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Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei Lenkgetrieben herkömmlicher Kraftfahrzeuge, insbesondere von PKWs, kommt normalerweise eine Zahnstangenlenkung zum Einsatz. Dabei wirkt eine Ritzelwelle, die durch das Lenkrad gedreht wird, mit einer Zahnstange zusammen, die als Lenkstange direkt oder indirekt - über äußere Spurstangen - auf die Lenkhebel der Räder wirkt. Die Zahnstange wird über ein gefedertes Druckstück gegen das Ritzel der Ritzelwelle gepresst. Dabei sind sowohl die Ritzelwelle als auch die Zahnstange wenigstens teilweise innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses angeordnet, in dem sie drehbar bzw. verschiebbar geführt sind. In der Regel wird die seitens des Fahrers ausgeübte Lenkbewegung durch einen Servomotor unterstützt. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Zahnstange mit einer Gewindespindel verbunden oder einstückig mit dieser ausgebildet ist, wobei der Servomotor eine Spindelmutter antreibt, die mit der Gewindespindel zusammenwirkt. Die Drehbewegung der Spindelmutter wird durch das Zusammenwirken von Innen- und Außengewinde in eine Translation der Lenkstange umgesetzt. Hierzu ist es allerdings notwendig, dass eine Drehung der Lenkstange verhindert wird, d.h. ein seitens der Spindelmutter einwirkendes Drehmoment muss in irgendeiner Form aufgenommen werden. Bei einer Servolenkung geschieht dies vornehmlich durch das Zusammenwirken von Ritzel und Zahnstange, d.h. das Drehmoment wird vom Ritzel bzw. der Ritzelwelle aufgenommen.
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Im Falle eines Steer-by-Wire-Systems gibt es keine direkte Kraftübertragung vom Lenkrad zum Lenkgetriebe, d.h. diese beiden Systeme sind mechanisch entkoppelt. Insofern entfällt normalerweise auch die Ritzelwelle, die bei herkömmlichen Lenkungen die Drehbewegung des Lenkrads überträgt. Das Lenkgetriebe kann ausschließlich über einen Spindeltrieb angetrieben werden, dessen Spindelmutter an einen Elektromotor gekoppelt ist. Gleiches gilt bei autonomen Fahrsystemen, bei denen ein Lenkrad entfällt oder allenfalls ergänzend vorgesehen ist. Insofern ergibt sich bei derartigen Lenksystemen das Problem, wie die seitens der Spindelmutter ausgeübten Drehmomente aufgenommen werden können.
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Die
US 4 531 603 A offenbart einen Zahnstangenantrieb für ein Lenkgetriebe mit einem Ritzel, welches mit einer Zahnstange zusammenwirkt. Das Ritzel und die Zahnstange sind in einem Gehäuse angeordnet, wobei die Zahnstange mittels eines Lagers im Gehäuse verschiebbar angeordnet ist. Um die Lagerreibung zu reduzieren, ist vorgesehen, dass das Lager eine Mehrzahl von umlaufenden Kugeln aufweist, über die die Zahnstange abrollt, während auftretende Drehmomente um die Längsachse der Zahnstange vom Lager aufgenommen werden.
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Die
US 2003/0121715 A1 zeigt ein Rollenzahnradgetriebe zur Verwendung in einem Servolenksystem. Dieses weist ein Rollenrad auf mit mehreren, radial vorspringenden Zähnen auf seinem Umfang, wobei die Zähne Stifte aufweisen, die im Umfang des Rollenrads drehbar angebracht sind und von diesem vorstehen. Das Rollenrad seinerseits ist drehfest mit einer Ritzelwelle verbunden, die mit einer Zahnstange eines Lenkgetriebes zusammenwirkt.
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Die
US 2010/0319471 A1 zeigt ein Servolenksystem mit einer Lenkstange und einer hiermit zusammenwirkenden Spindelmutter, welche beide innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind. Ein Lager ist zwischen einer inneren Oberfläche des Gehäuses und einer äußeren Oberfläche der Spindelmutter zwischengeordnet. Ein Rückhalteelement umgibt das Lager und weist einen radialen Vorsprung auf, wobei Dämpfungselemente in axialer Richtung beiderseits des Vorsprungs angeordnet sind, um Vibrationen zu absorbieren. Wenigstens ein Dämpfungselement weist auf einer Seite einen Fixierungsvorsprung auf, wodurch die Dämpfungselemente während der Rotation der Spindelmutter in einer Normalposition gehalten werden.
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Die
KR 10 2017 047 919 A offenbart ein Lenkgetriebe mit einer Zahnstange sowie einer hiermit zusammenwirkenden Ritzelwelle. Um für einen stabilen Eingriff zwischen der Zahnstange und der Ritzelwelle zu sorgen, sind auf gegenüberliegenden Seiten der Ritzelwelle Zuggurte einerseits um die Zahnstange sowie andererseits um jeweils einen Haltestift geführt, der durch ein Federelement beaufschlagt ist, welche sich wiederum am Gehäuse des Lenkgetriebes abstützt. Zur Reibungsverminderung ist der Teil des Zuggurtes, in dem die Zahnstange geführt ist, mit einer entsprechenden Beschichtung versehen.
