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Die Erfindung betrifft eine Lenkkupplung für ein Lenksystem zum autonomen Fahren eines KFz's gemäß Anspruch 1, sowie ein mit einer solchen Lenkkupplung ausgestattetes Kfz gem. Anspruch 13.
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Stand der Technik:
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Autonomes Fahren bietet viele Chancen, jedoch auch viele Risiken. Der Wunsch einiger Automobilhersteller ist es, dass das Lenkrad eines Fahrzeugs im autonomen Fahrbetrieb in neutraler Richtung, der sogenannten 12 Uhr Stellung, stehen bleibt und sich während der Fahrt nicht mit der Lenkachse entsprechend des betreffenden Fahrtrichtungseinschlags mitbewegt. Andererseits muss die bedienende Person jeder Zeit in der Lage sein, bei Gefahr selbst lenken zu können, um Sach- und Personenschäden möglichst zu vermeiden.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine sichere Kopplung von Lenkrad und Lenkgetriebe für im autonomen Fahrbetrieb betreibbare Kraftfahrzeuge vorzuschlagen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Dementsprechend betrifft die Erfindung eine Lenkkupplung für ein Lenksystem zum autonomen Fahren eines KFz's, umfassend ein mit der Karosserie des KFz's drehfest verbindbares Lenkkupplungsgehäuse, eine mit der Lenkung des KFz's drehfest verbindbare Lenkwelle zur Übertragung einer Lenkbewegung, eine mit einem Lenkrad drehfest verbindbare oder verbundene Lenkradwelle, und eine Kupplungsvorrichtung zur Herstellung bzw. Trennung einer drehfesten Verbindung zwischen der Lenkwelle und der Lenkradwelle. Die Lenkkupplung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kupplungsvorrichtung einen rein mechanisch aufgebauten Kupplungsaktuator aufweist.
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Eine derart aufgebaute Lenkkupplung ist vollkommen unabhängig vom Status einer, erfindungsgemäß nicht erforderlichen, externen Energieversorgung und/oder den Zuständen von ebenfalls nicht erforderlichen Sensoren und Aktoren und kann zu jeder Zeit einen Lenkeigriff des Fahrers im Rahmen der betriebsüblichen Verhältnisse von Lenkgeometrie und Lenkkräften gewährleisten.
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Unter einer Lenkung des KFz's werden jene Teile des KFz's verstanden, die von der Lenkwelle angesteuert werden und einen Einschlag der betreffenden Räder des KFz's bewirken, inklusive des Lenkgetriebes.
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Unter einem Lenksystem zum autonomen Fahren eines KFz's werden die Fahrzeugkomponenten verstanden, die einen Lenkeinschlag entsprechend des vorgegebenen Ziels und der aktuellen Betriebs- und Verkehrssituation bewirken.
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Die Lenkradwelle und die Lenkwelle sind koaxial zueinander im Lenkkupplungsgehäuse angeordnet, die eine die andere überdeckend. In einer bevorzugten Ausführungsform umschließt die Lenkradwelle die Lenkwelle. Alternativ kann diese Anordnung jedoch auch umgekehrt sein.
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Vorzugsweise weist die radial innere dieser beiden Achsen an ihrem Außenumfang verteilt eine Art Verzahnung auf, insbesondere eine gleichmäßig verteilte, deren Zwischenräume zwischen den Zähnen komplementäre Nuten zur Aufnahme eines Bolzens ausbilden.
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Bevorzugt ist eine enge Verzahnung, z.B. mit in etwa gleicher Zahn- und Zahnlückenbreite, im Querschnitt durch die betreffende Achse betrachtet. Damit kann im Bedarfsfall eine vergleichsweise feine Abstufung mit kleinen erforderlichen Lenkwinkeländerungen am Lenkrad, von beispielsweise etwa 5° bis 15°, insbesondere von 6° bis 12°, bis zum Eindringen des Bolzens in einer dieser komplementären Nuten ermöglicht werden.
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Die Winkelvorgabe von etwa 5° bis 15°, insbesondere von 6°-12° für das Einrasten des Bolzens ist abhängig von Material, Anzahl Bolzen, vorgegebener maximaler Kraft auf das System und Wunsch des Konstrukteurs, ab welchem Winkel das System genau reagieren soll. Es können daher auch ganz andere Winkel gewählt werden.
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Wenn zur Aktivierung der Lenkkupplung das Lenkrad in die gleiche Richtung gedreht wird, wie die Lenkwelle durch das autonome Lenksystem, erfolgt das einrasten des Bolzens um einen entsprechend verzögerten Winkelbetrag in der Drehung des Lenkrades gegenüber seiner Nullstellung später. In der Regel wird das jedoch kaum eine Rolle spielen. Denn, wenn die lenken wollende Person einen zu niedrigen Lenkeinschlag des autonomen Lenksystems korrigieren möchte, ist davon auszugehen, dass sie dies zügig erreichen will, und deshalb auch entsprechend rasch das Lenkrad drehen und damit eine rasche Überdeckung des Bolzens mit den Nuten bewirken wird. Im Falle einer Gegenlenkung ist der tatsächlich erforderliche Drehwinkel des Lenkrades gegenüber seiner Nullstellung, aufgrund der gegensinnigen Drehungen von Lenkrad und Lenkradwelle gegenüber der Lenkwelle, sogar kleiner als bei sich nicht drehenden Wellen.
