WO2021069405A1 - Verriegelungsvorrichtung und lenksäule mit verriegelungsvorrichtung - Google Patents

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WO2021069405A1
WO2021069405A1 PCT/EP2020/077924 EP2020077924W WO2021069405A1 WO 2021069405 A1 WO2021069405 A1 WO 2021069405A1 EP 2020077924 W EP2020077924 W EP 2020077924W WO 2021069405 A1 WO2021069405 A1 WO 2021069405A1
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WO
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locking device
locking
latching element
steering
designed
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/077924
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Galehr
Sebastian Forte
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R25/00—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles
    • B60R25/01—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles operating on vehicle systems or fittings, e.g. on doors, seats or windscreens
    • B60R25/02—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles operating on vehicle systems or fittings, e.g. on doors, seats or windscreens operating on the steering mechanism
    • B60R25/021—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles operating on vehicle systems or fittings, e.g. on doors, seats or windscreens operating on the steering mechanism restraining movement of the steering column or steering wheel hub, e.g. restraining means controlled by ignition switch
    • B60R25/0215—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles operating on vehicle systems or fittings, e.g. on doors, seats or windscreens operating on the steering mechanism restraining movement of the steering column or steering wheel hub, e.g. restraining means controlled by ignition switch using electric means, e.g. electric motors or solenoids
    • B60R25/02153—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles operating on vehicle systems or fittings, e.g. on doors, seats or windscreens operating on the steering mechanism restraining movement of the steering column or steering wheel hub, e.g. restraining means controlled by ignition switch using electric means, e.g. electric motors or solenoids comprising a locking member radially and linearly moved towards the steering column
    • 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
    • B62D5/001—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup
    • 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
    • B62D5/001—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup
    • B62D5/005—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback
    • B62D5/006—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback power actuated

Definitions

  • the invention relates to a locking device for a steering column comprising a steering spindle of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, comprising a locking star which has a plurality of elevations and depressions, the locking star being rotatably coupled to the steering spindle, one movable relative to the locking star Latching element and an actuator which is designed to switch the latching element between a blocking position in which the rotation of the steering spindle is blocked and a release position in which the rotation of the steering spindle is released.
  • the present invention also relates to a steering column for a motor vehicle.
  • Steering columns for motor vehicles have a steering spindle, at the end of which is at the rear in the direction of travel and facing the driver, a steering wheel for introducing a steering command by the driver is attached.
  • the steering spindle is rotatably mounted in the steering column about its longitudinal axis.
  • the driver does not receive any haptic feedback information that can contribute to conveying a driving experience or an impression of the current vehicle situation to the driver.
  • the mechanical decoupling leads to the fact that the driver can turn the steering wheel unhindered through an unlimited steering angle, that is to say can make any number of steering wheel turns. This does not correspond to the usual steering operation of a vehicle and therefore alone can lead to irritation for the driver. Mistakes made by the driver when operating the steering, especially while driving, can lead to safety-critical situations. Any form of irritation or distraction for the driver should be avoided.
  • haptic feedback in the form of a strong in certain situations provide increased or insurmountable steering resistance.
  • a situation exists, for example, when the steering gear or the wheels have reached the maximum steering angle.
  • Haptic feedback for the driver is also desirable if one or both of the wheels of the motor vehicle that are operatively connected to the steering gear hits an obstacle during the steering process, in particular a curb, curb or curb. Both situations have in common that the wheels can no longer be steered in the direction of the steering movement.
  • the desired haptic feedback can be such that the steering resistance has to be increased sharply, precisely when the wheels can no longer be steered in the direction of the respective steering movement.
  • This type of haptic feedback is also known as a simulated stop.
  • a steer-by-wire steering device for motor vehicles with a locking device is known.
  • the locking device has a toothed-wheel-shaped locking star that is connected in a rotationally fixed manner to the steering spindle, a locking element that can be brought into engagement with the locking star, and an actuating drive that can move the locking element.
  • the disadvantage of this known steering wheel locking device is the comparatively long switching times of the movement mechanism.
  • switching time is understood to mean the time required to change from one state to another. In connection with locking devices, this is understood to mean the time required to move the locking element from the blocking position into the release position or vice versa.
