-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Drehwinkelbegrenzung einer Lenksäule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Lenksystem mit solchen Drehwinkelbegrenzungen werden vor allem bei den so genannten SbW Lenksäulen (Steer-by-wire Lenksäule) verbaut und sind beispielsweise aus der
DE 103 12 516A1 bekannt. Diese offenbart eine Lenksäule, bei der Scheiben eine Spiralbahn aufweisen, auf welchen in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel verlagerbare Kugeln angeordnet sind. Aus der
WO 2018/189222 A1 ist weiterhin eine Lenksäule für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der der Drehwinkel durch einen verschieblichen Anschlagstift begrenzt werden kann, der in eine umlaufende Führungsnut eingreifen kann.
-
Bei SbW-Lenkungen ist eine Kraftanzeigeeinheit (Force Feedback Einheit) notwendig, die neben normalen Rückmeldungen (Fahrfeedback) auch hohe Haltemomente für besondere Fahrsituationen (Use-Cases) erzeugen muss. Hierdurch wird im Kraftanzeigeaktuator (Force Feedback Aktuator) ein aufwendiger Aufbau mit Getriebe nötig. Die
US 11,059,513 B2 zeigt beispielsweise eine solche Vorrichtung.
-
Diese Systeme sind insgesamt nachteilig, weil sie baulich aufwändig sind.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Lenksäule vorzuschlagen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lenksäule nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
-
Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Lenksäule für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, die eine um eine Längsachse drehbar gelagerte Lenkwelle umfasst. Dabei ist das vordere Ende mit einem Lenkrad verbindbar und das hintere Ende weist von dem Lenkrad weg, insbesondere in Richtung einer Querlenkstange, beziehungsweise der zu lenkenden Räder des Fahrzeuges. Im Bereich der Lenkwelle ist ein Drehwinkelbegrenzer angeordnet, wobei auf der Lenkwelle ein Zentralanschlag angeordnet ist, auf welchen der Drehwinkelgeber einwirkt. Dieser Zentralanschlag wird in Abhängigkeit von der Rotation der Lenkwelle, das heißt bei der Rotation um ihre Längsachse, in Richtung der Längsachse verschoben. Hierbei weist der Drehwinkelbegrenzer ein Paar von elektromotorisch und axial zur Längsachse verschieblichen Nebenanschlägen auf, welche jeweils auf einer Seite vom Zentralanschlag angeordnet sind. Hierbei sind die Nebenanschläge insbesondere von Zentralanschlag unabhängig verschiebbar gelagert. Vorliegend ist unter verschieblich gelagert auch zu verstehen, dass beispielsweise eine Mutter oder Muttergewinde auf einer Spindel- oder Gewindestange durch Rotation mindestens einer der beiden Elemente linear in Achsrichtung der Spindelstange verfahren wird.
-
Es ist auf diese Weise überraschend einfach und effektiv möglich, durch das Verfahren der Nebenanschläge, den für den vom Lenkereinschlag abhängigen Zentralanschlag in seinem Laufweg und damit den Winkeleinschlag dynamisch zu begrenzen. Eine Beachtung von diversen Fahrsituationen, insbesondere der Fahrgeschwindigkeit ist auf diese Weise einfach möglich. Die aktive Force Feedback Einheit ist insbesondere für die niedrigeren Kräfte bei normalen Fahrsituationen einsetzbar, die im Bereich von kleiner 15 Nm liegen. Der Arbeitsbereich des variablen und niedrig dynamischen Drehwinkelbegrenzers ist üblicherweise im Bereich von ca. 35 bis 50 Nm und bei lang andauernden Haltemomenten in allen Momentenklassen.
