-
Die Erfindung betrifft eine Lenk-Bedieneinheit für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rahmenelement, einer teleskopisch über einen axialen Verstellbereich und/oder einen vertikalen Verstellbereich stellbaren Lenkwelle, einem gegenüber dem Rahmenelement verschiebbaren und/oder schwenkbaren Schlitten, wobei die Lenkwelle über ihren jeweiligen Verstellbereich von dem Schlitten geführt wird und zumindest einem zwischen dem Rahmenelement und dem Schlitten zum Verschieben und/oder zum Verschwenken wirksamem Gewindetrieb, wobei der Gewindetrieb eine Gewindemutter und eine in einer Längsachse AL verlaufende Gewindespindel aufweist. Die Lenk-Bedieneinheit kann bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem als auch bei einer konventionellen mechanischen Lenkung eingesetzt werden.
-
Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen wie konventionelle mechanische Lenkungen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch eine Eingabeeinheit entgegen. Dies kann beispielsweise durch eine Drehung eines Lenkrades erfolgen. Das Lenkrad ist über eine Lenkwelle mit der Eingabeeinheit drehfest verbunden. Bei Steer-by-Wire-Lenksysteme ist die Eingabeeinheit jedoch nicht notwendigerweise mechanisch über ein Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden, sondern kann die Eingabebefehle über Drehwinkel- beziehungsweise Drehmomentsensoren erfassen. Diese Sensoren erfassen den eingebrachten Lenkbefehl und geben ein daraus erzeugtes elektrisches Steuersignal an einen Lenkungsaktuator weiter, der mittels eines elektrischen Stellantriebs und ggf. einer Getriebeeinheit einen entsprechenden Lenkeinschlag bzw. Lenkwinkel des Rades bzw. des Radmoduls um eine Lenkdrehachse stellt.
-
In Steer-by-Wire-Lenksystemen kann das Lenkrad bzw. die Lenk-Bedieneinheit zu Komfortzwecken, wie in herkömmlichen Systemen, bezüglich der Bedienposition verstellt werden, wobei hier insbesondere eine axiale Verstellung entlang der Längsachse der Lenkwelle als auch ein vertikales Verschwenken üblich sind. Eine herkömmliche Lenksäule beschreibt beispielsweise die
EP 3 571 110 B1 . Für die jeweilige Verstellung kommt in der Regel ein elektrischer Stellmotor zum Einsatz, der die zu bewegenden Teile gegenüber einer feststehenden Basis antreibt. Hierbei können ein oder mehrere Gewindetriebe vorgesehen sein, die eine entsprechende Kinematik in die Lenk-Bedieneinheit einleiten. Herkömmlich wird in einem für eine Bedienperson relevanten Komfortbereich ein axialer Verstellweg in einer Größenordnung von 80mm vorgesehen.
-
Insbesondere für Steer-by-Wire-Lenksysteme wird es erforderlich den axialen Verstellweg der Lenk-Bedieneinheit in eine Größenordnung von 210mm zu erweitern. Diesen deutlich größeren Verstellweg gilt es unter anderem deswegen vorzusehen, da eine Verstaufunktion für die Lenk-Bedieneinheit bereitgestellt werden soll, in der die Lenk-Bedieneinheit zumindest weitestgehend in einer Armaturentafel des Fahrzeugs versenkt ist. Zudem wird die Lenk-Bedieneinheit in einem Steer-by-Wire-Lenksystem einer deutlich höheren Anzahl an Betätigungszyklen unterworfen, verglichen mit konventionellen Lenkungen.
