WO2007038884A1 - Überlagerungslenkung mit mechanischer rückfallebene - Google Patents

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WO2007038884A1
WO2007038884A1 PCT/CH2006/000496 CH2006000496W WO2007038884A1 WO 2007038884 A1 WO2007038884 A1 WO 2007038884A1 CH 2006000496 W CH2006000496 W CH 2006000496W WO 2007038884 A1 WO2007038884 A1 WO 2007038884A1
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WO
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output shaft
contact
rotor
steering system
drive shaft
Prior art date
Application number
PCT/CH2006/000496
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Waibel
Rene ALLGÄUER
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta Ag
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Publication date
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Priority to US12/088,900 priority patent/US7845460B2/en
Priority to EP06775189A priority patent/EP1934082B1/de
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    • 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
    • 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
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/043—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by clutch means between driving element, e.g. motor, and driven element, e.g. steering column or steering gear
    • B62D5/0433—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by clutch means between driving element, e.g. motor, and driven element, e.g. steering column or steering gear the clutch being of on-off type
    • B62D5/0436—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by clutch means between driving element, e.g. motor, and driven element, e.g. steering column or steering gear the clutch being of on-off type the clutch being a controlled emergency clutch, e.g. for disconnecting at motor break-down

Definitions

  • the invention relates to a rotational speed superposition device according to the preamble of claim 1 and to a method for operating a rotational speed superposition device according to claim 8.
  • Such motor vehicle steering systems with superposition gearing are used in modern steering systems for non-track-bound motor vehicles.
  • the electromagnetic auxiliary drive which is provided in such overlay transmissions, serves to superimpose the actions caused by the auxiliary drive rotations of the superposition gearing the control by the operator on the steering wheel (steering wheel) made.
  • the relation of the rotational speed of the vehicle wheels in comparison to the rotational speed of the steering wheel is adjustable and can be adapted to the respective driving situation. For example, when parking already small angle changes to the steering wheel lead to large Winkelverschwenkisme on the wheels, while fast highway driving even larger angle changes to the steering wheel should only lead to small Winkelverschwenkache on the wheels. Under certain circumstances, even an automated parking without rotation of the steering wheel to be made possible.
  • auxiliary drive for example, corrective to erroneous or violent steering movements of the driver.
  • steering movements requiring correction can occur, for example, in the case of overreactions of the driver in dangerous situations.
  • the function of a rotational speed superposition, which can also be referred to as rotational angle superimposition, during decoupling is thus decoupled from a force injection or torque input, as used in a power steering to facilitate the control process.
  • the drive shaft and the output shaft and an output shaft of an auxiliary drive are each connected to a gear member of the superposition gear.
  • gear members are, for example, each a gear or a planet carrier.
  • the superimposition is carried out by specific transmission structures, partially consisting of other transmission elements by adding the speeds of the output shaft of the auxiliary drive and the drive shaft with corresponding predetermined speed ratios and transmitted to the output shaft of the device. In addition to the speeds and torques are transmitted accordingly.
  • a corresponding support of the moments on the auxiliary drive, and on the drive and output shaft is therefore necessary, since otherwise the speed of the drive shaft is not transmitted as desired to the output shaft but to the output shaft of the auxiliary drive. In the case of a speed superposition device for a motor vehicle, this would mean that the driver can no longer safely determine the steering angle.
  • the locking device for selectively rotationally fixed coupling between the drive shaft and output shaft is of correspondingly high importance.
  • a device for speed superposition for a steering system in which the speed superimposition takes place with a voltage wave transmission.
  • the device is integrally and rotatably formed with the steering shaft driven by the steering wheel and includes a drive motor whose input speed is adjustable in order to achieve the desired speed superposition.
  • the housing is connected to the steering shaft and thus rotates with it.
  • a positive connection is proposed analogous to a coupling toothing, which is coupled by an axial movement of the opposite sides of the coupling with spring force.
  • the clutch is controlled by the torque acting on the transmission of the associated with the steering wheel drive shaft and the output shaft connected to the wheels.
  • a speed superposition device with a safety clutch for the safe Torque transmission presented in case of error.
  • a pin is moved by a solenoid in the event of an error parallel to the axis of the drive or output shaft and the gearbox blok- kiert.
  • a series of pin holes for receiving the. Pen provided in a suitable gear member.
  • the pin is brought into engagement between the elliptical rotor and parts of the housing or alternatively between the toothings of the gearbox.
  • This device is compact and has low wear and can be engaged and disengaged in any angular position.
  • 1 is a steering system for a motor vehicle
  • FIG. 5 shows a cross section along the section axis X-X, corresponding to the embodiment according to FIG. 4, FIG.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the rotational speed superposition device in axial section
  • FIG. 7 shows a detailed view through the locking device corresponding to the detail Y from FIG. 3.
  • Fig. 8 shows schematically another structure of the safety coupling.
  • FIGS. 9 and 10 show two embodiments for the contact disk.
  • FIG. 1 of a steering device 129 as a steer-by-wire arrangement or a steering device 129 with auxiliary electric power assistance essentially corresponds to the state of the art.
  • the illustrated steering device includes i.a. a steering wheel 120, a steering column 121, a steering gear 122 and the two tie rods 124.
  • the tie rods 124 are driven by the rack 123.
  • the overlay transmission 100 or 100 'according to the invention is used, depending on where the transmission chain from the steering wheel to the tie rods, the superposition gear is to be arranged. It is also possible to integrate the superposition gearing according to the invention into the steering gear 122. This arrangement of the superposition gearing is not illustrated in FIG.
  • the invention is explained in more detail with reference to a steering system with a superposition gear, which is to be arranged at the location designated by the reference numeral 100 in FIG.
  • the superposition gear described below is therefore arranged between the steering wheel 120 and the steering gear 122, for example, at the designated by the reference numeral 100 in Fig. 1.
  • the superposition gear driven by the steering wheel 120 drive shaft 2 and the steering pinion of the steering gear 122 driving output shaft 1 are arranged coaxially with each other, the end 2a of the drive shaft 2 and the end 1a of the output shaft 1 at a distance from each other on their common Rotation axis are arranged.
  • the steering movement desired by the driver is fed by the steering wheel 120 via a sensor not shown in FIG. 1 as a signal 281 in a control unit 128.
  • the corresponding control voltage 282 for the electric motor of the superimposed gearbox is determined therefrom, optionally with the aid of a sensor signal of the auxiliary drive of the steering system (not shown here) and / or of the superimposed gearbox and further signals describing the vehicle state, and output to the latter.
  • the steering system in which the superimposition gearbox is installed may be designed with or without power steering assistance. If a power steering assistance provided, it is irrelevant whether it is hydraulic, pneumatic or electric.
  • FIG. 1 shows a corresponding speed superposition device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a corresponding speed superposition device according to the invention.
  • FIG. 2 to 7 embodiments for different transmission structures of the superposition gear are shown.
  • the numbers of the reference numerals are the same for the same elements in all figures, even if the individual versions may be different.
  • the rotational speed superposition device for a vehicle steering system with an output shaft 1, which is aligned to the drive shaft 2 in the axial direction, a carrier assembly 4, which rotatably at least partially positions the output shaft 1 and the drive shaft 2, an auxiliary drive 5, 6, 1 with a Rotor 7, which is rotatably connected to a first transmission element 19, 25, 27 and an adjustable locking device 10, which forms a safety clutch for selectively rotationally fixed coupling between the output shaft 1 and drive shaft 2 provided that the support assembly 4 is rotatably mounted to the body, the Rotor of the auxiliary drive 5, 6, 7 coaxially surrounds the output shaft 1 and / or drive shaft 2, the first transmission element 19, 25, 27 with a speed ratio less than 1, the speed of the rotor 7 transmits to the speed of the output shaft 1, and the rotor with a Concentric the axial direction of the output Swelle 1 and drive shaft 2 enclosing ferromagnetic or permanent magnetic first contact element 8 is rotatably connected, the rotationally fixed coupling between the output shaft
  • One and / or both contact elements may advantageously be in all embodiments, alternatively, in all embodiments, discs and / or elements with surface portions, which are formed with corresponding conical or curved surfaces. There- by the contact area is increased at the same diameter and it can also be achieved a centering function.
  • the safety coupling 10 is shown in cross-section in Figures 3, 4, 6 and 7.
  • the drive shaft 2 and output shaft 1 are aligned in an axis 3 to each other.
  • a coupling element 15 is arranged on the rotor 7 of the auxiliary drive 5, 6, 7, that the first contact disk 8 carries axially displaceable and transmits the torque.
  • the coaxial drive shaft 2 enclosing rotor 7 of the auxiliary drive is rotatably mounted in a rolling bearing 14b in the support assembly 4, which is designed here as a housing.
  • the elements of the locking device 10 and the safety coupling can be taken in a separate sub-housing 17 as an assembly that is manufactured separately and is mechanically connected to the carrier assembly 4. This connection can be easily made by screwing into an internal thread (not shown here) of the carrier arrangement 4 or via screw connections 35. Alternatively, this compound can also be prepared by pressing, gluing or otherwise.
  • the auxiliary drive 5, 6, 7 designed as an electric motor
  • the stator 6 is fixedly connected to the carrier assembly 4.
  • the stator 6 encloses the axis 3 of the drive shaft 2 and / or output shaft 1 coaxially.
  • the stator 6 carries the stator windings 5.
  • the rotor of the electric motor is equipped with permanent magnets and is rotated with appropriate energization of the stator windings 5 in rotation.
  • the electric motor is correspondingly completely in the Integrated speed superposition device, whereby a very compact and energy-efficient design is achieved.
  • the motor must be designed so that it can be controlled to rotate in both directions.
  • gear ratios of more than 1:20 or even more than 1:50 are particularly advantageous. This means that more than 20 or 50 rotor revolutions correspond to 1 revolution of the output shaft if the speed of the drive shaft has the value 0.
  • the contact discs 8, 9 are preferably made as circular discs made of steel or another ferromagnetic material. But it can also be interrupted or perforated discs, which serves for example better ventilation when opening and closing the two contact disks.
  • the first contact disc 8 via a coupling element 15 with the rotor 7 of the auxiliary power device 5, 6, 7 rotatably but axially displaceably connected.
  • the magnetic contact pressure is generated in the simplest case by a permanent magnet 11.
  • the permanent magnet 11 as a cylindrical disk whose axis coincides with the axis 3 of the drive shaft 2 and the output shaft 1 may be formed.
  • the first contact disc 8 is used by the magnetic field of a permanent magnet 11 to the second contact disc 9.
  • the sub-housing 17 and a corresponding anchor formation provide the magnetic closure.
  • the surface pressure between the two contact discs 8, 9 serves as a frictional connection.
  • one or both of the contact discs 8, 9 may be coated with corresponding friction linings.
  • sensors 16 may be integrated into the rotational speed superimposition device, which makes it possible to monitor the various rotational speeds or angles of rotation on drive shaft 2, output shaft 1 and rotor 7.
  • the auxiliary drive is supplied with energy, so that it takes over the support of the introduced from the drive shaft 2 torque. If necessary, the rotor 7 is rotated by the auxiliary drive in order to achieve the corresponding rotational speed or rotational angle superposition between the drive shaft 2 and the output shaft 1.