-
Insbesondere ist es durch diese Lenksäule gelungen, dass die nur gelegentlich auftretenden, hohen Haltemomente, verursacht durch besondere Fahrsituationen (Use-Cases), wie beispielsweise Bordsteinrempler, dem Drehwinkelbegrenzer zugeordnet sind und nicht von der Rückmeldeeinheit (Feedback Einheit) funktional erfolgen müssen. Dies führt dazu, dass die Rückmeldeeinheit (Feedback Einheit) konstruktiv einfacherer und kleiner ausgeführt werden kann, insbesondere bei einer Vielzahl von Ausführungsformen ohne Getriebe aufgebaut werden kann.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Drehwinkelbegrenzer derart zwischen dem vorderen Ende, d.h. der Lenkradseite, und dem hinteren Ende im Bereich der Lenkwelle angeordnet, so dass der hintere Nebenanschlag in seiner vom Zentralanschlag maximalen Beabstandung nicht über das hintere Ende der Lenkwelle und/oder einem dort angeordneten Endelement, wie beispielsweise eine Rotationskupplung, ein Sensorelement und/oder ein Ritzel, hinausragt. Durch diese bauliche Begrenzung wird eine besonders kompakte Bauform erreicht und Beschädigungen von benachbarten Bauteilen vermieden. Auch wenn die Positionierung in der axialen Positionierung wie vorstehend genannt zu bevorzugen ist, kann bei einer Variante vorgesehen werden, dass der Drehwinkelbegrenzer über das hintere Ende der Lenkwelle hinausragt.
-
Bei einer weiter verbesserten Aufführungsform ist in Richtung der Längsachse ein auf der Lenkwelle rotationsfester und unverschieblicher vorderer und/oder hinterer Endanschlag vorgesehen.
-
Der besondere Vorteil besteht darin, dass ein normalerweise nicht gewünschter axialer Anschlag in Form der Nebenanschläge nutzbar wird, der zum Verklemmen bei hohen Kräften neigt und nur für geringe bis niedrige Kräfte geeignet ist.
-
Bei Überschreiten dieser Kräfte erfolgt aber kein Verklemmen oder eine Beschädigung der Komponenten, sondern die Selbsthemmung des variablen Nebenanschlags im Zusammenwirken mit dem elektromotorischen Antrieb, wie beispielsweise eine Spindel und zwei kleinen, mutterartigen Nebenanschlägen, wird überwunden. Nachfolgend wird unter dem zu hohen Kraftniveau die Selbsthemmung überwunden und die Nebenanschläge bis zu den eigentlichen lagestabilen Endanschlägen geschoben. Dies ist beispielsweise bei einem Bordsteinrempler der Fall, bei dem Kräfte bis ca. 35 - 50 Nm auftreten. In Sondersituationen können Kräfte bis 130 Nm auftreten, die von den Endanschlägen sicher kompensiert werden können.
-
Ergänzend könnte mit dem elektromotorischen Antrieb eine Gegensteuerung erfolgen, um die notwendige Kraft weiter zu erhöhen.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zentralanschlag derart linear angetrieben wird, indem auf der der Lenkwelle zugewandten und/oder umschließenden Fläche ein Gewinde vorgesehen ist und ein komplementäres Gegengewinde entweder auf der Lenkwelle oder auf einem die Lenkwelle umschließenden Spindelkörper angeordnet ist. Diese Ausführungsform kann weiter verbessert werden, indem das den Zentralanschlag antreibende Gewinde als ein Trapezgewinde, ein Kugelgewindetrieb bzw. eine Kugelumlaufspindel (KGT) ausgebildet ist. Solche Kugelgewindetriebe oder -umlaufspindeln sind Schraubgetriebe, bei denen Kugeln die Kraft zwischen Schraube und Mutter übertragen.
-
Die eine Spindel umfassende Ausführungsform kann dahingehend verbessert werden, dass mindestens einer der rotationsfesten und unverschiebbaren Endanschläge auf oder an dem die Lenkwelle umschließenden Spindelkörper angeordnet ist und/oder monolithisch als beispielsweise einseitiger Flanschabschnitt aus dem Spindelkörper gebildet ist.