  • a correspondingly pre-tensioned return spring is provided for resetting the latching element along the adjustment path in its starting position. It is true that improved dynamics and thus shorter switching times of the movement mechanism could be achieved by increasing the spring force of the return spring, in particular by increasing the spring constant or the spring deflection. However, in order to overcome the increased spring force, a correspondingly more powerful electric motor would then have to be provided, which is accordingly more space-intensive and cost-intensive.
  • a locking device with a fixed and a variable mechanical travel limit stop is known from DE 603 03081 T2. However, this known locking device is comparatively complex and space-intensive in its structure.
  • the latching element of the locking device is to be moved from the blocking position to the release position with the shortest possible switching time so that the steering wheel or the steering spindle does not remain blocked after the detected change of direction of rotation.
  • ASIL D fail-safe
  • the present invention is based on the object of providing a locking device which realizes short switching times with comparatively simple structural means, has a compact structure and is reliable.
  • a locking device for a steering column comprising a steering shaft of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle with the features of claim 1 and by a steering column for a motor vehicle with the features of claim 10.
  • the actuating drive comprises at least one first electromagnetic actuator and at least one second electromagnetic actuator.
  • Short switching times can be achieved using two electromagnetic actuators.
  • electromagnetic actuators can each be supplied with electrical energy in such a way that they generate large magnetic forces and thus act on the latching element with large actuating forces.
  • the multiplicity of elevations and depressions are arranged alternately in the circumferential direction and can, for example, form a tooth system.
  • the locking device is preferably not a steering wheel lock which fixes or blocks the steering spindle in the direction of rotation in the event that the vehicle driver leaves the vehicle. Rather, as explained above, the locking device is used to provide the driver of the motor vehicle with haptic feedback in the form of a greatly increased or insurmountable steering resistance in certain situations in order to avoid the mechanical coupling between the steering column and the steering column, which is omitted in the context of a steer-by-wire steering system to simulate the steering gear.
  • the electromagnetic actuators can each be designed as electromagnets, comprising a coil and an iron core arranged in the coil.
  • the respective iron cores can have projections to guide and amplify the magnetic field generated during the energization, that is, the supply of electrical energy.
  • a control unit is used for the targeted energization of the coils to generate changing magnetic fields during normal operation, so that the latching element is moved into the blocking or release position depending on the situation.
  • the projections can be designed as mechanical stops for the pivoting movement of the latching element.
  • the mechanical impact against the projections has a supporting effect on the magnetization process of the iron elements that interact with the electromagnetic actuators. This is because the mechanical impact causes a shock or impulse that favors or facilitates the alignment of the magnetic domains, also known as Weiss areas.
  • the alignment of the magnetic domains in an almost parallel direction is an essential effect on the crystalline level on which the magnetization of metals is based.
  • the first electromagnetic actuator is designed to move the latching element from the blocking position to the release position
  • the second electromagnetic actuator is designed to move the latching element from the release position to the blocking position.
  • the directions of movement can also be defined in the opposite direction.
  • the two electromagnetic actuators are each designed in such a way that the latching element can be moved away from itself or pushed away or to repel. Moving the latching element away from you offers the advantage of a very fast switching time, since the gap between the electromagnetic actuator and the latching element is very small or virtually non-existent. As a result, the efficiency is very high at the beginning of the switching process. A correspondingly large force can thus be provided precisely when the latching element has to be accelerated in order to transfer it from one position to the other. It is also conceivable that the two electromagnetic actuators are each designed in such a way that the latching element can be moved or tightened. In both cases, the two electromagnetic actuators are each designed to act in the same way on the latching element. This enables the use of a simpler and thus more cost-effective control of the individual actuators.
  • the first electromagnetic actuator can be designed to move the latching element away from itself or to push it away or to push it off
  • the second electromagnetic actuator is designed to move or attract the latching element towards itself, namely precisely when the first electromagnetic actuator does Latching element moves away from itself or pushes away or pushes off. This preferably takes place within a switching cycle, that is to say when transferring between the release position and the blocking position. In other words, the two actuators act simultaneously or the two movements happen simultaneously.
