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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verriegeln einer Elektrolenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mit der Anordnung ausgestattete Elektrolenkung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
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Zum Verriegeln einer Lenkung in einem Kraftfahrzeug sind schon lange sogenannte Lenkradschlösser bekannt, die am Lenkrad bzw. an der Lenksäule angeordnet sind und mittels eines Verriegelungs- bzw. Sperrelementes die Bewegung des Lenkrades bzw. der Lenksäule blockieren. Dazu greift das Verriegelungs-Element in einen Eingreifabschnitt eines Einrastelementes ein. Bei modernen Lenkungen, insbesondere bei Elektrolenkungen, wird bevorzugt auf der Niedrigmomentenseite des Lenkgetriebes verriegelt. Beispielsweise wird die Antriebs- bzw. Motorwelle des Elektromotors mittels eines Verriegelungselementes in einer bestimmten Position arretiert.
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Aus der
DE 10 2008 040 877 A1 ist eine Anordnung zum Verriegeln einer Lenkung, insbesondere einer Elektrolenkung, bekannt, bei der ein bewegliches Verriegelungs-Element auf der Niedrigmomentenseite des Lenkgetriebes bzw. der Elektrolenkung angeordnet ist und dort auf die Motorwelle, also auf ein Drehmoment-übertragendes Element, wirkt. Dazu greift das bewegliche Verriegelungs-Element (z. B. angefederter Sperrbolzen) in einen Eingriffsabschnitt eines Einrastelementes (z. B. Raststern) ein und blockiert somit die Motorwelle. Um nun die antriebsseitigen und getriebeseitigen Bauteile der Lenkung vor evtl. Überlastung zu schützen, wird vorgeschlagen, zwischen Motorwelle und Einrastelement (Raststern) ein Drehmomenten-begrenzendes Kupplungselement vorzusehen, das z. B. als Reibring ausgebildet sein kann. Dadurch wird eine kostengünstige und effektive Überlastkupplung im Niedermomentenbereich bereit gestellt.
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Aus der
DE 602 01 242 T2 ist ebenfalls eine Anordnung zur Verriegelung einer Elektrolenkung bekannt, bei der an der Motorwelle eine Verriegelungseinrichtung mit einem Raststern vorgesehen ist, der über einen Drehmomenten-Begrenzer mit der Motorwelle verbunden ist.
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Wünschenswert wäre eine Lösung, die auch bei solchen Lenkungen eine Überlastsicherung erzielt, bei denen der Einsatz eines Raststerns an der Motorwelle, insbesondere eines überlastgesicherten Raststerns, aus konstruktiven Erwägungen nicht in Frage kommt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art unter Überwindung der genannten Nachteile in vorteilhafter Weise zu verbessern. Insbesondere soll eine Anordnung zum Verriegeln einer Elektrolenkung vorgeschlagen werden, die im Niedrigmomentenbereich wirkt und mit einer Drehmomenten-begrenzenden Kupplungselement ausgestattet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird eine Elektrolenkung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs vorgeschlagen.
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Demnach wird für eine Elektrolenkung, die ein Riemengetriebe aufweist, vorgeschlagen, dass das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement zwischen einem der Drehmomenten-übertragenden Elemente und dem daran angeordneten Riemenrad angeordnet ist.
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In einer ersten bevorzugten Ausführung ist das erste Drehmoment-übertragende Element die Motorwelle des Elektromotors, wobei das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement zwischen der Motorwelle und dem daran angeordneten ersten Riemenrad angeordnet ist und vorzugsweise als Reibring ausgebildet ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführung ist das zweite Drehmoment-übertragende Element eine Kugelumlaufmutter, wobei das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement zwischen der Kugelumlaufmutter und dem daran angeordneten zweiten Riemenrad angeordnet ist. Demnach kann das Kupplungselement bzw. der Drehmomenten-Begrenzer auch an dem zweiten Riemenrad angeordnet sein, welches die Kugelumlaufmutter eines Kugelumlaufgetriebes (innerhalb eines achsparallel angetriebenen Lenksystems) antreibt. Auch können an beiden Riemenrädern jeweils Drehmomenten-Begrenzer vorgesehen sein. Als Drehmomenten-Begrenzer bzw. Drehmomenten-begrenzendes Kupplungselement wird vorzugsweise ein Reibring verwendet, insbesondere ein gewellter Ring, der ein oder mehrere gewellte Abschnitte aufweist.