-
Bei einer verbesserten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehwinkelbegrenzer einen Elektromotor und eine Linearführung umfasst, an welcher die Nebenanschläge verschieblich gelagert sind, wobei entweder
- a) eine Spindel mit gegensinnigen Gewindegängen vorgesehen ist, welche durch den Elektromotor ortsfest um die Spindelachse rotierbar ist, und wobei die Nebenanschläge jeweils ein Muttergewinde aufweisen, in dem jeweils eines der Gewindegänge der Spindel aufgenommen ist, so dass bei der ortsfesten Rotation der Spindel um die Spindelachse die Nebenanschläge in Richtung der Spindelachse eine gegenläufige, lineare Bewegung durchführen
oder
- b) eine Spindel mit nur einem Gewindegang vorgesehen ist und welche in den linear geführten Nebenanschlägen rotierbar gelagert ist, wobei die Spindel durch eine vom Elektromotor rotierbar angetriebene Mutter in Richtung der Spindelachse gemeinsam mit den Nebenanschlägen verschieblich gelagert ist.
-
In der Ausführungsart a) werden die Nebenaschläge zueinander abstandsverändernd verschoben und die Spindel bleibt ortsfest und es erfolgt eine symmetrische Einengung des Winkelbereiches. Hierbei sind nur Gegenkräfte möglich, falls der Fahrer aus der Mitte herauslenkt. In der Ausführungsart b) sind die Nebenanschläge in einer festen Position auf der Spirale gelagert und werden bei der Rotation der Spindel synchron, d.h. mit festem Abstand zueinander, gemeinsam mit der Spindel verschoben, wobei die Variante auch eine außermittige Gegenkraft ermöglicht.
-
Werden die beiden Nebenanschläge gleichläufig bewegt, verschiebt sich der theoretische Arbeitsbereich des variablen Drehwinkelbegrenzers. Es sind Gegenmomente in jeder beliebigen Lage und Kraftrichtung möglich. Ein Überlenken aus dem eigentlichen Winkelbereich ist dennoch nicht möglich, da die Endanschläge für den Schutz der angrenzenden und betroffenen Bauteile bei maximalem Lenkradwinkel weiterhin stehen bleiben.
-
Natürlich kann für den Antrieb der Spindel und der Nebenanschläge ein geeignetes Getriebe vorgesehen werden und es sind die entsprechenden zentralen oder dezentralen Steuerungen des Fahrzeuges eingebunden.
-
Eine hinsichtlich des Bauraumes weiter verbesserte Ausführungsform sieht vor, dass der Zentralanschlag und die Nebenanschläge mindestens auf einer Teillänge oder einem Teilelement an derselben Linearführung verschieblich gelagert sind. Anders ausgedrückt, die Nebenanschläge und der Zentralanschlag teilen sich mindestens ein Bauteil für die lineare Führung.
-
Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Drehwinkelbegrenzung einer Lenksäule für ein Fahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, umfasst. Hierbei ist eine eine Längsachse aufweisende und drehbar gelagerte Lenkwelle vorgesehen, wobei die Drehwinkelbegrenzung mittels in Richtung der Längsachse motorisch angetriebener und linear verschieblicher Nebenanschläge erfolgt, welche insbesondere als Drehwinkelbegrenzung bis zu einer definierten ersten axialen Kraft wirken. Die Nebenanschläge sind vorteilhafterweise beidseitig zu einem axial verfahrbaren Zentralanschlag angeordnet.
-
Eine Verbesserung des Verfahrens besteht darin, dass zwei Endanschläge vorgesehen sind, die bis zu einer definierten Maximalkraft wirken, die größer ist als die definierte erste axiale Kraft, wovon einer als rotativer Anschlag ausgebildet ist. Die Maximalkraft liegt dabei üblicherweise im Bereich von 50 bis 130 Nm und die definierte erste axiale Kraft liegt üblicherweise im Bereich von kleiner 50 Nm.
