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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Steer-by-wire-Lenksystem, das einen Ausfallsicherungsmechanismus
hat, so ausgelegt, dass, wenn in dem Steer-by-wire-Lenksystem ein
Defekt auftritt, eine mit einem Lenkrad verbundene Welle mit einer
Welle verbunden wird, die mit einem Lenkgetriebe verbunden ist,
um so das Lenken unmittelbar durch das Lenkrad möglich zu machen.
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2. KURZE BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Obwohl
sie gegenwärtig
nicht im Handel erhältlich
sind, ist an verschiedenen Orten die Entwicklung von Steer-by-wire-Lenksystemen,
bei denen das Lenkrad nicht mechanisch mit einem Lenkgetriebe verbunden
ist, im Gange. Dies hat Vorteile, wie beispielsweise die Fähigkeit,
den Radlenkwinkel durch Autogeschwindigkeitserfassung selbsttätig zu steuern
und den Freiheitsgrad der Fahrzeuginnengestaltung zu steigern, und
es wird erwartet, dass es einen stabilisierten Fahrzeuglauf ermöglicht und
die Fahrleistung verbessert.
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Ein
Beispiel solcher Steer-by-wire-Lenksysteme wird unter Bezugnahme
auf 10 beschrieben. Ein Steer-by-wire-Lenksystem 100,
wie es in 10 gezeigt wird, umfasst ein
Lenkrad 110, eine mit dem Lenkrad 110 verbundene
Welle 120, ein Lenkgetriebe 130, eine mit dem
Lenkgetriebe 130 verbundenen Welle 140, einen
an der Welle 120 angebrachten Reaktionssimulator 150,
ein an der Welle 140 angebrachtes Lenkungsstellglied 160,
eine zwischen den Wellen 120 und 140 angebrachte
Sicherheitskupplung 170 und ein Steuergerät 180 zum Steuern
des Reaktionssimulators 150, des Lenkungsstellgliedes 160 und
der Kupplung 170.
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Dieses
Steer-by-wire-Lenksystem 100 ist dafür ausgelegt, zeitgerecht die
durch die Kupplung 170 hergestellte Verbindung zwischen
dem Lenkrad 110 und dem Lenkgetriebe 130 aufzuheben,
um so durch das Steuergerät 180 den
Lenkwinkel des Lenkgetriebes 130 durch das Lenkungsstellglied 160 entsprechend
dem Lenkwinkel des Lenkrades 110 zu steuern, während die
Lenkungsreaktion durch den Reaktionssimulator 150 steuerbar
gemacht wird.
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Bei
einem solchen Steer-by-wire-Lenksystem tritt jedoch, falls im Motor
oder dergleichen (zum Beispiel dem Lenkungsstellglied 160 oder
dem Reaktionssimulator 150) ein Defekt auftreten sollte, manchmal
ein Defekt in der lenkungsbasierten Fahrzeugsteuerung auf. Es ist
vorgeschlagen worden, als Ausfallsicherungsmechanismus eine Magnetkupplung
als die Kupplung 170 zu verwenden, um das Lenkrad und das
Lenkgetriebe miteinander zu verbinden, um so ein Lenken unmittelbar
durch das Lenkrad zu ermöglichen.
Siehe zum Beispiel die japanische Ungeprüfte Patentschrift 2001-301639.
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Ein
in der Patentschrift beschriebenes Steer-by-wire-Lenksystem 200 des
Magnetkupplungstyps, wie es in 11 gezeigt
wird, umfasst ein Lenkrad 210, eine mit dem Lenkrad 210 verbundene Welle 220,
ein Lenkgetriebe 230, das ein Lenkrad ist, eine mit dem
Lenkgetriebe 230 verbundenen Welle 240, eine an
der Welle 220 angebrachte Magnetkupplung 250,
eine an der Welle 240 angebrachte Magnetkupplung 260,
eine diese Magnetkupplungen 250 und 260 verbindende
Welle 270, ein an der Welle 270 angebrachtes Getriebe 280,
einen Motor 290 zum Antreiben des Getriebes 280,
ein an der Welle 240 angebrachtes Getriebe 300,
einen Motor 310 zum Antreiben des Getriebes 300,
einen an der Welle 220 angebrachten Lenkwinkelsensor 320,
ein Steuergerät 330 zum
Steuern der Magnetkupplungen 250 und 260 und der Motoren 290 und 310 durch
die Motoren 290 und 310 und ein Eingangssignal
vom Lenkwinkelsensor 320 und einen Autogeschwindigkeitssensor 340 zum
Erfassen der Autogeschwindigkeit, um die letztere in das Steuergerät 330 einzugeben.
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Das
in der oben erwähnten
Patentschrift beschriebene Steer-by-wire-Lenksystem 200 verwendet
Magnetkupplungen 250 und 260, so dass, falls die
Stromversorgung durch eine Fehlfunktion des elektrischen Systems
oder dergleichen unterbrochen wird, ein Schaltvorgang der Magnetkupplungen 250 und 260 nicht
bewirkt werden kann, was eine unmittelbare Verbindung zwischen dem
Lenkrad 210 und dem Lenkgetriebe 230 unmöglich macht.
Ferner hat die Verwendung von Magnetkupplungen viele Nachteile,
wie beispielsweise die Notwendigkeit, die elektrische Stromversorgungskapazität zu einem
gewissen Maß zu
sichern, und die Notwendigkeit, den Einbauraum zu vergrößern.
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DE 10015922 beschreibt
ein Lenksystem, das einen elektronischen Regler zum Regeln eines Lenkungseinstellungsantriebs
für die
gelenkten Räder
in Abhängigkeit
von der Position eines Handlenkrades hat, zusammen mit einer an
das Lenkrad gekoppelten Widerstandskraftvorrichtung, um ein mechanisches
Lenken zu simulieren. Das richtige Funktionieren des Steer-by-wire-Lenksystems
wird überwacht,
zum Umschalten auf mechanisches Lenken durch Schließen einer
normalerweise offenen Kupplung zwischen dem Lenkrad und einem mechanischen
Lenkmechanismus. Eine Muffe wird koaxial zu der Kupplung angeordnet
und zum Übertragen
der Verschlusskraft durch eine Federvorspannung spiralförmig verschoben,
wobei während
des normalen Funktionierens des Steer-by-wire-Lenksystems ein Elektromotor
die Muffe in der Position mit offener Kupplung hält.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Steer-by-wire-Lenksystem
bereitzustellen, das einen Ausfallsicherungsmechanismus hat, der
weniger durch eine Fehlfunktion eines elektrischen Systems beeinflusst
wird und der einen kompakten Aufbau möglich macht.