-
Entscheidend für die Auslegung sowohl der axialen als auch der vertikalen Verstellung ist, dass die Komponenten spielfrei ausgelegt werden, so dass eine unerwünschte Beweglichkeit des mit der Lenk-Bedieneinheit verbundenen Lenkrades vermieden wird. Herkömmlich wird dies bei dem Einsatz von Gewindetrieben zur Einleitung der entsprechenden Kinematik beispielsweise dadurch gelöst, dass sich die jeweilige Gewindesteigung der Gewindemutter und der Gewindespindel um ein geringes Maß voneinander unterscheiden. Hierdurch wird eine Spielfreiheit zwischen Mutter und Spindel erreicht. Nachteilig ist hierbei, dass sich über einen definierten Betriebszeitraum bzw. eine Anzahl auslegungsseitig vorgegebener Betätigungszyklen ein Verschleiß der Gewinde infolge der Vorspannung einstellt. Ab einem gewissen Verschleißmaß herrscht zwischen Mutter und Spindel keine Vorspannung mehr und es stellt sich ein Spiel zwischen diesen ein. Es besteht folglich ein Bedürfnis die Paarung aus Mutter und Spindel über eine deutlich höhere Anzahl an Betätigungszyklen spielfrei zu halten.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die es ermöglichen, den Gewindetrieb einer Lenk-Bedieneinheit im Hinblick auf die Anzahl der Betätigungszyklen zu verbessern.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Lenk-Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Eine Ausführungsform betrifft eine Lenk-Bedieneinheit für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rahmenelement, einer teleskopisch über einen axialen Verstellbereich und/oder einen vertikalen Verstellbereich stellbaren Lenkwelle, einem gegenüber dem Rahmenelement verschiebbaren und/oder schwenkbaren Schlitten, wobei die Lenkwelle über ihren jeweiligen Verstellbereich von dem Schlitten geführt wird und zumindest einem zwischen dem Rahmenelement und dem Schlitten zum Verschieben und/oder zum Verschwenken wirksamem Gewindetrieb, wobei der Gewindetrieb eine Gewindemutter und eine in einer Längsachse AL verlaufende Gewindespindel aufweist, wobei ein erster und ein zweiter Gewindeabschnitt der Gewindemutter in Richtung der Längsachse AL zueinander und gegenüber der Gewindespindel vorgespannt sind.
-
Der jeweilige Stellbereich kann eine Mittelstellung bzw. eine Grundstellung haben. Die Grundstellung braucht nicht zwingend in der geometrischen Mitte zwischen den jeweiligen Endstellungen liegen. Es kann eine Gehäuseanordnung vorgesehen sein, in der die Lenkwelle zumindest größtenteils aufgenommen ist. Die Gehäuseanordnung kann zumindest mittelbar an dem Rahmenelement gehalten sein. Das Rahmenelement kann aber auch als Einhausung gestaltet sein und als solche fungieren. Im Falle einer Steer-by-wire-Ausführung kann die Lenk-Bedieneinheit einen auf die Lenkwelle wirkenden Rotationsanschlag umfassen, der eine Rotation der Lenkwelle, die beispielsweise über eine mit der Lenksäule verbundenes Lenkrad bewirkt wird, innerhalb eines Drehwinkelbereichs begrenzt. Die Lenk-Bedieneinheit kann zudem mit einem Force-Feedback-Aktuator verbunden sein, der beispielsweise in eine Eingabeeinheit integriert ein kann und ein Rückstellmoment beziehungsweise Lenkmoment über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Die Lenk-Bedieneinheit kann elektrisch bzw. steuerungstechnisch mit einem Lenkungsaktuator verbunden sein, der seinerseits in einem Radmodul aufgenommen sein kann. Der über die Lenk-Bedieneinheit, insbesondere über die Eingabeeinheit der Lenkbedieneinheit, sensierte Lenkbefehl kann über den Lenkungsaktuator in ein Lenkmoment zum winkligen Stellen des Radmoduls einschließlich des Rades übersetzt werden.