-
Vorteilhafterweise wird zur Drehwinkelbegrenzung eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ausführungsformen verwendet.
-
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass bei der Verwendung des vorgenannten variablen oder dynamischen Drehwinkelbegrenzers der eigentliche Feedback-Aktuator kleiner dimensioniert werden kann. Somit kann entweder ein kleineres Getriebe vorgesehen werden oder das Getriebe entfallen, wenn beispielsweise ein Direktantrieb vorgesehen wird.
-
Die vorstehend beschriebenen Lösungen können bei fast allen Lenksäulen genutzt werden, insbesondere auch bei den Steer-by-Wire - Lenksäulen (SbW-Lenksäulen), bei denen keine mechanische Kopplung zwischen dem manuell bewegten Lenkrad und der mit den zu lenkenden Rädern verbundenen Querlenkstange besteht.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung der Lenksäule und des Drehwinkelbegrenzers und
- 2 eine Ausführungsform des Drehwinkelbegrenzers und
- 3 eine weitere Ausführungsform des Drehwinkelbegrenzers.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Lenksäule 1 für ein Kraftfahrzeug und ist als SbW-Lenksäule ausgebildet. Die Lenkwelle 2 ist drehbar um die Längsachse A gelagert, wobei das links dargestellte, vordere Ende 2.1 mit einem Lenkrad 20 verbunden ist. Das hintere Ende 2.2 der Lenkwelle 2 weist in Richtung der nicht dargestellten Vorderachse beziehungsweise der Vorderräder und endet an einem Endelement 30, das als eine Motoreinheit ausgebildet ist und Lager- und Sensoreinheiten umfasst, beispielsweise einer Force-Feedback-Actuator (FFA). Vorliegend sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die erforderlichen Lager- und Karosserieelemente nicht dargestellt. Im Bereich der der Lenkwelle und in paralleler Erstreckung hierzu ist ein Drehwinkelbegrenzer 3 angeordnet. Auf der Lenkwelle 2 ist ein als Kugelgewindetrieb (KGT) ausgebildeter Spindelkörper 10 dreh- und verschiebefest angeordnet, auf dessen Außenseite ein Außengewinde 9.1 angeordnet ist, welches mit einem dort gelagerten Zentralanschlag 4 und dessen Innengewinde 9.2 in kraftschlüssiger Wirkverbindung steht. Der als Mutterring ausgebildete Zentralanschlag 4 weist zwei parallele Führungsnuten auf der Außenseite auf, die in zwei parallel zur Lagerwelle 2 angeordneten Linearführungen 11.1, 11.2 eingreifen und dort verschieblich gelagert sind. Bei der Rotation der Lenkwelle 2 um die Längsachse A, wird der Zentralanschlag 4 entsprechend der Drehrichtung linear verfahren. In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind mehr als zwei parallele Führungsnuten vorgesehen und/oder eine anderer geeigneter komplementärer Formschluss, wie ein Vielkant, dient zur Führung.
-
Der Spindelkörper 10 weist zwei Endanschläge 7, 8 auf, insbesondere rotative Endanschläge, wobei der ersten Endanschlag als lösbarer Ring ausgebildet ist, der auf den Grundkörper des Spindelkörpers 10 aufgeschraubt oder aufgeklemmt ist, wobei auch alternative Befestigungs- und Verbindungsarten denkbar sind, wie beispielsweise schweißen oder kleben. Der in der 1 dargestellte rechte Endanschlag 8 ist aus dem Vollmaterial des Spindelkörpers 10 als Flansch oder Endring ausgebildet.
-
Ohne den variablen Drehwinkelbegrenzer 3 würden die beiden Endanschläge 7, 8 den Zentralanschlag 4 bis zur Maximalbelastung/-kraft von beispielsweise 50 bis 130 Nm in den beiden festen Endpositionen in dessen linearer Bewegung begrenzen und damit den Lenkwinkel einschränken.
