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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steer-By-Wire-System für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Lenkrad und eine mit dem Lenkrad gekoppelten Lenkradwelle, welche mit einem Elektromotor so wirkverbunden ist, dass ein vom Elektromotor erzeugtes Drehmoment über die Lenkradwelle auf das Lenkrad übertragbar ist.
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Steer-by-Wire-Technologien in Kraftfahrzeugen erlauben eine deutliche Verbesserung des Fahrzeughandlings, der Sicherheit und des Komfort. Eine der Hauptfunktionen eines Steer-by-Wire-Systems besteht darin, dem Fahrer ein kontinuierliches Feedback über die Fahrdynamik des Fahrzeugs zu geben. Alle Daten, die aus gemessenen oder berechneten Parametern gesammelt werden, die die Kontaktfläche zwischen den gelenkten Rädern und der Straße beeinflussen, werden verwendet, um eine Kraft auf das Lenkrad zu simulieren, die normalerweise bei einem konventionellen Lenksystem auftritt. Dieses Verhalten kann durch verschiedene Ansätze unter Verwendung verschiedener Vorrichtungen erreicht werden.
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Trotz einer ganzen Reihe von neuen technischen Möglichkeiten und Funktionen der Steer-by-Wire-Systeme, gibt es aber bei Kunden noch häufig Vorbehalte hinsichtlich der Betriebssicherheit derartiger Systeme: Diese sind beispielsweise eine mögliche elektronische Fehlfunktion, die zum Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug führen könnten; oder eine unnatürliche Reaktionskraftrückkopplung, die je nach Fahrbedingungen zu einer unangemessenen Reaktion des Fahrers führen könnte.
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Durch einen direkten Antriebseingang vom Motor des Aktuators neigen die ausfallsicheren Systeme dazu, komplex zu werden. Nach den Funktionen zu urteilen, die der Aktuator erfüllen soll, sind große Motoren zu berücksichtigen, die beträchtliche elektrische Energie benötigen, so dass das System weit davon entfernt ist, massen- und energieeffizient zu sein.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die beschriebenen Nachteile zu beheben und ein Steer-By-Wire-System bereitzustellen, dass hinsichtlich seiner Ausfallsicherheit verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steer-By-Wire-System für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Lenkrad und eine mit dem Lenkrad gekoppelten Lenkradwelle, welche mit einem Elektromotor so wirkverbunden ist, dass ein vom Elektromotor erzeugtes Drehmoment über die Lenkradwelle auf das Lenkrad übertragbar ist, wobei ein schaltbares Reibbelagmodul an der Lenkradwelle angeordnet ist, welches in einem ersten Betriebszustand ein Reibmoment und in wenigstens einem zweiten Betriebszustand kein Reibmoment auf die Lenkwelle ausübt.
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Durch die Verwendung eines schaltbaren Reibbelagmoduls (Aktuator), welches ein Reibungswiderstandselement ein- oder auskuppelt, können die Abmessungen der Steer-By-Wire-Systeme, insbesondere der Elektromotoren, verringert werden, wobei gleichzeitig das Vorhandensein eines redundanten Widerstandsmoments sichergestellt wird, um Steer-by-Wire-Systeme ausfallsicher zu machen.
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Die vorgeschlagene Lösung besteht somit darin, ein Reibungswiderstandssystem ein- oder auszuschalten, um ein Widerstandsmoment zu erzeugen und so dem Fahrer ein kontinuierliches Feedback über die Fahrdynamik des Fahrzeugs zu geben. Der schaltbare Mechanismus kann insbesondere auf einem verschiebungsabhängigen Prinzip basieren, nämlich der Vergrößerung oder der Verkleinerung des Spalts zwischen zwei Flächen durch Drehen eines der beiden einander zugewandten rampenförmigen Teile mit Hilfe eines Hebels. Darauf wird nachfolgend noch näher eingegangen.
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Ebenfalls ist es bevorzugt, dass durch oben beschriebene Verschieben das Federelement zusammengedrückt oder entspannt wird, was wiederum den Anpressdruck auf das Reibelement beeinflusst und auf diese Weise ein Widerstandsmoment im System induziert. Auch dies wird nachstehend noch detaillierter erläutert.
