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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkbaugruppe für
eine hydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
ebenso ein Verfahren zur Lenkunterstützung einer hydraulischen
Servolenkung von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
10.
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Servolenkbaugruppen
für hydraulische Servolenkungen von Fahrzeugen umfassen
unter anderem Servoventile, die auch als Drehservoventile oder Drehschieberventile
bekannt sind. Diese regeln den Hydraulikdruck und damit die Lenkunterstützung
in Abhängigkeit vom aufgebrachten Lenkmoment des Fahrers.
Es kommen meist Drehschieberventile zum Einsatz, bei denen sich
eine Eingangswelle, die über eine Lenksäule mit
einem Lenkrad verbunden ist, relativ zu einem Ventilteil (auch als
Steuerhülse oder Sleeve bezeichnet) verdreht, das mit der
Ausgangswelle und bei Zahnstangenlenkungen mit einem Lenkritzel
(auch als Pinion bezeichnet) verbunden ist. Durch ein Torsionssystem
zwischen Eingangswelle und Stellglied werden eine drehmomentabhängige Verstellung
des Stellglieds des Servoventils und damit eine drehmomentabhängige
Ventilcharakteristik realisiert.
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Zur
Verwirklichung diverser weiterer Funktionen eines Momentenstellers,
beispielsweise Spurhalteassistent, Über- und Untersteuerungsassistent, haptisches
Feedback, variable Lenkunterstützung zum Beispiel in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit oder Beladung, Citymode, automatisches
Einparken, Lenkmomentüberlagerung usw., ist eine vom anliegenden
Drehmoment unabhängige Einstellung der Stellung des Stellglieds
zur Beeinflussung der Lenkunterstützungscharakteristik
des Servoventils wünschenswert.
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Ein
derartiges Servolenkventil ist in der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 049 686
A1 beschrieben. Die Druckschrift offenbart einen Verstellmechanismus
für ein hydraulisches Lenkventil, bei dem ein Hohlrad eines
Planetengetriebes drehfest und ein zweites Hohlrad eines zweiten
Planetengetriebes drehbar gelagert ist. Das zweite Hohlrad kann über einen
Aktuator begrenzt verdreht werden. Der Aktuator ist als elektrischer
Stelltrieb ausgeführt, beispielsweise als Elektromotor,
dessen Drehbewegung in eine Hubbewegung umgewandelt wird. Die Hubbewegung
wird über einen Hebel auf das drehbare Hohlrad übertragen.
Ein Verdrehen des drehbaren Hohlrads bewirkt eine Verdrehung eines
Stellglieds des Servoventils. Dies ermöglicht die Einstellung
eines Relativwinkels zwischen dem Stellglied und einer Ausgangswelle
des Servoventils.
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Zur
Realisierung der weiter oben aufgeführten Funktionen eines
Momentenstellers ist es erforderlich, sehr kleine Relativverstellungen,
insbesondere Relativwinkel unter 1/10 Grad, einstellen zu können.
Bedingt durch das Übersetzungsverhältnis der Planetengetriebe
wird ein Differenzwinkel zwischen den Hohlrädern nach dem
Stand der Technik leicht verstärkt auf einen Relativwinkel
zwischen Stellglied und Ausgangswelle übertragen. Somit
muss der an dem drehbar gelagerten Hohlrad eingestellte Differenzwinkel
deutlich unter 1/10 Grad liegen. Hierfür ist ein hochpräziser
und für diese Anwendung teurer Aktuator erforderlich. Ebenfalls
ist für die präzise Einstellung des Differenzwinkels
eine nahezu spielfreie Anlenkung des drehbar gelagerten Hohlrads
erforderlich, was sich neben einer aufwändigen Mechanik ebenso
ungünstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Darüber
hinaus ist eine langlebige und wartungsarme Abdichtung zwischen
dem Aktuator und dem Hebel zur Anlenkung des Hohlrads lediglich
mit hohem Aufwand zu gewährleisten, da der Hebel während
eines Verstellvorgangs keine lineare Bewegung ausführt,
sondern sich entlang einer gekrümmten Bahnkurve bewegt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die Servolenkbaugruppe der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
den Einsatz einer preiswerten Aktuatorik und zudem eine präzise,
insbesondere spielarme Verstellung des Stellglieds eines hydraulischen Servoventils
zu ermög lichen. Darüber hinaus ist es Aufgabe
der Erfindung, eine kompakte und platzsparende Servolenkbaugruppe
bereitzustellen.
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Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Lenkunterstützung
einer hydraulischen Servolenkung bereitzustellen, das den Einsatz
einer preiswerten Aktuatorik und eine spielarme Verstellung des
Stellglieds eines hydraulischen Servoventils ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden in Bezug auf die Servolenkbaugruppe durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 sowie in Bezug auf das Verfahren durch die
Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Weitere, besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen
einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch
sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und
weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung
charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang
mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Servolenkbaugruppe für eine hydraulische Servolenkung,
wie sie insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt, wenigstens
ein hydraulisches Servoventil, wenigstens zwei Planetengetriebe
und wenigstens einen Aktuator.
