ein
Meßsystem,
insbesondere ein Wegmeßsystem zur
Erfassung der aktuellen Lenkerlänge
vorgesehen sein, um z.B. bei aktiver Fahrwerkregelung eine Rückkopplungssteuerung
zu ermöglichen.
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Des
weiteren ist eine sogenannte Rückfallmöglichkeit
bei Ausfall des Systems vorteilhaft. Mit einem derartigen Rückfallsystem
kann beispielsweise bei einem Systemfehler der Aktor in seine Nulllage gefahren
werden, in der seine Länge
der Länge
des konventionellen, starren Lenkers entspricht, und dort blockiert
werden, so dass der Zustand der konventionellen Radaufhängung wieder
hergestellt ist.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die
schematische Zeichnung zeigt in:
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1 eine
Vorrichtung zum längenveränderlichen
Verstellen eines Lenkers einer Radaufhängung für Kraftfahrzeuge, mit einem
hydraulischen Stellmotor und an den Lenkerabschnitten nach dem Kniehebelprinzip
angreifenden Hebeln;
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2 eine
zur 1 alternative Vorrichtung, mit einem elektrischen
Stellmotor, einem Schneckentrieb und entsprechend einem Watt'schen Gestänge an den
Lenkerabschnitten angreifenden Hebeln;
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3 eine
weitere, zur 1 und 2 alternative
Vorrichtung, mit einem elektrischen Stellmotor, einem Schneckentrieb
und einem Zahnritzel, das mit Zahnstangenabschnitten auf den Lenkerabschnitten
zusammenwirkt;
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4 einen
Querschnitt gemäß Linie
IV - IV der 3 durch die Zahnstangenabschnitte
im Bereich des Zahnritzels und des Schneckenrades des Schneckentriebes;
und
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5 eine
zur 1 abgewandelte Vorrichtung mit einem Schraubentrieb
zur längenveränderlichen
Verstellung des Lenkers.
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In
der 1 ist grob schematisch eine erste Vorrichtung 10 zum
längenveränderlichen
Verstellen eines Lenkers 12 einer nicht dargestellten Radaufhängung für Kraftfahrzeuge
dargestellt. Der Lenker 12 (oder eine entsprechende Spurstange
bei gelenkten Rädern
des Kraftfahrzeuges) kann Teil eines aktiven Fahrwerks mit fahrdynamisch
abhängiger
Verstellung z.B. des Radsturzes und/oder der Spur des Rades oder
anderer fahrdynamischer Parameter sein.
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Der
Lenker 12 ist an seinen Enden über entsprechende Gelenke (allgemein
mit 14 bezeichnet) z.B. am Radträger der Radaufhängung und
am Aufbau (oder an einem Hilfsrahmen) des Kraftfahrzeuges angelenkt
und dient als Radführungsmittel
definierter Länge
zwischen dessen Gelenkpunkten.
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Der
stangenförmige
Lenker 12 ist in zwei Lenkerabschnitte 12a, 12b unterteilt,
die in einem die Lenkerabschnitte 12a, 12b umgebenden,
allseits geschlossenem Gehäuse 16 über Gleitlager 18 verschiebbar
geführt
sind. Im Bereich der Gleitlager 18 ist das Gehäuse 16 über Schutzmanschetten 20 nach
außen
abgedichtet.
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An
das Gehäuse 16 ist
ein hydraulischer Stellmotor 22 angebaut, in dessen Gehäuse 24 ein Stellkolben 26 in
einer Verstellrichtung quer zur gemeinsamen Längsachse der Lenkerabschnitte 12a, 12b geführt ist.
Der Stellkolben 26 un terteilt das Gehäuse 24 in zwei Hydraulikkammern 24a, 24b,
die über
flexible Leitungen 28 mit einem Steuerventil 30 verbunden
sind.
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Über das
elektrisch betätigte
Steuerventil 30 können
die Hydraulikkammern 24a, 24b alternierend mit
einer Druckmittelquelle oder einem drucklosen Rücklauf verbunden werden. In
der nicht aktivierten Stellung (Mitte) des Steuerventils 30 sind
beide Hydraulikkammern hydraulisch gesperrt.
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Der
Stellkolben 26 ist fest mit einer in dem Gehäuse 24 des
Stellmotors 22 verschiebbar geführten Stellstange 32 verbunden,
an der zwei nach dem Kniehebelprinzip gepfeilt zueinander angeordnete Hebel 34, 36 über eine
Lagerung 38 angelenkt sind.