  • first electromagnetic actuator can be designed to move or attract the latching element towards itself
  • second electromagnetic actuator is designed to move the latching element away from itself or to push it away or repel, namely precisely when the first electromagnetic actuator pulls the latching element towards itself. This preferably takes place within a switching cycle, that is to say when transferring between the release position and the blocking position. In other words, the two actuators act simultaneously or the two movements happen simultaneously.
  • the two electromagnetic actuators are designed to act on the latching element in different ways.
  • the modes of operation of the two electromagnetic actuators complement each other.
  • One actuator pushes or pulls while the other actuator pulls or pushes.
  • the latching element is designed to be pivotable about a pivot axis.
  • Such a pivotable latching element is also known as a locking / pivoting lever or pawl.
  • particularly short switching times can be achieved in this way.
  • space-saving and space-saving and compact locking devices can be implemented in this way.
  • the latching element is designed in such a way that its pivot axis runs through its center of mass. External (disruptive) forces which act on the center of mass and which can be caused, for example, by vibration or other environmental influences, do not bring any torques into the latching element. This improves the reliability and operational safety of the latching element.
  • a locking element that is relatively easy to move, that is to say that requires lower actuating forces, is created.
  • the latching element can comprise at least one form-fitting unit engaging in the latching star and at least one counter-unit firmly connected to the form-fitting unit.
  • the form-fit unit runs from the center of mass to the open or free end of the latching element facing the latching star and is designed like a leg.
  • the form-fit unit interacts with the locking star in that it can be brought into engagement with the locking star.
  • engagement means that the form-locking unit is brought into one of the recesses of the locking star, or moved, in particular pivoted, so that the rotation of the steering spindle is blocked.
  • the rotation of the steering spindle is blocked to the extent that the rotary movement is only possible within the space defined by two successive elevations of the locking star. This space corresponds to a depression.
  • the counter unit runs from the center of mass to the open or free end of the latching element facing the actuator and is designed like a limb.
  • the counter unit interacts with the actuator in that it can be moved back and forth by the electromagnetic actuators, in particular being pivotable.
  • the locking star of the locking device according to the invention can be a separate component which is attached to the steering spindle.
  • the locking star can be a projection formed in one piece with the steering spindle, for example below is made, among other things, by machining the steering spindle or by a cold forming process.
  • the form-fit unit and the mating unit can consist of different or the same materials.
  • both units can be moved in a fixed orientation to one another or can be moved synchronously with one another.
  • a movement of the counter unit caused by the actuator leads to a corresponding movement of the form-fit unit.
  • the fixed connection can be realized by a force fit, form fit or material fit. Combinations of these connection techniques are also conceivable.
  • the form-fit unit and the counter-unit can alternatively also be designed in one piece.
  • the form-fit unit can be designed in the shape of a hook.
  • the hook shape is accordingly designed in such a way that the form-fit unit has an undercut which is complementary in shape to the elevations of the locking star at the open end facing the locking star.
  • the locking device can have a permanent magnet or permanent magnet. This can be designed in such a way that the latching element is held in the position it was last assumed when it is not actuated. This is achieved by appropriate positioning of the permanent magnet relative to the pivotable latching element.
  • the position of the permanent magnet is to be selected in such a way that the magnetic field of the permanent magnet acts on the latching element in such a way that the magnetic force can hold the latching element in place against external interfering influences or forces.
  • the latching element can be magnetically held or fixed in the position last assumed, that is, either in the blocking position or in the release position become.
  • the permanent magnet in such a way that the latching element can be moved to a previously defined position (default or standard position), i.e. either the blocking position or the release position, if the last position used does not correspond to the standard position , or to keep provided the last position assumed corresponds to the standard position. This always ensures a specific and therefore safe operating state of the locking device - even in the event of or after an operational malfunction.
  • a previously defined position i.e. either the blocking position or the release position
  • the locking device is indeed briefly in an unstable state.
  • a small change in the angle of the locking star is sufficient to move the locking element back into engagement with the locking star and thus to transfer the locking device into a stable and safe state.
  • the permanent magnet can be designed in such a way that
  • the actuator can comprise more than a first and a second electromagnetic actuator.