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Das
hydraulische Servoventil weist im Wesentlichen eine Eingangswelle,
eine Ausgangswelle und ein Stellglied auf. Das Stellglied, auch
als Steuerelement bezeichnet, dient zur Steuerung der Lenkunterstützung
in Abhängigkeit der Relativverdrehung der Eingangswelle
gegenüber der Ausgangswelle. Unter dem Begriff „Stellglied” ist
in dieser Beschreibung stets das Zusammenwirken von im Wesentlichen
zwei Funktionseinheiten, nämlich der Steuerhülse
einerseits und den eingangswellenseitigen Steuerkanten andererseits,
zu verstehen.
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Die
wenigstens zwei Planetengetriebe, die jeweils drei Funktionselemente
aufweisen, dienen zur Übertragung der Drehbewegung einer
Welle des hydraulischen Servoventils, nämlich der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle, auf das Stellglied. Unter dem Begriff „Funktionselement” ist
in dieser Beschreibung ent weder ein Sonnenrad, ein oder mehrere
Planetenräder oder ein Hohlrad eines Planetengetriebes
zu verstehen. Die hierin beschriebene, besonders bevorzugte Ausführungsform
weist beispielsweise Planetengetriebe auf, bei denen das erste Funktionselement
ein Sonnenrad, das zweite Funktionselement ein oder mehrere Planetenräder und
das dritte Funktionselement ein Hohlrad ist. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, dass für die erfindungsgemäße
Servolenkbaugruppe ebenso Planetengetriebe zum Einsatz kommen können,
die jeweils als erstes Funktionselement ein Hohlrad, als zweites Funktionselement
ein oder mehrere Planetenräder und als drittes Funktionselement
ein Sonnenrad aufweisen. Um zum Gegenstand der Erfindung zu gelangen,
ist es demnach unerheblich, ob eine zu übertragende Kraft über
ein Hohlrad in das Planetengetriebe eingeleitet und nach der Übertragung
an einem Sonnenrad ausgeleitet wird oder ob die zu übertragende
Kraft über ein Sonnenrad in das Planetengetriebe eingeleitet
und nach der Übertragung an einem Hohlrad wieder ausgeleitet
wird. Hohlrad und Sonnenrad eines für den erfindungsgemäßen
Gegenstand verwendeten Planetengetriebes sind in ihrer Funktion
als zueinander äquivalent anzusehen.
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Das
erste Planetengetriebe ist dem Stellglied des Servoventils zugeordnet
und das zweite Planetengetriebe ist der Eingangswelle oder der Ausgangswelle
des Servoventils zugeordnet, wobei jeweils das erste Funktionselement,
beispielsweise das Sonnenrad, mit dem Stellglied bzw. der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle verbunden ist. Die zweiten Funktionselemente,
beispielsweise die Planetenräder, sind jeweils zur Kopplung
der Planetengetriebe vorgesehen. Die Kopplung der zwei Planetengetriebe
wird mittels eines gemeinsamen Planetenträgers erzielt,
welcher die Planetenräder der zwei Getriebe jeweils auf
gemeinsamen Wellen trägt. Die zweiten Funktionselemente,
beispielsweise die Planetenräder, können sich
hierbei unabhängig voneinander auf den Wellen drehen. Die
dritten Funktionselemente der Planetengetriebe, beispielsweise die
Hohlräder, sind voneinander unabhängig drehbar gelagert.
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Der
wenigstens eine Aktuator der erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe dient zur Relativverstellung des Stellglieds
gegenüber der Eingangswelle oder der Ausgangswelle. Dies
ermöglicht eine Beeinflussung der Lenkunterstützungscharakteristik.
Hierbei ist zu verstehen, dass die durch einen Fahrer an der Eingangswelle
hervorgerufene Drehbewegung unabhängig von der Aktivität
des Aktuators stets an die Ausgangswelle übertragen wird. Selbst
in dem Fall beispielsweise, in dem der Aktuator ausfällt,
ist die normale Funktion der Servolenkbaugruppe gewährleistet.
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Die
erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe zeichnet sich
gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass der wenigstens
eine Aktuator die dritten Funktionselemente der Planetengetriebe,
beispielsweise die Hohlräder, gleichsinnig verdreht und gleichzeitig
die dritten Funktionselemente relativ zueinander verdreht. Somit
stellt der Aktuator einen Differenzwinkel zwischen den dritten Funktionselementen
der Planetengetriebe ein. Dieser Differenzwinkel wird durch die Übersetzung
der Planetengetriebe leicht verstärkt auf eine Relativverstellung,
insbesondere einen Relativwinkel, zwischen Stellglied und Eingangswelle
oder Ausgangswelle übertragen. Die gleichsinnige Verdrehung
unter gleichzeitiger Relativverdrehung der beiden dritten Funktionselemente der
Planetengetriebe zueinander zur Einstellung einer vergleichsweise
kleinen Relativverstellung, insbesondere eines Relativwinkels, zwischen
Stellglied und Eingangswelle oder Ausgangswelle führt hinsichtlich
des Stands der Technik dazu, dass mit einem betragsmäßig
großen absoluten Drehwinkel, den jedes dritte Funktionselement
zurücklegt und der vom Aktuator bewirkt wird, wenigstens
die gleiche Relativverstellung, insbesondere der gleiche Relativwinkel,
zwischen Stellglied und Eingangswelle oder Ausgangswelle wie im
Stand der Technik eingestellt wird. Auf diese Weise erhöht
die erfindungsgemäße Vorrichtung die Einstellgenauigkeit
der Relativverstellung zwischen Stellglied und Eingangswelle oder Ausgangswelle.