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Um
das oben beschriebene Problem zu lösen, stellt die Erfindung ein
Steer-by-wire-Lenksystem bereit, das ein Lenkrad, eine erste, mit
dem Lenkrad verbundene, Welle, einen ersten Motor zum Übertragen
einer Lenkreaktion auf die erste Welle, ein Lenkgetriebe, eine zweite,
mit dem Lenkgetriebe verbundene, Welle, einen zweiten Motor zum Übertragen
einer Lenkkraft auf die zweite Welle und eine zwischen der ersten
und der zweiten Welle angebrachte Kupplung, um die erste und die
zweite Welle zu einem verbundenen Zustand oder einem getrennten
Zustand zu schalten, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung
ein Eingangselement, dem ein Drehmoment von der ersten Welle zugeführt wird,
ein mit der zweiten Welle verbundenes Abtriebselement, einen zwischen
dem Eingangselement und dem Abtriebselement definierten Eingriffselement-Aufnahmeraum
umfasst, und dadurch gekennzeichnet, dass sie in dem Eingriffselement-Aufnahmeraum
angeordnete Eingriffselemente umfasst, wobei die Eingriffselemente
Kegelrollen sind, die zu einem keilartigen Umfangseingriff zwischen
dem Eingangselement und dem Abtriebselement in der Lage sind, wobei
die Kupplung einen Käfig
einschließt,
der die Kegelrollen festhält
und in Axialrichtung beweglich zwischen dem Eingangselement und
dem Abtriebselement angeordnet ist,
wobei der Eingriffselement-Aufnahmeraum
derart definiert ist, dass er zwischen dem Eingangselement und dem
Abtriebselement auf einer Axialseite schmaler ist und sich allmählich zur
entgegengesetzten Seite hin weitet, wobei die schmalere Seite des Eingriffselement-Aufnahmeraums
eine Eingriffsposition hat, wo die Kegelrollen in Umfangseingriff
gebracht werden können,
wobei die breitere Seite eine Aufhebeposition hat, wo der keilartige
Eingriff der Kegelrollen aufgehoben wird, und wobei die Kegelrollen mit
ihren Enden mit dem kleineren Durchmesser zu der schmaleren Seite
des Eingriffselement-Aufnahmeraums
gerichtet sind,
wobei die Kupplung ferner Betätigungsmittel
umfasst, die auf einer Axialseite des Eingriffselement-Aufnahmeraums
angeordnet und geeignet sind, die Kegelrollen in Axialrichtung zu
bewegen zu einer keilartig einrückbaren
Position, wenn sie sich zusammen mit dem Käfig zu einer Axialseite des
Eingriffselement-Aufnahmeraums bewegt haben, und zu einer Position,
in der die Kegelrollen ausgerückt
werden, wenn sie sich zusammen mit dem Käfig in der axial entgegengesetzten
Richtung bewegen, so dass, wenn in dem Steer-by-wire-Lenksystem
ein Defekt auftritt, die Kegelrollen durch das Betätigungselement
zu der keilartig einrückbaren
Position in dem Eingriffselement-Aufnahmeraum
bewegt werden, um die erste und die zweite Welle miteinander zu
verbinden, was folglich das Lenken nicht durch das Steer-by-wire-Lenksystem,
sondern durch Lenken, möglich
macht.
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Bei
dem Steer-by-wire-Lenksystem nach der Erfindung können, selbst
wenn ein Lenken unmöglich
gemacht wird, wie durch einen Motordefekt oder wenn die Energieversorgung
unterbrochen wird, das Lenkrad und das Lenkgetriebe durch die Kupplung miteinander
verbunden werden, womit folglich der Ausfallsicherungsmechanismus
funktioniert. Diese Kupplung ist, anders als eine Klauenkupplung,
ungeachtet eines Eingang-Ausgang-Phasenunterschieds zur Verbindung
in der Lage. Fernerhin sind, verglichen mit einer Magnetkupplung,
Größen- und
Gewichtsverringerung möglich,
und die Kupplung ist ebenfalls vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt
der Energieeinsparung, weil es keine Notwendigkeit gibt, derselben
gleichbleibend Energie zuzuführen.
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Die
Kupplung ist derart angeordnet, dass, wenn das Eingriffselement
zu der keilartig einrückbaren
Position in dem Eingriffselement-Aufnahmeraum bewegt wird, sich
das Abtriebselement begleitend im Verhältnis zu dem Eingangselement
dreht, wodurch die erste und die zweite Welle verbunden werden. Ferner
hört, wenn
das Eingriffselement zu der Position in dem Eingriffselement-Aufnahmeraum
bewegt wird, in der es nicht einrückbar wird, das Abtriebselement
auf, sich begleitend im Verhältnis
zu dem Eingangselement zu drehen, wodurch die Verbindung zwischen
der ersten und der zweiten Welle aufgehoben wird. Die Verwendung
dieser Kupplung macht es möglich,
verglichen mit Magnetkupplungen eine Größenverringerung, eine Gewichtsverringerung
und eine Kostenverringerung zu erreichen, und beseitigt die Notwendigkeit
eines gleichbleibenden Anlegens von Elektroenergie, was unter dem
Gesichtspunkt der Energieeinsparung vorteilhaft ist. Ferner ist
es ebenfalls möglich,
ein Funktionieren des Ausfallsicherungsmechanismus von Hand zu bewirken,
wenn im elektrischen System eine Fehlfunktion auftritt.
