Getriebevorrichtung für eine Lenkung eines Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Getriebevorrichtung für eine Lenkung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine variable Übersetzung zwischen Lenkrad und Vorderrädern kann die Agilität und den Bedienkomfort von Fahrzeugen steigern. Bei niedrigen Geschwindigkeiten soll dabei die Übersetzung möglichst niedrig sein, um eine möglichst direkte Reaktion auf eine Lenkbewegung zu erzeugen. So sollte beim Parken und Rangieren der Lenkwinkel gering sein, um ein Umgreifen am Lenkrad zu vermeiden. Bei hohen Geschwindigkeiten ist dagegen eine indirekte Reaktion wünschenswert, um einen sicheren Betrieb des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Um dies zu bewerkstelligen, ist im Stand der Technik schon vorgeschlagen worden, ein Getriebe mit einer variablen Übersetzung zwischen Lenkrad und Vorderrad einzusetzen.
Dazu ist aus der gattungsbildenden Offenlegungsschrift DE 101 59 800 Al ein Planetengetriebe mit zwei Stufen bekannt, bei dem ein erster Planetenrädersatz mit einer Einganswelle und ein zweiter, zum ersten Planetenrädersatz axial versetzter Planetenrädersatz mit einer Ausgangswelle in Wirkverbindung stehen. Beide Planetenrädersätze greifen in ein gemeinsames Hohlrad ein. Ein Stellaktor in Form eines elekt-
risch antreibbaren Schneckenantriebs kann den zweiten Planetenrädersatz über seinen Planetenträger verdrehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte, preiswerte und klein bauende Getriebevorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung für eine Lenkung eines Fahrzeugs ist wenigstens ein Planetenrad vorgesehen, das gleichzeitig mit wenigstens zwei axial nebeneinander angeordneten Hohlrädern in Eingriff ist. Es lässt sich bei preiswerter Fertigung eine Getriebevorrichtung für eine aktive Lenkung mit einem vorteilhaft kleinen Bauraum realisieren. Da keine nennenswerten radialen Kräfte entstehen, sind einfache Lager ausreichend.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Bevorzugt weisen die Hohlräder eine unterschiedliche Zähnezahl auf, die Zähne des Planetenrads erstrecken sich über die gesamte Zahnbreite. Über eine Profilverschiebung der Hohlradverzahnungen ist ein Kämmen beider Hohlräder mit dem Planetenrad ermöglicht. Eine Übersetzung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe bei stehendem Planetenträger ist durch die unterschiedliche Zähnezahlen der Hohlräder bestimmt.
Ist das Planetenrad auf einem Planetenträger drehbar gelagert, kann durch eine Verdrehung des Planetenträgers ein Zahneingriffspunkt zwischen Planetenrad und Hohlrad und damit die Übersetzung geändert werden. Ein Kraftfluss geht im Hauptpfad vom Lenkrad über das erste Hohlrad zum Planetenrad.
Zweckmäßigerweise werden mehrere Planetenräder auf dem Planetenträger angeordnet. Durch mehrere Lastpfade wird die Tragfähigkeit des Planetengetriebes erhöht. Unwuchten bei Rotation des Planetenträgers entstehen praktisch nicht.
Vorzugsweise ist das erste Hohlrad mit dem Lenkrad drehfest verbunden, während das zweite Hohlrad mit einer Lenkgetriebewelle des Lenkgetriebes drehfest verbunden ist. Das Lenkgetriebe setzt eine Drehbewegung am Lenkrad in eine Schwenkbewegung der Vorderräder um.
Es ist vorteilhaft, den Stellaktor als Elektromotor auszubilden. Dieser kann einfach angesteuert werden und schnell reagieren, um die Übersetzung zu ändern.
Eine vorteilhaft kompakte Anordnung ergibt sich, wenn der Stellaktor in der Lenksäule angeordnet ist. Dabei stützt sich ein Stator des Stellaktors in der Lenksäule ab. Der elektrische Strom zur Bestromung des Elektromotors kann zweckmäßigerweise über ein oder mehrere flexible Bandkabel oder auch über Schleifkontakte übertragen werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, einen Stator des Stellaktors fahrzeugfest zu lagern. Damit kann beispielsweise eine einfache Kontaktierung zur Bestromung des Elektromotors erreicht werden. Zur fahrzeugfesten Lagerung des Stators ist es vorteilhaft, die Lenksäule mit einer Stirnradstufe radial versetzt an das erste Hohlrad anzukoppeln.
