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Die Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für eine Servo- oder Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Überlagerungslenkungen für Fahrzeuge sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus, dass dem von einem Fahrer an einer Lenkhandhabe gewählten Lenkwinkel bei Bedarf ein zusätzlicher Drehwinkel durch einen Servomotor mit Getriebe überlagert werden kann. Der zusätzliche Drehwinkel wird durch eine elektronische Steuerungs - und/oder Regelungseinrichtung (ASP-Regler) gesteuert und dient zur Erhöhung der Fahrstabilität des Fahrzeugs oder zu sonstigen Zwecken. Beispielsweise wird dazu ein Überlagerungsgetriebe, das als Planetenradgetriebe, wie es in der
DE 101 59 800 A1 oder als Wellgetriebe (harmonic drive), wie es in der
US 6 938 724 B1 offenbart ist, herangezogen.
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Die
WO 2007/038884 A1 oder die
DE10 2005 022 409 A1 beschreiben eine Überlagerungslenkung mit einem, eine erste Getriebeeingangswelle und eine zweite, koaxiale Getriebeeingangswelle aufweisenden, als Wellgetriebe ausgebildeten Überlagerungsgetriebe zur Überlagerung der an beiden Getriebeausgangswellen auftretenden Drehwinkeln auf eine Getriebeausgangswelle des Überlagerungsgetriebes, wobei die erste Getriebeeingangswelle eine Lenkwelle ist, die mit einer Lenkhandhabe wirkverbunden ist, und die zweite Getriebeeingangswelle mit einem Servomotor wirkverbunden ist und ein Gehäuse des Wellgetriebes und/oder ein Gehäuse des Servomotors karosseriefest in dem Fahrzeug angeordnet ist und dass das Verhältnis des kleinsten Innendurchmessers der zweiten Getriebeeingangswelle zu dem größten Außendurchmesser der Lenkwelle über die Länge oder im Axialbereich des Servomotors und des Wellgetriebes 1 bis 2 ist. Aus der
DE10 2005 022 409 A1 ist weiterhin eine Verriegelungseinrichtung bekannt.
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Die Übersetzung der Servo- oder Hilfskraftlenkung setzt sich aus den Übersetzungen des jeweiligen Lenkgetriebes und des Überlagerungsgetriebes zusammen. Ein Überlagerungsgetriebe weist zu diesem Zweck eine erste Getriebeeingangswelle und eine zweite Getriebeeinganswelle auf und überlagert die an den beiden Getriebeeingangswellen auftretenden Drehwinkel auf eine Getriebeausgangswelle, die mit einem Lenkgetriebe und lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist. Soll die Übersetzung beispielsweise aus fahrdynamischen Gründen geändert werden, wird im Fall eines Planetenradgetriebes als Überlagerungsgetriebe der Käfig über einen elektrischen Servomotor angetrieben. Bei einem Well- oder Pulsatorgetriebe wird ein exzentrischer Antriebskern des Wellgetriebes durch einen Servomotor in Drehung versetzt.
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Um bei abgeschaltetem Servomotor, etwa bei Ausfall dessen Energieversorgung, die Funktion der Überlagerungslenkung aufrecht zu erhalten und nicht den an einer Lenkhandhabe durch den Fahrer auf die erste Getriebeeingangswelle eingegebenen Soll-Lenkwinkel durch einen Leerlauf der mit dem Servomotor wirkverbundenen zweiten Getriebeeingangswelle zu kompensieren, sind Verriegelungseinrichtungen, wie sie etwa in der
DE 103 34 057 A1 offenbart ist, bekannt.