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Im
Einzelnen kann die Kupplung in dem Fall, dass ein Defekt in dem
Steer-by-wire-Lenksystem auftritt, von Hand oder selbsttätig betätigt werden,
um die Welle des Lenkrades mit der Welle des Lenkgetriebes zu verbinden,
um so den Zustand herzustellen, in dem das Lenkgetriebe durch das
Lenkrad gelenkt werden kann.
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In
diesem Fall kann ein Ende des Käfigs
mit einer Kerbe geformt sein, um eine elastische Umfangsverformung
des Käfigs
zu ermöglichen.
Dadurch kann, wenn ein eingegebenes Drehmoment übertragen wird oder wenn der
Käfig verhältnismäßig in Axialrichtung
bewegt wird, die im Käfig
erzeugte innere Beanspruchung gemindert werden, und ein Bruch des
Käfigs
kann verhindert werden.
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Ferner
kann ein Kupplungselement bereitgestellt werden, welches entweder
das Eingangselement oder das Abtriebselement in Umfangseingriff nimmt,
und das Kupplungselement kann mit einer Nockenfläche geformt sein, die durch
eine Kegelrolle keilartig in Umfangseingriff genommen werden kann. Folglich
erleichtert das Bereitstellen des Kupplungselements als ein gesondertes
Element, das eine Profilnockenfläche
hat, die durch eine Kegelrolle keilartig in Eingriff genommen werden
kann, das Fertigen, wie beispielsweise das Formen einer Nockenfläche, was es
möglich
macht, eine Kostenverringerung zu erreichen.
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Ferner
kann das Kupplungselement mit einem Führungsabschnitt zum Führen des
Käfigs
in Axialrichtung versehen sein. Dies ermöglicht, dass sich der Käfig in Axialrichtung
in einer geraden Linie bewegt, was das Schräglaufen oder dergleichen der Kegelrolle
unterdrückt,
wodurch verhindert werden kann, dass eine unerwartete Belastung
auf den Käfig ausgeübt wird.
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Ferner
kann das Betätigungsmittel
aus einem elastischen Drückmittel,
um die Kegelrollen, zusammen mit dem Käfig, zu der schmaleren Seite
des Eingriffselement-Aufnahmeraums zu drücken, und einem Eingriffszustand-Aufhebemittel,
um die Kegelrollen, zusammen mit dem Käfig, gegen das elastische Drückmittel
zu der breiteren Seite des Eingriffselement-Aufnahmeraums zu bewegen,
um so den keilartigen Eingriff der Kegelrollen aufzuheben, bestehen.
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In
diesem Fall kann das elastische Drückmittel ein zwischen dem Eingangselement
oder dem Abtriebselement und einem Ende des Käfigs auf der breiteren Seite
des Eingriffselement-Aufnahmeraums eingebautes Federelement sein.
Als Federelement kann zum Beispiel ein Wellenfederelement, das einen
wellenförmigen
Querschnitt hat, eingebaut sein, wodurch eine zuverlässige pressend
drückende Funktion
erzielt werden kann und eine Größenverdichtung
erreicht werden kann.
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Das
Eingriffszustand-Aufhebemittel kann aus einem Betätigungselement,
das einen Pressabschnitt hat, angeordnet in Axialrichtung gegenüberliegend
zum Umfangsrand des Käfigs
auf der Seite der Kegelrollen mit dem kleineren Ende, einem feststehenden
Element, das in Axialrichtung feststehend im Verhältnis zu
dem Eingriffselement-Aufnahmeraum ist, einem Nockenmechanismus,
der, wenn das Betätigungselement
im Verhältnis
zu dem feststehenden Element in einer vorher festgelegten Richtung
gedreht wird, das Betätigungselement
in Axialrichtung bewegt, um durch den Pressabschnitt die Kegelrollen
zusammen mit dem Käfig
pressend zu bewegen, und einem Bedienabschnitt zum drehbaren Bedienen
des Betätigungselements
bestehen.
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Auf
das feststehende Element kann ein Gehäuse aufgebracht sein, das durch
Lager drehbar das Eingangselement und das Abtriebselement ummantelt.
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Ferner
kann ein elastisches Wiederherstellungselement bereitgestellt werden,
um elastische Kraft zu speichern, wenn das Betätigungselement im Verhältnis zu
dem feststehenden Element gedreht wird, und um den Pressabschnitt
des Betätigungselements
von dem Umfangsrand des Käfigs
auf der Seite der Kegelrollen mit dem kleineren Durchmesser zu trennen,
wenn das Betätigungselement
im Verhältnis zu
dem feststehenden Element in der entgegengesetzten Richtung gedreht
wird.
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Das
elastische Wiederherstellungselement kann die Form einer Schraubenfeder
haben, die an dem einen Ende derselben an dem Betätigungselement
und an dem anderen Ende an dem feststehenden Element befestigt ist.
Es ist zu empfehlen, dass eine solche Schraubenfeder in dem Gehäuse angebracht
ist, das als feststehendes Element dient, und an dem einen Ende
derselben an dem Hebel des Betätigungselements
und an dem anderen Ende an dem Gehäuse befestigt ist.