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Denn, in welchem Drehwinkel sich die innere Achse auch befinden mag, ist durch die feingradige Unterteilung zwischen Zähnen und Nuten stets nur ein kleiner Drehwinkel bis zur Überdeckung einer Nut mit einer bestimmten Winkelposition erforderlich, wie z.B. 12:00 Uhr, 06:00 Uhr und beispielsweise zwei weiteren, jeweils dazwischen liegend angeordneten Winkelpositionen, insbesondere gleichmäßig dazwischen verteilten.
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Zur Erhöhung der Sicherheit und der Stabilität der Lenkkupplung kann diese mehrere Aktuatoren umfassen, vorzugsweise, entsprechend der zuvor dargelegten Winkelaufteilung, sechs Aktuatoren, mit insbesondere den entsprechend gleichen Winkelpositionen. Wenn hier zum Teil auch nur auf die Einzahl solcher Lenkkupplungselemente Bezug genommen wird, so gilt dies jedoch entsprechend auch für deren Mehrzahl.
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Am Umfang der äußeren der beiden Achsen ist ebenfalls zumindest eine zum Bolzen komplementäre Nut oder Durchgangsöffnung ausgebildet. Vorzugsweise sind jedoch ebenfalls mehrere Nuten oder Durchgangsöffnungen an deren Umfang angeordnet, insbesondere jeweils paarweise verteilt.
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Dadurch ist in beide Drehrichtungen der äußeren der beiden Achsen, links und rechts, eine möglichst frühzeitige Überdeckung zweier komplementären, an der radial äußeren und der radial inneren Achse ausgebildeten Nuten möglich, um ein Eindringen des Bolzens in zwei übereinanderliegende Nuten zu ermöglichen und damit deren mechanische Kopplung der beiden Achsen zu bewirken.
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Diese radiale Überdeckung zweier komplementärer Nuten in der inneren und der äußeren Achse und das Eindringen des Bolzens darin bewirkt somit die Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Lenkachse, vorzugsweise durch eine Rotationsbewegung um die Drehachse der äußeren der beiden Achsen. Im oben als bevorzugt dargestellten Ausführungsbeispiel durch Drehung des fest mit der Lenkradachse verbundenen Lenkrads.
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Der Kupplungsaktuator umfasst besagten Bolzen, welcher zum Eingriff in komplementäre Nuten in der Lenkradwelle und in der Lenkwelle verschiebbar gelagert ist.
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Sobald der Bolzen sowohl in einer Nut der Lenkradwelle als auch in einer Nut der Lenkwelle steckt, hat die fahrende Person die Kontrolle über die Drehrichtung der Lenkachse und damit über den Lenkeinschlag.
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Um zu bewirken, dass der Bolzen bei Überdeckung mit einer dieser ihm zugeordneten, komplementären Nuten auch in diese eindringt, kann der Kupplungsaktuator mindestens ein Federelement, bevorzugt zwei Federelemente, zur Erzeugung einer auf den Bolzen wirkenden Vorspannung umfassen.
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Diese Vorspannung bewirkt ein zuverlässiges Eindringen des Bolzens in die jeweils ihm überlappend zugeordnete, komplementäre Nut in der betreffenden Achse, sobald sich Bolzen und Nut überdecken.
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Weiter bevorzugt kann der Kupplungsaktuator eine Abstützfläche zur Abstützung des Bolzens im deaktivierten Zustand der Lenkkupplung umfassen. Diese Abstützfläche für den Bolzen ist vorzugsweise an der radial äußeren der beiden koaxial zueinander angeordneten Achsen angeordnet. D.h., im oben als bevorzugt beschriebenen Ausführungsbeispiel somit an der Lenkradwelle. Bei umgekehrter radialer Positionierung der beiden Wellen zueinander wäre dies an der Lenkwelle der Fall.
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Die Abstützfläche kann z.B. an der äußeren Mantelfläche der äußeren Achse ausgebildet sein, vorzugsweise jedoch als eine gegenüber dem übrigen Niveau der Mantelfläche ausgebildete Vertiefung. Dadurch können die seitlich der Vertiefung im Material der Achse ausgebildeten Mantelwände eine Drehbegrenzung gegen ein Verdrehen der äußeren Achse in die falsche Richtung, gegenüber der Position des Aktuators, ausbilden.
