DE10207913A1 - Lenksystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges, das als Steer-by-Wire-Lenkung arbeitet, ist das Lenkmodul mit einer Kupplung ausgebildet, deren Kupplungshälften über eine in Bezug auf axiale Verschiebung selbsthemmende Klauen-Stirnverzahnung versehen sind, die durch ein zum Lenkmoment gegensinniges, über den Lenkradmotor aufzubringendes Drehmoment aufzuheben ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Ein bekanntes, als sogenanntes "Steer-by-Wire"-Lenkung ausgestaltetes Lenksystem der vorgenannten Art ist aus der DE 198 05 015 C1 bekannt. Dem das Lenkrad umfassenden Lenkradmodul und dem den lenkbaren Rädern zugeordneten Lenkmodul ist jeweils ein eigenständiger Antrieb zugeordnet und es sind diese Antriebe über eine Steuerelektronik lediglich wirkungsmäßig verknüpft, so dass für den regulären Lenkbetrieb keine mechanische Kopplung zwischen Lenkradmodul und Lenkmodul gegeben ist. Als Rückfallebene - für den Fall des Abstellens des Fahrzeuges, des Versagens oder der Störung der "Steer-by-Wire"-Lenkverbindung - ist aber eine mechanische Antriebsverbindung zwischen Lenkradmodul und Lenkmodul über eine Kupplung einschaltbar, deren beide axial zueinander verlagerbare Kupplungshälften auf die Schließlage der Kupplung federbelastet sind und in ihrer Öffnungslage die mechanische Antriebsverbindung unterbrechen, so dass bei Abschalten oder Ausfall des Primärsystems, nämlich der Steer-by-Wire-Lenkverbindung, die Lenkfunktion über die selbsttätig zuschaltende mechanische Antriebsverbindung vom Lenkradmodul zum Lenkmodul aufrecht erhalten wird. Für diesen Fall ist eine Servounterstützung dadurch realisiert, dass der dem Lenkradmodul zugeordnete Lenkradmotor überlagert zum jeweiligen Lenkmoment dieses unterstützend wirksam wird.
• Des Weiteren ist aus der DE 198 49 326 A1 eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der in die Antriebsverbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe ein Hilfsantrieb einkuppelbar ist, der ein auf die Lenkwelle wirkendes Untersetzungsgetriebe umfasst, das über eine elektromagnetisch betätigte Zahnkupplung mit einem elektrischen Stellmotor verbunden ist, der derart geregelt ist, dass er beim Schließen der Zahnkupplung eine schwingende Rotationsbewegung ausführt, um beim Einkuppeln ungeachtet eines möglichen Aufeinandertreffens der Zahnköpfe der den beiden Kupplungshälften zugeordneten Verzahnungen eine wechselseitige Verrastung derselben zu ermöglichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Lenksystem der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, dass ungeachtet einer kompakten Bauform des Lenkmoduls über dessen verschleißunempfindlichen Antrieb hohe Lenkmomente aufgebracht werden können, und zwar bei unter Last auch bei hohen anliegenden Momenten schaltbarer Kupplung.
• Erreicht wird dies mit einem Lenksystem gemäß dem Anspruch 1, bei dem - für eine unter Last schaltbare Kupplung - die beiden Kupplungshälften mit einer unter Beaufschlagung durch ein Lenkmoment im Bezug auf die Sicherung ihrer Eingriffslage selbsthemmenden Klauen-Stirnverzahnung versehen sind, also eine Ausgestaltung aufweisen, die für die Übertragung hoher Momente nicht auf hohe, die Kupplungshälften zusammenhaltende Spannkräfte angewiesen ist. Dadurch kann, im Sinne der angestrebten kompakten Bauweise, die zur Verspannung der Kupplungshälften in ihrer Schließlage aufzubringende Federlast klein gehalten werden und es sind zur Überwindung dieser Federlast, also zum Öffnen der Kupplung, auch nur geringe Stellkräfte erforderlich, so dass der zugehörige Stellantrieb klein dimensioniert werden kann, da die Erfindung die Aufbringung eines entlastenden Drehmomentes über einen Drehmomenterzeuger vorsieht. Das entlastende Drehmoment kann bevorzugt über den Lenkradmotor - als Drehmomenterzeuger - aufgebracht werden, der als Bestandteil des Lenkradmodules ohnehin vorhanden ist und somit auf das Bauvolumen des Lenkmodules keinen Einfluss hat, im Rahmen der Erfindung aber auch über den Lenkantrieb. Gegebenenfalls können hierfür auch beide Antriebe, nämlich Lenkradmotor und Lenkantrieb eingesetzt werden.
