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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum gesicherten 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 Eingriffsabschnitt 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 in Form eines Bolzens auf der Niedrigmomentenseite des Lenkgetriebes bzw. der Elektrolenkung angeordnet ist und dort auf die Motorwelle, also auf eine Drehmoment-übertragende Welle, 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 dort 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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Wie auch später anhand der 1 und 2 beschrieben wird, bestehen die bekannten Lösungen aus einem Einrastelement (z. B. Raststern) und einem Drehmomenten-Begrenzer (z. B. Reibring), d. h. aus Bauteilen, die separat gefertigt und aufeinander abgestimmt werden müssen. Zudem erschwert der Umgang mit mehreren Bauteilen die Montage. Wünschenswert wäre eine Lösung, die eine einfachere und kostengünstigere Fertigung sowie Montage ermöglicht.
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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 eine einfachere und kostengünstigere Fertigung sowie Montage ermöglicht.
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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 eine Anordnung zum Verriegeln einer Elektrolenkung vorgeschlagen, wobei das Einrastelement als eine mit der Welle fest verbundene Hülse ausgebildet ist, die den mindestens einen Eingriffsabschnitt aufweist, in welchen der Bolzen eingreift, und dass zur Überlastsicherung der Elektrolenkung Begrenzungen des mindestens einen Eingriffsabschnitts und/oder eine Lagerung des Bolzen federelastisch ausgebildet sind.
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Demnach wird die Überlastsicherung bzw. Drehmomenten-Begrenzung zwischen dem Einrastelement (z. B. Raststern) und dem Verriegelungselement (z. B. Bolzen) realisiert. Dazu wird in diesem Bereich, d. h. an dem Einrastelement und/oder an dem Verriegelungselement eine Elastizität (Material, Konstruktion, Feder oder dergleichen als Zusatzbauteil ...) bereit gestellt. Der Einbau eines Reibrings oder ähnlichem kann entfallen. Es werden also die Verriegelungsfunktion und die Überlastsicherungsfunktion an der Eingriffsstelle zwischen Bolzen und Eingriffsabschnitt realisiert. Die Hülse selbst kann sehr einfach mit der Welle montiert werden; ein Reibring ist nicht erforderlich.
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Vorzugsweise weist die mit der Welle fest verbundene Hülse zumindest einen sich in radialer Richtung erstreckenden Kranz auf, an dem der mindestens eine Eingriffsabschnitt ausgebildet ist, wobei der Bolzen sich in axialer Richtung erstreckt und in den Eingriffsabschnitt eingreift. Der Bolzen kann stiftförmig ausgebildet sein. Demnach wird an der Welle (z. B. Motorwelle) eine Hülse mit mindestens einem Eingriffsabschnitt angebracht, in den ein axial sich erstreckender Bolzen eingreift, um in axialer Richtung zu verriegeln, wobei die Hülse selbst und/oder die Lagerung des Bolzen eine Elastizität aufweist, so dass bei Überlastung der Bolzen sich aus dem Eingriff mit dem Eingriffsabschnitt löst. Dieser axial ausgerichtete Eingriff bzw. diese Verriegelung des Bolzens erlaubt eine kompakte Bauweise der Anordnung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Drehmomentübertragende Welle der Motorwelle eines Elektromotors, wobei die als Einrastelement ausgebildete Hülse fest mit der Motorwelle verbunden ist. Die Hülse kann auch an jeder anderen Welle im Lenkgetriebe montiert sein.
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Vorzugsweise ist die Hülse einstückig durch Umformen eines Metalls, insbesondere aus einem Blechformteil, gefertigt ist. Der zur Verriegelung vorgesehene Bolzen weist bevorzugt ein abgerundetes Ende auf, das in den mindestens einen Eingriffsabschnitt eingreift. Bei Überlastung kann der Bolzen bzw. sein abgerundetes Ende besser aus dem Eingriffsabschnitt herausgleiten.
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Vorzugsweise ist der Bolzen in einem radial beweglichen Verriegelungs-Bauteil axial schwimmend aufgenommen. Hierdurch können Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden.
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Die Hülse ist vorzugsweise aus einem federelastischen Material, insbesondere Metall, gefertigt ist. Dadurch wird die Überlastsicherung direkt durch die Elastizität der Hülse realisiert. Auch kann die Hülse zwei zueinander beabstandete sich jeweils in radialer Richtung erstreckende Kränze aufweisen, an denen jeweils mindestens ein Eingriffsabschnitt ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine symmetrisch konstruierte Hülse, die eine zweifache, also besonders wirksame, Verriegelung mit integrierter Überlastsicherung bereitstellt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Eingriffsabschnitt an dem jeweiligen Kranz durch zwei konvexe Auswölbungen (z. B. Nocken) begrenzt wird, welche (in Umlaufrichtung) die Begrenzungen des Eingriffsabschnitts darstellen und welche insbesondere als eine federelastische konvexe Auswölbungen ausgebildet sein können (z. B. Nocken gebildet durch Blechauswölbung).