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Die
EP 0 575 431 B1 offenbart eine Zahnstangen-Ritzelanordnung, umfassend eine verzahnte Zahnstange, bei der die Oberseiten bzw. Spitzen ihrer Zähne in einer gemeinsamen Ebene liegen. Ein Anti-Roll-Mechanismus weist ein Zahnstangenzähne-Anlagemittel auf, das zur Ermöglichung einer Relativbewegung zwischen der Zahnstange und dem Zähne-Anlagemittel ausgebildet und so montiert oder gelagert ist, dass es stets an den Spitzen von mindestens zwei Zähnen der Zahnstange anliegt.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Sicherstellung des störungsfreien Antriebs einer Lenkstange durch einen Spindeltrieb bei Fehlen einer mechanischen Kopplung an ein Lenkrad noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizient funktionierendes Lenkgetriebe ohne mechanische Kopplung an ein Lenkrad zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug kann bspw. ein PKW oder ein LKW sein. Das Lenkgetriebe dient dabei selbstverständlich der Lenkung wenigstens eines Fahrzeugrades, wobei eine Kraft zum Lenken dieses Fahrzeugrades durch das Lenkgetriebe übertragen sowie ggf. durch eine Übersetzung oder Untersetzung verstärkt oder reduziert werden kann.
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Das Lenkgetriebe weist eine Lenkstange auf, die eine Gewindespindel aufweist. Die Lenkstange ist dazu vorgesehen, eine Kraft zum Lenken des wenigstens einen Fahrzeugrades zu übertragen, wozu sie im zusammengebautem Zustand normalerweise direkt oder indirekt mit einem Lenkhebel verbunden sein kann. Sie weist eine Gewindespindel auf, man könnte auch sagen, dass sie abschnittsweise als Gewindespindel ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Lenkstange einstückig ausgebildet, in der Regel aus Metall, z.B. Stahl.
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Das Lenkgetriebe kann insbesondere Teil eines Steer-By-Wire-Systems oder eines autonomen Lenksystems sein, in beiden Fällen also zu einem System gehören, bei dem keine mechanische Kraftübertragung von einem Lenkrad zu den Fahrzeugrädern erfolgt. Dementsprechend weist die Lenkstange auch keine Verzahnung auf, die mit einem Ritzel zusammenwirkt, das bspw. eine Kraft vom Lenkrad überträgt.
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Weiterhin weist das Lenkgetriebe eine um eine Spindelachse antreibbare Spindelmutter auf, die mit der Gewindespindel zusammenwirkt, um die Lenkstange relativ zu einem Gehäuse entlang der Spindelachse zu verschieben. Während die Gewindespindel ein Außengewinde aufweist, weist die Spindelmutter ein entsprechendes Innengewinde auf. Die Gewindespindel kann unmittelbar mit der Spindelmutter eingreifen, in welchem Fall es sich um einen herkömmlichen Spindeltrieb handelt. Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Gewindespindel und die Spindelmutter Teile eines Kugelumlaufgetriebes bilden, so dass die Kraftübertragung im Wesentlichen über eine Mehrzahl von Kugeln gegeben ist, die zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter angeordnet sind und die zwischen dem Innengewinde und dem Außengewinde umlaufen. Die Spindelmutter ist um eine Spindelachse antreibbar. Im Betriebszustand ist die Spindelmutter direkt oder indirekt an einen Motor, normalerweise einen Elektromotor, gekoppelt, welcher sie antreibt, so dass sie sich um die Spindelachse dreht. Diese Spindelachse bildet normalerweise die Mittelachse der Spindelmutter ebenso wie der Gewindespindel. Durch das Zusammenwirken der Spindelmutter mit der Gewindespindel wird die Drehbewegung der Spindelmutter in eine Verschiebung (also eine translatorischen Bewegung) der Lenkstange entlang der Spindelachse umgesetzt. Die Spindelachse kann insbesondere mit der Y-Achse (Querachse) des Fahrzeugs übereinstimmen.
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Das Gehäuse bildet im weitesten Sinne eine Art Rahmen oder Basis, an welcher die hier genannten Teile des Lenkgetriebes sowie ggf. weitere Komponenten gelagert sind. In der Regel umgibt das Gehäuse diese Teile vollständig oder teilweise. Es ist normalerweise aus mehreren miteinander verbundenen Teilen zusammengesetzt. Es kann beim Zusammenbau des Kraftfahrzeugs zusammen mit Teilen des Lenkgetriebes als im Voraus zusammengesetzte Baugruppe mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden werden.
