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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem
für ein
Fahrzeug, insbesondere eine Servo- oder Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Servo- oder Hilfskraftlenkungen mit
Lenkrohrantrieb sind aus: H. Stoll „Fahrwerktechnik: Lenkanlagen und
Hilfskraftlenkungen",
Vogel Fachbuch, 1. Aufl., 1992, S. 222 ff. bekannt. Eine Lenkwelle
oder Lenkrohr verbindet dabei eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe
mit einem Lenkgetriebe bestehend etwa aus einem Ritzel, welches
mit einer Zahnstange kämmt.
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An der Lenkwelle solcher Servo- oder
Hilfskraftlenkungen ist ein Servomotor angeordnet, der auf eine getriebliche
Verbindung der Lenkwelle mit dem Servomotor ein Drehmoment bereitstellt.
Dieses Unterstützungs-Lenkdrehmoment
des Servomotors kann parameterabhängig gesteuert sein.
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Solche Servo- oder Hilfskraftlenkungen
eignen sich zwar zum Umrüsten
einer mechanischen Lenkung, haben aber im Lenksäulenbereich einen hohen Bauraumbedarf
und sind wegen der Betrieblichen Verbindung des Servomotors mit
der Lenkwelle aufwändig
zu bauen und teuer.
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Die
DE 198 53 343 A1 beschreibt eine elektrische
Hilfskraftlenkung für
ein Fahrzeug, die eine Lenksäule
umfasst, wobei ein Abschnitt der Lenksäule als Läufer eines elektrischen Antriebs
ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb bringt ein die Drehbewegung
der Lenksäule
unterstützendes
Drehmoment auf die Lenksäule
auf.
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Die Lenkung hat zwar einen verminderten
Bauraumbedarf, der Bauraumbedarf und der Energieverbrauch der bekannten
Lenksysteme ist jedoch nicht minimiert.
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Die
EP 1 013 534 A1 beschreibt ein elektrisches
Lenkservogetriebe mit einer von einer Lenkhandhabe betätigten Lenkwelle,
die einen Eingang für
ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Pulsator- oder Wellgetriebes
bildet und die Lenkhandhabe mit einer Eingangswelle oder einem Lenkelement
eines Lenkgetriebes verbindet.
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Ein Servomotor, dessen Stator drehfest
in einer radialflexiblen Abrollbuchse des Wellgetriebes angeordnet
ist, stellt ein Drehmoment auf einen exzentrischen insbesondere
ellipsenförmigen
Antriebskern des Wellgetriebes bereit. Der Antriebskern greift rotierend
axial in die radialflexible Abrollbuchse ein, wobei ein oder mehrere
Umfangsabschnitte der Außenmantelfläche der
Abrollbuchse in fortlaufendem Wechsel mit einer Stützfläche eines
fahrzeugfesten Ringstators oder Stützringes eingreifen. Die Abrollbuchse
umfasst dabei den gesamten Servomotor und stellt eine mechanische
Verbindung von der Lenkhandhabe zu der Eingangswelle des Lenkgetriebes
dar.
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Dies ist montage- und reparaturtechnisch
von Nachteil. Zudem baut die aufwändig herzustellende, teure
Abrollbuchse groß und
stellt lediglich eine torsionsweiche mechanische Verbindung der
Lenkhandhabe mit dem Lenkgetriebe dar. Der Servomotor stützt sich
dabei an der Lenkwelle ab und überträgt auf die
Lenkwelle in unvorteilhafter Weise das Gegendrehmoment.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Lenksystem für
ein Fahrzeug zu schaffen, dessen Bauraumbedarf und Energieverbrauch
bei kostengünstiger
Bauweise minimiert ist.
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Die Aufgabe wird mit einem Lenksystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Um ein Lenksystem, das als Servo-,
Hilfskraft- oder Überlagerungslenkung
ausgebildet seirt kann, in seinem Bauraumbedarf zu minimieren, ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Lenkwelle das Wellgetriebe und vorzugsweise auch den Servomotor
durchgreift. Die Lenkwelle ist in ihrem axialen Abschnitt am Wellgetriebe
und am Servomotor bevorzugt einstückig ausgebildet.
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In axialer Verlängerung der Hohlwelle des Servomotors
ist diese drehfest direkt mit einem Antriebskern, der einen exzentrisch
oder ellipsenförmigen
Querschnitt aufweist, verbunden.
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Der auch als wave-generator bezeichnete
Antriebskern greift axial in eine radialflexible Abrollbuchse (flex-spline)
ein und wälzt
sich mit Hilfe radial dazwischenliegender Lager in der Abrollbuchse
ab und verformt diese in fortlaufendem Wechsel.
