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Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung, insbesondere eine Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einem Lenkgetriebe, in dem eine, von einem elektrischen Servomotor angetriebene Bewegungsschraube angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die
DE 103 10 492 A1 beschreibt eine elektrische Servolenkung mit einem Lenkgetriebe, in dem ein axial verlagerbares Bauteil in Form einer Zahnstange gelagert ist und von einem elektrischen Servomotor angetrieben wird. Die Zahnstange weist einen Spindelabschnitt mit einem Gewinde auf, das mit einem Muttergewinde einer axial unverschieblich in dem Lenkgetriebegehäuse gelagerten Mutter in Eingriff ist. An einem Verzahnungsabschnitt der Zahnstange kämmt ein, mit einer Lenkwelle drehfest verbundenes Ritzel. Das Lenkgetriebegehäuse ist von einem Gehäusedeckel, der von der Zahnstange in einem endseitigen axialen Bereich durchragt wird, abgeschlossen. Die Mutter wird über ein Zugmittelgetriebe von einem elektrischen Servomotor angetrieben. Der Servomotor stellt eine Lenkhilfskraft auf die Zahnstange bereit und wird von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert.
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Bei mit solchen elektrischen Servolenkungen ausgestatteten Fahrzeugen ist die Funktion der Wegfahrsperre oder Diebstahlsicherung durch eine Einrichtung zur Blockierung einer Drehmöglichkeit der Lenkwelle und dem Lenkrad unabhängig von der Servolenkung ausgeführt. So beschreibt die
DE 10 2005 025 834 A1 eine Einrichtung zum Verriegeln einer Servolenkung, bei der ein bewegliches Sperrglied in eine Einrastposition an einer Lenkwelle gebracht werden kann. Das Sperrglied wird von einem elektrischen Getriebemotor bewegt. Demnach ist eine Servolenkung mit einer Verriegelungseinrichtung zum Verriegeln und Entriegeln einer Lenkung bekannt, die ein bewegliches Sperrelement aufweist, das in ein zu der Verriegelungseinrichtung gehöriges Einrastelement eingreift.
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Die bekannte elektrische Servolenkung mit Verriegelungseinrichtung weist zwar den Vorteil auf, dass diese nicht manuell zu betreiben ist, sondern in der Art eines Zugangsberechtigungssystems ein elektronisches Verriegelungsschloß darstellt, das mit einem elektronischen Schlüssel kommuniziert. Die Verriegelungseinrichtung befindet sich aber gleichwohl, wie die an sich bekannten Lenkradschlösser unmittelbar an der Lenkradseite bzw. Lenkwelle und muß somit hohe Momente bzw. Kräfte bei der Verriegelung auffangen. Um eine solch hohe Blockierungskraft ausüben zu können, ist eine stabile, materialintensive und teure Ausführung der Verriegelungseinrichtung notwendig. Dies bedingt den weiteren Nachteil, dass die Verriegelungseinrichtung viel Bauraum beansprucht. Zudem ist die Verriegelungseinrichtung aufgrund ihrer Lage im Fahrzeug leicht zugänglich, sodaß sie keine optimale Sicherheit gegen den Diebstahl des Fahrzeugs darstellen kann.
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Die
DE 603 06 694 T2 zeigt und beschreibt eine Einrichtung zum Verriegeln einer Lenkung in einem Kraftfahrzeug, bei der auf der Hochmomentenseite an einer Lenkwelle eine Verriegelungseinrichtung vorgesehen ist. Alternativ dazu wird vorgeschlagen, eine Verriegelungseinrichtung an der Niedermomentenseite der Servolenkung des Kraftfahrzeugs anzuordnen, wobei ein bewegliches Verriegelungselement oder Sperrelement auf eine, ein Moment übertragende Welle wirkt, insbesondere auf die Antriebswelle eines elektrischen Servomotors der Servolenkung. Das Sperrelement greift in einen Eingriffsabschnitt ein – eine in der Welle angeordnete Eingriffsöffnung. Die Darstellung eines derartigen Eingriffsabschnittes erfordert eine spanabhebende Bearbeitung an der Welle und schwächt die Welle. Zudem sind solche Verriegelungseinrichtungen nicht geeignet, einem Mißbrauchseingriff ausreichend lange Widerstand entgegen zu bringen.