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Die
Hebel 34, 36 sind mit definierter Winkelstellung
und Länge
andererseits an den im Gehäuse 16 liegenden
Enden der Lenkerabschnitte 12a, 12b über Schwenklagerungen 40 angelenkt.
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Im
Gehäuse 16 oder
an anderer Stelle ist ferner zumindest eine Wegmesseinrichtung 42,
z.B. mit einer Messspule und einem Magnetsensor, vorgesehen, um
die aktuelle Längeneinstellung
des Lenkers über
eine Rückkopplungssteuerung
an ein nicht dargestelltes, elektronisches Steuergerät zu leiten.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, kann durch entsprechende
hydraulische Beaufschlagung des Stellkolbens 26 der Stellkolben 26 nach
oben verschoben werden und damit die Länge des Lenkers 12 verändern. Dabei
werden über
die Stellstange 32 die Hebel 34, 36 unter
Verringerung der dargestellten Pfeilung verschwenkt und verschieben
die Lenkerabschnitte 12a, 12b relativ zum Gehäuse 16 entsprechend
nach außen.
Mit abnehmender Pfeilung der Hebel 34, 36 nimmt
auch das Übersetzungsverhältnis zwischen
Stellkolben 26 und Lenkerabschnitten 12a, 12b sinusförmig ab,
wobei konstruktiv ein Nulldurchgang (Hebel 34, 36 ohne
Pfeilung) vermieden werden sollte.
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In
der 2 ist eine alternative Vorrichtung 50 zum
längenveränderlichen
Verstellen eines Lenkers 52 dargestellt, wobei zur Vermeidung
von Wiederholungen nur die wesentlichen Unterschiede zur 1 erläutert sind.
Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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An
das die Lenkerabschnitte 52a, 52b umgebende Gehäuse 16 ist
ein elektrischer Stellmotor 54 angebaut, dessen mit einer
Schnecke versehene Antriebsspindel 56 mit einem in dem
Gehäuse 16 drehbar
gelagerten Schneckenrad 58 einen selbsthemmenden Schneckentrieb
bildet. Die sich quer zur Längsachse
des Lenkers 52 erstreckende Antriebsspindel 56 ist
in dem Stellmotor 54 (nicht ersichtlich) und zusätzlich in
dem Gehäuse 16 bei 60 drehbar
gelagert.
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Das
Schneckenrad 58 ist fest mit einem Zwischenhebel 62 verbunden,
an dem nach Art eines Watt'schen
Gestänges
zwei Hebel 64, 66 über Schwenklager 68 angelenkt
sind.
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Dabei
ist der Zwischenhebel 62 etwa parallel zur Antriebsspindel 56 bzw.
quer zur Längsachse
des Lenkers 52 ausgerichtet, während die Hebel 64, 66 parallel
zueinander und schräg
zur Längsachse
des Lenkers 52 verlaufen und an ihren entgegengesetzten
Enden über
Schwenklager 70 an den im Gehäuse 16 über die
Gleitlager 18 verschiebbar geführten Lenkerabschnitten 52a, 52b angelenkt
sind.
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Durch
entsprechende Ansteuerung des elektrischen Stellmotors 54 wird
die Antriebsspindel 56 in der einen oder anderen Drehrichtung
verdreht, wobei das Schneckenrad 58 entsprechend verdreht
wird. Dies führt
zu einem Mitverdrehen des zweiarmigen Zwischenhebels 62,
der dementsprechend über
die Hebel 64, 66 die Lenkerabschnitte 52a, 52b aus
dem Gehäuse 16 nach
außen
oder umgekehrt verschiebt. Mit der Änderung der Winkelstellung
zwischen den Hebeln 64, 66 relativ zum Zwischenhebel 62 ändert sich
wiederum das Übersetzungsverhältnis des
Abtriebs insgesamt auf die Lenkerabschnitte 52a, 52b.
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Die 3 und 4 zeigen
eine weitere, alternative Ausführung
der Erfindung mit einer Vorrichtung 72 zum längenveränderlichen
Verstellen eines Lenkers 74.
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Der
Lenker 74 ist wiederum in Lenkerabschnitte 74a, 74b unterteilt,
die über
Gelenke 14 mit dem Aufbau des Kraftfahrzeuges und einem
Radträger
der Radaufhängung
verbunden sind.
