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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug, auf ein Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Ansteuern eines Lenkgetriebes sowie auf ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug weist ein Lenkgetriebe auf, über das eine Drehbewegung einer Lenksäule in eine Bewegung einer mit einem zu lenkenden Rad gekoppelten Lenkstange umgesetzt wird.
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Ansteuern eines Lenkgetriebes für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei das Lenkgetriebe folgendes Merkmal aufweist:
einen Linearantrieb mit zumindest einem im Wesentlichen entlang einer Fahrzeuglängsachse des Fahrzeugs verschiebbaren und an einer Lenkschubstange des Fahrzeugs befestigbaren Verschiebeelement, wobei der Linearantrieb ausgebildet ist, um eine Drehbewegung einer Lenksäule des Fahrzeugs in eine Bewegung des Verschiebeelements im Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse umzusetzen.
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Unter einem Fahrzeug kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, verstanden werden. Das Lenkgetriebe kann beispielsweise an einem Rahmen des Fahrzeugs angeordnet sein und je nach Ausführungsform fest oder in zumindest eine Richtung beweglich damit verbunden sein. Unter einem Linearantrieb kann ein Antrieb zum Erzeugen einer Linearbewegung verstanden werden. Beispielsweise kann der Linearantrieb als Spindeltrieb, insbesondere als Kugelgewindetrieb mit einer Kugelumlaufspindel, oder als Zahnstangenantrieb zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung realisiert sein. Unter einer Lenkschubstange kann eine Stange zum Anlenken eines um eine Lenkachse drehbaren Rades des Fahrzeugs verstanden werden. Das Rad kann etwa an einer Starrachse des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Lenkschubstange kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse oder zu einem Längslenker des Fahrzeugs bewegbar sein. Bei dem Verschiebeelement kann es sich beispielsweise um eine Zahnstange, eine Spindel oder eine mit der Spindel verschraubbare Spindelmutter handeln. Die Spindelmutter kann beispielsweise als Kugelumlaufmutter ausgeführt sein. Hierbei kann die Lenkschubstange, insbesondere etwa ein dem Verschiebeelement zugewandter Endabschnitt der Lenkschubstange, je nach Ausführungsform starr oder in zumindest eine Richtung beweglich an dem Verschiebeelement befestigt sein. Somit können das Verschiebeelement und die Lenkschubstange derart miteinander koppelbar sein, dass eine Linearbewegung des Verschiebeelements direkt, d. h. ohne eine weitere Bewegungsumwandlung, etwa mithilfe eines Lenkstockhebels, in eine Linearbewegung der Lenkschubstange umgesetzt wird. Unter einer Lenksäule kann ein stangen- oder röhrenförmiger Träger zum mechanischen Koppeln des Lenkgetriebes mit einem Lenkrad des Fahrzeugs verstanden werden. Die Lenksäule kann beispielsweise als Kardanwelle ausgeführt sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz eines Lenksystems, insbesondere eines Nutzfahrzeuglenksystems mit Linearaktuator, beruht auf der Erkenntnis, dass ein Linearaktuator einer Fahrzeuglenkung ausgebildet sein kann, um eine Linearbewegung in Längsrichtung des Fahrzeugs zu erzeugen. Durch eine direkte mechanische Kopplung eines Verschiebeelements des Linearaktuators mit einer Lenkschubstange des Fahrzeugs kann die durch den Linearantrieb erzeugte Linearbewegung direkt in eine Linearbewegung der Lenkschubstange umgesetzt werden. Eine derartige Kombination eines Linearaktuators, der beispielsweise rahmenfest in Längsrichtung in dem Fahrzeug eingebaut sein kann, mit einer Lenkschubstange bietet insbesondere im Zusammenhang mit einer rahmenfesten Montage in Starrachsfahrzeugen den Vorteil, dass die Zahl der Zwischenelemente und Getriebestufen im Lenkgetriebe deutlich reduziert werden kann. Ferner können dadurch die im Lenkgetriebe wirkenden Kräfte und Momente reduziert werden, womit das Gesamtspiel im Lenkgetriebe reduziert werden kann, die Lebensdauer verschleißbehafteter Teile erhöht werden kann, Reibungsverluste im Lenkgetriebe minimiert werden können sowie Kosten und Gewicht des Lenkgetriebes reduziert werden können.
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Beispielsweise kann der Linearaktuator in Bezug auf eine Längsachse des Fahrzeugs längs eingebaut sein und mittels der Lenkschubstange mit einem Lenkhebel eines Rads verbunden sein. Hierbei kann der Linearaktuator etwa an einem Rahmenholm montiert sein. Durch die Anbindung über die Lenkschubstange eignet sich die Kinematik eines derartigen Linearantriebs insbesondere für Starrachsen, da mit der Lenkschubstange und einem Längslenker einer Achsaufhängung zumindest annähernd ein Parallelogramm gebildet werden kann, sodass Einfederbewegungen der Achse kein Eigenlenken verursachen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Linearantrieb als Zahnstangenantrieb mit einer Zahnstange als Verschiebeelement realisiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Linearantrieb als Kugelgewindetrieb mit einer Spindel und einer Spindelmutter realisiert sein. Hierbei kann entweder die Spindel oder die Spindelmutter als das Verschiebeelement fungieren. Alternativ können sowohl die Spindel als auch die Spindelmutter als das Verschiebeelement fungieren. Beispielsweise kann die Spindel ausgebildet sein, um durch Drehen der Spindelmutter im Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse verschoben zu werden, wobei die Spindelmutter ortsfest ist. Umgekehrt kann die Spindelmutter ausgebildet sein, um durch Drehen der Spindel im Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse verschoben zu werden, wobei die Spindel ortsfest ist. Die Zahnstange kann beispielsweise ausgebildet sein, um mit einem an der Lenksäule angeordneten Ritzel zu kämmen. Durch diese Ausführungsform kann der Linearantrieb sehr robust und mit nur wenigen beweglichen Teilen realisiert werden.
