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Die Erfindung betrifft eine Begrenzungseinrichtung für eine Lenkwinkeleingabe.
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Bei elektrischen Lenkungen ohne mechanische Verbindung zum Lenkgetriebe (Steer-by-Wire) fehlt eine mechanische Rückmeldung zwischen einer Lenkwinkeleingabe durch den Fahrer über das Lenkrad und dem tatsächlich ausgeführten Lenkwinkel am Rad. Das Lenkgetriebe kann sich daher auch in die Endanschläge bewegen, ohne dass dies auf der Lenkwinkeleingabeseite, d. h. dem Lenkrad, bemerkt wird. Im Prinzip lassen sich unendlich große Lenkwinkelwünsche erzeugen, beispielsweise das freie Durchdrehen des Lenkrades, ohne dass das Lenkgetriebe diese umsetzen könnte bzw. dadurch sogar beschädigt werden könnte. Ferner habe Lenkungen dieser Art auch keinerlei Lenkradverriegelungen, wie sie von derzeitigen Lenkungen erwartet werden.
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US 2003/0146038 A1 zeigt ein Lenksystem zum Steuern von Rädern eines Kraftfahrzeuges. Das Steuersystem umfasst ein Lenkrad, um Lenkwünsche an die gesteuerten Räder weiterzugeben, und eine Lenkwelle, die mechanisch an das Lenkrad gekoppelt ist. Ein Gehäuse ist an der Lenksäule
16 angeordnet. Ein Klinkenelement ist axial verschiebbar in dem Gehäuse angeordnet, und eine Nut ist in der Lenkwelle ausgebildet, um das Klinkenelement auszunehmen. Die Nut umfasst zwei Endwände, um die Drehbewegung des Lenkrades zu begrenzen. Das Lenksystem hat ferner einen Akutator, um die Räder an dem Fahrzeug in Abhängigkeit von der Drehung des Lenkrades einzustellen. Es wird somit ein fest definierter Bewegungs- bzw. Drehbereich des Lenkrades definiert. Eine Variation der Anschlagposition ist jedoch nicht vorgesehen.
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US 2004/0011585 A1 zeigt ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer mechanischen Rückmeldeeinrichtung, die ein Lenkgefühl an den Fahrer übermittelt und die eine positive Stoppfunktion hat. Für die Stoppfunktion werden verschiedene Möglichkeiten starrer Lenkanschläge aufgezeigt, meist durch Blockieren von Zahnrädern bzw. Auf- und Abwickeln von Wickelfedern. Eine Variation der Anschlagposition ist nicht vorgesehen.
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Es sind mechanische Begrenzungseinrichtungen bekannt, bei denen die Lenkanschläge allerdings festgelegt sind und nicht an unterschiedliche Lenkungsübersetzungen angepasst werden können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Begrenzungseinrichtung für eine Lenkwinkeleingabe anzugeben, die eine variable Begrenzung der Lenkwinkeleingabe durch variabel einstellbare Lenkanschläge in beiden Richtungen gestattet.
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Dazu umfasst die erfindungsgemäße Begrenzungseinrichtung für eine Lenkwinkeleingabe über ein Lenkrad und eine Lenkwelle an einem Kraftfahrzeug eine Verriegelungseinrichtung in einem Gehäuse zur Verriegelung der Lenkwelle am Ende einer Drehung, wobei die Verriegelungseinrichtung ein Zahnrad, das mit der Lenkwelle drehfest verbunden ist, und eine von einem Steuergerät anzusteuernde Sperre umfasst, die in das Zahnrad einzurücken ist. Durch die Ansteuerung der Sperre mit Hilfe des Steuergerätes kann die Sperre immer dann eingerückt werden, wenn die Lenkwinkeleingabe durch das Lenkrad an einem Endpunkt angekommen ist und dort verriegelt werden soll.
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Die Erfindung erfüllt die Kriterien konventioneller Lenkanschläge, wie sie aus Lenkungen mit mechanischem Durchgriff bekannt ist, auch für Lenkungen ohne mechanischen Durchgriff. Ferner sind die Lenkanschläge voll variabel und können sich so den Anforderungen einer Steer-by-Wire-Lenkung anpassen. Insbesondere bei voll variablen Lenkübersetzungen müssen die Lenkanschläge entsprechend nachgeführt werden können, was bei der erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung vollumfänglich möglich ist.