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Die vorgeschlagene Lösung kann beispielsweise in verschiedenen Situationen mit drei verschiedenen Zuständen verwendet werden:
- - Zustand „Eingeschaltet“, in dem der schaltbare Mechanismus eingeschaltet ist, d.h. das Federelement ist zusammengedrückt und übt eine Belastung auf das Reibelement aus. Daher wird die gesamte Widerstandsmoment in dem System durch das Reibelement bereitgestellt. Es werden keine zusätzlichen Stromquellen verwendet;
- - Zustand „Ausgeschaltet“, in dem sich der schaltbare Mechanismus im AUSZustand befindet, was bedeutet, dass das Federelement nicht zusammengedrückt ist und keine Belastung auf das Reibelement ausübt. Daher stellt das Reibelement keine Widerstandsmoment für das System bereit. Stattdessen wird ein Elektromotor verwendet, um das erforderliche Widerstandsmoment zu liefern;
- - Kombinierter Zustand, in dem sowohl das Reibelement als auch der Elektromotor aktiv sind. Dazu befindet sich der schaltbare Mechanismus im EIN-Zustand, was bedeutet, dass das Federelement zusammengedrückt wird und eine Last auf das Reibelement ausübt. Daher stellt er ein bestimmtes Widerstandsmoment zur Verfügung, das das vom Motor induzierte Widerstandsmoment ergänzt.
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Der schaltbare Mechanismus kann grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten betätigt werden. Der Hebel kann entweder von Hand oder elektromechanisch gedreht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reibbelagmodul zum einen eine Welle aufweist, welche drehfest und koaxial mit der Lenkradwelle verbunden ist, und zum anderen ein Modulgehäuse besitzt, welches gegenüber der Welle drehfest, insbesondere an dem Elektromotor, angeordnet ist, so dass die Welle relativ zu dem Modulgehäuse drehbar ausgeführt ist, wobei auf der Welle wenigstens ein ringförmiges Reibelement angeordnet ist, welches mittels eines Schaltelements einen Reibschluss zwischen der Welle und dem Modulgehäuse herstellen oder diesen Reibschluss lösen kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Reibbelagmodul ein Federelement umfasst, dass eine axiale Federkraft auf die Reibelemente ausübt.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Federelement aus einem aus Tellerfedern gebildeten Federpaket besteht.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Federelement über eine mit der Welle in Eingriff befindliche Mutter vorspannbar ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Reibelement als ringförmige Reibscheiben und/oder als Axialwälzlager ausgebildet ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Schaltelement ringförmig ausgebildet ist und die Welle drehbar umgreift, wobei wenigstens eine der ringförmigen Umfangsflächen des Schaltelements ein Ringsegment mit in Umfangsrichtung aufeinander folgenden ersten Ringsegmentfläche a, zweiten Ringsegmentfläche b und dritten Ringsegmentfläche c aufweist, wobei die erste Ringsegmentfläche a in Axialrichtung eben ausgebildet ist, die zweite Ringsegmentfläche b in Axialrichtung rampenförmig über den Umfang ansteigt und sich die dritte Ringsegmentfläche c in Axialrichtung eben anschließt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Modulgehäuse ringförmig ausgebildet ist und die Welle kontaktlos umgreift, wobei wenigstens eine der ringförmigen Umfangsflächen des Modulgehäuses ein Ringsegment mit in Umfangsrichtung aufeinander folgenden ersten Ringsegmentfläche a, zweiten Ringsegmentfläche b und dritten Ringsegmentfläche c aufweist, wobei die erste Ringsegmentfläche a in Axialrichtung eben ausgebildet ist, die zweite Ringsegmentfläche b in Axialrichtung rampenförmig über den Umfang ansteigt und sich die dritte Ringsegmentfläche c in Axialrichtung eben anschließt.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Lenkradwelle und die Welle des Reibbelagmoduls jeweils eine radiale Durchgangsbohrung aufweisen, durch die ein Sicherungsstift so hindurchführbar ist, dass eine drehfeste Verbindung zwischen der Lenkradwelle und der Welle des Reibbelagmoduls herstellbar ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass wenigstens zwei Reibelemente vorgesehen sind, welche axial beabstandet auf der Welle des Reibbelagmoduls angeordnet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen
- 1 ein erfindungsgemäßes Steer-By-Wire-System in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 eine Explosionsdarstellung des aus der 1 bekannten Steer-By-Wire-Systems,
- 3 eine perspektivische Detailansicht auf das Schaltelement und das Modulgehäuse,
- 4 das Steer-By-Wire-System in einem Freilauf-Betriebszustand,
- 5 das Steer-By-Wire-System in einem Reibmoment-eintragenden Betriebszustand,
- 6 eine zweite Ausführungsform eines Steer-By-Wire-Systems in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 7 eine Explosionsdarstellung des aus der 6 bekannten Steer-By-Wire-Systems,
- 8 eine perspektivische Detailansicht auf die Schalthülse und den Schaltzylinderstift mit Nocken,
- 9 zweite Ausführungsform des Steer-By-Wire-Systems in einem Freilauf-Betriebszustand, und
- 10 zweite Ausführungsform das Steer-By-Wire-System in einem Reibmoment-eintragenden Betriebszustand.