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Hierbei kann die Zahnstange ausgeformt sein, um die Spindel aufzunehmen und durch eine Drehbewegung der Spindel im Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse verschoben zu werden. Hierzu kann die Zahnstange eine Ausnehmung zum Aufnehmen der Spindel aufweisen. Die Spindel kann mit der Ausnehmung verschraubbar sein. Insbesondere kann die Zahnstange hierbei als Kugelumlaufmutter ausgeformt sein, sodass eine Drehbewegung der Spindel eine lineare Relativbewegung zwischen der Zahnstange und der Spindel erzeugt. Hierbei kann die Spindel ortsfest in dem Lenkgetriebe angeordnet sein. Die Spindel kann beispielsweise ausgebildet sein, um mit einer Antriebseinheit, etwa einem Elektromotor, mechanisch gekoppelt zu werden. Durch diese Ausführungsform wird ein zweifacher Antrieb der Zahnstange, einmal über die Lenksäule, einmal über die Spindel, ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Lenkgetriebe ein Übersetzungsgetriebe zum Übersetzen der Drehbewegung der Lenksäule in eine Drehbewegung der Spindel und, zusätzlich oder alternativ, der Spindelmutter aufweist. Dadurch kann eine Drehung der Lenksäule zur Spindel oder Spindelmutter hin erhöht werden.
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Vorteilhafterweise kann das Übersetzungsgetriebe als Stirn- oder Kegelradgetriebe realisiert sein. Bei dem Stirn- oder Kegelradgetriebe kann es sich beispielsweise um ein einstufiges Getriebe handeln. Durch diese Ausführungsform kann das Übersetzungsgetriebe kostengünstig hergestellt werden. Ferner können dadurch Reibungsverluste reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Lenkgetriebe zumindest eine Antriebseinheit zum Antreiben des Verschiebeelements aufweisen. Bei der Antriebseinheit kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor, etwa in Form eines Lenkservos, handeln. Dadurch kann ein Kraftaufwand beim Drehen der Lenksäule reduziert werden.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Antriebseinheit und das Verschiebeelement über zumindest einen Zahnriemen oder ein Stirnrad oder ein Hohlrad oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten drei Elemente miteinander gekoppelt sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine verlust- und verschleißarme Kraftübertragung zwischen der Antriebseinheit und dem Verschiebeelement.
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Das Lenkgetriebe kann gemäß einer weiteren Ausführungsform mit der Lenkschubstange realisiert sein. Dadurch kann die Lenkschubstange mit einer zum Lenken erforderlichen Kraft beaufschlagt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Lenkschubstange und das Verschiebeelement koaxial zueinander angeordnet sein. Hierbei können die Lenkschubstange und das Verschiebeelement starr miteinander verbunden sein. Dadurch kann die Anzahl der beweglichen Teile im Lenkgetriebe auf ein Minimum reduziert werden. Beispielsweise kann das Lenkgetriebe hierbei schwenkbar in dem Fahrzeug angeordnet sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Lenkschubstange über ein Gelenk schwenkbar mit dem Verschiebeelement verbunden ist. Bei dem Gelenk kann es sich beispielsweise um ein Kugelgelenk handeln. Dadurch kann das Lenkgetriebe fest in dem Fahrzeug eingebaut werden.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft des Weiteren ein Fahrzeug mit folgenden Merkmalen:
einer Lenksäule;
einer Lenkschubstange; und
einem mit der Lenksäule und der Lenkschubstange gekoppelten Lenkgetriebe gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Lenkgetriebe an einem Rahmen des Fahrzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann das Lenkgetriebe an einem Rahmenholm befestigt sein. Hierbei kann das Lenkgetriebe je nach Ausführungsform fest oder schwenkbar an dem Rahmen montiert sein. Dadurch kann der Einbau des Lenkgetriebes vereinfacht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lenkschubstange angeordnet sein, um beim Verschieben des Verschiebeelements mit einem Längslenker des Fahrzeugs ein Parallelogramm aufzuziehen. Unter einem Längslenker kann ein Träger zum Abstützen einer Starrachse des Fahrzeugs in Richtung der Fahrzeuglängsachse verstanden werden. Bei Achsen mit Blattfedern kann auch der vordere Teil der Blattfeder als Längslenker dienen. Durch diese Ausführungsform kann ein Eigenlenken bei Einfederbewegungen der Starrachse verhindert werden.
