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Die
Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer
Lenkstange, welche beidseitig mit lenkbaren Rädern verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
Lenkeinrichtungen ist es allgemein bekannt, dass die Lenkbegrenzung
durch das Anschlagen des Radträgers
(Achsschenkel) an dem Lenker oder dem Verlegen der Begrenzung in
das Lenkgetriebe erfolgt, was insbesondere bei Zahnstangen-Lenkeinrichtungen
zu störenden
Anschlaggeräuschen
führen
kann. Deshalb werden zur Dämpfung
des Endanschlags häufig
Anschlagelemente aus elastisch nachgiebigem Material eingesetzt.
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In
elektrisch unterstützten
Lenkeinrichtungen, bei welchen die Rotorbewegung eines Elektromotors
dazu benutzt wird, die manuelle Kraft, die auf die Lenkhandhabe
ausgeübt
wird, zu unterstützen, reichen
aufgrund der Massenträgheit
des Elektromotors derartige Dämpfungskonzepte
oft nicht aus. Um insbesondere eine Beschädigung von Bauteilen am mechanischen
Endanschlag zu vermeiden, wird dort die große Masse des schnell drehenden
Elektromotors über
eine Rutschkupplung abgefangen.
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Um
für konventionelle
wie auch für
hilfs- bzw. fremdkraftunterstützte
Lenkeinrichtungen eine geräuscharme
Begrenzung der Axialbewegung der Lenkstange bzw. Zahnstange in beide
Lenkrichtungen zu erreichen, wird in
DE 10 2005 050 798 A1 vorgeschlagen,
zwischen den beiden axialen Enden des jeweiligen Anschlagelementes
wenigstens ein Stabilisierungselement einzubringen, welches das
Anschlagelement in jeweils im wesentlichen voneinander getrennte
Dämpfungsbereiche
unterteilt. Dadurch ist es möglich,
dass das Anschlagelement ein sehr großes Dämpfungsvolumen aufweist, mit
dem auch große
Massenkräfte über einen
entsprechenden Dämpferweg
abgebaut werden. Jedoch erfordert die Realisierung dieser Lösung in
einer Lenkreinrichtung, dass dort ein ausreichend großer Bauraum
zur Verfügung
steht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Probleme an
Lenkeinrichtungen der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise
zu lösen.
Insbesondere soll eine Lenkeinrichtung, bei der zur Begrenzung der
Axialbewegung in beide Lenkrichtungen Anschlagelemente vorgesehen
sind, so verbessert werden, dass Anschlagsgeräusche möglichst ganz vermieden werden.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch eine Lenkeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1.
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Demnach
wird vorgeschlagen, dass in der Lenkeinrichtung Anschlagelemente
vorgesehen sind, die jeweils mindestens zwei zueinander entgegengerichtet
angeordnete Magnete aufweisen, die eine abstoßende Magnetkraft zur Begrenzung
und Dämpfung
der Axialbewegung erzeugen. Es können
hierzu Permanentmagnete und/oder auch Elektromagnete verwendet werden.
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Wenn
aufgrund der Axialbewegung sich die Magnete näher kommen, stoßen sich
die gegensinnig ausgerichteten magnetischen Pole voneinander ab,
wodurch eine sanfte und geräuschfreie
Dämpfung,
gänzlich
ohne Einsatz von Dämpfungsmaterial, erreicht
wird. Da es zu keiner Materialverformung kommt, treten auch keine
Reibungsverluste bzw. Erwärmungseffekte
auf. Auch ist diese auf Magnetkräften
beruhende Lösung
quasi völlig
verschleißfrei
und kann zudem sehr kompakt ausgeführt werden, so dass nur sehr
geringer Bauraum in der Lenkeinrichtung vorgesehen werden muss.
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Diese
und weitere Vorteile ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Demnach
ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der Magnete als ringförmiger Magnet
ausgebildet ist, der die Lenkstange, die z. B. eine Zahnstange sein
kann, umschließt.
Damit bildet sich eine in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte
Magnetkraft aus, die die Axialbewegung der Lenkstange bzw. Zahnstange
optimal begrenzt.
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In
der vorgeschlagenen Lenkeinrichtung ist vorzugsweise zumindest einer
der Magnete als Permanentmagnet ausgebildet, um eine entsprechend kostengünstige Realisierung
zu erreichen.