Ferner bedeutet dies, dass aufgrund der höheren Einstellgenauigkeit
kostengünstigere Aktuatoren, die bereits geringeren Stellgenauigkeitsanforderungen
genügen, einsetzbar sind.
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Um
die Relativverstellung des Stellglieds gegenüber der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle rückgängig zu machen, werden
die dritten Funktionselemente der Planetengetriebe, beispielsweise
die Hohlräder, in einer Ausgestaltung der Erfindung durch
den Aktuator in ihre Ausgangsstellung/Nullstellung zurück
gedreht. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße
Servolenkbaugruppe dritte Funktionselemente auf, die jeweils unbegrenzt
drehbar sind. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Zurückstellen
der Relativverstellung des Stellglieds gegenüber der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle auch ohne Zurückdrehen der dritten
Funktionselemente möglich. Hierzu muss der Aktuator lediglich
die dritten Funktionselemente der Planetengetriebe in dieselbe Richtung
wie zur Einstellung eines Differenzwinkels weiterdrehen, um erneut
eine für die Nullstellung erforderliche Relativverstellung
des Stellglieds gegenüber der Eingangswelle oder der Ausgangswelle
zu erreichen. Diese Ausführungsform eignet sich besonders
für den Einsatz kostengünstiger Aktuatoren. Darüber
hinaus bietet diese Ausführungsform den Vorteil einer nahezu
spielfreien Verstellung des Stellglieds, da sowohl der Aktuator
als auch die Planetengetriebe lediglich in eine Richtung gedreht
werden. Alternativ kann ein spielfreies Planetengetriebe auch durch
Vorspannen der dritten Funktionselemente, beispielsweise der Hohlräder, erreicht
werden.
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Aus
Sicherheitsgründen kann es wünschenswert sein,
den Drehwinkel der ersten oder dritten Funktionselemente, beispielsweise
der Sonnenräder oder der Hohlräder, zu beschränken.
Hierzu kann beispielsweise im Bereich dieser Funktionselemente der
Planetengetriebe wenigstens ein Endanschlag vorgesehen sein, der
den Drehwinkel dieser Funktionselemente und somit die Drehbarkeit
des Planetengetriebes begrenzt.
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Vorzugsweise
steht der Aktuator in Dreheingriff mit den Planetengetrieben. Unter
Dreheingriff ist hierbei sowohl eine reibschlüssige als
auch eine formschlüssige Art der Übertragung einer
Drehbewegung von einem Drehelement des Aktuators auf ein Drehelement
eines Getriebes zu verstehen. Diese Ausführungsform bietet
insbesondere den Vorteil, dass die Drehbewegung des Aktuators für
die Übertragung auf die Getriebe nicht in eine Linearbewegung
umgewandelt werden muss, was zu einer besonders kompakten und platzsparenden
Anordnung des Verstellmechanismus einschließlich der Aktuatorik
führt. Darüber hinaus ermöglicht die
Drehbewegung des Aktuators eine einfache und wartungsfreundliche
Abdichtung zwischen Aktuator und Getriebe.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung steht der
Aktuator über zwei Antriebsräder oder ein mehrteiliges
Antriebsrad in Eingriff mit den Planetengetrieben. Besonders bevorzugt
steht der Aktuator jedoch über ein einziges Antriebsrad
in Eingriff mit den Planetengetrieben. Somit ist die gleichsinnige
und gleichzeitig relative Verdrehung der dritten Funktionselemente
der Planetengetriebe, beispielsweise der Hohlräder, zueinander
mittels eines einzigen Aktuators möglich. Dies bietet insbesondere
den Vorteil einer einfachen und platzsparenden Anordnung des Aktuators
sowie eine nahezu spielfreie Relativverstellung des Stellglieds,
da die beiden dritten Funktionselemente lediglich durch einen einzi gen
Aktuator verdreht werden. Ein möglicherweise vorhandenes
Spiel wird von dem einen Aktuator jeweils zu gleichen Teilen auf
die dritten Funktionselemente übertragen, durch Bildung
des Differenzwinkels eliminiert und wirkt sich folglich nicht auf
die Relativverstellung des Stellglieds aus.