  • the unlocking is preferably effected by a current flow, while without this current flow, the system locks automatically.
  • this is achieved in that the magnetic contact pressure between the first and second contact disc can be canceled by an electrically controlled counter magnetic field.
  • this counter-magnetic field is generated by a revolving coil 12, which is controlled via an electrical connection 13.
  • the coil 12 is arranged in the embodiment between the permanent magnet 11, which cause the magnetic contact force and the contact disc 9. If the coil 12 is energized accordingly, the magnetic circuit closes between the permanent magnet 11, so that no or only a very small attraction force acts on the first contact disc 8 in the direction of the second contact disc 9.
  • the locking device comprises a spring 34, whose force counteracts the magnetic contact force.
  • the axial displaceable contact disc 8 by means of a spring 34 pushed away from the permanent magnet 11, as shown schematically in the detailed Figure 7. With increasing distance of the contact disc from the field of the permanent magnet 11, the attraction force decreases, so that the counter magnetic field only needs to be weaker to cancel its effect.
  • the spring force must be overcome for locking the locking device 10 by the magnetic force of the permanent magnets 11.
  • the spring force is designed defined in a continuation of the invention.
  • the spring force is such that the force acting on the first axially movable contact disc 8 away from the other contact disc 9 acting force in the lifted from the first contact disc state in the range of slightly greater than zero to 10% of the amount of magnetic force Magnetic field that generates the contact force lies.
  • the locking device 10 can be integrated very well and compact in the speed superposition device.
  • the rotor 7 is preferably rotatably mounted, on the one hand, directly in the carrier arrangement 4, and the drive shaft 2 is rotatably mounted in the part of the locking device 10 which is firmly connected to the carrier arrangement and which comprises the second contact disk.
  • the other end of the drive shaft 2 is mounted directly in the output shaft 1.
  • FIGS. 3, 4, 5 and 6 the application for various types of preferred superimposed gears for illustrating the rotational speed superimposition device for a vehicle steering system is explained in greater detail, which are coupled according to the invention to a locking device 10.
  • a preferred speed superposition device is shown together with the locking device 10 in longitudinal section.
  • the drive shaft 2 is operatively connected to a steering wheel 120 in a steering system.
  • the carrier assembly 4 receives the bearings 14a, 14d and 14b for the rotatable mounting of the drive shaft
  • the carrier arrangement 4 is arranged rotationally fixed relative to the chassis on the vehicle and rotates with neither of the two shafts 1, 2 With.
  • the carrier arrangement 4 is advantageously designed as a substantially closed housing 4. Coaxially about the drive shaft 1, relative to the housing 4, a rotor 7 rotatably mounted with a bearing 14b, 14c arranged, which is driven by the stationary arranged comprehensive stator 6 and together forms an electric motor.
  • this engine is designed as an electronically commutated motor.
  • this auxiliary drive 5, 6, 7 can also be of a different kind, for example a hydraulic motor.
  • a wave generator 19 Arranged on the rotor 7 is a wave generator 19, which forms a first gear element, which consists for example of an oval disc on the periphery of which an externally toothed flexible ring 21 is mounted directly or indirectly.
  • the first contact element 8 of the inventive locking device 10 again formed here as a contact disk 8, rotatably disposed on the rotor.
  • the external teeth of the flexible ring 21 engages at least at two opposite circumferential points in an internal gear 20 a.
  • This internal gear 20 is rotatably connected to the output shaft 1, wherein the drive shaft 2 is rotatably connected to the external toothed flexible ring 21.
  • the present design of the speed superimposition device causes when the auxiliary drive 5, 6, 7 is not operated, no rotational speed superimposition takes place on the output shaft 1 and the drive shaft 2 is coupled to the output shaft 1 via the gear assembly 1: 1. In this case, thus transmits the rotational movement of the steering wheel 120 and the drive shaft 2 directly via the rotation of the drive shaft rotatably connected to the flexible ring 21 and the meshing between this flexible ring 21 and the internally toothed internal gear 20, which rotatably connected to the output shaft 1
  • the auxiliary drive 6, 7 is set in motion, in accordance with the signals of the control electronics of the control unit 128, the rotor 7 is set in motion and its speed is correspondingly reduced, superimposed on the output shaft 1 via the harmonic drive transmission described above.
  • the rotational speed behavior of the steering device can thus be set and tracked via the present rotational speed superposition device, as desired, according to the driving situation and the driving requirements with the aid of the control device 128.
  • the flexible ring 21 is cup-shaped and directly with its bottom surface with the drive shaft 2 or in an alternative embodiment with the output shaft 1 rotatably connected, preferably even by a simple caulking or rivet or by a welded connection of the soil thus formed with the drive shaft 2 or in an alternative embodiment with the output shaft.
  • the internal gear 20, the toothed circle is preferably circular, may also be integrally formed with the output shaft 1 or as a separate component with the output shaft 1 by forming technology, analogous to the clinching, or by welding or soldering to the drive shaft or through a Frictionally connected connection can be connected.
  • the internal gear cup-shaped.
  • Such an internal gear is then made for example by a sheet metal forming and punching operations and rotatably connected at its bottom of the pot with the output shaft.
  • a rotation angle sensor 16 is advantageously provided, which is connected to a control device 128, which in turn acts on the auxiliary drive 6, 7 to set the desired speed superimposition behavior of the steering device.
  • the sensor 16 can in this case positions of the rotor sector 7, the drive shaft 2 or the output shaft 1 detect.
  • one of the signals or also the combination of the signals can be processed here.
  • FIG. 4 Another preferred speed superposition device with safety coupling 10 is shown in longitudinal section in FIG. 4 and in cross section in FIG. 5.
  • This speed superposition device comprises the following components:
  • a drive device here the drive shaft 2
  • An output device here the output shaft 1,
  • An auxiliary drive comprising a stator 6 with stator windings 5, not specifically shown here, with a corresponding electrical connection, and a rotor 7 with permanent magnets, not specifically shown here,
  • a carrier assembly 4 which is fixed against rotation relative to the body, advantageously formed as a housing forms, such as consisting of at least two housing parts 4, the shafts 1.2 and the rotor 7 of the auxiliary drive in the bearings 14c, 14d and 14b , 14c supports and carries the stator 6 of the auxiliary drive, wherein these housing parts are preferably screwed to a thread 26,
  • subcarrier 25 carries at least one further gear 24 and which forms a first gear element, • a first, on the drive shaft 2 on the drive side arranged toothed disk 22 with external teeth, A second toothed disk 23 arranged on the output shaft 2 on the output side, with a further external toothing, wherein the first contact element 8 of the inventive locking device 10, here formed as a contact disk 8, is rotatably arranged on the rotor via a coupling element 15 , the drive and the output shafts 1.2 are preferably arranged in an axis with a center of rotation 3 and the external teeth of the two toothed discs 22, 23 parallel to each other, with their tooth tips directed away from the center of rotation 3 of the rotational speed superposition and angled to the orthogonal to this center of rotation.
  • the two toothed discs 22, 23 are in this case the front side, positioned at a small distance from each other, arranged and their teeth are aligned in the same direction to each other and aligned with each other in the engagement region of the other gear 24.
  • the third housing ' part 17 is the connection to the locking device 10, the structure and function has already been described above.
  • the toothed discs 22, 23 have teeth with different numbers of teeth and different pitch circle radii.
  • circle radius is to be understood as the mean value between the radius to the point of the toothing and the radius to the base of the toothing in the middle of the tooth width.
  • the drive shaft 2 is rotated by the steering wheel 120 and transmits its rotation to the first, drive side, toothed disk 22.
  • the auxiliary carrier 25 is fixed in its angular position to the body 4 rotatably fixed to the body, rotate in the speed transmission from the input shaft 2 to the output shaft 1, the other gears 24 about its own axis.
  • the auxiliary carrier 25 connected to the rotor 7 is also blocked.
  • the output speed at the output shaft 1 is then determined by the input speed at the drive shaft 2 multiplied by the quotient of the number of teeth of the teeth of the first, drive side pulley 22 divided by the number of teeth of the toothing of the second, output side, toothed disc 23rd
  • auxiliary drive If the auxiliary drive is driven, then the rotational speed of the rotor 7 is transmitted to the auxiliary carrier 25 and the further toothed wheels 24 are set in additional rotation about their own axis. This will cause the two ben 22, 23 against each other in a relative rotation, which depends on the number of teeth whose teeth.
  • a desired ratio of speed of the subcarrier 25 to the speed of the output shaft, with non-rotating drive shaft can be designed.
  • the basic transmission design allows only one speed reduction, which is advantageous insofar as the electric motor used can thus be operated with a higher, more favorable for electric motors speed.
  • the toothed discs 22, 23 may also be formed as an internally toothed ring gear. In this case, then rolls the other gear on this internal toothing.
  • the execution tion with the outside toothed disks and rolling the further toothed wheel 24 on this outer teeth ' is, however, preferred because the structure is simplified.
  • the auxiliary drive can also be coupled via a gear, belt or chain drive in the rotational speed superposition device.
  • both the rotor or only one or, of course, also a plurality of the further toothed wheels 24 can be set in rotation about their own axis.
  • the auxiliary drive instead of the preferred embodiment as electronically commutated electric motor, due to the body-mounted arrangement of its stator, be designed in a very simple manner as a hydraulic or pneumatic drive.
  • the carrier arrangement is designed as at least a two-part housing. se 4 designed, wherein the two housing halves are screwed together 26, that the teeth of the toothed discs 22, 23 and the other gears 24 are clearance but not jammed brought into engagement, whereby a clearance compensation during assembly of the speed superposition device is reached.
  • the positionxialposition réelle by appropriate tightening the housing screw 26, takes place under measurement of the corresponding angular play between input shaft 2, output shaft 1 and rotor 7 and measuring correspondingly acting moments during rotation of the input shaft 2, output shaft 1 and the rotor 7, the moments assume minimum values possible and the games should not exceed predetermined values, for example, 0.5 angular degrees.
  • the number of further toothed wheels 24 should be as small as possible, since in each tooth engagement of the toothings of the further toothed wheels 24 into the toothings of the two toothed discs 22, 23 the alignment of the teeth of the toothings must correspond to one another, which is the possible tooth number differences and thus restrict possible translation ratios of the institution.
  • the teeth of the first toothed disc 22 with 54 teeth and the second toothed disc 23 with 56 teeth can be designed with two further toothed wheels 24, resulting in a translation of reciprocal of one minus the quotient of the number of teeth of the first toothed disc 22 divided by the number of teeth of the second toothed disc 23 leads to the result of 27 rotor revolutions per revolution of the output shaft 2 when the drive shaft 1 is not rotating.
  • the number of teeth must be 3 because of the correspondence that the gear ratio now leads to 18 rotor revolutions per revolution of the output shaft 1 with non-rotating drive shaft 2.