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Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad in der Verriegelungseinrichtung eine asymmetrische Verzahnung hat, und dass die Sperre eine entsprechende asymmetrische Gegenverzahnung hat, wobei insbesondere die asymmetrische Verzahnung an dem Zahnrad und die asymmetrische Gegenverzahnung an der Sperre jeweils Zähne mit einer flachen Zahnflanke und einer steile Zahnflanke haben, wobei die Zahnflanken so orientiert sind, dass jeweils eine flache Zahnflanke an dem Zahnrad einer flachen Zahnflanke an der Sperre gegenüberliegt, und dass jeweils eine steile Zahnflanke an dem Zahnrad einer steilen Zahnflanke an der Sperre gegenüberliegt, und wobei die flachen Zahnflanken derart abgeschrägt sind, dass bei einer Drehung der Lenkwelle in der von der betreffenden Verriegelungseinrichtung nicht zu sperrenden Richtung die Sperre in die Führungsbohrung eine ausgerückte Endlage zurückgebracht wird. Damit kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Sperre ohne Ansteuerung aus der eingerückten Position in die ausgerückte Position bewegt wird, immer dann, wenn das Lenkrad entsprechend eingeschlagen wird und sich dabei von dem maximalem Lenkeinschlag entfernt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sperre eine Rille aufweist, die sich in Achsrichtung der Sperre erstreckt und die an ihren Enden tiefere Abschnitte, die der eingerückten Endlage und der ausgerückten Endlage der Sperre entsprechen, sowie dazwischen einen erhöhten Abschnitt aufweist, und dass in einer zur Achsrichtung senkrechten Führungsbohrung in dem Gehäuse eine Kugel und eine die Kugel vorspannende Feder angeordnet sind, wobei die Kugel durch die Feder in die Rille vorgespannt und entlang der Rille bewegbar ist, wenn die Sperre bewegt wird. Durch das Zusammenwirken der Kugel mit der derart ausgebildeten Rille wird auf einfache Weise ermöglicht, dass die Sperre in ihren beiden Endlagen sicher gehalten wird, und dass die Sperre bistabil nur in einer der beiden Endlagen liegen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sperre in einer zur Lenkwelle senkrechten Führungsbohrung in einem Gehäuse der Verriegelungseinrichtung in Achsrichtung der Führungsbohrung in der Führungsbohrung verschiebbar angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Verriegelungseinrichtung drehfest an einem aufbauseitigen Bauteil und drehbar gegenüber der Lenkwelle angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsbohrung ein Solenoid vorgesehen ist, das mit der Sperre antriebsmäßig verbunden ist und zur Betätigung der Sperre in die eingerückte Position dient. Durch das derart angeordnete Solenoid wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Sperre mit geringstem Bauaufwand in die eingerückte Position gebracht werden kann.
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Wenn die Sperre in beiden Richtungen durch das Solenoid betätigt werden kann, kann auch in einem Ausnahmefall, wenn die mechanische Rückführung der Sperre nicht möglich ist, weil beispielsweise das Lenkrad und die Lenkwelle nicht bewegt werden, in die zurückgezogene Position gebracht werden, was aus Sicherheitsgründen wichtig ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte in der Rille vorgesehen sind, die durch die Kugel zu betätigen sind, um die Position der Sperre an das Steuergerät zu melden. Diese Meldung ist vorteilhaft im Zusammenhang mit der Sicherheitsüberprüfung und der Überprüfung des Betriebszustandes der Begrenzungseinrichtung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mikroschalter vorgesehen sind, die durch die Sperre zu betätigen sind, um die Position der Sperre an das Steuergerät zu melden, wobei es sich um eine Alternative zu der Ausgestaltung mit Kontakten in der Rille handelt, die gegebenenfalls vorteilhaft sein kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Verriegelungseinrichtung zur Verriegelung der Lenkwelle am Ende einer Drehung in einer ersten Drehrichtung des Lenkrades und eine zweite Verriegelungseinrichtung zur Verriegelung der Lenkwelle am Ende einer Drehung in einer entgegengesetzten zweiten Drehrichtung des Lenkrades vorgesehen sind, damit die Begrenzungseinrichtung in vorteilhafter Weise in beiden Richtungen wirksam werden, wobei die dazu erforderlichen Bauteile weitgehend übereinstimmen, so dass die Lagerhaltung für die Herstellung der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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In den Zeichnungen bedeutet:
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1 eine Schnittdarstellung einer Verriegelungsvorrichtung, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung ist, und
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2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Begrenzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Anhand von 1 wird zunächst eine Verriegelungseinrichtung 2 für eine Lenkeinrichtung 4 für nur eine Drehrichtung eines Lenkrades 6 beschrieben. Für die andere Drehrichtung des Lenkrades 6 ist eine der Verriegelungseinrichtung 2 entsprechende Verriegelungseinrichtung 2' vorgesehen, wie in 2 gezeigt ist.