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Die bekannten Fahrzeuge weisen eine Trennung der Funktion „Diebstahlsicherung“ und der Lenkfunktion auf, indem eine meist zwischen einer Lenkhandhabe und einem oberen Kardangelenk an der Lenksäule befindliche Drehblockierungsvorrichtung oder Verriegelungseinrichtung für die Lenksäule vorgesehen ist. Diese konstruktive Gestaltung birgt jedoch eine Anzahl an Nachteilen. So ist eine im oberen Teil der Lenksäule angeordnete Diebstahlsicherungsvorrichtung bauraumintensiv. Eine derartige Diebstahlsicherungsvorrichtung ist zudem aufgrund ihrer Lage in einem Fahrzeug leicht zugänglich, sodaß sie keine ausreichende Sicherheit bietet. Wirkt die Diebstahlsicherung direkt auf die Lenksäule ein, muß diese eine hohe Blockierungskraft ausüben, was eine voluminöse und kostspielige Ausführung notwendig macht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Servolenkung anzugeben, die eine Verrieglungseinrichtung in der Art einer Diebstahlsicherung aufweist, die eine hohe Widerstandsfähigkeit im Missbrauchsfall aufweist und die einfach baut.
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Die Aufgabe wird mit einer elektrischen Servolenkung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch dass eine elektromechanische Verriegelungseinrichtung in dem Lenkgetriebe der elektrischen Servolenkung vorgesehen ist, die ein Sperrelement aufweist, das mit mindestens einem Eingriffsabschnitt eines Einrastelementes in oder außer Eingriff bringbar ist, wobei das Einrastelement der Verriegelungseinrichtung zumindest mittelbar drehfest mit der Mutter verbunden ist, ist eine konstruktive Maßnahme vorgeschlagen, die Standfestigkeit einer elektrischen Servolenkung im Missbrauchsfall insbesondere hinsichtlich der benötigten Zeit zum Überwinden der Verriegelungsfunktion deutlich über die geforderten 8 Minuten, beispielsweise auf 2½ Stunden anzuheben. Dies ist deshalb möglich, da die Verriegelungseinrichtung direkt eine Blockierung der Mutter zur Axialverschiebung des axial verlagerbaren Bauteils, insbesondere der Zahnstange bewirkt. Ein etwaiger Missbrauchseingriff an einem die Mutter antreibenden Servomotor oder an einem Getriebe zwischen dem Servomotor und der Mutter bleibt daher wirkungslos.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Um einem Missbrauchseingriff vorzugsweise an allen elektrischen und mechanischen Komponenten der Verriegelungseinrichtung wirkungsvoll entgegentreten zu können – etwa durch Anwendung von Bohr- oder Trennwerkzeugen – ist es zweckmäßig, die Verriegelungseinrichtung durch ein Gehäuse aus einem vorzugsweise glatten Stahlblech, oder in Teilen aus Stahlblech, vorzugsweise Federstahl, zu schützen. Das Gehäuse kann die Verriegelungseinrichtung dabei vollumfänglich umgeben oder das Gehäuse ist an Stellen zwischen der äußeren Umgebung der Verriegelungseinrichtung und der Verriegelungseinrichtung angeordnet, an denen ein Mißbrauchseingriff oder Angriff zum Zwecke des Diebstahls eines Fahrzeugs möglich ist. Ein glattes Stahlblech ohne Versteifungsrippen oder Umformbereiche, die einen Ansatz von Trenn- oder Bohrwerkzeugen ermöglichen, ist zur Abwehr eines Mißbrauchseingriffes gut geeignet.
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Neben einer mechanischen Komponente der Schutzeinrichtung in Form eines Gehäuses aus Stahlblech oder Panzerbereiche an der Verriegelungseinrichtung ist es zweckmäßig, in die Schutzeinrichtung eine elektronische Komponente zum Schutz der Verriegelungseinrichtung zu integrieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der elektrischen Servolenkung ist daher eine Koppelung der Funktion einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung der Servolenkung mit einem Steuergerät für die Verriegelungseinrichtung, etwa ein Steuergerät eines elektronischen Zündschlosses vorgesehen. Die Koppelung kann mit Hilfe einer Busverbindung, vorzugsweise einer CAN-Busverbindung oder einer FlexRay-Verbindung der genannten Steuergeräte erfolgen. Dabei kann vorzugsweise zumindest das Steuergerät in dem Gehäuse der Schutzeinrichtung aus Stahlblech untergebracht sein.