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Um die Fälle von unabsichtlichen Aktivierungen der Lenkkupplung zu reduzieren, kann die am Lenkrad erforderliche Aktivierungskraft für die Lenkkupplung erhöht werden. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass an der Abstützfläche eine zur Aufnahme des Bolzens vorgesehene Vertiefung ausgebildet ist. Der in der Vertiefung steckende Bolzen muss dann erst gegen die auf ihn wirkende Federkraft angehoben werden, vorzugsweise gegen eine geneigte Fläche, um bei weiterer Drehung des Lenkrades vollständig über den Rand der Abstützfläche 4.2 und anschließend in eine der Nuten, zur Aktivierung der Lenkkupplung, bewegt zu werden.
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Eine weitere Funktion dser Ausnehmung in der Mantelfläche der äußeren Achse ist eine Reduzierung des zur Rückpositionierung des Bolzens aus den beiden komplementären Nuten heraus erforderlichen Hubs, verglichen mit seiner Anhebung bis auf das Niveau der übrigen Mantelfläche.
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Besonders vorteilhaft jedoch bildet diese vertieft ausgebildete Abstützfläche eine von zwei stirnseitigen Begrenzungen des axialen Hubs des Bolzens in dessen deaktivierter Position aus. Die ihr gegenüberliegende Hubbegrenzung für den Bolzen ist bevorzugt an der Innenseite des Lenkkupplungsgehäuses ausgebildet, vorzugsweise ebenfalls als eine in dieser Gehäuseinnenfläche ausgebildete Vertiefung.
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Dadurch kann eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkkupplungsgehäuse und der achsseitigen Abstützfläche für den Bolzen bewirkt werden. Da das Lenkkupplungsgehäuse mit der Karosserie des Kfz's fest verbindbar ist, ist es im in das Kfz eingebauten Zustand positionsstabil, und damit auch die an ihr als Vertiefung ausgebildete, gehäuseseitige Hubbegrenzung für den Bolzen.
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Demgegenüber jedoch verdreht sich die auf der äußeren der beiden Achsen, innerhalb des Lenkkupplungsgehäuses angeordnete, achsseitige Hubbegrenzung bei deren Verdrehung gegenüber ihrer Position im deaktivierten Zustand der Lenkkupplung entsprechend mit.
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Da der Bolzen aber in der gehäuseseitigen, als Vertiefung ausgebildeten Hubbegrenzung gegen eine zur Seite des Bolzens gerichtete Positionsänderung gesichert ist, durch die Wände der Vertiefung, kann er einer, der achsseitigen Abstützfläche durch Verdrehung der betreffenden, äußeren Achse aufgeprägten Positionsänderung, z.B. durch verdrehen des damit fest verbundenen Lenkrades, nicht folgen.
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Als Ergebnis bzw. Auswirkung einer solchen Lenkraddrehung verändert sich die Überlagerung der achsseitigen Stirnseite des Bolzens mit der Abstützfläche zugunsten seiner Überlagerung mit einer, sowohl in linker als auch in rechter Drehrichtung des Lenkrades, neben der Abstützfläche ausgebildeten, komplementären Nut oder Durchgangsöffnung, bis er schließlich von der Abstützfläche abrutscht und in diese eindringt.
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Sobald auch eine in der radial inneren der beiden Achsen, im o.a., bevorzugten Ausführungsbeispiel der Lenkachse, eine komplementäre Nut in Überdeckung mit der achsseitigen Stirnseite des Bolzens steht, rutscht dieser in die betreffende Nut und die Lenkkupplung ist aktiviert, und dies rein mechanisch.
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Die Überdeckung der komplementären Nuten der beiden Achsen zueinander, und letztlich gegenüber der achsseitigen Stirnseite des Bolzens, erfolgt durch eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Achsen. Entweder durch eine Verdrehung der Lenkradachse gegenüber der Lenkachse und/oder umgekehrt.
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Sobald der Bolzen von der Abstützfläche abgerutscht ist, ist es nur eine Frage der Zeit, bzw. des Drehwinkels zwischen den beiden Achsen, bis der Bolzen, verursacht durch die ihm von dem Federelement aufgeprägte Vorspannung, in eine der komplementären Nuten an der inneren der beiden Achsen eindringt und eine feste Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Lenkachse bewirkt.
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Zur Deaktivierung des Kupplungsaktuators, und damit der Lenkkupplung, kann die Kupplungsvorrichtung auch einen Elektromagneten aufweisen. Ein solcher ist bevorzugt radial außen an dem Lenkkupplungsgehäuse angeordnet, insbesondere in Überdeckung des Bolzens. Damit kann der Bolzen mittels Magnetkraft gegen die von der Feder auf ihn wirkende Spannkraft aus den komplementären Nuten der beiden Achsen, Lenkachse und Lenkradachse, ausgehoben werden.