  • the number of teeth of the additional gear 24 is not decisive for the design of the reduction ratio. However, the teeth must fit modulfflessig in the teeth of the two toothed discs 22, 23. If more than one other gear 24 is used, they should be arranged evenly distributed with advantage on the rotor or the subcarrier 25 on the rotational circle to evenly divide the forces acting on. In this case, care must also be taken in the design that the teeth of the two toothed discs 22, 23 in each of the other gears 24, the engagement with the toothed discs is corresponding.
  • the preferred embodiment of the rotational speed superposition device additionally comprises a rotational speed or rotational angle measuring direction 16 and the arrangement according to the invention with a safety clutch 10.
  • a further preferred embodiment of the speed superimposing device according to the invention is shown in axial half section.
  • the housing 4 consisting of two housing halves encloses an auxiliary drive, which consists of a stator 6 and a rotor 7.
  • the stator 6 is rotatably connected to the housing or the housing parts 4.
  • In one housing part protrudes the shaft end of the output shaft 1 ia.
  • On the shaft end Ia a toothed wheel 31 is arranged rotationally fixed.
  • the toothed disc 31 has on its periphery a direction away from the shaft end Ia and a swash plate 27 facing toothing 32.
  • a drive shaft 2 is arranged, which is rotationally connected to the housing 4 or one of the housing parts.
  • the housing parts have at their ends facing each other in the radial direction extending flanges.
  • a second toothed disc 30 is arranged between these flanges and with these force and / or positively and / or materially connected.
  • the second toothed disc 30 has a toothing directed towards the shaft end 1a of the output shaft 1 and towards the swashplate 27. In the radial direction, the second toothed disc 30 extends up to the cylindrical portion of the rotor 7a. At its end facing the rotor 7, the second toothed disc 30 has an axial flange.
  • a needle bearing 14 c is arranged between this flange and the cylindrical portion of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at the shaft end 2a of the drive shaft 2 facing the end of the rotor 7.
  • a rolling bearing 14b is arranged at
  • the axial flange of the toothed pulley 29 and toothed pulley 30 can also be manufactured as separate components and then connected.
  • a second cylindrical section 7b of the rotor which is opposite the first cylindrical section 7b of the rotor. 7a is angled by an angle ⁇ (wobble angle ⁇ ) and the wobble axis 7c forms.
  • the stator 6 of an electric motor which causes the speed ratio, rotatably connected.
  • the electric motor is preferably excited by means of permanent magnets 18.
  • the rotor 7 of the electric motor drives the swash plate 27, which communicates with its teeth 28a, 28b, the power transmission between the two toothed discs 30, 31 of the drive shaft 2 and the output shaft 1.
  • the tooth engagement of the swash plate 27 on the circumference changes depending on the angle of rotation of the rotor. 7
  • the swash plate 27 is rotatably mounted on the angled portion 7b of the rotor 7 via rollers or a needle bearing 36. Due to the arrangement of the swash plate 27 on the angled section 7b of the rotor b, when the rotor b is set in rotation, the swash plate 27 is rotated. If the rotor 7 is rotated in the direction of the arrow 7R, for example the swash plate 27 in the same direction. In this case, the tooth engagement between the second toothed disc 30 and the toothing 28b of the swash plate 27 in the circumferential direction into the plane.
  • the first toothed disc 31 and the second toothed disc 30 differ from each other in terms of their number of teeth. This ensures that the one toothed disk rotates faster than the other toothed disc due to the rotation of the wobble plate 27, so that the typical for such wobble gear high gear ratios can be achieved.
  • the compression spring 33 can be integrated into the device, which compress the two toothed discs 30, 31 and the swash plate.
  • a coupling element 15 is attached, which carries the first contact disc 8. Together with the third housing part 17 of the connection to the locking device 10 is shown, whose structure and function is shown above.
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment for the safety coupling, in which the contact disk 8 is brought into direct contact with the part housing 17 designed as a yoke.
  • the second contact element or the second contact disk is to be regarded here as part of the sub-housing 17.
  • the contact disc 8 can be designed in all embodiments as a cylindrical disc. For better ventilation when closing the two contact surfaces, it is always but advantageous to design the contact disc 8 with corresponding recesses 37 (see Figure 9). Alternatively, a number of contact elements 38 (cf., FIG. 10) can also be connected directly to the coupling element 15. The shape of the recesses 37 and contact elements 38 of the contact disc 8 are adapted to the respective structural conditions. It is important that a sufficient magnetic attraction force to the second contact element 9, such as the second contact disc 9 or the Generalgephinu- se 17, which itself may have a corresponding friction lining on its surface facing the contact disc 8 surface, is reached.
  • rolling bearings are shown in all embodiments, it is conceivable and possible to use plain bearings. While in general with rolling bearings lower coefficients of friction are achieved, plain bearings are cheaper and require less space. The decision is made according to the requirements of installation space and energy input for the auxiliary drive.
  • the speed superimposition device thus presented is operated in vehicle steering systems in such a way that in the event of a failure of the auxiliary power supply or another malfunction of the vehicle functions, the current flow for operating the countermagnetic field to release the magnetic contact pressure is interrupted, so that the first contact disk (8) are in frictional contact with the second contact disc (9) with the magnetically generated contact force, thereby directly a rotationally fixed coupling between the drive shaft 2 and the output shaft 1 is achieved.
  • a sensor failure in addition to the power failure of the power supply of the auxiliary drive or in the vehicle, a sensor failure, a problem with the control or a software error or other errors are conceivable.
  • the controller can no longer decide with which speed overlay the device should be operated. In such a case, which is easily recognizable, there is sufficient energy available to achieve the rotationally fixed coupling between the output shaft 1 and the drive shaft 2 actively.
  • the coil for the counter magnetic field with which the magnetic field of the permanent magnet 11, which causes the locking device 10 for selectively rotationally fixed coupling between the output shaft 1 and drive shaft 2 is canceled, at least temporarily switched so that the magnetic contact force between the two contact discs 8, 9 is increased.
  • an accelerated closing of the locking device is effected.
  • the energization of the coil 12 can be switched off for the counter magnetic field.
  • the output shaft 1 can also be exchanged with the drive shaft 2.
  • Other transmission arrangements such as planetary gearboxes, are also possible for use in steering arrangements in combination with the previously described safety clutch arrangement.

Abstract

Eine Drehzahlüberlagerungseinrichtung eines Fahrzeuglenksystems umfasst eine Abtriebswelle (1) und eine Antriebswelle (2), welche an einer karosseriefesten Trägeranordnung (4) mindestens teilweise drehbar gelagert sind, einen Hilfsantrieb (5, 6, 7) mit einem koaxial zu einer der Wellen (1, 2) angeordneten Rotor (7) , der mit einem ersten Getriebeelement (19, 25, 27) drehfest verbunden ist und eine Verriegelungseinrichtung (10) zur wahlweisen drehfesten Kopplung der Wellen, wobei das erste Getriebeelement (19, 25, 27) die Drehzahl des Rotors (7) auf die Drehzahl der Abtriebswelle (1) überträgt, und der Rotor mit einem ferromagnetischen oder permanentmagnetischen ersten Kontaktelement (8) drehfest verbunden ist, wobei die drehfeste Kopplung der Wellen (1, 2) durch einen Reibschluss eines ersten Kontaktelementes (8) mit einem zweiten Kontaktelement (9) , das drehfest mit der Trägeranordnung (4) verbunden ist, erzielbar ist, wozu die Anpresskraft magnetisch erzeugbar ist und zumindest eines der beiden Kontaktelemente (8, 9) in Achsrichtung verschieblich angeordnet ist.

Description

Überlagerungslenkung mit mechanischer Rückfallebene
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlüberlagerungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Drehzahlüberlagerungseinrich- tung entsprechend Anspruch 8.
Derartige Kraftfahrzeuglenkungen mit Überlagerungsgetriebe werden bei modernen Lenksystemen für nicht spurgebundene Kraftfahrzeuge verwendet. Der elektromagnetische Hilfsan- trieb, der bei derartigen Überlagerungsgetrieben vorgesehen ist, dient dazu, die durch den Hilfsantrieb hervorgerufenen Drehungen des Überlagerungsgetriebes den durch die Bedienperson am Steuerrad (Lenkrad) vorgenommenen Steuereingriffen zu überlagern. Auf diese Weise wird die Relation der Verdrehgeschwindigkeit der Fahrzeugräder im Vergleich zur Verdrehgeschwindigkeit des Steuerrades einstellbar und kann der jeweiligen Fahrsituation angepasst werden. So sollen beispielsweise beim Einparken bereits geringe Winkeländerungen am Steuerrad zu großen Winkelverschwenkungen an den Rädern führen, während bei schneller Autobahnfahrt selbst größere Winkeländerungen am Steuerrad nur zu geringen Winkelverschwenkungen an den Rädern führen sollen. Unter Umständen soll sogar ein automatisiertes Einparken ohne Verdrehung des Steuerrades ermöglicht werden. Gleichzeitig kann auf diese Weise über den Hilfsantrieb z.B. korrigierend auf fehlerhafte oder zu heftige Lenkbewegungen des Fahrzeugführers eingewirkt werden. Solche korrekturbedürftigen Lenkbewegungen können beispielsweise bei Überreaktionen des Fahrers in Gefahrsituationen auftreten. Die Funktion einer Drehzahlüberlagerung, die auch als Drehwinkelüberlagerung bezeichnet werden kann, beim Lenkvorgang ist somit gegenüber einer Krafteinkopplung bzw. Drehmomen- teneinkopplung, wie sie bei einer Servolenkung zur Erleich- terung des Steuervorgangs dient, entkoppelt.
Im Stand der Technik sind bereits verschiedene derartige Einrichtungen bekannt geworden. Neben der Anwendung von Planetengetrieben zur Überlagerung der Drehwinkel bzw. der Drehzahl werden auch Spannungswellengetriebe, die auch unter dem Begriff Harmonic-Drive-Getriebe oder Pulsatorenge- triebe bekannt sind, verwendet.
Bei derartigen Getrieben zur Überlagerung der Drehwinkel bzw. Drehzahl sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle sowie eine Ausgangswelle eines Hilfsantriebes jeweils mit einem Getriebeglied des Überlagerungsgetriebes verbunden. Derartige Getriebeglieder sind beispielsweise jeweils ein Zahnrad oder ein Planetenträger. Die Überlagerung erfolgt durch jeweils spezifische Getriebestrukturen, teilweise aus weiteren Getriebeelementen bestehend, indem sich die Drehzahlen der Ausgangswelle des Hilfsantriebes und der Antriebswelle mit entsprechend vorbestimmten Drehzahlübersetzungen addieren und auf die Abtriebswelle der Einrichtung übertragen werden. Neben den Drehzahlen werden entsprechend auch Drehmomente übertragen. Eine entsprechende Abstützung der Momente am Hilfsantrieb, und an der Antriebs- und Abtriebswelle ist daher erforderlich, da andernfalls die Drehzahl der Antriebswelle nicht wie gewünscht auf die Ab- triebswelle sondern auf die Ausgangswelle des Hilfsantrie- bes übertragen wird. Im Falle einer Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug hätte das zur Folge, dass der Fahrer den Lenkeinschlag nicht mehr sicher bestimmen kann. Der Verriegelungseinrichtung zur wahlweisen drehfesten Kopplung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle kommt eine entsprechend hohe Bedeutung zu.
