WO2006058660A1 - Überlagerungs-lenkung - Google Patents

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WO2006058660A1
WO2006058660A1 PCT/EP2005/012599 EP2005012599W WO2006058660A1 WO 2006058660 A1 WO2006058660 A1 WO 2006058660A1 EP 2005012599 W EP2005012599 W EP 2005012599W WO 2006058660 A1 WO2006058660 A1 WO 2006058660A1
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WO
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steering
gear
ring gear
ring
electric motor
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PCT/EP2005/012599
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English (en)
French (fr)
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Matthias Gregor
Rainer Kaufmann
Jens Meintschel
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0409—Electric motor acting on the steering column
    • B62D5/0412—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel
    • B62D5/0415—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel the axes being coaxial
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/008—Changing the transfer ratio between the steering wheel and the steering gear by variable supply of energy, e.g. by using a superposition gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H2001/2881—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion comprising two axially spaced central gears, i.e. ring or sun gear, engaged by at least one common orbital gear wherein one of the central gears is forming the output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H35/00—Gearings or mechanisms with other special functional features
    • F16H35/008—Gearings or mechanisms with other special functional features for variation of rotational phase relationship, e.g. angular relationship between input and output shaft

Definitions

  • the invention relates to a steering device according to the preamble of claim 1.
  • a steering device which has a superposition gear designed as a planetary gear.
  • the planetary gear has two ring gears, at least one stage planetary gear wheel mounted on a web and a worm gear which can be driven by an electric motor.
  • the object of the invention is in contrast to provide a steering device that has a superposition gear with a simpler structure.
  • the steering device is characterized by a planetary gear which extends over the central axis of the ring gears and is mounted on an eccentric shaft connected to a rotor of an electric motor.
  • the number of teeth of the planetary gear is only up to 10%, ie slightly smaller than that of the ring gears.
  • the eccentric shaft has the function of a web which can be driven directly, ie without intermediate gear by an electric motor in an advantageous manner.
  • the planetary gear designed as a simple planetary gear meshes with the first and second ring gears, wherein the first ring gear and the second ring gear have different profile displacements and numbers of teeth.
  • a simple planetary gear is to be understood as meaning a planetary gear in which the teeth defined by a toothing geometry extend over the entire gear width.
  • the ring gears have different profile shifts.
  • the second gear may have more teeth by a positive profile displacement relative to the first gear, which has no or a negative profile displacement.
  • the second gear has fewer teeth than the first gear by a negative profile shift.
  • the structure of the superposition gear with a simple planet and the two hollow wheels takes up little space, is inexpensive to produce and allows high ratios between the eccentric shaft and the second ring gear.
  • the high gear ratio allows the use of a small electric motor and allows exact adjustment of the overlay angle.
  • the planetary gear is designed as a two toothed regions comprehensiveêtnplanetenrad, wherein a first region with the first ring gear and a second region is in engagement with the second ring gear.
  • the planetary gear is designed as a stepped planetary gear to avoid interference.
  • the numbers of teeth of the toothed areas of the stepped planet are about 10% smaller than the meshing with the respective toothed areas ring gears. The study fenplanet enables the display of high ratios between the eccentric shaft and the second ring gear.
  • the electric motor in a second ring gear and the input shaft of the steering gear interconnecting steering shaft is arranged.
  • the rotor of the electric motor is arranged concentrically with the ring gears.
  • the electric motor in a steering handle and the first ring gear interconnecting steering tube is arranged.
  • the steering tube has a sufficiently large inner diameter for receiving the electric motor.
  • the rotor of the electric motor is arranged concentrically with the ring gears.
  • the example designed as a brushless motor electric motor can be arranged to save space in the steering tube.
  • the steering handle is connected via a gear stage with the first ring gear.
  • the gear stage includes a gear connected to the steering tube and connected to the first ring gear. A rotational movement of the steering handle or the steering tube is transmitted by combing the gears of the gear stage to the first ring gear.
  • the gear stage can be executed, for example, as a pair of spur gears or as a pair of bevel gears.
  • the gear stage allows an arrangement of the electric motor outside of the steering tube or the steering shaft. The electric motor can thus be stored fixed to the vehicle. The torque on the stator of the electric motor is thus not supported on the steering tube or the steering shaft.
  • first and second ring gear on self-locking occurs between the first and second ring gear on self-locking.
  • the self-locking prevents torque application of the first or second ring gear rolling of the planet gear in the ring gears, d. H . the ring gears and the planet rotate in the block and the speed of the two ring gears is equal.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a steering device according to the invention
  • FIG. 2 perspective views of the components of the superposition gearing of FIG. 1 ,
  • Fig. 3 is a perspective and sectional view of a mounted superposition gearing of FIG. 2,
  • Fig. 4 shows a variant of the steering device from FIG. 1 and
  • FIG. 5 another variant of . Steering device of FIG. l.