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Erfindungsgemäß weist die Lenkstange eine zur Spindelachse parallele Lauffläche auf und eine gegenüber dem Gehäuse um eine Walzenachse drehbare Walzeneinheit weist eine rotationssymmetrische Mantelfläche auf, die auf der Lauffläche abrollt und mit dieser einen Formschluss in tangentialer Richtung bezüglich der Spindelachse bildet. Die Lauffläche ist parallel zur Spindelachse, dementsprechend weist sie eine Kontur auf, die entlang der Spindelachse gleichbleibt. Man könnte auch sagen, dass die Lauffläche in jedem Fall entlang der Spindelachse ausgerichtet ist. Somit ist die Lauffläche entlang der Spindelachse glatt. Bspw. kann die Lauffläche aus mehreren gegeneinander abgewinkelten, in sich ebenen Teilflächen gebildet sein, wobei jede Teilfläche parallel zur Spindelachse verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Teil der Lauffläche konvex und/oder konkav gewölbt sein. Es versteht sich, dass die Lauffläche in einem anderen Abschnitt der Lenkstange ausgebildet ist als die Gewindespindel.
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Eine Walzeneinheit des Lenkgetriebes ist gegenüber dem Gehäuse um eine Walzenachse drehbar, man könnte auch sagen, drehbar gelagert. Normalerweise ist die Walzeneinheit am Gehäuse selbst drehbar gelagert. Sie weist eine rotationssymmetrischen Mantelfläche auf, die auf der Lauffläche abrollt. D.h., wenn die Lenkstange in Richtung der Spindelachse verschoben wird, rollt die Mantelfläche auf der Lauffläche ab. Dabei dreht sich die Walzeneinheit um die Walzenachse, zu welcher die Mantelfläche rotationssymmetrisch ist. In aller Regel verläuft die Walzenachse senkrecht zur Spindelachse, um ein optimales Abrollen zu gewährleisten, wenngleich geringfügige Abweichungen hiervon möglich sind, ohne dass dies zu größeren Nachteilen führt. Bevorzugt ist die Mantelfläche wenigstens teilweise komplementär zur Lauffläche ausgebildet, d.h. wenn die Lauffläche bspw. konkav gewölbt ist, ist die Mantelfläche bevorzugt konvex gewölbt und weist eine der Lauffläche entsprechende Krümmung auf. Im weitesten Sinne könnte man sagen, dass die Lauffläche eine Art Bahn oder Schiene bildet, auf welcher die Walzeneinheit läuft. Die Walzeneinheit kann bevorzugt einstückig ausgebildet sein oder zumindest derjenige Teil der Walzeneinheit, an dem die Mantelfläche ausgebildet ist.
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Die Formen der Mantelfläche und der Lauffläche sind erfindungsgemäß so aufeinander abgestimmt, dass die Mantelfläche mit der Lauffläche einen Formschluss in tangentialer Richtung bezüglich der Spindelachse bildet. Betrachtet man einen Querschnitt senkrecht zur Spindelachse, so ist die Kontur weder der Mantelfläche noch der Lauffläche rotationssymmetrisch zur Spindelachse. Durch diesen tangentialen Formschluss der Mantelfläche mit der Lauffläche wird verhindert, dass sich die Lenkstange um die Spindelachse drehen kann, durch die Walzeneinheit ist die Lenkstange also verdrehsicher gelagert. Wenn beim Betrieb der Spindelmutter ein Drehmoment um die Spindelachse auf die Lenkstange wirkt, wird dieses Drehmoment daher von der Walzeneinheit aufgenommen, die dieses in der Regel an das Gehäuse überträgt. Auf diese Weise wird trotz des Fehlens eines Ritzels, das mit einer Zahnstange zusammenwirkt, ein Verdrehen der Lenkstange verhindert. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die glatte, zur Spindelachse parallele Form der Lauffläche in Verbindung mit der ebenfalls glatten, rotationssymmetrischen Form der Mantelfläche für ein Minimum an Reibung zwischen der Walzeneinheit und der Lenkstange führt. Dies stellt einen Vorteil gegenüber einer Lenkstange mit Verzahnung und einer hiermit zusammenwirkenden Ritzelwelle dar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Orientierung der Lauffläche und der Walzeneinheit um die Spindelachse praktisch beliebig gewählt werden können, während die Orientierung der Ritzelwelle wenigstens in etwa durch die notwendige mechanische Anbindung an das Lenkrad vorgegeben ist.
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Wie bereits erläutert, sind unterschiedliche Ausbildungen der Lauffläche und der Mantelfläche denkbar, mit welchen die Vorteile der Erfindung realisiert werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Lauffläche eben ausgebildet. Sie verläuft normalerweise in einer Ebene, die durch die Spindelachse und die Walzenachse aufgespannt ist bzw. zu diesen beiden Achsen parallel verläuft. Die Mantelfläche ist dabei bevorzugt zylindrisch bzw. zylindermantelförmig ausgebildet, d.h. im Querschnitt (senkrecht zur Spindelachse) weist sie ein gradliniges Profil auf, das zum geradlinigen Profil der ebenen Lauffläche komplementär ist. Alternativ zu einer zylindrischen Mantelfläche wäre auch eine kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Mantelfläche denkbar. In diesem Fall wäre die Lauffläche nicht parallel zur Walzenachse orientiert, sondern um einen Winkel geneigt, der der Hälfte des Öffnungswinkels der Mantelfläche entspricht. In der Regel ist allerdings die Kombination einer ebenen Lauffläche mit einer zylindrischen Mantelfläche bevorzugt. Diese Ausgestaltung ist einerseits hinsichtlich der Fertigung besonders einfach, andererseits ist sichergestellt, dass die Mantelfläche auf der Lauffläche abrollen kann, ohne dass es (zwangsläufig) zu einer Gleitbewegung von Teilen der Mantelfläche auf der Lauffläche kommt, welche mit der Zeit zu Verschleiß führen könnte.
