DE4011947A1 - Fahrzeug-lenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge. Insbeson­ dere betrifft die Erfindung ein Lenksystem, in welchem jedem lenkbaren Rad jeweils ein Elektromotor zugeordnet ist, um das Rad unabhängig von den anderen lenkbaren Rädern einzuschlagen.

Fahrzeug-Lenksysteme, bei denen jedes lenkbare Rad eines Fahr­ zeugs jeweils einen ihm zugeordneten Elektromotor aufweist, um das lenkbare Rad unabhängig von den anderen lenkbaren Rädern einschlagen zu können, sind bekannt. Ein solches Lenksystem ist Gegenstand der US-PS 47 41 409. Das dort beschriebene Lenksystem enthält ein Lenkgetriebe, dessen Gehäuse mit dem Fahrzeug verbunden werden kann. Ein erstes und ein zweites Zahnstangenelement sind teleskopartig zueinander verschiebbar und werden bezüglich ihrer axialen Bewegung durch das Gehäuse abgestützt. Jedes Zahnstangenelement ist über ein Zapfengelenk einer Spurstange mit einem zugeordneten lenkbaren Rad verbun­ den. Ein Paar drehbarer Ritzel ist in dem Gehäuse gelagert.

Jedes Ritzel greift in jeweils eines der Zahnstangenelemente ein und ist mit jeweils einem von zwei Elektromotoren verbun­ den. Eine Erregung eines der Elektromotoren bewirkt die Dre­ hung des zugeordneten Ritzels, welches darauf das zugeordnete Zahnstangenelement axial verschiebt und das lenkbare Rad unab­ hängig von dem anderen Fahrzeugrad lenkt. Die Zahnstangenele­ mente sind an der Grenze der Relativbewegung mechanisch mit­ einander verbunden, damit die Teleskopverschiebung der Zahn­ stangenelemente blockiert wird, falls eine Fehlfunktion eines der Elektromotoren vorliegt.

Solch ein Lenkgetriebe hat den Nachteil, daß es relativ groß ist und damit einen relativ großen Raumbedarf innerhalb des Fahrzeugs hat. Es ist wünschenswert, die Abmessungen des Lenk­ getriebes zu verkleinern, um den übrigen zur Verfügung stehen­ den Raum innerhalb des Fahrzeugs zu vergrößern, besonders wenn das Lenkgetriebe im Motorraum des Fahrzeugs angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeu­ ge, bei dem die Auslenkung eines jeden lenkbaren Fahrzeugrads über ein jeweils zugeordnetes Lenkgetriebe gesteuert wird. Da­ mit kann jedes lenkbare Rad unabhängig von den anderen lenk­ baren Rädern eingeschlagen werden.

Jedes Lenkgetriebe enthält ein schwenkbar an ein Rahmenelement des Fahrzeugs anschließbares Gehäuse. Ein Zahnstangenelement mit einer an ihm ausgebildeten Verzahnung kann mit einem der lenkbaren Räder verbunden werden. Das Zahnstangenelement wird durch das Gehäuse gehaltert und ist relativ zum Gehäuse verschiebbar. Ein drehbares Ritzel greift in die Zähne des Zahnstangenelements ein. Ein axiales Ende des Zahnstangenele­ ments kann schwenkbar mit dem lenkbaren Fahrzeugrad verbunden werden. Das Zahnstangenelement kann sich axial gegen das Ge­ häuse verschieben und damit das zugeordnete Fahrzeugrad ent­ sprechend der Drehung des Ritzels lenken. Eine Antriebsein­ richtung dreht das Ritzel entsprechend der Drehung einer Lenk­ welle, welche mit einem Lenkrad des Fahrzeugs verbunden ist.

Die Antriebseinrichtung enthält einen mit dem Ritzel verbun­ denen Elektromotor.

Vorzugsweise liegen die beiden Lenkgetriebe des Lenksystems im Abstand zueinander und jeweils vollständig seitlich der Fahr­ zeuglängsachse. Dies ermöglicht relativ kompakte Abmessungen der Lenkgetriebe. Die Abmessungen der Lenkgetriebe, der Zwi­ schenraum der Lenkgetriebe im Fahrzeug und die neuartige Be­ festigung der Lenkgetriebe vergrößert den innerhalb des Fahr­ zeugs zur Verfügung stehenden Raum. Dies ist besonders vor­ teilhaft, wenn das Lenksystem zur Lenkung der Vorderräder ei­ nes Fahrzeugs verwendet wird, weil der unter der Motorhaube gewonnene Platz für die Antriebsmaschine und Zubehör zur Ver­ fügung steht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeug-Lenk­ systems nach der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Ansicht eines Lenkgetriebes des Lenksystems von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Lenkgetriebes von Fig. 2 entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Teils des Lenkgetriebes von Fig. 2 entlang der Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Gehäuses und des Zahnstangenelements aus Fig. 3 ent­ lang der Linie 5-5 in Fig. 3;

Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Schwenk­ verbindung für das Lenkgetriebe von Fig. 2;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht der Schwenkverbindung von Fig. 6 entlang der Linie 7-7 in Fig. 6; und

Fig. 8 und 9 sind der Fig. 2 ähnlich und zeigen die Teile in unterschiedlichen Stellungen zueinander.