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Die bekannten Wellgetriebe, die als Überlagerungsgetriebe eingesetzt sind, und die dazu verwendeten Servomotoren sind aufgrund ihrer Dimensionierung und insbesondere ihrer unterschiedlichen Abmaße in Bezug auf ihre Montage und in Bezug auf ihren Einbau in ein Fahrzeug (package) nicht optimiert und bedürfen eines nicht minimierten Aufwandes diesbezüglich. Zudem verhindern ihre Verriegelungseinrichtungen aufgrund ihrer Dimensionierung eine rasche Montage. Im Fall der Leistungsflußumkehr, also im Fehlerfall, verursachen die verschiedenen Massenträgheitsmomente der Wellgetriebe- und der Servomotormassen aufgrund ihrer verschiedenen Dämpfungskonstanten vermeidbare Spannungsspitzen in den rotierenden Teilen (keine homogene Kette).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlagerungslenkung zu schaffen, die betriebssicher ist und rasch zu montieren und flexibel und rasch in ein Fahrzeug einbaubar ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Überlagerungslenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch daß ein Gehäuse des Wellgetriebes und /oder ein Gehäuse des Servomotors der Überlagerungslenkung so konstruiert sind, dass sie karosseriefest in einem Fahrzeug angeordnet werden können und dass zumindest bei der Wahl der Dimensionierung der zweiten Getriebeeingangswelle und der ersten Getriebeeingangswelle oder Lenkwelle im Axialbereich des Servomotors und des Wellgetriebes darauf geachtet wird, dass diese quasi gegenseitig eine Zentrierfunktion für sich und für an diesen Wellen angebaute Bauteile übernehmen können, indem das Verhältnis des kleinsten Innendurchmessers der zweiten Getriebeeingangswelle zu dem Außendurchmesser der Lenkwelle so gewählt ist, dass dieses etwa 1 bis 2, vorzugsweise nahe 1 beträgt, ist eine Überlagerungslenkung geschaffen, die einfach und rasch in eine Fahrzeugkarosserie einbaubar ist und deren sämtliche Komponenten ihres Wellgetriebes beispielsweise auf die fliegend vormontiert vorliegenden erste und zweite Getriebeeingangswelle rasch selbstzentrierend montierbar sind.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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De erfindungsgemäße Überlagerungslenkung weist bevorzugt ein Verhältnis des Außendurchmessers eines elektrischen Stators des Servomotors im Axialbereich des Servomotors zu dem Außendurchmesser der Getriebeausgangswelle im Axialbereich des Wellgetriebes auf, das zumindest im Axialbereich des Servomotors zwischen etwa 0,5 und 2 liegt. Durch die Wahl dieses Größenverhältnisses sind günstige package-Verhältnisse geschaffen.
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An die Massenträgheitsmomente der drehenden Teile des Wellgetriebes angepasste Massenträgheitsmomente des Servomotors ergeben sich aus der Wahl des Verhältnisses des Innendurchmessers eines Rotors eines elektrischen Servomotors zu dem Außendurchmesser des Rotors, das etwa 0,3 bis 0,9 beträgt. Ist der Rotor unmittelbar auf der als Hohlwelle gebildeten, zweiten Getriebeeingangswelle montiert, so ergeben sich solche angepassten Massenträgheitsmomente bei einem Verhältnis des Außendurchmessers des Rotors zu dem Außendurchmesser der zweiten Getriebeeingangswelle von etwa 1,1 bis 3. Eine in ihrem Konturverlauf ohne größere Sprünge ausgebildete Außenfläche von Servomotor und Wellgetriebe und damit gute package-Verhältniss ergeben sich, wenn erfindungsgemäß das Verhältnis der aktiven Länge des Rotors zu der Länge einer Membran einer radialflexiblen Abrollbuchse des Wellgetriebes etwa zu 0,5 bis 1,5 gewählt wird.
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Die erfindungsgemäße Überlagerungslenkung kann bevorzugt eine Verriegelungseinrichtung aufweisen. Zu diesem Zweck weist die zweite Getriebeeingangswelle einen Bund auf oder ist drehfest mit einem Innenring der Verriegelungseinrichtung verbunden, wobei der Innenring ein oder mehrere vorzugsweise radial verlaufende Vorsprünge trägt, die unter Zwischenlage eines geräuschdämpfenden Elements mit elastomeren Eigenschaften in eine oder mehrere Ausnehmungen eines den Innenring radial umschließenden Außenrings eingreifen. Der Außenring weist vorzugsweise an seinem radialen Umfang taschenartige Vertiefungen mit ein oder mehreren Vorsprüngen auf, die als Anschläge für ein Sperrelement der Verriegelungseinrichtung dienen. Mit Hilfe des Sperrelements lässt sich die zweite Getriebeeingangswelle und damit der Rotor des Servomotors an dem karosseriefesten Gehäuse des Wellgetriebes oder des Servomotors formschlüssig lösbar festlegen.