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Diese und weitere Vorteile ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Demnach wird ausgehend davon, dass das erste Riemenrad dem antriebsseitigen Ende der Motorwelle angeordnet ist, das Einrastelement (z. B. Raststern) an dem gegenüberliegenden Ende der Motorwelle angeordnet. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Gehäuseabschnitt des Elektromotors, an oder in dem eine Steuerung (Steuergerät) für den Elektromotor angeordnet ist. Somit kann von dem Steuergerät auch die elektrische Stromversorgung und/oder Elektronik für einen Aktuator (Teil der Verriegelungseinheit) genutzt werden, der das Verriegelungselement (Sperrbolzen) zum Eingriff in die Rastungen des Raststerns bewegt.
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Alternativ dazu kann die Funktion der Verriegelung auch in eines der Riemenräder oder sogar in beide Riemenräder integriert werden. Dazu wird mindestens eines der Riemenräder als Einrastelement ausgebildet und mit mindestens einem Eingriffsabschnitt versehen, in den das bewegliche Verriegelungs-Element zur Lenkungsverriegelung eingreift.
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Es können beide Funktionen, Verriegelung und Überlastsicherung, auch in einem Riemenrad vereint ausgebildet werden. Dies wird vorzugsweise an dem großen Riemenrad realisiert. Dazu wird das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement zwischen dem als Einrastelement ausgebildeten Riemenrad und dem zugehörigen Drehmoment-übertragenden Element angeordnet.
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Auch können die Funktionen auch räumlich getrennt voneinander realisiert werden. Der Einbauort des Verriegelungs-Elementes (z. B. Sperrbolzen) und der Einbauort des Drehmomenten-Begrenzers zwecks Überlastsicherung können also verschieden sein. Vorzugsweise wird an dem kleinen Riemenrad die Verriegelung mittels Rastungen realisiert. Das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement wird zwischen dem anderen, nicht als Einrastelement ausgebildeten Riemenrad (hier also dem großen Riemenrad) und dem zugehörigen Drehmoment-übertragenden Element angeordnet. Das bedeutet, dass beispielsweise erfolgt die Verriegelung direkt an der Motorwelle bzw. dem ersten (kleinen) Riemenrad erfolgt; die Überlastsicherung jedoch erfolgt an dem zweiten (großen) Riemenrad. Durch eine räumliche Trennung dieser beiden Funktionen ergeben sich weitere konstruktive Variationsmöglichkeiten.
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Vorgeschlagen wird auch eine Elektrolenkung die eine Verriegelungs-Anordnung aufweist. Vorzugsweise ist die Elektrolenkung als ein achsparalleles Lenksystem ausgebildet.
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Nachfolgend werden die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile im Detail anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Die 1 zeigt den Grundaufbau eines Lenkgetriebes, das mit einem als Elektromotor ausgebildeten Unterstützungsantrieb versehenen ist.
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Die 2 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Verriegeln der Lenkung.
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Die 3 zeigt dazu eine auf der Steuergeräteseite realisierte Verriegelung.