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Der
Ausfallsicherungsmechanismus kann einen Störfall-Erkennungssensor zum
Erkennen eines Störfalls
in dem System, ein Kupplungsschaltstellglied zum Bedienen der Kupplung
und ein Steuergerät
zum Bedienen des Kupplungsschaltstellgliedes auf der Grundlage eines
Störfall-Erkennungssignals von
dem Störfall-Erkennungssensor
umfassen, wobei zu empfehlen ist, dass, wenn durch das Steuergerät ein Störfall-Erkennungssignal
von dem Störfall-Erkennungssensor
empfangen wird, das Steuergerät
durch das Kupplungsschaltstellglied die Kupplung bedient, um die
erste und die zweite Welle miteinander zu verbinden. In diesem Fall
wird, verglichen mit dem Fall, dass der Fahrer die Kupplung von Hand
bedient, nachdem er oder sie einen Störfall erkennt, keine Situation
entstehen, in der zum Beispiel der Fahrer einen Störfall erkennt
und in Panik gerät, was
eine Verzögerung
beim Umschalten der Kupplung verursacht; statt dessen kann der Ausfallsicherungsmechanismus
in einer kurzen Zeit selbsttätig und
unfehlbar funktionieren, so dass die Sicherheit des Steer-by-wire-Lenksystems
verbessert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Steer-by-wire-Lenksystems nach
einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 ist
eine Seitenansicht, im Längsschnitt,
einer ausgeführten
Kupplung, verwendet für das
Steer-by-wire-Lenksystem der Erfindung,
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3 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Kupplungselements
und eines Käfigs
in der Kupplung von 2,
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4 ist
eine vergrößerte Hauptansicht,
die eine an dem Kupplungselement geformte Nockenfläche zeigt,
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5 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung der Kegelrollen zeigt,
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6 ist
eine vergrößere Vorderansicht,
die einen Nockenmechanismus zwischen einem Betätigungselement und einem Gehäuse zeigt,
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7 ist
eine Unteransicht, welche die Position eines Bedienungshebels in
einem nicht verbundenen Zustand zeigt,
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8A ist
eine vergrößerte Hauptlängsschnittansicht,
welche die Positionen des Betätigungselements
und einer Gehäuseabdeckung
in einem nicht verbundenen Zustand zeigt,
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8B ist
eine vergrößerte Hauptlängsschnittansicht,
welche die Positionen des Betätigungselements
und der Gehäuseabdeckung
in einem verbundenen Zustand zeigt,
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9A ist
eine vergrößerte Hauptvorderansicht,
die einen Zustand zeigt, in dem der Nockenmechanismus für das Betätigungselement
und die Gehäuseabdeckung,
die in einem nicht verbundenen Zustand sind, nicht in Eingriff ist,
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9B ist
eine vergrößerte Hauptvorderansicht,
die einen Zustand zeigt, in dem der Nockenmechanismus für das Betätigungselement
und die Gehäuseabdeckung,
die in einem verbundenen Zustand sind, in Eingriff ist,
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10 ist
ein schematisches Diagramm eines Steer-by-wire-Lenksystems unter
Verwendung einer herkömmlichen
Kupplung, und
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11 ist
ein schematisches Diagramm eines Steer-by-wire-Lenksystems unter
Verwendung einer herkömmlichen
Magnetkupplung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird nun ein Steer-by-wire-Lenksystem, das einen Ausfallsicherungsmechanismus
nach einer Ausführungsform
der Erfindung hat, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ein
Steer-by-wire-Lenksystem, das einen Ausfallsicherungsmechanismus
hat, umfasst, wie in 1 gezeigt, ein Lenkrad 1,
eine erste mit dem Lenkrad 1 verbundene Welle 2,
ein Lenkgetriebe 3, eine zweite mit dem Lenkgetriebe 3 verbundene
Welle 4, und eine zwischen der ersten und der zweiten Welle 2 und 4 angebrachte
mechanische Kupplung 5.
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Die
erste Welle 2 hat auf der Seite des Lenkrades 1 einen
ersten, an derselben angebrachten, Motor 7 zum Übertragen
einer Lenkreaktion durch ein Getriebe 6, während die
zweite Welle 4 auf der Seite des Lenkgetriebes 3 einen
zweiten, an derselben angebrachten, Motor 9 zum Übertragen
einer Lenkkraft auf das Lenkgetriebe 3 durch ein Getriebe 8 hat.
Ferner hat die Kupplung 5 einen an derselben angebrachten
Mechanismus (zum Beispiel ein Kupplungsschaltstellglied 13),
um die erste und die zweite Welle 2 und 4 als
Reaktion auf den Zustand des Systems zeitgerecht zu einem verbundenen
oder unverbundenen Zustand zu schalten.
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Ein
Steuerungsmechanismus zum Steuern dieses Steer-by-wire-Lenksystems
umfasst einen beliebigen der verschiedenen Sensoren, wie beispielsweise
einen Lenkwinkelsensor 10 zum Erfassen des Lenkwinkels
des Lenkrades 1, einen Störfall-Erkennungssensor 11 zum
Erkennen eines Störfalles
des Systems, und ein Steuergerät
(eine Steuereinrichtung) 12. Der Lenkwinkelsensor 10 ist
zum Beispiel in der ersten Welle 2 angeordnet, und der
Störfall-Erkennungssensor 11 ist
zum Beispiel in dem ersten Motor 7 und/oder dem zweiten
Motor 9 eingebaut. Das Steuergerät 12 liefert auf der
Grundlage eines Signals bezüglich
des durch den Lenkwinkelsensor 10 erfassten Lenkwinkels
und eines Störfallsignals von
dem Störfall-Erkennungssensor 11 Steuerungssignale
an den ersten und den zweiten Motor 7 und 9 und
das Kupplungsschaltstellglied 13. Und die Kupplung 5 ist
dafür eingerichtet,
zeitgerecht durch das Kupplungsschaltstellglied 13 bedient
zu werden, um die erste und die zweite Welle 2 und 4 auf
der Seite des Lenkrades 1 bzw. auf der Seite des Lenkgetriebes 3 miteinander
zu verbinden oder zu trennen, und damit eine Reaktionskraft, die
dem Lenkwinkel des Lenkrades 1 entspricht, durch den ersten
Motor 7 der ersten Welle 2 mitgeteilt wird und
das Lenkgetriebe 3 durch den zweiten Motor 9 und
durch die zweite Welle 4 verstärkt gelenkt wird. Ferner liefert
das Steuergerät 12,
wenn der Störfall-Erkennungssensor 11 einen
Störfall
des Steer-by-wire-Lenksystems erkennt, auf der Grundlage eines Störfallsignals
von dem Störfall-Erkennungssensor 11 ein
Steuerungssignal an das Kupplungsschaltstellglied 13. Und
die Kupplung 5 ist dafür
eingerichtet, durch das Kupplungsschaltstellglied 13 geschaltet
zu werden, so dass sie die erste und die zweite Welle 2 und 4 miteinander verbindet.