Ein Lenksystem 20 für zwei lenkbare Vorderräder 22, 24 eines Fahrzeugs ist in Fig. 1 abgebildet. Es ist offensichtlich, daß das Lenksystem auch für lenkbare Hinterräder des Fahrzeugs verwendet werden kann. Das Fahrzeug enthält zwei Rahmenelemen­ te 32, 34. Jedes der beiden Lenkgetriebe 42, 44 ist zwischen einem jeweiligen Rahmenelement 32, 34 und einem jeweiligen der lenkbaren Räder 22, 24 angeschlossen. Jedes der Lenkgetriebe 42, 44 ist vollständig seitlich der Fahrzeuglängsachse C ange­ ordnet.

Das linke Lenkgetriebe 42 aus Fig. 1 gleicht konstruktionsmä­ ßig dem rechten Lenkgetriebe 44. Daher betrifft die folgende detaillierte Beschreibung des Aufbaus des linken Lenkgetriebes 42 (Fig. 2) gleichermaßen das rechte Lenkgetriebe 44.

Das Lenkgetriebe 42 enthält ein langgestrecktes Metallgehäuse 52 (Fig. 2). Ein axialer Endteil 54 des Gehäuses 52 ist schwenkbar mit dem Fahrzeugrahmen 32 verbunden. Ein Bügel 62 (Fig. 6) ist an dem Rahmenelement 32 befestigt. Eine Öffnung 64 verläuft senkrecht zur mittigen Längsachse B durch den axialen Endteil 54 des Gehäuses 52. In der Öffnung 64 des Ge­ häuses befindet sich eine Buchse 66. Die Buchse 66 enthält eine äußere Metallhülse 66 a und eine innere Metallhülse 66 b. Ein Elastomerelement 66 c ist zwischen den Metallhülsen 66 a, 66 b eingeschlossen. Ein Befestigungselement 68 ragt durch Öff­ nungen in dem Bügel 62 und durch die innere Hülse 66 b, um das Gehäuse 52 mit dem Rahmenelement 32 zu verbinden. Das federnde Elastomerelement 66 c der Buchse gestattet, das Gehäuse 52 re­ lativ zum Rahmenelement 32 horizontal in Richtung der Pfeile 70 zu schwenken (Fig. 6). Die Buchse 66 gestattet auch, das Gehäuse 52 relativ zum Rahmenelement 32 in einer vertikalen Ebene in Richtung der Pfeile 72 zu schwenken (Fig. 7).

Das Gehäuse 52 enthält eine Bohrung 74 (Fig. 2), welche koaxial über fast die gesamte Länge des Gehäuses verläuft. Die Bohrung 74 endet nahe dem axialen Endteil 54 und öffnet sich am ande­ ren axialen Endteil 78 des Gehäuses 52. Das Lenkgetriebe 42 enthält ferner ein langgestrecktes metallisches Zahnstangen­ element 82. Ein axiales Ende 84 des Zahnstangenelements 82 ist schwenkbar über ein Kugelgelenk 86 mit einem Achsschenkel 88 des lenkbaren Rads 22 verbunden. Der Achsschenkel 88 ist zum Einschlagen des lenkbaren Rads 22 um eine Achse A schwenkbar.

Eine Vielzahl von Zähnen 92 ist an dem Zahnstangenelement 82 ausgebildet, dessen einer axialer Endteil 94 innerhalb der Bohrung 74 des Gehäuses 52 liegt. Das Zahnstangenelement 82 ist teleskopartig relativ zu dem Gehäuse 52 entlang seiner mittigen Längsachse B verschiebbar. Mit einer teleskopartigen Verschiebung des Zahnstangenelements 82 relativ zum Gehäuse 52 schwenkt der Achsschenkel 88 um die Achse A und schlägt das lenkbare Rad 22 von der in Fig. 2 gezeigten Stellung in eine der in den Fig. 8 oder 9 gezeigten Stellungen ein. Ein Falten­ balg 96 ist an dem Zahnstangenelement 82 und an einem axialen Endteil 78 des Gehäuses 52 angebracht. Der Faltenbalg 96 ist bei Verschiebung des Zahnstangenelements 82 relativ zu dem Ge­ häuse 52 dehnbar und komprimierbar und verhindert, daß Verun­ reinigungen in das Gehäuse 52 und an die Zähne 92 gelangen.

