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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung. Solche Feedback-Aktuatoren werden insbesondere bei steer-by-wire-Lenksystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt.
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Hintergrund der Erfindung
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Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers, wie konventionelle mechanische Lenkungen, durch Drehung eines Lenkrades einer Eingabeeinheit entgegen. Dadurch wird die Drehung einer Lenkwelle bewirkt, die jedoch nicht mechanisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist, sondern mit Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren zusammenwirkt, die den eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag der Räder einstellt.
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Bei steer-by-wire-Systemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw. Rückstellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände zum Lenkrad zurückgemeldet werden. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
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Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungs-Signal zu bilden, welches in einen Feedback-Aktuator eingespeist wird. Der Feedback-Aktuator ist in die Eingabeeinheit integriert und weist eine Aktuatoreinheit auf, die einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb umfasst, und die abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment (Feedbackmoment) über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige „Force-feedback“-Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
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Aus der
DE 10 2008 036 730 A1 ist ein steer-by-wire-Lenksystem bekannt, mit einer Eingabeeinheit, die eine von einem Elektromotor angetriebene Aktuatoreinheit aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkwelle gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkwelle eingekoppelten Handmoment. Dabei ist der Elektromotor bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkwelle verbunden. Eine gleichartig aufgebaute Aktuatoreinheit ist in der
EP 2 414 211 B1 dargestellt. In der darin beschriebenen Ausführung bildet die Lenkwelle selbst die Motorwelle des Elektromotors, sodass ein kompakterer Aufbau realisiert werden kann.
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Zur Beaufschlagung eines definierten Rückstellmoments im Lenkrad muss bei den vorangehend beschriebenen bekannten Ausführungen das Motordrehmoment wegen der direkten Kupplung der Motorwelle mit der Lenkwelle entsprechend genau vorgegeben werden, was eine aufwendige, schnelle und präzise Regelung des Motorstroms in der Steuereinheit erfordert. Hinzu kommt, dass zur Realisierung größerer Rückstellmomente relativ hohe Steuerströme bereitgestellt werden müssen. Diese Anforderungen bedingen einen hohen Steuerungsaufwand, sodass die Steuereinheit entsprechend aufwendig ausgelegt werden muss. Außerdem haben zur Beaufschlagung mit realistischen Rückstellmomenten geeignete Elektromotoren mit ausreichend hohen Motordrehmomenten relativ große Abmessungen, was einem kompakten Aufbau entgegensteht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feedback-Aktuator für eine kompakte Lenkeinrichtung mit einem realistisch nachgebildeten Lenkgefühl zu entwickeln, die möglichst spielfrei ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment, mit einer äußeren Gehäuseanordnung, umfassend
- - eine Lenkspindel zur Kopplung mit einem Lenkrad, wobei die Lenkspindel um ihre Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist,
- - mindestens einen ersten Motor zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments in einem eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs,
- - ein Getriebe zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments am Lenkrad aufweist, wobei das Getriebe ein Zahnradgetriebe ist, das in zwei axial einander benachbarten Stirnräder geteilt ist, und das eine kreisringsegmentförmige Torsionsfeder aufweist, zwischen deren umfangsseitig einander gegenüberliegenden Federenden ein Schlitz ausgebildet ist, in den zwei jeweils einem der beiden Stirnräder zugeordnete Nocken eingreifen, von denen der eine Nocken einem der beiden Federenden und der andere Nocken dem anderen Federende zugeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft somit einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung mit einem als Zahnradgetriebe ausgebildeten Getriebe. Das Zahnradgetriebe - insbesondere für ein Planetengetriebe - ist in zwei axial einander benachbarte Stirnräder geteilt. Die Zähne beider Stirnräder können mit einem Gegenrad kämmen, beispielsweise mit einem Hohlrad eines Planetengetriebes: jeweils ein Zahn von beiden Stirnrädern greift in eine gemeinsame Zahnlücke des Gegenrades ein, wobei der eine Zahn des einen Stirnrades an dem einen die Zahnlücke begrenzenden Zahn des Gegenrades und der andere Zahn des anderen Stirnrades an dem anderen die Zahnlücke begrenzenden Zahn des Gegenrades spielfrei anliegen kann.
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Ferner ist erfindungsgemäß einer kreisringsegmentförmigen Torsionsfeder vorgesehen, zwischen deren umfangsseitig einander gegenüberliegenden Federenden ein Schlitz ausgebildet ist, in den zwei jeweils einem der beiden Stirnräder zugeordnete Nocken eingreifen, von denen der eine Nocken einem der beiden Federenden und der andere Nocken dem anderen Federende zugeordnet ist.
