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Diese Erfindung betrifft an Säulen angebaute elektrisch
betätigte
Lenkvorrichtungen für
Fahrzeuge und insbesondere Vorrichtungen der Art, bei der die Säule um einen
Drehpunkt relativ zur Fahrzeugkarosserie schwenkbar ist, so dass
die relative Position eines Lenkrades entsprechend den Erfordernissen eines
Fahrers eingestellt werden kann.
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Die Bereitstellung einer elektrisch
betätigten Lenkvorrichtung,
die einen Elektromotor als Quelle für ein Hilfsdrehmoment für den Fahrer
verwendet, ist bekannt. Dieser ist mit der Lenksäule über ein Getriebe verbunden.
Der Elektromotor, seine zugehörige Antriebs-
und Steuerschaltung und das Getriebe können auf der Lenksäulenwelle
so montiert werden, dass die Welle das Gewicht der Anordnung trägt. Die Lenksäule und
das Getriebe können
eine integrale Lenksäulenanordnung
bilden.
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Es ist ebenfalls bekannt, die Lenksäule mittels
eines im Wesentlichen waagrechten Drehzapfens, dessen Drehachse
im Wesentlichen senkrecht zur Lenksäulenwelle verläuft, an
der Fahrzeugkarosserie zu befestigen. Die Lenksäule kann damit so um den Drehpunkt
geschwenkt werden, dass gleichzeitig eine Höhen- und Neigungseinstellung
des Lenkrades vorgenommen werden kann. Die Verwendung einer solchen
einfachen schwenkbaren Lenksäule
ist im Stand der Technik hinreichend bekannt.
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Ein Problem ergibt sich, wenn die
Verwendung einer schwenkbaren Lenksäule mit einer elektrisch betätigten Lenkvorrichtung
kombiniert wird. Der Motor beaufschlagt die Lenksäule über das
Getriebe mit einem erforderlichen Hilfsdrehmoment, erzeugt dabei
aber ein Reaktions-Drehmoment, das über den Drehpunkt von der Fahrzeugkarosserie
aufgenommen werden muss. Aufgrund von Kostenbeschränkungen
während
der Konstruktion existiert oft ein gewisses Spiel im Drehpunkt und
die Auswirkung des Reaktions-Drehmomentes ist, dass sich die Lenksäule geringfügig um den
Drehzapfen bewegt. Diese Bewegung kann unerwünschte Geräusche und Vibration der Lenksäule erzeugen,
z. B. immer dann, wenn sich das Motordrehmoment ändert.
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Eine Lösung des Problems, dem vom
Motor erzeugten Drehmoment entgegenzuwirken, wäre die Verwendung von Buchsen
hoher Präzision
oder die Sicherstellung, dass am Drehpunkt kein Spiel vorhanden
ist. Diese Vorgehensweise des "Konstruktions-Überaufwandes" zur Beseitigung
der Vibrationssymptome beseitigt jedoch nicht wirk lich die Quelle des
Problems und das Problem würde
bei Verschleiß der
Drehzapfenbuchsen wieder auftreten.
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Gemäß unserer Erfindung sind in
einer Lenkvorrichtung mit einer verstellbaren Lenksäulenanordnung,
die um einen Punkt entlang ihrer Länge relativ zu einer Einbauhalterung
schwenkbar ist, wobei die Säulenanordnung
mindestens eine Lenksäule
und ein relativ zu dieser Säule
feststehendes Getriebe aufweist, wobei das Getriebe ein von einem
Elektromotor erzeugtes Drehmoment auf die Lenksäule überträgt, Vorspannmittel zwischen
der Lenksäulenanordnung
und der Einbauhalterung vorhanden, wobei die Vorspannmittel eine
Torsionskraft zwischen der Einbauhalterung und der Lenkvorrichtung
auszuüben
vermögen,
die zum Aufnehmen jeglichen Radialspiels im Drehpunkt ausreichend
ist.
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Am meisten bevorzugt ist die von
den Vorspannmitteln auf die Lenksäulenanordnung ausgeübte Torsionskraft
(oder das Drehmoment) größer als die
maximale Reaktions-Torsionskraft,
die aufgrund des Motorbetriebs auf den Drehpunkt ausgeübt werden
kann. Auf diese Weise übersteigt
die Vorspannkraft stets die Reaktionskraft des Motors, so dass das freie
Spiel im Drehpunkt unter allen Bedingungen beseitigt ist.
