DE4201906C2 - Vorrichtung zum Lenken eines lenkbaren Rades durch Drehen eines Lenkrads - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lenken eines lenkbaren Rades durch Drehen eines Lenkrads, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art sind nach der nicht vorveröffentlichten, aber prioritätsälteren DE 41 29 731 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die eine einfache Ausrichtung des Lenkrads und des lenkbaren Rads in jeweils eine neutrale Stellung ermöglicht und hierzu möglichst wenig Servoenergie benötigt.

Lösungen dieser Aufgabe sind in dem Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es stellt dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Lenkvorrichtung mit veränderbarem Lenkwinkelverhältnis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1; und

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 1.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Lenkvorrichtung 1 mit veränderbarem Lenkwinkelverhältnis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Lenkvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 11 auf, das an der Karosserie (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs angebracht ist. Eine Schraubenwelle 12 mit einer sich in Fig. 1 vertikal erstreckenden Mittelachse L1 (erste Achse) ist in dem Gehäuse 11 durch Lager 13, 14 drehbar gehalten. Ein oberes Ende der Schraubenwelle 12 erstreckt sich aus dem Gehäuse 11 heraus und ist mit einem Lenkrad (nicht dargestellt) mittels einer all­ gemein üblichen Verbindung oder dgl. (nicht dargestellt) gekoppelt. Das Lager 13 weist ein im Querschnitt im wesentlichen kanalförmiges bzw. U-förmiges Innenteil auf, das an der Schraubenwelle 12 befestigt ist, und ein am Gehäuse 11 befestigtes Außenteil. Das Innenteil und das Außen­ teil sind relativ zueinander drehbar. Die Schraubenwelle 12 ist an einer axialen Bewegung relativ zum Gehäuse 11 gehindert.

Die Schraubenwelle 12 weist einen mit einem Außengewinde versehenen Abschnitt 12a auf, der innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist. Eine Kugelmutter 15 ist in einem Wandlerglied (erstes Glied) 17 aufgenommen und koaxial und relativ-verdrehbar auf dem Außengewindeabschnitt 12a mit einer Anzahl von umlaufenden Kugeln 16 zwischen dem Außen­ gewindeabschnitt 12a und der Kugelmutter 15 angeordnet. Die Kugel­ mutter 15 weist einen radial daran angebrachten Zapfen 18 auf, der sich radial auswärts durch einen entlang des Umfangs in dem Wandlerglied 17 festgelegten Schlitz 17b erstreckt. Die Kugelmutter 15 weist ein Loch (nicht dargestellt) auf, durch welches die Kugeln 16 umlaufen. Ein radial äußeres Ende des Zapfens 18 ist mit einem Schieber 19 in Eingriff, der radial außerhalb des Wandlerglieds 17 angeordnet ist und in dem Ge­ häuse 11 für eine axiale Gleitbewegung parallel zur Achse L1 gleitver­ schieblich gehalten ist. Durch den Schieber 19 ist die Kugelmutter 15 daran gehindert, sich um die Achse L1 zu drehen. Der Außen­ gewindeabschnitt 12a, die Kugelmutter 15 und die Kugeln 16 dienen zusammen als ein Kugelumlaufmechanismus 20. Die Kugelmutter 15 ist in Antwort auf eine Drehung des Außengewindeabschnitts 12a um die Achse L1 axial verschiebbar.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt das Wandlerglied 17 einen Hohlzylinder, durch den sich die Schraubenwelle 12 lose in axialer Richtung erstreckt. Das Wandlerglied 17 ist winkelmäßig bewegbar und axial verschiebbar in dem Gehäuse 11 angeordnet. Die Kugelmutter 15 ist durch Lager 21, 22 drehbar in einem oberen Abschnitt des Wandlerglieds 17 angebracht. Ein Längsschlitz 17a ist in einem unteren Abschnitt des Wandlerglieds 17 axial festgelegt. Das Wandlerglied 17 hat einen einstückigen Arm 23, der von einem Mittelabschnitt davon in einer zur Achse L1 normalen Rich­ tung radial auswärts vorsteht. Das Wandlerglied 17 ist mit der Kugelmut­ ter 15 axial bewegbar. Eine Mehrzahl von Kugeln 24 sind in Rollpassung in dem Längsschlitz 17a angeordnet. Ein Schneckenrad 25 ist betriebs­ mäßig mit dem unteren Abschnitt des Wandlerglieds 17 durch die Kugeln 24 gekoppelt derart, daß das Schneckenrad 25 gleichsinnig mit dem Wandlerglied 17 winkelmäßig bewegbar und relativ zu dem Wandlerglied 17 axial bewegbar ist. Ein radial äußeres, distales Ende des Arms 23 des Wandlerglieds 17 steht mit einem Hebel 26 (zweites Glied) wie nachfol­ gend beschrieben in Eingriff.

Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt der Hebel 26 einen Hauptkörper 31 in Form eines kurzen Hohlzylinders oder einer Pfanne und eine mit dem Hauptkörper 31 einstückige Welle oder Drehelement 30. Die Welle 30 ist in dem Gehäuse durch Lager 27, 28 gehalten, so daß die Welle 30 und der Hauptkörper 31 um eine senkrecht zur ersten Achse L1 verlaufende zweite Achse C (siehe Fig. 2) winkelmäßig bewegbar sind. Der Haupt­ körper 31 weist ein Eingriffsloch 26a großen Durchmessers auf, durch das sich das Wandlerglied 17 erstreckt. Ein erstes Zahnrad 29 ist fest auf dem proximalen Ende der Welle 30 angebracht. Die Fig. 2 und 3 zeigen die beiden extremen Stellungen, in die der Arm 23 des Wandler­ glieds 17 und der Hebel 26 bewegbar sind.

Der Arm 23 ist in dem Eingriffsloch 26a des Hebels 26 von einem sphärischen Lager 33 und einem Rollenlager 32 gehalten. Das Rollenlager 32 weist zwei Reihen von Kugeln 32a oberhalb bzw. unterhalb des Arms 23 auf. Der Arm 23 ist daher bezüglich des Rollenlagers 32 frei ver­ schwenkbar beweglich. Folglich ist das Wandlerglied 17 nicht nur in Richtung der ersten Achse L1 bewegbar, sondern auch um die erste Achse L1 winkelmäßig bewegbar, während es eine Bewegung des radial äußeren, distalen Endes des Arms 23 entlang der inneren Umfangsfläche des Eingriffslochs 26a ermöglicht. Das Wandlerglied 17 und der Hebel 26 dienen zusammen als Wandlereinrichtung 99.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kämmt das erste Zahnrad 29 mit einem zwei­ ten Zahnrad 34, welches koaxial mit einem dritten Zahnrad 35 gekoppelt ist. Das dritte Zahnrad 35 kämmt mit einer Verzahnung 36a einer Zahn­ stange 36. Entgegengesetzte Enden der Zahnstange 36 sind mit Gelenk­ armen von lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs jeweils durch Zug­ stangen oder dgl. (nicht dargestellt) gekoppelt. Das dritte Zahnrad 35 und die Zahnstange 36 bilden zusammen ein Zahnstangen-Lenkgetriebe zur Übertragung von Lenkkräften vom Lenkrad auf die lenkbaren Räder.