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Die Erfindungsgemäße Anwendung eines Zahnradgetriebes reduziert in vorteilhafter Weise den benötigten Bauraum und kann zudem den Energiebedarf für das System reduzieren.
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Vorzugsweise kann der Feedback-Aktuator eine Sperrvorrichtung für Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment eines Motors erfordern, aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, ist ein Winkelsensorsystem zur Ermittlung der Rotorlage für die Regelung eines Motors vorgesehen. Dies dient dazu, dass bei einer gegebenen Motorkraft der vordefinierten Einstellung entspricht. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Verhalten der Motorwelle und der Lenkspindel sichergestellt werden. Vorteilhafterweise kann das Winkelsenseorsystem selbst oder ein oder mehrere Sensoren dazu vorgesehen sein, eine Torsion und/oder eines Drehmoments an der Motorwelle/ der Rotorlage zu erfassen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Nocken in axialer Richtung zumindest im Wesentlichen überdeckungsfrei angeordnet. Hierdurch ergeben sich die nachstehend erläuterten Vorteile. Wenn die Torsionsfeder spannungsfrei ist, der Schlitz also am kleinsten ist, können beide Nocken aufgrund der zumindest im Wesentlichen überdeckungsfreien Anordnung in axialer Richtung axial hintereinander angeordnet werden und in den Schlitz der spannungsfreien Torsionsfeder eingreifen. Je kleiner der Schlitz ist, desto steifer kann die Torsionsfeder sein. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass ein radiales Auswandern der Torsionsfeder unter Last verringert wird. Je kleiner der Schlitz ist, desto geringer ist die Tendenz der Torsionsfeder, radial auszuwandern. Hierdurch wird ein möglichst kleiner Öffnungswinkel zwischen den beiden den Schlitz begrenzenden Federenden ermöglicht.
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Wenn nun die beiden Stirnräder gegeneinander verdreht werden, drücken beide Nocken die Federenden unter Vergrößerung des Schlitzes auseinander. Gleich große Torsionsfedern können aufgrund des kleineren Schlitzes bei erfindungsgemäßer Anordnung eine verbesserte Steifigkeit aufweisen gegenüber der bekannten Anordnung.
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Im Wesentlichen überdeckungsfrei im Sinn der Erfindung bedeutet, dass beispielsweise beide Nocken an ihren einander zugewandten freien Enden eine Stufe oder einen Anschlag aufweisen können, die axial ineinandergreifen. Diese Stufen können so beschaffen sein, dass in dem einen Drehsinn der beiden Stirnräder die Stufen formschlüssig aneinanderschlagen, eine Verdrehung also in diesem Drehsinn nicht möglich ist. In dieser Anschlaglage können beide Nocken einwandfrei axial hintereinander liegend angeordnet, also fluchtend angeordnet sein. In dem entgegengesetzten Drehsinn ist eine Verdrehung der Stirnräder möglich, um die gewünschte Vorspannung der Torsionsfreder einzustellen.
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Günstig kann es jedoch sein, die Nocken völlig überdeckungsfrei in axialer Richtung anzuordnen. Das bedeutet, dass eine Verdrehung der beiden Stirnräder in beiden Drehsinnen möglich sein kann, um eine gewünschte Vorspannung der Torsionsfeder einzustellen.
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Für Montagezwecke können die beiden Stirnräder in eine Drehlage gebracht werden, in der beide Nocken hintereinander angeordnet sind, also ohne umfangsseitigen Versatz zueinander. Die Nocken beanspruchen in dieser Lage den geringst möglichen Raum in Umfangsrichtung; in dieser Drehlage kann die Torsionsfeder spannungsfrei angeordnet sein, wobei die beiden Nocken in den Schlitz der Torsionsfeder eingreifen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Nocken jeweils eine umfangsseitige Erstreckung auf, die kleiner als die umfangsseitige Erstreckung des Schlitzes der Torsionsfeder ist. Auf diese Weise kann eine Montage der Torsionsfeder zwischen die beiden Stirnräder ohne federnde Auslenkungen erfolgen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine einwandfreie Ausrichtung der Torsionsfeder dadurch ermöglicht werden, dass die Stirnräder an ihren einander zugewandten Stirnseiten Lagerflächen zur axialen Lagerung der Torsionsfeder aufweisen. Eine axiale Erstreckung jedes Nockens zwischen der Lagerfläche des zugeordneten Stirnrades und dem freien Nockenende dieses Nockens ist kleiner als die axiale Erstreckung der Torsionsfeder. Beide Nocken weisen gemeinsam eine axiale Erstreckung zwischen den Lagerflächen der Stirnrades und den freien Nockenenden aufweisen, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der Torsionsfeder. Wenn die Torsionsfeder axial spielfrei zwischen den beiden Stirnrädern angeordnet ist, kann zwischen den beiden Nocken ein axialer Abstand ausgebildet sein, die Nocken berühren sich also einander nicht.