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Zur Freigabe und damit Deaktivierung der vom Bolzen bewirkten Kupplungsverbindung zwischen der Lenkradwelle und der Lenkwelle weist der Kupplungsaktuator im Weiteren eine Bolzen-Aufnahmenut auf, in der ein Teil des Bolzens bei dessen Rückpositionierung aufgenommen werden kann. In diese Bolzen-Aufnahmenut kann das gehäuseseitige Ende des Bolzens, bei entsprechender gegenseitiger Überlappung, mittels der auf ihn einwirkenden, elektromagnetischen Kraft weiter gegen die ebenfalls auf ihn wirkende Federkraft verbracht werden.
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Das vollständige Entkoppeln der Lenkkupplung kann anschließend, bei weiter aktiviertem Elektromagneten, unter zusätzlicher Mitwirkung eines sich ohnehin in dem autonom fahrenden Fahrzeug befindendem Lenkradaktuator erfolgen. Dazu hält der vorzugsweise ringförmig ausgebildete Elektromagnet den Bolzen in der Bolzen-Aufnahmenut im Lenkgehäuse und damit gegen insbesondere seitliche Positionsänderung gesichert, während der Lenkaktuator die Lenkachse und ggf. die Lenkradachse solange dreht, bis der Bolzen wieder vollständig auf der achsseitigen Abstützfläche ruht. Ggf. kann die letzte Lenkradbewegung zur vollständigen Rückpositionierung des Bolzens auf der achsseitigen Abstützfläche auch durch manuelle Geradestellung des Lenkrades erfolgen.
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Gegen ein Verdrehen des Bolzens um die Lenkachse und/oder die Lenkradachse ist die Bolzen-Aufnahmenut zur Aufnahme eines Teils des Bolzens als eine im deaktivierten Zustand des Kupplungsaktuators wirkende Drehfixierung ausbildet. Bevorzugt ist diese Bolzen-Aufnahmenut zur Aufnahme eines Teils des Bolzens im Gehäuse ausgebildet.
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Mit anderen Worten sind im autonomen Betrieb die Bolzen durch Federn vorgespannt und ruhen auf der vorzugsweise als Hohlwelle ausgebildeten, mit dem Lenkrad verbundenen Lenkradwelle. Die mit der Lenkung verbundene Lenkwelle kann sich in diesem Zustand frei drehen.
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Durch Bewegung des Lenkrads wird die Hohlwelle gedreht. Die Bolzen bleiben in der gleichen Position, da diese in den Nuten des Lenkgehäuses stecken. Das Lenkgehäuse muss mit der Karosserie o. Ä. fest verbunden werden, damit es sich nicht mitdrehen kann.
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Durch die Lenkradbewegung von vorzugsweise ca. 6°-12° werden die Nuten der Hohlwelle unter die Bolzen geschoben. Diese bewegen sich wegen der Federvorspannung durch die Nuten hindurch. Gleichzeitig werden die Bolzen dadurch nicht mehr vom Lenkgehäuse gehalten. Sind die Nuten der Hohlwelle und der Lenkwelle, welche mit der Lenkung verbunden ist, zusammenfallend, bewegen sich die Bolzen weiter in die Nuten der Lenkwelle. Lenkrad und Lenkwelle sind somit rotatorisch verbunden. Ein mechanisches Gegenlenken ist nun möglich.
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D.h., durch eine Lenkradbewegung von vorzugsweise ca. 6°-12° schließt die Lenkkupplung rein mechanisch.
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Um die Verbindung wieder zu lösen, wird -vorzugsweise bei Fahrzeugstillstand- ein ebenfalls vorzugsweise kreisförmig ausgebildeter Elektromagnet aktiviert. Dieser ruht über dem Lenkgehäuse und zieht die Bolzen nach außen. Das Lenkrad muss durch z.B. den Lenkradaktuator in Geradeausstellung gebracht werden. Die Bolzen gelangen dadurch wieder in die Nuten des Gehäuses und sind nach Deaktivierung des Elektromagneten wieder auf der Hohlwelle vorgespannt.
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Durch Lenkradaktuator und Elektromagnet, kann auch -im Fahrzeugstillstand- die Kupplung automatisch verbunden werden. Damit kann auch eine Wechselmöglichkeit zwischen autonomem und manuellem Fahrbetrieb bereitgestellt werden.
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Die Lagerung kann z.B. durch Teflonbeschichtung an Reibflächen erfolgen. Nadellager, Kugellager, Bolzenlager o.Ä. sind auch möglich.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ein Ausführungsbeispiel beispielhaft und rein schematisch näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Querschnittsdarstellung durch eine Lenkkupplung,
- 2: eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der 1,
- 3: eine Längsschnittdarstellung durch ein Lenkkupplung,
- 4: eine perspektivische Draufsicht auf das Gehäuse einer Lenkkupplung und die
- 5 bis 10: Detailansichten in verschiedenen Zuständen eines Aktuators der Lenkkupplung.