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Die 1 zeigt in einer Gesamtansicht das Lenkgetriebe 1 einer Elektrolenkung, die als achsparallel angetriebenes Lenksystem ausgebildet ist. Das Lenkgetriebe 1 weist dazu ein Riemengetriebe mit Kugelumlaufmutter bzw. Lenkmutter sowie als Unterstützungsantrieb einen Elektromotor 2 auf, der über ein Steuergerät flexibel angesteuert werden kann. Neben weiteren Elementen weist das Lenksystem auch eine (nicht dargestellte) Lenksäule auf, an welcher in herkömmlicher Weise eine konventionelle Verriegelungsvorrichtung bzw. ein Lenkradschloss angebracht werden würde. Erfindungsgemäß wird nun im Niedermomentenbereich des Lenksystems verriegelt, indem an einem Drehmomenten-übertragenem Element des Lenkgetriebes 1 eine Verriegelungs-Anordnung abgebracht wird.
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Wie später noch anhand der 3 beschrieben wird, kann dazu beispielsweise direkt an der Motorwelle 3 auf der Steuergeräteseite des Elektromotors 2 eine Anordnung zum Verriegeln der Lenkung angeordnet werden. Somit befindet sich auf der Steuergeräteseite ein als Raststern ausgebildetes Einrastelement 8 (s. 3) und an dem antriebsseitigen Ende der Motorwelle 3 das zur Überlastsicherung vorgesehene Kopplungselement 5 (s. 2).
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Alternativ dazu kann die Verriegelung und Überlastsicherung auch auf der Antriebsseite des Motors bzw. Niedermomentenseite des Getriebes realisiert werden. Hierzu kann beispielsweise das kleinere Riemenrad an einem Ende als ein Einrastelement ausgestaltet werden, d. h. kann die Verriegelung direkt an der Motorwelle auf der Antriebsseite vorgenommen werden. Ebenfalls auf der Niedermomentenseite aber im Getriebe, nämlich an dem zweiten (größeren) Riemenrad, wird dann eine Überlastschutzfunktion bereitstellt, die durch ein noch näher beschriebenes Drehmomenten-begrenzendes Element erzielt wird.
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Die 2 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei welcher an der Motorwelle selbst ein Drehmomenten-begrenzendes Element angebracht wird. Die Anordnung umfasst den Elektromotor 2 mit seiner Motorwelle 3 sowie das erste daran angeordnete Riemenrad 4, das als kleineres Riemenrad über einen Riemen ein zweites, größeres Riemenrad antreibt. Der Riemen (Flach- bzw. Zahnriemen) sowie das zweite Riemenrad sind hier nicht dargestellt, da der Aufbau eines solchen Riemengetriebes an sich hinlänglich bekannt ist. Auch ist in der 2 die Verriegelungs-Anordnung nicht im Ganzen dargestellt, da hier zunächst die Funktion des Drehmomenten-Überlastschutzes näher beschrieben werden soll:
In der in 2 dargestellten Konstruktion ist dazu zwischen der Motorwelle 3 und dem ersten Riemenrad 4 ein Drehmomenten-begrenzendes Element in Form eines Reibrings 5 vorgesehen. Sobald die (in 3 dargestellte Verriegelung aktiv ist) werden die im Kraftfluss zwischen Lenkhandhabe (Lenkrad) und Elektromotor befindlichen Bauteile (insbesondere Getriebeteile) vor Überlastung geschützt. Denn falls an dem Lenkrad versucht werden, sollte die Verriegelung der Lenkung aufzubrechen (was bei konventionellen Lenkradschlössern häufig versucht wurde), tritt bei einem zu großem Handmoment (mehr als 100 Nm oder gar 200 Nm) die Überlastfunktion ein, indem der Reibring durchrutscht. Der Reibring 5 dient also als Drehmomenten-Begrenzer und ist so dimensioniert (Material, Form, Anzahl der gewellten Abschnitte usw.), dass das auftretende Verriegelungsmoment im Niedrigmomentenbereich auf wenige Newtonmeter und somit bei einem Untersetzungsverhältnis von z. B. 20:1 im Hochmomentenbereich auf die besagten 100 bis 200 Nm begrenzt ist. Durch die Integration in das erste Riemenrad 4 kann der Einsatz eines Drehmomenten-Begrenzers am Ort der Verriegelung (z. B. an einem Raststern) entfallen. Die Verriegelung selbst kann z. B. auch an dem zweiten Riemenrad erfolgen, das die Kugelumlaufmutter antreibt. Das zweite Riemenrad und die Kugelumlaufmutter bzw. Lenkmutter sind hier nicht dargestellt, da diese an sich bekannte Bauteile darstellen. Die Realisierung einer Verriegelung an sich wird nachfolgend anhand der 3 beschrieben.