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Bevorzugterweise kann die Torsionsfeder ein etwa rechteckförmiges oder kreisförmiges Querschnittsprofil aufweisen, das kreisbogenförmig um eine Rotationsachse des Zahnrades herum angeordnet ist, wobei die Torsionsfeder eben ausgebildet sein kann.
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Beide Stirnräder können baugleich ausgeführt sein; beide Stirnräder können frei drehbar auf einem Lagerbolzen angeordnet sein. Die Nocken können einstückig mit dem zugeordneten Stirnrad verbunden sein.
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Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Steifigkeit kann darin gesehen werden, dass an den beiden Federenden ausgebildete Anlageflächen für die Nocken am radial außen gelegenen Ende der Federenden angeordnet sind, wobei die Anlageflächen nach radial innen durch Freistellungen an den Federnden begrenzt sind. Je weiter radial außen der Kraftangriffsangriffspunkt liegt, desto steifer verhält sich die Feder aufgrund der Hebelverhältnisse. Die Freistellungen sorgen für definierte Kraftangriffspunkte radial außen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von fünf Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Feedback-Aktuators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Getriebe,
- 2 eine Planetenradstufe des Getriebes aus 1,
- 3 einen Längsschnitt durch ein Zahnrad eines Planetenrades des Getriebes aus 1 und 2,
- 4 eine Explosionsdarstellung des Zahnrades der Planetenradstufe aus 2,
- 5 eine Darstellung der Anlageflächen der Zahnräder, und
- 6 eine Ansicht des Zahnrades aus 3.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt somit einen Feedback-Aktuator 1 für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment L, mit einer äußeren Gehäuseanordnung 2, umfassend eine Lenkspindel 3 zur Kopplung mit einem Lenkrad 4, wobei die Lenkspindel 3 um ihre Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 2 gelagert ist, ein Lager 5 zur Lagerung der Lenkspindel 3, ein entlang der Längsachse L optional angeordnetes Reibelement 6 zur Erzeugung einer Grundreibung des Feedback-Aktuators 1, eine Sperrvorrichtung 7 für Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment L eines Motors 8 erfordern, ein Winkelsensorsystem 9 zur Ermittlung der Rotorlage für die Regelung eines Motors 8 und mindestens einen ersten Motor 8 zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments M in einem eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs.
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Der Feedback-Aktuator 1 weist ein Getriebe 10 zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments L am Lenkrad 4 auf, wobei das Motorlenkmoment M des mindestens einen Motors 8 kleiner ist als das definierte Lenkmoment L zur Wahrnehmung durch einen Kraftfahrzeugfahrer. Wegen des Ausgleichs durch das Getriebe 10, um das Motorlenkmoment M auf den Betrag des definierten Lenkmoments L einzustellen, kann der mindestens eine Motor 8 gegenüber einem Motor ohne dieses Getriebe 10 kompakter ausgebildet werden. Dies reduziert in vorteilhafter Weise den benötigten Bauraum und kann zudem den Energiebedarf für das System reduzieren.
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Anhand der nachfolgenden Figuren, wird das Getriebe 10 näher beschrieben. DAs Getriebe 10 ist als ein Zahnradgetriebe 11 ausgebildet.
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2 zeigt eine Planetenradstufe 12 des genannten Zahnradgetriebes 11. Ein Planetenradträger 13 trägt vier über den Umfang verteilt angeordnete erfindungsgemäße Zahnräder 14, die weiter unten näher beschrieben werden und hier beispielhaft als Planetenräder 15 eingesetzt werden. Die weitere Beschreibung der erfindungsgemäßen Zahnräder 14 erfolgt anhand dieser Planetenräder 15.
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Wie aus 3 ersichtlich ist weist das Planetenrad 15 zwei axial benachbarte Stirnräder 16 auf, die im Ausführungsbeispiel baugleich sind. Beide Stirnräder 16 sind drehbar auf einem Lagerbolzen angeordnet, der an dem Planetenradträger 13 befestigt ist. Das Zahnrad kann asymmetrisch sein, so dass eine Hälfte schmaler ausgeführt ist. Die Stirnräder 16 tragen am Außenumfang Zähne 17 für den Eingriff mit dem Hohlrad sowie mit dem Sonnenrad. Zwischen den beiden Stirnrädern 16 ist eine kreisringsegmentförmige Torsionsfeder 18 angeordnet, die weiter unten ausführlich beschrieben wird. Zwei axial einander benachbarte Zähne 17 der beiden Stirnräder 16 bilden gemeinsam einen der Zähne 19 des Planetenrades 15.
