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Die Erfindung betrifft eine Überdrehschutzanordnung für ein drehbares Bedienelement in einem Kraftfahrzeug, dessen Drehbereich mehr als eine vollständige Umdrehung beträgt, und das einen Rotor mit einer angeformten mehrgängigen Spiralspur aufweist, wobei die Spiralspur mindestens eine Rampe aufweist.
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Drehbare Bedienelemente können entweder unbegrenzt drehbar ausgeführt sein oder sie weisen einen vorgegebenen Drehbereich auf, der zumeist eine mechanische Drehbegrenzung vorsieht. Beträgt der Drehbereich weniger als eine Umdrehung, so kann der Drehbereich leicht durch mechanische Endanschläge begrenzt werden. Schwieriger sind Drehbegrenzungen vorzusehen, wenn das Bedienelement einen Drehbereich aufweist, der mehr als eine vollständige Umdrehung beträgt. Sind bei einem derartigen Drehsteller keinen Drehbegrenzungen vorgesehen, so sind zumindest Vorkehrungen zu treffen, damit eine Betätigung des Bedienelements über den vorgesehenen Drehbereich hinaus zu keinen Beschädigungen führt.
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In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 017 218 A1 DE 10 2007 017 218 A1 ist ein Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug beschrieben, der über das Lenkrad und die Lenkwelle betätigbar ist wird. Der Lenkwinkelsensor weist einen Rotor mit einer angeformten mehrgängige Spiralkontur auf, in der ein Funktionselement zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors geführt ist.
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Bei der Führung eines Funktionselements entlang einer Spiralspur ergibt sich das Problem, das Funktionselement vor einer „Überdrehung“ über den Anfang oder das Ende der Spiralspur hinaus zu schützen, da hierdurch das Bedienelement beschädigt oder sogar zerstört werden kann.
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Bei dem Lenkwinkelsensor der
DE 10 2007 017 218 A1 besitzt die Spiralkontur an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich rampenartige Anformungen, welche das Funktionselement beim Erreichen eines Endbereichs auf eine angrenzende Bahn der Spiralkontur zurückwirft. Die rampenartigen Anformungen wirken dadurch als ein Überdrehschutz und bewahren das Funktionselement und die Spiralkontur vor Beschädigungen. Der Lenkwinkelsensor besitzt allerdings keine wirkliche Drehbegrenzung.
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Auch andere Komponenten an einer Lenksäule, etwa ein in einer Wickelfederkassette angeordnetes Flachbandkabel, welches drehbare und feststehende Komponenten der Lenksäule elektrisch miteinander verbindet, können durch einen zu weiten Drehbereich des Lenkrads beschädigt werden. Es ist daher erforderlich, die Lenkradbewegung auf eine bestimmte Umdrehungszahl zu begrenzen.
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Bei konventionellen Fahrzeugen besteht eine mechanische Kopplung der Lenkspindel und der Eingangswelle des Lenkgetriebes über eine Gelenkwelle. Die Begrenzung der Lenkbewegung erfolgt in der Regel über einen axialen Anschlag innerhalb des Lenkgetriebes, welches die rotatorische Bewegung des Lenkrades in eine lineare Bewegung wandelt.
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Bei sogenannten Steer-by-wire-Fahrzeugen, bei denen die Bewegungen des Lenkrads mittels elektrischer Signale an einen die Radstellung beeinflussenden Aktuator übertragen werden, steht diese durchgängige Verbindung jedoch nicht, oder zumindest nicht immer, zur Verfügung, da es eines der Hauptmerkmale eines Steer-by-wire-Fahrzeuges ist, die starre Verbindung zwischen Lenkrad und Radbewegung aufzuheben.
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Bereits bestehende Lösungen für einen Überdrehschutz benötigen eine getriebliche Untersetzung, was das Lenkgefühl durch Zahneingriffe und zusätzliche Lagerstellen beeinträchtigt, oder bedienen sich nicht formschlüssiger und damit fehlerträchtiger bzw. überlastbarer Verfahren.