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Die Vorspannmittel können eine
Federanordnung aufweisen, die an der Lenkvorrichtung an einem zur
Achse der Lenksäule,
um die das Reaktions-Drehmoment durch den Motor erzeugt wird, seitlich
versetzten Punkt angebracht ist. Die Federanordnung kann am Gebtriebe
angebracht sein. Die Federanordnung kann eine einzige Feder aufweisen,
die über
die Lenksäulenanordnung
eine Torsionskraft auf den Drehpunkt ausübt. Die Feder kann eine Schraubenfeder
sein.
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Bei einer Abwandlung können die
Vorspannmittel ferner so ausgeführt
sein, dass sie das gesamte oder zumindest einen Teil des unausgeglichenen Gewichts
der Lenksäulenanordnung
auszugleichen vermögen,
wodurch die Höhenverstellung
des Lenkrades erleichtert wird. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht,
dass ein Anbaupunkt für
die Vorspannmittel an der Lenksäulenanordnung
vorhanden ist, der radial gegenüber
der Drehpunktachse parallel zur Lenksäulenachse sowie seitlich zur
Lenksäulenachse
versetzt ist.
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Vorzugsweise weist der Drehpunkt
einen Drehzapfen auf, der an jedem Ende zum Eingriff mit der Einbauhalterung
und zur Abstützung
der Lenkanordnung ausgeführt
ist, indem er an einer Stelle um die Mitte des Drehzapfens durch
einen Abschnitt des Getriebegehäuses
verläuft.
Alternativ kann der Drehzapfen voneinander beab standete erste und
zweite Drehzapfen aufweisen, wobei jeder Drehzapfen die Lenkanordnung
an der entsprechenden Seite der Achse der Lenksäulenanordnung abstützt. Die
Drehzapfen können
sich in Buchsen in Öffnungen
in der Halterung drehen.
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Ferner kann eine Klemmeinrichtung
so ausgeführt
sein, dass sie die Lenkanordnung in einer vorgegebenen Position
fixieren kann, sobald eine Neigungswinkeleinstellung durchgeführt worden
ist. Die Klemmeinrichtung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass
sie den Großteil
des Reaktions-Drehmoments durch den Drehpunkt und nicht durch die Klemme
auf die Einbauhalterung zu übertragen
vermag, da die Drehzapfenmittel aus sehr steifen Komponenten bestehen.
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Durch die Bereitstellung von Vorspannmitteln
ist es deshalb möglich,
jeglichen unerwünschten Vibrationseffekt
auszuschalten, der durch Radialspiel zwischen dem/den Drehzapfen
und der/den entsprechenden Öffnung(en)
oder Buchse(n) in der Einbauhalterung und der Lenksäulenanordnung
entstehen kann.
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Nunmehr wird nur beispielhaft eine
Ausführungsform
einer Lenkvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
von denen:
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1 eine
Ansicht einer Lenkvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
Ansicht entlang der Lenksäulenachse
in der in 1 angegebenen
Richtung A ist;
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3 ein
Kraftdiagramm entsprechend der in 1 dargestellten
Ansicht ist; und
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4 ein
zweites Kraftdiagramm entsprechend der in 2 dargestellten Ansicht ist.
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Die in 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen
dargestellte Lenksäulenanordnung
weist eine Lenksäule 1,
ein an einem ersten Ende der Lenksäule 1 angebrachtes
Lenkrad 2 und einen am entgegengesetzten Ende der Lenksäule vorgesehenen
Keil 3 auf, der über
eine Zwischenwelle (nicht dargestellt) mit einem Zahnstangentrieb
in Eingriff steht. Es versteht sich jedoch, dass die Lenksäule 1 zum
Einbau in jede der wohlbekannten Lenkgetriebeanordnungen geeignet
ist und nicht auf einen Einsatz mit einem Zahnstangentrieb beschränkt ist.
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Die Lenksäule 1 trägt ein Gussteil 4,
das in dem Ausführungsbeispiel
ein Gehäuse
für den
Elektromotor, ein Getriebe, einen Drehmomentsensor und eine elektronische
Schaltung eines elektrisch betätigten
Lenksystems wie das in unserer britischen Patentanmeldung GB 9626298.5
offenbarte bildet. Der Motor (nicht dargestellt) ragt aus dem Gussteil 4 heraus
und wird durch eine Motorabdeckung 5 gesichert.