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Demgemäß zeigt die 1 beispielhaft eine Querschnittsdarstellung durch eine Lenkkupplung 1 für ein Lenksystem zum autonomen Fahren eines KFz's. Die Lenkkupplung 1 umfasst ein mit der Karosserie des KFz's drehfest verbindbares Lenkkupplungsgehäuse 2, eine mit der Lenkung des KFz's drehfest verbindbare Lenkwelle 3 zur Übertragung einer Lenkbewegung und einen, schematisch durch einen Ring um das Lenkkupplungsgehäuse 2 angedeuteten Elektromagneten 7 zur Deaktivierung eines Kupplungsaktuators 6.
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Die Lenkwelle 3 dient zur Übertragung einer Lenkbewegung, z.B. an ein Lenkgetriebe. In der in 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform einer Lenkkupplung 1 ist die Lenkwelle 3 radial im Innersten des Lenkkupplungsgehäuses 2 als massive Welle dargestellt. An ihrem Außenumfang ist eine Verzahnung mit Zähnen 3.2 dargestellt. Zwischen diesen Zähnen sind Nuten 3.1 ausgebildet, in welche, hier beispielhaft, rund um den Umfang der Lenkwelle 3 verteilt, sechs Bolzen 6.1 eines Kupplungsaktuator 6 eingreifen.
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Radial außerhalb der gezahnten Lenkwelle 3 ist diese von einer Lenkradwelle 4 umschlossen (siehe auch 3). Diese Lenkradwelle 4 ist mit einem Lenkrad drehfest verbindbar und weist ebenfalls Nuten 4.1 auf, die für einen Durchgriff der Bolzen 6.1 durch die Lenkradwelle 4 hindurch als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Die Nuten 4.1 können durch eine entsprechende Drehwinkelausrichtung der beiden Achsen zueinander in Überdeckung mit Nuten 3.1 der Lenkachse 3 gebracht werden. In dieser Drehausrichtung der beiden Achsen zueinander können dann die Bolzen 6.1 durch die Nuten 4.1 in der Lenkradwelle 4 hindurch und in die Nuten 3.1 der Lenkwelle 3 greifen, wie zuvor erläutert. Dazu sind, um den Umfang der Lenkradwelle 4 verteilt, sechs Paare solche Nuten 4.1 angeordnet.
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Zwischen den beiden Nuten 4.1 eines Paares von Nuten 4.1 ist jeweils eine Abstützfläche 4.2 zur wellenseitig stirnseitigen Abstützung des Bolzens 6.1 im deaktivierten Zustand der Lenkkupplung ausgebildet. Vorzugsweise ist die Abstützfläche 4.2 an der Lenkradwelle 4 ausgebildet. Dadurch kann mit einer Drehung des fest mit ihr verbundenen Lenkrades um einen bestimmten Drehwinkel, von beispielsweise zwischen etwa 5° und 20°, bevorzugt zwischen 6° und 12°, ein Abrutschen des Bolzens 6.1 von der Abstützfläche 4.2 in eine beiden benachbarten Nuten 4.1 bewirkt werden.
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Hierfür ist der Bolzen 6.1 mit einem Abschnitt seines achsfernen Endes in einer Bolzen-Aufnahmenut 2.1 des Lenkgehäuses 2 gegen eine seitliche Positionsänderung drehgesichert und steht, durch Federn 6.2 mit Vorspannung beaufschlagt, unter Vorspannung in Richtung der Nuten 4.1 und 3.1.
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Bei deaktiviertem, auf der Abstützfläche 4.2 ruhendem Bolzen 6.1 kann sich innerhalb der Lenkradwelle 4 die Lenkwelle 3 frei drehen. Das Lenkrad ist in dieser Situation deaktiviert.
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Dies ist solange der Fall, solange das Lenkrad stillsteht. Sobald das Lenkrad jedoch um den erforderlichen Winkel zur Aktivierung des Bolzens 6.1 des Kupplungsaktuators 6 verdreht wird (s.o.), wird der zuvor beschriebene, rein mechanische Kopplungsvorgang der Lenkkupplung 1 ausgelöst und die am Lenkrad befindliche Person hat über das Lenkrad eine drehfeste und gesicherte Verbindung zur Lenkwelle 3.
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An der Abstützfläche 4.2 kann eine zur Aufnahme des Bolzens 6.1 vorgesehene Vertiefung ausgebildet sein. Diese weist vorzugsweise eine geneigte Fläche auf, zumindest zum Randbereich hin, so dass der Bolzen, bei einer Drehung des Lenkrades, zur Aktivierung der Lenkkupplung, mit seinem stirnseitigen Bereich gegen die auf ihn wirkende Federkraft angehoben werden und daran entlanggleiten kann. Dies, um die Fälle von unabsichtlichen Aktivierungen der Lenkkupplung reduzieren zu können.
