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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungsvorrichtung
für ein
Lenksystem eines Fahrzeugs, mit einer ansteuerbaren Stelleinrichtung,
die über
eine Antriebswelle mit einem ersten Getriebeeingang eines Überlagerungsgetriebes
verbunden ist, mit einer zur Verbindung des Lenkrads des Lenksystems
mit einem zweiten Getriebeeingang vorgesehenen Lenkradwelle und
mit eine Ausgangswelle zur Verbindung eines Getriebeausgangs des Überlagerungsgetriebes
mit einem Lenkgetriebe des Lenksystems. Die Erfindung betrifft ferner
ein Lenksystem mit einer Überlagerungsvorrichtung.
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Eine
gattungsgemäße Überlagerungsvorrichtung
ist aus der
DE 43 26
355 C2 bekannt. Diese Überlagerungsvorrichtung
wird dazu verwendet, den Lenkwinkel zur Einstellung einer gewünschten
Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu verändern. Die Veränderung
des Lenkwinkels zur Einstellung der gewünschten Gierwinkelgeschwindigkeit
erfolgt dabei über
einen als Stelleinrichtung verwendeten Motor.
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Ausgehend
hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Überlagerungsvorrichtung
hinsichtlich der Bauraumverhältnisse
zu verbessern und insbesondere flexibler zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Überlagerungsvorrichtung
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
Dadurch, dass die Ausgangswelle als Hohlwelle ausgeführt ist
und einen Axialabschnitt der Antriebswelle umschließt, können die
Antriebswelle und die Ausgangswelle beispielsweise koaxial zueinander
angeordnet werden, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Stelleinrichtung
im Bereich des Lenkgetriebes des Lenksystems anzuordnen, und zwar
auch dann, wenn das Überlagerungsgetriebe
im Bereich der Lenksäule
zwischen dem Lenkgetriebe und dem Lenkrad des Lenksystems vorgesehen
ist. Somit wird aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Überlagerungsvorrichtung
die Möglichkeit
geschaffen, die Stelleinrichtung und das Überlagerungsgetriebe räumlich beabstandet
voneinander anzuordnen, ohne dadurch den Bauraumbedarf insgesamt
zu erhöhen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Überlagerungsvorrichtung
ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Vorteilhafterweise
ist das Überlagerungsgetriebe
als Planetengetriebe ausgeführt.
Dabei können
der zweite Getriebeeingang von einem ersten Hohlrad und/oder der
Getriebeausgang von einem zweiten Hohlrad gebildet sein. Auf diese
Weise wird ein besonders kompakter Aufbau des Planetengetriebes
erreicht.
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Es
ist weiterhin möglich,
dass der erste Getriebeeingang von einem Sonnenrad gebildet ist,
das über
die Antriebswelle durch die Stelleinrichtung antreibbar ist. Insbesondere
können
dann ein oder mehrere Planetenräder
vorgesehen sein, die mit dem Sonnenrad und dem ersten Hohlrad und/oder
dem zweiten Hohlrad in Eingriff stehen. Auf diese Weise kann ein
einfacher Aufbau des Planetengetriebes erreicht werden.
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Es
ist weiter vorteilhaft, wenn das oder die Planetenräder an einem
Planetenradträger
drehbar zwischen dem Sonnenrad und dem ersten Hohlrad und/oder dem
zweiten Hohlrad gelagert sind, so dass eine gute Positionierung
der Planetenräder
gewährleistet
ist. Dabei kann der Planetenradträger den Getriebeausgang bilden,
so dass das Planetengetriebe lediglich das den zweiten Getriebeeingang
bildende erste Hohlrad benötigt.
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Bei
einer alternativen Ausführung
ist das Überlagerungsgetriebe
planetenradträgerlos
ausgeführt
und die Planetenräder
werden durch das Sonnenrad und das erste Hohlrad und/oder zweite
Hohlrad gehalten. Mithin kann auf eine Lagerung der Planetenräder verzichtet
werden.
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Anstelle
des Sonnenrades kann der erste Getriebeeingang auch von einem über die
Antriebswelle durch die Stelleinrichtung antreibbaren Antriebsplanetenrad
gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform
weist das Überlagerungsgetriebe
lediglich ein einziges Planetenrad auf, nämlich das Antriebsplanetenrad.
Das Antriebsplanetenrad wird insbesondere exzentrisch angetrieben.