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In
einer noch weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist das
Antriebsrad ein zweistufiges Ritzel und die dritten Funktionselemente,
beispielsweise die Hohlräder, weisen jeweils unterschiedliche
Außenverzahnungen auf. Dies ermöglicht die Ausgestaltung
eines insbesondere wartungsfreundlichen, formschlüssigen
Dreheingriffs zwischen dem Aktuator und den dritten Funktionselementen
der Planetengetriebe. Durch eine geeignete Wahl der Außenverzahnungen
der dritten Funktionselemente und der Verzahnungen des zweistufigen
Ritzels lassen sich in einfacher Weise zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse,
die jeweils von dem einen Aktuator auf ein Planetengetriebe wirken,
festlegen. Dadurch lässt sich der Differenzwinkel bei gleichem
absolutem Winkel weiter reduzieren.
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Vorzugsweise
ist bei der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe
zur Abdichtung zwischen Aktuator und Planetengetriebe ein Wellendichtring, ein
O-Ring oder dergleichen vorgesehen. Dieser stellt eine besonders
einfache, kostengünstige und wartungsfreundliche Maßnahme
zur Abdichtung dar.
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Bevorzugt
ist der Aktuator der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe
ein Schrittmotor. Dies ermöglicht das Verdrehen der Planetengetriebe
mit vorherbestimmten, konstanten Schrittwinkeln, was stets zu einem
definierten Verdrehwinkel der Planetengetriebe führt. Schrittmotoren
sind abhängig von ihrer möglichen kleinsten Schrittweite
besonders kostengünstig verfügbar. Die für
den erfindungsgemäßen Gegenstand erforderliche
Minimalschrittweite ermöglicht den Einsatz besonders preiswerter
Aktuatoren. Darüber hinaus kann der Aktuator beispielsweise
auch ein Servomotor oder Hydraulikmotor sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Lenkunterstützung
einer hydraulischen Servolenkung, wie sie insbesondere in Kraftfahrzeugen
eingesetzt wird, weist die folgenden Schritte auf:
- – Steuern der Lenkunterstützung in Abhängigkeit der
Relativverdrehung einer Eingangswelle gegenüber einer Ausgangswelle
mittels wenigstens eines hydraulischen Servoventils, das ein Stellglied
aufweist,
- – Übertragen der Drehbewegung der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle auf das Stellglied mittels wenigstens zweier
Planetengetriebe, von denen jeweils ein erstes Funktionselement
des einen Planetengetriebes mit der Eingangswelle oder der Ausgangswelle
und ein erstes Funktionselement des anderen Planetengetriebes mit
dem Stellglied drehfest verbunden ist und jeweils ein zweites Funktionselement
zur Kopplung der Planetengetriebe vorgesehen ist, und
- – Relativverstellen des Stellglieds gegenüber
der Eingangswelle oder der Ausgangswelle mittels wenigstens eines
Aktuators, um die Lenkunterstützungscharakteristik zu beeinflussen.
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Die
vorstehende Schrittreihenfolge ist nicht als Ausführungssequenz
der Schritte zu verstehen, um zum erfindungsgemäßen
Verfahren zu gelangen. Vielmehr können die Verfahrensschritte
in beliebiger Reihenfolge, insbesondere auch zeitgleich und intermittierend,
ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß werden
die beiden dritten Funktionselemente zur Relativverstellung des
Stellglieds durch den Aktuator jeweils gleichsinnig und gleichzeitig
relativ zueinander verdreht. Zur Bestimmung des Begriffs „Funktionselement” sei
auf die obige Beschreibung der erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe verwiesen.
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Das
gleichsinnige Verdrehen und gleichzeitige Verdrehen der beiden dritten
Funktionselemente der Planetengetriebe, beispielsweise der Hohlräder, relativ
zueinander zum Einstellen eines relativ kleinen Differenzwinkels
zwischen diesen dritten Funktionselementen führt im Vergleich
zum Stand der Technik dazu, dass mit einem betragsmäßig
großen absoluten Drehwinkel, den jedes dritte Funktionselement
zurücklegt und der vom Aktuator bewirkt wird, wenigstens
die gleiche Relativverstellung, insbesondere der gleiche Relativwinkel,
zwischen Stellglied und Eingangswelle oder Ausgangswelle wie im Stand
der Technik eingestellt wird. Auf diese Weise erhöht die
erfindungsgemäße Vorrichtung die Einstellgenauigkeit
der Relativverstellung zwischen Stellglied und Eingangswelle oder
Ausgangswelle. Ferner bedeutet dies, dass aufgrund der hohen Einstellgenauigkeit kostengünstigere
Aktuatoren, die bereits geringeren Stellgenauigkeitsanforderungen
genügen, einsetzbar sind.
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Bevorzugt
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die
dritten Funktionselemente, beispielsweise die Hohlräder,
unbegrenzt gedreht. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist ein
Zurückstellen der Relativverstellung des Stellglieds gegenüber der
Eingangswelle oder der Ausgangswelle ohne Zurückdrehen
der dritten Funktionselemente möglich. Hierzu dreht der
Aktuator lediglich die dritten Funktionselemente der Planetengetriebe
in dieselbe Richtung wie zur Einstellung eines Differenzwinkels
weiter, um erneut eine für die erneute Nullstellung erforderliche
Relativverstellung des Stellglieds gegenüber der Eingangswelle
oder der Ausgangswelle zu erreichen. Diese Ausführungsform
eignet sich bevorzugt für den Einsatz kostengünstiger
Aktuatoren. Darüber hinaus bietet diese Ausgestaltungsform
den Vorteil einer nahezu spielfreien Verstellung des Stellglieds, da
sowohl der Aktuator als auch die Planetengetriebe lediglich in eine
Richtung gedreht werden.