Das Schneckenrad 25, durch das sich das Wandlerglied 17 axial er­ streckt, ist durch Lager 37, 38 drehbar in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 11 koaxial zum Wandlerglied 17 gehalten. Das Schneckenrad 25 weist einen axial in seiner Innenumfangsfläche festgelegten Längs­ schlitz 25a auf. Die Kugeln 24 sind rollend in dem Schlitz 25a und dem Schlitz 17a des Wandlerglieds 17 gehalten. Das Schneckenrad 25 weist ein Zahnrad 25b auf, das an einer Außenumfangsfläche davon angeord­ net ist und mit einer auf der Ausgangswelle eines Motors 40 befestigten Schnecke 39 kämmt. Das Schneckenrad 25, die Schnecke 39 und der Motor 40 dienen zusammen als ein Antriebsmechanismus, um das Wandlerglied 17 um die erste Achse L1 zu drehen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Motor 40 elektrisch mit einem Regel­ schaltkreis 41 verbunden, der den Motor 40 zur Drehung der Schnecke 39 um ihre eigene Achse erregt. Mit dem Regelschaltkreis 41 sind ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 42 und ein Lenkwinkelverhältnis- Sensor 43 elektrisch verbunden. Daher erregt der Regelschaltkreis 41 den Motor 40 zur Regelung der Winkelverlagerung der Ausgsangswelle des Motors 40 auf der Grundlage eines Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 42 und eines Lenkwinkel­ verhältnis-Signals von dem Lenkwinkelverhältnis-Sensor 43. Der Regel­ schaltkreis 41 ist zur Regelung des Lenkwinkelverhältnisses unter Signal­ rückführung derart ausgebildet, daß das Lenkwinkelverhältnis in einem Bereich hoher Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner und in einem Bereich niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit größer ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt, umfaßt der Lenkwinkelverhältnis-Sensor 43 eine Detektorwelle 60, die drehbar und axial bewegbar parallel zu dem Wandlerglied 17 gehalten ist, und einen Differentialübertrager 61 zur Erfassung einer axialen Versetzung eines Kerns 60a, der koaxial zu der Detektorwelle 60 befestigt ist. Ein oberer, mit einem Außengewinde versehener Endabschnitt 60b der Detektorwelle 60 kämmt mit einer bezüglich des Gehäuses 11 festgelegten Mutter 63. Ein Zahnrad 64 ist fest an der Detektorwelle 60 angebracht und kämmt mit einem Zahnrad 65, welches seinerseits mit einem fest an dem Schneckenrad 25 ange­ brachten Zahnrad 66 kämmt. Wenn sich das Schneckenrad 25 um die erste Achse L1 dreht, dreht sich die Detektorwelle 60 um ihre eigene Achse und wird somit axial verlagert. Gleichzeitig wird die axiale Stellung des Kerns 60a, d. h. die Winkelverlagerung des Schneckenrads 25 entsprechend einem Lenkwinkelverhältnis, von dem Differentialübertrager 61 erfaßt.

Der Lenkwinkelverhältnis-Sensor 43 kann zur Berechnung eines Lenkwin­ kelverhältnisses durch kombiniertes Erfassen des Winkels, um welchen das Lenkrad gedreht wird, und des Winkels, um den die lenkbaren Räder gelenkt sind, bzw. der axialen Verlagerung der Kugelmutter 15 und der Winkelverlagerung des Zahnrads 29 bzw. der Winkelverlagerung des Schneckenrads 25 oder der Schraubenwelle 12 und der axialen Ver­ lagerung der Zahnstangenwelle 36 ausgebildet sein.

Die Lenkvorrichtung 1 arbeitet wie folgt: Wenn das Lenkrad gedreht wird, wird die Schraubenwelle 12 um die erste Achse L1 gedreht, um die Kugelmutter 15 entlang der ersten Achse L1 zu verlagern. Das Wandler­ glied 17 bewegt sich gleichsinnig mit der Kugelmutter 15 linear in die in Fig. 2 durch den Pfeil X angedeutete, axiale Richtung. Gleichzeitig greift der Arm 23 des Wandlerglieds (erstes Glied) 17 gegen axiale Verlagerung relativ zum Hebel (zweites Glied) 26 in dessen Eingriffsloch 26a ein. Daher bewegt sich der Hebel 26 bei einer Verlagerung des Wandler­ glieds 17 in axialer Richtung X gleichsinnig mit dem ersten Zahnrad 29 in die durch den Pfeil Y angedeuteten Richtung winkelmäßig um die zweite Achse C. Die Winkelbewegung des ersten Zahnrads 29 bewirkt eine Winkelbewegung der zweiten und dritten Zahnräder 34, 35 mit erhöhter Geschwindigkeit und verlagert die Zahnstangenwelle 36 entlang ihrer Achse, wodurch die lenkbaren Räder gelenkt werden.