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Zudem schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Ansteuern eines Lenkgetriebes gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines eine Lenkbewegung repräsentierenden Lenksignals; und
Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern einer Antriebseinheit zum Antreiben des Verschiebeelements unter Verwendung des Lenksignals.
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Bei dem Lenksignal kann es sich beispielsweise um ein von einem Lenkmomentsensor zum Erfassen eines Lenkmoments bereitgestelltes Signal handeln. Entsprechend kann das Steuersignal bereitgestellt werden, um eine Drehzahl oder ein Drehmoment der Antriebseinheit in Abhängigkeit von dem Lenkmoment zu steuern.
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Schließlich schafft der hier vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs mit einer Lenksäule, einer Lenkschubstange und einem mit der Lenksäule und der Lenkschubstange gekoppelten Lenkgetriebe, wobei das Lenkgetriebe einen Linearantrieb mit zumindest einem im Wesentlichen entlang einer Fahrzeuglängsachse des Fahrzeugs verschiebbaren und an der Lenkschubstange befestigbaren Verschiebeelement aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einkoppeln eines Lenkmoments in das Lenkgetriebe über die Lenksäule; und
Umsetzen des Lenkmoments in eine Bewegung des Verschiebeelements im Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse mittels des Linearantriebs.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes;
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2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Lenkgetriebe aus 1;
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3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs einem Ausführungsbeispiel;
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7 eine schematische Darstellung eines Übersetzungsgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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8 eine schematische Darstellung eines Linearantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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9 eine schematische Darstellung eines Linearantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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10 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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11 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes aus 10;
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12 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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13 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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14 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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15 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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16 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe aus 14;
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17 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe;
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18 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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19 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Lenken eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes 100. Das Lenkgetriebe 100 umfasst eine abschnittsweise als Spindel 101 ausgeformte Eingangswelle 102, eine im Bereich der Spindel 101 angeordnete, eine Außenverzahnung 104 aufweisende Kugelumlaufmutter 106, eine mit der Außenverzahnung 104 kämmende und verdrehfest auf einer Ausgangswelle 108 angeordnete Segmentverzahnung 110 sowie einen verdrehfest mit der Ausgangswelle 108 verbundenen Lenkstockhebel 112, der beweglich mit einer Lenkschubstange 114 verbunden ist.
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Heutige Nutzfahrzeuglenkungen enthalten in der Regel Kugelumlauflenkgetriebe. Die Kinematik einer solchen Anordnung ist für Nutzfahrzeuge besonders günstig, da diese meist eine Vorderachse in Form einer Starrachse aufweisen. Sind die Längslenker der Vorderachse und die Lenkschubstange etwa gleich lang und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so bilden sie ein Parallelogramm. Dadurch wirken sich Einfederbewegungen der Vorderachse nicht oder kaum aus. Sofern das Lenkgetriebe rahmenfest verbaut ist, kann ein Längenausgleich in der Lenksäule beispielsweise durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen einem Rahmen des Fahrzeugs und einer Fahrerkabine erfolgen.
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Bei dem in 1 gezeigten Lenkgetriebe 100 wird die Drehung eines Lenkrads über die Lenksäule und die Eingangswelle 102, die beispielsweise Teil der Lenksäule sein kann, auf eine Kugelumlaufspindel 101 übertragen. Diese Drehbewegung wird mittels der Kugelumlaufmutter 106 in eine Linearbewegung umgesetzt.
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Das Lenkgetriebe 100 kann optional eine hydraulische Servounterstützung aufweisen. Hierbei kann die Kugelumlaufmutter 106 gegen ein Gehäuse des Lenkgetriebes 100 abgedichtet sein. Die Kugelumlaufmutter 106 kann somit als Hydraulikkolben fungieren. Über das vom Fahrer an der Eingangswelle 102 eingebrachte Lenkmoment kann etwa mittels eines Drehschieberventils ein Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Kugelumlaufmutter 106 aufgebaut werden. Durch den Differenzdruck kann die Bewegung der Kugelumlaufmutter 106 unterstützt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200 mit einem Lenkgetriebe 100 aus 1. Die Kugelumlaufmutter weist beispielsweise eine Längsverzahnung als Außenverzahnung auf, in der wiederum die Segmentverzahnung kämmt. Somit wird die Linearbewegung wiederum in eine Drehung des Lenkstockhebels 112 umgesetzt. Am Ende des Lenkstockhebels 112 wird die Lenkschubstange 114 wiederum vorwiegend linear bewegt. Durch die Lenkschubstange 114 wird letztendlich über einen am Radträger befestigten Lenkhebel 202 das zu lenkende Rad 204 um die Lenkachse geschwenkt. Hierbei kann ein dem Rad 204 gegenüberliegendes weiteres Rad 206 über einen Spurhebel 208 und eine starre Spurstange 210 mitgelenkt werden. Dargestellt ist ferner ein Fahrzeugrahmen 212 in Gestalt zweier parallel zueinander angeordneter Rahmenholme. Eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs 200 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
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Da ein wirksamer Radius der Segmentverzahnung etwa um ein Viertel bis ein Drittel kleiner als eine wirksame Länge des Lenkstockhebels 112 sein kann, sollte an der Verzahnung zwischen Kugelumlaufmutter und Segmentverzahnung eine um ein Vielfaches höhere Kraft übertragen werden, als zur Betätigung der Lenkschubstange 114 nötig wäre. Das heißt, das Lenkgetriebe 100 sollte entsprechend massiv und schwer ausgelegt werden, was zu hohen Herstellungskosten und hohem Verschleiß führen kann. Die Vielzahl erforderlicher Übertragungselemente kann aufgrund der reibungsbehafteten Verbindungsstellen einen geringeren Wirkungsgrad und eine hohe Hysterese zur Folge haben. Da sich das Spiel zwischen einzelnen bewegten Teilen addiert, kann insbesondere über die Lebensdauer das Lenkspiel zunehmen.