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Dabei gelangen, in Abhängigkeit
von der Querschnittsform des Antriebskerns, ein oder mehrere Umfangsabschnitte
der Außenmantelfläche der
Abrollbuchse mit einer im wesentlichen zylindrischen Stützfläche eines
starren, ortsfest oder fahrzeugfest angeordneten Stützringes,
in Eingriff. Der Stützring
(circular-spline) umgibt radial die Abrollbuchse. Da die Umfangsfläche oder
Außenmantelfläche kürzer als
der Umfang der Stützfläche des
Stützringes
ist, dreht sich die Außenmantelfläche der
Abrollbuchse um diese Längendifferenz. Die
Abrollbuchse ist axial länger
als der Stützring
und weist an ihrer, dem Stützring
abgewandten Stirnseite, beispielsweise einen stabilen, kreisrunden
Abtriebsflansch auf. Der Abtriebsflansch der Abrollbuchse ist drehfest
mit einem als Eingangswelle oder Ritzel des Lenkgetriebes ausgebildeten
Ende des Lenkrohres verbunden.
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Die Lenkwelle ragt durch den Hohlwellenmotor
und ist drehfest mit dem Abtriebsflansch verbunden.
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Auf diese Weise ist der Servomotor
schmal bauend ausführbar,
leicht zugänglich
bei Wartungsarbeiten was auch für
das Wellgetriebe zutrifft. Die Lenkwelle verbindet torsionssteif
die Lenkhandhabe mit der Eingangswelle oder einem Ritzel des Lenkgetriebes.
Der Servomotor dreht sich im Betrieb entgegengesetzt zur Drehrichtung
der Lenkhandhabe, was eine dynamische Stabilisierung des Lenksystems
zur Folge hat. Durch eine günstigere
Eigenfrequenz und ein günstigeres
Schwingungsverhalten zeichnet sich dieses Lenksystem zudem aus.
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Der Servomotor wird von einer Steuerungs-
und/oder Regelungseinrichtung angesteuert, wobei die Steuerungs-
und/oder Regelungseinrichtung eingangsseitig mit einem Sensor zur
Bestimmung des Lenkdrehmomentes und/oder mit einem Sensor zur Bestimmung
des Drehwinkels der Lenkhandhabe signalübertragend verbunden ist. Es
kann zweckmäßig sein,
die Sensoren als kontaktlos arbeitende Sensoren auszubilden und das
Lenksystem als parametergesteuerte Servo- oder Hilfskraftlenkung
auszubilden.
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Es können Parameter, wie die Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs als Eingangsgrößen für ein Kennfeld
des Servomotors herangezogen werden.
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Zweckmäßig sind der Servomotor, die
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, das Wellgetriebe und
die Sensoren zur Drehwinkel- und Drehmomentbestimmung der Lenkhandhabe
in einem Gehäuse
zusammengefasst. Das Gehäuse
umschließt
die Lenkwelle und ist Teil der Lenksäule.
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Es kann zweckmäßig sein, die Sensoren räumlich von
dem Servomotor und/oder von dem Wellgetriebe und deren Gehäuse getrennt
anzuordnen. Das Lenksystem kann als Pinion- oder Double-Pinion-Lenkung ausgebildet
sein, wie sie beispielsweise in der
EP 0931 714 A1 beschrieben ist, wobei ein
Ritzel drehfest mit einer Lenkhandhabe verbunden ist und als Eingangselement
für ein
Lenkgetriebe, wie etwa ein Zahnstangengetriebe dient. Das Ritzel
ist mit einem Lenkdrehmomentsensor verbunden, der ein Antriebsdrehmoment
eines Servoantriebs vorgibt, wobei der Servoantrieb ein zweites
, auf das Lenkgetriebe wirkendes Ritzel aufweist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
des Lenksystems sieht vor, dass die Lenkwelle axial unterbrochen ist,
so dass sich ein der Lenkhandhabe anschließender Eingangswellen-Abschnitt
und ein diesem axial anschließender
Ausgangswellen-Abschnitt der Lenkwelle ergibt. Die Eingangswelle
ist mit der Ausgangswelle mit einem Drehstab verbunden.
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In diesem, von dem Drehstab gebildeten
axialen Abschnitt der Lenkwelle ist der Sensor zwischen Eingangswelle
und Ausgangswelle angeordnet, wobei es zweckmäßig ist, den sich in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Lenkdrehmoment verändernden magnetischen Widerstand
in einer Sensorspule an der Ausgangswelle zu ermitteln. Der magnetische
Widerstand ändert
sich hierbei unter dem Einfluss der Lageänderung eines an der Eingangswelle
angeordneten Magneten.