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Aus der 4 wird nochmals der Aufbau der Stirnräder 16 und der der Torsionsfeder 18 ersichltich. Hier ist deutlich zu entnehmen, dass die Stirnräder 16 an ihren einander zugewandten Stirnseiten jeweils mit einem axial vorspringenden Nocken 20 versehen sind, der einstückig mit dem zugeordneten Stirnrad 16 ausgebildet ist. Deutlich ist die Torsionsfeder 18 zu erkennen, zwischen deren umfangsseitig einander gegenüber liegenden Enden ein Schlitz 21 ausgebildet ist, in den die beiden Nocken 20 eingreifen. Die einander zugewandten Stirnseiten der beiden Stirnräder weisen Lagerflächen 22 zur axialen Lagerung der Torsionsfeder 18 auf.
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Die beide Nocken 20 weisen zwischen der Lagerfläche 22 des zugeordneten Stirnrades 16 und dem freien Nockenende dieses Nockens 20 gemeinsam eine axiale Erstreckung auf, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der Torsionsfeder 18. Wenn die Torsionsfeder 18 axial spielfrei zwischen den beiden Stirnrädern 16 angeordnet ist, ist zwischen den beiden Nocken 20 ein axialer Abstand ausgebildet, die Nocken 20 berühren sich also nicht.
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Die Torsionsfeder 18 weist ein etwa rechteckförmiges Querschnittsprofil auf, das kreisbogenförmig um eine Rotationsachse des Planetenrades 15 herum angeordnet ist, wobei die Torsionsfeder 18 eben ausgebildet ist. Federenden 23 der Torsionsfeder 18 weisen einander zugewandte Anlageflächen 24 für die Nocken 20 auf. Die axiale Erstreckung dieser Anlageflächen 24 entspricht der axialen Dicke der der Torsionsfeder 18.
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Beide Anlageflächen 24 überlappen in axialer Richtung jeweils beide Nocken 20. Beide Nocken 10 sind für die Montage der Torsionsfeder 18 im Wesentlichen axial fluchtend angeordnet. Je nach Gestaltung der Nocken 20 kann in beiden Drehsinnen eine Vorspannung der Torsionsfeder 18 eingestellt werden. Die Erstreckung der beiden Nocken 20 in Umfangsrichtung ist etwas kleiner als die Erstreckung des Schlitzes 21 der unbelasteten Torsionsfeder 18.
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In der 5 ist mit den Bezeichnungen „A“ und „B“ angedeutet, welche Kontakte sich zwischen der Torsionfeder 18 und den beiden Nocken 20 bei vorgespannter Torsionsfeder 18 ergeben. Die beiden an den Federenden 24 ausgebildeten Anlageflächen 24 werden diagonal belastet; Bei „A“ liegt der eine Nocken 20 an, und bei „B“ liegt der andere Nocken 20 an.
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6 zeigt die beiden Stirnräder 16 in einer Drehlage mit versetzt angeordneten Zähnen 17. Deutlich ist eine Initialverdrehung φi zwischen den beiden Stirnrädern 16 zu entnehmen. In der abgebildeten Drehlage ist noch keine Vorspannung auf die Torsionsfeder 18 aufgebracht; unter weiterer Drehung der beiden Stirnräder 16 in Richtung auf eine Drehlage, in der die Zähne 17 beider Stirnräder 16 miteinander fluchten, erfolgt jedoch eine Zunahme eines Drehmomentes unter zunehmender Belastung der Torsionsfeder 18 bis zu einem maximalen Moment Tmax bei axial fluchtenden Zähnen 17.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feedback-Aktuator
- 2
- Gehäuseanordnung
- 3
- Lenkspindel
- 4
- Lenkrad
- 5
- Lager
- 6
- Reibelement
- 7
- Sperrvorrichtung
- 8
- Motor
- 9
- Winkelsensorsystem
- 10
- Getriebe
- 11
- Zahnradgetriebe
- 12
- Planetenradstufe
- 13
- Planetenradträger
- 14
- Zahnrad
- 15
- Planetenrad
- 16
- Stirnrad
- 17
- Zähne
- 18
- Torsionsfeder
- 19
- Zähne
- 20
- Nocken
- 21
- Schlitz
- 22
- Lagerfläche
- 23
- Federende
- 24
- Anlagefläche
- L
- Lenkmoment
- A
- Kontakt Nocken-Torsionsfeder
- B
- Kontakt Nocken-Torsionsfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036730 A1 [0005]
- EP 2414211 B1 [0005]