  • FIGS. 1 to 5 Like-acting components in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals below.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a steering device according to the invention with a superposition gear 21.
  • a steering handle 1 in the form of a steering wheel is connected via a steering tube 3 with a first ring gear 2a.
  • a planetary gear 4 is in meshing engagement with the first ring gear 2a and a second ring gear 2b.
  • the planetary gear 4 is designed as a simple planetary gear, d. H . the teeth marked by a tooth geometry extend over the entire gear width.
  • the second ring gear 2b has a different number of teeth from the first ring gear 2a. In order to enable the engagement with the planetary gear 4, the different number of teeth is achieved by a profile shift.
  • the planetary gear 4 is rotatably mounted on an eccentric shaft 5.
  • the eccentric shaft 5 is coupled to a rotor 7 of an electric motor 6 arranged in the steering tube 3.
  • the stator 8 of the electric motor 6 is supported in the steering tube 3.
  • the electric motor 6 is connected to a control unit 14.
  • the electric motor 6 can also be supplied with electrical energy via sliding contacts.
  • the control unit 14 connected to a vehicle dynamics computer, for example via CAN, energizes the electric motor 6 as a function of an additional steering angle requested by the vehicle dynamics computer.
  • a steering shaft 9 is connected via a flange 10 with the second ring gear 2b.
  • the steering shaft 9 transmits the rotational movement of the second ring gear 2b to an input shaft 12 of a steering gear 11.
  • the steering gear 11 converts the rotational movement of the steering shaft 9 into a sliding movement of tie rods.
  • the tie rods are connected to steerable wheels of the vehicle.
  • the steering device By controlling the electric motor 6, the steering device according to the invention makes it possible to superimpose a further angle on a steering angle predetermined by the driver via the steering wheel 1.
  • the rotational movement of the steering wheel 1 is transmitted to the planetary gear 4 via the first ring gear 2a.
  • the eccentric shaft 5 stands still, as long as a torque applied to the eccentric shaft 5 can be supported via the electric motor 6.
  • the ratio i H2a H2b of the speeds n H 2a from the first ring gear 2a to the speed n H2b to the second ring gear 2b is determined by the number-of-teeth ratio as follows:
  • the translation iH2a_H2b is equivalent to the gear ratio between the steering wheel 1 and the steering shaft 9.
  • the steering device is designed such that the planetary gear 4 rotates with the ring gears 2a, 2b in the block.
  • a circulation in the block can be ensured by a slight energization of the electric motor 6.
  • a design is to be preferred which, when the first ring gear 2a is driven, provides self-locking to the second ring gear 2b (self-locking gearbox) and thereby ensures block circulation of the two ring gears 2a, 2b. Even in the opposite case, that is, when driving the second ring gear 2b occurs self-locking to the first ring gear 2a. In the self-locking a rolling of the planetary gear 4 in the ring gears 2a, 2b when driving on one of the two ring gears 2a, 2b is not possible.
  • a stationary eccentric shaft 5 is represented by a non-self-locking gear by support on the electric motor 6 and / or an additional locking of the eccentric shaft 5.
  • the driving dynamics computer predefines an additional steering angle superimposed on the steering angle set by the driver.
  • the control unit 14 energizes the electric motor 6 until the additional steering angle is set.
  • the tooth engagement point between the planetary gear 4 and the ring gears 2a, 2b is displaced by rotation of the eccentric shaft 5.
  • the planetary gear 4 rotates relative to the eccentric shaft 5 and rolls in the two ring gears 2a, 2b from. Due to the different numbers of teeth of the ring gears 2a, 2b, these rotate relative to each other.
  • the steering shaft 9 rotates upon actuation of the steering wheel 1 due to the revolution of the planetary gear 4 and the two ring gears 2, a rotational movement of the planetary gear 4 on the eccentric axis 5 is superimposed as additional steering angle to the steering shaft 9. A provision of the additional steering angle by turning back the eccentric shaft fifth to the original position.
  • the translation ig H 2b between the rotational speed n E of the eccentric shaft 5 and the rotational speed n H2b of the second ring gear 2b, which is connected to the steering shaft 9, is determined by the number of teeth z H 2a and z H 2b of the first when the first ring gear 2a is stationary and second ring gear 2a, 2b to:
  • the ratio i E H2b is positive or negative, that is, the second ring gear 2b rotates in the same direction as or opposite to the eccentric shaft 5. If, for example, z H 2a> ZH2 b , the second ring gear 2b rotates in the same direction, then z H 2a ⁇ z H 2 b, the second ring gear 2 b rotates in the opposite direction to the eccentric shaft 5.