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Die 1 zeigt die Hauptkomponenten des Steer-by-Wire-Systems 15, die nachfolgend näher erläutert werden. Das Steer-by-Wire-System 15 umfasst ein Lenkrad 1 und eine mit dem Lenkrad 1 gekoppelte Lenkradwelle 2, welche mit einem Elektromotor 4 so wirkverbunden ist, dass ein vom Elektromotor 4 erzeugtes Drehmoment über die Lenkradwelle 2 auf das Lenkrad 1 übertragbar ist. Ein schaltbares Reibbelagmodul 3 ist an der Lenkradwelle 2 angeordnet ist, welches in einem ersten Betriebszustand ein Reibmoment und in wenigstens einem zweiten Betriebszustand kein Reibmoment auf die Lenkwelle 2 ausübt.
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Das schaltbare Reibbelagmodul 3 ist zentriert auf der Lenkradwelle 2 montiert. Der zylinderförmige Sicherungsstift 12 ermöglicht die Drehmomentübertragung zwischen der Welle 10 des Reibbelagmoduls 3 und der Lenkradwelle 2. Hierzu besitzen die Lenkradwelle 2 und die Welle 10 des Reibbelagmoduls 3 jeweils eine radiale Durchgangsbohrung, durch die der Sicherungsstift 12 so hindurchführbar ist, dass eine drehfeste Verbindung zwischen der Lenkradwelle 2 und der Welle 10 des Reibbelagmoduls 3 herstellbar ist. Dies ist auch noch einmal gut aus der Explosionsdarstellung der 2 erkennbar.
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Die Welle des Elektromotors 4 ist ebenfalls mit der Lenkradwelle 2 verbunden. Das Modulgehäuse 6 ist am Motorgehäuse so zentriert montiert, dass eine Zentrierung zwischen ihm und der Welle 10 gewährleistet ist. Die übrigen Komponenten des Reibbelagmoduls, wie die Pressscheiben 7, das Federelement 8 und die Reibelemente 9, sind ebenfalls auf der Welle 10 zentriert und werden zwischen der Rückhalteschulter 14 und der Mutter 11 zusammengehalten. Die Mutter 11 bietet die Möglichkeit, die Vorspannung des Federelements 8 einzustellen, indem die Mutter 10 mit der Welle 10 im Eingriff steht.
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Das Federelement 8, das in der gezeigten Ausführungsform aus zwei Tellerfedern besteht, kann grundsätzlich jede Art von Druckfeder sein. Das Federelement 8 übt insbesondere eine axiale Federkraft auf die Reibelemente 9 aus.
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Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass das Reibbelagmodul 3 zum einen eine Welle 10 aufweist, welche drehfest und koaxial mit der Lenkradwelle 2 verbunden ist, und zum anderen ein Modulgehäuse 6 besitzt, welches gegenüber der Welle 10 drehfest, insbesondere an dem Elektromotor 4, angeordnet ist, so dass die Welle 10 relativ zu dem Modulgehäuse 6 drehbar ausgeführt ist. Auf der Welle 10 sind axial voneinander beabstandet zwei ringförmige Reibelemente 9 angeordnet, welche mittels eines Schaltelements 5 einen Reibschluss zwischen der Welle 10 und dem Modulgehäuse 6 herstellen oder diesen Reibschluss lösen können.