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Bevorzugt sind die Lenkstange und die Walzeneinheit gegeneinander vorgespannt. D.h., im Betriebszustand wirkt eine Vorspannung auf die Lenkstange in Richtung auf die Walzeneinheit und/oder eine Vorspannung auf die Walzeneinheit in Richtung auf die Lenkstange. Somit kann der Kontakt zwischen der Lauffläche und der Mantelfläche nur unter Überwindung der entsprechenden Vorspannung gelöst werden. Die Vorspannung ist normalerweise so eingestellt, dass beim normalen Betrieb Lauffläche und Mantelfläche ständig in Kontakt bleiben. Durch die Vorspannung können bspw. Fertigungstoleranzen oder temperaturbedingte Verformungen ausgeglichen werden. Grundsätzlich beruht eine solche Vorspannung stets auf einer elastischen Verformung dabei könnte es sich um eine (geringfügige) elastische Verformung der Lenkstange und/oder des Walzenelements handeln. Normalerweise ist allerdings ein Federelement vorgesehen, dass die Lenkstange bzw. das Walzenelement direkt oder indirekt mit der Vorspannung beaufschlagt.
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Bevorzugt beaufschlagt ein Druckstück unter Vorspannung die Lenkstange zur Walzeneinheit hin und weist einen Führungsabschnitt für die Lenkstange auf. Ein solches Druckstück ist normalerweise durch ein Federelement vorgespannt und zusammen mit diesem Federelement im Gehäuse gelagert. Entsprechend der Vorspannung übt das Druckstück eine Kraft auf die Lenkstange in Richtung auf das Walzenelement aus. Es sind allerdings auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen kein separates Federelement vorgesehen ist, sondern die Vorspannung durch eine elastische Verformung des Druckstücks selbst erzeugt wird. Normalerweise ist das Druckstück einstückig ausgebildet. Bevorzugt ist es dem Walzenelement bezüglich der Lenkstange gegenüberliegend angeordnet. Wenn die Lenkstange entlang der Spindelachse verschoben wird, kann sie entlang des Druckstücks gleiten. Optional wäre aber auch denkbar, dass zur weiteren Reduzierung von Reibungskräften eine Art von Wälzlager zwischen dem Druckstück und der Lenkstange vorgesehen ist bzw. dass das Druckstück oder zumindest derjenige Teil, der in Kontakt mit der Lenkstange steht, drehbar gelagert ist. In jedem Fall weist das Druckstück einen Führungsabschnitt für die Lenkstange auf. Dieser ist dazu ausgebildet, einen Formschluss senkrecht zur Spindelachse herzustellen. Dabei ist es insbesondere möglich, dass der Formschluss zwischen dem Führungsabschnitt und der Lenkstange in radialer Richtung, nicht aber in tangentialer Richtung gegeben ist. D.h., die Lenkstange wäre um die Spindelachse gegenüber dem Druckstück verdrehbar (wenngleich dies durch das Walzenelement verhindert wird). Derjenige Abschnitt der Lenkstange, der mit dem Führungsabschnitt in Kontakt steht, weist einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf, der rotationssymmetrisch bezüglich der Spindelachse ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt seinerseits weist normalerweise einen hierzu komplementären Querschnitt auf.
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Um die Reibung weiter zu reduzieren, kann vorgesehen sein, dass das Druckstück um eine Druckstückachse drehbar gelagert ist und der Führungsabschnitt an einer Mantelfläche des Druckstücks ausgebildet ist, die auf einer sekundären Lauffläche der Lenkstange abrollt. Die Mantelfläche des Druckstücks ist dabei rotationssymmetrisch zur Druckstückachse ausgebildet. Letztere verläuft bevorzugt senkrecht zur Spindelachse. Optional kann sie parallel zur Walzenachse verlaufen. Das Druckstück kann bei dieser Ausgestaltung ähnlich oder sogar identisch zum Walzenelement ausgestaltet sein. Es kann durch zwei Lager, die bspw. als Gleitlager oder Wälzlager ausgebildet sein können, um die Druckstückachse drehbar gelagert sein. Jedes der Lager kann durch ein eigenes Federelement in Richtung auf die Lenkstange vorgespannt sein oder beide Lager können gemeinsam durch ein einziges Federelement vorgespannt sein. Die sekundäre Lauffläche kann an einer der o.g. Lauffläche gegenüberliegenden Seite der Lenkstange ausgebildet sein. Die o.g. Lauffläche kann in diesem Zusammenhang auch als „primäre Lauffläche“ bezeichnet werden. Die sekundäre Lauffläche ist ebenfalls zur Spindelachse parallel und kann unterschiedliche Formen aufweisen. Bspw. kann sie zylindermantelförmig oder eben ausgebildet sein. Die Mantelfläche des Druckstücks kann im einfachsten Fall zylindrisch ausgebildet sein, d.h. in einer Querschnittsebene parallel zur Druckstückachse ist die Mantelfläche gerade. In diesem Fall bildet der Führungsabschnitt allerdings mit der sekundären Lauffläche keinen Formschluss in Richtung der Druckstückachse. Falls dies erforderlich ist, kann die Mantelfläche auch einen nicht-geraden, bspw. konkaven, Querschnitt aufweisen. Sie kann insbesondere komplementär zur sekundären Lauffläche ausgebildet sein.