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Wie die 3 zeigt, ist an dem anderen Ende der Motorwelle 3 (vergl. 2), dort wo auch das Steuergerät sich befindet, eine Verriegelungseinheit 6 zum Verriegeln der Lenkung vorgesehen. Dazu wird an dem dortigen Ende der Motorwelle 3 ein Einrastelement in Form eines Raststerns 8, der mehrere Eingriffabschnitte 8* bzw. Rastungen aufweist, fest auf die Motorwelle 3 aufgepresst. Die Verriegelungseinheit 6 umfasst einen (nicht dargestellten) elektro-motorischen Aktuator, der wiederum ein bewegliches Verriegelungs-Element 7 in Form eines angefederten Sperrbolzens antreibt, der in einen der Eingriffabschnitte 8* eingreifen kann. Somit werden Verriegelung und Überlastsicherung jeweils an dem anderen Ende der Motorwelle 3 realisiert (s. auch 2), so dass zum einen die Verriegelungseinheit 6 die Stromversorgung und/oder Steuerelektronik des Steuergerätes nutzen kann und zum anderen die Überlastfunktion auf der Antriebsseite in einem der Getriebeteile bzw. Riemenräder realisiert und optimiert werden kann.
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Alternativ dazu können beide Funktionen auch auf der Antriebsseite realisiert vereint werden, indem eines der Riemenräder auch (zumindest abschnittsweise) als Raststern ausgebildet wird. In einer ersten Variante (zweites Ausführungsbeispiel) werden dazu an dem ersten (kleineren) Riemenrad Rastungen vorgesehen. Somit wird die Verriegelung direkt an der Antriebsseite der Motorwelle realisiert. Die Überlastfunktion in Gestalt eines Drehmomenten-Begrenzers wird an dem zweiten (größeren) Riemenrad realisiert. Damit besteht im Getriebe auf der Niedermomentenseite ein wirksamer Schutz vor Überlastung.
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In einer weiteren Variante (drittes Ausführungsbeispiel) werden beide Funktionen an einem Riemenrad vereint realisiert, nämlich an dem zweiten (größeren) Riemenrad. Dazu werden an dem zweiten (größeren) Riemenrad Rastungen vorgesehen. Somit wird die Verriegelung im Getriebe an diesem Riemenrad vorgenommen. Außerdem wird zwischen diesem Riemenrad und der Kugelumlaufmutter ein Drehmomenten-Begrenzer für den Schutz vor Überlastung eingebaut. Damit besteht im Getriebe auf der Niedermomentenseite ein Schutz vor Überlastung. Demnach werden in dem großen Riemenrad (nicht dargestellt) sowohl die Rastfunktion wie auch die Überlastfunktion in Gestalt eines Drehmomenten-Begrenzers integriert.
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In allen Ausführungsformen stellt das Kupplungselement eine definierbare Rutschkupplung dar, die im Verriegelungszustand die mit dem Antrieb verbundenen Bauteile und -gruppen einschließlich der Verriegelungseinheit 6, gegen mechanische Überlastung schützt.