In der EP1338493A1 und der JP2003306155A werden eine Einrichtung zur Drehzahlüberlagerung für ein Lenksystem vorgestellt, bei denen mit einem Spannungswellengetriebe die Drehzahlüberlagerung erfolgt. Dabei ist die Einrichtung mit der vom Steuerrad angetriebenen Lenkwelle integral und drehbar ausgebildet und enthält einen Antriebsmotor, dessen Antriebsdrehzahl zwecks Erreichung der gewünschten Drehzahlüberlagerung einstellbar ist. Bei der vorgestellten Lo- sung ist das Gehäuse mit der Lenkwelle verbunden und dreht somit mit. Zur mechanischen Zwangskopplung der Eingangs- mit der Ausgangswelle der Überlagerungseinrichtung im Fehlerfall, etwa bei Stromausfall, wird ein Formschluss analog einer Kupplungsverzahnung vorgeschlagen, die durch eine Axialbewegung der gegenüberliegenden Kupplungsseiten mit Federkraft eingekoppelt ist. Die Kupplung wird durch die am Getriebe angreifenden Momente von der mit dem Steuerrad verbundenen Antriebswelle bzw. der mit den Rädern verbundenen Abtriebswelle gesteuert.
Ein wichtiger Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Fahrer die gesamte Einrichtung, einschliesslich der Sicherheitskupplung, beim Steuern des Fahrzeuges mit dem Steuerrad drehen muss.
Weiter wird in der DE19823031A1 eine Drehzahlüberlagerungseinrichtung mit einer Sicherheitskupplung für die sichere Drehmomentenübertragung im Fehlerfall vorgestellt. In den verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Stift durch einen Solenoid im Fehlerfall parallel zur Achse der Antriebs- bzw. Abtriebswelle bewegt und das Getriebe blok- kiert. In einem Ausführungsbeispiel sind eine Reihe von Zapfenlöchern zur Aufnahme des . Stiftes in einem geeigneten Getriebeglied vorgesehen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Überlagerung mit einem Harmonic-Drive- Getriebe realisiert ist, wird der Stift zwischen dem ellip- tischen Rotor und Teilen des Gehäuses oder alternativ zwischen die Verzahnungen des Getriebes in Eingriff gebracht.
Zum Betreiben derartiger Einrichtungen ist es sinnvoll oder sogar notwendig, die Sicherheitskupplung beim Start des Fahrzeuges zunächst im eingekoppelten Zustand zu halten, da in der Regel nicht sichergestellt sein kann, dass sofort ausreichend Energie zum Betreiben der Drehzahlüberlagerungseinrichtung zur Verfügung steht.
Die im Stand der Technik gezeigten Lösungen bergen jedoch eine Reihe von Nachteilen. Die Blockierelemente der Sicherheitskupplung müssen den allfällig sich drehenden Rotor des Elektromotors schlagartig abbremsen und dabei erhebliche Kräfte übertragen, so das ein häufiges • Ein- und Auskuppeln der Kupplung zu Verschleiss führt oder die Kupplung aufwändig und mit grossem Bauraumbedarf ausgelegt sein muss. Weiter sind die Steifigkeiten in der Drehmomentenübertragung nicht sehr hoch. Zudem ist ein Einkuppeln nicht in jeder Winkelposition möglich.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Drehzahlüberlagerungslenkung für ein Lenksystem mit einer Sicherheitskupp- lung bereitzustellen, die kompakt ist und geringen Ver- schleiss aufweist und in jeder Winkelposition ein- und ausgekuppelt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere bevorzugte Ausführungsformen.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug,
Fig. 2 eine Ausführungsform der Drehzahlüberlagerungseinrichtung mit in perspektivischer Darstellung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Drehzahlüberlagerungseinrichtung im Axialschnitt,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Drehzahlüberlagerungseinrichtung im Axialschnitt,
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Schnittachse X-X, entsprechend der Ausführungsform gemäss Figur 4,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Drehzahlüberlagerungseinrichtung im Axialschnitt,
Fig. 7 eine Detailansicht durch die Verriegelungseinrichtung entsprechend dem Ausschnitt Y aus der Figur 3. Fig. 8 schematisch einen anderen Aufbau der Sicherheitskupplung.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen zwei Ausführungsformen für die Kontaktscheibe.
Der in Fig. 1 gezeigte schematische Aufbau einer Lenkvorrichtung 129 als Steer-by-wire-Anordnung bzw. einer Lenkvorrichtung 129 mit elektrischer Hilfskraftunterstützung entspricht im Wesentlichen dem Stand der Technik. Die dargestellte Lenkvorrichtung umfasst u.a. ein Steuerrad 120, eine Lenksäule 121, ein Lenkgetriebe 122 und die beiden Spurstangen 124. Die Spurstangen 124 werden durch die Zahnstange 123 angetrieben. Zur Drehzahlübersetzung dient das erfindungsgemäße Überlagerungsgetriebe 100 oder 100', je nachdem, an welcher Stelle der Übertragungskette vom Steuerrad zu den Spurstangen das Überlagerungsgetriebe angeordnet werden soll. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Überlagerungsgetriebe in das Lenkgetriebe 122 zu integrie- ren. Diese Anordnung des Überlagerungsgetriebes ist in Fig. 1 nicht dargestellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Lenkung mit einem Überlagerungsgetriebe näher erläutert, welches an dem in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 100 bezeichneten Ort angeordnet werden soll. Vorzugsweise ist das im Folgenden beschriebene Überlagerungsgetriebe daher zwischen dem Steuerrad 120 und dem Lenkgetriebe 122, beispielsweise an der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichneten Stelle angeordnet. In dieser bevorzugten Anordnung des Überlagerungsgetriebes sind die vom Steuerrad 120 getriebene Antriebswelle 2 und die das Lenkritzel des Lenkgetriebes 122 treibende Abtriebswelle 1 koaxial zueinander angeordnet, wobei das Ende 2a der Antriebswelle 2 und das Ende Ia der Abtriebswelle 1 in einem Abstand zueinander gegenüberliegend auf ihrer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet sind.
Im Normalfall wird die vom Fahrer gewünschte Lenkbewegung durch das Steuerrad 120 über eine in Fig. 1 nicht gezeigte Sensorik als Signal 281 in ein Steuergerät 128 eingespeist. Im Steuergerät 128 wird daraus, ggf. unter Zuhilfenahme eines Sensorsignals des Hilfsantriebs des Lenksystems (hier nicht dargestellt) und/oder des Überlagerungsgetriebes und weiterer den Fahrzeugzustand beschreibender Signale, die entsprechende Steuerspannung 282 für den Elektromotor des Überlagerungsgetriebes bestimmt und an diesen ausgegeben.
Bei der Erfindung kann das Lenksystem, in das das Überlage- rungsgetriebe eingebaut wird, mit oder ohne Lenkhilfskraftunterstützung ausgelegt sein. Ist eine Lenkhilfskraftunterstützung vorgesehen, so ist es unerheblich, ob diese hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch erfolgt.
Die Figur 1 zeigt eine entsprechende erfindungsgemässe Drehzahlüberlagerungseinrichtung. In den Figuren 2 bis 7 sind Ausführungsformen für verschiedene Getriebestrukturen des Überlagerungsgetriebes gezeigt. Die Nummerierungen der Bezugszeichen sind für gleiche Elemente in allen Figuren gleich, auch wenn die einzelnen Ausführungen unterschiedlich sein können. Erfindungsgemäss ist für die Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem mit einer Abtriebswelle 1, die zur Antriebswelle 2 in deren Achsrichtung ausgerichtet ist, einer Trägeranordnung 4, welche die Abtriebswelle 1 und die Antriebswelle 2 mindestens teilweise gelagert drehbar positioniert, einem Hilfsantrieb 5, 6, 1 mit einem Rotor 7, der mit einem ersten Getriebeelement 19, 25, 27 drehfest verbunden ist und eine einstellbare Verriegelungseinrichtung 10, die eine Sicherheitskupplung bildet, zur wahlweisen drehfesten Kopplung zwischen Abtriebswelle 1 und Antriebswelle 2 vorgesehen, dass die Trägeranordnung 4 drehfest zur Karosserie angeordnet ist, der Rotor des Hilfsantriebes 5, 6, 7 koaxial die Abtriebswelle 1 und/oder Antriebswelle 2 umschliesst, das erste Getriebeelement 19, 25, 27 mit einer Drehzahlübersetzung kleiner 1 die Drehzahl des Rotors 7 auf die Drehzahl der Abtriebswelle 1 überträgt, und der Rotor mit einem konzentrisch die Achsrichtung der Abtriebswelle 1 und Antriebswelle 2 umschliessen- den ferromagnetischen oder permanentmagnetischen ersten Kontaktelement 8, drehfest verbunden ist, wobei die drehfeste Kopplung zwischen Abtriebswelle 1 und Antriebswelle 2 durch einen Reibschluss des ersten Kontaktelementes 8 mit einem zweiten Kontaktelement 9, das drehfest mit der Trägeranordnung 4 verbunden ist, erzielt ist und die für die Reibkraft erforderliche Anpresskraft durch eine magnetische Kraft erzeugt ist und wobei zumindest eines der beiden Kontaktelemente 8, 9 in Achsrichtung verschieblich ist. Eines und/oder beide Kontaktelemente können mit Vorteil alternativ in allen Ausführungsformen Scheiben und /oder Elemente mit Flächenabschnitten sein, die mit korrespondierenden konischen oder gewölbten Oberflächen ausgebildet sind. Da- durch wird die Kontaktfläche bei gleichem Durchmesser erhöht und es kann auch eine Zentrierfunktion erzielt werden. Im Detail ist die Sicherheitskupplung 10 im Querschnitt in den Figuren 3, 4, 6 und 7 dargestellt.
Die Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 1 liegen in einer Achse 3 zueinander ausgerichtet. In der gezeigten Ausführungsform ist auf dem Rotor 7 des Hilfsantriebes 5, 6, 7 ein Kopplungselement 15 angeordnet, dass die erste Kontakt- scheibe 8 axial verschiebbar trägt und das Drehmoment überträgt. Der koaxial die Antriebswelle 2 umschliessende Rotor 7 des Hilfsantriebes wird in einem Wälzlager 14b in der Trägeranordnung 4, die hier als Gehäuse ausgebildet ist, drehbar gelagert. Die Elemente der Verriegelungseinrichtung 10 bzw. der Sicherheitskupplung können in einem separaten Teilgehäuse 17 als Baugruppe gefasst sein, die separat hergestellt wird und mechanisch mit der Trägeranordnung 4 verbunden wird. Diese Verbindung kann dabei einfach über eine Verschraubung in ein hier nicht dargestelltes Innengewinde der Trägeranordnung 4 oder über Verschraubungen 35 hergestellt sein. Alternativ kann diese Verbindung auch über Einpressen, Einkleben oder anders hergestellt werden.