Ein Ritzel 102 (Fig. 3 und 4) ist um eine Achse D drehbar in einem Teil des Gehäuses 52 gelagert. Das Ritzel 102 weist eine Vielzahl von Zähnen 104 auf, welche mit den Zähnen 92 an dem Zahnstangenelement 82 in Eingriff stehen. Eine Drehung des Ritzels 102 verschiebt das Zahnstangenelement 82 relativ zu dem Gehäuse 52. Die Anzahl der Zähne 92 und der Weg, über den sich die axial verlaufenden Zähne erstrecken, bestimmen den Hub des Zahnstangenelements 82 relativ zu dem Gehäuse 52. Die Anzahl der Zähne 92 und die Länge der Verzahnung kann je nach dem Fahrzeug variieren, in welchem das Lenkgetriebe 42 verwen­ det wird.

Die Zähne 92 sind zwischen einander axial entgegengesetzten Enden des Zahnstangenelements 82 ausgebildet. Oberflächen 98 a, 98 b (Fig. 3) an einander axial entgegengesetzten Enden der Reihe von Zähnen 92 bestimmen den Hub des Zahnstangenelements 82 relativ zu dem Gehäuse 52. Wenn sich das Zahnstangenelement 82 beispielsweise in Richtung einer der Oberflächen 98 a oder 98 b bewegt und das Ritzel 102 an diese anschlägt, wird die Weiterbewegung des Zahnstangenelements relativ zu dem Gehäuse 52 blockiert. Dies stellt sicher, daß das Zahnstangenelement 82 nicht aus dem Gehäuse 52 herausgetrieben werden kann.

Ein Paar von Nuten 112 (Fig. 5) verläuft außerhalb des Umfangs der Bohrung 74 in dem Gehäuse 52, und zwar über im wesentli­ chen die gesamte Länge der Bohrung. Ein Paar von Vorsprüngen 114 verläuft radial an der Außenseite des Zahnstangenelements 82. Jeder der Vorsprünge 114 liegt in jeweils einer der Nuten 112 des Gehäuses 52. Eine Drehung des Zahnstangenelements 82 um die Achse B relativ zu dem Gehäuse 52 wird blockiert, indem die Vorsprünge 114 in die Nuten 112 eingreifen. Dies stellt sicher, daß die Zähne 92 stets in Richtung der Zähne 104 des Ritzels 102 zeigen, damit sie nicht klemmen.

Ein Elektromotor 132 (Fig. 2 und 4) ist direkt und auf glei­ cher Achse mit dem Ritzel 102 verbunden. Eine Erregung des Elektromotors 132 bewirkt eine Drehung des Ritzels 102 um die Achse D. Die Drehung des Ritzels 102 bewirkt eine teleskopar­ tige Verschiebung des Zahnstangenelements 82 zu dem Gehäuse 52 und damit das Einschlagen des lenkbaren Fahrzeugrads 22. Gege­ benenfalls kann der Elektromotor 132 über ein Untersetzungsge­ triebe mit dem Ritzel 102 verbunden sein. Die Notwendigkeit eines Untersetzungsgetriebes hängt von der Drehgeschwindigkeit und dem Leistungsvermögen des Elektromotors 132 ab.

Der Elektromotor 132 ist über Drähte 136 und 138 (Fig. 2) elektrisch mit einem Regler 134 verbunden (Fig. 1). Der Regler 134 ist elektrisch mit einem Lenksensor 144 und einer Strom­ versorgung 142 wie z.B. einer Fahrzeugbatterie verbunden. Der Lenksensor 144 ist mit einer drehbaren Lenkwelle 152 verbun­ den und diese mit einem Lenkrad 154 des Fahrzeugs.

Der Lenksensor 144 erfaßt die Verdrehung der Lenkwelle 152 um ihre mittige Längsachse E und erzeugt ein Signal, welches die Auslenkung der Lenkwelle relativ zu einer Bezugsposition an­ zeigt. Das Signal wird dem Regler 134 übermittelt. Der Regler 134 versorgt den Elektromotor 132 bei Empfang eines entspre­ chenden Signals von dem Lenksensor 144 mit elektrischem Strom. Die Stromversorgung des Elektromotors 132 durch den Regler 134 folgt einer Funktion, welche durch ein in dem Regler gespei­ chertes Steuerprogramm bestimmt wird, wobei die Information des genannten Signals als Eingangsparameter dient. Der Regler 134 legt elektrischen Strom an den entsprechenden Elektromotor 132 des jeweiligen Lenkgetriebes 42 oder 44. Jedes der lenk­ baren Räder 22, 24 wird damit unabhängig von dem anderen lenk­ baren Rad durch einen separaten Elektromotor 132 an einem ent­ sprechenden Lenkgetriebe 42, 44 gelenkt.