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Wie anhand der sich auf das erste Ausführungsbeispiel beziehenden 3 zu sehen ist, befindet sich im Verriegelungszustand der bewegliche Sperrbolzen 7 in einer Rastung 8* des Raststerns 8 – und blockiert somit die Drehung der Motorwelle 3. Auf der anderen Seite des Motors (s. 2) wird mittels des Kupplungselements 5 ein definierbarer Moment im Sollwert eingestellt, bis zu dem eine Verriegelung wirkt. Das Kupplungselement entspricht vorzugsweise einem gewellten Ring 5 und wirkt als Überlastkupplung, die ein dimensionierbares Auslösemoment von beispielsweise 5 Nm betragen kann. Aufgrund des Untersetzungsverhältnisses des Lenkgetriebes (Riementrieb und Kugelumlauf) von beispielsweise 20:1 ergibt sich auf der Hochmomentenseite bzw. auf der Lenkwellenseite ein entsprechendes Auslösemoment von 100 Nm. Da aber die Verriegelung im Niedrigmomentenbereich stattfindet, können die Kupplung 5 und auch der Raststern 8 mit seinen Rastungen 8* wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dasselbe gilt auch für die gesamte Verriegelungseinheit 6, die nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Die Verriegelungseinheit 6 (s. 3) enthält im wesentlichen das Verriegelungs-Element, nämlich den Sperrbolzen 7, der federnd in einem Gehäusabschnitt bzw. Aufnahmeteil gelagert und geführt wird, um zwecks Verriegelung der Lenkung in die Rastungen 8 einzugreifen. Aufbau und Funktion der Verriegelungseinheit 6 sind hier nicht Gegenstand der Anmeldung, sollen aber kurz beschrieben werden:
Das in der Verriegelungseinheit 6 beweglich gelagert Verriegelungs-Element (Sperrbolzen) 7 wird über einen Aktuator indirekt bewegt, der z. B. ein kleiner Elektromotor sein kann. Dieser bewegt über mehrere Gewindeteile den Aufnahmeteil, in dem wiederum der Sperrbolzen 7 gelagert ist und mittels einer Druckfeder elastisch angefedert wird. Um den Sperrbolzen 7 in Eingriff mit den Rastungen 8* zu bringen, treibt der kleine Elektromotor über eine Zahnradstufe eine Gewindespindel an, die wiederum auf eine Gewindehülse wirkt, die in dem Aufnahmeteil integriert ist. Somit wird die Rotationsbewegung des kleinen Elektromotors (Aktuators) in eine translatorische Axialbewegung der beiden Verriegelungs-Elemente, nämlich Aufnahmeteil und Sperrbolzens 7, umgesetzt. Die im Aufnahmeteil befindliche Druckfeder sorgt für eine elastische Anfederung des Sperrbolzens 7, wobei die Federwirkung durch Materialwahl und Dimensionierung der Feder eingestellt werden kann. Zur Entriegelung wird der kleine Elektromotor bzw. Aktuator aktiviert, so dass sich der Sperrbolzen 7 zusammen mit dem Aufnahmeteils zurückzieht. Dazu wird die Drehung des Aktuators bzw. Elektromotors umgekehrt und somit ergibt sich über die Getriebeteile eine Aufwärtsbewegung der beiden Verriegelungs-Elemente, d. h. des Aufnahmeteils und des Sperrbolzens 7. Die führt schließlich zur Freigabe des Raststerns bzw. des ersten Riemenrads 4' und somit zur Entriegelung der Lenkung.
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Die hier vorgeschlagene Erfindung zeichnet sich insbesondere durch den Vorteil aus, dass die Bauteile relativ klein und schwach dimensioniert werden können und trotzdem eine sehr sichere und zuverlässige Verriegelung der Lenkung bewirken. Dabei können die Verriegelungs-Funktion und die Überlastschutz-Funktion separat und räumlich getrennt (an den verschiedenen Riemenrädern) realisiert werden oder auch integriert an einem der Riemenräder realisiert werden. Die Erfindung kann in allen Lenksystemen zum Einsatz kommen, die einen Riementrieb oder dergleichen aufweisen, ist aber insbesondere für Elektrolenkungen geeignet, die eine achsparallele Antriebskonstruktion aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann das Drehmomenten-begrenzende Kupplungselement zumindest an einem der Riemenräder (Riemenscheiben) eingesetzt werden, vorzugsweise an dem ersten Riemenrad. Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das andere Riemenrad (hier: das zweite) mit der Rutschkupplung (Drehmomenten-Begrenzer) versehen.