Im bevorzugten Fall ist der Hilfsantrieb 5, 6, 7 als Elek- tromotor ausgelegt, dessen Stator 6 fest mit der Trägeranordnung 4 verbunden ist. Je nach Ausführung des Getriebes umschliesst der Stator 6 die Achse 3 der Antriebswelle 2 und/oder Abtriebswelle 1 koaxial. Der Stator 6 trägt die Statorwindungen 5. Der Rotor des Elektromotors ist mit Permanentmagneten bestückt und wird bei entsprechender Bestromung der Statorwindungen 5 in Drehung versetzt. Der Elektromotor ist entsprechend vollständig in die Drehzahlüberlagerungseinrichtung integriert, wodurch eine sehr kompakte und energieeffiziente Auslegung erreicht ist. Der Motor ist so auszulegen, dass er in beide Drehrichtungen drehend angesteuert werden kann. Durch die Verbindung des Rotors mit einem Getriebeglied des Überlagerungsgetriebes, dessen Drehzahl mit einer Drehzahlübersetzung, die kleiner als 1 ist, auf die Abtriebswelle 1 übertragen wird, kann der Elektromotor mit höherer Drehzahl angesteuert werden. Übersetzungsverhältnisse von mehr als 1:20 oder gar mehr als 1:50 sind dabei besonders vorteilhaft. Das heisst mehr als 20 bzw. 50 Rotorumdrehung entsprechen 1 Umdrehung der Abtriebswelle, wenn die Drehzahl der Antriebswelle den Wert 0 hat.
Die Kontaktscheiben 8, 9 sind bevorzugt als kreisrunde Scheiben aus Stahl oder einem anderen ferromagnetischem Werkstoff hergestellt. Es können aber auch unterbrochene bzw. gelochte Scheiben sein, was beispielsweise einer besseren Entlüftung beim Öffnen und Schliessen der beiden Kon- taktscheiben dient. Im Ausführungsbeispiel ist die erste Kontaktscheibe 8 über ein Kopplungselement 15 mit dem Rotor 7 der Hilfskrafteinrichtung 5, 6, 7 drehfest aber axial verschieblich verbunden.
Die magnetische Anpresskraft wird im einfachsten Fall durch einen Permanentmagnet 11 erzeugt. Dabei kann der Permanentmagnet 11 als zylindrische Scheibe, deren Achse mit der Achse 3 der Antriebswelle 2 bzw. Abtriebswelle 1 zusammenfällt, ausgebildet sein. Es können aber auch mehrere ein- zelne Permanentmagnete auf eine zylindrische Scheibe aufgebracht sein. Im weiteren wird jede mögliche Ausführungsform der Einfachheit halber mit dem Permanentmagneten 11 bezeichnet .
Die erste Kontaktscheibe 8 ist durch das Magnetfeld eines Permanentmagneten 11 an die zweite Kontaktscheibe 9 herangezogen. Das Teilgehäuse 17 sowie eine entsprechende Ankerausbildung sorgen für den magnetischen Schluss. Die Flächenpressung zwischen den beiden Kontaktscheiben 8, 9 dient als Reibschluss. Zur Verbesserung der Reibkraft können eine oder beide der Kontaktscheiben 8, 9 mit entsprechenden Reibbelägen beschichtet sein. Eine formschlüssige Oberflächenstruktur der beiden Kontaktscheiben 8, 9 wäre zwar naheliegend und denkbar, birgt aber eine Reihe von Nachteilen mit sich. Insbesondere ist dann eine Verriegelung nicht mehr für jeden Relativdrehwinkel zwischen den beiden Kontaktscheiben 8, 9 möglich. Auch ist von erhöhtem Ver- schleiss auszugehen. Insbesondere ist ein Abbremsen einer allfällig noch bestehenden Drehung des Rotors 7 kaum möglich. Dennoch kann eine derartige Lösung im Einzelfall wün- sehenswert sein.
Im Fall der Verriegelung sind die Kontaktscheiben 8, 9 miteinander in Reibkontakt, wodurch der Rotor 7 gegenüber der Trägerstruktur 4 blockiert ist. Der Rotor 7 ist weiter mit einem ersten Getriebeelement 19, 25, 27 verbunden, das damit ebenfalls gegenüber der karosseriefesten Trägerstruktur 4 blockiert ist. Somit wird das gesamte Drehmoment, dass in die Antriebswelle 2 eingeleitet wird, auf die Abtriebswelle 1 übertragen. Entsprechend den Getriebeübersetzungen des jeweiligen Getriebes wird dabei die Drehzahl der Antriebswelle auf eine Drehzahl an der Abtriebswelle übertragen. Damit ist die Funktion der drehfesten Kopplung zwischen An- triebswelle 2 und Abtriebswelle 1 erzielt. Dieser Fall ist für den Notfall oder auch bei ausgeschaltetem Antriebsmotor des Kraftfahrzeuges wichtig. In diesem Betriebszustand hat der Fahrer die alleinige Kontrolle über die Steuerung der Fahrtrichtung und das Steuerrad ist mit den verschwenkten Rädern mechanisch gekoppelt. Das ist wichtig, in Fällen mangelnder Energieversorgung des Hilfsantriebes, wie etwa bei Stromausfall, beim Ausfall eines Sensors oder auch bei Fehlfunktion der Ansteuerung des Hilfsantriebes . Zur Detek- tion derartiger Fehlfunktionen können beispielsweise Sensoren 16 in die Drehzahlüberlagerungseinrichtung integriert sein, die eine Überwachung der verschiedenen Drehzahlen bzw. Drehwinkeln an Antriebswelle 2, Abtriebswelle 1 und Rotor 7 ermöglicht.
Im Fall der Entriegelung, bei dem die Drehzahlen bzw. Drehwinkel Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 1 zueinander veränderbar sein sollen, werden die Kontaktscheiben 8, 9, bevorzugt durch einen kleinen Abstand zueinander, ausser Reibkontakt gebracht. Gleichzeitig wird der Hilfsantrieb mit Energie versorgt, so dass er die Abstützung des von der Antriebswelle 2 eingeleiteten Drehmoments übernimmt. Bedarfsweise wird der Rotor 7 durch den Hilfsantrieb in Drehung versetzt, um die Entsprechende Drehzahl- bzw. Drehwin- kelüberlagerung zwischen Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 1 zu erreichen.
Es ist besonders vorteilhaft zur Erhöhung der Sicherheit, wenn im Fall der Entriegelung bei bei Ausfall der Energie- Versorgung am Hilfsantrieb 5, 6, 7 die Umschaltung in den Fall der Verriegelung, bei dem Abtriebswelle 1 und Antriebswelle 2 drehfeste gekoppelt sind, quasi automatisch erfolgt. Zusätzliche Ströme, die die Kopplung bewirken, sollen nicht erforderlich sein. Dieser Vorgang soll zudem für den Fahrer möglichst unmerklich erfolgen.
Dazu soll bevorzugt die Entriegelung durch einen Stromfluss bewirkt werden, während ohne diesen Stromfluss sich das System automatisch verriegelt. In einer Weiterführung der Erfindung wird das dadurch erreicht, dass die magnetische Anpresskraft zwischen der ersten und zweiten Kontaktscheibe durch ein elektrisch angesteuertes Gegenmagnetfeld aufhebbar ist. Im einfachsten Fall wird dieses Gegenmagnetfeld durch eine umlaufende Spule 12, die über einen elektrischen Anschluss 13 angesteuert wird, erzeugt. Die Spule 12 ist im Ausführungsbeispiel zwischen dem Permanentmagneten 11, die die magnetische Anpresskraft bewirken und der Kontaktscheibe 9 angeordnet. Ist die Spule 12 entsprechend bestromt, schliesst sich der magnetische Kreis zwischen dem Permanentmagneten 11, so dass auf die erste Kontaktscheibe 8 keine oder nur eine sehr geringe Anziehungskraft in Rich- tung der zweiten Kontaktscheibe 9 wirkt. Damit sinkt die Reibkraft zwischen den beiden Kontaktscheiben, so dass die Verriegelungseinrichtung 10 entriegelt ist. Bei Ausfall der Stromversorgung der Spule 12 bricht das Gegenmagnetfeld unmittelbar zusammen, so dass die Magnetkraft des Permanent- magneten 11 direkt auf die Kontaktscheibe 8 wirkt und diese an die Kontaktscheibe 9 heranzieht.
In einer Weiterführung soll der Energieaufwand zum Halten des entriegelten Zustands der Verriegelungseinrichtung 10 gesenkt wird. Dazu umfasst die Verriegelungseinrichtung eine Feder 34 umfasst, deren Kraft entgegen der magnetischen Anpresskraft wirkt. Im Ausführungsbeispiel wird die axial verschiebliche Kontaktscheibe 8 mittels einer Feder 34 vom Permanentmagneten 11 weggedrückt, wie dies schematisch in der detaillierten Figur 7 dargestellt ist. Mit steigendem Abstand der Kontaktscheibe vom Feld des Permanentmagneten 11 sinkt die Anziehungskraft, so dass das Gegenmagnetfeld nur noch schwächer zu sein braucht, um dessen Wirkung aufzuheben.
Die Federkraft muss jedoch zur Verriegelung der Verriegelungseinrichtung 10 durch die magnetische Kraft des Perma- nentmagneten 11 überwunden werden. Dazu wird in einer Weiterführung der Erfindung die Federkraft definiert ausgelegt. Im bevorzugten Fall ist die Federkraft so bemessen, dass die auf die erste axial bewegliche Kontaktscheibe 8 von der anderen Kontaktscheibe 9 weg gerichtet wirkende Kraft im von der ersten Kontaktscheibe abgehobenen Zustand im Bereich von etwas grösser als Null bis 10% des Betrages der magnetischen Kraft des Magnetfeldes, das die Anpresskraft erzeugt, liegt. Dadurch ist zum Erhalt des entriegelten Zustandes der Verriegelungseinrichtung 10 nur ein sehr geringer Leistungsbedarf für das Gegenmagnetfeld vorhanden. Gleichzeitig ist das sichere Schliessen der Verriegelungseinrichtung gewährleistet. Sobald sich die Kontaktscheiben 8, 9 aufeinander zu bewegen steigt die magnetische Kraft auf die bewegliche Kontaktscheibe 8, so dass die benötigte hohe Reibkraft erzeugt wird. Mit der Dimensionierung der Feder wird gleichzeitig das Prellen beim Zusammenschlagen der beiden Kontaktscheiben vermindert. Der kurzzeitig geringfügig höhere Leistungsbedarf zum Entriegeln der Verriegelungseinrichtung 10 wird durch die Einsparung während der gesamten Dauer des Haltens im entriegelten Zustand mehr als kompensiert . Die Verriegelungseinrichtung 10 kann sehr gut und kompakt in die Drehzahlüberlagerungseinrichtung integriert werden. Dazu wird bevorzugt der Rotor 7 einerseits direkt in der Trägeranordnung 4 drehbar gelagert und die Antriebswelle 2 in dem fest mit der Trägeranordnung verbundenen Teil der Verriegelungseinrichtung 10, das die zweite Kontaktscheibe umfasst, drehbar gelagert. Besonders vorteilhaft ist das andere Ende der Antriebswelle 2 in direkt in der Abtriebswelle 1 gelagert.