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Die
Lenkerabschnitte 74a, 74b sind in einem diese
umgebenden Gehäuse 76 achsparallel
zueinander verschiebbar angeordnet, wobei deren einander zugewandte
Zahnstangenabschnitte 78 mit einem im Gehäuse 76 über Gleitlager 82 drehbar
gelagerten Zahnritzel 80 kämmen. An der jeweils den Zahnstangenabschnitten 78 diametral
gegenüber
liegenden, rotationssymmetrischen Umfangsfläche der Lenkerabschnitte 74a, 74b laufen
drehbar im Gehäuse 76 über Gleitlager 84 gelagerte
Stützrollen 86 an, die
die Zahnstangenabschnitte 78 spielfrei mit dem Zahnritzel 80 in
Eingriff halten. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die
Stützrollen 86 im
Querschnitt gesehen konkav ausgeführt bzw. an die Querschnittsform
der Lenkerabschnitte 74a, 74b angepasst.
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Das
Zahnritzel 80 ist fest mit einem unmittelbar benachbarten
Schneckenrad 88 verbunden, das mit einer quer zu den Lenkerabschnitten 74a, 74b verlaufenden
Antriebsspindel 90 mit einer entsprechend eingearbeiteten
Schnecke zusammenwirkt. Die Antriebsspindel 90 ist Teil
eines elektrischen Stellmotors 92, dessen Gehäuse 92a an
das Gehäuse 76 angebaut
ist. Die Antriebsspindel 90 ist im Gehäuse 92a des Stellmotors 92 und
im Gehäuse 76 über nicht
dargestellte Lager (Gleit- oder Wälzlager) drehbar gelagert.
Der Schneckentrieb 88, 90 ist wiederum selbsthemmend
ausgelegt, so dass auf die Lenkerabschnitte 74a, 74b wirkende
Reaktionskräfte keine
unerwünschte
Eigenbewegung in der Verstellvorrichtung 72 bewirken können.
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Durch
Ansteuerung des elektrischen Stellmotors 92 in der einen
oder anderen Drehrichtung wird das Schneckenrad 88 und
konform mit diesem das Zahnritzel 80 verdreht, wobei die
Lenkerabschnitte 74a, 74b über die Zahnstangenabschnitte 78 entsprechend
verschoben werden und damit die wirksame Länge des Lenkers, die sich jeweils
durch die Gelenkpunkte der Gelenke 14 bestimmt, verändert wird.
Das Übersetzungsverhältnis der
Vorrichtung 76 insgesamt ist hier konstant bzw. linear.
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Die 5 schließlich zeigt
eine Abwandlung der Vorrichtung 10 gemäß 1, wobei
funktionell gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und
nicht nochmals erläutert
sind.
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Abweichend
zur 1 ist an das Gehäuse 16 ein elektrischer
Stellmotor 94 angebaut, mit einer quer zur Lenkerlängsachse
verlaufenden, schraubenförmigen
Antriebsspindel 96, die mit einer Schraubenmutter 98 zur
Erzielung eines Schraubentriebs zusammenwirkt. Die Schraubenmutter 98 ist unverdrehbar
im Gehäuse 16 geführt. Ferner
ist die Antriebsspindel 96 im Stellmotor 94 und
im Gehäuse 16 verdrehbar,
jedoch axial unverschiebbar gelagert.
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An
der Schraubenmutter 98 sind beiderseits die Hebel 34, 36 über Bolzengelenke 100 angelenkt, die
im übrigen
wie zur 1 beschrieben nach dem Kniehebelprinzip
angeordnet und ausgelegt sind.
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Durch
Ansteuern des Stellmotors 94 in der einen oder anderen
Drehrichtung wird die Schraubenmutter 98 entlang der Antriebsspindel 96 verlagert,
wobei die Hebel 34, 36 und über diese die Lenkerabschnitte 12a, 12b wie
vorbeschrieben zur Längenänderung
des Lenkers 12 verschoben werden. Der Schraubentrieb 96, 98 ist
wiederum selbsthemmend ausgelegt.
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Die
beschriebenen Gehäuse 16, 76 sind
bevorzugt aus Leichtmetall und zur Montage der Getriebeteile und
Hebel zweiteilig mit einem Deckel oder einer halbschalenförmigen Teilung
entlang der Lagerstellen 18 ausgeführt. Während die Getriebeteile und Lenkerabschnitte
bevorzugt aus Stahl gefertigt sind, können beispielsweise weniger
stark belastete Elemente, z.B. die Stützrollen 86 aus höherfestem Kunststoff
hergestellt sein.