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Die
Anordnung und Bedienung der in diesem Ausfallsicherungsmechanismus
für Steer-by-wire-Lenksysteme verwendeten
Kupplung 5 werden weiter unten beschrieben.
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Die
Kupplung 5 umfasst, wie in 2 gezeigt,
eine Antriebswelle 51, die als Gehäuse dient und mit der ersten
Welle 2 verbunden ist, damit ihr Drehmoment derselben zugeführt wird,
ein an der Innenumfangsfläche
des zylindrischen Abschnitts 51a der Antriebswelle 51 angebrachtes
Kupplungselement 52, Kegelrollen 53, die als Eingriffselemente dienen,
einen Käfig 54 zum
Festhalten der Kegelrollen 53, eine Wellenfeder 55,
die als elastisches Drückmittel
zum Pressen des Käfigs 54 in
Axialrichtung dient, eine Abtriebswelle 56, die als angetriebenes
Element dient, das mit der zweiten Welle 4 verbunden ist,
einen zwischen dem Kupplungselement 52 und der Abtriebswelle 56 definierten
Eingriffselement-Aufnahmeraum 58 und ein Betätigungselement 59,
das als Bedienungselement dient, das einen Bedienungshebel 60 hat.
Zusätzlich
zeigt 2 einen Zustand, in dem die Abtriebswelle 56 sich,
angetrieben durch die Antriebswelle 51, dreht und in dem
die erste und die zweite Welle 2 und 4 miteinander
verbunden sind.
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Das
Kupplungselement 52 ist, wie in 3 gezeigt,
ein wesentlich zylindrisches Element, das einen Außendurchmesser
hat, um an der Innenumfangsfläche
des zylindrischen Abschnitts 51a der Abtriebswelle 51 angebracht
zu werden. Die Umfangskante der einen Seite des Kupplungselements 52 in Axialrichtung
(in der Abbildung die obere Umfangskante) ist mit mehreren in Axialrichtung
verlaufenden Eingriffsstücken 52a versehen,
die umlaufend in vorher festgelegten Abständen angeordnet sind. Ferner ist,
wie in 4 gezeigt, die Innenumfangsfläche des Kupplungselements 52 mit
mehreren Nockenflächen 52b geformt,
dafür eingerichtet,
durch die Kegelrollen 53 in Eingriff genommen zu werden,
wie später
beschrieben wird, umlaufend in vorher festgelegten Abständen entsprechend
den Taschen 54a des Käfigs 54 angeordnet.
Diese Nockenfläche 52b ist
derart geformt, dass sie, damit die Kegelrolle 53 sie sowohl vorwärts als
auch rückwärts in Eingriff
nimmt, in der Mitte tief ist, wobei sie von der Mitte zu beiden
Seiten hin, gesehen in der Drehrichtung, allmählich flacher wird.
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Der
Käfig 54 ist,
wie in 3 gezeigt, ein wesentlich zylindrisches Element,
das einen Außendurchmesser
hat, um an der Innenumfangsfläche des
Kupplungselements 52 angebracht zu werden, und ist mit
mehreren Taschen 54a geformt, die umlaufend in vorher festgelegten
Abständen
angeordnet sind, um die Kegelrollen 53 aufzunehmen. Dieser
Käfig 54 hat,
wie in 5 gezeigt, zum Beispiel 12 Taschen 54a,
die umlaufend in gleichen Abständen
geformt sind. Jede Tasche 54a des Käfigs 54 ist dafür eingerichtet,
die Kegelrolle 53 mit einem Zwischenraum von 0,1 mm oder
weniger in Umfangsrichtung oder einem geringfügigen Unterschnitt und mit
einem Zwischenraum von 0,2 mm oder weniger in Axialrichtung aufzunehmen.
Außerdem
ist die Tasche 54a des Käfigs 54, wenigstens
entweder auf der Außendurchmesserseite
oder auf der Innendurchmesserseite, mit einem Vorsprung geformt,
der von der Tasche 54a nach innen vorspringt, um so zu
verhindern, dass die Kegelrolle 53 aus der Tasche 54a herausfällt.
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Ferner
hat der Käfig 54,
wie in 3 gezeigt, an dem einen Axialende (in der Abbildung
dem oberen Ende) umlaufend in vorher festgelegten Abständen mehrere
in Radialrichtung nach außen
vorstehende Eingriffsvorsprünge 54b.
Die Eingriffsvorsprünge 54b sind
derart angeordnet, dass sie zwischen den Eingriffsstücken 52a, 52a des
Kupplungselements 52 eingebaut werden können. Die Eingriffsvorsprünge 54b und
die Eingriffsstücke 52a des Kupplungselements 52 sind
in Umfangsrichtung miteinander in Eingriff gebracht, und der Käfig 54 ist
in den Innenumfang des Kupplungselements 52 eingebaut.
Ferner ist jeder Eingriffsvorsprung 54b in Radialrichtung
an seiner Umfangsmitte mit einer Kerbe 54c geformt.
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Der
Käfig 54 ist,
wie in 3 gezeigt, in den Innenumfang des Kupplungselements 52 eingebaut, wobei
die Eingriffsstücke 52a des
Kupplungselements 52 mit dem Eingriffsvorsprung 54b des
Käfigs 54 in
Eingriff sind. Der Käfig 54 und
das Kupplungselement 52 sind, wie in 2 gezeigt,
in ihrem montierten Zustand in der Innenumfangsfläche der
Antriebswelle 51 angebracht, wobei die Eingriffsstücke 52a des
Kupplungselements 52 an der Innenfläche des zylindrischen Abschnitts 51a der
Antriebswelle 51 eingebaut sind. Dies ermöglicht,
dass der Käfig 54 und
das Kupplungselement 52 an der Antriebswelle 51 befestigt
werden.
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Das
so in die Antriebswelle 51 eingebaute Kupplungselement 52 dreht
sich auf Grund des Eingriffs der Eingriffsstücke 52a mit dem Umfang
der Antriebswelle 51 integral mit der Antriebswelle 51.