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Die Verriegelungseinrichtung 2 umfasst ein Zahnrad 8 mit asymmetrischer Verzahnung 10, das an einer Lenkwelle 12 bzw. einer Welle einer Force-Feedback-Vorrichtung befestigt ist. In einer zur Lenkwelle 12 senkrechten Führungsbohrung 14 in einem Gehäuse 16 der Verriegelungseinrichtung 2 ist eine Sperre 18 mit einer asymmetrischen Gegenverzahnung 20 gelagert, so dass die Sperre 18 in Achsrichtung der Führungsbohrung 14 verschiebbar ist. Zum Verriegeln wird die Sperre 18 mit der Gegenverzahnung 20 des Zahnrades 8 in eine eingerückte Endlage vorgeschoben und stoppt somit formschlüssig die Drehbewegung in der gewünschten Richtung, wobei die Sperre 18 sich über die Führungsbohrung 14 an dem Gehäuse 16 abstützt.
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Die asymmetrische Verzahnung 10 an dem Zahnrad 8 hat eine flache Zahnflanke 22 und eine steile Zahnflanke 24 und die asymmetrische Gegenverzahnung 20 an der Sperre 18 hat ebenfalls eine flache Zahnflanke 26 und eine steile Zahnflanke 28. Die Zahnflanken sind so orientiert, dass jeweils eine flache Zahnflanke 22 an dem Zahnrad einer flachen Zahnflanke 26 an der Sperre 18 gegenüberliegt, und dass jeweils eine steile Zahnflanke 24 an dem Zahnrad 8 einer steilen Zahnflanke 28 an der Sperre 18 gegenüberliegt. Bei einer Drehung der Lenkwelle 12 in der von der betreffenden Verriegelungseinrichtung nicht zu sperrenden Richtung wird die Sperre 18 in die Führungsbohrung 14 eine ausgerückte Endlage zurückgedrückt.
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Die Sperre 18 hat eine Rille 30, die sich in Achsrichtung der Sperre 18 erstreckt und die in der eingerückten Endlage sowie in der ausgerückten Endlage der Sperre 18 tiefere Abschnitte 32, 34 und dazwischen einen erhöhten Abschnitt 36 aufweist. In einer zur Achsrichtung senkrechten Führungsbohrung 14 sind eine Kugel 38 und eine die Kugel 38 vorspannende Feder 40 derart angeordnet, dass die Kugel 38 in die Rille 30 vorgespannt ist und entlang der Rille 30 bewegbar ist, wenn die Sperre 18 bewegt wird. In Öffnungsrichtung wird die Sperre 18 durch das Zusammenwirken der flachen Zahnflanken 22, 26 die Zahnflanke über die Mittellage bewegt und gibt damit die Drehbewegung der Lenkwelle 12 selbsttätig frei. Wenn die Mittellage der Sperre 18 an dem erhöhten Anschnitt überschritten ist, wird die Sperre 18 bistabil und selbsttätig in die nächstliegende Endposition gebracht und dort gehalten.
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Die Betätigung der Sperre 18 in Sperrrichtung über die Mittellage beziehungsweise über den erhöhten Anschnitt 36 hinaus, erfolgt elektromechanisch durch ein in der Führungsbohrung 14 angeordnetes Solenoid 42 und kann an jeder Stelle des Umfanges des Zahnrades 8 erfolgen. Damit ist die Verriegelungseinrichtung 2 variabel einstellbar je nach der gewünschten oder durch die Lenkübersetzung erforderlichen Lenkbegrenzung.
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Für Notfälle und zur Endsperrung der Lenkradverriegelung ist die elektromagnetische Betätigung beispielsweise durch das Solenoid 42 so ausgelegt, dass die Sperre 18 in Öffnungsrichtung über die durch den erhöhten Abschnitt 36 gebildete Mittellage hinaus bewegt werden kann.
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Aus Sicherheitsgründen muss die Position der Sperre 18 immer bekannt sein. Dazu können Kontakte 44, 46 in der Rille 30 vorgesehen sein, die durch die Kugel 18 selbst ausgelöst werden. Eine Alternative sind Mikroschalter, die durch die Sperre 18 betätigt werden.