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Die Spindel könnte beispielsweise mit einem elektromotorischen Aktuator angetrieben werden. Hierbei könnten die Kugeln und axial die Spindel durch die an der Kugelumlaufmutter anliegenden Kräfte, die bei einer konventionellen Lenkunterstützung zum größten Teil durch die Hydraulik aufgebracht werden, stark belastet werden, was eine entsprechend starke Auslegung des Lenkgetriebes 100 bedingen würde. Alternativ könnte der elektromotorische Aktuator direkt auf die Ausgangswelle wirken. Dies würde jedoch ein vielstufiges Getriebe zwischen Aktuator und Ausgangswelle erfordern, was zu hohen Kosten, vermindertem Wirkungsgrad, Geräuschen und Vibrationen und erhöhtem Spiel führen könnte.
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Im Unterschied zu Nutzfahrzeugen wird in Personenkraftwagen meist ein Linearaktuator in Form einer am Achskörper quer zur Fahrtrichtung montierten Zahnstangenlenkung eingesetzt. Hierbei wird die Drehbewegung der Lenksäule über ein Ritzel direkt in eine Längsbewegung der Zahnstange umgesetzt. Die Zahnstange sitzt quer zwischen den Vorderrädern und wirkt über Spurstangen direkt auf die radträgerfesten Spurhebel, die die Räder schwenken. Durch die geringe Anzahl an Übertragungsteilen ist diese Anordnung steif, leicht und spielarm. Um ein ungewolltes Eigenlenken, insbesondere Veränderungen der Vor- oder Nachspur, beim Ein- und Ausfedern zu vermeiden, müsste das Zahnstangenlenkgetriebe jedoch direkt an der Achse befestigt sein. Da die Achse bei schweren Nutzfahrzeugen jedoch eine mitfedernde Starrachse ist, wäre ein großer Längenausgleich der Lenksäule erforderlich.
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Außerdem müsste die Lenksäule zwischen den Rädern zur Achse geführt werden, was jedoch im Fall eines Nutzfahrzeugs, bei dem Motor und Getriebe in der Regel zwischen Lenkrad und Achse montiert sind, zu Platzproblemen führen könnte. Ferner wäre das Lenkgetriebe 100 somit Teil der ungefederten Masse und entsprechend starken Vibrationen ausgesetzt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 300 ist mit einem Lenkgetriebe 302 ausgestattet, das einen Linearantrieb 304 mit einem entlang einer Fahrzeuglängsachse 306 des Fahrzeugs 300 verschiebbaren Verschiebeelement 308 umfasst. An dem Verschiebeelement 308 ist eine Lenkschubstange 310 zum Anlenken eines Rades 312 befestigt. Der Linearantrieb 304 ist ausgebildet, um eine Drehbewegung einer Lenksäule 314 in eine Linearbewegung des Verschiebeelements 308 entlang der Fahrzeuglängsachse 306 umzusetzen, sodass die Lenkschubstange 310 ebenfalls verschoben und das Rad 312 entsprechend ausgelenkt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Lenkschubstange 310 direkt mit dem Verschiebeelement 308 verbunden. Es ist somit kein Hebelelement erforderlich, um die Bewegung des Verschiebeelements 308 auf die Lenkschubstange 310 zu übersetzten, stattdessen erfolgt eine Direktübertragung der Bewegung des Verschiebeelements 308 auf die Lenkschubstange 310. Dabei kann eine Oberfläche der Lenkschubstange 310 in direktem Kontakt mit einer Oberfläche des Verschiebeelements 308 stehen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Fahrzeug 300 handelt es sich beispielsweise um ein vorangehend anhand von 3 beschriebenes Fahrzeug. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Verschiebeelement 308 als Zahnstange ausgeführt. Hierbei ist die Lenksäule 314 beispielsweise mit einem Ritzel 400 verbunden, das direkt mit dem Verschiebeelement 308 kämmt. Ein Endabschnitt der Lenkschubstange 310 ist mit dem Verschiebeelement 308 in Form der Zahnstange verbunden, sodass die Lenkschubstange 310 durch das Verschiebeelement 308 bewegt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Lenkschubstange 310 und das Verschiebeelement 308 über ein einziges starres Verbindungselement, beispielsweise in Form eines Stifts oder eines Bolzens beweglich miteinander verbunden, über das eine Linearbewegung des Verschiebeelements 308 direkt auf die Lenkschubstange 310 übertragen wird.