  • FIG. 2 shows components of the superposition gear 21 of the steering device according to the invention in an exploded view.
  • the stator 8 of the electric motor 6 is arranged.
  • the rotor 7 is mounted in a bearing 15 and drives the eccentric shaft 5 at.
  • a first needle bearing 16 supports the planetary gear 4 on the eccentric shaft 5.
  • the planetary gear 4 engages both in the first ring gear 2a and in the second ring gear 2b.
  • the steering tube 3 has a flange 13 which is connected via screws 19 with the first ring gear 2a.
  • the steering shaft 9 has a flange 10, which is mounted via a second needle bearing 17 in a carrier ring 18 preferably integral with the first ring gear 2a.
  • the carrier ring 18 can be connected to the first ring gear 2a, for example, via a material and / or positive connection.
  • the steering shaft flange 10 is also connected via a material and / or a positive connection 20 with the second ring gear 2b.
  • Under a cohesive connection for example, a welded joint to understand under a positive connection a press connection or a splined connection.
  • the arrangement shown allows a rotation of the first ring gear 2a relative to the second ring gear 2b.
  • the carrier ring 18 Via a screw connection 23, the carrier ring 18 is connected to a closing ring 22 which limits the axial movement of the steering shaft flange 10. An axial emigration of the steering shaft flange 10 from the support ring 18 is thus avoided.
  • the steering shaft flange 10 has a pin bearing a third needle bearing 24.
  • the third needle bearing 24 is disposed in a bore of the eccentric shaft 5.
  • the eccentric shaft 5 is supported on the journal or on the steering shaft flange 10 from. A deformation of the eccentric shaft 5 under high shear forces is avoided by the support.
  • a variant of the steering device of Fig. 1 is shown.
  • the steering wheel 1 via a spur gear 27a, 27b comprehensive gear stage 25 is connected to the first ring gear 2a.
  • This arrangement makes it possible to store the stator 8 of the electric motor 6 fixed to the vehicle and to be able to design the steering tube 3 independently of the electric motor 6.
  • the function of the steering device is identical to that of Fig.l.
  • the second ring gear 2b is connected via a gear stage 25 with the steering shaft 9. This is a vehicle-mounted arrangement of the electric motor 8 is possible with an arrangement of the electric motor between the steering gear 11 and superposition gear 21.
  • a steering apparatus which compared to the embodiment of Fig.l has a planetary gear 4 designed as Actuallynplanetenrad.
  • the devisnplanetenrad has two teeth 26a, 26b with different numbers of teeth and / or gearing geometries.
  • the use of a stepped planetary gear 4 makes it possible to avoid meshing interference, i. Tooth touches outside the point of engagement, which can occur in the range of 100, in particular at high ratios iE H2b.
  • the steering device By superimposing an additional steering angle, the steering device according to the invention makes it possible to adapt the overall steering ratio, ie the ratio of the change of a steering wheel angle to the change of the average steering angle on the wheel, to different driving situations. For example, when parking due to a small overall translation reaching the maximum Radeinschlagwinkels with a few rotational movements on the steering wheel 1 is possible, however, at high speeds to the Total ratio for safe vehicle handling to be greater than at lower speeds.
  • the steering gear 11 is designed such that the overall steering ratio assumes a value that allows comfortable parking without steering angle superposition. When driving fast then the total ratio is increased by driving the electric motor 6.
  • the steering gear 11 may be designed such that the overall ratio assumes a value that allows safe driving at high speeds. During a parking process, the overall ratio is then reduced by driving the electric motor 6.
  • the steering gear 11 may also have a total translation, which mediates a good road contact at medium speeds, when parking or fast driving is reduced or increased by driving the electric motor 6, the translation.