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Um die Massenträgheitsmomente der rotierenden Teile der Verriegelungseinrichtung an die Massenträgheitsmomente des Wellgetriebes und die des Servomotors anzupassen, kann es zweckmäßig sein, das Verhältnis des Außendurchmessers des Rotors bevorzugt zu dem größten Außendurchmesser des Außenrings der Verriegelungseinrichtung bei etwa 0,5 bis 1,5 zu wählen.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei der Wahl des Verhältnisses des größten Außendurchmessers des Außenrings der Verriegelungseinrichtung zu dem kleinsten Durchmesser des Innenrings von etwa 1,1 bis 3 diese Verhältnisse der Massenträgheitsmomente unterstützt werden, insbesondere auch, wenn der Außenring und der Innenring so dimensioniert werden, dass das Verhältnis des größten Außendurchmessers des Innenrings zu dem größten Außendurchmesser des Außenrings etwa 0,3 bis 1,5 beträgt.
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Besonders günstige Verhältnisse der Massenträgheitsmomente und besonders günstige Montageverhältnisse von Verriegelungseinrichtung zu Servomotor ergeben sich, wenn das Verhältnis des größten Außendurchmessers des Außenrings zu dem Außendurchmesser des Rotors etwa 0,5 bis 1,5 beträgt. Dies unterstützt auch die Wahl des Verhältnisses des größten Außendurchmessers des Außenrings zu dem Außendurchmesser des Stators des Servomotors von etwa 0,2 bis 1,2.
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Günstige Einbau - und package-Verhältnisse der Überlagerungslenkung ergeben sich durch gleichgroße oder ähnlich große Außenabmessungen oder Außendurchmesser der Gehäuse des Wellgetriebes und des Servomotors. Der Durchmesser der Getriebeausgangswelle kann gleich oder ähnlich groß gewählt werden, wie der Außendurchmesser des Stators des Servomotors. Es kann zweckmäßig sein, das Verhältnis zwischen 0,5 bis 1,5 zu wählen. In einem aus package-Gründen besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Überlagerungslenkung ist der Servomotor etwa gleichlang oder genau gleich lang wie das Wellgetriebe. Es kann auch zweckmäßig sein, das Verhältnis der Länge des Servomotors zu der Länge des Wellgetriebes zwischen 0,5 und 1,5 zu wählen.
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Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben. In der Zeichnung zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Überlagerungslenkung,
- 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in 1.
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In 1 ist in einem Längsschnitt eine als Active Steering ausgebildete Überlagerungslenkung 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt. Sie besteht aus einem als elektrischen Hohlwellenmotor ausgebildeten Servomotor 9, der sich an einem karosseriefesten Bauteil über ein Schwenklager 26 an seinem Gehäuse 25 abstützt. Eine Lenkwelle 7, die drehfest mit einer Lenkhandhabe 8 verbunden ist, bildet eine erste Getriebeeingangswelle 2 für ein zu der Überlagerungslenkung 1 gehörigen Überlagerungsgetriebe 5. Das Überlagerungsgetriebe 5 ist als Wellgetriebe 4 gebildet und dessen Gehäuse 24 ist mit dem Gehäuse 25 des Servomotors 9 verschraubt. Das Wellgetriebe 4 dient zur Überlagerung eines auf die erste Getriebeeingangswelle 2 aufgebrachten Lenkwinkel mit einem, von dem Servomotor 9 auf eine zweite Getriebeeingangswelle 3, die koaxial um die erste Getriebeeingangswelle 2 angeordnet ist, aufgebrachten Drehwinkel. Auf der zweiten Getriebeeingangswelle 3 sind Magnete eines Rotors 11 festgelegt.