Wenn das Lenkrad 154 und die Lenkwelle 152 um die Achse E in Richtung des Pfeils 172 in Fig. 1 gedreht wird, dreht der Elektromotor 132 das Ritzel 102, welches das Zahnstangenele­ ment von der in Fig. 2 gezeigten Stellung axial aus dem Gehäu­ se 52 heraustreibt. Dies bewirkt, daß das lenkbare Rad 22 in Richtung der in Fig. 8 gezeigten Stellung geschwenkt wird. Wenn das Lenkrad 154 und die Lenkwelle 152 um die Achse E in Richtung des Pfeils 174 in Fig. 1 gedreht wird, dreht der Elektromotor 132 das Ritzel 102 und treibt das Zahnstangenele­ ment 82 von der in Fig. 2 gezeigten Stellung aus weiter in das Gehäuse 52 hinein. Dies bewirkt, daß das lenkbare Rad 22 in Richtung auf die in Fig. 9 gezeigte Stellung geschwenkt wird.

Der Regler 134 ist auch mit einem nicht gezeigten Sensor für eine Linearposition verbunden sowie mit einem Notverriege­ lungsmechanismus 182 an jedem Lenkgetriebe 42, 44, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet. Der Positionssensor gibt eine Rück­ meldung an den Regler 134, um zu gewährleisten, daß sich das Zahnstangenelement 82 in die richtige Richtung und um die Weg­ strecke bewegt hat, welche von dem Steuerprogramm des Reglers bestimmt wurde. Wenn der Regler 134 erkennt, daß die Stellung des Zahnstangenelements 82 bezüglich des Gehäuses 52 falsch ist, schaltet der Regler 134 die Stromversorgung des Motors 132 ab und aktiviert den Verriegelungsmechanismus 182. Der Verriegelungsmechanismus 182 blockiert die teleskopartige Ver­ schiebung des Zahnstangenelements 82 bezüglich des Gehäuses 52, um ein unkontrolliertes Schwenken des Rads 22 zu verhin­ dern.

Die Abmessungen der Zähne 92, der Zahnstange 82 und des Ge­ häuses 52 können entsprechend der jeweiligen Anwendung in ei­ nem Fahrzeug variieren. Während das gezeigte Lenkgetriebe 42 eine mittige Längsachse B senkrecht zur Längsachse C des Fahr­ zeugs aufweist, kann das Lenkgetriebe natürlich auch in ande­ rer Orientierung zum Fahrzeug eingebaut sein.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Lenken eines lenkbaren Rads eines Fahrzeugs mit einem Rahmenelement, gekennzeichnet durch:
ein schwenkbar an das Rahmenelement des Fahrzeugs anschließ­ bares Gehäuse;
ein an das lenkbare Rad anschließbares Zahnstangenelement mit einer an diesen ausgebildeten Verzahnung, wobei das Zahnstan­ genelement axial verschiebbar in dem Gehäuse gelagert ist;
ein drehbares Ritzel, welches mit der Verzahnung auf dem Zahn­ stangenelement in Eingriff steht, um das Zahnstangenelement relativ zu dem Gehäuse zu verschieben und das Fahrzeugrad durch Drehen des Ritzels zu lenken; und
eine Antriebseinrichtung, um das Ritzel für die Axialverschie­ bung des Zahnstangenelements relativ zu dem Gehäuse zu drehen.