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Abstract

Lenkungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer vom Fahrer betätigbaren Lenkhandhabe (1), einem Lenkgetriebe (11), das die Drehbewegung einer Eingangswelle (12) in eine Schiebebewegung einer Spurstange umsetzt, einem zwischen Lenkgetriebe (11) und Lenkhandhabe (1) angeordneten Überlagerungsgetriebe (21), das ein mit der Lenkhandhabe (1) in Wirkverbindung stehendes erstes Hohlrad (2a) und ein mit der Eingangswelle (12) des Lenkgetriebes (11) in Wirkverbindung stehendes zweites Hohlrad (2b) aufweist, wobei ein Planetenrad (4) gleichzeitig mit dem ersten und zweiten Hohlrad (2a,2b) in Eingriff steht. Lenkungsvorrichtung bei der sich das Planetenrad (4) über die Mittelachse der Hohlräder (2a,2b) erstreckt auf einer mit einem Rotor (7) eines Elektromotors (6) verbundenen Exzenterwelle (5) gelagert ist. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

ÜBERLAGERUNGS-LENKUNG
Die Erfindung betrifft eine Lenkungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 101 60 313 Al ist eine Lenkungsvorrichtung bekannt, die ein als Planetengetriebe ausgeführtes Überlagerungsgetriebe aufweist. Das Planetengetriebe weist zwei Hohlräder, mindestens ein auf einem Steg gelagertes Stufenpla- netenrad sowie ein von einem Elektromotor antreibbares Schneckengetriebe auf.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Lenkungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein Überlagerungsgetriebe mit einem einfacheren Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Lenkungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lenkungsvorrichtung zeichnet sich durch ein Planetenrad, das sich über der Mittelachse der Hohlräder erstreckt und auf einer mit einem Rotor eines Elektromotors verbundenen Exzenterwelle gelagert ist, aus. Die Zähnezahl des Planetenrades ist nur bis ca. 10%, d.h. geringfügig kleiner als die der Hohlräder. Die Exzenterwelle hat die Funktion eines Steges, der in vorteilhafter Weise direkt, d.h. ohne Zwischengetriebe von einem Elektromotor antreibbar ist. Durch Bestro- mung des Elektromotors dreht dessen Rotor die Exzenterwelle, dadurch wälzt das Planetenrad im ersten Hohlrad ab, das zweite Hohlrad verdreht sich relativ zum ersten Hohlrad und dem vom Fahrer eingestellten Lenkwinkel wird ein Zusatzlenkwinkel überlagert.
In Ausgestaltung der Erfindung steht das als Einfachplanetenrad ausgeführte Planetenrad mit dem ersten und zweiten Hohlrad im Zahneingriff, wobei das erste Hohlrad und das zweite Hohlrad unterschiedliche Profilverschiebungen und Zähnezahlen aufweisen. Unter einem Einfachplanetenrad ist ein Planetenrad zu verstehen, bei dem sich die durch eine Verzahnungsgeometrie definierten Zähne über die gesamte Zahnradbreite erstrecken. Um ein Kämmen der Hohlräder unterschiedlicher Zähnezahl mit dem Einfachplanetenrad zu ermöglichen, weisen die Hohlräder unterschiedliche Profilverschiebungen auf. Beispielsweise kann das zweite Zahnrad durch eine positive Profilverschiebung gegenüber dem ersten Zahnrad, das keine oder eine negative Profilverschiebung aufweist, mehr Zähne aufweisen. In einem anderen Fall weist das zweite Zahnrad durch eine negative Profilverschiebung weniger Zähne als das erste Zahnrad auf. Der Aufbau des Überlagerungsgetriebes mit einem Einfachplaneten und den beiden Hohl- rädern nimmt wenig Bauraum in Anspruch, ist kostengünstig herstellbar und ermöglicht hohe Übersetzungen zwischen Exzenterwelle und dem zweiten Hohlrad. Die hohe Übersetzung erlaubt den Einsatz eines kleinen Elektromotors und ermöglicht eine exakte Einstellung des Überlagerungswinkels.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Planetenrad als zwei Verzahnungsbereiche umfassendes Stufenplanetenrad ausgeführt, wobei ein erster Bereich mit dem ersten Hohlrad und ein zweiter Bereich mit dem zweiten Hohlrad im Eingriff steht. Bei hohen Übersetzungen zwischen der Exzenterwelle und dem zweiten Hohlrad ist das Planetenrad zur Vermeidung von EingriffStörungen als Stufenplanetenrad ausgeführt. Beispielsweise dürfen bei einer Evolventenverzahnung nur evolventenförmige Plankenteile zum Eingriff kommen. Die Zähnezahlen der Verzahnungsbereiche des Stufenplaneten sind um ca. 10% kleiner als die der mit den jeweiligen Verzahnungsbereichen kämmenden Hohlrädern. Der Stu- fenplanet ermöglicht die Darstellung hoher Übersetzungen zwischen Exzenterwelle und dem zweiten Hohlrad.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor in einer das zweite Hohlrad und die Eingangswelle des Lenkgetriebes miteinander verbindenden Lenkwelle angeordnet. Der Rotor des Elektromotors ist konzentrisch zu den Hohlrädern angeordnet. Infolge beengten Bauraumverhältnissen zwischen dem die zwei Hohlräder und das Planetenrad umfassenden Zahnradsatzes und der Lenkhandhabe ist in vorteilhafter Weise der Elektromotor in der Lenkwelle anordenbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor in einem die Lenkhandhabe und das erste Hohlrad miteinander verbindenden Lenkrohr angeordnet. Das Lenkrohr weist einen ausreichend großen Innendurchmesser zur Aufnahme des Elektromotors auf. Der Rotor des Elektromotors ist konzentrisch zu den Hohlrädern angeordnet. Der beispielsweise als bürstenloser Motor ausgeführte Elektromotor ist platzsparend in dem Lenkrohr anordenbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Lenkhandhabe über eine Zahnradstufe mit dem ersten Hohlrad verbunden. Die Zahnradstufe umfasst ein mit dem Lenkrohr und ein mit dem ersten Hohlrad verbundenes Zahnrad. Eine Drehbewegung der Lenkhandhabe bzw. des Lenkrohrs wird durch Kämmen der Zahnräder der Zahnradstufe auf das erste Hohlrad übertragen. Die Zahnradstufe ist beispielsweise als Stirnradpaar oder als Kegelradpaar ausführbar. Die Zahnradstufe ermöglicht eine Anordnung des Elektromotors außerhalb des Lenkrohrs oder der Lenkwelle. Der Elektromotor kann damit auch fahrzeugfest gelagert werden. Das Drehmoment am Stator des Elektromotors stützt sich damit nicht am Lenkrohr oder der Lenkwelle ab.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung tritt zwischen dem ersten und zweiten Hohlrad Selbsthemmung auf. Die Selbsthemmung verhindert bei einer Drehmomentbeaufschlagung des ersten oder zweiten Hohlrades ein Abwälzen des Planetenrades in den Hohlrädern, d . h . die Hohlräder und das Planetenrad drehen im Block um und die Drehzahl der beiden Hohlräder ist gleich groß .