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Das beschriebene Problem, dass Komponenten von Bedienelementen durch ein Überdrehen zerstört werden können, ist selbstverständlich nicht auf Bedienelemente an der Lenksäule des Kraftfahrzeugs beschränkt, sondern kann zum Beispiel auch entsprechend aufgebaute Drehsteller für sonstige Steuerungsfunktionen betreffen.
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Es ergab sich daher die Aufgabe, einen Überdrehschutz für ein Bedienelement in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, der die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet, sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Funktionssicherheit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Ausrückhebel in der Spiralspur geführt ist, der beim Auflaufen auf die Rampe einen Gleitstein in die Ebene eines mit dem Rotor verbundenen Sperrsegments verschiebt.
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Das beschriebene Konzept beruht auf der Idee einen den Drehbereich begrenzenden Anschlag zu schaffen, bei dem die Funktionen „Auslösung“ und „Kraftaufnahme“ auf separate Baugruppen verteilt sind, was bereits einen wesentlichen Unterschied zu bekannten Lösungen darstellt, bei denen die drehbereichsüberwachenden Bauteile auch gleichzeitig die Begrenzung des Drehbereiches übernehmen.
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Die Spiralspur des Rotors wird hier zur Betätigung eines Ausrückhebels verwendet. Zur Erzeugung einer Drehbereichsbegrenzung schlägt der in der Spiralspur laufende Ausrückhebels im Endbereich allerdings nicht einfach an das Ende der Spiralspur an, sondern wird über eine Rampe in axialer Richtung ausgerückt. Diese axiale Ausrückbewegung wird dazu benutzt, das eigentlichen Anschlagselement, einen sogenannten Gleitstein in eine Sperrspur zu schieben, die den Gleitstein über ein Sperrsegment, das mit der Lenksäule verbunden ist, in ein drehfest angeordnetes Gleitsteingehäuse drückt.
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Ändert sich die Drehrichtung, gleitet der Ausrückhebel wieder in die Spiralspur zurück, der Gleitstein wird entlastet und über eine Feder, einen geeigneten Einrückmechanismus wie z. B. einen angeschrägten Einrücknocken oder einen elektromechanischen Antrieb, wieder in seine inaktive Ruhelage zurückgeschoben.
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Die wesentlichen Teile des Sperrmechanismus, Spiralspur, Ausrückmechanismus, Gleitstein und Gleitsteingehäuse, lassen sich aus Metall, aber aufgrund der Konstruktionsweise auch aus Kunststoff fertigen und an beliebiger Stelle, insbesondere im Lenkstrang anbringen, z. B. als Bestandteil eines Lenksäulenmoduls, einer Servolenkungs-Einheit, einer Lenksäule oder einer Wickelfederkassette.
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Die Lagerung des Gleitsteins ist hier bevorzugt als lineare Lagerung mit einem Führungsstift ausgeführt, kann alternativ aber auch durch eine Schwenklagerung des Gleitsteins realisiert sein.
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Durch die Trennung der Funktionen „Auslösung“ und „Kraftaufnahme“ kann man die Geometrien und Werkstoffe von Spiralspur und Ausrückmechanismus auf geringste Reibungswerte und Geräuschentwicklung optimieren, wohingegen die lastaufnehmenden Bauteile hinsichtlich ihrer Form auf Festigkeit hin optimiert werden können.
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Vorteilhafterweise kann der Rotor am Anfang und am Ende der Spiralspur eine Rampe aufweisen, so dass die Überdrehschutzanordnung für beide Drehrichtungen wirksam werden kann.