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Das Druckstück kann in unterschiedlichen Positionen entlang der Spindelachse angeordnet sein. Dabei ist allerdings zu beachten, dass unerwünschte Biegemomente auf die Lenkstange entstehen können, wenn das Druckstück deutlich gegenüber der Walzeneinheit versetzt ist. Es ist daher bevorzugt, dass das Druckstück bezüglich der Spindelachse auf Höhe der Walzeneinheit angeordnet ist. Auf diese Weise wirken die Kräfte seitens des Druckstücks einerseits sowie seitens der Walzeneinheit andererseits auf den gleichen Abschnitt der Lenkstange bezüglich der Spindelachse, womit nennenswerte Biegemomente vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Lenkstange dazu ausgebildet ist, zwei Räder zu lenken. Die Lenkstange weist dabei zwei Endabschnitte auf, von denen jeder zur direkten oder indirekten Anbindung an einen Lenkhebel eines Fahrzeugrades ausgebildet ist. D.h., bei einer Verschiebung der Lenkstange in Richtung der Spindelachse werden beide Räder gleichzeitig gelenkt. Die Lauffläche der Lenkstange ist zwischen den Endabschnitten angeordnet, z.B. mittig bzw. zentriert. Je nach Anordnung anderer Fahrzeugkomponenten und vorhandenem Bauraum könnte die Lauffläche - und somit auch die Walzeneinheit - aber auch gegenüber der Mitte der Lenkstange versetzt angeordnet sein. Dabei können eine oder zwei Spindelmuttern mit zugehörigen Motoreinheiten vorgesehen sein. Bspw. könnte die Lauffläche zentral angeordnet sein und die Lenkstange kann symmetrisch beiderseits der Lauffläche zwei Außengewinde aufweisen, von denen jeweils eines mit einer Spindelmutter zusammenwirkt. Eine derartige Ausgestaltung mit zwei Spindelmuttern und zwei Motoreinheiten kann insofern vorteilhaft sein, als hierdurch zum einen die Führung der Lenkstange verbessert werden kann und zum anderen jede der Motoreinheiten vergleichsweise klein gehalten werden kann. Eine einzelne Motoreinheit müsste zur Lenkung zweier Räder entsprechend leistungsstärker und größer ausgelegt sein, was hinsichtlich des Bauraums problematisch sein kann.
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Alternativ kann das Lenkgetriebe zwei Lenkstangen aufweisen, von denen jede dazu ausgebildet ist, jeweils ein Rad zu lenken. Dabei bestehen hinsichtlich der Walzeneinheit grundsätzlich zwei Optionen. Zum einen kann jeder Lenkstange eine eigene Walzeneinheit zugeordnet sein. Um die Anzahl der Bauteile und ggf. auch den Bauraum zu minimieren ist es allerdings auch möglich, dass das Lenkgetriebe eine Walzeneinheit aufweist, die mit beiden Lenkstange zusammenwirkt. Die beiden Lenkstangen sind dabei normalerweise parallel zueinander und im Bereich der jeweiligen Laufflächen benachbart angeordnet. Die Länge der Walzeneinheit (in Richtung der Walzenachse) ist dabei so bemessen, dass sie der Ausdehnung beider Laufflächen sowie eines zwischen den Laufflächen gegebenen Zwischenraums entspricht. Sofern wie oben beschrieben ein Druckstück vorgesehen ist, könnte jeweils ein Druckstück für jede Lenkstange vorgesehen sein oder ein einziges Druckstück könnte beide Lenkstangen beaufschlagen. In letzterem Fall müsste das Druckstück zwei Führungsabschnitte aufweisen.
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U.a. aus Gründen der Material- und Gewichtsersparnis ist es bevorzugt, dass die Lauffläche in einem verjüngten Laufflächenabschnitt ausgebildet ist. Der Laufflächenabschnitt ist ein Abschnitt entlang der Spindelachse, in welchem die Lenkstange gegenüber wenigstens einem benachbarten Abschnitt verjüngt ist, also einen verringerten Querschnitt aufweist. Hierdurch wird Material eingespart. Dies kann sich prinzipiell auf die Stabilität der Lenkstange in diesem Bereich auswirken, was allerdings insbesondere dann zu keinen nennenswerten Nachteilen führt, wenn die Lenkstange zwischen der Walzeneinheit und einem Druckstück geführt ist. Ein Beispiel für eine solche Ausgestaltung ist eine Lenkstange, die überwiegend einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während im Laufflächenabschnitt zur Ausbildung einer ebenen Lauffläche ein Teil des Querschnitts ausgenommen ist. Im Querschnitt entspricht die Lauffläche dabei einer Sekante, die den Kreis schneidet. Im Falle eines verjüngten Laufflächenabschnitts kann die Lauffläche der Spindelachse wenigstens einseitig in eine gekrümmte Übergangsfläche übergehen. Durch die gekrümmte Übergangsfläche können unter Umständen lokale Spannungen innerhalb der Lenkstange reduziert werden.