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen . Konkrete Ausführungsbeispiele der Erf indung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lenkungsvorrichtung ,
Fig . 2 perspektivische Darstellungen der Bauteile des Überlagerungsgetriebes aus Fig . 1 ,
Fig . 3 perspektivische und geschnittene Ansicht eines montierten Überlagerungsgetriebes aus Fig . 2 ,
Fig . 4 eine Variante der Lenkungsvorrichtung aus Fig . 1 und
Fig . 5 eine weitere Variante der .Lenkungsvorrichtung aus Fig . l .
Gleichwirkende Bauteile in den Figuren 1 bis 5 sind im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet .
In Fig . 1 ist schematisch der Aufbau einer erfindungsgemäßen Lenkungsvorrichtung mit einem Überlagerungsgetriebe 21 dargestellt . Eine Lenkhandhabe 1 in Form eines Lenkrads ist über ein Lenkrohr 3 mit einem ersten Hohlrad 2a verbunden . Ein Planentenrad 4 steht mit dem ersten Hohlrad 2a und einem zweiten Hohlrad 2b im Zahneingriff . Das Planetenrad 4 ist als Einfachplanetenrad ausgeführt , d . h . die durch eine Verzahnungsgeometrie gekennzeichneten Zähne erstrecken sich über die gesamte Zahnradbreite . Das zweite Hohlrad 2b weist eine vom ersten Hohlrad 2a abweichende Zähnezahl auf. Um den Eingriff mit dem Planetenrad 4 zu ermöglichen, wird die unterschiedliche Zähnezahl durch eine Profilverschiebung erzielt. Diese dem Verzahnungsfachmann geläufige Maßnahme besteht darin, dass eine Profilbezugslinie der Verzahnung der Hohlräder 2a,2b vom Teilkreisdurchmesser in Richtung Kopfkreisdurchmesser (positive Profilverschiebung) o- der in Richtung Fußkreisdurchmesser(negative ProfilVerschiebung) verschoben wird. Bei einer genügend großen Verschiebung sind an den Hohlrädern 2a,2b gegenüber einer Ausführung ohne Profilverschiebung mehr oder weniger Zähne anordenbar, wobei die Hohlräder 2a,2b weiterhin mit dem Planetenrad 4 kämmen.
Das Planetenrad 4 ist auf einer Exzenterwelle 5 drehbar gelagert. Die Exzenterwelle 5 ist mit einem Rotor 7 eines in dem Lenkrohr 3 angeordneten Elektromotors 6 gekoppelt. Der Stator 8 des Elektromotors 6 stützt sich in dem Lenkrohr 3 ab. Über ein flexibles Bandkabel 15 ist der Elektromotor 6 mit einem Steuergerät 14 verbunden. Alternativ kann der Elektromotor 6 auch ü- ber Schleifkontakte mit elektrischer Energie versorgt werden. Das mit einem Fahrdynamikrechner beispielsweise über CAN verbundene Steuergerät 14 bestromt den Elektromotor 6 in Abhängigkeit von einem vom Fahrdynamikrechner angeforderten Zusatzlenkwinkel.
Eine Lenkwelle 9 ist über einen Flansch 10 mit dem zweiten Hohlrad 2b verbunden. Die Lenkwelle 9 überträgt die Drehbewegung des zweiten Hohlrades 2b auf eine Eingangswelle 12 eines Lenkgetriebes 11. Das Lenkgetriebe 11 setzt die Drehbewegung der Lenkwelle 9 in eine Schiebebewegung von Spurstangen um. Die Spurstangen sind mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs verbunden.
Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung ermöglicht durch Ansteuerung des Elektromotors 6 einem vom Fahrer über das Lenkrad 1 vorgegebenen Lenkwinkel einen weiteren Winkel zu überlagern. Bei einem Lenkvorgang ohne Lenkwinkelüberlagerung wird die Drehbewegung des Lenkrads 1 über das erste Hohlrad 2a auf das Planetenrad 4 übertragen. Die Exzenterwelle 5 steht still, solange ein an der Exzenterwelle 5 anstehendes Drehmoment über den Elektromotor 6 abstützbar ist. Die Übersetzung iH2a H2b der Drehzahlen nH2a vom ersten Hohlrad 2a zur Drehzahl nH2b zum zweiten Hohlrad 2b ist wie folgend durch das ZähnezahlVerhältnis bestimmt:
— ZH2b _ nH2a lH2a_H2b ~" ~~ '
2HZa nH2b
wobei die Zähnezahl des ersten Hohlrades 2a mit zH2a/ die des zweiten Hohlrades 2b mit ZH2b bezeichnet ist.
Die Übersetzung iH2a_H2b ist gleichbedeutend mit der Übersetzung zwischen dem Lenkrad 1 und der Lenkwelle 9.
Bevorzugt ist die LenkungsVorrichtung derart auszulegen, dass sich das Planetenrad 4 mit den Hohlrädern 2a,2b im Block dreht. Damit wird vermieden, dass ein an der Lenkwelle 9 anstehendes Lenkmoment ständig über die Exzenterwelle 5 bzw. durch den Elektromotor 6 abgestützt werden muss. Gegebenenfalls kann durch eine geringfügige Bestromung des Elektromotors 6 ein Umlauf im Block sichergestellt werden. Alternativ ist eine Auslegung zu bevorzugen, die bei Antrieb des ersten Hohlrads 2a eine Selbsthemmung zum zweiten Hohlrad 2b vorsieht (selbsthemmendes Getriebe) und dabei einen Blockumlauf der beiden Hohlräder 2a,2b sicherstellt. Auch im umgekehrten Fall, das heißt bei Antrieb des zweiten Hohlrades 2b tritt Selbsthemmung zum ersten Hohlrad 2a auf. Bei der Selbsthemmung ist ein Abwälzen des Planetenrades 4 in den Hohlrädern 2a,2b bei Antrieb an einem der beiden Hohlrädern 2a,2b nicht möglich.
Bei Ausfall einer elektrischen Komponente wie beispielsweise dem Elektromotor 6 oder dem Steuergerät 14 ist das Fahrzeug rein mechanisch lenkbar. Bei einem Blockumlauf der beiden Hohl- räder 2a,2b stellt sich in vorteilhafter Weise zwischen Lenk- rad 1 und der Lenkwelle 9 die Übersetzung
Figure imgf000009_0001
ein. Da die Hohlrädern 2a,2b nur geringe Zähnezahlunterschiede von beispielsweise 1 oder 2 Zähnen aufweisen, liegt auch bei stehender Exzenterwelle 5 die Übersetzung zwischen Lenkrad 1 und der Lenkwelle 9 annährend bei 1, so dass sowohl bei stillstehender als auch bei mitdrehender Exzenterwelle 5 die mechanische Lenkbarkeit gewährleistet ist. Eine stehende Exzenterwelle 5 ist bei einem nicht selbsthemmenden Getriebe durch Abstützung am Elektromotor 6 und/oder einer zusätzliche Verriegelung der Exzenterwelle 5 darstellbar.
Zur Erhöhung von beispielsweise einer Fahrstabilität oder einer Fahrzeugagilität gibt der Fahrdynamikrechner einen dem vom Fahrer eingestellten Lenkwinkel überlagerten Zusatzlenkwinkel vor. Das Steuergerät 14 bestromt den Elektromotor 6 solange, bis der Zusatzlenkwinkel gestellt ist. Dabei verlagert sich durch Drehung der Exzenterwelle 5 der Zahneingriffspunkt zwischen Planetenrad 4 und den Hohlrädern 2a,2b. Das Planetenrad 4 dreht sich relativ zur Exzenterwelle 5 und wälzt in den beiden Hohlräder 2a,2b ab. Durch die unterschiedlichen Zähnezahlen der Hohlräder 2a,2b verdrehen sich diese relativ zueinander. Die Lenkwelle 9 dreht sich bei Betätigung des Lenkrads 1 aufgrund des Blockumlaufes von Planetenrad 4 und den beiden Hohlrädern 2, eine Drehbewegung des Planetenrades 4 auf der Exzenterachse 5 überlagert sich als Zusatzlenkwinkel auf die Lenkwelle 9. Eine Rückstellung des Zusatzlenkwinkels erfolgt durch Zurückdrehen der Exzenterwelle 5 in die ursprüngliche Position.