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Optional weist das Fahrzeug 300 eine elektrische Servounterstützung auf, die beispielsweise gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Elektromotor als Antriebseinheit 402 umfasst. Die Antriebseinheit 402 ist ausgebildet, um zumindest ein mit dem Verschiebeelement 308 kämmendes Antriebselement 404, hier ein Antriebsritzel, anzutreiben. Alternativ ist die Antriebseinheit 402 ausgebildet, um an der Lenksäule 314 anzugreifen und dort ein Unterstützungsmoment aufzubringen.
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Das Lenkgetriebe 302 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel an einem Rahmen 406 des Fahrzeugs 300, etwa an einem Rahmenholm, befestigt.
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5 zeigt einen Abschnitt eines Fahrzeugs 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 4 weist das in 5 gezeigte Fahrzeug 300 eine weitere Antriebseinheit 500 auf, die ausgebildet ist, um das als Zahnstange realisierte Verschiebeelement 308 über zumindest ein mit dem Verschiebeelement 308 kämmendes weiteres Antriebselement 502, hier ebenfalls ein weiteres Antriebsritzel, anzutreiben. Die beiden Antriebselemente 404, 502 greifen hierbei in ein und dieselbe Verzahnungsseite des Verschiebeelements 308 ein.
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6 zeigt einen Abschnitt eines Fahrzeugs 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in 5 gezeigten Fahrzeug ist das Verschiebeelement 308 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Antriebselement 404 und dem weiteren Antriebselement 502 angeordnet. Hierbei kämmen das Ritzel 400 und das Antriebselement 404 mit einer ersten Verzahnungsseite 600 des Verschiebeelements 308. Das weitere Antriebselement 502 kämmt hingegen mit einer der ersten Verzahnungsseite 600 gegenüberliegenden zweiten Verzahnungsseite 602 des Verschiebeelements 308.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Linearantrieb des Lenkgetriebes als Spindeltrieb, insbesondere als Kugelumlaufspindeltrieb, zum Bewegen der Lenkschubstange realisiert, wie nachfolgend anhand der 7 bis 17 näher beschrieben.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Übersetzungsgetriebes 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Übersetzungsgetriebe 700 ist ausgebildet, um eine Drehung einer Eingangswelle der Lenksäule 314 in eine Drehung einer Spindel 702 des Linearantriebs zu übersetzen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Übersetzungsgetriebe 700 als einstufiges Kegelradgetriebe mit einem an einem Ende der Lenksäule 314 befestigten ersten Kegelrad 704 und einem mit dem ersten Kegelrad 704 kämmenden, an einem Ende der Spindel 702 befestigten zweiten Kegelrad 706 ausgeführt. Beispielhaft weist das erste Kegelrad 704 eine größere Zähnezahl als das zweite Kegelrad 706 auf. Somit wird eine Drehung der Lenksäule 314 durch eine durch die beiden Kegelräder 704, 706 vorgegebene Übersetzung zur Spindel 702 hin erhöht.
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Alternativ kann das Übersetzungsgetriebe 700 als einstufiges Stirnradgetriebe realisiert sein.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearantriebs 304 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Linearantrieb 304 handelt es sich beispielsweise um einen vorangehend anhand der 3 bis 7 beschriebenen Linearantrieb. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Linearantrieb 304 als Kugelumlaufspindeltrieb mit einer Kugelumlaufmutter als Spindelmutter 800 und der in der Spindelmutter 800 drehbar gelagerten Spindel 702 realisiert. Die Spindel 702 und die Spindelmutter 800 sind in einem Spindeltriebgehäuse 802 angeordnet. Hierbei ist die Spindelmutter 800 mittels zweier Spindelmutterlager 804, hier Wälzlager, drehbar in dem Spindeltriebgehäuse 802 gelagert. Das Spindeltriebgehäuse 802 ist mit einem Anschlag 806 ausgeformt, der dazu dient, die Spindelmutter 800 in Richtung einer Drehachse 808 der Spindelmutter 800 zu fixieren, sodass sich die Spindel 702 beim Drehen der Spindelmutter 800 linear entlang der Drehachse 808 bewegt. Hierzu ist die Spindelmutter 800 beispielsweise über das hier nicht gezeigte Übersetzungsgetriebe mit der Lenksäule gekoppelt. Die Spindel 702 fungiert somit als Verschiebeelement.
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Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Spindel 702 an einem von dem Übersetzungsgetriebe abgewandten Spindelende ein in dem Spindeltriebgehäuse 802 entlang der Drehachse 808 verschiebbares Führungselement 810, etwa in Form einer Scheibe, auf. An dem Führungselement 810 ist ein Ende der Lenkschubstange 310, die koaxial zur Spindel 702 angeordnet ist, starr befestigt, beispielsweise durch Verschraubung. Hierbei ist die Lenkschubstange 310 durch eine Gehäuseöffnung 812 im Spindeltriebgehäuse 802 hindurchgeführt. Das Führungselement 810 kann ebenfalls als Verschiebeelement angesehen werden.