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Die Reibelemente 9 sind in der gezeigten Ausführungsform als ringförmige Reibscheiben ausgebildet. Anstelle von Reibscheiben können auch einige Axiallager mit einem bestimmten Reibungskoeffizienten je nach Anforderung verwendet werden.
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Die 2 zeigt zum besseren Verständnis des Aufbaus des Steer-By-Wire-Systems dieses noch einmal in einer Explosionsdarstellung.
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3 zeigt das Schaltelement 5 und Modulgehäuse 6 in einer perspektivischen Ansicht. Das um die Welle 10 rotierbare Schaltelement 5 sowie das Modulgehäuse 6 besitzen verschiedene zusammenwirkende Kontaktflächen zur Verschiebung der Reibelemente 9 und somit zur Herstellung eines Reibschlusses oder eines Lösen dessen.
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Wie der 3 (linke Abbildung) entnehmbar ist, ist das Schaltelement 5 ringförmig ausgebildet und es umgreift die Welle 10 drehbar. Wenigstens eine der ringförmigen Umfangsflächen des Schaltelements 5 weist ein Ringsegment mit in Umfangsrichtung aufeinander folgenden ersten Ringsegmentfläche 5a, zweiten Ringsegmentfläche 5b und dritten Ringsegmentfläche 5c. Die erste Ringsegmentfläche 5a ist in Axialrichtung eben ausgebildet, die zweite Ringsegmentfläche 5b steigt in Axialrichtung rampenförmig über den Umfang an und es schließt sich die dritte Ringsegmentfläche 5c in Axialrichtung eben an.
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Die rechte Abbildung der 3 zeigt nun, dass das Modulgehäuse 6 ringförmig ausgebildet ist und die Welle 10 kontaktlos umgreift. Wenigstens eine der ringförmigen Umfangsflächen des Modulgehäuses 6 weist ein Ringsegment mit in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden ersten Ringsegmentfläche 6a, zweiten Ringsegmentfläche 6b und dritten Ringsegmentfläche 6c auf. Die erste Ringsegmentfläche 6a ist in Axialrichtung eben ausgebildet, die zweite Ringsegmentfläche 6b steigt in Axialrichtung rampenförmig über den Umfang an und die dritte Ringsegmentfläche 6c schließt sich in Axialrichtung eben an.
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Der vorgeschlagene schaltbare Mechanismus auch als schaltbarer Betätiger zu bezeichnen - besteht aus den beiden in 3 gezeigten Schaltelementen 5 und 6, die im montierten Zustand einander gegenüberliegen. Durch Drehen des Schaltelements 5 unter Betätigung des Hebels 13 verändert sich der in den 4 und 5 dargestellte Abstand „b“ unter Beeinflussung des Abstands „a“, was zu einer unterschiedlichen Vorspannung des Federelements 8 führt. Da die Federkraft normal auf die Reibelemente 9 einwirkt, wird auf die Welle 10 in Abhängigkeit von der Federkraft ein widerstandsfähiges Drehmoment erzeugt.
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4 zeigt den schaltbaren Betätiger aus der 3 im „ausgerasteten“ Zustand. In diesem Zustand liegt die obere Planfläche 5C auf der Fläche 6A, die Rampenfläche 5B liegt auf der Fläche 6B und die untere Planfläche 5A liegt auf der Fläche 6C. Es gibt also keinen Spalt zwischen den genannten Flächen, so dass sich der Mindestabstand „b“ (b1) ergibt, der dem Abstand a1 zwischen den Pressscheiben 7 entspricht, der größer oder gleich der freien Länge des Federelements ist. Aufgrund der Tatsache, dass keine Verschiebung im Mechanismus existiert, ist das Federelement 8 unkomprimiert und erzeugt keinen Kontaktdruck auf die Reibelemente 9. In diesem Zustand ist das von den Reibelementen 9 erzeugte Widerstandsmoment gleich Null.
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5 zeigt den schaltbaren Betätiger aus der 3 im „eingerasteten“ Zustand. Um diesen Zustand zu erreichen, wird das drehbare Schaltelement 5 über seinen Hebel 13 so betätigt, dass die Fläche 5C auf der Fläche 6C aufliegt. Wenn die beiden oberen ebenen Flächen aufeinander liegen, vergrößert sich dadurch der Abstand „b“ zu b2 und verringert sich der Abstand „a“ zu a2. Da der Abstand a2 kleiner als die freie Länge des elastischen Elements ist, wird dieses zusammengedrückt, und es entsteht eine axiale Belastung, die zu einem Anpressdruck auf die Reibelemente 9 führt, wodurch ein Widerstandsmoment auf die Welle 10 induziert wird.