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Um den Gleitstein leicht beweglich anzuordnen, kann dieser vorteilhaft einen Führungsstift aufweisen, der in einem Gleitsteingehäuse verschieblich gelagert ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Gleitstein verschieblich auf einem Führungsstift gelagert ist, der mit dem Gleitsteingehäuse verbunden ist.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Gleitstein mit einer Feder belastet ist, die den durch den Ausrückhebel in die Sperrposition gedrückten Gleitstein in seine Ausgangslage zurückführt. Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Feder vorgesehen ist, die den Gleitstein innerhalb des Gleitsteingehäuses zentriert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine einzige Feder vorgesehen ist, die beide vorgenannte Funktionen zugleich erfüllt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn am Sperrsegment ein Einrücknocken angeformt ist, der bei einem Zusammentreffen mit dem Gleitstein, den Gleitstein aus der Sperrspur herausdrückt. Hierdurch kann wirkungsvoll verhindert werden, dass der Gleitstein außerhalb der Endpositionen des Bedienelements die Bewegung der Lenkwelle blockiert.
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Das Bedienelement kann ein Lenkrad mit einem Lenkwinkelsensor oder ein elektrischer Drehsteller, oder insbesondere auch, in Vereinigung beider Merkmale, ein Steer-by-wire-Lenkrad sein.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn ein Lenkrad einen Lenkwinkelsensor besitzt, der einen Rotor mit einer mehrgängigen Spiralspur aufweist, und bei dem die Spiralspur des Lenkwinkelsensors zugleich den Ausrückhebel der Überdrehschutzanordnung führt.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Überdrehschutzanordnung,
- 2 eine Ansicht der Überdrehschutzanordnung im Betätigungsbereich,
- 3 eine Ansicht der Überdrehschutzanordnung im Bereich einer Endposition.
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Die
1 zeigt in einer seitlichen Ansicht Teile eines Lenkwinkelsensors
1 mit einer Überdrehschutzanordnung. Verzichtet wurde auf die Darstellung von Gehäuseteilen, die die Anordnung aufnehmen können, sowie auch auf die Darstellung elektronischer Komponenten zur Drehwinkelerfassung, deren konkrete Ausgestaltungen als, beispielsweise aus der
DE 198 35 972 C1 , bekannt vorausgesetzt werden können und zudem zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überdrehschutzanordnung unwesentlich sind.
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Der Lenkwinkelsensor 1 weist einen Rotor 2 auf, der an der nicht dargestellten Lenksäule eines Kraftfahrzeugs montiert werden kann und dort durch eine drehmomentschlüssig mit dem Lenkrad verbundene Lenkspindel angetrieben wird. Der Drehbereich eines Lenkrads beträgt üblicherweise +/- 2 bis 2,5 Umdrehungen, bezogen auf die durch die Geradeausstellung der Räder definierte Mittelstellung.
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Es sei angenommen, dass der Lenkwinkelsensor in einem sogenanntes Steer-by-wire-Fahrzeug montiert ist, bei dem beim Lenken die Verstellung der Räder über einen Aktuator erfolgt, der durch Signale des Lenkwinkelsensors gesteuert wird. Da bei einem solchen Fahrzeug keine direkte mechanische Verbindung vom Lenkrad zu den Rädern besteht, ergibt sich das Problem, dass das Erreichen von Grenzstellungen der Räder für den Fahrer nicht unmittelbar erkennbar ist, da er, etwa durch das Erreichen von Endanschlägen, keine Rückmeldung über die Radstellung erhält.
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Eine solche Rückmeldung, insbesondere durch ein Blockieren der Bewegbarkeit des Lenkrads ist aber erforderlich, da die Spiralspur 3 des Rotors 2 nur eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen zulässt, in denen die bewegliche Sensorkomponente in der Spiralspur 3 geführt ist. Wird diese Komponente über den Anfang oder das Ende der Spiralspur 3 hinaus gedreht, kann der Lenkwinkelsensor mechanisch beschädigt werden.