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Aufgrund der örtlichen Nähe der Sensoren zu der Steuerungs-
und/oder Regelungseinrichtung und dem Servomotor lassen sich die
Sensoren durch feste elektrische Leiter, ohne Zuhilfenahme von Steckern
und Kabel mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung verbinden.
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Das Wellgetriebe ist für den Einsatz
in Servolenkungen bevorzugt aus Stahl gebildet, zumindest die Abrollbuchse
und der Antriebskern sind aus diesem Werkstoff gebildet.
der Servolenkung zu übertragen
sind. Der Eingriff der Außenmantelfläche der
Abrollbuchse in die Stützfläche des
Stützringes
kann form- oder reibschlüssig Stützringes
kann form- oder reibschlüssig
erfolgen.
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Es ist zweckmäßig zum formschlüssigen Eingriff
die Außenmantelfläche der
Abrollbuchse mit einer Außenverzahnung
und die Stützfläche des
Stützringes
mit einer Innenverzahnung zu versehen. Der innenverzahnte Stützring hat
eine größere Zähnezahl
als die Abrollbuchse, die mit zumindest zwei sich diametral gegenüberliegenden
Umfangsabschnitten ihrer Außenverzahnung
mit der Innenverzahnung des feststehenden Stützringes in Eingriff steht.
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Durch die Drehung des exzentrischen
oder elliptischen Antriebskernes in der radialflexiblen Abrollbuchse
werden bei jeder Umdrehung alle Zähne der Außenverzahnung der Abrollbuchse
nacheinander mit den Zähnen
der Innenverzahnung des feststehenden Stützringes in Eingriff gebracht,
wodurch sich die Abrollbuchse um die Differenz der Zähnezahlen
verdreht. Die An- und Abtriebsdrehrichtungen von Antriebskern und Abrollbuchse
sind gegensinnig. Es lassen sich mit einer Stufe, wobei mehrere
hintereinander schaltbar sind, Übersetzungen
von etwa 1:20 bis 1:600 erreichen.
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Das Übersetzungsverhältnis i
berechnet sich:
mit Z
1 =
Zähnezahl
der Abrollbuchse und Z
2 = Zähnezahl
der Innenverzahnung des Stützringes.
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Es sind viele Zähne gleichzeitig im Eingriff,
so dass bei der hohen Überdeckung
eine mehrfache Drehmomentbelastung gegenüber vergleichbaren Getrieben
ermöglicht
ist und das Wellgetriebe entsprechend klein baut.
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Ist die Außenmantelfläche der Abrollbuchse mit der
Stützfläche des
Stützringes
reibschlüssig
in Eingriff, so lassen sich innerhalb gewisser Grenzbereiche beliebige Übersetzungen
wählen.
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Es kann zweckmäßig sein, zwischen dem Abtriebsflansch
der Abrollbuchse und der Lenkwelle eine Kupplung vorzusehen, um
insbesondere im Fehlerfall des Servomotors oder des Wellgetriebes
dieses außer Eingriff
mit der Lenkwelle zu bringen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Lenksystem,
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2 einen
schematischen Querschnitt durch ein Wellgetriebe,
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3 einen
schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe in 2 nach einer Vierteldrehung des Antriebskerns,
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4 einen
schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe in 2 nach einer halben Drehung des Antriebskerns.
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In 1 ist
in einem schematischen Längsschnitt
teilweise ein Lenksystem 1 für ein Fahrzeug dargestellt.
Das Lenksystem 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Servo- oder Hilfskraftlenkung mit Lenkwellenantrieb ausgebildet.
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Eine Lenkhandhabe 3, die
als Lenkrad 27 ausgebildet ist, ist mechanisch über eine
Lenkwelle 2 mit einem Lenkgetriebe 5 drehfest
verbunden. Das Lenkgetriebe 5 kann aus einem Ritzel, das
mit einer axialverschieblich gelagerten Zahnstange kämmt, gebildet
sein. Das Ritzel bildet hierbei das axiale Ende der Lenkwelle 2 oder
einer Eingangswelle 4 der Lenkwelle 2 in das Lenkgetriebe 5.
Die nicht dargestellte Zahnstange ist in bekannter Weise mit Spurhebeln
an nicht dargestellten lenkbaren Rädern des Fahrzeugs befestigt.
Das Lenksystem kann auch als Double-Pinion-Lenkungs aufgebaut sein,
wobei ein Lenkgetriebe zwei Eingangselemente in Form von einem drehfest
mit der Lenkhandhabe verbundenen Ritzel und einem mit einem Servomotor
verbundenen zweiten Ritzel aufweist.