  • the actuator can comprise two first and two second electromagnetic actuators.
  • the additional first and the additional second electromagnetic actuator can each serve as a replacement for the first or the second electromagnetic actuator in the event of a failure.
  • a steering column for a motor vehicle comprising a steering spindle bearing unit in which a steering spindle is rotatably mounted, wherein the steering spindle can be coupled to a steering wheel, and the steering column is a Comprises locking device, which is designed as shown above, wherein all features can be combined with one another.
  • the steering column is preferably designed without a steering wheel lock, i.e. the steering column does not have a steering wheel lock which fixes or blocks the steering spindle in the direction of rotation in the event that the vehicle driver leaves the motor vehicle, in particular in the event of the motor vehicle being unintentionally started up.
  • Figure 1 shows an embodiment of the locking device according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 shows the locking device from FIG. 1 in a detailed view
  • FIG. 3 shows the locking device from FIG. 1 in a top view
  • FIG. 4 shows the locking device from FIG. 1 in a top view
  • FIG. 5 shows another embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows the locking device from FIG. 5 in a top view
  • FIG. 7 shows an embodiment of the steering column according to the invention in a perspective illustration
  • FIG. 8 shows the steering column from FIG. 7 in a perspective detailed view.
  • Figure 1 shows an embodiment of the locking device 1 according to the invention in a perspective view.
  • the locking device 1 is in its release position.
  • the locking device 1 is arranged on a steering column 3 comprising a steering shaft 2 of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle.
  • the locking device 1 is attached to the end of the steering column 3 facing away from the steering wheel, which is not shown in the figures, at the end with the steering column 3 via openings 4 for receiving screws, which are also not shown in the figures.
  • the locking device 1 is enclosed by a housing element 5.
  • the housing element 5 is shown in cross section for the sake of better visibility of the locking device 1.
  • the locking device 1 comprises a locking star 8, which is firmly connected to the steering spindle 2 and has a plurality of elevations 6 and depressions 7, a locking element 9 movable relative to the locking star 8 and an actuator 10.
  • the elevations 6 and depressions 7 are on the locking star in one Circumferential portion formed and are arranged alternately in the circumferential direction.
  • the locking star 8 is designed similarly to the shape of a gear wheel.
  • the elevations 6 of the ratchet star 8 are designed as ratchet star teeth with tooth flanks oriented perpendicular or normal to the outer surface of the ratchet star 8.
  • the recesses 7 of the raster star 8 are designed as raster star tooth gaps, which are each formed by two raster star teeth successive in the circumferential direction of the raster 8.
  • the actuator 10 is designed to move the latching element 9 back and forth between a position blocking the rotation of the steering spindle 2 (blocking position) and a position releasing the rotation of the steering spindle 2 (release position), in other words, the latching element 9 is between the The blocking position and the release position can be switched over by means of the actuator 10.
  • Figure 2 shows the latching element 9 and the actuator 10 of the locking device 1 in a schematic detailed view. For the sake of clarity, the housing element 5 is not shown. The locking device 1 is in its release position.
  • the actuator 10 comprises a first electromagnetic actuator 11 and a second electromagnetic actuator 12.
  • the electromagnetic actuators 11, 12 are each electromagnets.
  • the first electromagnetic actuator 11 comprises a coil 13, an iron core 14 arranged in the coil 13 and a connecting element 16 having openings 15.
  • the actuator 11 is fixedly connected via the connecting element 16 to the housing element 5 of the locking device 1 (not shown in FIG. 2) .
  • the iron core 14 has two projections 17 at a right angle with respect to the iron core longitudinal axis, so that the iron core 14 is U-shaped.
  • the protrusions 17 each form an open end of the iron core 14.
  • the protrusions 17 serve as an “extension” of the iron core 14 and as a path limitation or mechanical stop for the pivoting movement of the latching element 9 in the direction of the first electromagnetic actuator 11.
  • the second electromagnetic actuator 12 comprises a coil 18, an iron core 19 arranged in the coil 18 and a connecting element 21 having openings 20.
  • the actuator 12 is connected via the connecting element 21 to the housing element 5 of the locking device (not shown in FIG. 2) 1 fixedly connected.
