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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer
Drehwinkelbegrenzung bei manuell drehbaren Wellen mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer
Drehwinkelbegrenzung bei manuell drehbaren Wellen mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
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Aus
der
DE 4232256 A1 ist
ein Lenksystem für
Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem ein Lenkrad mit einer Welle verbunden
ist, die mit Lenkwinkelsensoren sowie einem Lenkdrehmomentsensor
versehen ist. Die Welle besitzt keine mechanische Verbindung mit
dem Lenkgetriebe. Die für
ein sicheres Lenken erforderliche Handkraft am Lenkrad, das sogenannte Lenkreaktionsmoment,
wird über
einen der Lenkwelle zugeordneten Elektromotor erzeugt. Der Fahrer
erfährt
dadurch simulierte Lenkreationskräfte, die subjektiv eine Rückmeldung über die
Fahrzustände
bieten.
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Bei
derartigen Systemen ist für
eine realistische Nachbildung konventioneller Lenkungen erforderlich,
daß das
Lenkrad eine Drehwinkelbegrenzung erfährt, da andernfalls das Lenkrad
beliebig oft in beide Drehrichtungen gedreht werden kann. Es ist daher
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehwinkelbegrenzung für manuell
drehbare Wellen zu schaffen, die mehr als eine volle Umdrehung der Welle
erlauben.
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Diese
Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Weil
der Welle mittelbar oder unmittelbar eine Kupplung zugeordnet ist,
die in eingerückter
Position die Welle zumindest in einer Drehrichtung blockiert, wird
der mögliche
Drehwinkel zumindest in dieser einen Drehrichtung wirksam begrenzt,
wobei der Eingriff der mechanischen Kupplung den aus konventionellen
Lenkungen bekannten Lenkanschlag besonders realistisch simuliert.
Außerdem
ist eine entsprechende Kupplung auch mit großer Handkraft nicht zu überwinden.
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Dabei
kann der Anschlag relativ weich eingerückt werden, wenn die Kupplung
eine Reibungskupplung ist. Ein harter, mechanischer Anschlag kann
simuliert werden, wenn die Kupplung eine formschlüssige Kupplung,
insbesondere eine Klauenkupplung ist. Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen
ist es vorteilhaft, wenn ein Elektromotor vorgesehen ist, der über ein
Getriebe ständig
mit der Welle in Eingriff steht und wenn die Kupplung an dem motorseitigen Getriebeausgang
und/oder dem Elektromotor selbst angeordnet ist. Der Elektromotor
dient dabei zur Erzeugung eines Rückstellmoments in die Mittenposition
der Kraftfahrzeuglenkung und simuliert dem Fahrer ein Moment, das
die Rückmeldung
der Räder
von der Straße darstellen
soll. Das Getriebe übersetzt
dabei die Drehzahl des Elektromotors ins langsame, so daß in der
anderen Wirkrichtung ein relativ hohes Drehmoment am Lenkrad in
ein geringes Drehmoment am Getriebeausgang oder am Elektromotor umgewandelt
wird und die Kupplung entsprechend kleiner dimensioniert werden
kann. Dabei ist eine besonders einfache Ausführungsform möglich, wenn die
Kupplung den Getriebeausgang und/oder den Läufer oder die Welle des Elektromotors
zumindest in einer Drehrichtung drehfest mit einem Gehäuseteil verbindet.
Dieses Gehäuseteil
nimmt dann das getriebeseitig herabgesetzte Drehmoment vollständig auf.
Bei einer besonders robusten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß die
Kupplung ein mit der Welle mittelbar oder unmittelbar drehbares
Kupplungsglied umfaßt,
das einen bei Drehung der Welle in Drehrichtung umlaufenden Anschlag
trägt.
Weiter ist vorgesehen, daß ein
ortsfestes Kupplungsglied in den Umlaufweg des Anschlags verlagerbar
ist. Dabei kann das ortsfeste Kupplungsglied ein mechanisch von
einer Ruheposition in eine Eingriffsposition verfahrbarer Stift
oder Bolzen sein, der in der Eingriffsposition mit dem Anschlag
in Anlage zu bringen ist. Besonders einfach ist außerdem eine
Vorrichtung, bei der das drehbare Kupplungsglied ein radial oder
axial angeordneter Vorsprung ist.
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Das
drehbare Kupplungsglied kann aber auch eine Ausnehmung, insbesondere
ein in Umfangsrichtung orientiertes Langloch aufweisen. In dieses
Langloch kann das ortsfeste Kupplungsglied dann sicher eingreifen.