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Das Verhältnis des Innendurchmessers dIW2 der zweiten Getriebeeingangswelle 3 zu dem Außendurchmesser dAW1 der ersten Getriebeeingangswelle 2 oder Lenkwelle 7 im Axialbereich A des Servomotors 9 und des Wellgetriebes 4 ist nahe 1 gewählt, sodaß die beiden Getriebeeingangswellen 2,3 zentrieren und an und auf ihnen alle rotierenden und nicht rotierenden Teile insbesondere des Wellgetriebes 4 in fliegender Anordnung montierbar sind und anschließend statisch und dynamisch zentriert werden können, bevor das Wellgetriebegehäuse und das Servomotorgehäuse endgültig verschraubt werden. Zur Unterbrechung eines Schallpfades von der ersten zu der zweiten Getriebeeingangswelle 3 sind die erste Getriebeeingangswelle 2 und die zweite Getriebeeingangswelle 3 in Wälzlagern 27 in dem Gehäuse 25 des Servomotors 9 gelagert.
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Die zweite Getriebeeingangswelle 3 ist einstückig mit einem exzentrischen Antriebskern 28 gebildet. Um den ellipsenförmigen Umfang des exzentrischen Antriebskerns 28 ist ein flexibles Kugellager 29 aufgezogen. Der exzentrische Antriebskern 28 greift mit seiner axialen Erstreckung in eine aus elastischem Stahlblech gebildete, topfförmige, einstückig mit einer Membran 12 gebildeten radialflexiblen Abrollbuchse 13 ein. Die radialflexible Abrollbuchse 13 greift unter Wirkung der ellipsenförmigen Aufweitung ihrer Membran 12 durch den exzentrischen Antriebskern 28 mit einer Außenverzahnung an ihrer Membran 12 in an sich bekannter Weise in eine Innenverzahnung an einem drehfest mit einer Getriebeausgangswelle 6 des Überlagerungsgetriebes 5 verbundenen Stützring 30 ein. Der Stützring 30, der Getriebeeingangswellen 2,3 und die Getriebeausgangswelle 6 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Der innenverzahnte Stützring 30 weist eine größere Zähnezahl (z.B. um 2 Zähne größere) auf als die radialflexible Abrollbuchse 13, wodurch eine Verdrehung des Stützrings 30 und damit der Getriebeausgangswelle 6 relativ zu der ersten Getriebeeingangswelle 2 pro Umdrehung des exzentrischen Antriebskernes 28 um die Differenz der Zähnezahl erfolgt. Die erste Getriebeeingangswelle 2 und die radialflexible Abrollbuchse 13 sind drehfest verbunden.
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Um bei einer Fehlfunktion oder bei einem Ausfall des Servomotors 9 zu verhindern, dass die zweite Getriebeeingangswelle 3 mit dem Rotor 11 dreht und somit eine Übertragung eines Drehwinkels der ersten Getriebeeingangswelle 2 und der Lenkhandhabe 8 über die radialflexible Abrollbuchse 13 auf den Stützring 30 und die Getriebeausgangswelle 6 gänzlich unmöglich gemacht und das Fahrzeug nicht steuerbar ist, ist eine elektromechanische Verriegelungseinrichtung 14, wie sie in den 1 und 2 gezeigt ist, zur formschlüssigen Festlegung der zweiten Getriebeeingangswelle 3 an dem karosseriefesten Gehäuse 24 des Wellgetriebes 4 vorgesehen.
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Die Verriegelungseinrichtung 14 ist aus einem Innenring 15, der mit Hilfe einer Kerbzahnwellenverbindung auf der zweiten Getriebeeingangswelle 3 festgelegt ist, einem Außenring 19, der den Innenring 15 radial umgibt und einem dazwischen angeordneten Geräuschdämpfungselement 17 mit elastomeren Eigenschaften gebildet. Der Innenring 15 weist, wie 2 zeigt, mit 120° Versatz zueinander im Wechsel je drei stiftförmige Vorsprünge 16' und je drei höckerförmige Vorsprünge 16 auf, die in insgesamt sechs Ausnehmungen 18 eingreifen. Das Geräuschdämpfungselement 17 mit elastomeren Eigenschaften dient zur Schwingungsentkopplung und zur Schaffung einer definierten Verdrehmöglichkeit des Innenrings 15 relativ zu dem Außenring 19. Es umgibt alle tangentialen Anschlagflächen der Vorsprünge 16, 16' zu dem Außenring 19 hin. Der Außenring 19 weist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in seiner radial äußeren Umfangsfläche taschenartige Vertiefungen 20 auf, in deren Mitte je ein Vorsprung 21, der als Anschlag 22 für ein axialbeweglich gelagertes Sperrelement 23 dient, angeordnet ist.