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Hinsichtlich der drehbaren Lagerung der Walzeneinheit sind unterschiedliche Möglichkeiten gegeben. Gemäß einer Option ist die Walzeneinheit auf einer innenliegenden Walzenwelle drehbar gelagert. D.h. die Walzeneinheit ist hohl ausgebildet, bspw. in Form eines Hohlzylinders, welcher über ein oder mehrere Lager auf der innenliegenden Walzenwelle gelagert ist. Zur Reduzierung der Reibung sind ein oder mehrere Wälzlager bevorzugt, es könnten allerdings auch unter Umständen ein oder mehrere Gleitlager verwendet werden. Die Walzenwelle ist normalerweise einfach zylindrisch ausgebildet. Bevorzugt ist die Walzenwelle am Gehäuse fixiert, es wäre allerdings auch denkbar, dass sie verschiebbar am Gehäuse gelagert ist, wobei sie bspw. durch wenigstens ein Federelement in Richtung auf die Lenkstange vorgespannt sein könnte.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Walzeneinheit entlang der Walzenachse beiderseits endseitig in ringförmigen Lagern aufgenommen. Die ringförmigen Lager, die insbesondere als Wälzlager ausgebildet sein können, umgeben jeweils ein Endabschnitt der Walzeneinheit. Während ein Teil des Lagers mit der Walzenachse verbunden ist, ist ein anderer Teil normalerweise fest mit dem Gehäuse verbunden. Bei dieser Ausführungsform kann die Walzeneinheit einen mittleren Abschnitt aufweisen, an dem die Mantelfläche ausgebildet ist, sowie die genannten Endabschnitte, die in den Lagern aufgenommen sind, wobei die Endabschnitte gegenüber dem mittleren Abschnitt verjüngt sein können.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Schnittdarstellung des Lenkgetriebes aus 1;
- 3 eine 2 entsprechende Schnittdarstellung eines Lenkgetriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer fünften Ausführungsform; sowie
- 7 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß einer sechsten Ausführungsform.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1 für einen PKW, wobei 1 eine perspektivische Darstellung des gesamten Lenkgetriebes 1 zeigt. Das Lenkgetriebe 1 ist Teil eines Steer-By-Wire-Systems oder eines autonomen Lenksystems, so dass keine mechanische Kraftübertragung von einem Lenkrad des Fahrzeugs zu den Rädern gegeben ist. In den Figuren sind die X-, Y- sowie Z-Achse des Fahrzeugs entsprechend der vorgesehenen Einbauposition des Lenkgetriebes 1 eingezeichnet.
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Das Lenkgetriebe weist eine Lenkstange 2 auf, die sich entlang einer Spindelachse S erstreckt und entlang dieser gegenüber einem (in 2 schematisch dargestellten) Gehäuse 40 verschiebbar ist. Ein radseitiger Endabschnitt 2.1 der Lenkstange 2 ist zur direkten oder indirekten Kraftübertragung auf einen (nicht dargestellten) Lenkhebel vorgesehen, über welchen die Ausrichtung eines (ebenfalls nicht dargestellten) Fahrzeugrades beeinflusst wird. Benachbart zum radseitigen Endabschnitt 2.1 weist die Lenkstange 2 eine Gewindespindel 2.2 auf, die mit einer (gestrichelt dargestellten) Gewindemutter 3 zusammenwirkt. Die Gewindemutter 3 ist um die Spindelachse S drehbar und kann über einen hier nicht dargestellten Elektromotor angetrieben werden. Der Elektromotor wiederum wird im Falle eines Steer-By-Wire-Systems in Abhängigkeit vom sensorisch festgestellten Einschlag eines Lenkrads angesteuert oder aber durch eine Steuereinheit eines autonomen Lenksystems. Während die Lenkstange 2 überwiegend einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist in einigem Abstand zur Gewindespindel 2.2 ein verjüngter Laufflächenabschnitt 2.3 ausgebildet, der eine (primäre) Lauffläche 2.5 aufweist. Der Laufflächenabschnitt 2.3 ist benachbart zu einem walzenseitigen Endabschnitt 2.4 ausgebildet. Letzterer weist wiederum einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Lauffläche 2.5 ist eben ausgebildet und verläuft parallel zur Spindelachse S. Beiderseits endseitig schließen sich an die Lauffläche 2.5 Übergangsflächen 2.6, 2.7 an, die eine konkave Krümmung aufweisen.