Ferner dreht sich der Käfig 54,
da die Eingriffsvorsprünge 54b in
Umfangsrichtung in Eingriff mit den Eingriffsstücken 52a des Kupplungselements 52 sind,
integral mit dem Kupplungselement 52 und der Antriebswelle 51 und
kann, geführt
durch die Eingriffsstücke 52a des
Kupplungselements 52, in Axialrichtung verschoben werden.
Folglich haben die Eingriffsstücke 52a des
Kupplungselements 52 die Funktion einer Führung zum
Führen
des Käfigs 54 in Axialrichtung.
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Zusätzlich wird,
obwohl sie in der Illustration weggelassen ist, beim Einbauen des
Käfigs 54 in
die Antriebswelle 51 eine Befestigungslehre verwendet, wobei
die Kegelrollen 53 am Käfig 54 befestigt
sind. Ferner wird, wie in 2 gezeigt,
beim Zusammenbauen der Antriebswelle 51, des Kupplungselements 52,
des Käfigs 54 und
der Kegelrollen 53 eine Wellenfeder 55 zwischen
der Antriebswelle 51 und den Eingriffsvorsprüngen 54b des
Käfigs 54 eingebaut.
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Die
Abtriebswelle 56 hat, wie in 2 gezeigt,
einen Verjüngungsabschnitt 56a mit
einer Durchmesserzunahme in Axialrichtung an der Außenumfangsfläche des
Zwischenabschnitts. Die im Durchmesser verringerte Seite (in der
Abbildung die obere Seite) des Verjüngungsabschnitts 56a hat
drei Niveauunterschiede, um den Durchmesser stufenweise zu verringern.
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Die
in 2 gezeigte Baugruppe aus Antriebswelle 51,
Kupplungselement 52, Käfig 54 und Kegelrollen 53 wird
von dem Ende auf der im Durchmesser verringerten Seite des Verjüngungsabschnitts 56a aus
an der Abtriebswelle 56 angebracht. Die Wellenfeder 55 ist
im ersten Niveauunterschiedsabschnitt der Abtriebswelle 56 eingebaut,
der zweite Niveauunterschiedabschnitt ist frei gelassen, und der dritte
Niveauunterschiedsabschnitt ist durch ein Lager 57 drehbar
für eine
Drehung im Verhältnis
zur Antriebswelle 51 angebracht.
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In
diesem Zustand wird der Eingriffselement-Aufnahmeraum 58,
der sich allmählich
in Axialrichtung zu der einen Axialseite (in der Abbildung der unteren
Seite) hin verengt, wird zwischen dem Verjüngungsabschnitt 56a der
Abtriebswelle 56 und der Innenumfangsfläche des Kupplungselements 52 definiert,
und die in den Taschen 54a des Käfigs 54 aufgenommenen
Kegelrollen 53 sind in diesem Eingriffselement-Aufnahmeraum 58 aufgenommen.
Die schmalere Seite 58a dieses Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 stellt
eine Eingriffsposition bereit, in der den Kegelrollen 53 ermöglicht wird,
die Nockenflächen 52b des
Kupplungselements 52 in keilartigen Umfangseingriff zu
nehmen, während
die breitere Seite 58b des Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 eine
Aufhebeposition bereitstellt, in welcher der keilartige Umfangseingriff
der Kegelrollen 53 aufgehoben wird, da der Raum zwischen
der Verjüngung 56a der
Abtriebswelle 56 und der Innenumfangsfläche des Kupplungselements 52 breiter
ist als der Außendurchmesser
der Kegelrollen 53.
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Das
Betätigungselement 59 ist
mittig mit einem Loch 59a für eine lose Passung an der
Abtriebswelle 56 geformt. Das Betätigungselement 59 wird von
dem Ende auf der im Durchmesser verringerten Seite des Verjüngungsabschnitts 56a aus
an der Abtriebswelle 56 angebracht. Das Innendurchmesser-Ende
des Lochs 59a im Betätigungselement 59 und
seine Nachbarschaft dienen als Pressabschnitt 59b zum Pressen
des Käfigs 54.
Die gegenüberliegende
Fläche
des Betätigungselements 59 (die
Fläche,
die dem Käfig 54 nicht
gegenüberliegt)
ist, wie in 6 gezeigt, mit mehreren Keilvorsprüngen 59c geformt,
die in Umfangsrichtung (in der Abbildung der Richtung nach links,
wenn von der Seite des unteren Endes der Abtriebswelle 56 auf
das Betätigungselement 59 gesehen
wird) allmählich
vorspringen.
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Die
Gehäuseabdeckung 61 ist
ein Abdeckelement zum Abdichten des offenen Endes des den Kupplungsabschnitt
ummantelnden Gehäuses
(der Antriebswelle) 51 und wirkt mit der Antriebswelle 51 zusammen,
um das Gehäuse
zu bilden. Eine Öffnung 62,
die sich in Umfangsrichtung öffnet,
ist zwischen dem unteren Ende der Antriebswelle 51 und
dem oberen Abschnitt der Gehäuseabdeckung 61 geformt,
und der Bedienungshebel 60 des Betätigungselements 59 erstreckt
sich von der Öffnung 62 aus, bis
er sich außerhalb
des Gehäuses
(der Antriebswelle 51) und der Gehäuseabdeckung 61 befindet,
so dass der Bedienungshebel 60 zum Drehen bedient werden
kann.
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Die
Gehäuseabdeckung 61 wird
von der im Durchmesser verringerten Seite des Verjüngungsabschnitts 56a der
Abtriebswelle 56 aus angebracht, wobei ihre Innenfläche 61a dem
Betätigungselement 59 gegenüberliegt.
Die Innenfläche 61a der
Gehäuseabdeckung 61 ist,
wie in 6 gezeigt, mit einem Keilvorsprung 61b geformt,
der in einer Richtung, entgegengesetzt zu derjenigen für den Keilvorsprung 59c des
Betätigungselements 59 (in 2),
der Richtung nach rechts, wenn von der unteren Seite der Abtriebswelle 56 auf
die Gehäuseabdeckung 61 gesehen
wird, allmählich
vorspringt, um mit dem Keilvorsprung 59c des Betätigungselements 59 ineinanderzugreifen.