Ein Einrücken
der formschlüssigen
Kupplung in verschiedenen Positionen ist möglich, wenn das drehbare Kupplungsglied
in Umfangsrichtung der Kupplung mehrere Vorsprünge oder Ausnehmungen trägt, die
wahlweise mit dem ortsfesten Kupplungsglied in Anlage zu bringen
sind. Für
die Steuerung einer entsprechenden Kupplung ist vorteilhaft, wenn
die Kupplung elektromechanisch einrückbar und im Ruhezustand geöffnet ist.
Auf diese Weise wird vermieden, daß bei einem Ausfall der Versorgungsspannung
für die
Kupplung das Lenkrad bzw. die Welle in einer bestimmten Position
blockiert wird.
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Weil
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen
ist, daß ausgehend
von einer Mittel- oder Nullstellung die Welle in jeder Drehrichtung
zunächst drehbar
ist und bei einer wählbaren
Winkelstellung nach einer oder mehreren vollen Umdrehungen die Kupplung
eingerückt
wird, kann eine Drehbarkeit der Welle um mehrere volle Umdrehungen
möglich
gemacht werden, bevor der Anschlag den Drehwinkel begrenzt. Dabei
ist insbesondere vorteilhaft, wenn von der Mittelstellung die Welle
in einem Winkel von z.B. 360 Grad bis 720 Grad drehbar ist, bevor
die Kupplung eingerückt
wird. Diese Drehwinkel werden in der Praxis bei Lenkungen von Kraftfahrzeugen
als besonders zweckmäßig empfunden.
Es kommen aber auch Drehwinkel von unter 360° bis zu dem Anschlag in Betracht.
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Weiter
ergeben sich Vorteile, wenn der maximal mögliche Drehwinkel in Abhängigkeit
von äußeren Parametern,
beispielsweise der gefahrenen Geschwindigkeit, variabel gewählt wird.
In der Praxis können
die insoweit beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren für die Drehwinkelbegrenzung
von beliebigen manuell betätigten
Wellen eingesetzt werden. Besondere Vorteile ergeben sich jedoch,
wenn die Welle die Lenksäule
oder das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs ist, insbesondere bei einer
Lenkung ohne mechanische Zwangskopplung zwischen einem Lenkrad und
einem Lenkgetriebe.
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Im
folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es
zeigen:
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1:
eine Draufsicht in Axialrichtung auf eine Welle, die eine radiale
Anschlagnase trägt;
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2:
ein elektromechanisch steuerbares Kupplungsglied mit einem ausfahrbaren
Bolzen; sowie
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3:
eine Welle mit Untersetzungsgetriebe und zugeordnetem Elektromotor,
bei der dem Elektromotor eine Kupplung nachgeschaltet ist.
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In
der 1 ist eine manuell drehbare Welle 1 schematisch
in ihrer Axialrichtung dargestellt. Die Welle 1 trägt ein scheibenförmiges Kupplungsglied 2, das
drehfest mit der Welle 1 verbunden ist. Das Kupplungsglied 2 wiederum
trägt in
Radialrichtung eine Nase 3, die in beiden möglichen
Drehrichtungen Anschlagflächen 4 in
Umfangsrichtung bildet.
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In
der 2 ist ein Kupplungsglied 10 dargestellt,
das einen Gehäuseteil 11 umfaßt, der
wiederum einen nicht dargestellten Elektromagneten enthält. Das
Gehäuseteil 11 enthält in einer
Bohrung einen Bolzen 12, der bei Betätigung des Elektromagneten
aus dem Gehäuseteil 11 herausgefahren
wird. Eine Schraubenfeder 13 spannt den Bolzen 12 in Richtung
auf das Gehäuseteil 11 vor.
Schließlich
ist eine im Querschnitt dargestellte Führung 14 als Teil des
Gehäuses
der gesamten Vorrichtung vorgesehen, die den Bolzen 12 führt und
die im wesentlichen auch zur bezüglich
der Vorrichtung ortsfesten Halterung des Gehäuseteils 11 vorgesehen
ist.
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In
der 3 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Ansicht entsprechend 1 dargestellt.
Die Welle 1 trägt
dabei ein schrägverzahntes
Stirnrad 15, daß mit einem
Zahnrad 16 in ständigem
Eingriff steht. Das Zahnrad 16 wiederum ist drehfest auf
einer Motorwelle 17 eines Elektromotors 18 angeordnet.