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Zur Einleitung einer Vorspannung weist der Bolzen 6.1, hier beispielhaft, etwa in der Mitte seiner Längserstreckung, zwei Schultern oder Flansche 6.1.1 auf. An diesen Flanschen 6.1.1 sind zwei Federelemente 6.2 abgestützt, die im gespannten Zustand eine axial auf den Bolzen 6.1 wirkenden Vorspannung erzeugen. Diese Vorspannung drückt ihn, bezüglich der Lenkkupplung, radial einwärts in die Nuten 4.1 und 3.1 und bewirkt, dass die Lenkwelle 3 und die Lenkradwelle 4 durch eine rein mechanische Struktur drehfest miteinander gekoppelt sind. Damit kann eine sich hinter dem Lenkrad befindende Person jederzeit garantiert in die Lenkbewegung des betreffenden Kfz's eingreifen. Es sind keine zusätzlichen Elemente erforderlich, die ggf. durch eine Störung ausfallen und die Sicherheit der Lenkkupplung beeinträchtigen könnten.
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Die Lenkradwelle 4 mit ihren Nuten 4.1 und der der Abstützfläche 4.2 für den Bolzen 6.1, die Lenkwelle 3 mit ihren Nuten 3.1 sowie der Kupplungsaktuator 6, mit Bolzen 6.1 und Federn 6.2 bilden somit im Wesentlichen eine rein mechanisch aufgebaute Kupplungsvorrichtung 5 zur Herstellung bzw. Trennung einer drehfesten Verbindung zwischen der Lenkwelle 3 und der Lenkradwelle 4 der Lenkkupplung 1. Weitere Details dazu werden nachfolgend unter Bezugnahme auf andere Figuren noch näher erläutert. Zur besseren Erläuterung ist die Kupplungsvorrichtung 5 in 1 mit einer Ellipse umrandet und in 2 vergrößert dargestellt und beschrieben.
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Zum Kupplungsaktuator 6 zählen vorzugsweise neben dem Bolzen 6.1, dessen Flansche 6.1.1, die Federn 6.2, ein radial die Lenkradwelle 4 umschließender Haltering 6.3, an diesem ausgebildete Bolzen- und Federaufnahmen 6.3.1 und Federgegenlager 6.3.1.1 für die Federn 6.2, zur Erzeugung der auf den Bolzen wirkenden Vorspannung.
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Die 2 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt aus der die Lenkkupplung darstellenden 1 Teile der Kupplungsvorrichtung 5. Radial innen beginnend, bezogen auf die Lenkkupplung 1, also von unten in der 2 gesehen, ist ein Kreisabschnitt der Lenkwelle 3 mit an deren Mantelfläche ausgebildeten Zähnen 3.2 und Nuten 3.1 dargestellt. Radial umschlossen wird die Lenkwelle von der Lenkradwelle 4, die in dieser bevorzugten Ausführungsform als Hohlwelle ausgebildet ist.
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Die Lenkradwelle 4 weist in ihrer Mantelfläche zwei die Lenkradwelle durchdringende Nuten 4.1 auf. Zwischen diesen, ein Paar bildenden Nuten 4.1 ist die Abstützfläche 4.2 für die Abstützung der achsseitigen Stirnseite des Bolzens 6.1, im deaktivierten Zustand der Lenkkupplung 1, ausgebildet.
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In dieser Darstellung liegt die Abstützfläche 4.2, radial betrachtet, einem Zahn 3.2 der Lenkwelle 3 gegenüber. Die links und rechts des Zahns 3.2 ausgebildeten Nuten 3.1 der Lenkwelle 3 sind in Überdeckung mit den beiden Nuten 4.1 des Nutenpaares der Lenkradwelle 4. In den linken, übereinanderliegenden Nuten 4.1 und 3.1 der Lenkradwelle 4 und der Lenkwelle 3 steckt der Bolzen 6.1. Der Bolzen steht unter der Vorspannung aus den beiden Federn 6.2, die auf seine beiden Flansche 6.1.1 drücken. Die Federn 6.2 sind wie die Flansche 6.1.1 in den Bolzen- und Federaufnahmen 6.3.1 aufgenommen. Die Federn 6.2 stützen sich mit ihren anderen, gegenüberliegenden Enden an den Federgegenlagern 6.3.1.1 ab.
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Die Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 weist radial einwärts eine Öffnung 6.2.1 auf, durch die der Bolzen in axialer Richtung hindurchragt und geführt werden kann.
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Radial auswärts weist die Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 eine Öffnung 6.2.2 auf, durch die der Bolzen zum Zwecke der Deaktivierung der Lenkkupplung 1 mittels der vom Elektromagneten 7 zu erzeugenden Magnetkraft in axialer Richtung gezogen werden kann.