• In Ausgestaltung der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die radseitige Kupplungshälfte einem zur Kupplung koaxialen, axial lagefest abgestützten, vom Lenkantrieb beaufschlagten Getrieberad zugeordnet ist, so dass dieses die Funktion einer verzahnten Kupplungsscheibe zusätzlich wahrnimmt, was sich auf die Größe des Bauvolumens des Lenkmodules günstig auswirkt und was es in vorteilhafter Weise auch möglich macht, die genannten Teile räumlich zusammenzufassen und so gegebenenfalls zur Verminderung des Verschleißes auch mit Schmiermitteln zu beaufschlagen.
• Zweckmäßigerweise ist das Getrieberad auch als umfangsseitig verzahntes Stirnrad ausgebildet, das mit einem Ritzel des Lenkantriebes kämmt, wobei der Lenkantrieb zweckmäßigerweise über einen parallelachsig zur Kupplung liegenden Elektromotor gebildet ist, was die Zusammenfassung der Elemente des Lenkmodules in einer Gehäuseeinheit begünstigt.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, wobei
• Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Lenksystemes gemäß der Erfindung zeigt,
• Fig. 2 eine teilweise Ausschnittsdarstellung des in Fig. 1 als Blackbox dargestellten Lenkmodules, und
• Fig. 3 eine Abwicklung einer selbsthemmenden Klauen- Stirnverzahnung gemäß Fig. 2 schematisiert im Schnitt.
• Das im Schema gemäß Fig. 1 gezeigte Lenksystem 1 umfasst die gelenkten Räder 2 eines ansonsten nicht dargestellten Kraftfahrzeuges, und es sind die Räder 2 über zugehörige Lenkgestänge 4 mit einem Lenkgetriebe 3 verbunden, an das ein als Blackbox veranschaulichtes Lenkmodul 5 anschließt. Zum Lenkmodul 5 korrespondiert ein Lenkradmodul 6, das einem Lenkrad 7 zugeordnet ist und das über eine Steuerelektronik mit dem Lenkmodul 5, gegebenenfalls über ein ebenfalls nur angedeutetes Steuergerät 10, signaltechnisch verknüpft ist, derart, dass im Sinne bekannter Steer-by-Wire-Lenkungen über das Lenkrad 7 eingegebene Lenkbefehle unter Vermittlung des Lenkmodules 5 und des diesem zugehörigen Lenkantriebes in Stellbewegungen für die gelenkten Räder 2 umgesetzt werden.
• In Verbindung mit dem Lenkradmodul 6 ist ein Lenkradmotor 11 gezeigt, der auf eine durch gelenkig verbundene Wellenabschnitte 12-14 gebildete mechanische Antriebsverbindung 15 des Lenkrades 7 zum Lenkmodul 5 bzw. dem diesem nachgeordneten Lenkgetriebe 3 wirkt, wobei über die mechanische Antriebsverbindung 15 eine Rückfallebene geschaffen ist, die bei Abschalten des Fahrzeuges, und damit auch der Steer-by-Wire-Lenkung, sowie bei Ausfall der Steer-by-Wire-Lenkung die mechanische Verbindung des Lenkrades 7 zu den zu lenkenden Rädern 2, und damit auch die Lenkbarkeit des Fahrzeuges gewährleistet. Im Rahmen der Steer-by-Wire-Lenkung kommt dem Lenkradmotor 11 die Funktion zu, rückgekoppelt zum über das Lenkrad 7 vorgegebenen Einschlagwinkel der Räder 2 des fahrenden Fahrzeuges, am Lenkrad 7 ein Moment aufzubauen, das als Gegenmoment einem Lenkmoment entspricht, wie es vom Fahrer am Lenkrad bei physischer Verbindung zu den gelenkten Rädern 2 fahrzustandsbedingt aufzubringen wäre, so dass auch bei der Steer-by-Wire-Lenkung das gewünschte Lenkgefühl erhalten bleibt.