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Aus
Sicherheitsgründen kann es wünschenswert sein,
dass das Verdrehen der ersten oder dritten Funktionselemente, beispielsweise
der Sonnenräder oder der Hohlräder, begrenzt wird.
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Vorzugsweise
werden die Planetengetriebe bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren durch den Aktuator unter Dreheingriff gedreht. Zur Definition des
Begriffs „Dreheingriff” sei wiederum auf die obige Beschreibung
der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe verwiesen.
Diese Ausführungsform bietet insbesondere den Vorteil,
dass die Drehbewegung des Aktuators für die Übertragung
auf die Getriebe nicht in eine Linearbewegung umgewandelt werden muss,
was zu einer besonders kompakten und platzsparenden Anordnung des
Verstellmechanismus einschließlich der Aktuatorik führt.
Ferner ermöglicht die Drehbewegung des Aktuators eine einfache
und wartungsfreundliche Abdichtung zwischen Aktuator und Getriebe.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform
werden die beiden dritten Funktionselemente, beispielsweise die
Hohlräder, bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren durch den Aktuator mittels eines einzigen Antriebsrads
gedreht, das mit den dritten Funktionselementen in Dreheingriff
steht. Somit ist die gleichsinnige Verdrehung und gleichzeitige
Relativverdrehung der dritten Funktionselemente der Planetengetriebe
zueinander mittels eines einzigen Aktuators möglich. Dies
bietet insbesondere den Vorteil einer einfachen und platzsparenden
Anordnung des Aktuators sowie eine nahezu spielfreie Relativverstellung
des Stellglieds, da die beiden dritten Funktionselemente lediglich
durch einen einzigen Aktuator verdreht werden. Ein möglicherweise
vorhandenes Spiel wird von dem einen Aktuator jeweils zu gleichen
Teilen auf die dritten Funktionselemente übertragen, durch
Bildung des Differenzwinkels eliminiert und wirkt sich folglich
nicht auf die Relativverstellung des Stellglieds aus.
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In
einer noch weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden
dritten Funktionselemente, beispielsweise die Hohlräder,
die jeweils eine unterschiedliche Außenverzahnung aufweisen,
durch den Aktuator mittels eines zweistufigen Ritzels gedreht. Dies
ermöglicht die Ausgestaltung eines insbesondere wartungsfreundlichen,
formschlüssigen Dreheingriffs zwischen dem Aktuator und
den dritten Funktionselementen der Planetengetriebe. Durch eine
geeignete Wahl der Außenverzahnungen der dritten Funktionselemente
und der Verzahnungen des zweistufigen Ritzels lassen sich in einfacher
Weise zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse, die
jeweils von dem einen Aktuator auf ein Planetengetriebe wirken,
festlegen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung nicht einschränkend
zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im
Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert
wird. In dieser Zeichnung zeigen:
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1:
eine Schnittansicht entlang der Längsachse einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe,
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2:
einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht
aus 1,
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3:
eine schematische Draufsicht auf ein Planetengetriebe der erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe und
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4:
eine Teilschnittansicht entlang der Längsachse der erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe.
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Die
in den 1 bis 4 dargestellte und im Folgenden
erläuterte erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe
stellt lediglich eine Bauform dar, bei der die Drehbewegung der
Ausgangswelle auf das Stellglied übertragen wird. Hierbei
ist ein Planetengetriebe dem Stellglied und das zweite Planetengetriebe
der Ausgangswelle zugeordnet. Eine andere mögliche Bauform
der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe ist,
die Drehbewegung der Eingangswelle auf das Stellglied zu übertragen,
wobei dann ein Planetengetriebe der Eingangswelle und das zweite
Planetengetriebe dem Stellglied zugeordnet ist.
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1 und 2 zeigen
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe 20 in einer Schnittansicht entlang der
Längsachse. Die dargestellte Servolenkbaugruppe 20 umfasst
im Wesentlichen ein hydraulisches Servoventil, zwei Planetengetriebe 30 und 40 und
einen Aktuator 50.
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Das
Servoventil weist im Wesentlichen eine Eingangswelle 22,
eine Ausgangswelle 28 und ein Stellglied 26 auf.
Die Eingangswelle 22 ist über eine nicht gezeigte
Lenksäule mit einem Lenkrad verbunden. Die Ausgangswelle 28 ist
wiederum mittelbar mit zu drehenden, nicht dargestellten Rädern
verbunden. Die Eingangswelle 22 ist über einen
Torsionsstab 24, der größtenteils von
der Eingangswelle 22 umgeben ist, mit der Ausgangswelle 28 verbunden, wobei
der Torsionsstab 24 an seinem einen Ende drehfest mit der
Eingangswelle 22 und an seinem anderen Ende drehfest mit
der Ausgangswelle 28 verbunden ist. Ferner ist konzentrisch
zur Eingangswelle 22 und um diese herum ein Stellglied 26 angeordnet.