Hierfür
kann die Antriebswelle einen exzentrischen Abschnitt aufweisen,
auf dem das Antriebsplanetenrad gelagert ist, wodurch ein einfacher
exzentrischer Antrieb realisiert ist.
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Zur
Ausnutzung des Bauraums im Fahrzeug kann es zweckmäßig sein,
wenn die Stelleinrichtung im Bereich des Lenkgetriebes und insbesondere
auf der dem Überlagerungsgetriebe
entgegengesetzten Seite des Lenkgetriebes angeordnet ist.
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Dadurch,
dass die Antriebswelle ein mit der Ausgangswelle drehfest verbundenes
Antriebsteil des Lenkgetriebes durchgreift, kann der Aufbau der Überlagerungsvorrichtung
sehr kompakt gestaltet werden.
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Im
Folgenden wird die erfindungsgemäße Überlagerungsvorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Lenksystem
anhand der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische, Blockschaltbild ähnliche
Darstellung eines Lenksystems mit Überlagerungsvorrichtung,
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2 eine
erste Ausführungsform
der Überlagerungsvorrichtung
in schematischer, Blockschaltbild ähnlicher Darstellung,
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3 eine
zweite Ausführungsform
der Überlagerungsvorrichtung
in schematischer, Blockschaltbild ähnlicher Darstellung,
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4 eine
dritte Ausführungsform
der Überlagerungsvorrichtung
in schematischer, Blockschaltbild ähnlicher Darstellung und
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5 eine
abgewandelte Ausführung
eines Lenkgetriebes des Lenksystems.
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In 1 ist
ein Lenksystem 5 mit einer Überlagerungsvorrichtung 6 eines
nicht näher
dargestellten Fahrzeugs gezeigt. Die Überlagerungsvorrichtung 6 weist
ein Überlagerungsgetriebe 7 und
einen ansteuerbaren, die Stelleinrichtung bildenden Elektromotor 8 auf,
der über
eine Antriebswelle 9 mit einem ersten Getriebeeingang 10 des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden
ist.
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Ein
Lenkrad 13 des Lenksystems 5 ist über eine
Lenkradwelle 14 mit einem zweiten Getriebeeingang 15 des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden. Das Überlagerungsgetriebe 7 überlagert
die Drehbewegung der Antriebswelle 9 am ersten Getriebeeingang 10 und
die Drehbewegung der Lenkradwelle 14 am zweiten Getriebeeingang 15 zu
einer überlagerten
Drehbewegung an einem Getriebeausgang 16, der über eine
Ausgangswelle 17 mit einem Lenkgetriebe 18 des
Lenksystems 5 verbunden ist. Das Lenkgetriebe 18 lenkt
die lenkbaren Fahrzeugräder 19 zur
Einstellung eines Lenkwinkels in Abhängigkeit von der durch die
Ausgangswelle 17 an das Lenkgetriebe 18 übermittelten überlagerten
Drehbewegung aus. Somit kann an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 durch
die Drehung des Lenkrades 13 und/oder durch den Betrieb
des Elektromotors 8 ein Lenkwinkel eingestellt werden.
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Das Überlagerungsgetriebe 7 ist
als 3-Wellen-Planetengetriebe ausgebildet. Die drei Getriebewellen
des Planetengetriebes sind der erste Getriebeeingang 10,
der zweite Getriebeeingang 15 und der Getriebeausgang 16.
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Ein
derartiges Lenksystem 5 mit Überlagerungsvorrichtung 6 kann
den Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 unabhängig von
der Stellung des Lenkrads 13 durch den Betrieb des Elektromotors 8 variieren.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
Fahrer unabhängige
Lenkeingriffe durchzuführen.
Beispielsweise ist es möglich,
den Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 zur Stabilisierung des
Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen zu verändern. Mittels der Überlagerungsvorrichtung 6 kann ferner
die Lenkübersetzung
zwischen Lenkradwinkel am Lenkrad 13 und Lenkwinkel an
den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 Parameter
abhängig
und insbesondere abhängig
von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
eingestellt werden.
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2 zeigt
das Lenksystem 5 mit einer ersten Überlagerungsvorrichtung 6a mit
einem ersten Ausführungsbeispiel
eines Überlagerungsgetriebes 7a,
das nachfolgend näher
beschrieben wird.