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Zur Bereitstellung eines Drehmomentes
oder Unterstützungslenkdrehmomentes
auf die Lenkwelle 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ein als Hohlwellenmotor ausgebildeter Elektromotor 14 vorgesehen. Der
Elektromotor 14 dient als Servomotor 6 des Lenksystems 1 und
wirkt über
ein Wellgetriebe 8 auf die Lenkwelle 2, bzw. deren
Eingangswelle 4 für
das Lenkgetriebe 5.
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Das Wellgetriebe 8 oder
harmonic-drive wirkt stark untersetzend und ermöglicht die Anwendung eines kleinbauenden
Elektromotors mit geringem Energieverbrauch.
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In dem Ausführungsbeispiel in 1 ist das Wellgetriebe 8 konzentrisch
zu der Lenkwelle 2 angeordnet, so dass die Längsachse 28 des
Wellgetriebes 8 mit der Längsachse 29 der Lenkwelle 2 fluchtet.
Die Lenkwelle 2 durchragt das Wellgetriebe 8 und
ist drehfest mit einem Abtriebsflansch 30 an einer Abrollbuchse 9 des Wellgetriebes 8 festgelegt.
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Auf der Lenkwelle 2 ist
mit axialem Abstand zu dem Lenkrad 27 der Servomotor 6 angeordnet
und wird von der Lenkwelle 2 durchragt. Ein Läufer 15 des
Servomotors 6 ist dabei fest mit einer Hohlwelle 31 verbunden.
Die Hohlwelle 31 ist drehbar um die Lenkwelle 2 mit
Hilfe von Lagern 32, 32' an deren axialen Enden gehalten.
Da das Wellgetriebe 8 geringe axiale Kräfte verursacht, kann bei den
Lagern 32, 32' auf
aufwändige Spielvermeidungsmaßnahmen
verzichtet werden.
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Die Hohlwelle 31 ist wiederum
an ihrem, dem Lenkrad 27 abgewandten axialen Ende 33 drehfest
mit einem im Betrieb des Elektromotors 14 mit der Hohlwelle 31 rotierenden
Antriebskernes 7 (wave-generator) verbunden. Der Antriebskern 7 ist
Bestandteil des Wellgetriebes 8.
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Ein Stator 34 des Elektromotors 14 ist
fest an einem Gehäuse 19,
das das Wellgetriebe 8, den Elektromotor 14, dessen
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16, sowie einen
Drehmomentsensor 17 und Drehwinkel- und Drehgeschwindigkeitssensor 18 für den Elektromotor 14 umschließt, angebunden.
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Wie die 2 bis 4 in
einem schematischen Querschnitt durch das Wellgetriebe 8 zeigen,
ist der Antriebskern 7 im Querschnitt ellipsenförmig ausgebildet
und es ist um dessen Umfang ein Kugellager aufgezogen. Der Antriebskern 7 greift
mit seiner gesamten axialen Länge
in die aus einem Stahlblech gebildete, topfförmige, radialflexible Abrollbuchse 9 (flex-spline)
ein. Die Abrollbuchse 9 hat eine axiale Erstreckung, die
ein Vielfaches der axialen Erstreckung des Antriebskerns 7 ist.
Die Außenmantelfläche 11 der
Abrollbuchse 9 weist eine Außenverzahnung 25 auf,
die über
einen Teil der axialen Erstreckung der Abrollbuchse 9 und
im gesamten axialen Eingriffsbereich des Antriebskerns 7 angeordnet
ist.
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Die Außenverzahnung 25 greift,
unter Wirkung der ellipsenförmigen
Aufweitung der Abrollbuchse 9 mit zwei Umfangsabschnitten 10 in
eine Innenverzahnung 26 an einer Stützfläche 12 eines die Abrollbuchse 9 und den
Antriebskern 7 radial umgebenden, gehäusefesten und starren Stützringes
(circular-spline) 13 ein. Bei Rotation des Antriebskernes 7 erfolgt
dies in fortlaufendem Wechsel entlang der Innenverzahnung 26.
Der innenverzahnte Stützring 13 weist
eine größere Zähnezahl
als die radialflexible Abrollbuchse 9, die ständig mit
zwei sich diametral gegenüberliegenden
Umfangsabschnitten 10 mit der Innenverzahnung 26 des
feststehenden Stützringes 13 in
Eingriff steht, auf. Durch die Drehung des ellipsenförmigen Antriebskerns 7 in
der Abrollbuchse 9 werden bei jeder Umdrehung alle Zähne der
Abrollbuchse 9 nacheinander mit den Zähnen der Innenverzahnung 26 des
feststehenden Stützringes 13 in
Eingriff gebracht, wodurch eine Verdrehung der Abrollbuchse 9 und
damit eine Verdrehung der mit der Abrollbuchse 9 drehfest
verbundenen Eingangswelle 4 des Lenkgetriebes 5 erfolgt
(vgl. 2–4).