Das Stellglied 26 ist relativ zu der Eingangswelle 22 dreh-
und/oder verschiebbar gelagert.
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Das
Servoventil ist von einem Gehäuse 21 umgeben.
In dem Gehäuse 21 sind ein erstes Planetengetriebe 30 und
ein zweites Planetengetriebe 40 angeordnet. Jedes Planetengetriebe 30, 40 umfasst im
Wesentlichen ein Sonnenrad 36, 46, mehrere Planetenräder 34, 44 und
ein Hohlrad 32, 42. Das erste Planetengetriebe 30 ist
dem Stellglied 26 und das zweite Planetengetriebe 40 der
Ausgangswelle 28 zugeordnet, wobei die Sonnenräder 36, 44 jeweils drehfest
mit dem Stellglied 26 bzw. der Ausgangswelle 28 verbunden
sind. Die Hohlräder 32, 42 der beiden
Planetengetriebe 30, 40 sind voneinander unabhängig
drehbar gelagert. Die Kopplung der zwei Planetengetriebe 30, 40 wird
durch einen gemeinsamen Planetenträger 48 erzielt,
welcher die Planetenräder 34, 44 der
zwei Getriebe 30, 40 jeweils auf gemeinsamen Wellen 49 trägt.
Die Planetenräder 34, 44 sind hierbei
unabhängig voneinander auf den Wellen 49 drehbar
gelagert.
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Die
Hohlräder 32, 42 der zwei Planetengetriebe 30, 40 weisen
jeweils eine Außenverzahnung sowie eine Innenverzahnung
auf. Insbesondere weisen die Hohlräder 32, 42 unterschiedliche
Außenverzahnungen auf, wobei die Anzahl der Zähne
des Hohlrads 42 allgemein kleiner ist als die Anzahl der Zähne
des Hohlrads 32. Das Hohlrad 32 des ersten Planetengetriebes 30 weist
bevorzugt eine Außenverzahnung von 130 bis 190 Zähnen
auf und bevorzugter 150 bis 170 Zähne. Das Hohlrad 42 des
zweiten Planetengetriebes 40 weist eine Außenverzahnung
auf, die bevorzugt 1 bis 10 Zähne und besonders bevorzugt
1 bis 4 Zähne weniger aufweist als die Außenverzahnung
des Hohlrads 32. Eine für die erfindungsgemäße
Servolenkbaugruppe besonders geeignete Abstimmung der Planetengetriebe 30, 40 aufeinander
hat sich beispielsweise gezeigt, wenn das Hohlrad 32 eine
Außenverzahnung von 170 Zähnen und das Hohlrad 42 eine
Außenverzahnung von 169 Zähnen aufweist oder wenn
das Hohlrad 32 eine Außenverzahnung von 150 Zähnen
und das Hohlrad 42 eine Außenverzahnung von 149
Zähnen aufweist.
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Mit
der Außenverzahnung der beiden Hohlräder 32, 42 steht
ein zweistufiges Ritzel 54 in Dreheingriff. Das zweistufige
Ritzel 54 weist ebenfalls zwei unterschiedliche Verzahnungen
auf. Als besonders vorteilhaft für den Antrieb der Hohlräder 32, 42 haben
sich beispielsweise zweistufige Ritzel mit 18 und 17 Zähnen,
17 und 16 Zähnen oder 16 und 15 Zähnen herausgestellt.
Das Ritzel 54 ist drehfest mit einer Antriebswelle 52 eines
Aktuators 50 verbunden.
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Wie
in 1 und 2 zu sehen ist, ist der Aktuator 50 außerhalb
des Gehäuses 21 angeordnet. In dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 50 ein Elektromotor.
Insbesondere ist der Aktuator 50 ein Schrittmotor mit einer
bevorzugten Schrittweite aus dem Bereich von 0,1 Grad bis 10 Grad,
insbesondere 0,5 Grad bis 5 Grad, und besonders bevorzugt 0,9 Grad.
Der Aktuator 50 treibt das zweistufige Ritzel 54 über
die Antriebswelle 52 direkt an. An der Stelle, an der der
Aktuator 50 an dem Gehäuse 21 angebracht
ist, weist das Gehäuse 21 eine Öffnung
auf, durch die die Antriebswelle 52 samt Ritzel 54 zu
Montagezwecken geführt werden kann. Die Abdichtung zwischen
Aktuator 50 und den Planetengetrieben 30, 40 erfolgt
durch einen in den 1 und 2 nicht
dargestellten Wellendichtring, O-Ring oder dergleichen. Der gemeinsame
Planetenträger 48 der beiden Planetengetriebe 30, 40 ist
drehbar mittels entsprechender Lager an der Ausgangswelle 28 gelagert.
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3 stellt
eine schematische Draufsicht auf ein Planetengetriebe der erfindungsgemäßen
Servolenkbaugruppe 20 dar. 4 stellt
die erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe 20 in
einer Teilschnittansicht entlang der Längsachse dar. In 3 ist
ein zweites Planetengetriebe 40 dargestellt, welches ein Hohlrad 42,
drei Planetenräder 44 und ein Sonnenrad 46 umfasst.