Der an der Gehäuseabdeckung 61 geformte
Keilvorsprung 61b und die am Betätigungselement 59 geformten
Keilvorsprünge 59c bilden
ein Paar eines Nockenmechanismus 63, um das Betätigungselement 59 in
Axialrichtung (in der Abbildung nach oben) zu bewegen.
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Das
Gehäuse
(die Antriebswelle) 51 ist, wie oben beschrieben, durch
ein am dritten Niveauunterschiedsabschnitt der Abtriebswelle 56 eingebautes Lager 57 drehbar
an der Abtriebswelle 56 befestigt, und die Gehäuseabdeckung 61 ist,
wie in 2 gezeigt, durch ein zwischen der Gehäuseabdeckung 61 und
der Abtriebswelle 56 eingebautes Lager 64 drehbar
an der Abtriebswelle 56 befestigt und ist durch ein Befestigungsmittel,
wie beispielsweise Umschlagen durch Hohlnietenbildung, befestigt.
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Die
Antriebswelle 51, das Kupplungselement 52, das
Betätigungselement 59 und
die Gehäuseabdeckung 61 können, etwa
durch Kaltpressarbeit, zu niedrigen Kosten hergestellt werden.
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Als
nächstes
wird der Betrieb dieser Kupplung 5 beschrieben. Diese Kupplung 5 ist,
wie in 7 gezeigt, derart angeordnet, dass die Antriebswelle 51 und
die Abtriebswelle 56, wenn der keilartige Eingriff der
Kegelrollen 53 durch Schwenken des Bedienungshebels 60 des
Betätigungselements 59 nach
links (Position der durchgehenden Linie) aufgehoben wird, in einen
getrennten Zustand gebracht werden, so dass die erste und die zweite
Welle 2 und 4 getrennt werden.
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Im
Einzelnen wird der Bedienungshebel 60, wie in der linken
Position der durchgehenden Linie von 7 gezeigt,
gegen den Uhrzeigersinn zu einer Position geschwenkt, in welcher
der Keilvorsprung 59c des Betätigungselements 59 und
der Keilvorsprung 61b der Gehäuseabdeckung 61 ineinandergreifen.
Dadurch bewegt sich der Keilvorsprung 59c des Betätigungselements 59,
wie in 8A und 9A gezeigt,
auf den Keilvorsprung 61b der Gehäuseabdeckung 61 und
danach in Axialrichtung nach oben. Der Käfig 54 wird durch
den Pressabschnitt 59b des Betätigungselements 59 gegen
die elastische Kraft der Wellenfeder 55 zur breiteren Seite 58b des
Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 hinaus gedrückt, und
die Kegelrollen 53 bewegen sich zusammen mit dem Käfig 54 zur
breiteren Seite 58b des Eingriffselement-Aufnahmeraums 58.
Wenn der Käfig 54 auf
der breiteren Seite 58b des Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 angeordnet
ist, ist der Zwischenraum zwischen der Abtriebswelle 56 und
dem Kupplungselement 52 breiter, so dass der keilartige Umfangseingriff
der Kegelrollen mit den im Kupplungselement 52 geformten
Nockenflächen 52b aufgehoben
ist.
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Zu
diesem Zeitpunkt, wenn das Drehmoment der Antriebswelle 51 von
der mit dem Lenkrad 1 verbundenen ersten Welle 2 zugeführt wird,
drehen sich die Kegelrollen 53 zusammen mit dem Käfig 54,
dem Kupplungselement 52 und der Antriebswelle 51;
da jedoch der Zwischenraum zwischen der Abtriebswelle 56 und
dem Kupplungselement 52 breiter ist, nehmen die Kegelrollen 53 die
Nockenflächen 52b des Kupplungselements 52 nicht
keilartig in Eingriff, so dass das Drehmoment nicht zur Abtriebswelle 56 übertragen
wird. Dadurch wird das Drehmoment nicht von der ersten Welle 2 zur
zweiten Welle 4 übertragen,
was es unmöglich
macht, das Lenkgetriebe 3 unmittelbar durch das Lenkrad 1 zu
lenken. Ferner wird in diesem Zustand, falls das Drehmoment umgekehrt
vom Lenkgetriebe 3 der Abtriebswelle 56 zugeführt wird,
das Drehmoment auch nicht zur Antriebswelle 51 übertragen,
und es kommt nicht dazu, dass der Lenkwiderstand des Lenkgetriebes 3 unmittelbar zum
Lenkrad 1 übertragen
wird.
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Andererseits
wird, wenn der Bedienungshebel 60 des Betätigungselements 59 in
der Richtung nach links von 7 (der in
Phantomlinien gezeigten Position) geschwenkt wird, der Käfig 54,
wie in 8B und 9B gezeigt,
durch die Wellenfeder 55 elastisch zu der schmaleren Seite 58a des
Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 gedrückt, und
die Kegelrollen 53 werden, zusammen mit dem Käfig 54, in
die schmalere Seite 58a des Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 gedrückt. Zu
diesem Zeitpunkt verleiht die Wellenfeder 55 den Kegelrollen 53 eine
stabilisierte Drückkraft
gegen die Eingriffsflächen
der Abtriebswelle 56 und des Kupplungselements 52. Wenn
sich der Käfig 54 auf
der schmaleren Seite 58a des Eingriffselement-Aufnahmeraums 58 befindet,
ist der Zwischenraum in Radialrichtung zwischen der Abtriebswelle 56 und
dem Kupplungselement 52 schmaler, so dass, wenn das Drehmoment
der Antriebswelle 51 zugeführt wird, die Kegelrollen 53 die im
Kupplungselement 52 geformten Nockenflächen 52b keilartig
in Umfangseingriff nehmen. Dadurch wird, wenn das Drehmoment der
Antriebswelle 51 von der mit dem Lenkrad 1 verbundenen
ersten Welle 2 zugeführt
wird, das Drehmoment zur Abtriebswelle 56 übertragen,
so dass die Abtriebswelle 56 für eine Drehung sowohl in Vorwärts- als
auch in Rückwärtsrichtung
im Verhältnis
zur Antriebswelle 51 angetrieben wird und das Lenkgetriebe 3 unmittelbar durch
das Lenkrad 1 gelenkt werden kann. Ferner wird in diesem
Fall ebenfalls, falls das Drehmoment umgekehrt von der mit dem Lenkgetriebe 3 verbundenen
Abtriebswelle 56 der Abtriebswelle 56 zugeführt wird,
das Drehmoment umgekehrt von der Abtriebswelle 56 der Antriebswelle 51 zugeführt, da
sich die Kegelrollen 53 in keilartigem Umfangseingriff
mit den im Kupplungselement 52 geformten Nockenflächen 52b befinden.