Mit Hilfe der nach den oben genannten Merkmalen aufgebauten Drehzahlüberlagerungseinrichtung ist eine Sicherheitsredundanz für die Lenkung gegen Ausfall der Bordnetzspannung oder andere Störungen gegeben, die sehr schnell und sicher eine mechanische Kopplung zwischen dem Steuerrad und den gelenkten Rädern herstellt. Im Falle eines Ausfalls der Energieversorgung des Hilfsantriebes 5, 6, 7, eines Sensorsignals oder einer Fehlfunktion in der Steuerung oder einer anderen Störung der Funktionen des Fahrzeuges wird der Stromfluss zum Betreiben des Gegenmagnetfeldes zum Aufheben der magnetischen Anpresskraft unterbrochen, so dass die erste Kontaktscheibe 8 mit der zweiten Kontaktscheibe 9 mit der magnetisch erzeugten Anpresskraft in reibschlüssigen Kontakt stehen.
Anhand der Figuren 3, 4, 5 und 6 wird die Anwendung für verschiedene Arten von bevorzugten Überlagerungsgetrieben zur Darstellung der Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem näher erläutert welche erfindungsge- mäss mit einer Verriegelungseinrichtung 10 gekoppelt sind. In Fig. 3 ist eine bevorzugte Drehzahlüberlagerungseinrichtung zusammen mit der Verriegelungseinrichtung 10 im Längsschnitt dargestellt. Eine Antriebswelle 2 und Abtriebswelle
1 sind in Achsrichtung gegeneinander ausgerichtet und dreh- bar unabhängig voneinander drehbeweglich gelagert. Die Antriebswelle 2 ist in einem Lenksystem mit einem Lenkrad 120 wirkverbunden. Die Trägeranordnung 4 nimmt die Lager 14a, 14d und 14b auf für die drehbare Lagerung der Antriebswelle
2 und der Abtriebswelle 1. Diese Wellen 1, 2 können voll- ständig an der Trägeranordnung gelagert werden oder aber auch zusätzlich ausserhalb der Trägeranordnung 4. Die Trägeranordnung 4 ist verdrehfest gegenüber dem Chassis am Fahrzeug angeordnet und dreht mit keiner der beiden Wellen 1,2 mit. Die Trägeranordnung 4 ist vorteilhafterweise als ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse 4 ausgebildet. Koaxial um die Antriebswelle 1 ist, gegenüber dem Gehäuse 4, ein Rotor 7 drehbar mit einem Lager 14b, 14c gelagert angeordnet, welcher durch den stationär angeordneten umfassenden Stator 6 getrieben wird und zusammen einen Elektro- motor bildet. Bevorzugterweise ist dieser Motor als elektronisch kommutierter Motor ausgebildet. Dieser Hilfsan- trieb 5, 6, 7 kann aber auch anderer Art sein, wie beispielsweise ein hydraulischer Motor. Am Rotor 7 ist ein Wa- ve-Generator 19, der ein erstes Getriebeelement bildet, an- geordnet, der beispielsweise aus einer ovalen Scheibe besteht, auf dessen Umfang direkt oder indirekt ein aussen- verzahnter flexibler Ring 21 gelagert ist. Weiterhin ist am Rotor das erste Kontaktelement 8 der erfindungsgemässen Verriegelungseinrichtung 10, hier wieder als Kontaktscheibe 8 ausgebildet, drehfest angeordnet. Zusammen mit dem dritten Gehäuseteil 17 ist der Anschluss an die Verriegelungs- einrichtung 10 dargestellt, dessen Aufbau und Funktion bereits zuvor beschrieben worden ist. Die Aussenverzahnung des flexiblen Rings 21 greift zum mindesten an zwei gegenüberliegenden Umfangspunkten in ein Innenzahnrad 20 ein. Dieses Innenzahnrad 20 ist mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbunden, wobei die Antriebswelle 2 mit dem aussenverzahnten flexiblen Ring 21 drehfest verbunden ist.
Die vorliegende Ausbildung der Drehzahlüberlagerungseinrichtung bewirkt, dass wenn der Hilfsantrieb 5, 6, 7 nicht betrieben wird, keine Drehzahlüberlagerung auf die Abtriebswelle 1 statt findet und die Antriebswelle 2 mit der Abtriebswelle 1 über die Getriebeanordnung 1:1 gekoppelt ist. In diesem Fall überträgt sich somit die Drehbewegung des Lenkrades 120 bzw. der Antriebswelle 2 direkt über die Verdrehung des mit der Antriebswelle drehfest verbundenen flexiblen Rings 21 und den Zahneingriffen zwischen diesem flexiblen Ring 21 und dem innenverzahnten Innenzahnrad 20, das mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbunden ist, ohne Drehzahlveränderung auf die Abtriebswelle 1 und somit auf das Lenkgetriebe 122. Wird der Hilfsantrieb 6, 7 in Bewegung gesetzt, entsprechend den Signalen der Ansteuerungse- lektronik des Steuergerätes 128, wird der Rotor 7 in Bewegung versetzt und dessen Drehzahl, entsprechend untersetzt, über das eingangs beschriebene Harmonic-Drive-Getriebe auf die Abtriebswelle 1 überlagert. Das Drehzahlverhalten der Lenkeinrichtung kann somit über die vorliegende Drehzahlüberlagerungseinrichtung wunschgemäss der Fahrsituation und den Fahrbedürfnissen mit Hilfe der Steuerungsvorrichtung 128 eingestellt und nachgeführt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der flexible Ring 21 topfförmig ausgebildet und direkt mit seiner Bodenfläche mit der Antriebswelle 2 bzw. in einer alternativen Ausführungsform mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbunden, bevorzugt sogar durch eine einfache Verstemmung oder Nietverbindung oder durch eine Schweissverbindung des so gebilde- ten Bodens mit der Antriebswelle 2 bzw. in einer alternativen Ausführungsform mit der Abtriebswelle 1.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Antriebs- und die Abtriebswelle in der Anordnung gegen- einander auszutauschen. Hierbei wird dann die Antriebswelle 2 mit dem Innenzahnrad 20 drehfest verbunden Und die Abtriebswelle 1 mit dem aussenverzahnten flexiblen Ring 21 drehfest verbunden.
Das Innenzahnrad 20, dessen Zahnkreis bevorzugt kreisrund ist, kann auch einteilig mit der Abtriebswelle 1 oder als separates Bauteil ausgebildet sein, das mit der Abtriebswelle 1 durch umformtechnisches Fügen, analog dem Durchsetzfügen, oder durch Schweissen oder Löten mit der Ab- triebswelle oder durch eine Reibschlüssige Verbindung verbunden werden. In besonders vorteilhafter Weise ist das Innenzahnrad, topfförmig ausgebildet. Ein derartiges Innenzahnrad ist dann beispielsweise durch eine Blechumformung und Stanzoperationen hergestellt und an seinem Topfboden mit der Abtriebswelle drehfest verbunden.
Zur Erfassung des Drehwinkelzustandes der Anordnung ist vorteilhafterweise ein Drehwinkelsensor 16 vorgesehen, welcher mit einem Steuergerät 128 verbunden ist, welches wie- derum auf den Hilfsantrieb 6, 7 einwirkt zur Einstellung des gewünschten Drehzahlüberlagerungsverhaltens der Lenkeinrichtung. Der Sensor 16 kann hierbei Positionen des Ro- tors 7, der Antriebswelle 2 oder der Abtriebswelle 1 erfassen. Je nach gewähltem Steuerungsalgorithmus kann hierbei eines der Signale oder auch die Kombination der Signale verarbeitet werden.
Eine weitere bevorzugte Drehzahlüberlagerungseinrichtung mit Sicherheitskupplung 10 ist im Längsschnitt in Figur 4 dargestellt und im Querschnitt in Figur 5.
Diese Drehzahlüberlagerungseinrichtung umfasst folgende Komponenten:
• eine Antriebseinrichtung, hier die Antriebswelle 2,
• eine Abtriebseinrichtung, hier die Abtriebswelle 1,
• ein Hilfsantrieb, umfassend einen Stator 6 mit hier nicht speziell dargestellten Statorwicklungen 5 mit entsprechendem elektrischen Anschluss und einen Rotor 7 mit hier nicht speziell dargestellten Permanentmagneten,
• einer Trägeranordnung 4, die drehfest gegenüber der Karosserie fixiert ist, vorteilhaft als Gehäuse ausge- bildet, wie beispielsweise bestehend aus mindestens zwei Gehäuseteilen 4, die die Wellen 1,2 und den Rotor 7 des Hilfsantriebs in den Lagern 14c, 14d bzw. 14b, 14c lagert und den Stator 6 des Hilfsantriebs trägt, wobei diese Gehäuseteile vorzugsweise mit einem Gewin- de 26 verschraubbar sind,
• einen je nach Ausführungsform einteilig mit dem Rotor 7 oder nur drehfest verbunden ausgebildeten Hilfsträger 25 der mindestens ein weiteres Zahnrad 24 trägt und welcher ein erstes Getriebeelement bildet, • eine erste, an der Antriebswelle 2 antriebsseitig angeordnete, Zahnscheibe 22 mit Aussenverzahnung, • eine zweite, an der Abtriebswelle 2 abtriebsseitig angeordnete, Zahnscheibe 23, mit einer weiteren Aussen- verzahnung, wobei am Rotor über ein Kopplungselement 15 das erste Kon- taktelement 8 der erfindungsgemässen Veriegelungseinrich- tung 10, hier als Kontaktscheibe 8 ausbildet, drehfest angeordnet ist, die Antriebs- und die Abtriebswellen 1,2 vorzugsweise in einer Achse mit einem Drehzentrum 3 angeordnet sind und die Aussenverzahnungen der beiden Zahnscheiben 22, 23 parallel zueinander, mit ihren Zahnspitzen weg vom Drehzentrum 3 der Drehzahlüberlagerungseinrichtung gerichtet und abgewinkelt zur Orthogonalen zu diesem Drehzentrum 3 ausgerichtet sind und mit der Verzahnung des zumindest einen weiteren Zahnrades 24 in Eingriff stehen. Die beiden Zahnscheiben 22, 23 sind hierbei stirnseitig, in geringem Abstand zueinander positioniert, angeordnet und ihre Verzahnungen verlaufen in gleicher Richtung zueinander ausgerichtet und fluchten miteinander im Eingriffsbereich des weiteren Zahnrades 24. Zusammen mit dem dritten Gehäus'eteil 17 ist der Anschluss an die Verriegelungseinrichtung 10 dargestellt, dessen Aufbau und Funktion bereits zuvor beschrieben worden ist.
In der bevorzugten Ausführungsform besitzen die Zahnscheiben 22, 23 Verzahnungen mit unterschiedlichen Zähnezahlen und voneinander verschiedenen Teilkreisradien. Dabei ist unter Teilkreisradius der Mittelwert zwischen Radius zur Spitze der Verzahnung und dem Radius zum Fuss der Verzahnung in der Mitte der Verzahnungsbreite zu verstehen. Weiter greift jedes einzelne der weiteren Zahnräder mit seiner Verzahnung in beide Zahnscheiben 22, 23 gleichzeitig ein. Der Winkel unter dem die Verzahnungen der Zahnscheiben 22, 23 von der Orthogonalen zum Drehzentrum 3 abgewinkelt ist, beträgt bevorzugt zwischen 10 und 30°. Aus Symmetriegründen wird die Einrichtung bevorzugt mit zwei oder drei weiteren Zahnrädern 24 ausgelegt.