  • the iron core 19 comprises two projections 22 formed at a right angle with respect to the iron core longitudinal axis and is thus designed as a U-shape.
  • the projections 22 each form an open end of the iron core 19. They serve as an “extension” of the iron core 19 and as a path limitation or mechanical stop for the pivoting movement of the latching element 9 in the direction of the second electromagnetic actuator 12.
  • the coils 13, 18 are each electrically connected to a power supply and can be specifically energized or switched on by a control unit not shown in the figures. This creates a magnetic field with a polarity that corresponds to the electrical current.
  • the iron cores 14, 19 arranged in each of the coils 13, 18 guide and strengthen the respective magnetic field.
  • the first electromagnetic actuator 11 is designed to move the latching element 9 from the blocking position into the release position.
  • the second electromagnetic actuator 12 is designed to move the latching element 9 from the release position into the blocking position.
  • the electromagnetic actuators 11, 12 are each designed in such a way that the latching element 9 is moved away from itself or pushed away or pushed off.
  • the latching element 9 is designed as a lever or a pawl which can be pivoted about a pivot axis 23.
  • the pivot axis 23 of the latching element 9 runs through its center of mass.
  • the latching element 9 comprises a form-fit unit 24 which engages in the latching star 8 and consists of a sintered material and a counter-unit 25 which is firmly connected to the form-fit unit 24 and consists of a plastic.
  • the counter unit 25 can be actuated by the electromagnetic actuators 11, 12. Due to the fixed connection of the form-fit unit 24 to the counter unit 25, these two units can be moved in a fixed orientation to one another or can be moved synchronously with one another.
  • the center of mass of the latching element 9 lies in the area connecting the counter unit 25 and the form-fit unit 24.
  • the pivot axis 23 of the latching element 9 runs through the connection area.
  • the form-fit unit 24 of the latching element 9 is designed in the shape of a hook.
  • the open end of the form-fit unit 24 is designed in such a way that it interacts or engages in a complementary shape with the protrusions 6 designed as ratchet star teeth.
  • an active surface pairing is created between one of the tooth flanks of a locking star tooth, which is oriented perpendicular or normal to the outer circumferential surface of the locking star 8, and the form-locking unit 24 designed to complement the tooth flank.
  • the counter-unit 25 of the latching element 9 is materially connected to two iron elements 26, which are each embedded in the counter-unit 25 or are enclosed by the counter-unit 25.
  • the iron elements 26 are designed in such a way that they each interact magnetically with the electromagnetic actuators 11, 12.
  • the end faces of the projections 17, 22 each form pairs of active faces with the end faces of the two iron elements 26 arranged opposite them.
  • the repulsive movement of the iron elements 26 carried by the latching element 9 away from the stationary electromagnetic actuators 11, 12 is the result of a similar polarization of the electro-magnetized end faces of the protrusions 17, 22 on the one hand and the magnetized end faces of the two iron elements 26 on the other.
  • the locking device 1 also has a permanent magnet 27.
  • the permanent magnet 27 has openings 28 for the passage of screws for attachment to the housing element 5.
  • the permanent magnet 27 has two right-angled projections. Accordingly, the permanent magnet 27 is U-shaped.
  • the permanent magnet 27 is arranged outside of the pivotably mounted counter unit 25 in the radial direction.
  • the magnetic polarity of the respective iron elements 26 is created by a magnetization induced or caused by the permanent magnet 27.
  • the first open end of the U-shaped permanent magnet 27 forms the magnetic north pole, whereas the second open end of the U-shaped permanent magnet 28 forms the magnetic south pole.
  • the permanent magnet 27 is arranged in direct spatial proximity to the iron elements 26.
  • a magnetic field is formed in the immediate spatial vicinity of the permanent magnet 27.
  • the permanent magnet 27 fulfills a further function.
  • the permanent magnet 27 serves to magnetically close the latching element 9 in the last position assumed, i.e. either in the blocking position or in the release position, if there is no electromagnetic actuation, for example in the event of a power failure and thus deactivation of the electromagnetic actuators 11, 12 hold. A clearly defined and safe operating state of the locking device 1 is thus always ensured.