An dem dem Zahnrad 16 abgewandten Wellenende der Welle 17 trägt der Motor 18 eine
Reibungskupplung 19, die die Motorwelle 17 bei
Betätigung
bremsen oder festsetzen kann.
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In
der Praxis werden die insoweit beschriebenen Vorrichtungen beispielsweise
zur Erzeugung eines Drehwinkelanschlags bei Lenkwellen von nicht zwangsgekoppelten
Lenkungen eingesetzt. Sie arbeiten dabei wie folgt:
Bei der
Vorrichtung gemäß 1 und 2 trägt die Welle 1 ein
Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, das von dem Fahrer betätigbar ist.
Der Fahrer wird ausgehend von einer Mittellage das Lenkrad nach
links oder nach rechts drehen, wobei ein Drehwinkelsensor die aktuelle
Position des Lenkrades und damit der Lenkwelle 1 überwacht.
Mit der Lenkwelle 1 dreht sich das Kupplungsglied 2.
Ab einem bestimmten maximalen Drehwinkel, der normalerweise mehr
als eine Umdrehung von der Mittellage beträgt, wird der im Gehäuseteil 11 (2)
befindliche Elektromagnet mit Strom beaufschlagt und der Bolzen 12 in
die Kreisbahn des Zapfens 3 hinein bewegt. Sobald dessen
Anschlagfläche 4 bei
ihrer Drehbewegung den Zapfen 12 erreicht und an diesem
anschlägt,
ist die Drehbewegung mechanisch formschlüssig begrenzt. Ausgehend von
der Anlageposition des Zapfens 3 an dem Bolzen 12 kann
die Lenkung dann nur noch in Richtung der Mittellage zurückgedreht
werden. In diesem Fall wird nach wenigen Drehwinkelgraden der Elektromagnet
stromlos geschaltet, worauf die Schraubenfeder 13 den Bolzen 12 in
das Gehäuseteil 11 zurück verfährt. Das
Lenkrad, die Lenkwelle 1 und das Kupplungsglied 2 können dann
wieder um mehrere Umdrehungen in Richtung auf den anderen Anschlag
gedreht werden.
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Die
insoweit beschriebene Vorrichtung bildet einen festen, formschlüssigen Anschlag,
der in seiner für
den Fahrer spürbaren
Wirkung dem mechanischen Anschlag von herkömmlichen Lenkgetrieben nahekommt.
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Die
Vorrichtung gemäß 3 dient
ebenfalls zur Drehwinkelbegrenzung der Welle 1. Das Stirnrad 15 wird
in der bereits beschriebenen Weise bei Betätigung des Lenkrades zusammen
mit der Welle 1 gedreht. Dabei sind die Verzahnungen der
Räder 15 und 16 im
Eingriff. Die Motorwelle 17 des Elektromotors 18 dreht
sich zwangsweise bei Betätigung
des Lenkrades mit. Bei Erreichen des maximal erwünschten Drehwinkels wird die
Kupplung 19 am getriebefernen Wellenstumpf des Elektromotors 18 eingerückt und
blockiert damit den Elektromotor 18 in seiner Drehung.
Entsprechend wird über
das Zahnrad 16 auch das Zahnrad 15 und damit die
Lenkwelle 1 blockiert. Die Reibungskupplung 19 kann
eine beliebige elektromechanisch zu betätigende Kupplung sein. Je nach
Bauart und Ansteuerung kann sie die Drehbewegung mehr oder weniger
abrupt oder allmählich
begrenzen. Auf diese Weise läßt sich
hinsichtlich des simulierten Anschlags der Komforteindruck der Lenkung
wählen
oder auch verändern.
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein für manuell drehbare Wellen geeignet,
die über
einen Winkelbereich von 360 Grad oder mehr frei drehbar sein und
dann gegen einen Anschlag laufen sollen. Dabei kommen Kupplungen
in verschiedenen Ausführungsformen,
sowohl unmittelbar als auch mittelbar mit der Welle 1 gekoppelt,
in Betracht.
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Die
Kupplungen sowie deren elektrische oder elektronische Ansteuerung
sind an sich bekannt.
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- 1
- (Lenk-)Welle
- 2
- Kupplungsglied
- 3
- Zapfen,
Anschlag
- 4
- Anschlagfläche
- 10
- ortsfestes
Kupplungsglied
- 11
- Gehäuseteil
- 12
- Bolzen
- 13
- Schraubenfeder
- 14
- Führung
- 15
- Stirnrad
- 16
- Zahnrad
- 17
- Motorwelle
- 18
- Motor;
Elektromotor
- 19
- Reibungskupplung