2. Vorrichtung zum Lenken eines lenkbaren Rads eines Fahrzeugs mit einem Rahmenelement und einer drehbaren Lenkwelle, gekenn­ zeichnet durch:
ein schwenkbar an das Rahmenelement des Fahrzeugs anschließ­ bares Gehäuse mit einer Kammer;
ein Zahnstangenelement mit einem ersten Teil, welcher an das lenkbare Rad des Fahrzeugs anschließbar ist, und mit einem zweiten Teil, welcher eine an ihm ausgebildete Verzahnung auf­ weist, wobei der zweite Teil des Zahnstangenelements von der Kammer des Gehäuses aufgenommen werden kann und das Zahnstan­ genelement relativ zu dem Gehäuse axial verschiebbar ist;
ein drehbar in dem Gehäuse gelagertes Ritzel, welches mit der Verzahnung auf dem Zahnstangenelement in Eingriff steht, um das Zahnstangenelement bezüglich des Gehäuses axial zu ver­ schieben und das lenkbare Rad durch Drehen des Ritzels zu len­ ken;
einen von dem Gehäuse getragenen Elektromotor zum Drehen des Ritzels; und
eine Einrichtung, um den Elektromotor durch Drehen der Lenk­ welle anzutreiben, womit wiederum das Ritzel gedreht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ver­ drehsperre gegen eine Drehung des Zahnstangenelements um seine mittige Längsachse relativ zu dem Gehäuse.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsperre wenigstens eine Nut aufweist, welche sich von der Kammer aus in das Gehäuse erstreckt, und daß wenig­ stens ein Vorsprung von dem Zahnstangenelement absteht und in der Nut aufgenommen werden kann, um an ihrer Fläche anzugrei­ fen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für den Elektromotor eine Sensorein­ richtung für das Abfühlen der Verdrehung der Lenkwelle auf­ weist sowie einen Regler zum Anlegen von elektrischer Energie an den Elektromotor entsprechend der von der Sensoreinrichtung gemessenen Verdrehung der Lenkstange.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen axialen Endteil mit einer durch ihn hindurch verlaufenden Öffnung aufweist sowie eine Einrichtung zur schwenkbaren Verbindung des Gehäuses mit dem Rahmenelement des Fahrzeugs, wobei diese Einrichtung ein elastisches, verbiegba­ res Element aufweist, welches in der Öffnung in dem axialen Endteil des Gehäuses angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, durch welche ein Befestigungselement ragt und den axialen End­ teil des Gehäuses mit dem Rahmenelement verbindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung zur schwenkbaren Verbindung des Zahnstangenelements mit dem lenkbaren Rad, wobei diese Einrichtung ein Kugelgelenk aufweist, welches an einem axialen Endteil des Zahnstangenele­ ments befestigt und mit einem seiner Teile an das lenkbare Rad anschließbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung zwischen einander axial entgegengesetzten Tei­ len des Zahnstangenelements angeordnet ist.

9. Vorrichtung zum Lenken eines ersten und eines zweiten lenk­ baren Rads eines Fahrzeugs mit einem ersten und einem zweiten Rahmenelement, welche von den Rädern getrennt sind, gekenn­ zeichnet durch:
ein schwenkbar an das erste Rahmenelement des Fahrzeugs an­ schließbares erstes Gehäuse;
ein an das erste lenkbare Rad des Fahrzeugs anschließbares erstes Zahnstangenelement mit einer daran ausgebildeten Ver­ zahnung, welches relativ zu dem ersten Gehäuse axial ver­ schiebbar ist;
ein erstes drehbares Ritzel, welches mit der Verzahnung des Zahnstangenelements in Eingriff steht, um das erste Zahnstan­ genelement relativ zu dem ersten Gehäuse zu verschieben und das erste lenkbare Rad durch Drehen des ersten Ritzels zu len­ ken;
eine erste Antriebseinrichtung zum Drehen des ersten Ritzels;
ein schwenkbar an das zweite Rahmenelement des Fahrzeugs an­ schließbares zweites Gehäuse;
ein zweites Zahnstangenelement im Abstand zu dem ersten Zahn­ stangenelement, wobei das zweite Zahnstangenelement an das zweite lenkbare Rad des Fahrzeugs anschließbar ist, eine Ver­ zahnung aufweist und relativ zu dem zweiten Gehäuse verschieb­ bar ist;
ein zweites drehbares Ritzel, welches mit der Verzahnung auf dem zweiten Zahnstangenelement in Eingriff steht, um das zwei­ te Zahnstangenelement relativ zu dem zweiten Gehäuse zu ver­ schieben und das zweite lenkbare Rad durch Drehen des ersten Ritzels zu lenken;
eine zweite Antriebseinrichtung zum Drehen des zweiten Rit­ zels; und
einen Regler, um die Betätigung der ersten und der zweiten An­ triebseinrichtung getrennt zu steuern und damit das erste und das zweite lenkbare Rad unabhängig voneinander zu lenken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gehäuse und das erste Zahnstangenelement dazu geeig­ net sind, vollständig auf einer ersten Seite bezüglich der Fahrzeuglängsachse angeordnet zu werden, und daß das zweite Gehäuse und das zweite Zahnstangenelement dazu geeignet sind, vollständig auf einer zweiten Seite bezüglich der Fahrzeug­ längsachse gegenüber der ersten Seite angeordnet zu werden.