Bevorzugt ist das Planetengetriebe selbsthemmend ausgebildet. Insbesondere kann dies durch entsprechende Auslegung der Verzahnung erfolgen. Durch die Selbsthemmung zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang ergibt sich ein vereinfachtes Notlaufkonzept. Fällt der Stellaktor bzw. der Elektromotor
oder dessen Ansteuerung aus, dann blockiert das Getriebe zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang entsprechend einem Kupplungsfall mit einer Getriebeübersetzung von eins.
Zwischen einem Stelleingang, an dem der Stellaktor angeordnet ist und einem Getriebeausgang ist entweder eine positive oder auch eine negative Standübersetzung möglich. In einer Weiterbildung ist das Planetengetriebe mit positiver Standübersetzung ausgebildet. Dies bedeutet, dass zwischen einem Stell- eingang, auf den der Stellaktor einwirkt, und dem Getriebeausgang bei festgehaltenem Getriebeeingang, an dem die Lenksäule angeordnet ist, der Stelleingang und der Getriebeeingang im gleichen Drehsinn rotieren. Die Übersetzung dieser zwei Wellen ist damit positiv. Bei der alternativen Ausgestaltung mit negativer Standübersetzung rotieren bei festgehaltenem Getriebeeingang der Stelleingang und der Getriebeausgang mit entgegengesetztem Drehsinn, und die Übersetzung ist negativ.
Vorzugsweise weist die Getriebeanordnung eine Übersetzung mit einem Betrag zwischen 10 und 100 auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 a, b; in schematischer Darstellung zwei Varianten eines bevorzugten Doppel-Planetengetriebes mit einem Stellaktor in einer Lenksäule (a) und mit einem
fahrzeugfest gelagerten Stellaktor mit einer über eine Stirnradstufe angekoppelten Lenksäule (b) ,
Fig. 2 eine Vorderansicht einer konstruktiven Ausgestaltung eines bevorzugten Doppel-Planetengetriebes nach Fig. Ia,
Fig. 3 eine Rückansicht der konstruktiven Ausgestaltung des bevorzugten Doppel-Planetengetriebes nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung der konstruktiven Ausgestaltung eines bevorzugten Doppel- Planetengetriebes nach Fig. 2.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen gleich bleibende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Eine schematische Darstellung zweier Varianten einer bevorzugten Getriebevorrichtung 10 für eine Lenkung eines Fahrzeugs ist aus den Figuren Ia und Ib ersichtlich.
Ein als Doppel-Planetengetriebe ausgebildetes Planetengetriebe 11 ist zwischen einem an einer Lenksäule 12 angeordneten Lenkrad 13 und einem Lenkgetriebe 14 angeordnet, das eine Drehbewegung des Lenkrads 13 in eine Schwenkbewegung von Vorderrädern 26 übersetzt. Das Planetengetriebe 11 besteht vorzugsweise aus einem Planetenrädersatz mit wenigstens einem, vorzugsweise drei bis fünf Planetenrädern 17, von denen jedes einzelne gleichzeitig mit zwei axial voneinander beabstande- ten Hohlrädern 20, 21 verzahnt ist und die sich um eine zentrale Achse 18 drehen. Die Planetenräder 17 rotieren dabei gleichzeitig um ihre eigene Achse. Möglich macht dies ein Planetenträger 22, der die Planetenräder 17 hält. Die beiden Hohlräder 20, 21 umschließen die Planetenräder 17 an ihrer Außenseite und drehen sich ebenfalls um die zentrale Achse
18. Ein Stellaktor 16 zur Verstellung des Planetengetriebes 11 ist mit dem Planetenträger 22 verbunden.
Der Kraftfluss im Planetengetriebe 10 geht in seinem Haupt- pfad vom Lenkrad 13 über das erste Hohlrad 20 zu den Planetenrädern 17. Diese sind auf Lagerbolzen 34 des Planetenträger 22 gelagert und gleichzeitig mit dem zweiten Hohlrad 21 in Eingriff, welches mit dem Lenkgetriebe 14 bzw. dessen Lenkgetriebewelle 15 drehfest verbunden ist. Die Planetenräder 17 besitzen nur eine einzige Verzahnung.
Die Übersetzung zwischen Lenkrad 13 und Lenkgetriebe 14 ist durch die unterschiedliche Zähnezahlen der beiden Hohlräder 20 und 21 bestimmt. Durch Profilverschiebung der Verzahnung der Hohlräder 20,21 ist ein geometrisch korrektes Abwälzen der Hohlräder 20,21 mit dem Planetenrad 17 ermöglicht. Der Planetenträger 22 ist mit einem Rotor des als Elektromotor ausgebildeten Stellaktors 16 drehfest verbunden. Wird dieser Rotor gedreht, verlagert sich der Zahneingriffspunkt zwischen jedem Planentenrad 17 und den Hohlrädern 20, 21, und die Ü- bersetzung ändert sich.