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Im dargestellten Zustand ragt er nur radial einwärts, also nach unten durch und auch durch die beiden Nuten 4.1 und 3.1 der Lenkradwelle 4 und der Lenkwelle 3 und koppelt dadurch das Lenkrad mit der Lenkwelle 3. Die Lenkkupplung ist in dieser Darstellung der 2 (wie auch in der 1) aktiviert.
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Die Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 ist Teil des Halterings 6.3. Dieser umschließt die Lenkradwelle 4 in radialer Richtung und ist drehbar gelagert. Das heißt, der Bolzen kann einerseits axial bewegt werden, um, bei gegebener Winkelausrichtung der beiden Wellen 3 und 4 und des Halterings 6.3, in die Nuten 4.1 und 3,1 der Lenkradwelle 4 und der Lenkwelle 3 einzutauchen und die Lenkkupplung 1 zu aktivieren.
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Andererseits kann der Bolzen 6.1 aber auch zusammen mit dem Haltering 6.3, in dessen Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 aufgenommen, gegenüber den Lenkgehäuse 2 mitverdreht werden.
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Dies ist einerseits wichtig, um bei der Aktivierung der Lenkkupplung 1 ihn mit seiner achsseitigen Stirnseite in Überdeckung mit der Nut 4.1 der Lenkradachse 4 und der Nut 3.1 der Lenkachse 3 bringen zu können. Dazu muss er gegenüber der Abstützfläche 4.2 verschoben werden können. Dies geschieht dadurch, dass die Lenkradwelle 4, und damit auch die an ihr ausgebildete Abstützfläche 4.2, gegenüber seiner, im deaktivierten Zustand der Lenkkupplung 1, definierten Position (s 10) verdrehbar ist. Der Bolzen 6.1 ist in diesem deaktiven Zustand der Lenkkupplung 1 jedoch gegen eine Mitbewegung mit der Lenkradwelle 4 durch seine Festsetzung in der Bolzen-Aufnahmenut 2.1 des Lenkgehäuses 2 gesichert. Demzufolge kann er der, bezogen auf die Lenkkupplung 1, radial einwärts erfolgenden Positionsänderung der Abstützfläche 4.2 nicht folgen und kommt nach entsprechender Verdrehung des Lenkrades und damit der Lenkradwelle 4 in Überdeckung mit der Nut 4.1 und nachfolgend der Nut 3.1, wie oben bereits ausführlich dargelegt.
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Die Abstützfläche 4.2 ist, in der hier bevorzugten Ausführungsform, gegenüber der Mantelfläche der Lenkradwelle 4 vertieft ausgebildet. Das bewirkt, dass bei der Rückstellung des Bolzens 6.1 dieser jeweils nur in die Richtung gegenüber der Lenkradwelle 4 verdreht werden kann, in der sich auch die Abstützfläche 4.2 befindet. Denn in die entgegengesetzte Richtung würde er seitlich an der Wandbegrenzung der Nut 4.1 anstehen und eine weitere Bewegung blockieren. Diese vertiefte Ausbildung der Abstützfläche 4.2 bildet somit eine Verdrehsicherung und Positionierhilfe zur raschen Rückpositionierung des Bolzens 6.1 aus.
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Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Lenkkupplung 1. Die angegebenen Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren die gleichen Merkmale. Der in den 1 und 2 gezeigte Elektromagnet 7 ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung hier nicht gezeigt.
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Die 4 zeigt beispielhaft eine perspektivische Draufsicht auf eine Lenkkupplung 1 mit Gehäuse 2, Lenkwelle 3 und Lenkradwelle 4. Auch hier ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung der Elektromagnet 7 nicht gezeigt.
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Die 5 bis 10 zeigen beispielhaft und schematisch sechs Darstellungen der Kupplungsvorrichtung 5, entsprechend der schrittweisen Zustandsänderung der Lenkkupplung 1, zwischen den Zuständen „aktiviert“ und „deaktiviert“. Dabei werden das Kupplungsgehäuse 2 zusammen mit dem radial außen befindlichen Elektromagnet 7 relativ gegenüber dem Haltering 6.3 mit darin in der Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 aufgenommenen Bolzen 6.1 und Federn 6.2, der Lenkradwelle 4 und der Lenkwelle 3 verdreht.
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In der Realität ist das Kupplungsgehäuse positionsfest, da es im eingebauten Zustand mit der Karosserie verbunden ist. Der Einfachheit halber wurden in den 5 bis 10 jedoch das Lenkgehäuse 2 und der Elektromagnet 7 in ihrer Position gegenüber den anderen o.g. Bauteilen der Lenkkupplung 1, bzw. deren Kupplungsvorrichtung 5 verändert dargestellt.
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Zur erleichterten Erkennung der Bewegung eines Bauteils gegenüber seiner Position in der vorangehenden Darstellung/Figur sind Pfeile 8 ergänzt (s. 6 bis 10).