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Alternativ
dazu oder auch in Kombination damit kann auch zumindest einer der
Magnete als Elektromagnet ausgebildet sein, um über den Speisestrom des Elektromagneten
die Erzeugung des Magnetfeldes aktiv beeinflussen zu können. Insbesondere
kann damit die Stärke
des Magnetfeldes auf die in der Lenkeinrichtung auftretenden mechanischen Kräfte optimal
einstellt bzw. an diese angepasst werden. Auch kann das Magnetfeld
dynamisch geändert werden,
um z. B. an den momentanen Fahrzustand des Fahrzeuges angepasst
zu werden.
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Wird
mindestens ein Elektromagnet verwendet, so ist es für eine montagefreundliche
und zudem preiswerte Realisierung vorteilhaft, wenn mit dem beweglichen
Bauteil, also mit der Lenkstange selbst, ein Permanentmagnet verbunden
ist, und mit der feststehenden Komponente, also mit dem Lenkgehäuse, der
Elektromagnet verbunden ist, welcher dann dort leicht mit der Elektrik
des Kraftfahrzeuges verdrahtet werden kann.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Elektrik des Fahrzeuges eine Schaltung
zur steuerbaren Stromversorgung des mindestens einen Elektromagneten
aufweist. Die Schaltung kann die Stromversorgung des mindestens
einen Elektromagneten in Abhängigkeit von
mindestens einem den Fahrzustand des Kraftfahrzeuges betreffenden
Parameter ändern.
Dies kann z. B. in Abhängigkeit
von der Lenkgeschwindigkeit, dem Lenkwinkel, und/oder der Fahrgeschwindigkeit
des Kraftfahrzeuges erfolgen.
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Vorzugsweise
ist die Schaltung mit mindestens einem in dem Fahrzeug, insbesondere
in der Lenkeinrichtung, angeordneten Sensor verbunden, der Messungen
für einen
den Fahrzustand des Kraftfahrzeuges betreffenden Parameter ausführt. Auch kann
die Schaltung eine Kalibrierungsfunktion für die Stromversorgung des mindestens
einen Elektromagneten aufweisen. Beispielsweise kann bei der elektrischen
Ansteuerung eine Kalibrierung erfolgen, indem die Lenkung bei Inbetriebnahme
einmal mit Servo-Unterstützung
von Anschlag zu Anschlag gelenkt wird, um so die mechanische Mitte
der Lenkung festzulegen und zu speichern.
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Außerdem kann
die Schaltung auch eine lernfähige
Optimierungsfunktion für
die Stromversorgung des mindestens einen Elektromagneten aufweisen.
Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass ab einem festgelegten
bzw. vorbestimmten Lenkungshub die Dämpfungsfunktion beginnt und
beim Erreichen des Nennhubs die maximal mögliche Dämpfungskraft erreicht wird.
Der Nennhub ist dabei kleiner als der maximal mögliche mechanische Hub.
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Bevorzugt
ist die Schaltung so gestaltet, dass sie die Stromversorgung des
mindestens einen Elektromagneten bei großer Fahrgeschwindigkeit und/oder
bei Geradeausfahrt des Kraftfahrzeuges unterbricht oder zumindest
reduziert.
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Die
Schaltung kann auch noch mit einem Sensor verbunden sein, der den
Abstand zwischen den Magneten misst, um die Stromversorgung des mindestens
einen Elektromagneten in Abhängigkeit es
gemessenen Abstandes zu ändern.
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Nachfolgend
wird die Erfindung näher
anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, bei dem Permanentmagneten eingesetzt werden;
und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, bei dem auch ein Elektromagnet eingesetzt wird,
der von einer Schaltung mit Strom versorgt und angesteuert wird.
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Zahnstangen-Lenkeinrichtung
mit einem Anschlagelement 1, das zwei Magnete 7 und 9 aufweist.
Der gezeigte Ausschnitt betrifft beispielhaft nur eine Seite der
als Zahnstange 2 ausgebildeten Lenkstange. Auf der anderen
(nicht dargestellten) Seite ist für den entgegengesetzten Lenkeinschlag
ein äquivalentes
System mit entsprechendem Anschlagelement angeordnet.
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Die
Zahnstange 2 erstreckt sich axial beweglich in einem Lenkungsgehäuse 3,
wobei die Axialbewegung X in beide Lenkrichtungen durch jeweils
ein erfindungsgemäßes Anschlagelement 1 begrenzt wird,
welches im Bereich der jeweiligen axialen Endes im Innenraum des
Gehäuses 3 positioniert
ist.
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Über eine
nicht dargestellte Lenkhandhabe wird in bekannter Weise eine Lenkbewegung
auf die Zahnstange 2 übertragen.