Das Wandlerglied 17 ist mit dem Schneckenrad 25 winkelmäßig beweg­ bar und betriebsmäßig über das Schneckenrad 25 und die Schnecke 39 mit dem Motor 40 gekoppelt. Das Wandlerglied 17 wird von dem Motor 40 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkwin­ kelverhältnis winkelmäßig um die erste Achse L1 bewegt. Wenn das Wandlerglied 17 winkelmäßig bewegt wird, wird das distale Ende des Arms 23 winkelmäßig gegen die innere Umfangsfläche des Eingriffslochs 26a des Hebels 26 verlagert. Folglich verändert sich die Position, in der der Arm 23 mit der inneren Umfangsfläche des Eingriffslochs 26a in Eingriff steht bezüglich der Achse C der Winkelbewegung des Hebels 26. Daher ändert sich der Abstand von der Achse C der Winkelbewegung des Hebels 26 zu der Position, in der der Arm 23 mit der inneren Umfangsfläche des Eingriffslochs 26a in Eingriff ist, in Antwort auf eine Winkelbewegung des Wandlerglieds 17 um die erste Achse L1. Das Verhältnis der Winkelverlagerung des Hebels 26 in die Richtung Y zu der axialen Verlagerung des Wandlerglieds 17 in die Richtung X, d. h. das Lenkwinkelverhältnis ändert sich in Abhängigkeit von dem vorstehend genannten Abstand. Das Lenkwinkelverhältnis wird, wie vorstehend beschrieben, bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit auf kleinere und bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit auf größere Werte geregelt. Daher ist das Kraftfahrzeug bei einer Fahrt im Bereich hoher Fahrzeuggeschwindigkeiten bei einer Lenkbewegung hochstabil und kann ferner bei einer Fahrt im Bereich niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit enge Wendungen durchführen.

Die Winkelstellung des Hebels 26 um die Achse C wird von der axialen Stellung des Wandlerglieds 17 bestimmt. Folglich wird die Ausrichtung der neutralen Stellung des Hebels 26 und der neutralen Stellung des Wandlerglieds 17 bei einer Änderung des Lenkwinkelverhält­ nisses nicht gestört.

Mit anderen Worten befindet sich der Arm 23 in seiner neutralen Stellung in der Richtung X und der Hebel 26 in seiner neutralen Stellung in der Richtung Y, wenn sich das Lenkrad und die gelenkten Räder in ihren neutralen Stellungen befinden. Wenn das Wandlerglied 17 winkelmäßig um die erste Achse L1 bewegt wird, um in diesem Zustand das Lenkwin­ kelverhältnis zu ändern, verbleibt der Hebel 26 vollständig ruhig. Daher werden die neutrale Stellung des Lenkrads und die neutrale Stel­ lung der lenkbaren Räder nicht beeinflußt, wenn sich das Lenkwinkel­ verhältnis ändert. Entsprechend werden die neutrale Stellung des Lenk­ rads und die neutrale Stellung der lenkbaren Räder, ungeachtet jeglicher Änderung des Lenkwinkelverhältnisses, zueinander in Ausrichtung gehalten.

Der Motor 40 wird nur erregt, wenn das Lenkwinkelverhältnis geändert werden soll. Daher verbraucht der Motor 40 eine relativ geringe Menge elektrischer Energie und weist eine hohe Lebensdauer auf.