Das Sonnenrad 46 ist drehfest mit einer Ausgangswelle 28 verbunden.
Ein Ritzel 54 steht in Dreheingriff mit der Außenverzahnung
des Hohlrads 42 und wird unmittelbar durch einen Aktuator 50 angetrieben.
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Die
beiden Sonnenräder 36, 46 der Planetengetriebe 30, 40 weisen
bevorzugt jeweils einen Durchmesser im Bereich von 40 bis 60 mm
auf, bevorzugter 45 bis 55 mm und besonders bevorzugt 45 mm auf.
Die Sonnenräder 36, 46 weisen bevorzugt 80
bis 110 Zähne und bevorzugter 85 bis 100 Zähne und
besonders bevorzugt 90 Zähne auf. Die Planetenräder 34, 44 der
Planetengetriebe 30, 40 weisen bevorzugt jeweils
einen Durchmesser von 5 bis 15 mm, bevorzugter 8 bis 12 mm und besonders
bevorzugt 10 mm auf. Die Planetenräder 34, 44 weisen
bevorzugt jeweils 10 bis 30 Zähne, bevorzugter 15 bis 25
Zähne und besonders bevorzugt 20 Zähne auf. Die
Hohlräder 32, 42 der Planetengetriebe 30, 40 weisen
bevorzugt jeweils einen Innendurchmesser von 50 bis 80 mm, bevorzugter
60 bis 70 mm und besonders bevorzugt 65 mm auf. Die Hohlräder 32, 42 weisen
bevorzugt jeweils 110 bis 150 Zähne, bevorzugter 120 bis
140 Zähne und besonders bevorzugt 130 Zähne auf.
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Das
Hohlrad 32 des ersten Getriebes 30 weist bevorzugt
einen Außendurchmesser von 60 bis 90 mm, bevorzugter 70
bis 80 mm und besonders bevorzugt 75 mm auf. Das Hohlrad 32 des
ersten Getriebes 30 weist bevorzugt eine Zähnezahl
von 120 bis 180 Zähne, bevorzugter 140 bis 160 Zähne
und besonders bevorzugt 150 Zähne auf. Das Hohlrad 42 des
zweiten Planetengetriebes 40 weist be vorzugt eine Zähnezahl
auf, die 1 Zahn kleiner ist als die Zähnezahl des Hohlrads 32.
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Der
Bereich des Ritzels 54, der mit dem Hohlrad des ersten
Planetengetriebes 30 in Eingriff steht, weist bevorzugt
einen Durchmesser von 6 bis 9 mm, bevorzugter 7 bis 8 mm und besonders
bevorzugt 7,5 mm auf. Der Bereich des Ritzels 54, der mit dem
Hohlrad 42 des zweiten Planetengetriebes 40 in Eingriff
steht, weist bevorzugt eine Zähnezahl auf, die so gewählt
ist, dass der Achsabstand der beiden Paarungen Ritzel 54/Planetengetriebe 30 und
Ritzel 54/Planetengetriebe 40 gleich ist.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe weisen
die Sonnenräder der zwei Planetengetriebe jeweils 98 Zähne
auf. Die Planetenräder der beiden Planetengetriebe weisen
jeweils 16 Zähne auf. Beide Hohlräder der Planetengetriebe
weisen eine Innenverzahnung von jeweils 130 Zähnen auf. Die
Außenverzahnung des Hohlrads des ersten Planetengetriebes
weist 169 Zähne auf. Die Außenverzahnung des Hohlrads
des zweiten Planetengetriebes weist 170 Zähne auf. Das
zweistufige Ritzel weist in dem Bereich, der mit der Außenverzahnung
des Hohlrads des ersten Planetengetriebes in Eingriff steht, 18
Zähne auf und in dem Bereich, der mit der Außenverzahnung
des Hohlrads des zweiten Planetengetriebes in Eingriff steht, 17
Zähne auf.
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Nachfolgend
wird nun die Funktionsweise des Verstellmechanismus der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe
erläutert.
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Wenn
der Aktuator 50 das zweistufige Ritzel 54 dreht,
werden die beiden Hohlräder 32, 42 der Planetengetriebe 30, 40 aufgrund
des Dreheingriffs mit dem Ritzel 54 ebenfalls in Drehung
versetzt. Da die beiden Hohlräder 32, 42 unterschiedliche
Außenverzahnungen aufweisen, stellt sich bei der Drehung ein
Differenzwinkel zwischen den Hohlrädern 32, 42 ein.
Dieser Differenzwinkel wird durch die Übersetzung der Planetengetriebe 30, 40 leicht
verstärkt auf eine Relativverstellung, insbesondere einen
Relativwinkel, zwischen Stellglied 26 und Ausgangswelle 28 übertragen.
Wenn keine Relativverstellung zwischen dem Stellglied 26 und
der Ausgangswelle 28 eingestellt werden soll, werden die
zwei Hohlräder 32, 42 über das
zweistufige Ritzel 54 in Position gehalten.