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Alternativ dazu kann der mindestens eine Eingriffsabschnitt an dem jeweiligen Kranz als eine Aussparung (z. B. radialer Einschnitt bzw. Schlitz) ausgebildet sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Kranz mehrere schlitz- oder kerbenförmige Aussparungen aufweist, so dass sich mehrere durch die Aussparungen getrennte Zungen, insbesondere federelastische Zungen ausbilden, die die Begrenzungen der Eingriffsabschnitte darstellen. Die jeweilige Zungen kann eine sich in radialer Richtung erstreckende Kante mit einer Fase aufweisen. Dadurch kann bei Überlastung der Bolzen einfacher aus der Rastposition, also aus der aktuellen Aussparung, herausgleiten.
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Diese und weitere Vorteile ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird auch eine Elektrolenkung, die eine solche Verriegelungs- und Überlastsicherungs-Anordnung aufweist.
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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 üblichen Grundaufbau eines Lenkgetriebes, das mit einem als Elektromotor ausgebildeten Unterstützungsantrieb versehenen ist.
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Die 2 zeigt den Aufbau einer bekannten Anordnung mit Einrastelement und Drehmomenten-Begrenzer zum gesicherten Verriegeln der Lenkung im Niedermomentenbereich.
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Die 3 zeigt in einer Querschnittsansicht und als erstes Ausführungsbeispiel den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Einrastelement zum gesicherten Verriegeln der Lenkung im Niedermomentenbereich.
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Die 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das erfindungsgemäße Einrastelement nach 3.
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Die 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht und als zweites Ausführungsbeispiel eine Variante zu dem Einrastelement nach 3 und 4.
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Die 1 zeigt in einer Gesamtansicht den üblichen Aufbau eines Lenkgetriebes 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 könnte. Jedoch wird die Lenkung häufig im Niedrigmomentenbereich, z. B. direkt an der Welle des Elektromotors 2, verriegelt, so wie dies in der 2 dargestellt wird.
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Die 2 zeigt eine herkömmliche Verriegelung im Niedrigmomentenbereich, bei der direkt an der Motorwelle 3 des Elektromotors 2 eine Anordnung zum Verriegeln der Lenkung angeordnet wird. Die Anordnung wird häufig auf der Steuergeräteseite montiert und enthält eine über einen Aktuator antreibbare Verriegelungseinheit 6, die ein bewegliches und als Bolzen ausgebildetes Verriegelungs-Element 7 aufweist, welches in einen Eingriffsabschnitt 8* eines Einrastelementes 8 eingreift. Das Einrastelement 8 ist häufig als Raststern ausgebildet, der auf der Motorwelle 3 montiert wird, wobei zwischen Raststern 8 und Motorwelle 3 ein Drehmomenten-begrenzendes Kupplungselement 5 bzw. ein Drehmomenten-Begrenzer vorgesehen. Der Drehmomenten-Begrenzer dient der Überlastsicherung und ist häufig als Reibring ausgebildet. Die in 2 gezeigte herkömmliche Lösung, die aus einem Raststern und einem separaten Reibring besteht, erfordert bei der Fertigung sowie Montage jedoch einen relativ hohen Aufwand.
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Die 3 zeigt in einer Querschnittsansicht und als erstes Ausführungsbeispiel den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Einrastelement, das als eine einstückige Hülse 14 ausgebildet ist und fest auf die Motorwelle 3 (vergleiche auch 2) montiert werden kann. An der als Einrastelement ausgebildeten Hülse 14 sind sowohl die Verriegelungsfunktion wie auch zumindest einen Teil der Überlastsicherungsfunktion realisiert. In dem hier zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Einrastelement mit einer Elastizität versehen, die vermeidet, dass ein zu hohes Drehmoment auftritt.
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Dazu weist die Hülse 14 zwei zueinander beabstandete Kränze 16 auf, die sich in radialer Richtung Y erstrecken und somit zwei scheibenförmige Seitenwangen ausbilden. Die Hülse 14 bzw. die Kränze 16 sind aus einem federelastischen Blech geformt, wobei an jedem Kranz 16 mehrere Auswölbungen 15' bzw. Nocken ausgeformt sind (s. auch 4).