• Die Abkopplung der mechanischen Antriebsverbindung 15 und damit die Auftrennung des Lenkstranges bei als Steer-by-Wire-Lenkung arbeitendem Lenksystem erfolgt über eine dem Lenkmodul 5 zugehörige Kupplung 16, die nachstehend in Verbindung mit weiteren Einzelheiten des Lenkmodules 5 näher erläutert wird.
• Das Lenkmodul 5 ist benachbart zum Lenkgetriebe 3 angeordnet und weist auslaufend auf dieses eine Ausgangswelle 17 auf, die koaxial zu einer Eingangswelle 18 liegt, an die in nicht näher gezeigter Weise die mechanische Antriebsverbindung 15 anschließt. Zwischen Eingangswelle 18 und Ausgangswelle 17 liegt koaxial die Kupplung 16, die zwei Kupplungshälften 19 und 20 umfasst, die über eine an sich bekannte, in Fig. 3 schematisiert in Abwicklung dargestellte Klauen-Stirnverzahnung 21 in Schließlage in Eingriff zueinander stehen. Die Klauen- Stirnverzahnung 21 ist bei Drehmomentenbelastung der Kupplung 16 in Bezug auf in Achsrichtung 22 wirkende Kräfte selbsthemmend, dadurch, dass die Zahnflanken zumindest abschnittsweise in Achsrichtung 22 oder unter einem verhältnismäßig flachen Winkel zur Achsrichtung 22 verlaufen.
• Von den Kupplungshälften 19, 20 ist die mit der Ausgangswelle 17 verbundene Kupplungshälfte 20 durch ein mit einer Stirnverzahnung 23 versehenes Getrieberad 24 gebildet, das mit dem Ritzel 25 eines als Lenkantrieb 26 dienenden E-Motors in Eingriff steht, der parallelachsig zur Kupplung 16 liegt und mit der Kupplung 16 in einem gemeinsamen Gehäuse 27 angeordnet ist. Gegenüber diesem Gehäuse 27 ist das Getrieberad 24 im Bereich eines Halsfortsatzes über ein Lager 28 abgestützt, bei drehfester Verbindung zur Ausgangswelle 17. Die Kupplungshälfte 19 ist durch einen Anker eines Magnetstellers 29 gebildet, der auf einer zur Eingangswelle 18 konzentrischen Buchse 30 längsverschieblich geführt ist und der über eine gegen die Buchse 30 abgestützte Feder, insbesondere eine Tellerfeder 31, in Richtung auf die Schließlage der Kupplung 16 belastet ist. Koaxial zur Eingangswelle 18 ist der Spulenkörper 32 des Magnetstellers 29 in einem Deckelteil 33 des Gehäuses 27 abgestützt, wobei der mehrteilig ausgebildete Spulenkörper 32 einen buchsenartigen inneren Teil 34 und einen topfartigen äußeren Teil 35 aufweist, der die Spulen 36 umschließt und mit seinem freien Rand gegen die Kupplungshälfte 20 ausläuft, wobei die als Anker ausgebildete Kupplungshälfte 19 ebenfalls Napfform aufweist und sich ebenfalls gegen die Kupplungshälfte 20 öffnet, bei einander überdeckendem Verlauf der hochgezogenen Napfränder von äußerem Teil 35 und Kupplungshälfte 19. Gegenüber dem inneren Teil 34 ist die Eingangswelle 18 gelagert, die im gegen das Getrieberad 24 auslaufenden Endbereich von der bevorzugt aufgespritzten Kunststoffbuchse 30 umschlossen ist, in welche der innere Rand der Tellerfeder 31 eingreift und auf der die Kupplungshälfte 19 axial verschieblich geführt ist.
• Die Verzahnungen 21 der Kupplungshälften 19 und 20 sind diesen zugehörigen Einsatzringen 38 und 39 zugeordnet, die ebenfalls als Kunststoffspritzteile mit der jeweiligen Kupplungshälfte verbunden sein können, so dass sich ein fertigungstechnisch einfacher Aufbau ergibt.
• Durch die geschilderte, erfindungsgemäße Gestaltung liegen die Kupplung 16 mit der Klauen-Stirnverzahnung 21 der beiden Kupplungshälften 19 und 20 sowie das die Kupplungshälfte 20 bildende Getrieberad 24 und das mit diesem kämmende Ritzel 25 in einem Übergangsraum 37 zwischen Gehäuse 27 und diesem zugeordneten Deckelteil 33, der geschmiert werden kann, so dass ungeachtet hoher zu übertragender Drehmomente und hoher Drehgeschwindigkeiten günstige Voraussetzungen für einen Langzeitbetrieb bei geringem Verschleiß gegeben sind.