Die Antriebswelle 2 wird vom Steuerrad 120 in Drehung versetzt und überträgt ihre Drehung auf die erste, an- triebsseitige, Zahnscheibe 22. Über die Zahnflanken der Verzahnung der weiteren Zahnräder 24 wird, die vom Steuerrad 120 in die Verzahnung der ersten, antriebsseitigen, Zahnscheibe 22 eingeleitete, Drehzahl auf die Verzahnung der zweiten, abtriebsseitigen, Zahnscheibe 23 und damit auf die Abtriebswelle 1 übertragen. Unter der Voraussetzung, dass der Hilfsträger 25 in seiner Winkellage zum drehfest zur Karosserie angeordneten Gehäuse 4 fest steht, drehen sich bei der Drehzahlübertragung von der Eingangswelle 2 auf die Ausgangswelle 1 die weiteren Zahnräder 24 um ihre eigene Achse. Mit Hilfe der erfindungsgemässen Verriegelungseinrichtung 10, bei der im Bedarfsfalle der Rotor 7 über das mit ihm über ein Kopplungselement 15 verbundene Kontaktelement 8 mit der Trägeranordnung 4 blockiert wird, ist der mit dem Rotor 7 verbundene Hilfsträger 25 ebenfalls blockiert. Die Ausgangsdrehzahl an der Abtriebswelle 1 ist dann bestimmt durch die Eingangsdrehzahl an der Antriebswelle 2 multipliziert mit dem Quotienten aus der Anzahl Zähne der Verzahnung der ersten, antriebsseitigen, Zahnscheibe 22 geteilt durch die Anzahl der Zähne der Verzahnung der zweiten, abtriebsseitigen, Zahnscheibe 23.
Wird der Hilfsantrieb angetrieben, so wird die Drehzahl dessen Rotors 7 auf den Hilfsträger 25 übertragen und dabei die weiteren Zahnräder 24 in zusätzliche Rotation um ihre eigene Achse versetzt. Dadurch werden die beiden Zahnschei- ben 22, 23 gegeneinander in eine Relativverdrehung, die von den Zähnezahlen dessen Verzahnungen abhängt. Mit einfachen getriebetechnischen Überlegungen kann hier ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis von Drehzahl des Hilfsträgers 25 zur Drehzahl der Abtriebswelle, bei nicht drehender Antriebswelle, ausgelegt werden. Allerdings gestattet der Grundsätzliche Getriebeaufbau nur eine Drehzahluntersetzung, was insoweit vorteilhaft ist, weil der eingesetzte Elektromotor dadurch mit einer höheren, für Elektromotoren günstigeren Drehzahl, betrieben werden kann.
Die Zahnscheiben 22, 23 können auch als innenverzahntes Hohlzahnrad ausgebildet sein. In diesem Fall rollt dann das weitere Zahnrad an dieser Innenverzahnung ab. Die Ausfüh- rung mit aussenverzahnten Zahnscheiben und abrollen des weiteren Zahnrades 24 auf dieser Aussenverzahnung 'wird allerdings bevorzugt, da damit der Aufbau vereinfacht ist.
Alternativ zur in den Figuren gezeigten Lösung kann der Hilfsantrieb auch über einen Getriebe-, Riemen- oder Kettentrieb in die Drehzahlüberlagerungseinrichtung eingekoppelt sein. Hier kann dann sowohl der Rotor oder nur ein einziges oder natürlich auch mehrere der weiteren Zahnräder 24 in Drehung um ihre eigene Achse versetzt sein. Ebenso kann der Hilfsantrieb, anstelle der bevorzugten Ausführung als elektronisch kommutierter Elektromotor, aufgrund der karosseriefesten Anordnung seines Stators, in sehr einfacher Weise als hydraulischer oder pneumatischer Antrieb ausgebildet sein.
In dieser Ausführungsform mit besonders wenig Einzelteilen wird die Trägeranordnung als mindestens zweiteiliges Gehäu- se 4 ausgelegt, wobei die beiden Gehäusehälften miteinander so verschraubt 26 sind, dass die Verzahnungen der Zahnscheiben 22, 23 und der weiteren Zahnräder 24 spielfrei aber nicht verklemmt in Eingriff gebracht sind, wodurch ein Spielausgleich während der Montage der Drehzahlüberlagerungseinrichtung erreicht ist. Die Αxialpositionierung, durch entsprechendes Anziehen der Gehäuseverschraubung 26, erfolgt unter Messung der entsprechenden Winkelspiele zwischen Eingangswelle 2, Ausgangswelle 1 sowie Rotor 7 und Messung entsprechend wirkender Momente beim Verdrehen der Eingangswelle 2, Ausgangswelle 1 sowie des Rotors 7, wobei die Momente möglichst minimale Werte annehmen sollen und die Spiele vorgegebene Werte, beispielsweise 0,5 Winkelgrad nicht überschreiten sollen.
Die Anzahl der weiteren Zahnräder 24 sollte möglichst klein sein, da in jedem Zahneingriff der Verzahnungen der weiteren Zahnräder 24 in die Verzahnungen der beiden Zahnscheiben 22, 23 die Ausrichtung der Zähne der Verzahnungen zu- einander korrespondieren müssen, was die möglichen Zähne- zahldifferenzen und damit mögliche Übersetzungsverhältnisse der Einrichtung einschränken. So kann beispielsweise mit zwei weiteren Zahnrädern 24 die Verzahnung der ersten Zahnscheibe 22 mit 54 und die der zweiten Zahnscheibe 23 mit 56 Zähnen ausgelegt sein, was zu einer Übersetzung von Reziprokwert aus eins minus Quotient aus Anzahl Zähne erster Zahnscheibe 22 geteilt durch Anzahl Zähne zweiter Zahnscheibe 23 zu dem Ergebnis von 27 Rotorumdrehungen je Umdrehung der Abtriebswelle 2 bei nicht drehender Antriebs- welle 1 führt.
Wird ein drittes weiteres Zahnrad 24 eingeführt, muss wegen der Korrespondenz die Zähnezahldifferenz 3 betragen, so dass das Übersetzungsverhältnis nun zu 18 Rotorumdrehungen je Umdrehung der Abtriebswelle 1 bei nicht drehender Antriebswelle 2 Führt. Die Zähnezahl des weiteren Zahnrades 24 ist für die Bemessung des Untersetzungsverhältnisses nicht massgebend. Allerdings müssen die Zähne modulmässig in die Zähne der beiden Zahnscheiben 22, 23 passen. Wenn mehr als ein weiteres Zahnrad 24 verwendet wird, sollten diese mit Vorteil am Rotor bzw. am Hilfsträger 25 über dessen Drehkreis gleichmässig verteilt angeordnet werden, um die einwirkenden Kräfte gleichmässig auf zu teilen. In diesem Fall muss bei der Bemessung auch dafür gesorgt werden, dass die Verzahnungen der beiden Zahnscheiben 22, 23 bei jedem der weiteren Zahnräder 24 der Eingriff mit den Zahnscheiben korrespondierend ist.
Die bevorzugte Ausführungsform der Drehzahlüberlagerungseinrichtung umfasst zusätzlich eine Drehzahl- bzw. Drehwin- kelmesseichtung 16 und die erfindungsgemässe Anordnung mit einer Sicherheitskupplung 10.
In Fig. 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehzahlüberlagerungseinrichtung im axialen Halbschnitt dargestellt. Das aus zwei Gehäusehälften bestehende Gehäuse 4 umschließt einen Hilfsantrieb, der aus einem Stator 6 und einem Rotor 7 besteht. Der Stator 6 ist mit dem Gehäuse bzw. der Gehäuseteile 4 drehfest verbunden. In das eine Gehäuseteil ragt das Wellenende Ia der Abtriebswelle 1 hinein. Auf dem Wellenende Ia ist eine Zahnscheibe 31 drehfest angeordnet. Über einen hülsenförmigen axialen Fortsatz der Zahnscheibe 31, welcher koaxial zum Wellenende Ia angeordnet ist, ist die Abtriebswelle 1 zusammen mit der Zahnscheibe 31 über ein Wälzlager 14d dreh- bar gegenüber dem Gehäuse 4 gelagert. Die Zahnscheibe 31 weist an ihrem Umfang eine vom Wellenende Ia wegweisende und einer Taumelscheibe 27 zugewandte Verzahnung 32 auf.
Koaxial zur Abtriebswelle 1 ist eine Antriebswelle 2 angeordnet, welche verdrehfest mit dem Gehäuse 4 bzw. einer der Gehäuseteile verbunden ist. Die Gehäuseteile weisen an ihren einander zugewandten Enden sich in radialer Richtung erstreckende Flansche auf. Zwischen diesen Flanschen und mit diesen kraft- und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist eine zweite Zahnscheibe 30 angeordnet. Die zweite Zahnscheibe 30 weist eine in Richtung auf das Wellenende Ia der Abtriebswelle 1 und zur Taumelscheibe 27 hin gerichtete Verzahnung auf. In radialer Richtung er- streckt sich die zweite Zahnscheibe 30 bis zum zylindrischen Abschnitt des Rotors 7a hin. An ihrem dem Rotor 7 zugewandten Ende weist die zweite Zahnscheibe 30 einen axialen Flansch auf. Zwischen diesem Flansch und dem zylindrischen Abschnitt des Rotors 7 ist ein Nadellager 14c ange- ordnet. An dem dem Wellenende 2a der Antriebswelle 2 zugewandten Ende des Rotors 7 ist ein Wälzlager 14b angeordnet. Über das Wälzlager 14b und das Nadellager 14c ist der Rotor 7 relativ zum Gehäuse 4 und relativ zur Zahnscheibe 30 drehbar gelagert.
Es ist dabei offensichtlich, dass axialer Flansch der Zahnscheibe 29 und Zahnscheibe 30 auch als separate Bauteile gefertigt und anschließend verbunden werden können.
An dem der Abtriebswelle 1 zugewandten Ende des Rotors 7 ist ein zweiter zylindrischer Abschnitt 7b des Rotors vorhanden, welcher gegenüber dem ersten zylindrischen Ab- schnitt 7a um einen Winkel α abgewinkelt ist (Taumelwinkel α) und die Taumelachse 7c bildet. Auf diesem zweiten Abschnitt 7b ist eine Taumelscheibe 27a - das erste Getriebeelement der Drehzahlüberlagerungseinrichtung - angeord- net, welche zwei umlaufende Verzahnungen 28a, 28b aufweist. Durch diese Anordnung der Taumelscheibe 27a auf dem abgewinkelten Abschnitt 7b des Rotors 7 kommen die Verzahnungen 28a, 28b der Taumelscheibe 27 am Umfang an einander gegenüber liegenden Seiten mit der ersten Zahnscheibe 31 und der zweiten Zahnscheibe 30 in Eingriff. Auf diese Weise sind die Zahnscheiben 30, 31 über die Taumelscheibe 27 trieblich miteinander gekoppelt.