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Bei
diesem ersten Überlagerungsgetriebe 7a ist
die Lenkradwelle 14 mit einem ersten Hohlrad 30 des
ersten Überlage rungsgetriebes 7a drehfest
verbunden, das den zweiten Getriebeeingang 15 darstellt.
Ein den Getriebeausgang 16 bildendes zweites Hohlrad 31 des
ersten Überlagerungsgetriebes 7a ist drehfest
mit der Ausgangswelle 17 verbunden, die wiederum an ihrem
dem Getriebeausgang 16 entgegen gesetzten Ende drehfest
mit einem Lenkgetrieberitzel 20 verbunden ist. Die Verzahnung
des Lenkgetrieberitzels 20 kämmt mit der Verzahnung einer Zahnstange 21 des
Lenkgetriebes 18, so dass eine Drehung des Lenkgetrieberitzels 20 eine
axiale Bewegung der Zahnstange 21 zur Einstellung des Lenkwinkels
an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 verursacht.
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Der
erste Getriebeeingang 10 des ersten Überlagerungsgetriebes 7a ist
von einem Sonnenrad 32 gebildet, das konzentrisch zu den
beiden Hohlrädern 30, 31 des
ersten Überlagerungsgetriebes 7a angeordnet
ist und durch die Antriebswelle 9 vom Elektromotor 8 angetrieben
werden kann. Das Sonnenrad 32 wird konzentrisch um eine
Drehachse angetrieben, die der Längsachse
der Antriebswelle 9 entspricht. Hierfür ist der Rotor des Elektromotors 8 über die
Antriebswelle 9 drehfest mit dem Sonnenrad 32 verbunden.
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Der
Stator des Elektromotors 25 kann dabei Karosserie fest
angeordnet und beispielsweise am Fahrzeugaufbau befestigt sein.
Dadurch entstehen am Lenkrad 13 beim Beschleunigen oder
Verzögern des
Rotors keine Kraft- oder Momentenrückwirkungen – diese
werden vom Fahrzeugaufbau aufgenommen.
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Die
Ausgangswelle 17 ist als Hohlwelle gestaltet, die die Antriebswelle 9 im
Bereich eines Antriebswellenabschnitts 35 koaxial umschließt. Beispielsgemäß weist
auch das Lenkgetrieberitzel 20 eine Axialöffnung auf,
durch die die Antriebswelle 9 durch das Lenkgetrieberitzel 20 hindurchragt.
Im Bereich des Lenkgetriebes 18 – beispielsgemäß auf der dem
ersten Überlagerungsgetriebe 7a entgegen
gesetzten Seite – ist
der Elektromotor 8 angeordnet und mit der Antriebswelle 9 verbunden.
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Zwischen
dem Sonnenrad 32 und den beiden Hohlrädern 30, 31 des
ersten Überlagerungsgetriebes 7a sind
mehrere, beispielsweise drei Planetenräder 41 über den
Umfang verteilt angeordnet, deren Außenverzahnungen zum einen mit
den Innenverzahnungen der beiden Hohlräder 30, 31 und
zum anderen mit der Außenverzahnung
des Sonnenrades 32 in Eingriff stehen.
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Das
erste Überlagerungsgetriebe 7a weist keinen
Planetenradträger
auf. Die Planetenräder 41 sind
ohne eine jeweilige Drehlagerung nur durch die beiden Hohlräder 30, 31 und
das Sonnenrad 32 gehalten bzw. gelagert, so dass sie sozusagen
lose zwischen den beiden Hohlrädern 30, 31 und
dem Sonnenrad 32 eingesetzt sind.
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Die
erste Überlagerungsvorrichtung 6a mit dem
ersten Überlagerungsgetriebe 7a arbeitet
wie folgt:
Beim Drehen des Lenkrades 13 wird das erste
Hohlrad 30 gedreht. Der Elektromotor 8 erzeugt
ein Gegenmoment, das das Sonnenrad 32 festhält. Dadurch
wälzen
die Planetenräder 41 auf
dem Sonnenrad 32 ab. Die beiden Innenverzahnungen der Hohlräder 30, 31 weisen
eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen bzw. unterschiedlichen
Profilverschiebungen auf, so dass das zweite Hohlrad 31 gegenüber dem ersten
Hohlrad 30 verdreht wird. Auf diese Weise erfolgt die Übertragung
der am Lenkrad 13 durchgeführten Lenkbewegung zum Lenkgetriebe 18 und
damit auf die lenkbaren Fahrzeugräder 19.