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Das Steuergerät und die Verriegelungseinrichtung sind bevorzugt Teil eines Zugangsberechtigungssystems eines Fahrzeugs, wobei nach positiver Überprüfung codierter Daten eines Fahrers und eines von diesem mitgeführten Datenträgers mit im Fahrzeug gespeicherten, codierten Daten das Zugangsberechtigungssystems überwunden wird. Dabei werden kryptologisch codierte Daten zwischen einem sogenannten Schlüssel und dem Steuergerät ausgetauscht und analysiert. Signalübertragende Kabelverbindungen und Versorgungsspannung übertragende Leitungen sind bevorzugt in dem Gehäuse aus Stahlblech oder dergleichen, einen Missbrauchseingriff verhindernden Materialien angeordnet. Insgesamt ist durch die Verknüpfung des Steuergeräts für die Verriegelungseinrichtung mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung der Servolenkung oder gar der Integration des Steuergerätes in die Steuer- und/oder Reglungseinrichtung eine leicht manipulierbare Steckverbindung der Geräte im Fahrzeug ausgeschlossen. Das Steuergerät ist vorzugsweise gemäß SIL3-Standard realisiert.
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Das Einrastelement ist zur Erhöhung der Sicherheit bei einem Missbrauchseingriff über ein Kupplungselement, vorzugsweise eine Rutschkupplung mit der Mutter zumindest mittelbar drehfest verbunden. Das Kupplungselement kann eine form- oder kraftschlüssige Funktionsweise aufweisen. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer Momenteneinleitung oder Krafteinleitung an einem oder mehreren der in der Servolenkung bewegten Bauteile entgegen der Sperrwirkung der Verriegelungseinrichtung das in das Einrastelement eingefallene Sperrelement nicht überlastet werden kann, eine Verriegelungsfunktion also dauerhaft gewährleistet ist und im Mißbrauchsfall durch äußere Einwirkung nicht überwunden werden kann.
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Durch diese konstruktive Ausgestaltung der Verriegelungseinrichtung erübrigt sich eine Bearbeitung und Schwächung einer Welle oder einer Scheibe der Bewegungsschraube. Das Einrastelement kann als eigenständiges Bauteil mit Hilfe des Kupplungselementes an der Mutter festgelegt sein.
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Ist zwischen dem Servomotor und der Mutter ein Zugmittelgetriebe vorgesehen, so ist es vorteilhaft, als Einrastelement die Verzahnung einer Zahnscheibe, die drehfest mit der Mutter verbunden ist, zu verwenden. Hierbei kann das Sperrelement axial in die Verzahnung eingreifen oder von der Verzahnung wegbewegt werden.
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Es kann auch vorteilhaft sein, das Einrastelement drehfest mit einem drehfest mit der Mutter verbundenen Lagerring auszubilden. Insbesondere ein Innenring eines Radiallagers für die Mutter eignet sich zur Ausbildung des Einrastelementes an dem Außenumfang oder an einer Stirnseite des Lagerringes. Auf diese Weise ist mit geringem Fertigungsaufwand und ohne zusätzliche Bauteile anwenden zu müssen, ein Einrastelement geschaffen, das die Lager- und Verriegelungsfunktion in der elektrischen Servolenkung zumindest teilweise ausbildet.
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Es kann auch vorteilhaft sein, ein Sicherungselement, wie eine Sicherungsmutter für die Mutter zu Ausbildung des Einrastelementes zu verwenden. Es kann auch vorteilhaft sein, die Mutter selbst mit einem Abschnitt auszubilden, der das Einrastelement darstellt.
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Das Sperrelement kann radial und axial in das Einrastelement einfallen. Das Auslösemoment des Kupplungselementes bzw. der Kraft- oder Momentenschwellwert, der ein Überlasten des Sperrelementes zur Folge hätte, kann durch die Dimensionierung des Kupplungselementes und dessen Flächenpressung definiert werden. Vorzugsweise ist die Verriegelungseinrichtung aus einem elektromotorisch antreibbaren Aktuator mit einem ein- oder mehrstufigen Getriebe aus einer Bewegungsschraube und dem Sperrelement gebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass der elektromotorisch betreibbare Aktuator ein Getriebe aufweist, das eine Zahnradstufe und/oder eine Bewegungsschraube aufweist.
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Die Verriegelungszeit des Sperrelementes der Verriegelungseinrichtung beträgt in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weniger als 150 ms.