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Des Weiteren weist das Lenkgetriebe 1 eine Walzeneinheit 10 mit einer zylindrischen Mantelfläche 10.1 auf. Diese Walzeneinheit 10 ist gegenüber dem Gehäuse 20 um eine Walzenachse W drehbar gelagert. Hierzu sind zwei Endabschnitte 10.3 der Walzeneinheit in ringförmigen Lagern 11, 12 aufgenommen, die ihrerseits am Gehäuse 20 befestigt sind. Bei den Lagern 11, 12 kann es sich bspw. um Wälzlager handeln. Die Endabschnitte 10.3 weisen einen geringeren Durchmesser auf als ein zylinderförmiger Mittelabschnitt 10.2, an dem die Mantelfläche 10.1 ausgebildet ist. Auf einer der Walzeneinheit 10 bezüglich der Lenkstange 2 gegenüberliegenden Seite ist ein Druckstück 15 angeordnet, das durch ein Federelement 16 in Richtung auf die Lenkstange 2 beaufschlagt ist. Es weist einen konkaven Führungsabschnitt 15.1 für die Lenkstange 2 auf, dessen Innenradius an den Außenradius der Lenkstange 2 derart angepasst ist, dass letztere im Führungsabschnitt 15.1 gegenüber dem Druckstück 15 verdrehbar wäre. Eine solche Verdrehung wird allerdings dadurch verhindert, dass die Lauffläche 2.5 mit der Mantelfläche 10.1 einen Formschluss in tangentialer Richtung bezüglich der Spindelachse S bildet. Eine axiale Verschiebung der Lenkstange 2 in Richtung der Spindelachse S ist allerdings ungehindert möglich, wobei die Mantelfläche 10.1 auf der Lauffläche 2.5 abrollt. Wie in der Schnittdarstellung von 2 gut erkennbar ist, ist die Kontur der Mantelfläche 10.1 zur Kontur der Lauffläche 2.5 komplementär, in diesem Fall gerade. Die Übergangsflächen 2.6, 2.7 entsprechen dem maximalen Bewegungsumfang der Lenkstange 2 im Verhältnis zur Walzeneinheit 10. Der Krümmungsradius der Übergangsflächen und 2.6, 2.7 kann dabei exakt oder wenigstens ungefähr dem Radius der Mantelfläche 10.1 entsprechen. Falls die Walzeneinheit 10 an einer der Übergangsflächen 2.6, 2.7 anschlägt, wird durch die geschilderte Formgebung verhindert, dass es zu einem übermäßigen lokalen Druck und hierdurch möglichem Verschleiß oder Beschädigung kommt.
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In diesem sowie den folgenden Ausführungsbeispielen verläuft die Walzenachse W jeweils parallel zur X-Achse des Fahrzeugs. Allerdings kann die Walzenachse W auch eine beliebige andere Ausrichtung innerhalb der X-Z-Ebene haben, da im Unterschied bspw. zu einer Ritzelwelle eines herkömmlichen Lenkgetriebes keine mechanische Anbindung an ein Lenkrad notwendig ist. Es wäre auch möglich, die Walzenachse W gegenüber der X-Z Ebene zu neigen, was allerdings im Allgemeinen nachteilig ist, da hierdurch ein reibungsarmes Abrollen der Walzeneinheit 10 erschwert wird.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems 1, die weitestgehend der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform entspricht und insoweit nicht nochmals erläutert wird. In diesem Fall ist allerdings die Walzeneinheit 10 hohlzylindrisch ausgebildet und über ein Lager 14 auf einer Walzenwelle 13 gelagert, die stationär am Gehäuse 20 befestigt ist.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems 1. Bei diesem ist die Lenkstange 2 dazu ausgebildet, zwei beiderseitig des Fahrzeugs angeordneter Räder zu lenken. Sie weist dementsprechend 2 radseitige Endabschnitte 2.1, 2.8 auf, die jeweils zur direkten oder indirekten Kraftübertragung auf einen (nicht dargestellten) Lenkhebel vorgesehen sind, über welchen die Ausrichtung des jeweils Fahrzeugrades beeinflusst wird. Des Weiteren ist benachbart zu jedem der radseitigen Endabschnitte 2.1, 2.8 eine Gewindespindel 2.2 ausgebildet, die durch eine Spindelmutter 3 angetrieben ist. Es sei darauf hingewiesen, dass allerdings auch eine einzige Gewindespindel 2.2 mit einer einzigen Spindelmutter 3 zum Antrieb der Lenkstange 2 ausreichen könnte. In diesem Fall müsste der entsprechende Motor allerdings leistungsstärker und somit größer ausgelegt werden, was je nach verfügbarem Bauraum problematisch sein könnte. Der verjüngte Laufflächenabschnitt 2.3 ist in diesem Fall in der Mitte der Lenkstange 2 ausgebildet. Er weist wie mit Bezug auf 1 und 2 erläutert eine Lauffläche 2.5 auf, auf der die Mantelfläche 10.1 der Walzeneinheit 10 abrollt.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1. Auch dieses ist wiederum zur Lenkung zweier Fahrzeugräder ausgebildet, wobei allerdings im Unterschied zur dritten Ausführungsform zwei Lenkstangen 2 vorgesehen sind, von denen jede wie die Lenkstange 2 in 1 ausgebildet ist, die allerdings antiparallel und benachbart zueinander angeordnet sind. Dementsprechend weisen die radseitigen Endabschnitte 2.1 zu den entlang der Y-Achse gegenüberliegenden Seiten des Kraftfahrzeugs. Jede der Lenkstangen 2 weist eine Gewindespindel 2.2 sowie eine Lauffläche 2.5 auf. Allerdings ist nur eine einzige Walzeneinheit 10 vorgesehen, deren Mantelfläche 10.1 auf den Laufflächen 2.5 bei der Lenkstangen 2 abrollt, während sie mit diesen einen tangentialen Formschluss bezüglich der jeweiligen Spindelachse S bildet. Um die Lenkstangen 2 in Richtung auf die Walzeneinheit 10 vorzuspannen, können zwei Druckstücke 15 vorgesehen sein oder ggf. auch ein einzelnes Druckstück 15, welches zwei Führungsabschnitte 15.1 für die beiden Lenkstangen 2 aufweist.