Die Übersetzung ig H2b zwischen der Drehzahl nE der Exzenterwelle 5 und der Drehzahl nH2b des zweiten Hohlrades 2b, das mit der Lenkwelle 9 verbunden ist, bestimmt sich bei stehendem ersten Hohlrad 2a mit den Zähnezahlen zH2a und zH2b des ersten und zweiten Hohlrades 2a,2b zu:
Figure imgf000009_0002
wobei der mögliche Übersetzungsbereich der Anordnung bei
10< I iE_H2b|<l°0 liegt. In Abhängigkeit des durch die Profilver- Schiebung erreichten Zähnezahlverhältnises ist die Übersetzung iE H2b positiv oder negativ, d.h. das zweite Hohlrad 2b dreht gleichsinnig mit oder gegensinnig zur Exzenterwelle 5. Ist beispielsweise zH2a>ZH2b so dreht das zweite Hohlrad 2b gleichsinnig, ist zH2a<zH2b so dreht das zweite Hohlrad 2b gegensinnig zur Exzenterwelle 5.
Fig.2 zeigt Bauteile des Überlagerungsgetriebes 21 der erfindungsgemäßen Lenkungsvorrichtung in einer Explosionsdarstellung. In dem Lenkrohr 3 ist der Stator 8 des Elektromotors 6 angeordnet. Der Rotor 7 ist in einem Lager 15 gelagert und treibt die Exzenterwelle 5 an. Ein erstes Nadellager 16 lagert das Planetenrad 4 auf der Exzenterwelle 5. Das Planetenrad 4 greift sowohl in das erste Hohlrad 2a als auch in das zweite Hohlrad 2b ein. Das Lenkrohr 3 weist einen Flansch 13 auf, der über Schrauben 19 mit dem ersten Hohlrad 2a verbunden ist. Wie in Fig. 3 gezeigt weist die Lenkwelle 9 einen Flansch 10 auf, der über ein zweites Nadellager 17 in einem mit ersten Hohl- rad 2a vorzugsweise einstückigen Trägerring 18 gelagert ist. Alternativ kann der Trägerring 18 beispielsweise über eine Stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem ersten Hohl- rad 2a verbunden sein. Der Lenkwellenflansch 10 ist gleichfalls über eine Stoff- und/oder eine formschlüssige Verbindung 20 mit dem zweiten Hohlrad 2b verbunden. Unter einer stoffschlüssigen Verbindung ist beispielsweise eine Schweißverbindung, unter einer formschlüssigen Verbindung einen PressVerbindung oder eine Kerbverzahnverbindung zu verstehen. Die gezeigt Anordnung ermöglicht eine Verdrehung des ersten Hohlrades 2a gegenüber dem zweiten Hohlrad 2b. Über eine Verschraubung 23 ist der Trägering 18 mit einem Abschlussring 22, der die axiale Bewegung des Lenkwellenflansches 10 begrenzt, verbunden. Ein axiales Auswandern des Lenkwellenflansches 10 aus dem Trägerring 18 ist damit vermieden. Der Lenkwellenflansch 10 weist einen ein drittes Nadellager 24 tragenden Zapfen auf. In zusammengebautem Zustand des Überlagerungsgetriebes 21 ist das dritte Nadellager 24 in einer Bohrung der Exzenterwelle 5 angeordnet. Die Exzenterwelle 5 stützt sich an dem Zapfen bzw. an dem Lenkwellenflansch 10 ab. Einer Verformung der Exzenterwelle 5 unter hohen Querkräften ist durch die Abstützung vermieden.
In Fig. 4 ist eine Variante der Lenkungsvorrichtung aus Fig. 1 gezeigt. Im Unterschied zu der Ausführungsform in Fig.l ist das Lenkrad 1 über eine die Stirnräder 27a,27b umfassende Zahnradstufe 25 mit dem ersten Hohlrad 2a verbunden. Diese Anordnung ermöglicht, den Stator 8 des Elektromotors 6 fahrzeugfest zu lagern und das Lenkrohr 3 unabhängig vom Elektromotor 6 gestalten zu können. Die Funktion der Lenkungsvorrichtung ist identisch mit der aus Fig.l.
In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform ist das zweite Hohlrad 2b über eine Zahnradstufe 25 mit der Lenkwelle 9 verbunden. Damit ist bei einer Anordnung des Elektromotors zwischen Lenkgetriebe 11 und Überlagerungsgetriebe 21 eine fahrzeugfeste Anordnung des Elektromotors 8 möglich.