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Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 einen schematischen, nicht maßstäblichen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Servolenkung,
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2 einen Querschnitt durch die Servolenkung in 1 entlang der Linie I-I in 1,
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3 eine schematische, nicht maßstäbliche, perspektivische Ansicht einer Verriegelungseinrichtung für eine elektrische Servolenkung.
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In 1 ist in einem teilweisen, schematischen, nicht maßstäblichen Längsschnitt eine als Zahnstangen-Hilfskraftlenkung gebildete, elektrische Servolenkung 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt. Die elektrische Servolenkung weist ein Lenkgetriebe 2 auf, in dessen zylinderförmigem Lenkgetriebegehäuse 5 ein axial verlagerbares Bauteil 7 gelagert ist. Das axial verlagerbare Bauteil 7 ist als Zahnstange 26 gebildet und weist einen Spindelabschnitt 9 mit einem Gewinde 8 auf, welches in Eingriff mit einem Muttergewinde 10 einer Mutter 6 eines Kugelumlaufgetriebes ist. Parallel zu der Zahnstange 26 ist an einem Radialflansch 27 des Lenkgetriebegehäuses 5 ein elektrischer Servomotor 3 festgelegt, der die Bewegungsschraube 4 aus der Mutter 6 und dem axial verlagerbaren Bauteil 7 antreibt. Die Zahnstange 26 kämmt an einem nicht gezeigten Verzahnungsabschnitt mit einem Ritzel einer nicht gezeigten Lenkwelle.
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Die Mutter 6 ist drehfest mit einer Zahnriemenscheibe 22 verbunden, die Teil eines im Bereich des Radialflansches 27 und in einem Gehäusedeckel 28 des Lenkgetriebegehäuses 5 angeordneten Getriebes 29 ist, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Zugmittelgetriebe 30 gebildet ist. Das Zugmittelgetriebe 30 weist als Zugmittel einen Zahnriemen 31 auf, der über eine Verzahnung 21 an der Zahnriemenscheibe 22 gelegt ist.
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Die Zahnriemenscheibe 22 ist hohlzylindrisch in der Art eines sich axial zu der Mutter 6 hin stufenförmig verjüngenden Zylinders gebildet. Die Mutter 6 ist mit Hilfe eines Radiallagers 32, das in dem Gehäusedeckel 28 angeordnet ist, axial und radial gelagert und um eine Drehachse 19 drehbar.
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Die elektrische Servolenkung 1 weist ein Steuergerät 18 eines elektronischen Zündschlosses auf. Zwischen dem Steuergerät 18 und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 17 für die elektrische Servolenkung 1 ist eine CAN-Busverbindung angeordnet. Das nicht gezeigte elektrische Zündschloß ist in der Art eines keyless-go-Systems vorgesehen, bei dem ein Schlüssel nicht in das Zündschloß eingeführt werden muß, sondern sich lediglich im Empfangsbereich des elektrischen Zündschlosses befinden muß. Beide Steuergeräte sind für die Darstellung eines verriegelten oder entriegelten Zustandes eines Sperrelements 12 einer Verriegelungseinrichtung 11 notwendig und vorgesehen.
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Die Verriegelungseinrichtung 11 ist in 1 in einem von dem Lenkgetriebegehäuse 5 umschlossenen, die Mutter 6 aufnehmenden Raum axial zwischen einer Stirnwand 35 des Lenkgetriebegehäuses 5 und der Stirnseite 36 der Mutter 6 angeordnet, sodaß das Sperrelement 12 in zwei diametal gegenüberliegende, als rechteckförmige Aussparungen 37 gebildete, in der Stirnseite 36 der Mutter 6 angeordnete Eingriffsabschnitte 13 eingreifen kann. Zu der Verriegelungseinrichtung 11 ist ein Aktuator 23 aus einem Elektromotor 38 mit vorzugsweise 12 V Nennspannung und ein Getriebe 24 gehörig, dessen Abtriebsglied das Sperrelement 12 bildet. Insgesamt baut die Verriegelungseinrichtung 11 sehr klein, wobei in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft und schematisiert eine Ausführungsform der Verriegelungseinrichtung 11 gezeigt ist.