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Um wieder in den „ausgerückten“ Zustand zu schalten, wird der Hebel 13 in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet.
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Die 6-10 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Steer-By-Wire-Systems 15, die nachfolgend näher erläutert wird.
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Die 6 zeigt zunächst die Hauptkomponenten des Steer-by-Wire-Systems 15. Da eine Reihe von Bauelementen dieser Ausführungsform mit der in den 1-5 gezeigten identisch sind, wird hierauf nachstehend nicht näher eingegangen. Die axiale Position der Schalthülse 16 wird durch den Zylinderstift mit Nocken 17 gesteuert. Die 8 Abbildung a und die 8 Abbildung b zeigen die beiden Arbeitsflächen des Zylinderstiftes mit Nocken 17: Eine Seite mit einer großen Kontaktfläche 17A und die andere, gegenüberliegende Seite mit einer kleineren Kontaktfläche 17B. Es ist zu beachten, dass der Abstand zwischen der Achse der zylindrischen Fläche des Stifts und der Oberfläche 17A anders ist als der zwischen der Achse und der Oberfläche 17B, so dass sich eine Nocke ergibt.
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8 zeigt die Welle 10 mit einem Schlitz, in dem der Nocken des zylindrischen Stiftes 17 in Kontakt ist. Je nach dem gewünschten Zustand des Mechanismus wird die Oberfläche 10A entweder mit der Oberfläche 13A oder der Oberfläche 13B in Kontakt sein. Der vorgeschlagene Hauptmechanismus auch als schaltbarer Reibbelag zu bezeichnen- besteht aus Schalthülse 16, dem Zylinderstift mit Nocken 17 und der Welle 10. Durch Drehen des Zylinderstiftes mit Nocken 17 wird die axiale Position der Schalthülse 16 so gesteuert, dass sich der Spalt (a) zwischen den beiden Pressscheiben 7 vergrößern oder verkleinern kann. Somit kann aufgrund der Vorspannkraft des Federelements 8 ein Anpressdruck auf die Reibelemente 9 erzeugt oder gelöst werden. Auf diese Weise können die Reibelemente 9 ein Widerstandsmoment in das System einleiten oder das System auch ohne Widerstandsmoment frei laufen lassen.
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9 zeigt den schaltbaren Reibbelag im „eingerasteten“ Zustand. In diesem Zustand ist die Oberfläche 13B in Kontakt mit der Oberfläche 10A. Dadurch wird die Schalthülse 16 gezwungen, axial zu gleiten und auf eine der Pressscheiben 7 zu drücken, die das Federelement 8 zusammendrückt. Das Federelement 8 drückt auf die zweite Pressscheibe 7, wobei die letztere einen Kontaktdruck auf die Reibelemente 9 erzeugt. Dadurch wird ein Widerstandsmoment in das System eingeleitet.
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10 zeigt schließlich den schaltbaren Reibbelag im „ausgerückten“ Zustand. Um diesen Zustand zu erreichen, wird der zylindrische Stift mit Nocken 17 so gedreht, dass die Oberfläche 13A mit der Oberfläche 10A in Kontakt kommt. Dadurch kann die Schalthülse 16 axial zurückgleiten, wodurch das Federelement 8 freigegeben wird. Auf diese Weise entsteht kein Anpressdruck auf die Reibelemente 9, es wird also kein Widerstandsmoment in das System eingeleitet.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkrad
- 2
- Lenkradwelle
- 3
- Reibbelagmodul
- 4
- Elektromotor
- 5
- Schaltelement
- 6
- Modulgehäuse
- 7
- Pressscheibe
- 8
- Federelement
- 9
- Reibelement
- 10
- Welle
- 11
- Mutter
- 12
- Sicherungsstift
- 13
- Hebel
- 14
- Rückhalteschulter
- 15
- Steer-By-Wire-System
- 16
- Schalthülse
- 17
- Schaltzylinderstift mit Nocken