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Die gesamte oben beschriebene Anordnung ist über einen
einzigen Drehzapfen 7 an einer Einbauhalterung 6 aus
gepresstem Metall oder Kunststoff angebracht. Der Drehzapfen 7 greift
an seinen Enden über
zwei Löcher 8a, 8b in
der Einbauhalterung in die Einbauhalterung 6 ein. Die Achse
des Drehzapfens 7 verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Lenksäule 1 und ist geringfügig versetzt,
um die Verbindung von der Lenksäule 1 zur Zwischenwelle
(nicht dargestellt) über
den Keil 3 zu erleichtern.
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Im in ein Fahrzeug eingebauten Zustand
ist die Einbauhalterung 6 so fixiert, dass der Drehzapfen 7 im
Wesentlichen waagrecht liegt, wodurch die Säule 1 in einer senkrechten
Ebene um den Drehzapfen 7 geschwenkt werden kann. Dies
ermöglicht
es, die Neigung (oder Höhe)
des Lenkrades 2 einzustellen.
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Um die Lenksäule in der gewünschten
Neigung zu sichern, ist ein Klemm- oder Sperrmechanismus 12 vorhanden,
der eine Klinkeneinrichtung 13 aufweist, die mit einer
Bohrung 14 in einem Abschnitt der Einbauhalterung 6 zusammenwirkt.
Die Klinkeneinrichtung 13 kann freigegeben werden, um eine Schwenkbewegung
der Lenksäule 1 zu
gestatten, oder verriegelt werden, um unerwünschte Bewegungen zu verhindern.
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Aus 2 der
Zeichnungen ist ersichtlich, dass ein vom Elektromotor 4 auf
die Lenksäule 1 ausgeübtes Drehmoment
ein Reaktions-Drehmoment T erzeugt, das von der Lenksäulenanordnung über den Drehzapfen 7 auf
die Halterung übertragen
werden muss. Ist jedoch an der Berührungsfläche zwischen dem Drehzapfen 7 und
den Einbaubohrungen 8a, 8b in der Einbauhalterung 6 Radialspiel
vorhanden, kann sich die Lenksäule
radial um den Drehzapfen 7 bewegen.
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Ferner wird, wie aus 1 zu ersehen ist, das Gewicht der Lenksäule und
der elektrisch betätigten
Lenkvorrichtung im Gussteil 4 im Wesentlichen vom Drehzapfen 7 getragen.
Es kann sich deshalb aufgrund des erhöhten Gewichts als schwierig
erweisen, die Lenksäule
in die korrekte Neigung zu bewegen.
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Um das Problem der unerwünschten
Bewegungen der Lenksäulenanordnung
aufgrund des Reaktions-Drehmoments zu überwinden, ist eine Feder 9 zwischen
einer Anbaunase 10 am Gussteil 4 und einer Anbaunase 11 an
der Einbauhalterung 6 eingesetzt. Die Feder 9 wirkt
unter Zug, um das Gussteil 4 (und damit die gesamte Lenksäulenanordnung)
nach oben in Richtung der Einbauhalterung 6 zu ziehen. Diese
Federkraft F beaufschlagt den Drehzapfen 7 wirksam mit
einer Vorspannungs-Torsionskraft,
so dass ein Ende des Drehzapfens 7 zwangsweise aufwärts bewegt
wird, um jegliches Radialspiel zwischen dem Drehpunkt und der der
Feder am nächsten
liegenden Einbaubohrung 8b, aufzunehmen, während er
sich gleichzeitig geringfügig
in der Einbaubohrung 8a dreht. Diese Torsions-Vorspannung
trägt dazu
bei, jegliche Tendenz der Anordnung, sich aufgrund der vom Motor
erzeugten Reaktions-Torsionskraft
T um den Drehzapfen 7 zu bewegen, auszuschalten. Die Feder 9 nimmt
außerdem
jegliches Spiel zwischen dem Drehzapfen 7 und dem Gussteil 4 auf.