In Fig.5 ist eine Lenkungsvorrichtung gezeigt, die gegenüber der Ausführung aus Fig.l ein als Stufenplanetenrad ausgeführtes Planetenrad 4 aufweist. Das Stufenplanetenrad weist zwei Verzahnungen 26a,26b mit unterschiedlichen Zähnezahlen und/oder Verzahnungsgeometrien auf. Der Einsatz eines Stufenplanetenra- des 4 ermöglicht die Vermeidung von Zahneingriffsstörungen, d.h. Zahnberührungen außerhalb des Eingriffspunktes, die insbesondere bei hohen Übersetzungen iE H2b im Bereich von 100 auftreten können.
Durch Überlagerung eines Zusatzlenkwinkels ermöglicht die erfindungsgemäße Lenkungsvorrichtung eine Anpassung der Gesamt- lenkübersetzung, d.h. das Verhältnis der Änderung eines Lenkradwinkels zur Änderung des mittleren Lenkwinkels am Rad, auf verschiedene Fahrsituationen. Beispielsweise ist beim Parkieren aufgrund einer kleinen Gesamtübersetzung ein Erreichen des maximalen Radeinschlagwinkels mit wenigen Drehbewegungen am Lenkrad 1 möglich, hingegen bei hohen Geschwindigkeiten soll die Gesaratübersetzung für ein sicheres Fahrzeughandling größer als bei kleineren Geschwindigkeiten sein.
Das Lenkgetriebe 11 ist derart ausgelegt, dass die Gesamtlenk- übersetzung einen Wert annimmt, die ein komfortables Parkieren ohne Lenkwinkelüberlagerung erlaubt. Bei schneller Fahrt wird dann die Gesamtübersetzung durch Ansteuerung des Elektromotors 6 erhöht.
Alternativ kann das Lenkgetriebe 11 derart ausgelegt, dass die Gesamtübersetzung einen Wert annimmt, die ein sicheres Fahren bei schneller Fahrt erlaubt. Während eines Parkiervorganges wird dann die Gesamtübersetzung durch Ansteuerung des Elektromotors 6 erniedrigt. Gleichfalls kann das Lenkgetriebe 11 auch eine Gesamtübersetzung aufweisen, die bei mittleren Geschwindigkeiten einen guten Fahrbahnkontakt vermittelt, beim Parkieren oder schneller Fahrt wird durch Ansteuerung des Elektromotors 6 die Übersetzung erniedrigt bzw. erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Lenkungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit
- einer vom Fahrer betätigbaren Lenkhandhabe (1) ,
- einem Lenkgetriebe (11) , das die Drehbewegung einer mit der Lenkhandhabe (1) verbundenen Eingangswelle (12) in eine Schiebebewegung einer Spurstange umsetzt,
- einem zwischen Lenkgetriebe (11) und Lenkhandhabe (1) angeordneten Überlagerungsgetriebe (21) , das ein mit der Lenkhandhabe (1) in Wirkverbindung stehendes erstes Hohlrad (2a) und ein mit der Eingangswelle (12) des Lenkgetriebes (11) in Wirkverbindung stehendes zweites Hohlrad (2b) aufweist, wobei ein Planetenrad (4) gleichzeitig mit dem ersten und zweiten Hohlrad (2a,2b) in Eingriff steht dadurch gekennzeichnet, dass sich das Planetenrad (4) über die Mittelachse der Hohlräder (2a,2b) erstreckt und auf einer mit einem Rotor (7) eines Elektromotors (6) verbundenen Exzenterwelle (5) gelagert ist.
2. Lenkungsvorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass das als Einfachplanetenrad ausgeführte Planetenrad (4) mit dem ersten und zweiten Hohlrad (2a,2b) im Zahneingriff steht, wobei das erste Hohlrad (2a) und das zweite Hohlrad (2b) unterschiedliche Profilverschiebungen und Zähnezahlen aufweisen.
3. Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenrad (4) als zwei Verzahnungsbereiche umfassendes Stufenplanetenrad ausgeführt ist, wobei ein erster Bereich mit dem ersten Hohlrad (2a) und ein zweiter Bereich mit dem zweiten Hohlrad (2b) im Eingriff steht.
4. Lenkungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) in einer das zweite Hohlrad (2b) und die Eingangswelle (12) des Lenkgetriebes miteinander verbindenden Lenkwelle (9) angeordnet ist.
5. LenkungsVorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) in einem die Lenkhandhabe (1) und das erste Hohlrad (2a) miteinander verbindenden Lenkrohr (3) angeordnet ist.
6. Lenkungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkhandhabe (1) über eine Zahnradstufe (25) mit dem ersten Hohlrad (2a) verbunden ist.
7. Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) fahrzeugfest angeordnet ist.
8. Lenkungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Hohlrad (2a,2b) Selbsthemmung auftritt.
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