-
Die Bewegung innerhalb des jeweiligen Stellbereichs kann über einen Elektromotor bewirkt werden. Denkbar ist auch, dass lediglich ein Elektromotor vorgesehen ist, der alternativ sowohl die axiale Stellbewegung als auch die vertikale Stellbewegung bewirkt. Der zumindest eine Elektromotor kann mittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Übersetzungsstufe die Gewindespindel des Gewindetriebs rotatorisch antreiben. Der Gewindetrieb kann beispielsweise als Trapezgewindetrieb ausgeführt sein. Die jeweilige Gewindesteigung der Gewindemutter und der Gewindespindel haben bevorzugt das gleiche Steigungsmaß. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Gewindemutter mehrteilig ausgeführt und die beiden Teile werden jeweils durch den ersten Gewindeabschnitt und den zweiten Gewindeabschnitt gebildet. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Gewindemuttern letztlich aus zwei Teilmuttern, die gegeneinander vorgespannt sind. Denkbar ist allerding auch, dass die Gewindemutter eine äußere Hülse aufweist, in die die beiden Gewindeabschnitte unter einer Vorspannung eingesetzt sind und als Zusammenbauteil auf der Gewindespindel laufen.
-
Über die in einer Betriebssituation zwischen den beiden Gewindeabschnitten herrschende Vorspannung wird erreicht, dass die Gewindemutter an sich spielfrei auf der Gewindespindel läuft. Erreicht wird dies dadurch, dass die Gewindeabschnitte durch die herrschende Vorspannkraft jeweils gegen einander bezüglich der Längsachse AL entgegengesetzt gerichtete Flanken des Spindelgewindes beaufschlagt werden. Jeder Gewindeabschnitt stützt folglich das Axialspiel des jeweils anderen Gewindeabschnitts gegenüber der Gewindespindel ab. Über die Vorspannung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Spielfreiheit über eine deutliche größere Anzahl an Betätigungszyklen gewährleistet werden kann als herkömmlich. Insbesondere stellt sich kein Verschleiß mehr infolge unterschiedliche Gewindesteigungen zwischen Gewindemutter und Gewindespindel ein. Insgesamt können die Gewindemuttern und die beiden Gewindeabschnitte mit einer weniger engen Fertigungstoleranz hergestellt werden als herkömmlich. Der infolge der regulären Relativbewegung zwischen Gewindemutter und Gewindespindel stattfindende Verschleiß und das infolgedessen sich vergrößernde Spiel wird automatisch durch die vorgesehene Vorspannung zwischen den beiden Gewindeabschnitten ausgeglichen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Gewindemutter Federmittel umfasst und die beiden Gewindeabschnitte über die Federmittel zueinander vorgespannt sind. Über Federmittel ist es einfach und flexibel möglich die benötigte Vorspannkraft einzustellen und ggf. bei Bedarf in einem späteren Betrieb anzupassen. In konkreter Ausgestaltung können die Federmittel als Druckfeder-, Rundfeder-, Blattfeder-, Tellerfeder- und/oder Elastomerfederelement ausgeführt sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Federmittel entweder unter Druck oder unter Zug zwischen den beiden Gewindeabschnitten vorgespannt sind.
-
Um die Federmittel zwischen den beiden Gewindeabschnitten in einer vorgespannten Position zu halten, kann vorgesehen sein, dass die beiden Gewindeabschnitte um die Längsachse AL zueinander verdrehfest gehalten sind. Insbesondere ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der die beiden Gewindeabschnitte über einen Formschluss zueinander verdrehfest gehalten sind. In Abhängigkeit davon, wie fein die gegenseitigen Formschlusselemente ausgeführt sind, ergeben sich die Abstufungen, in denen die Vorspannung zwischen den beiden Gewindeabschnitten eingestellt werden kann.
-
Aus fertigungstechnischer Sicht ist es vorteilhaft, wenn die Gewindemutter mit den beiden Gewindeabschnitten aus einem Kunststoff als Spritzguss-Bauteil ausgeführt ist.