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Die Auswölbungen 15' stellen die Begrenzungen der Eingriffsabschnitte 15 dar. In die Eingriffsabschnitte 15 kann ein, insbesondere stiftförmiger, Bolzen 12 eingreifen (s. 3), der quer gelagert ist bzw. der sich in axialer Richtung X erstreckt und als Verriegelungs-Element dient. Eine Verriegelung der Motorwelle 3 und somit auch der Lenkung ist hergestellt, wenn die beiden Enden des Bolzens 12 jeweils in einen Eingriffsabschnitt 15 eingreifen. Um nun die Verriegelung vor Überlastung zu schützen, sind die Begrenzungen, d. h. die Auswölbungen 15' federelastisch ausgebildet. Das wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Hülse 14 und deren Kränze 16 aus einem federelastischen Material, hier aus Blech, geformt werden. Tritt nun bei einer Verriegelung ein zu hohes Drehmoment an der Motorwelle 3 auf, gibt das federelastische Material etwas nach und der Bolzen 12 kann sich aus der Begrenzung durch den Nocken 15' lösen. Dies wird dadurch erleichtert, dass die Enden des Bolzens 12 abgerundet sind.
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In der in 3 dargestellten Konstruktion wird der Bolzen 12 zum Engriff mit dem Abschnitt 15 gebracht, der von zwei Nocken 15' begrenzt ist. Zum Eingriff wird Bolzen 12 vertikal (also in radialer Richtung) zur Hülse 14 hin bewegt, bis er sich zwischen den beiden Kränzen 16 befindet und schließlich bei Drehung der Motorwelle 3 in den nächstkommenden Engriffsabschnitt 15 beidseitig einrastet. Solange das Drehmoment nicht einen bestimmten Wert von z. B. 5 Nm übersteigt, bleibt die Einrastung bzw. Verriegelung bestehen. Der Bolzen bleibt in dem Engriffsabschnitt 15, der ein Winkelsegment von beispielsweise 80° abdeckt. Zur vertikalen Bewegung des Bolzens 12 ist dieser in einem Verriegelungs-Bauteil 7* angebracht, das von einem Aktuator 6 vertikal bewegt werden kann. Das Verriegelungs-Bauteil 7* ist als stabförmiges Element ausgebildet (vergl. auch Element 7 in 2). Zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen ist der Bolzen 12 in einer Bohrung des Verriegelungs-Bauteil 7* schwimmend gelagert.
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Die anhand der 3 und 4 beschriebene erste Ausführungsform hat zwei Kränze 16 und ist bezüglich einer mittig verlaufend gedachten vertikalen Achse spiegelsymmetrisch ausgebaut und ermöglicht einen beidseitigen, d. h. doppelten Eingriff des Bolzens 12 in die Eingriffsabschnitte 15. Jedoch kann die Erfindung auch mit nur einem Kranz realisiert werden (z. B. fehlt der linke Kranz an der Hülse nach 4). In diesem Fall kann der Bolzen auch in axialer Richtung bewegt und direkt von einem Aktuator angetrieben werden, wodurch sich wiederum weitere Konstruktionsvarianten ergeben, die ggfs. deutlich weniger Bauraum erfordern als die üblichen Anordnungen (vergl. 2).
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Anstelle der Auswölbungen 15' bzw. Nocken können auch andere Begrenzungen vorgesehen sein. Jede Form von Begrenzung der Eingriffsabschnitte ist denkbar.
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Die 5 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein Einrastelement 24, das auch als Hülse mit zwei Kränzen 26 aufgebaut ist, bei dem aber die Eingriffsabschnitte als Aussparungen 25 bzw. Einschnitte ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich auf jeder Kranzseite eine umlaufende Reihe von Zungen 25' mit den dazwischen liegenden Aussparungen 25, in die ein Bolzen 22 eingreifen kann. Zur Überlastsicherung kann vorgesehen sein, dass die Zungen 25' und vorzugsweise die ganze Hülse 24 federelastisch ausgebildet ist und/oder dass der Bolzen 22 bzw. dessen Lagerung 23 federelastisch ausgebildet ist. In der 5 ist schematisch dargestellt, dass der Bolzen 22 in einer Lagerung aufgenommen ist, die eine federnde Bewegung des Bolzens 22 in axialer Richtung X erlaubt. Sobald das Einrasten bzw. Verriegeln mit einem zu hohen Drehmoment belastet wird, gibt die Federung des Bolzens 22 nach. Folglich löst sich die Verriegelung und der Bolzen rutscht bis zum die nächsten Eingriff durch usw.. Durch Dimensionierung der Schlitze 25 bzw. der Zungen lässt sich der gewünschte Drehmomentenwert genau einstellen. Um im Überlastfall das (kontinuierliche) Durchrutschen des Bolzens 22 zu erleichtern, sind seine beiden Enden abgerundet; außerdem kann jede Zunge 25' mit einer Fase 25'' versehen werden.