Mit dem Gehäuse 4 ist der Stator 6 eines Elektromotors, welcher die Drehzahlübersetzung bewirkt, drehfest verbunden. Der Elektromotor ist bevorzugt mittels Permanentmagneten 18 erregt. Der Rotor 7 des Elektromotors steuert die Taumelscheibe 27 an, die mit ihren Verzahnungen 28a, 28b die Kraftübertragung zwischen den beiden Zahnscheiben 30, 31 der Antriebswelle 2 und der Abtriebswelle 1 vermittelt. Der Zahneingriff der Taumelscheibe 27 am Umfang wechselt je nach Drehwinkel des Rotors 7.
Die Taumelscheibe 27 ist auf dem abgewinkelten Abschnitt 7b des Rotors 7 über Rollen bzw. ein Nadellager 36 drehbar gelagert. Aufgrund der Anordnung der Taumelscheibe 27 auf dem abgewinkelten Abschnitt 7b des Rotors b kommt es, wenn der Rotor b in Rotation versetzt wird, zu einer Verdrehung der Taumelscheibe 27. Wird der Rotor 7 beispielsweise in Rich- tung des Pfeiles 7R gedreht, so dreht sich die Taumelscheibe 27 in die gleiche Richtung. Dabei wandert der Zahneingriff zwischen der zweiten Zahnscheibe 30 und der Ver- zahnung 28b der Taumelscheibe 27 in Umfangsrichtung in die Zeichenebene hinein.
Die erste Zahnscheibe 31 und die zweite Zahnscheibe 30 un- terscheiden sich hinsichtlich ihrer Zähnezahl voneinander. Dadurch wird erreicht, dass sich die eine Zahnscheibe aufgrund der Drehung der TaumelScheibe 27 schneller dreht als die andere Zahnscheibe, sodass die für derartige Taumelgetriebe typischen hohen Übersetzungsverhältnisse erreicht werden.
Zum Spielausgleich kann in die Vorrichtung die Druckfeder 33 integriert sein, die die beiden Zahnscheiben 30, 31 und die Taumelscheibe zusammendrücken.
An dem der Antriebswelle 2 zugewandten Ende des Rotors 7 ist ein Kopplungselement 15 befestigt, das die erste Kontaktscheibe 8 trägt. Zusammen mit dem dritten Gehäuseteil 17 ist der Anschluss an die Verriegelungseinrichtung 10 dargestellt, dessen Aufbau und Funktion oben dargestellt ist .
In der Figur 8 ist eine alternative Ausführung für die Sicherheitskupplung dargestellt, bei der die Kontaktscheibe 8 direkt mit dem als Joch ausgeführten Teilgehäuse 17 in Kontakt gebracht wird. Das zweite Kontaktelement bzw. die zweite Kontaktscheibe ist hier als Bestandteil des Teilgehäuses 17 anzusehen.
Die Kontaktscheibe 8 kann in allen Ausführungsformen als zylindrische Scheibe ausgelegt sein. Zur besseren Entlüftung beim Schliessen der beiden Kontaktflächen ist es je- doch von Vorteil, die Kontaktscheibe 8 mit entsprechenden Aussparungen 37 auszulegen (vgl. Figur 9). Alternativ können auch eine Anzahl von Kontaktelementen 38 (vgl. Figur 10) direkt mit dem Kopplungselement 15 verbunden sein. Die Form der Aussparungen 37 bzw. Kontaktelemente 38 der Kontaktscheibe 8 sind den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten anzupassen. Wichtig ist, dass eine genügende magnetische Anziehungskraft zum zweiten Kontaktelement 9, wie beispielsweise die zweite Kontaktscheibe 9 oder das Teilgehäu- se 17, das an seiner zur Kontaktscheibe 8 hin gerichteten Oberfläche selbst einen entsprechenden Reibbelag aufweisen kann, erreicht ist.
Auch wenn in allen Ausführungsformen Wälzlager gezeigt sind, ist es denkbar und möglich, Gleitlager einzusetzen. Während im Allgemeinen mit Wälzlagern geringere Reibwerte erzielt werden, sind Gleitlager kostengünstiger und benötigen weniger Bauraum. Die Entscheidung wird je nach den Erfordernissen an Bauraum und Energieeinsatz für den Hilfsan- trieb getroffen.
Die so vorgestellte Drehzahlüberlagerungseinrichtung wird in Fahrzeuglenksystemen in der Weise betrieben, dass im Falle eines Ausfalls der Energieversorgung des Hilfsantrie- bes oder einer anderen Störung der Funktionen des Fahrzeuges der Stromfluss zum Betreiben des Gegenmagnetfeldes zum Aufheben der magnetischen Anpresskraft unterbrochen wird, so dass die erste Kontaktscheibe (8) mit der zweiten Kontaktscheibe (9) mit der magnetisch erzeugten Anpresskraft in reibschlüssigen Kontakt stehen, dadurch wird unmittelbar eine drehfeste Kopplung zwischen der Antriebswelle 2 und der Abtriebswelle 1 erzielt. Es ist in diesem Falle wünschenswert, die Kopplung innerhalb möglichst kurzer Zeit und für den Fahrer möglichst unmerklich herzustellen. Als Fehlerfall ist neben dem Energieausfall der Energieversorgung des Hilfsantriebes oder im Fahrzeug auch ein Sensorausfall, ein Problem mit der An- steuerung oder ein Softwarefehler oder sonstiger Fehler denkbar. So kann beispielsweise durch einen einfachen Kabelbruch, der Messwert der Geschwindigkeit des Fahrzeuges nicht mehr korrekt an die Steuerung der Überlagerungsrege- lung übertragen werden. Damit kann die Steuerung nicht mehr entscheiden, mit welcher Drehzahlüberlagerung die Einrichtung betrieben werden soll. In einem derartigen Fall, der leicht erkennbar ist, steht genügend Energie zur Verfügung, die drehfeste Kopplung zwischen Abtriebswelle 1 und An- triebswelle 2 aktiv zur erreichen.
In einer bevorzugten Weiterführung der Erfindung wird die Spule für das Gegenmagnetfeld, mit dem das Magnetfeld des Permanentmagneten 11, das die Verriegelungseinrichtung 10 zur wahlweisen drehfesten Kopplung zwischen Abtriebswelle 1 und Antriebswelle 2 bewirkt, aufgehoben wird, zumindest zeitweise so geschaltet, dass die magnetische Anpresskraft zwischen den beiden Kontaktscheiben 8, 9 erhöht ist. Dadurch wird ein beschleunigtes Schliessen der Verriegelungs- einrichtung bewirkt. Nach dem die drehfeste Kopplung der Abtriebswelle 1 und der Antriebswelle 2 erreicht ist, kann die Bestromung der Spule 12 für das Gegenmagnetfeld abgeschaltet werden.
In allen gezeigten Ausführungsformen der Drehzahlüberlagerungseinrichtung kann auch die Abtriebswelle 1 mit der Antriebswelle 2 vertauscht sein. Es sind auch andere Getriebeanordnungen, wie beispielsweise Planetengetriebe möglich für die Anwendung in Lenkanordnungen in Kombination mit der zuvor dargestellten Sicherheits- kupplungsanordnung.

Claims

Ansprüche
1. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem mit einer Abtriebswelle (1) , die zur Antriebswelle (2) in deren Achsrichtung ausgerichtet ist, ei- ner Trägeranordnung (4), welche die Abtriebswelle (1) und die Antriebswelle (2) mindestens teilweise gelagert drehbar positioniert, einem Hilfsantrieb (5, 6, 7) mit einem Rotor (7), der mit einem ersten Getriebeelement (19, 25, 27) drehfest verbunden ist und eine einstellbare Verriegelungseinrichtung (10) zur wahlweisen drehfesten Kopplung zwischen Abtriebswelle (1) und Antriebswelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Trägeranordnung (4) karosseriefest angeordnet ist, der Rotor des Hilfsantriebes (5, 6, 7) koaxial die Ab- triebswelle (1) und/oder Antriebswelle (2) um- schliesst, das erste Getriebeelement (19, 25, 27) mit einer Drehzahlübersetzung kleiner 1 die Drehzahl des Rotors (7) auf die Drehzahl der Abtriebswelle (1) überträgt, und der Rotor (7) mit einer konzentrisch die Achsrichtung der Abtriebswelle (1) und Antriebswelle (2) umschliessenden ferromagnetischen oder permanentmagnetischen ersten Kontaktelement (8) drehfest verbunden ist, wobei die wahlweise drehfeste Kopplung zwischen Abtriebswelle (1) und Antriebswelle (2) durch einen Reibschluss des ersten Kontaktelementes (8) mit einem zweiten Kontaktelement (9) , das drehfest mit der Trägeranordnung (4) verbunden ist, erzielbar ist und die für die Reibkraft erforderliche Anpresskraft durch eine magnetische Kraft erzeugt ist und wobei zumindest eines der beiden Kontaktelemente (8, 9) in Achsrichtung verschieblich ist.
2. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Anpresskraft zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement durch ein elektrisch angesteu- ertes Gegenmagnetfeld aufhebbar ist und dass vorzugsweise mindestens eines der Kontaktelemente 8, 9 scheibenförmig, und/oder konusförmig ausgebildet ist.
3. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenk- System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung eine Feder (34) um- fasst, deren Kraft entgegen der magnetischen Anpresskraft wirkt.
4. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft so bemessen ist, dass auf das erste axial bewegliche Kontaktelement (8) von dem anderen Kontaktelement (9) weg gerichtet wirkende Kraft im vom ersten Kontaktelement abgehobenen Zustand im Bereich von etwas grösser als Null bis 10% des Betrages der magnetischen Kraft des Magnetfeldes, das die Anpresskraft erzeugt, liegt.
5. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) einerseits direkt in der Trägeranordnung (4) drehbar gelagert ist, dass die Antriebswelle (2) in der Abtriebswelle (1) und in dem fest mit der Trägeranordnung verbundenen Teil der Verriegelungseinrichtung (10), das das zweite Kontaktelement umfasst, drehbar gelagert ist.
6. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für Fahrzeuglenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, dass der Hilfsantrieb (5, 6, 7) ein Elektromotor ist, dessen Stator (6) fest mit der Trägeranordnung (4) verbunden ist.
7. Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6) die Achse (3) der Antriebswelle (2) und/oder Abtriebswelle (1) koaxial umschliesst.
8. Verfahren zum Betreiben einer Drehzahlüberlagerungseinrichtung für ein Fahrzeuglenksystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Ausfalls der Energieversorgung des Hilfsantriebes oder einer anderen Störung der Funktionen des Fahrzeuges der Stromfluss zum Betreiben des Gegenmagnetfeldes zum Aufheben der magnetischen Anpresskraft unterbrochen wird, so dass das erste Kontaktelement (8) mit dem zweiten Kontaktelement (9) mit der magnetisch erzeugten Anpresskraft in reibschlüssigen Kontakt stehen.
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