Dabei ergibt sich für die Übersetzung iSH2 zwischen Stellaktor 16 und Ausgang Richtung Lenkgetriebe 14
1SH2 ~
'■Hl -Z H\
wobei ZHI die Zähnezahl des ersten und zH2 die Zähnezahl des zweiten Hohlrads 20 bzw. 21 ist. Ein günstiger Bereich der Übersetzung liegt zwischen 10 < | ±SH2| < 100.
Die Übersetzung iHiH2 zwischen Lenkrad 13 und Ausgang Richtung Lenkgetriebe 14 ergibt sich bei stehendem Planetenträger 22 zu
1HXH l — ~ Zfl2 ZH\
Die Zähnezahl der Planetenräder 17 geht nicht in die Übersetzung ein, bestimmt jedoch den Abstand der Lagerbolzen 34 des Planetenträgers 22 von der Hauptachse des Planetengetriebes 11, welche der zentralen Achse 18 entspricht.
Bei einem Ausfall des Stellaktors 16 blockiert das Planetengetriebe 11 zwischen seinem Eingang und Ausgang. Dies entspricht einem so genannten Kupplungsfall mit imH2 = 1-
Der Stellaktor 16 kann in der Lenksäule 12 angeordnet sein (Figur Ia) . Dabei stützt sich ein Stator des als Elektromotor ausgebildeten Stellaktors 16 an der Lenksäule 12 ab.
Um den Stator des als Elektromotor ausgebildeten Stellaktors 16 fahrzeugfest zu lagern, wird das Drehmoment der Lenksäule 12 bzw. deren Lenksäulenwelle 19 über eine zusätzliche Stirnradstufe 24 in das Planetengetriebe 1 eingekoppelt. Dabei ist stirnseitig an der Lenksäulenwelle 19 ein Stirnrad 24 vorgesehen, dass mit einer Außenverzahnung 25 des ersten Hohlrads 20 kämmt (Figur Ib) .
In den Figuren 2 bis 4, die im Folgenden zusammenhängend beschrieben sind, ist eine konstruktive Ausgestaltung eines bevorzugten, als Doppel-Planetengetriebe ausgebildeten Planetengetriebes 11 nach Figur Ia dargestellt, wobei in Figur 2 eine Vorderansicht, in Figur 3 eine Rückansicht und in Figur 4 eine Explosionsdarstellung abgebildet ist.
Das Planetengetriebe Il ist insgesamt in einem Gehäuse 30 angeordnet. Eine beispielhafte Auslegung ergibt bei einem Außendurchmesser der Getriebevorrichtung 10 von etwa 100 mm eine axiale Höhe von lediglich etwa 25 mm, was eine äußerst kompakte Anordnung ergibt.
Ein Rotor 16.2 eines eingangsseitig der Getriebevorrichtung angeordneten, als Elektromotor ausgebildeten Stellaktors 16 dreht um dieselbe zentrale Achse 18 wie Hohlräder 20, 21 der Getriebevorrichtung 10. Ein Stator 16.1 umgibt den Rotor 16.2 koaxial und stützt sich an einem Anschlussstück 27 zu einer Lenksäule 12 ab, das den Anschluss zu der Lenksäule 12 (Figur 1) hin bildet. Das Anschlussstück 27 weist an seinem einem Planetengetriebe 11 zugewandten Ende einen Bund 28 auf, mit dem es drehfest mit dem ersten Hohlrad 20 verbunden ist.
Von den in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten drei Planetenrädern 17 sind lediglich zwei Planetenräder 17 zu erkennen, die auf umfänglich verteilten Lagerbolzen 34 eines Planetenträgers 22 drehbar gelagert sind.
In der Rückansicht der Figur 3 ist zusätzlich ein vollrolli- ges Lager 33 der Hohlräder 20, 21 an einer Innenwand des Gehäuses 30 zu erkennen, auf dem die Hohlräder 20, 21 drehen können.
Ausgangsseitig der Getriebeanordnung 10 ist ein Anschlussstück 31 erkennbar, das eine Verbindung zur Lenkgetriebewelle 15 des Lenkgetriebes 14 herstellt und das über einen am ge- triebeseitigen Ende des Anschlussstücks 31 angeordneten Bund 32 drehfest mit dem zweiten Hohlrad 21 verbunden ist.