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Die hier beschriebene Erfindung kann nicht nur direkt an einer Motorwelle, sondern an jedem Drehmoment-übertragenden Element realisiert werden, wie z. B. an einer Getriebewelle bzw. einem Getrieberad, die/das sich vorzugsweise auf der Niedrigmomentseite des Lenkgetriebes befindet. Sobald die beschriebene Verriegelung bzw. Einrastung aktiv ist, werden durch die integrierte Sicherungsfunktion 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 Bolzen durchrutscht. Die Anfederung sowie Form des Bolzens und/oder die Elastizität des Hülsenmaterials nimmt die Funktion eines integrierten Drehmomenten-Begrenzers wahr und ist so dimensioniert (Material, Form, Größe der Schlitze bzw. des Bolzenkopfes usw.), dass das auftretende Verriegelungsmoment im Niedrigmomentenbereich auf wenige Newtonmeter begrenzt ist. Bevorzugt wird das Einrastelement mit integrierter Überlastsicherung direkt an der Motorwelle montiert, insbesondere an dem Ende der Motorwelle (s. Element 3 in 2), an dem sich auch das Steuergerät befindet. Dadurch kann die Verriegelungseinheit (s. Element 6 in 2) auch die Stromversorgung und/oder Steuerelektronik des Steuergerätes nutzen.
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In allen Ausführungsformen wird durch den mittels Kraft überwindbaren Eingriff des Bolzens 12 bzw. 22 in die Eingriffsabschnitte 15 bzw. 25 (siehe 3–5) eine definierbare Rutschkupplung realisiert, die im Verriegelungszustand die mit dem Antrieb verbundenen Bauteile und -gruppen einschließlich der Verriegelungseinheit, gegen mechanische Überlastung schützt. Diese. integrierte Rutschkupplung wirkt somit als Überlastschutz, der auf ein dimensionierbares Auslösemoment von beispielsweise 5 Nm eingestellt sein kann. Aufgrund des Untersetzungsverhältnisses des Lenkgetriebes (z. B. 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 das Einrastelement und die integrierte Rutschkupplung wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dasselbe gilt auch für die gesamte Verriegelungseinheit.
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Die hier vorgeschlagene Erfindung zeichnet sich insbesondere durch den Vorteil aus, dass sowohl die Verriegelungsfunktion wie auch die Überlastsicherungsfunktion in einem Bauteil, nämlich dem Einrastelement integriert sind. Die Erfindung kann in allen Elektrolenkungen zum Einsatz kommen, insbesondere auch in solchen, die einen Riementrieb oder dergleichen aufweisen.
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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
- Lenkgetriebe (hier: achsparalleler Riementrieb)
- 2
- Elektromotor (Servomotor der Elektrolenkung)
- 3
- Drehmomenten-übertragendes Element, hier: Motorwelle
- 5
- übliches Drehmomenten-begrenzendes Kupplungselement (Reibring)
- 6
- Verriegelungseinheit (mit Aktuator)
- 7
- bewegliches Verriegelungs-Element (angefederter Sperrbolzen)
- 8
- übliches Einrastelement (Raststern)
- 8*
- Eingriffsabschnitte bzw. Rastungen des Einrastelements
- 12
- erfindungsgemäßes Verriegelungs-Element als Bolzen ausgebildet
- 7*
- Verriegelungs-Bauteil, an dem der Bolzen angeordnet ist
- 14
- erfindungsgemäßes Einrastelement (erste Ausführungsform) als Hülse ausgebildet mit:
- 16
- seitlichen Kränzen (scheibenförmigen Seitenwangen)
- 15
- Eingriffsabschnitten (zwischen zwei Nocken ausgebildet)
- 15'
- Auswölbungen bzw. Nocken zur Begrenzung der Eingriffsabschnitte
- 24
- erfindungsgemäßes Einrastelement (zweite Ausführungsform) als Hülse ausgebildet mit:
- 22
- Bolzen (stiftförmig) als Verriegelungselement
- 23
- Feder (in Bolzen-Lagerung)
- 26
- seitlichen Kränzen (mit Schlitzen und Zungen)
- 25
- Eingriffsabschnitten als Schlitze (Kerben) ausgebildet
- 25'
- Zungen (federelastisch) mit Fasen 25''
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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]