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Die Lenkschubstange 310 ist somit koaxial schwenk- und verdrehfest mit dem Lenkgetriebe gekoppelt. Hierbei kann das Lenkgetriebe an einem Punkt schwenkbar mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden sein. Durch die koaxiale Anlenkung der Lenkschubstange 310, verbunden mit einer schwenkbaren Lagerung des Lenkgetriebes, kann vermieden werden, dass das Lenkgetriebe, abgesehen von Gewichts- und Massenträgheitskräften, nicht oder nur geringfügig durch Querkräfte und Biegemomente belastet wird. Dadurch kann die Lagerung der Linearführung besonders einfach ausfallen.
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Dabei kann sich die wirksame Kinematik mit dem Lenkeinschlag ändern, da zur Länge der Lenkschubstange 310 noch ein variabler Abstand der Anlenkung der Lenkschubstange 310 zum rahmenfesten Drehpunkt des Lenkgetriebes hinzukommt. Damit kann das Eigenlenkverhalten beim Einfedern davon abhängen, ob gerade nach links oder rechts gelenkt wird.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearantriebs 304 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der in 9 gezeigte Linearantrieb 304 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 8 beschriebenen Linearantrieb, mit dem Unterschied, dass der in 9 gezeigte Linearantrieb 304 eine Spindelmutter 910 aufweist, die im Unterschied zu der in 8 gezeigten Spindelmutter nicht um die Drehachse 808 drehbar, sondern entlang der Drehachse 808 verschiebbar im Spindeltriebgehäuse 802 angeordnet ist. Die lineare Bewegung der Spindelmutter 910 wird durch eine Drehung der Spindel 912 um die Drehachse 808 bewirkt. Hierzu ist die Spindel 912 beispielsweise über das Übersetzungsgetriebe nach 7 mit der Lenksäule gekoppelt. Gemäß 9 fungiert somit die Spindelmutter 910 als Verschiebeelement.
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Das Spindeltriebgehäuse 802 weist einen optionalen Führungsschlitz 900 zum Führen der Spindelmutter 910 im Spindeltriebgehäuse 802 auf. Beispielhaft ist die Spindelmutter 910 mit drei Führungszapfen 902 ausgeformt, die in dem Führungsschlitz 900 verschiebbar gelagert sind.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Lenkschubstange 310 außerhalb des Spindeltriebgehäuses 802 angeordnet und durch den Führungsschlitz 900 hindurch gelenkig mit der Spindelmutter 910 verbunden. Die Lenkschubstange 310 ist über ein Gelenk 904, hier ein Kugelgelenk, mit einem mittleren der drei Führungszapfen 902 verschraubt.
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Somit ist die Lenkschubstange 310 über das Gelenk 904 schwenkbar mit dem Lenkgetriebe gekoppelt. Das Lenkgetriebe kann hierbei fest mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden sein.
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Der Vorteil einer solchen außermittigen Anlenkung der Lenkschubstange 310 besteht darin, dass ein durch die Lenkschubstange 310 und einen Längslenker des Fahrzeugs gebildetes Parallelogramm bei jedem Lenkeinschlag die gleiche Seitenlänge aufweist. Ferner zählt das Lenkgetriebe dadurch, dass es fest mit dem Rahmen verbunden ist, zur gefederten Masse des Fahrzeugs.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fahrzeugs 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Fahrzeug 300 handelt es sich beispielsweise um ein vorangehend anhand der 3 bis 9 beschriebenes Fahrzeug. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Lenkgetriebe 302 eine Zahnstange 308 als Verschiebeelement 308 auf, wobei die Zahnstange 308 ausgeformt ist, um die Spindel 912 aufzunehmen. Die Zahnstange 308 fungiert hierbei als Kugelumlaufmutter, sodass die Zahnstange 308 durch eine Drehbewegung der Spindel 912 linear, hier im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse 306, bewegt wird. An der Zahnstange 308 ist die Lenkschubstange 310 befestigt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel treibt die Eingangswelle der Lenksäule über das Ritzel 400 die Zahnstange 308 an, die mechanisch mit einem drehenden Teil eines Spindeltriebs gekoppelt ist, der die Lenkschubstange 310 bewegt. Optional ist der drehende Teil mit der Antriebseinheit 402, etwa einem Elektromotor, gekoppelt, um den drehenden Teil anzutreiben.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes 302 aus 10. Gezeigt sind unter anderem das Verschiebeelement 308 in Form der Zahnstange 308, das in eine Verzahnung der Zahnstange 308 eingreifende Ritzel 400 und die in der Zahnstange 308 drehbar gelagerte Spindel 912. Das Ritzel 400, die Zahnstange 308 und die Spindel 912 sind in dem Spindeltriebgehäuse 802 angeordnet. Die Zahnstange 308 ist mit einem mit Kugeln gefüllten Kugelrückführkanal 1100 realisiert, der ausgebildet ist, um beim Drehen der Spindel 912 eine Verschiebung der Zahnstange 308, und somit der Lenkschubstange, entlang der Drehachse 808 zu bewirken. Die Drehachse 808 kann beispielsweise parallel zur Fahrzeuglängsachse ausgerichtet sein.