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Wird
die Eingangswelle 22 gedreht, überträgt
sich das Drehmoment über den Torsionsstab 24 auf
die Ausgangswelle 28. Durch die Drehmomentübertragung
des Torsionsstabs 24 erfolgt eine Verdrehung desselben
und damit der Eingangswelle 22 gegenüber der Ausgangswelle 28.
Eine Lenkbewegung bzw. Rotation der Ausgangswelle 28 führt
nun zu einer Rotation des Sonnenrads 46, das drehfest mit
der Ausgangswelle 28 verbunden ist. Da das demselben Planetengetriebe 40 zugeordnete
Hohlrad 42 an seiner Außenverzahnung durch das
Ritzel 54 festgehalten wird, müssen sich die Planetenräder 44 zwischen dem
Sonnenrad 46 und dem Hohlrad 42 abwälzen. Dieser
Vorgang verursacht eine Rotation des gemeinsamen Planetenträgers 48.
Durch die Rotation des Planetenträgers 48 und
das Festhalten der Hohlräder 32, 42 beider
Planetengetriebe 30, 40 müssen sich die
Planetenräder 34 des dem Stellglied 26 zugeordneten
Planetengetriebes 30 an dessen Hohlrad 32 abwälzen.
Die Rotation dieser Planetenräder 34 bewirkt somit
eine Drehung des Sonnenrads 36, das drehfest mit dem Stellglied 26 verbunden
ist. Bedingt durch die identischen Übersetzungen der zwei
Planetengetriebe 30, 40 wird das dem Stellglied 26 zugeordnete
Sonnenrad 36 um denselben Winkel gedreht wie das der Ausgangswelle 28 zugeordnete Sonnenrad 46.
Somit folgt das Stellglied 26 der Drehung der Ausgangswelle 28.
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Wenn
nun ein Differenzwinkel eingestellt werden soll, wird das zweistufige
Ritzel 54 durch den Aktuator 50 verdreht. Dies
verursacht einen Differenzwinkel zwischen den beiden Hohlrädern 32, 42 der
Planetengetriebe 30, 40. Dieser Differenzwinkel wird
verstärkt mit der Planetengetriebeübersetzung auf
eine Relativverstellung, insbesondere einen Relativwinkel, zwischen
Stellglied 26 und Ausgangswelle 28 übertragen.
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Eine
erste Auslegung des Verstellmechanismus hat gezeigt, dass eine Drehung
des zweistufigen Ritzels 54 um +/– 230 bis 250
Grad, insbesondere 245 Grad, einen Relativwinkel der Sonnenräder 36, 46 von
+/– 2 bis 3 Grad, insbesondere 2,5 Grad, erzielt. Dies
führt zu einer Relativverstellung zwischen Stellglied 26 und
Ausgangswelle 28 von 3 bis 4 Grad, insbesondere 3,5 Grad.
Die Hohlräder 32, 42 bewegen sich bei
dieser Auslegung um +/– 40 bis 50 Grad, insbesondere 45
Grad, was eine einfache Rückstellung ermöglicht.
Falls keine Rückstellung durch Zurückdrehen der
Hohlräder 32, 42 erfolgt, muss das zweistufige
Ritzel 54 um bevorzugt +/– 2 bis 12 Umdrehungen,
bevorzugter 3,5 bis 7 Umdrehungen, gedreht werden, um den für
eine Nullstellung erforderlichen Relativwinkel der Sonnenräder 36, 46 erneut einzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf
die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
So könnte die erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe
beispielsweise auch mit mehr als einem Aktuator ausgestattet sein,
wobei beispielsweise jeweils ein Aktuator ein Planetengetriebe antreibt.
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Darüber
hinaus könnte der Aktuator auch aus einem Servomotor oder
einem Hydraulikmotor gebildet sein, allgemein aus jeder geeigneten
Art von Motor, mit dem sich der Antrieb der Planetengetriebe im
Sinn der Erfindung verwirklichen lässt.
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Die
Anzahl der Planetenräder der in dem Ausführungsbeispiel
beschriebenen Planetengetriebe ist selbstverständlich nicht
auf die in 3 gezeigten drei Planetenräder
beschränkt. Der Fachmann wird beispielsweise bei Berücksichtigung
des von einem Planetengetriebe zu übertragenden Drehmoments
eine erforderliche und geeignete Anzahl Planetenräder vorsehen,
zum Beispiel auch vier oder mehr.
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Außerdem
ist ebenso die Verwendung von zwei Planetengetrieben denkbar, die
nicht dieselbe Übersetzung aufweisen, so dass die Drehung
der Ausgangswelle mit einem anderen Übersetzungsverhältnis
auf das Stellglied übertragen wird. Auf diese Weise wäre
eine Selbstzentrierung der Lenkung möglich.
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Darüber
hinaus ist auch die Verwendung weiterer Zwischengetriebe zusätzlich
zu den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen zwei
Planetengetrieben vorstellbar, um die Übersetzung weiter zu
verändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004049686
A1 [0004]