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6 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1. Diese ist weitgehend mit der in 5 dargestellten Ausführungsform identisch, allerdings sind die Lenkstangen 2 innenseitig gekürzt, insofern als der walzenseitige Endabschnitt 2.4 und die an diesen angrenzende Übergangsfläche 2.7 weggelassen wurden. Hierdurch können das Gewicht sowie der Fertigungsaufwand des gesamten Lenkgetriebes 1 reduziert werden. Es versteht sich, dass die entsprechende Modifikation auch bei dem in 1 dargestellten Lenkgetriebe vorgenommen werden könnte.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 1, die weitgehend mit der in 1 gezeigten Ausführungsform identisch ist und insofern nicht nochmals erläutert wird. In diesem Fall ist das Druckstück 15 um eine Druckstückachse D drehbar gelagert, die in diesem Beispiel parallel zur Walzenachse W und somit senkrecht zur Spindelachse S verläuft. Das Druckstück 15 ist zylinderartig ausgebildet und der Führungsabschnitt 15.1 ist an einer Mantelfläche 15.2 des Druckstücks ausgebildet, welche selbstverständlich rotationssymmetrisch zur Druckstückachse D ausgebildet ist. Das Druckstück 15 weist zwei Lager 17, 18 auf, die bspw. als Gleitlager oder Wälzlager ausgebildet sein können. Die Lager 17, 18 können wahlweise einzeln oder gemeinsam durch wenigstens ein Federelement in Richtung auf die Lenkstange 2 vorgespannt sein. Die Mantelfläche 15.2 rollt auf einer sekundären Lauffläche 2.9 der Lenkstange 2 ab, die auf einer der primären Lauffläche 2.5 gegenüberliegenden Seite der Lenkstange 2 angeordnet ist. Die sekundäre Lauffläche 2.9 ist ebenfalls zur Spindelachse S parallel und ist im vorliegenden Fall eben ausgebildet. Um einen Formschluss zwischen dem Druckstück 15 und der Lenkstange 2 in Richtung der Druckstückachse D zu gewährleisten, wären allerdings auch andere Formen möglich. Bspw. könnte die sekundäre Lauffläche 2.9 zylindermantelförmig ausgebildet sein, so dass die Ausgestaltung der Lenkstange 2 identisch zum Ausführungsbeispiel aus 1 wäre. Die Mantelfläche 15.2 des Druckstücks 15 wäre in diesem Fall nicht zylindrisch ausgebildet, sondern würde in einer Querschnittsebene parallel zur Druckstückachse D eine konkave Kontur aufweisen, womit sie komplementär zur sekundären Lauffläche 2.9 wäre. In jedem Fall sorgt die drehbare Lagerung des Druckstücks 15 für eine weitere Minimierung der Reibungskräfte innerhalb des Lenkgetriebes 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkgetriebe
- 2
- Lenkstange
- 2.1, 2.8
- Endabschnitt
- 2.2
- Gewindespindel
- 2.3
- Laufflächenabschnitt
- 2.4
- Endabschnitt
- 2.5
- Lauffläche
- 2.6, 2.7
- Übergangsfläche
- 2.8
- Endabschnitt
- 2.9
- sekundäre Lauffläche
- 3
- Spindelmutter
- 10
- Walzeneinheit
- 10.1, 15.2
- Mantelfläche
- 10.2
- Mittelabschnitt
- 10.3
- Endabschnitt
- 11, 12, 14, 17, 18
- Lager
- 13
- Walzenwelle
- 15
- Druckstück
- 15.1
- Führungsabschnitt
- 16
- Federelement
- 20
- Gehäuse
- D
- Druckstückachse
- S
- Spindelachse
- W
- Walzenachse
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- Z
- Z-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4531603 A [0004]
- US 2003/0121715 A1 [0005]
- US 2010/0319471 A1 [0006]
- KR 102017047919 A [0007]
- EP 0575431 B1 [0008]