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Das Sperrelement 23 ist zur Schwingungsentkopplung mit dem Gehäuse 24 in einer elastischen Führung 31 gehalten. Es hat sich gezeigt, dass besonders günstige räumliche Verhältnisse für die Montage der Überlagerungslenkung 1 entstehen, wenn das Verhältnis des Außendurchmessers dAS des Stators 10 des Servomotors 9 zu dem Außendurchmesser dAW3 der Getriebeausgangswelle 6 im Axialbereich AS des Servomotors 9 etwa 0,5 bis 2 ist.
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Zur Anpassung der Massenträgheitsmomente rotierender Teile des Servomotors 9, des Wellgetriebes 4 und der Verriegelungseinrichtung 14 ist es zweckmäßig, das Verhältnis des Innendurchmessers dIR des Rotors 11 des Servomotors 9 zu seinem Außendurchmesser dAR etwa zwischen 0,3 und 0,9 zu wählen. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieses etwa 0,6.
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Auch aus denselben Gründen ist es zweckmäßig das Verhältnis des Außendurchmessers dAR des Rotors11 zu dem Außendurchmesser dAW2 der zweiten Getriebeeingangswelle 3 etwa 1,1 bis 3 zu wählen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis 1,7.
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Günstige Einbauverhältnisse der Überlagerungslenkung 1 ergeben sich, wenn das Vehältnis der aktiven Länge LR des Rotors 11 zu der Länge LM der Membran 12 der radialflexiblen Abrollbuchse 13 des Wellgetriebes 4 etwa 0,5 bis 1,5 beträgt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis 0,77.
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Die Montageverhältnisse der Überlagerungslenkung 1 und ein gutes Dämpfungsmoment bei Leistungsflußumkehr erreicht man bevorzugt auch durch die Wahl des Verhältnisses des Außendurchmessers dAR des Rotors 11 zu dem größten Außendurchmesser dAA des Aussenrings19 der Verriegelungseinrichtung 14 zwischen 0,5 und 1,5. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieses 0,97. Ein gewähltes Größenverhältnis des größten Außendurchmessers dAA des Außenrings 19 der Verriegelungseinrichtung 14 zu dem kleinsten Durchmesser dII des Innenrings 15 von etwa 1,1 bis 3 unterstützt diese gewünschten Eigenschaften der Überlagerungslenkung 1 zudem, wie auch das Verhältnis des größten Außendurchmessers dAA des Innenrings 15 zu dem größten Außendurchmesser dAA des Außenrings 19 im Bereich zwischen 0,3 und 1,5.
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Die beiden letztgenannten Größenverhältnisse betragen in dem Ausführungsbeispiel in 1 1,8 bzw. 1,34.
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Es ist zweckmäßig, um die rotierenden Teile des Servomotors 9 und der Verriegelungseinrichtung 14 einfach auf die Getriebeeingangswellen 2, 3 aufschieben zu können, den größten Aussendruchmesser dAA des Außenrings 19 der Verriegelungseinrichtung 14 etwa gleichgroß wie den Außendurchmesser dAR des Rotors 11 zu wählten. Es ist zweckmäßig, das Verhältnis des größten Außendurchmessers dAA des Außenrings 19 zu dem Außendurchmesser dAS des Stators 10 etwa zwischen 0,2 und 1,2 zu wählen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt es 0,62.
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Es ist ferner zweckmäßig, das Verhältnis des größten Außendurchmessers dAW3 der Getriebeausgangswelle 6 zu dem Außendurchmesser dAS des Stators 10 des Servomotors 9 etwa 0,5 bis 1,5 zu wählen.
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Die Gehäuse 24 und 25 des Wellgetriebes 4 und des Servomotors 9 sind insbesondere in ihrem Außendurchmesser dAW und dAG gleich oder ähnlich zu wählen um eine möglichst stufenarme Außenkontur der Überlagerungslenkung 1 zu erhalten. Auch die Längen LS, Lw der Gehäuse 25 und 24 sind ähnlich oder gleich gewählt.