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Die Antriebseinheit 402 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel über ein optionales Spindelantriebsgetriebe 1102, hier einem Kegelradgetriebe, mit der Spindel 912 gekoppelt. Hierbei ist ein dem Spindelantriebsgetriebe 1102 zugewandter Endabschnitt der Spindel 912 drehbar im Spindeltriebgehäuse 802 gelagert.
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12 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Lenkgetriebe 302 umfasst einen Linearantrieb 304, wie er vorangehend anhand von 9 beschrieben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sitzt auf der Spindel 912 ein Hohlrad 1200, das ausgebildet ist, um die Spindel 912 anzutreiben. Hierzu ist eine Innenverzahnung 1202 des Hohlrads 1200 über das Antriebselement 404 mit der Antriebseinheit 402 gekoppelt.
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Der Linearantrieb 304 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel über das Übersetzungsgetriebe 700, etwa ein anhand von 7 beschriebenes Kegelradgetriebe, mit der Lenksäule 314 gekoppelt.
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13 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Lenkgetriebe 302 handelt es sich beispielsweise um ein vorangehend anhand der 3 bis 12 beschriebenes Lenkgetriebe. Das Lenkgetriebe 302 weist einen Linearantrieb 304 ähnlich dem vorangehend anhand von 8 beschriebenen Linearantrieb auf, bei dem die Lenkschubstange koaxial an der Spindel 702 fixiert ist.
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Gemäß dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spindel 702 in einer starr mit der Spindelmutter 800 verbundenen Spindelhülse 1300 entlang der Drehachse 808 verschiebbar angeordnet. Zum Führen der Spindel 702 in der Spindelhülse 1300 ist beispielsweise ein von der Lenkschubstange abgewandter Endabschnitt der Spindel 702 mit zwei Spindelführungselementen 1302 ausgeformt, die in entsprechende Spindelführungsschlitze der Spindelhülse 1300 eingreifen und darin verschiebbar sind. Die Spindelhülse 1300 ist mittels eines Spindelhülsenlagers 1304, etwa eines zweireihigen Rillenkugellagers, um die Drehachse 808 drehbar im Spindeltriebgehäuse 802 gelagert.
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An einem von der Lenkschubstange abgewandten Ende der Spindelhülse 1300 ist ein Abtriebselement, hier beispielhaft das zweite Kegelrad 706 des Übersetzungsgetriebes 700, befestigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Kegelrad 706 zweistufig ausgeformt, um einerseits durch das mit der Lenksäule 314 gekoppelte erste Kegelrad 704, andererseits durch das ebenfalls als Kegelrad ausgeformte Antriebselement 404 der Antriebseinheit 402 angetrieben zu werden. Hierbei weist beispielsweise eine mit dem Antriebselement 404 gekoppelte Stufe des zweiten Kegelrads 706 eine größere Zähnezahl als das Antriebselement 404 auf.
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Durch eine durch die Lenksäule 314 oder die Antriebseinheit 402 erzeugte Drehbewegung der Spindelhülse 1300, und damit der Spindelmutter 800, wird die Spindel 702, und somit die daran befestigte Lenkschubstange, je nach Drehrichtung entlang der Drehachse 808 verschoben.
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14 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der in 14 gezeigte Linearantrieb 304 entspricht im Wesentlichen einem vorangehend anhand von 9 beschriebenen Linearantrieb mit verschiebbarer Spindelmutter 910. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Spindel 912 über ein Zahnriementrieb als Spindelantriebsgetriebe 1102 mit der Antriebseinheit 402 gekoppelt. Hierbei ist beispielsweise das zweite Kegelrad 706 koaxial zu einem auf der Spindel 912 sitzenden Zahnriemenrad 1400 des Spindelantriebsgetriebes 1102 angeordnet.
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15 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Lenkgetriebe 302 entspricht beispielsweise einem vorangehend anhand von 12 beschriebenen Lenkgetriebe. Gezeigt ist ein Querschnitt des Lenkgetriebes 302 quer zur Drehachse 808. Wie in 15 zu erkennen, ist das Spindeltriebgehäuse 802 zylinderförmig ausgestaltet. Hierbei weist eine Innenwandfläche des Spindeltriebgehäuses 802 zwei einander gegenüberliegende gekrümmte Abschnitte sowie zwei einander gegenüberliegende gerade Abschnitte auf. Die Spindelmutter 910 weist an den geraden Abschnitten gegenüberliegenden Seiten jeweils eine entsprechende Abflachung und an den gekrümmten Abschnitten gegenüberliegenden Seiten jeweils eine entsprechende Rundung auf. Dargestellt ist ferner der Führungszapfen 902 zum Anlenken der Lenkschubstange.
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16 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe 302 aus 14. Im Unterschied zu 14 erfolgt der Antrieb jedoch über ein Hohlradgetriebe wie in 12. Gezeigt ist ein Querschnitt entlang einer in 15 gezeigten Schnittlinie B-B. Der in 15 gezeigte Querschnitt entspricht hierbei einem Querschnitt entlang einer in 16 gezeigten Schnittlinie C-C.
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17 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Lenkgetriebe 302 aus 16. Gezeigt ist ein Querschnitt entlang einer in 15 gezeigten Schnittlinie A-A.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der vorangegangenen Figuren nochmals beispielhaft beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Spindeltrieb mit der Lenksäule 314 und mit zumindest einem Elektromotor als Antriebseinheit 402 zur Servounterstützung verbunden.