Die Übertragung
der Lenkbewegung kann dabei beispielsweise über ein Ritzel (nicht dargestellt)
erfolgen. Die Lenkbewegung kann hydraulisch oder durch einen Elektromotor
und ein Getriebe zur Übertragung
der Unterstützungskräfte auf
die Zahnstange 2 unterstützt werden. Das erfindungsgemäße Anschlagelement 1 weist
im wesentlichen zwei sich abstoßende
Magnete 7 und 9 auf und eignet sich in besonderer
Weise für
den Einsatz bei einer elektromechanischen Lenkung, bei der die vom Fahrer
eines Kraftfahrzeugs gewünschte
Lenkbewegung durch einen Elektromotor und ein Getriebe unterstützt wird.
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Die 1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel
einen Längsschnitt
entlang einem Ende der Zahnstange 2, deren axiale Bewegung
X durch das erfindungsgemäße Anschlagselement 1 effektiv
begrenzt wird. Der Spurstangenkopf 4 einer Spurstange 5 ist
fest mit der Zahnstange 2 verbunden. Zwischen dem Spurstangenkopf 4 und
Zahnstange 2 ist eine Scheibe 6 angeordnet. Diese
Scheibe 6 dient als Endanschlag der Zahnstange 2 am
Lenkungsgehäuse 3,
welcher jedoch im normalen Fahrbetrieb nicht erreicht wird, ferner
dient die Scheibe 6 zur axialen Sicherung des Magneten 7 in
Richtung Zahnstange 2. Vorzugsweise ist die Scheibe 6 aus
einem nichtmagnetischen Werkstoff gefertigt, damit sich die zwischen
den Polen ausbildende Magnetkraft nicht beeinflußt oder gar geschwächt wird.
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Der
erste Magnet 7 ist mit dem Spurstangenkopf 4 verbunden
und in der anderen axialer Richtung, z. B. durch ein Sicherungselement 8 gesichert. Der
zweite Magnet 9 ist im Lenkungsgehäuse 3 axial unverschieblich
eingebaut. Die beiden Magnete 7 und 9 sind so
zueinander angeordnet, dass sich jeweils die gleichen Pole, wie
in 1 dargestellt, gegenüberstehen. Dabei ist es unerheblich
ob sich die Nordpole N oder die Südpole S gegenüberstehen.
Es kommt lediglich darauf an, dass die Magnete 7 und 9 sich
gegenseitig abstoßen.
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Da
sich die Magnetpole gegenseitig abstoßen, steigt bei axialer Bewegung
der Zahnstange 2 in Bewegungsrichtung X nun die magnetische
Abstoßkraft
an. Je kleiner der Abstand a wird, desto stärker wirkt die magnetische
Kraft entgegen der Bewegungsrichtung X. Diese magnetische Kraft
wirkt also der Lenkbewegung, welche hydraulisch oder durch einen
Elektromotor erzeugt bzw. unterstützt werden kann, entgegen.
Damit wird die Unterstützungskraft der
Zahnstange 2 in der Nähe
des Endanschlages (Abstand a sehr klein) reduziert und ein hartes
Anschlagen des Spurstangenkopfs 4 am Lenkungsgehäuse 3 wird
verhindert.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Anschlagelementes 1 ist
nicht auf die hier dargestellte Ausführungsform begrenzt, vielmehr
kann das erfindungsgemäße Anschlagelement 1 bei
einem konstruktiv anderen Aufbau an einer geeigneten anderen Stelle
positioniert werden, um die Axialbewegung X der Zahnstange 2 im
Gehäuse 3 zu
begrenzen. Der Gehäuseinnenraum
ist zwar für
die Anordnung des erfindungsgemäßen Anschlagelementes 1 besonders
geeignet, aber andere Anordnungen bzw. Positionierungen sind grundsätzlich auch
möglich.
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Die
Erfindung ist für
jede Art von Lenkstange 2 geeignet. Die Anschlagelemente 1 können z.
B. auch in Kombination mit einem Kugelumlaufgetriebe eingesetzt
werden, wobei die in den Anschlagelementen vorgesehenen Magneten 7 und 9 eine
Beschädigung
desselben zuverlässig
verhindern. Möglich
ist auch der Einsatz bei sogenannten "steer by wire" Lenkeinrichtungen. Für den Einsatz
der erfindungsgemäßen Anschlagelemente
ist die Art und Weise, wie die Lenkstange bzw. Zahnstange 2 in dem
Gehäuse 3 zur
Auslenkung der lenkbaren Räder bewegt
wird, prinzipiell nicht relevant; die Anschlagelemente 1 eignen
sich aber besonders zur Dämpfung hoher
Massekräfte,
wie sie z. B. bei Elektrolenkungen auftreten.