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Ebenfalls kritisch ist, dass der in den meisten Fahrzeugen im Lenkradgehäuse angeordnete Airbag elektrisch oftmals über einen Flachbandkabel angeschlossen ist, welches in eine sogenannten Wickelfederkassette geführt ist. Das Flachbandkabel wickelt sich bei Lenkradbetätigungen innerhalb der Wickelfederkassette auf und ab und kann daher bei einem Überdrehen des Lenkrads beschädigt werden. Es ist daher wesentlich auch bei einem Steer-by-wire-Fahrzeug den Drehbereichs des Lenkrads mechanisch zu begrenzen.
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Hierzu wurde zunächst erwogen, am Anfang und am Ende der Spiralspur 3 des Rotors 2 jeweils einen Anschlag zu Begrenzung des Lenkraddrehbereichs anzuordnen. Es zeigte sich jedoch, dass solche Anschläge erhebliche Kräfte aushalten müssten, die durch die Lenkradbetätigung übertragen werden. Anschläge in der Spiralspur 3 würden somit schnell beschädigt oder zerstört werden. Dies gilt besonders dann, wenn der Rotor 2 kostengünstig aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist an einem mittleren zylinderförmigen Abschnitt des Rotor 2 parallel zur Spiralspur 3 ein relativ großvolumiges Sperrsegment 8 angeformt, welches die Form eines Kreisringsektors aufweist. Die Seitenkanten dieses Sperrsegments 8 bilden Anschlagflächen 7 zur Begrenzung des Lenkraddrehbereichs aus.
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Als Gegenanschlag ist ein ebenfalls relativ großvolumiger Körper, im folgenden als Gleitstein 6 bezeichnet, vorgesehen, der vertikal verschiebbar in einem Gleitsteingehäuse 10 gelagert ist. Durch diese Verschiebbarkeit kann der Gleitstein 6 in die Ebene des Sperrsegments 8 gebracht bzw. aus dieser Ebene entfernt werden. Die vertikale Lage des Gleitsteins 6 kann so gesteuert werden, dass sich dieser nur am Anfang und am Ende des sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehbereichs des Lenkrads in der Ebene des Sperrsegments 8 befindet.
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Die vertikale Position des Gleitsteins 6 wird durch einen Ausrückhebel 5 gesteuert, der mit einem ersten Endabschnitt an einem Ausleger 15 des Gleitsteingehäuses 10 verschwenkbar gelagert ist, und an dessen zweiten Endabschnitt ein Stift 14 (erkennbar in den 2c und 3c) angeformt ist, der in der Spiralspur 3 des Rotors 2 geführt ist. Auf diesem zweiten Endabschnitt des Ausrückhebels 5 liegt die Unterseite des Gleitsteins 6 auf, so dass der Gleitstein 6 durch vertikale Bewegungen des Ausrückhebels 5 angehoben oder auch abgesenkt werden kann.
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Die 2 zeigt in einer Draufsicht 2a und zwei Schnittansichten (2b, 2c) die Überdrehschutzanordnung in einem mittleren Drehbereich des Lenkrads. Aus der 2c ist ersichtlich, dass der Stift 14 auf einem flachen Abschnitt der Spiralspur 3 aufliegt. Hierdurch befindet sich der auf dem Ausrückhebels 5 aufliegende Gleitstein 6 in einer Lage unterhalb der Ebene des Sperrsegments 8, so dass der Rotor 2, und damit zugleich das mit dem Rotor 2 verbundene Lenkrad frei drehbar ist.
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In der 2b ist außerdem deutlich erkennbar, dass der Gleitstein 6 an einem Führungsstift 9 gelagert ist, der mit dem Gleitstein 6 verbunden ist und innerhalb des Gleitsteingehäuses 10 geführt ist.