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In der 5 ist demnach der Zustand „aktiviert“ für die Lenkkupplung 1, bzw. die Kupplungsvorrichtung 5 als deren dargestellter Ausschnitt aus der 1 gezeigt. Der Bolzen 6.1 ist, durch die Federn 6.2 vorgespannt, sowohl in der Nut 4.1 als auch in der Nut 3.1 eingetaucht und verriegelt. Die Abstützfläche 4.2, auf der er im „deaktivierten“ Zustand der Lenkkupplung ruht (s. 10), befindet sich, in Draufsicht auf die 5, rechts vom Bolzen 6.1.
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In 6 ist der Bolzen, durch Einwirkung der vom Elektromagneten 7 erzeugten Magnetkraftgegen gegen die Vorspannkräfte der beiden Federn 6.2, in der Kupplungsvorrichtung 5 radial nach außen bewegt (vgl. Pfeil 8), bis er mit seiner Wellenfernen Stirnseite an der Innenseite des Lenkgehäuses ansteht. Sein wellennahes Ende überlappt, in Drehrichtung betrachtet, mit dem Material der Lenkradwelle, auf der die Abstützfläche 4.2 ausgebildet ist.
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In 7 ist die gedrehte Position der Lenkwelle 3, der Lenkradwelle 4 und des Halterings 6.3, mit seiner Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 und den darin aufgenommenen Bolzen 6.1 und den Federn 6.2, gegenüber dem Kupplungsgehäuse 2 und dem Elektromagnet 7 verdreht (s. Pfeile 8) dargestellt. Die Drehung kann entweder durch einen auf die Lenkachse 3 wirkenden Lenkaktuator der autonomen Lenkvorrichtung und/oder durch eine Bewegung des mit der Lenkradwelle 4 drehfest verbundenen Lenkrades bewirkt werden.
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Die Mitnahme des Halterings 6.3 und seiner Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1, mit allen darin aufgenommenen Bauteilen, wird durch die seitliche Anlage des Bolzens 6.1 an der Seitenwand des Materials der Lenkradwelle 4 bewirkt, an welchem die Abstützfläche 4.2 ausgebildet ist. Diese wirkt somit als Rückstellmittel für die betreffenden Bauteile. Der Bolzen ist, zur Darstellung der einzelnen Bewegungsabläufe, in dieser Darstellung der 7, bezogen auf seine Längsausrichtung, noch in unveränderter Position gegenüber der 6.
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In 8 ist nun der Bolzen 6.1, aufgrund der weiteren Einwirkung der Magnetkraft des Elektromagneten 7 auf ihn, mit seiner wellenfernen Stirnseite in die damit überlappende Bolzen-Aufnahmenut 2.1 im Kupplungsgehäuse 2 eingerückt und gleichzeitig aus der Nut 3.1 der Lenkwelle 3 ausgerückt.
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In 9 sind die Lenkwelle 3 und die Lenkradwelle 4 weiter gegenüber dem Lenkgehäuse 3, dem Elektromagneten 7 und insbesondere gegenüber dem Haltering 6.3 und der Bolzen- und Federaufnahme 6.3.1 sowie dem Bolzen 6.1 in ihren Positionen gegenüber der Darstellung in 8 verdreht.
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Der Bolzen 6.1 steht hier zur Hälfte in Überdeckung mit der Abstützfläche 4.2. Er kann somit nicht mehr in die Nut 4.1 der Lenkradwelle 4 eintauchen. Die durch die Federn 6.2 auf ihn ausgeübte Vorspannung drückt ihn gegen die Abstützfläche 4.2 und verspannt ihn dazwischen.
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In 10 ist schließlich der Zustand der Lenkkupplung 1, bzw. deren Kupplungsvorrichtung 5, im „deaktivierten“ Betriebszustand dargestellt, nachdem der zur 9 beschriebene Bewegungsablauf bis zur vollständigen Überlappung der wellenseitigen Stirnseite des Bolzens 6.1 mit der Abstützfläche 4.2 vollzogen ist.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht in allen Figuren alle Positionszeichen dargestellt. Bezüglich der nicht dargestellten wird daher auf die Beschreibung zu den vorangehenden Figuren verwiesen.
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Die Aktivierung der Lenkkupplung 1 erfolgt, beginnend mit 10, im umgekehrten Bewegungsablauf wie zu den 5 bis 10 beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkkupplung
- 2
- Lenkkupplungsgehäuse
- 2.1
- Bolzen-Aufnahmenut
- 3
- Lenkwelle
- 3.1
- Nut
- 3.2
- Zahn
- 4
- Lenkradwelle
- 4.1
- Nut
- 4.2
- Abstützfläche
- 5
- Kupplungsvorrichtung
- 6
- Kupplungsaktuator
- 6.1
- Bolzen
- 6.1.1
- Flansch
- 6.2
- Feder
- 6.3
- Haltering
- 6.3.1
- Bolzen- und Federaufnahme
- 6.3.1.1
- Federgegenlager
- 7
- Elektromagnet
- 8
- Pfeil