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Dabei kann die Lenkschubstange je nach Ausführungsbeispiel mit der Spindel 702 oder der Spindelmutter 910 verbunden sein.
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Die Übertragung und Übersetzung des Momentes von der Antriebseinheit 402 zur Spindel 702 oder Spindelmutter 910 erfolgt beispielsweise mittels eines Zahnriemens. Dies bietet den Vorteil einer geringen Geräuschentwicklung und eines geringen Spiels. Hierbei können auch mehrere Zahnriemen zur Kraftübertragung eingesetzt werden.
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Denkbar ist auch eine Kopplung über ein Stirnradgetriebe. Ein solches Stirnradgetriebe bietet den Vorteil einer hohen Robustheit und geringer Herstellungskosten.
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Ferner kann die Kopplung über ein Hohlrad erfolgen, wie beispielsweise in den 16 und 17 gezeigt. Dadurch wird eine höhere Übersetzung bei gleichem Bauraum ermöglicht. Ferner befinden sich mehr Zähne im Eingriff, wodurch Geräusche und Vibrationen reduziert werden und im Vergleich zu einer Außenverzahnung weniger Verschleiß auftritt.
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Möglich ist auch ein Direktantrieb der Spindel 702 oder der Spindelmutter 910. Dadurch befinden keine Zähne im Eingriff, sodass Geräusche sowie Spiel und Verschleiß, insbesondere bei geringer Welligkeit eines Motormoments, auf ein Minimum reduziert werden können.
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Besonders günstig ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Lenkschubstange über das Gelenk 904 schwenkbar mit der Spindelmutter 910 gekoppelt ist, wobei die Lenksäule 314 die Spindel 702 über ein einstufiges Kegelradgetriebe treibt und die Antriebseinheit 402 die Spindel 702 über ein einstufiges Hohlradgetriebe treibt.
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18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1800 zum Ansteuern eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1800 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand der 3 bis 17 beschriebenen Lenkgetriebe durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 1810 ein eine Lenkbewegung repräsentierendes Lenksignal eingelesen. In einem weiteren Schritt 1820 wird unter Verwendung des Lenksignals ein Steuersignal zum Steuern einer Antriebseinheit zum Antreiben des Verschiebeelements bereitgestellt.
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19 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1900 zum Lenken eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1900 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand der 3 bis 18 beschriebenen Fahrzeug durchgeführt werden. In einem Schritt 1910 wird über die Lenksäule des Fahrzeugs ein Lenkmoment in das Lenkgetriebe des Fahrzeugs eingekoppelt. In einem Schritt 1920 wird das Lenkmoment mittels des Linearantriebs des Lenkgetriebes in eine Bewegung des Verschiebeelements des Linearantriebs entlang der Fahrzeuglängsachse umgesetzt.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lenkgetriebe
- 101
- Spindel
- 102
- Eingangswelle
- 104
- Außenverzahnung
- 106
- Kugelumlaufmutter
- 108
- Ausgangswelle
- 110
- Segmentverzahnung
- 112
- Lenkstockhebel
- 114
- Lenkschubstange
- 200
- Fahrzeug
- 202
- Lenkhebel
- 204
- Rad
- 206
- weiteres Rad
- 208
- Spurhebel
- 210
- Spurstange
- 212
- Fahrzeugrahmen
- 300
- Fahrzeug
- 302
- Lenkgetriebe
- 304
- Linearantrieb
- 306
- Fahrzeuglängsachse
- 308
- Verschiebeelement
- 310
- Lenkschubstange
- 312
- Rad
- 314
- Lenksäule
- 400
- Ritzel
- 402
- Antriebseinheit
- 404
- Antriebselement
- 406
- Rahmen
- 500
- weitere Antriebseinheit
- 502
- weiteres Antriebselement
- 600
- erste Verzahnungsseite
- 602
- zweite Verzahnungsseite
- 700
- Übersetzungsgetriebe
- 702
- Spindel
- 704
- erstes Kegelrad
- 706
- zweites Kegelrad
- 800
- Spindelmutter
- 802
- Spindeltriebgehäuse
- 804
- Spindelmutterlager
- 806
- Anschlag
- 808
- Drehachse
- 810
- Führungselement
- 812
- Gehäuseöffnung
- 900
- Führungsschlitz
- 902
- Führungszapfen
- 904
- Gelenk
- 910
- Spindelmutter
- 912
- Spindel
- 1100
- Kugelrückführkanal
- 1102
- Spindelantriebsgetriebe
- 1200
- Hohlrad
- 1202
- Innenverzahnung
- 1300
- Spindelhülse
- 1302
- Spindelführungselement
- 1304
- Spindelhülsenlager
- 1400
- Zahnriemenrad
- 1800
- Verfahren zum Ansteuern eines Lenkgetriebes
- 1810
- Schritt des Einlesens
- 1820
- Schritt des Bereitstellens
- 1900
- Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs
- 1910
- Schritt des Einkoppelns
- 1920
- Schritt des Umsetzens