Die Lenkvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung erlaubt somit eine einfache Ausrichtung der neutralen Stellung des Lenkrads mit der neutralen Stellung der lenkbaren Räder und verbraucht auch eine relativ geringe Menge elektrischer Energie. Die Lenkvorrichtung 1 kann einfach wie folgt zusammengefaßt werden: Das Wandlerglied 17 ist betriebsmäßig mit dem Lenkrad gekoppelt und wird linear entlang einer ersten Achse L1 bewegt, wenn das Lenkrad gedreht wird. Das Wandler­ glied 17 verfügt über eine neutrale Stellung. Der Hebel 26 ist betriebsmäßig mit den lenkbaren Rädern gekoppelt und wird winkelmäßig um die zweite Achse C bewegt, die sich senkrecht zu, aber abgesetzt von der ersten Achse L1 erstreckt, wenn die lenkbaren Räder gelenkt werden. Der Hebel 26 verfügt über eine neutrale Stellung. Der Arm 23, der ein Teil des Wandlerglieds 17 ist, ist positionsveränderbar in Eingriff mit dem Hebel 26 gehalten. Die Position, in der der Arm 23 mit dem Hebel 26 in Eingriff ist, liegt in einer die zweite Achse C enthaltenden Ebene P (siehe Fig. 2) und ist auf einem von der ersten Achse L1 äquidistant beabstandeten Weg (d. h. dem Lager 32) bewegbar. Diese Anordnung verhindert, daß die neutrale Stellung des Lenkrads und die neutrale Stellung der lenkbaren Räder durch eine Änderung des Lenkwinkelverhältnisses beeinflußt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung (1) zum Lenken eines lenkbaren Rads durch Drehen eines Lenkrads, bei der das Winkelverhältnis des Drehwinkels des Lenkrads zum Lenkwinkel des lenkbaren Rads veränderbar ist, mit einem an das Lenkrad gekuppelten, durch Verdrehen des Lenkrads längs einer ersten Achse (L1) linear bewegten, eine Neutralstellung aufweisenden ersten Glied (17) und mit einem um die zweite, abgesetzt von der ersten Achse (L1) verlaufende Achse (C) ver­ schwenkbaren, eine Neutralstellung aufweisenden zweiten Glied (26), bei der das erste Glied (17) das zweite Glied (26) an einer Stelle (23, 31, 32, 33) angreift, die in einer die zweite Achse (C) enthaltenden Ebene in gleichbleibendem Abstand von der ersten Achse (L1) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Glied (26) an ein Eingangsglied (29) eines Getrie­ bes (29, 34, 35, 36) angreift, dessen Ausgangsglied (35) eine Zahnstange (36) eines Lenkgetriebes linear verstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Antrieb (39, 40) zum Verdrehen des ersten Glieds (17) um die erste Achse (L1) und damit zum Bewegen der Stelle (23, 31, 32, 33) zwecks Änderung des Lenkwinkelverhältnisses.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Kugelumlaufmechanismus (20) zum Umwandeln des Drehwinkels des Lenkrads in eine lineare Bewegung und zur Übertragung dieser linearen Bewegung auf das erste Glied (17).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Glied (17) überdies um die erste Achse (L1) drehbar ist und zusammen mit einer an das erste Glied (17) gekoppelten Kugelmutter (15) in Richtung der ersten Achse (L1) verschiebbar ist, wobei die Kugelmutter (15) in Richtung der ersten Achse (L1) geführt verschiebbar unter Zwischenfügung von Kugeln (16) an einer an das Lenkrad koppelbaren, um die erste Achse (L1) dreh­ baren Schraubenwelle (12) angreift;
daß das zweite Glied (26) als ein um die zweite, abgesetzt von der ersten Achse (L1) verlaufende Achse (C) verschwenkbarer, an das erste Glied (17) über die als Gelenk (23, 31, 32, 33) ausgebildete Stelle gekoppelter Hebel (26) ausgebildet ist, wobei sich bei Ver­ drehen des ersten Glieds (17) um die erste Achse (L1) der Abstand zwischen der zweiten Achse (C) und dem Gelenk (23, 31, 32, 33) ändert und eine Verschiebung des ersten Glieds (17) in Richtung der ersten Achse (L1) ein Verschwenken des Hebels (26) um die zweite Achse (C) bewirkt;
wobei der Hebel (26) an das verdrehbar ausgebildete Eingangsglied (29) des Getriebes (29, 34, 35, 36) angreift, dessen Ausgangs­ glied (35) bei Verdrehen des Eingangsglieds (29) die Zahnstange (36) des Lenkgetriebes linear verstellt.