Claims (10)

1. Lenksystem für Kraftfahrzeuge, mit einem einen Lenkradmotor umfassenden Lenkradmodul, mit einem über eine Steuerelektronik mit dem Lenkradmodul wirkungsmäßig verknüpften, einen Lenkantrieb umfassenden und den gelenkten Rädern zugeordneten Lenkmodul, mit einer Kupplung, die in einer eine Rückfallebene bildenden mechanischen Antriebsverbindung zwischen Lenkrad und radseitigem Abtrieb des Lenkmodules liegt, deren beide axial gegeneinander verlagerbare Kupplungshälften federnd auf die Schließlage der Kupplung belastet sind und die in ihrer Öffnungslage die mechanische Antriebsverbindung unterbricht, und mit bei geschlossener Kupplung überlagert zum über die mechanische Antriebsverbindung über das Lenkrad eingeleitetem bzw. gegen das Lenkrad abgestützten Lenkmoment über einen Drehmomenterzeuger in die mechanische Verbindung einleitbarem Drehmoment, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kupplungshälften (19, 20) mit einer unter Beaufschlagung durch ein Lenkmoment in Bezug auf die Sicherung ihrer Eingriffslage selbsthemmenden Klauen-Stirn-Verzahnung versehen sind und dass eine Kupplungshälfte (19 bzw. 20) über den Drehmomenterzeuger (Lenkradmotor 11 bzw. Lenkantrieb 26) mit einem die Selbsthemmung aufhebenden Drehmoment zu beaufschlagen ist.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Drehmomenterzeuger der Lenkradmotor (11) vorgesehen ist.

3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Drehmomenterzeuger der Lenkantrieb (26) vorgesehen ist.

4. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radseitige Kupplungshälfte (20) einem zur Kupplung (16) koaxialen, axial lagefest abgestützten, vom Lenkantrieb (26) beaufschlagten Getrieberad (24)zugeordnet ist.

5. Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkantrieb (26) als Elektromotor ausgebildet ist, dessen Antriebsritzel (25) zum als umfangsverzahntes Stirnrad ausgebildeten Getrieberad (24) kämmt.

6. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getrieberad (24) für eine Kupplungshälfte (20) die Kupplungsscheibe bildet.

7. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lenkradseitige Kupplungshälfte (19) durch den Anker eines Magnetstellers (29) gebildet ist.

8. Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker des Magnetstellers (29) als gegen das Getrieberad (24) offener Ankertopf ausgebildet ist.

9. Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankertopf in einem den Spulenkörper (32) des Magnetstellers (29) umschließenden Gehäuseteil (äußerer Teil 35) liegt.

10. Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der den Ankertopf umschließende Gehäuseteil (äußerer Teil 35) des Magnetstellers (29) topfförmig ausgebildet ist.