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Wird
der Elektromotor 8 betrieben, erfolgt dadurch eine Rotation
des Sonnenrades 32. Die Planetenräder 41 wälzen sich
da bei im ersten Hohlrad 30 und im zweiten Hohlrad 31 ab.
Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Zähnen bzw. der unterschiedlichen
Profilverschiebungen der Innenverzahnungen der Hohlräder 30, 31 wird
das zweite Hohlrad 31 gegenüber dem ersten Hohlrad 30 verdreht,
wodurch unabhängig
von der Drehstellung des Lenkrades 13 eine Lenkwinkeländerung
bewirkt wird.
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3 zeigt
eine weitere, zweite Überlagerungsvorrichtung 6b mit
einem angewandelten, zweiten Überlagerungsgetriebe 7b.
Der Getriebeausgang 16 ist anders als beim ersten Überlagerungsgetriebe 7a nicht
vom zweiten Hohlrad 31, sondern von einem Planetenradträger 43 gebildet,
der mit der Ausgangswelle 17 drehfest verbunden ist. Das
zweite Überlagerungsgetriebe 7b weist
nur ein Hohlrad auf, beispielsgemäß das den zweiten Getriebeeingang 15 bildende
erste Hohlrad 30.
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Im
Unterschied zum ersten Überlagerungsgetriebe 7a sind
die Planetenräder 41 nicht
lose zwischen dem Sonnenrad 32 und dem ersten Hohlrad 30,
sondern drehbar auf dem Planetenradträger 43 zwischen dem
zentralen, antreibbaren Sonnenrad 32 und dem ersten Hohlrad 30 gelagert.
Ansonsten entspricht der Aufbau der zweiten Überlagerungsvorrichtung dem
der ersten Überlagerungsvorrichtung 6a.
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Die
Funktionsweise der mit dem zweiten Überlagerungsgetriebe 7b ausgestatteten
zweiten Überlagerungsvorrichtung 6b ist
wie folgt:
Beim Drehen des Lenkrades 13 wird das erste
Hohlrad 30 gedreht. Der Elektromotor 8 erzeugt
ein Gegenmoment, das das Sonnenrad 32 festhält. Dadurch
wälzen
die Planetenräder 41 auf
dem Sonnenrad 32 ab, wodurch der den Getriebeausgang 16 darstellende
Planetenradträger 43 zusammen
mit der Ausgangs welle 17 ebenfalls rotiert. Auf diese Weise erfolgt
die Übertragung
der am Lenkrad 13 durchgeführten Lenkbewegung zum Lenkgetriebe 18 und
damit auf die lenkbaren Fahrzeugräder 19.
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Wird
der Elektromotor 8 betrieben, erfolgt dadurch eine Rotation
des Sonnenrades 32. Die Planetenräder 41 wälzen sich
dabei im ersten Hohlrad 30 ab und versetzen den Planetenradträger 43 und
mit dem Planetenradträger 43 auch
die Ausgangswelle 17 in Rotation. Somit kann unabhängig von
der Drehstellung des Lenkrades 13 eine Lenkwinkeländerung bewirkt
werden.
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Ein
weiteres, drittes Ausführungsbeispiel
der Überlagerungsvorrichtung 6c mit
einem dritten Überlagerungsgetriebes 7c ist
in 4 dargestellt. Das dritte Überlagerungsgetriebe 7c ist
sonnenradlos ausgeführt.
Es weist nur ein exzentrisch angetriebenes Antriebsplanetenrad 45 auf,
dessen Außenverzahnung
mit den Innenverzahnungen der beiden Hohlräder 30, 31 an
einer Eingriffsstelle in Eingriff steht. Das Antriebsplanetenrad 45 bildet
den ersten Getriebeeingang 10 des zweiten Überlagerungsgetriebes 7c.
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Um
das Antriebsplanetenrad 45 exzentrisch anzutreiben, ist
eine als Exzenterwelle 46 ausgebildete Antriebswelle vorgesehen,
wobei das Antriebsplanetenrad drehbar auf einem exzentrischen Abschnitt 47 der
Exzenterwelle 46 gelagert ist. Der exzentrische Abschnitt 47 kann
beispielsweise durch das exzentrische Anordnen eines scheibenähnlichen,
kreisrunden Exzenterteils auf das Ende einer geraden Welle gebildet
werden.