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Die Verdrehung erfolgt um die Differenz
der Zähnezahl
bei jeder Umdrehung des Antriebskernes 7. Da eine Vielzahl
von Zähnen
gleichzeitig in Eingriff ist, können
hohe Drehmomente übertragen
werden.
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Das Wellgetriebe 8 ist im
wesentlichen aus Stahl gebildet, kann aber auch beim Einsatz in
einer Überlagerungslenkung
lediglich zur Veränderung
des Übersetzungsverhältnisses
zwischen der Änderung
des Verstellwinkels der Lenkhandhabe und der Änderung des Lenkwinkels der
lenkbaren Räder
des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit
von Parametern wie der Drehgeschwindigkeit des Lenkrades, aus Kunststoff
gebildet sein.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abrollbuchse 9 mit
dem Abtriebsflansch 30 verbunden, welcher wiederum drehfest
mit der Eingangswelle 4 des Lenkgetriebes 5 verbunden
ist.
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Der Abtriebsflansch 30 ist
zudem drehfest mit der Lenkwelle 2, die das Wellgetriebe 8 und
den Servomotor 6 einstückig
durchragt, verbunden. Bei Ausfall des Wellgetriebes und/oder des
Servomotors kann so mechanisch übersteuert
werden.
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Es kann zweckmäßig sein, zwischen der Abrollbuchse 9 oder
dem Abtriebsflansch 30 und der Eingangswelle 4 eine
Kupplung anzuordnen, die im Bedarfsfall, vorzugsweise bei einem
Fehler des Servomotors, des Wellgetriebes, der Steuerungs- und Rege lungseinrichtung
oder der Sensoren 17, 18, ausgekuppelt wird und
das Wellgetriebe 8 außer
Eingriff mit der Lenkwelle 2 bringt.
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Anstelle des formschlüssigen Eingriffs
der Außenmantelfläche 11 der
Abrollbuchse 9 mit der Innenverzahnung 26 kann
es zweckmäßig sein,
einen reibschlüssigen
Eingriff der Außenmantelfläche 11 mit
der Stützfläche 12 des
Stützringes 13 vorzusehen;
wodurch beliebige Untersetzungsverhältnisse gewählt werden, deren Nenner keine
ganze Zahl ist. Es können
außerdem
feine Zahnteilungen, Riefelungen oder Rändelungen vorgesehen sein.
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Wie 1 zeigt,
ist die Lenkwelle 2 in dem Gehäuse 19, welches den
Servomotor 6, dessen Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 und
das Wellgetriebe 8 umgibt, axial in eine Eingangswelle 20 und eine
Ausgangswelle 21 aufgeteilt. Eingangswelle 20 und
Ausgangswelle 21 sind über
einen in der Lenkwelle 2 eingesetzten Drehstab 22 verbunden.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 kann
eingangsseitig mit dem kontaktlos arbeitenden Drehmomentsensor 17 zur
Bestimmung des Lenkdrehmomentes verbunden. Es kann zweckmäßig sein, weitere
Sensoren, wie etwa den Drehwinkelsensor 18 für den Drehwinkel
der Lenkhandhabe und/oder der lenkbaren Fahrzeugräder und
dgl. eingangsseitig mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 zu verbinden.
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Aufgrund der räumlichen Nähe des Drehmomentsensors 17 zu
der Steuerungsund/oder Regelungseinrichtung 16 kann dieser
ohne Steckverbindungen direkt mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 16 verbunden
werden.
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In dem Gehäuse 19 ist zwischen
dessen lenkradseitiger Stirnwand 35 und der Läuferbestückten Hohlwelle 31 der
Drehmomentsensor 17 angeordnet. Der Drehmomentsensor 17 kann
aus einem mit der Eingangswelle 20 drehfest verbundenen
Magnet 24, der den magnetischen Widerstand einer drehfest
mit der Ausgangswelle 21 verbundenen Sensorspule 23 verändert, bestehen.
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In axialer Richtung der Lenkwelle 2 betrachtet
kann zwischen dem Drehmomentsensor 17 und dem Läufer 15 ein
Motorsensor 36 zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit und/oder
des Drehwinkels des Läufers 15 angeordnet.
Der Motorsensor 36 ist in kontaktloser Funktionsweise ausgeführt.
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