-
Im Hinblick auf die Kinematik ist es vorteilhaft, wenn ein Verschieben oder Verschenken des Schlittens zumindest mittelbar über einen der beiden Gewindeabschnitte dem Schlitten aufgeprägt wird.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum spielfreien axialen und/oder vertikalen Verstellen einer Lenksäule, bei dem eine Lenk-Bedieneinheit in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt wird und ein zwischen der Gewindespindel und einer der beiden Gewindeabschnitte bestehendes Axialspiel durch eine zwischen den beiden Gewindeabschnitten wirkende Vorspannkraft aufgehoben wird.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zwischen den beiden Gewindeabschnitten der Gewindemutter wirkende Vorspannkraft größer als eine aufzubringende Verschiebekraft ist, um durch die Verschiebekraft den Schlitten von einer ersten Position zu einer zweiten Position gegenüber dem Rahmenelement zu verschieben. Hierdurch ist sichergestellt, dass sowohl in dem Moment des Anfahrens der Verstellbewegung aber auch während einer Verstellbewegung Spielfreiheit zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel besteht und nicht die Vorspannung überwunden wird, was zu einer Aufhebung der Spielfreiheit führen würde.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer Lenk-Bedieneinheit;
- 2: eine perspektivische Ansicht eines Gewindetriebs für eine Lenk-Bedieneinheit gemäß 1;
- 3: eine Darstellung eines Gewindetriebs mit einer mehrteiligen Gewindemutter und
- 4: eine Detaillierung einer mehrteiligen Gewindemutter.
-
Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Lenk-Bedieneinheit 10. Die Lenk-Bedieneinheit 10 kann eine Komponente eines Steer-by-Wire-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs sein, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem an sich vorliegend nicht weiter beschrieben wird.
-
Strukturell betrachtet umfasst die Lenk-Bedieneinheit 10 ein Rahmenelement 12 und einen gegenüber dem Rahmenelement 12 verschiebbaren Schlitten 16. Über das Rahmenelement 12 kann die Lenk-Bedieneinheit 10 an einer tragenden Struktur des Kraftfahrzeugs gehalten sein. Ferner ist eine Lenkwelle 14 vorgesehen, die teleskopisch entlang einer Lenkwellenachse ALW über einen axialen Verstellbereich in ihrer axialen Länge über den Schlitten 16 verstellbar ist. Ferner ist mit dem Bezugszeichen 32 eine in die Zeichnungsebene zeigende Schwenkachse eingezeichnet, um die zumindest die Lenkwelle 14 innerhalb eines vertikalen Verstellbereichs geschwenkt werden kann. Ein Bewegen der Lenkwelle 14 in dem axialen Verstellbereich und in dem vertikalen Verstellbereich bewirkt eine Veränderung der Relativposition des Lenkrads gegenüber einer Bedienposition, wobei ein Lenkrad, das an dem rechten der Lenkwelle 14 befestigt sein kann, nicht dargestellt ist.
-
Vorliegend weist die Lenk-Bedieneinheit 10 einen Verstellmechanismus 18 für den axialen Verstellbereich und einen Verstellmechanismus 34 für den vertikalen Verstellbereich auf. Im Folgenden wird lediglich auf den Verstellmechanismus 18 für den axialen Verstellbereich eingegangen. Der Verstellmechanismus 18 wird strukturell durch einen Gewindetrieb 20 mit einer Gewindemutter 22 und einer in einer Längsachse AL verlaufenden Gewindespindel 24 gebildet. Zum rotatorischen Antrieb der Gewindespindel 24 ist ein Elektromotor 36 vorgesehen. Zwischen dem Elektromotor 36 und der Gewindespindel 24 kann eine Übersetzungsstufe 38 vorgesehen sein. Die Gewindemutter 22 ist mit dem Schlitten 16 verbunden, so dass eine translatorische Bewegung, die der Gewindemutter 22 über die sich drehende Gewindespindel 24 aufgeprägt wird, eine axiale Verstellbewegung des Schlittens 16 bewirkt. Die Gewindemutter 22 ist über eine Verbindungslasche 40 mit dem Schlitten 16 verbunden, so dass die Gewindemutter 22 mittelbar über die Verbindungslasche 40 an einem Mitdrehen mit der Gewindespindel 24 gehindert wird.