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Die 3 zeigt die Überdrehschutzanordnung in einer ihren beiden Endstellungen, in der die weitere Betätigung des Lenkrads in einer Drehrichtung blockiert ist. Hierzu bildet die Spiralspur 3 an ihrem Anfang und an ihrem Ende jeweils ein Rampe 4 aus, von denen eine in der 3c erkennbar ist. Erreicht der Stift 14 des Ausrückhebels 5 eine dieser Rampen 4, so wird der Ausrückhebel 5 durch die Rampe 4 angehoben und bewegt damit den Gleitstein 6 in die Ebene des Sperrsegments 8.
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Beim Weiterdrehen des Lenkrads trifft nun eine der Anschlagflächen 7 des Sperrsegments 8 auf eine Außenfläche des Gleitsteins 6. Der Gleitstein 6 wird innerhalb des Gleitsteingehäuses 10 um den Führungsstift 9 gedreht bis die der anliegenden Anschlagsfläche 7 gegenüberliegende Außenfläche des Gleitsteins 6 auf die Innenwand 11 des Gleitsteingehäuses 10 triff und dort blockiert. Damit ist die Drehbewegung des Lenkrads in dieser Drehrichtung gestoppt.
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Eine Drehung des Lenkrads ist nun lediglich in die entgegensetzte Drehrichtung möglich. Dabei verlässt der Stift 14 des Ausrückhebels 5 die Rampe 4, so dass der Gleitstein 6 entsprechend der Darstellung der 2 wieder in die Lage unterhalb der Ebene des Sperrsegments 8 gelangt.
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Um diese, durch das Eigengewicht des Gleitsteins 6 bewirkte Abwärtsbewegung zu unterstützen kann zwischen dem Gleitstein 6 und der oberen Fläche des Gleitsteingehäuses 10 eine nichtdargestellte Druckfeder angeordnet sein, die den von Gleitstein 6 aus seiner oberen Stellung mit einer Federkraft nach unten schiebt.
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Wichtig ist, dass ein Blockieren des Gleitsteins 6 in der in der 3b dargestellten Lage unbedingt verhindert wird, da ansonsten die Lenkradbeweglichkeit auf ungefähr eine halbe Umdrehung beschränkt bliebe, was zu unfallträchtigen Situationen führen könnte.
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Um eine solche Situation mit Sicherheit auszuschließen, befindet sich in der Ebene des Sperrsegments 8, vorzugsweise genau in der Mitte zwischen den beiden Anschlagflächen 7 des Sperrsegments 8, ein Einrücknocken 12. Wie aus der 1 ersichtlich, sind die in Umfangsrichtung liegenden Außenkanten 13 des Einrücknockens 12 abgeschrägt ausgebildet. Trifft der Einrücknocken 12 mit seinen abgeschrägten Außenkanten 13 auf einen blockierten Gleitstein 6, so drückt der Einrücknocken 12 den Gleitstein 6 in die in der 2b ersichtliche Ausgangsstellung zurück.
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Die Überdrehschutzanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie virtuelle Endanschläge für die Lenkradbetätigung ausbilden. Die relativen hohen Kräfte zum Blockieren der Lenkradbewegung werden hierbei durch robust ausgebildete Elemente, nämlich durch das Sperrsegment 8, das den Gleitstein 6 und das Gleitsteingehäuse 10 aufgenommen. Die Spiralspur 3 und der Ausrückhebel 5 werden dabei nur mit den geringen Kräften belastet, welche die vertikale Verschiebung des Gleitsteins 6 erfordert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkwinkelsensor
- 2
- Rotor
- 3
- Spiralspur
- 4
- Rampe(n)
- 5
- Ausrückhebel
- 6
- Gleitstein
- 7
- Anschlagflächen
- 8
- Sperrsegment
- 9
- Führungsstift
- 10
- Gleitsteingehäuse
- 11
- Innenwand (des Gleitsteingehäuses)
- 12
- Einrücknocken
- 13
- abgeschrägte Außenkanten (am Einrücknocken)
- 14
- Stift (am Ausrückhebel)
- 15
- Ausleger