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Wie
in 1 dargestellt sind die beiden Magnete 7 und 9 als
Permanentmagnete ausgebildet. Diese Konstruktion ist sehr kompakt
und läßt sich
besonders kostengünstig
realisieren.
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Die 2 veranschaulicht
ein zweites Ausführungsbeispiel,
bei dem zumindest einer der Magneten als Elektromagnet ausgebildet
ist. In dem hier dargstellten Beispiel sind ein Permanentmagnet 7 und
ein Elektromagnet 9' vorgesehen,
wobei der Elektromagnet 9' bevorzugt
auf der Lenkgehäuseseite 10 angeordnet
ist, um die Verkabelung einfach am ortsfesten Teil anbringen zu
können.
Der Elektromagnet 9' wird
vorzugsweise über
die Fahrzeug-Elektrik mit
Strom versorgt.
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Bei
der Verwendung von einem oder zwei Elektromagneten kann die elektrische
Ansteuerung des oder der Elektromagnete(n) in Abhängigkeit
von Parametern ausgeführt
werden, die den momentanen Fahrzustand des Fahrzeuges betreffen.
Damit kann z. B. erreicht werden, dass die magnetische Kraft in
Abhängigkeit
der Lenkgeschwindigkeit gesteuert bzw. geregelt wird, um bei kleinen
Lenkgeschwindigkeiten erst bei einem kleinen Abstand a eine große Magnetkraft
aufzubauen und somit einen großen
Lenkeinschlag zu realisieren.
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In
der 2 ist die Verkabelung des Elektromagneten 9' mit der Elektrik
des Fahrzeuges gezeigt, wobei die Elektrik eine Schaltung ST umfasst,
die eine gesteuerte Stromversorgung für den Elektromagneten 9' bereitstellt.
Dabei ist die Schaltung ST mit mindestens einem Sensor S1 und S2
verbunden, der jeweils einen Parameter für den Fahrzustand mißt. Der
gezeigte Sensor S1 mißt
z. B. die aktuelle Lenkgeschwindigkeit. Der andere Sensor S2 mißt z. B. den
Abstand zwischen den beiden Magneten 7 und 9', damit die
Stromzufuhr für
den Elektromagneten 9' an
den sich ändernden
Abstand a angepasst werden kann. Somit kann die Ansteuerung entsprechend
einer gewünschten
Kennlinie erfolgen.
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Auch
kann die elektrische Ansteuerung des Elektromagneten 9' in Abhängigkeit
des Lenkwinkels erfolgt. Dann kann bei Geradeausfahrt der Elektromagnet 9' z. B. ganz
abgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Auch bei großen Fahrzeuggeschwindigkeiten
kann der Elektromagnet 9' ebenfalls
abgeschaltet werden, um Energie zu sparen, da zu erwarten ist, dass
in diesem Fahrzustand der Endanschlag durch die Scheibe 6 nicht
erreicht wird.
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Weiterhin
ist die Schaltung ST in der Lage ein Einlernen und/oder eine Kalibrierung
des Elektromagneten 9' durchzuführen. Beispielsweise
enthält die
Schaltung ST einen programmierbaren Mikrocontroller. Damit kann
bei der elektrischen Ansteuerung eine Kalibrierung erfolgen, indem
die Lenkung bei Inbetriebnahme einmal mit Servo-Unterstützung von Anschlag
zu Anschlag gelenkt wird, um so die mechanische Mitte der Lenkung
festzulegen und zu speichern. Auch kann eine lernfähige Optimierungsfunktion
für die
Stromversorgung realisiert werden, indem beispielsweise von dem
Mikrocontroller gesteuert wird, dass ab einem festgelegten Lenkungshub
die Dämpfungsfunktion
beginnt und beim Erreichen des Nennhubs die maximal mögliche Dämpfungskraft
erreicht wird. Der Nennhub ist dabei kleiner als der maximal mögliche mechanische
Hub.
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- 1
- Anschlagelemente
- 2
- Lenkstange,
hier z. B. als Zahnstange ausgebildet
- 3
- Lenkgehäuse
- 4
- Spurstangenkopf
- 5
- Spurstange
- 6
- Scheibe,
die als Endanschlagsfläche
dient
- 7
- erster
Magnet
- 8
- Sicherungselement
- 9
- zweiter
Magnet
- 10
- Lenkgehäuseseite
- X
- axiale
Bewegungsrichtung
- a
- Abstand
zwischen den Magneten 7 und 9