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Das Einrastelement kann zwar als separates Bauteil ausgeführt werden und z. B. auf der Steuergeräteseite montiert an der Motorwelle angeordnet sein (s. erstes Ausführungsbeispiel; 3), es kann aber auch, vorzugsweise am stirnseitigen Ende, einer Riemenscheibe ausgebildet sein. Wird z. B. die kleine Riemenscheibe mit Rastungen versehen (zweites Ausführungsbeispiel), so wird die andere Riemenscheibe mit dem Kupplungselement versehen. Wird die zweite Riemenscheibe mit Rastungen versehen (drittes Ausführungsbeispiel), so wird die zweite Riemenscheibe auch mit dem Kupplungselement (Drehmomenten-Begrenzer) versehen, das (der) form- und/oder kraftschlüssig zwischen zweiter Riemenscheibe und Kugelumlaufmutter eingebaut ist und bei einer drohenden Überlastung des Antriebs durchrutschen kann, um den Antrieb und damit auch das Lenksystem selbst vor Schaden zu bewahren. Das Auslösemoment bzw. der Momentenschwellwert, der dem Übergang zu einem Überlastungszustand entspricht, kann z. B. durch Dimensionierung des Kupplungselementes genau definiert bzw. eingestellt werden.
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Vorzugsweise befindet sich die Verriegelungseinheit direkt auf oder an einer Antriebs- bzw. Motorwelle eines Unterstützungsantriebs, der in dem Lenksystem angeordnet ist und das unterstützende Moment liefert. Wenn beispielsweise der Unterstützungsantrieb als Elektromotor ausgebildet ist, kann die Verriegelungseinheit platzsparend zwischen Elektromotor und Steuergerät angeordnet werden (s. 3).
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Das erfindungsgemäße Lenksystem zeichnet sich dadurch aus, dass zur Verriegelung der Lenkung die Verriegelungseinheit auf der Niedrigmomentenseite angeordnet ist, wobei diese vorzugsweise unmittelbar in demjenigen Bereich des Lenksystems verriegelt, wo das unterstützende Moment von einem Unterstützungsantrieb, vorzugsweise einem Elektromotor, erzeugt wird. Dabei stellt das Kupplungselement eine definierbare Überlastschutzfunktion dar.
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Bei den für die Erfindung in Frage kommenden Lenksysteme wird von einem Untersetzungsverhältnis von etwa 20:1 ausgegangen, so dass die auf der Niedrigmomentenseite am Unterstützungsantrieb auftretenden Momente um einen entsprechenden Faktor 20 geringer sind als die auf der Hochmomentenseite, also an der Lenksäule selbst. Somit kann bei der Ausgestaltung der hier vorgeschlagenen Anordnung bzw. Verriegelungseinheit mit deutlich kleiner bzw. schwächer dimensionierten Bauteilen vorgegangen werden. Der Überlastungsschutz wirkt auch auf die Verriegelungseinheit selbst und erlaubt deshalb eine weitere schwächere und damit platzsparende und kostengünstige Bauteiledimensionierung, die vorzugsweise mit Kunststoff realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemengetriebe bzw. achsparalleler Riementrieb
- 2
- Elektromotor (Servomotor der Elektrolenkung)
- 3
- Drehmomenten-übertragendes Element, hier: Motorwelle
- 4
- erstes Riemenrad (kleines Riemenrad) des Riementriebs
- 5
- Drehmomenten-begrenzendes Kupplungselement, hier: Reibring
- 6
- Verriegelungseinheit (mit Aktuator)
- 7
- bewegliches Verriegelungs-Element, hier: angefederter Sperrbolzen
- 8
- Einrastelement (Raststern auf der Steuergeräteseite)
- 8*
- Eingriffsabschnitte bzw. Rastungen des Einrastelements
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040877 A1 [0003]
- DE 60201242 T2 [0004]