-
Wie vorstehend schon ausgeführt ist im Bereich der Lenkwelle 2 ein zwei Nebenanschläge 5, 6 aufweisender Drehwinkelbegrenzer 3 derart zwischen dem vorderen Ende 2.1 und dem hinteren Ende 2.2 angeordnet, dass der Zentralanschlag 4 zwischen den beiden Nebenanschlägen 5, 6 angeordnet ist. Die Nebenanschläge 5, 6 sind durch den Elektromotor 12 und eine von diesem Elektromotor 12 rotierend angetrieben Spindel 13 dynamisch verschiebbar, insbesondere in Abhängigkeit von der Lage des Zentralanschlags 4. Die Nebenanschläge 5, 6 sind einerseits an derselben oberen Linearführung 11.2 geführt, wie der Zentralantrieb 4, und sind weiterhin durch die antreibende Spindel 13 geführt, die in jeweils einem nicht dargestellten Muttergewinde der Nebenanschläge kraftübertragend verbunden ist. Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist keine gemeinsame Linearführung für den Zentralantrieb 4 und die Nebenanschläge 5, 6 vorgesehen, sondern jeweils eigene Linearführungen.
-
Die in den beiden 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen sind grundsätzlich analog der 1 ausgebildet und zeigen zwei wesentliche Varianten des Drehwinkelbegrenzers 3, nämlich eine synchrone Verstellung der Nebenanschläge 5, 6 in der 2 und eine symmetrische Verstellung der Nebenanschläge 5, 6 in der 3. Eine vorteilhafte Ausgangsposition oder -lage der Nebenanschläge oder der Spindel 13 ist jeweils gestrichelt dargestellt.
-
In dem Beispiel nach der 2 ist die die Nebenanschläge 5, 6 antreibende Spindel 13 parallel verschieblich am Elektromotor 12, einem dortigen Gewinde oder einer (Kugel-)Gewindemutter (nicht dargestellt) angelegt und weiterhin in den beiden Nebenanschläge 5, 6 gelagert. Die Spindel 13 ist um die Spindelachse B drehbar gelagert und die Nebenanschläge 5, 6 sind zu dieser ortsfest. Sie werden also mit der Spindel 12 und zueinander synchron verschoben.
-
Der Drehwinkel wird also dynamisch nur einseitig begrenzt, so dass bei einem idealen Verfahren, der Fahrer nur in Gegenrichtung lenken kann.
-
3 zeigt einen Drehwinkelbegrenzer 3, bei dem die Spindel 13 ortsfest am Elektromotor 12, einem dortigen Gewinde oder einer (Kugel-)Gewindemutter (nicht dargestellt) um die Längsachse B rotierbar gelagert ist. Die Nebenanschläge 5, 6 weisen ein Muttergewinde auf, in denen die Spindel 13 mit einem komplementären Gegengewinde kraftübertragend eingelegt ist. Die Spindel 13 weist im linken Teil der Spindel 13 ein Außengewinde mit einer ersten Orientierung auf und in dem rechten Teil eine Außengewinde mit einer gegensinnigen Orientierung. Bei der Rotation der Spindel 13 verfahren die Nebenanschläge 5, 6 somit gegenläufig und bleiben immer symmetrisch zur Spindelmitte bzw. zur Elektromotor 12 orientiert.
-
Bei einer nicht dargestellten Variante zum Ausführungsbeispiel der 3, ist nur ein linear verfahrbares Nebenanschlagselement vorgesehen, bei welchem die beiden Nebenanschläge aus einem u-förmig oder gabelartig Anschlagskörper gebildet wird.
-
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
-
- DE 10312516 A1 [0002]
- WO 2018/189222 A1 [0002]
- US 11059513 B2 [0003]