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Das Einrastelement 14 ist somit unmittelbar von der Mutter 6 gebildet. Sie ist weitestgehend von einer Schutzeinrichtung 15 in Form eines Stahlblechgehäuses 16 umgeben, sodaß Mißbrauchseingriffe etwa in Form von Bohrwerkzeugen, die von Außen durch das Lenkgetriebegehäuse 5 geführt werden, sicher verhindert sind. Der Elektromotor 38 des Aktuators 23 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit seiner Welle und einem drehfest darauf angeordneten Ritzel 39 mit Stirnverzahnung achsparallel zu der Längsachse 40 der Zahnstange 26 angeordnet. Das Ritzel 39 des Aktuators 23 ist in Eingriff mit einem Zahnrad 41 mit großem Durchmesser, sodaß sich eine Untersetzung der Drehzahl der Welle des Elektromotors 38 ergibt. Das stirnverzahnte Zahnrad 41 ist drehfest auf einer Welle 42 angeordnet. Die Welle 42 bildet eine Gewindespindel aus, die mit einer in einem Gehäuse des Elektromotors drehfest angeordneten Hülse mit Mutter eine Bewegungsschraube 25 bildet. Ein mit der verschieblich angeordneten Hülse fest verbundener Bolzen 43, um den eine Spiralfeder 44 geschlungen ist, dient zur Schub-/Zugübertragung mittels der Spiralfeder 44 auf das Sperrelement 12. Dadurch wird das Sperrelement 12 auf einen der beiden Eingriffsabschnitte 13 zubewegt oder von dem betreffenden Eingriffsabschnitt 13 wegbewegt. Eine Verriegelungszeit des Sperrelements 12 von weniger als 150 ms ist durch die Verriegelungseinrichtung 11 ermöglicht.
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Eine elektrische oder elektronische Komponente der Schutzeinrichtung 15 sieht, wie dargelegt vor, dass eine CAN-Busverbindung zwischen der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 17 für die Servolenkung 1 und dem Steuergerät 18 vorgesehen ist. Beide Steuergeräte sind für die Herstellung eines verriegelten oder entriegelten Zustandes des Sperrelements 12 notwendig und vorgesehen. So wird nach einer Inbetriebnahme der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung für die Servolenkung 1 innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ein Zustand der Verriegelungseinrichtung 11 ausgegeben. So ist sichergestellt, dass eine verriegelte Position des Sperrelements 12 nur eingenommen wird, wenn das Fahrzeug sich in einem abgestellten, außer Betrieb befindlichen Zustand befindet.
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Sämtliche Steckverbindungen für Zuleitung der Verriegelungseinrichtung 11, die der Spannungsversorgung sowie der Signalübertragung dienen, sind in einem, von dem Innenraum des Stahlblechgehäuses 16 definierten Bereich angeordnet. Es ist dabei eine gegenseitige Überwachungsfunktion beider Steuergeräte vorgesehen, sodaß ein singulärer Fehler der Verriegelungseinrichtung 11 nicht zu einem kritischen Zustand führen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenkung, elektrisch
- 2
- Lenkgetriebe
- 3
- Servomotor, elektrisch
- 4
- Bewegungsschraube
- 5
- Lenkgetriebegehäuse
- 6
- Mutter
- 7
- Bauteil, axial verlagerbar
- 8
- Gewinde
- 9
- Spindelabschnitt
- 10
- Muttergewinde
- 11
- Verriegelungseinrichtung
- 12
- Sperrelement
- 13
- Eingriffsabschnitt
- 14
- Einrastelement
- 15
- Schutzeinrichtung
- 16
- Gehäuse
- 17
- Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
- 18
- Steuergerät
- 19
- Drehachse
- 20
-
- 21
- Verzahnung
- 22
- Zahnriemenscheibe
- 23
- Aktuator
- 24
- Getriebe, v. 23
- 25
- Bewegungsschraube
- 26
- Zahnstange
- 27
- Radialflansch
- 28
- Gehäusedeckel
- 29
- Getriebe
- 30
- Zugmittelgetriebe
- 31
- Zahnriemen
- 32
- Radiallager
- 33
-
- 34
-
- 35
- Stirnwand
- 36
- Stirnseite
- 37
- Aussparung
- 38
- Elektromotor
- 39
- Ritzel
- 40
- Längsachse
- 41
- Zahnrad
- 42
- Welle
- 43
- Bolzen
- 44
- Spiralfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10310492 A1 [0002]
- DE 102005025834 A1 [0003]
- DE 60306694 T2 [0005]