Daher kommt es dazu, dass der Lenkwiderstand des Lenkgetriebes 3 unmittelbar zum
Lenkrad 1 übertragen
wird.
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Wenn
folglich die mit dem Lenkrad 1 verbundene erste Welle 2 und
die mit dem Lenkgetriebe 3 verbundene zweite Welle von
dem getrennten zu dem verbundenen Zustand umgeschaltet werden sollen,
ist zu empfehlen, dass der Bedienungshebel 60 nach rechts
geschwenkt wird. Diese Kupplung 5 ist mit einer Schraubenfeder 65 versehen,
die als Rückstellfeder
dient, die zwischen dem Gehäuse (der
Antriebswelle) 51 und dem Bedienungshebel 60 angeordnet
ist, so dass, wenn der Bedienungshebel 60 nach rechts geschwenkt
wird, um den Eingriff zwischen dem Keilvorsprung 59c des
Betätigungselements 59 und
dem Keilvorsprung 61b der Gehäuseabdeckung 61 aufzuheben,
der Bedienungshebel 60 durch die Schraubenfeder 65 selbsttätig nach
links geschwenkt wird, um zu seiner Ausgangsposition zurückzukehren.
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Zu
diesem Zeitpunkt erlauben die in den Eingriffsvorsprüngen 54b des
Käfigs 54 geformten
Kerben 54c (siehe 3) eine
elastische Umfangsverformung des Käfigs 54, so dass verhindert
wird, dass der Käfig 54 zerbrochen
wird, obwohl der Käfig 54 durch
die Kegelrollen 53 einer großen Kraft in Umfangsrichtung
ausgesetzt wird.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 wird der Betrieb des Steer-by-wire-Lenksystems
und seines Ausfallsicherungsmechanismus beschrieben.
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Wenn
das Steer-by-wire-Lenksystem normal funktioniert, wird die Kupplung 5 von
dem Steuergerät 12 durch
das Kupplungsschaltstellglied 13 auf der Grundlage eines
Eingangssignals von einem Sensor, wie beispielsweise dem Lenkwinkelsensor 10,
bedient, und die mit dem Lenkrad 1 verbundene erste Welle 2 und
die mit dem Lenkgetriebe 3 verbundene zweite Welle 4 werden
zeitgerecht miteinander verbunden oder getrennt. Und die Anordnung
ist derart, dass, wenn die erste und die zweite Welle 2 und 4 durch
die Kupplung 5 getrennt worden sind, der Lenkwinkel der
ersten Welle 2 durch den Lenkwinkelsensor 10 erfasst
wird, wobei der erste Motor 7 durch das Steuergerät 12 angesteuert
wird, dem Lenkrad 1 durch die erste Welle 2 eine
passende Lenkreaktion mitgeteilt wird und der zweite Motor 9 angesteuert wird,
um der zweiten Welle 4 einen Lenkwinkel zu verleihen, der
dem Lenkwinkel der ersten Welle 2 entspricht, wodurch das
Lenkgetriebe 3 beim Lenken unterstützt wird.
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Wenn
ein Motordefekt oder dergleichen in dem Steer-by-wire-Lenksystem
auftritt, erkennt der Ausfallsicherungsmechanismus für Steer-by-wire-Lenksysteme
den Störfall,
zum Beispiel auf der Grundlage eines Störfall-Erkennungssignals von dem
Störfall-Erkennungssensor 11,
wobei der Bedienungshebel 60 der Kupplung 5, selbsttätig oder
von Hand, durch eine äußere Kraft
zur Sperrposition bewegt wird, was die mit dem Lenkrad 1 verbundene erste
Welle 2 und die mit dem Lenkgetriebe 3 verbundene
zweite Welle 4 miteinander verbindet und folglich einen
Zustand herstellt, in dem das Lenkgetriebe 3 unmittelbar
durch das Lenkrad 1 gelenkt werden kann.
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Wenn
gewünscht
wird, dass der Ausfallsicherungsmechanismus selbsttätig funktioniert,
ist zu empfehlen, auf der Grundlage eines Störfall-Erkennungssignals vom
Störfall-Erkennungssensor 11 ein Steuerungssignal
vom Steuergerät 12 zum
Kupplungsschaltstellglied 13 zu senden, um so die Kupplung 5 durch
das Kupplungsschaltstellglied 13 zu bedienen. Das Kupplungsschaltstellglied 13 wird
zum Beispiel durch die Verwendung eines Elektromagneten konstruiert.
Es ist zu empfehlen, dass die Anordnung derart ist, dass, wenn ein
Störfall
erkannt wird, die Stromzufuhr zu dem Elektromagneten unterbrochen
wird und der Bedienungshebel 60 der Kupplung 5 durch
das elastische Element, wie beispielsweise eine Feder, bedient wird,
um sich zu der Sperrposition zu bewegen.
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Bisher
sind der Ausfallsicherungsmechanismus für Steer-by-wire-Lenksysteme
und das Steer-by-wire-Lenksystem
nach einer Ausführungsform
der Erfindung beschrieben worden, aber die Erfindung ist nicht auf
die obige Ausführungsform
begrenzt.
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Insbesondere
ist die Kupplung 5 nicht darauf begrenzt, was durch die
Ausführungsform
gezeigt worden ist, und es können
andere Anordnungen verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie die
gleiche Funktionsweise haben wie oben beschrieben.