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Die 1 zeigt die Verriegelungseinrichtung 2 für eine Lenkeinrichtung 4 für eine Drehrichtung des Lenkrades 6. Die Verriegelungseinrichtung 2' für die andere Drehrichtung des Lenkrades 6 unterscheidet sich von der Verriegelungseinrichtung 2 dadurch, dass die flachen Zahnflanken und die steilen Zahnflanke der asymmetrischen Verzahnungen an dem Zahnrad und an der Sperre entgegengesetzt zu den flachen Zahnflanken und den steilen Zahnflanke der asymmetrischen Verzahnungen in der Verriegelungseinrichtung 2 orientiert sind.
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2 zeigt den lenkradseitigen Teil einer elektrischen Lenkung, die ein Lenkrad 6 und eine Rückmeldungseinrichtung 52, die der Bedienungsperson ein Lenkgefühl vermitteln soll, aufweist, wobei das Lenkrad über die Lenkwelle 12 mit der Rückmeldungseinrichtung 52 verbunden ist. Ein Steuergerät 54 ist dazu vorgesehen, sowohl die Rückmeldungseinrichtung 52 als auch die Verriegelungseinrichtung 2, 2' anzusteuern, wobei, wenn erforderlich, ein Leistungsbaustein 56 zwischen das Steuergerät 54 und die zu steuernden Elemente eingesetzt wird.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist die Lenkwelle 12 über Lager 58, 60 an einem aufbauseitigen Bauteil 62 gelagert. Auch die Verriegelungsvorrichtungen 2, 2' sind mit dem Bauteil 62 drehfest verbunden, während die Gehäuse der Verriegelungseinrichtung 2, 2' drehbar gegenüber der Lenkwelle 12 vorgesehen sind.
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Aus der Verbindung zwischen dem Steuergerät 54 und der Verriegelungseinrichtung 2, gegebenenfalls über den Leistungsbaustein 56, ist das Steuergerät 54 bzw. der Leistungsbaustein 56 auch mit der Verriegelungseinrichtung 2' verbunden, wobei diese Verbindungen zur Vereinfachung weggelassen sind.
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Das Steuergerät 54 ist so ausgelegt, dass die Lenkradverriegelung nicht bei eingestecktem Zündschlüssel ausgelöst werden kann. Ferner stellt eine Logikschaltung dies ebenso sicher (Redundanz), indem ein Schließen beider Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit eingestecktem Zündschlüssel elektrisch nicht möglich ist. Hierbei wird die Stromzuführung der jeweils nicht genutzten Verriegelungseinrichtung durch das Betätigen der genutzten Verriegelungseinrichtung unterbrochen.
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Ebenso lässt sich die Funktion der Lenkradverriegelung ohne weitere Bauteile mit abbilden, indem dazu lediglich die Sperre in der Verriegelungseinrichtung 2 und die Sperre in der Verriegelungseinrichtung 2' durch das Steuergerät eingerückt werden. Die Funktion Lenkradverriegelung erfolgt somit durch das Betätigen beider Sperren, die dann Lenkbewegungen in beiden Richtungen sicher verhindern.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So kann beispielsweise die Rille in dem Gehäuse angeordnet sein und die federbelastete Kugel in der Sperre. Auch kann das Solenoid zur Betätigung der Sperre sowohl in die eingerückte Position als auch die ausgerückte Position bewegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verriegelungsvorrichtung
- 2'
- Verriegelungsvorrichtung
- 4
- Lenkeinrichtung
- 6
- Lenkrad
- 8
- Zahnrad
- 10
- Verzahnung
- 12
- Lenkwelle
- 14
- Führungsbohrung
- 16
- Gehäuse
- 18
- Sperre
- 20
- Gegenverzahnung
- 22
- Flache Zahnflanke
- 24
- Steile Zahnflanke
- 26
- Flache Zahnflanke
- 28
- Steile Zahnflanke
- 30
- Rille
- 32
- Tiefer Abschnitt
- 34
- Tiefer Abschnitt
- 36
- Erhöhter Abschnitt
- 38
- Kugel
- 40
- Feder
- 42
- Solenoid
- 44
- Kontakt
- 46
- Kontakt
- 52
- Rückmeldungseinrichtung
- 54
- Steuergerät
- 56
- Leistungsbaustein
- 58
- Lager
- 60
- Lager
- 62
- Aufbauseitiges Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0146038 A1 [0003]
- US 2004/0011585 A [0004]