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Die Kraft F und die Position der
Feder 9 können
so gewählt
werden, dass zwei Anforderungen erfüllt werden. Erstens können Kraft
und Position der Feder 9 so gewählt werden, dass sie exakt
dem unausgeglichenen Gewicht des Motors 4 und/oder der Lenksäule entsprechen,
um eine Gewichtsentlastung herbeizuführen, wenn der Fahrer die Säule 1 oder
einige gewünschte
Eigenschaften derselben verstellt. Zweitens können Kraft und Position der
Feder 9 so gewählt
werden, dass eine Vorspannkraft auf den Drehzapfen 7 aufgebracht
wird, die sicherstellt, dass selbst unter maximaler vom Motor 4 aufgebrachter Torsionskraft
die auf den Drehzapfen 7 aufgebrachte Netto-Torsionskraft
nicht durch den Drehmoment-Nullpunkt geht, d. h. das von der Feder
aufgebrachte Drehmoment minus dem Reaktions-Drehmoment ist größer als
Null.
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Zur Erfüllung der ersten Anforderung
lässt sich
unter Bezugnahme auf das Kraftdiagramm von
3 zeigen, dass die Federkraft F im Wesentlichen gleich
sein muss:
mit: F = Federkraft;
W
= unausgeglichenes Gewicht der Lenksäule;
l = radialer Abstand
von der Drehzapfenachse zum Schwerpunkt der Lenksäulenanordnung
einschl. Lenkrad; und
r = radialer Abstand von der Drehzapfenachse
zu dem Punkt der Lenksäulenanordnung,
in dem sich die Feder befindet.
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Zur Erfüllung der zweiten Anforderung
muss die Federkraft die folgende Gleichung wie in
4 dargestellt erfüllen:
mit: T = max. Reaktions-Drehmoment
des Motors;
s = radialer Abstand von der Achse, um die das
Reaktions-Drehmoment
erzeugt wird, zum Ort der Feder an der Lenksäulenanordnung; und
W =
Abstand zwischen Punkten des Drehzapfens, die mit der Einbauhalterung
in Eingriff stehen (d. h. ungefähre
Länge des
Drehzapfens).
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Die obigen Gleichungen gelten jedoch
nur näherungsweise
und hängen
von zahlreichen Faktoren ab, wie z. B. von der Geometrie des Systems
und Reibungsverlusten im Drehpunkt. Außerdem kann, sofern gewünscht, die
Feder das Gewicht der Lenksäulenanordnung
nur teilweise ausgleichen oder alternativ eine nach oben gerichtete
Vorspannung bereitstellen.
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Da die Feder 9 den Drehzapfen 7 ständig in einer
Richtung vorspannt, um jegliches Radialspiel an den Lagerstellen
am Ende des Drehzapfens nahe der Feder 9 selbst unter Volllast
des Motors aufzunehmen, bleibt das Ende des Drehzapfens 7 gegen die
Einbauöffnung
vorgespannt, und ein "Klopfen" unter Last (bei
dem es sich um ein Ergebnis der Vibration handelt) ist vermieden.
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Für
den Fachmann liegt es jedoch auf der Hand, dass die vorliegende
Erfindung die Beaufschlagung des Drehzapfens mit einer Vorspannkraft betrifft,
um Vibrationen unter Last zu verhindern, und nicht auf die in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
Außerdem
versteht es sich, dass die Erfindung sich auf Mittel für den Ausgleich
zumindest eines Teils des Gewichts der Lenksäulenanordnung richtet, um ein
Neigen der Lenksäule
zu erleichtern.
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Wie beschrieben kann die Vorspannkraft durch
die Anwendung einer nicht symmetrischen Torsionskraft, die mittels
einer einzigen Feder unter Zugspannung entlang der Achse des Drehzapfens
erzeugt wird, bereitgestellt werden. Ferner versteht es sich, dass
die Vorspannmittel auch so ausgeführt werden könnten, dass
sie unter Druck wirken, womit der gleiche Effekt erzielt wird.
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Es versteht sich, dass sich die von
den Vorspannmitteln erzeugte Kraft mit der Höhenverstellung des Lenkrades ändert, wobei
sie ihr Minimum erreicht, wenn sich das Lenkrad in seiner höchsten Position
befindet. Die Beziehung:
muss in dieser Position immer
noch erfüllt
werden, damit die Erfindung voll wirksam werden kann. In der Praxis
eingesetzte Vorspannfederausführungen
resultieren typischerweise in Kraftänderungen zwischen 10% und
25%.