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Bei
der in 4 dargestellten Ausführungsform des dritten Überlagerungsgetriebes 7c ist
der Durchmesser des Antriebsplanetenrades 45 größer als
der Innenradius der beiden Hohlräder 30, 31,
wodurch eine erwünscht
hohe Übersetzung
erreicht wird.
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Im Übrigen entspricht
der Aufbau der dritten Überlagerungsvorrichtung 6c dem
der ersten Überlagerungsvorrichtung 6a,
so dass insoweit auf die Beschreibung zu 2 Bezug
genommen wird. Die dritte Überlagerungsvorrichtung 6c mit
dem dritten Überlagerungsgetriebe 7c arbeitet
wie folgt:
Beim Drehen des Lenkrades 13 erfolgt eine
Drehung des ersten Hohlrades 30. Dabei wird das Antriebsplanetenrad 45 mitgedreht.
Der Elektromotor 8 erzeugt ein Gegenmoment, das die Exzenterwelle 46 festhält, so dass
die Drehbewegung der ersten Hohlrades 30 über das
Antriebsplanetenrad 45 auf das zweite Hohlrad 31 übertragen
wird. Auf diese Weise erfolgt die Übertragung der am Lenkrad 13 durchgeführten Lenkbewegung
zum Lenkgetriebe 18 und damit auf die lenkbaren Fahrzeugräder 19.
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Beim
Betrieb des Elektromotors 8 wälzt sich das Antriebsplanetenrad 45 im
ersten Hohlrad 30 und im zweiten Hohlrad 31 ab.
Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Zähnen bzw. der unterschiedlichen Profilverschiebungen
der Innenverzahnungen der Hohlräder 30, 31,
wird das zweite Hohlrad 31 gegenüber dem ersten Hohlrad 30 verdreht
wodurch unabhängig
von der Drehstellung des Lenkrades 13 eine Lenkwinkeländerung
bewirkt wird. Durch die Wahl des Unterschieds in der Anzahl der
Zähne bzw.
der unterschiedlichen Profilverschiebungen der Innenverzahnungen
der beiden Hohlräder 30, 31 wird
die gewünschte
Getriebeübersetzung
eingestellt.
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Mit
allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Überlagerungsvorrichtung 6, 6a, 6b, 6c kann
auch die in 5 gezeigte Variante des Lenkgetriebes 18' eingesetzt
werden. Anstelle des mit der Zahnstange 21 kämmenden
Lenkgetrieberitzels 20 ist eine Lenkschraube 50 vorgesehen,
die drehfest mit der Ausgangswelle 17 verbunden ist. Die Lenkschraube 50 ist
hohlzylinderähnlich
gestaltet und kann daher von der Antriebswelle 9 durchsetzt werden,
wie dies entsprechend auch beim Lenkgetrieberitzel 20 der
ersten Ausführungsvariante
des Lenkgetriebes 18 der Fall ist.
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Auf
der Lenkschraube 50 sitzt eine ein Außengewinde 51 aufweisende
Lenkmutter 52. Das Außengewinde 51 kämmt mit
einer Verzahnung 53 eines Schwenkhebels 54, der
schwenkbar um eine Lagerstelle 55 gelagert ist. Die Verzahnung 53 des Schwenkhebels 54 ist
dabei konzentrisch zur Lagerstelle 55 angeordnet. Ausgehend
von der Lagerstelle 55 erstreckt sich ein Schwenkarm 56,
der mit seinem der Lagerstelle 55 entgegen gesetzten Ende 57 mit dem
zur Auslenkung der lenkbaren Fahrzeugräder 19 dienenden Lenkgestänge 58 verbunden
ist.
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Bei
einer Rotation der Ausgangswelle 17 rotieren auch die Lenkschraube 50 und
die Lenkmutter 52. Dadurch dreht sich auch die Verzahnung 53 des Schwenkhebels 54 um
die Lagerstelle 55, so dass das Ende 57 des Schwenkarms 56 um
die Lagerstelle 55 verschwenkt wird. Auf diese Weise wird
eine entsprechende Lenkwinkeleinstellung an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 bewirkt.
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Es
versteht sich, dass auch weitere Ausgestaltungen des Lenkgetriebes 18, 18' mit der erfindungsgemäßen Überlagerungsvorrichtung 6 kombiniert
werden könnten.