-
Die 2 zeigt als Einzelheit in perspektivischer Ansicht den Gewindetrieb 20. Gezeigt sind die auf der Gewindespindel 24 in Richtung der Längsachse AL laufende Gewindemutter 24, der Elektromotor 36 und die Übersetzungsstufe 38.
-
Die 3 zeigt ebenfalls eine Einzelheit des Gewindetriebs 20, allerdings nur schematisch und mit einer möglichen Ausgestaltung der Gewindemutter 22. Die Gewindemutter 22 ist mehrteilig ausgeführt. Die Gewindemutter 22 umfasst einen ersten und einen zweiten Gewindeabschnitt 26, 28. Die beiden Gewindeabschnitte 26, 28 sind benachbart zueinander auf der Gewindespindel 24 geführt und in Richtung der Längsachse AL zueinander und gegenüber der Gewindespindel 24 vorgespannt. Zur Erzeugung einer Vorspannkraft sind vorliegend Federmittel 30 vorgesehen, die beide Gewindeabschnitte 26, 28 in axialer Richtung gegeneinander beaufschlagen. Gezeigt ist, dass die Federmittel 30 zwischen den beiden Gewindeabschnitten 26, 28 angeordnet sind und die Gewindeabschnitte 26, 28 in einem vorgespannten Zustand mit einer Druckkraft beaufschlagen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Federmittel 30 die Gewindeabschnitten 26, 28 in einem vorgespannten Zustand mit einer Zugkraft beaufschlagen. Die Federmittel 30 können als Druckfeder-, Rundfeder-, Blattfeder-, Tellerfeder- und/oder Elastomerfederelement ausgeführt sein, wobei auf eine jeweilige Darstellung verzichtet wird.
-
Die 4 zeigt eine Detaillierung der mehrteiligen Gewindemutter 22. Strukturell betrachtet umfasst die Gewindemutter 22 zwei Teilmuttern 42, 44, von denen jede einen der Gewindeabschnitten 26, 28 ausbildet. Die beiden Teilmutter 42, 44 bzw. die beiden Gewindeabschnitte 26, 28 sind um die Längsachse AL zueinander verdrehfest gehalten. Hierfür sind Formschlusselemente auf beiden Teilmuttern 42, 44 vorgesehen, um den Formschluss zu gewährleisten. Bei den Formschlusselementen handelt es sich um axial gerichtete Stege 46. Hierbei bildet die erste Teilmutter 42 beispielsweise vier umfängliche gleichmäßig angeordnete Stege 46 aus und die zweite Teilmutter 44 bildet zwei diametral entgegengesetzt angeordnete Stege 46 aus. Die Stege 46 der beiden Teilmuttern 42, 44 können somit derart ineinandergreifen, dass sie in vier Umfangspositionen zueinander positioniert werden können und sich die Stege 46 in jeder Position umfänglich hinterschneiden, um den Formschluss zu gewährleisten. Mit jeder der vier Umfangspositionen der Teilmuttern 42, 44 zueinander kann für einen späteren Betrieb eine andere Vorspannkraft eingestellt werden. Die Konfiguration der Stege 46 kann auch anders getroffen werden. Die Funktion der Stege 46 kann auch durch eine gegeneinander gerichtete Verzahnung gebildet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lenk-Bedieneinheit
- 12
- Rahmenelement
- 14
- Lenkwelle
- 16
- Schlitten
- 18
- Verstellmechanismus
- 20
- Gewindetrieb
- 22
- Gewindemutter
- 24
- Gewindespindel
- 26
- Gewindeabschnitt
- 28
- Gewindeabschnitt
- 30
- Federmittel
- 32
- Schwenkachse
- 34
- Verstellmechanismus
- 36
- Elektromotor
- 38
- Übersetzungsstufe
- 40
- Verbindungslasche
- 42
- Teilmutter
- 44
- Teilmutter
- 46
- Steg
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