  • Figures 3 and 4 illustrate the release position and the blocking position of the locking device 1 in a comparison.
  • Figure 3 shows the locking device 1 in a plan view. The locking device 1 is in its release position.
  • the coil 13 of the first electromagnetic actuator 11 is energized by a control unit (not shown in the figures) in such a way that the counter unit 25 of the latching element 9 is repelled by the first electromagnetic actuator 11.
  • the counter unit 25 is pivoted counterclockwise about the pivot axis 23, to be precise until the iron elements 26 of the counter unit 25 abut against the projections 22.
  • the pivoting movement of the counter unit 25 in turn leads to a pivoting movement of the positive locking unit 24 about the pivot axis 23 counterclockwise, namely out of engagement with the locking star 8, due to the fixed connection with the form-fit unit 24.
  • Figure 4 shows the locking device 1 in a plan view. In contrast to FIGS. 1 to 3, the locking device 1 is in its blocking position.
  • the coil 18 of the second electromagnetic actuator 12 is energized by a control unit (not shown in the figures) in such a way that the counter unit 25 of the latching element 9 is repelled by the second electromagnetic actuator 12.
  • the counter unit 25 is pivoted clockwise about the pivot axis 23, specifically until the iron elements 26 of the counter unit 25 abut against the projections 17. Due to the fixed connection with the form-fit unit 24, the pivoting movement of the counter-unit 25 leads to a pivoting movement of the form-fit unit 24 about the pivot axis 23 in a clockwise direction into engagement with the locking star 8.
  • Figures 5 and 6 illustrate the release position and the blocking position of a further embodiment of the locking device 29 according to the invention in a comparison.
  • Figure 5 shows the locking device 29 in a plan view.
  • the locking device 29 is in its release position.
  • the basic structure of the locking device 29 corresponds to that of the locking device 1 from FIGS. 1 to 4.
  • the locking device 29 also comprises a plurality of Detent star 8 having elevations 6 and depressions 7, a locking element 30 movable relative to the detent star 8, and an actuator 31.
  • the latching element 30 is designed as a lever or a pawl which can be pivoted about the pivot axis 23, the pivot axis 23 running through the center of mass of the latching element 30.
  • the latching element 30 comprises a form-fit unit 32 engaging in the latching star 8 and a counter-unit 33 firmly connected to the form-fit unit 32.
  • the actuator 31 comprises a first electromagnetic actuator 34 and a second electromagnetic actuator 35.
  • the electromagnetic actuators 34, 35 are each electromagnets.
  • the actuator 31 can move or switch the latching element 30 back and forth between the blocking position and the release position.
  • both the form-fit unit 32 and the counter-unit 33 consist of a magnetizable material and both the form-fit unit 32 and the counter-unit 33 themselves can be actuated.
  • the counter unit 33 can be actuated by the first electromagnetic actuator 34 and the form-fit unit 32 can be actuated by the second electromagnetic actuator 35.
  • the first electromagnetic actuator 34 comprises a coil 36 and an iron core unit 37 having openings.
  • the iron core unit 37 is firmly connected to the housing element 5 via fastening screws 38 passed through the openings.
  • the iron core unit 37 has a base 39, an inner or central leg 40 and two outer legs 41.
  • the legs 40, 41 are each molded onto the base 39 and are equidistant from one another.
  • the base 39 and the legs 40, 41 are formed in one piece or monolithically.
  • the inner leg 40 is arranged within the coil 36 and thus serves as the iron core of the first electromagnetic actuator 34 in the narrower sense.
  • the two outer legs 41 of the iron core unit 37 are arranged outside the coil 36 or are guided around the coil 36. Because the outer legs 41 form an integral unit with the inner leg 40, the outer legs 41 also serve as the iron core of the first electromagnetic actuator 34.
  • the three legs 40, 41 each form an open end of the iron core unit 37. Starting from the base 39, they are oriented or aligned in such a way that they are each adapted to the surface shape of the counter unit 33. Thus, they act as Path limitation or mechanical stop for the pivoting movement of the counter unit 33 of the latching element 30.
  • the end faces of the legs 40, 41 each form an active surface pair with the surface areas of the counter unit 33 arranged opposite them.
  • the coil 36 of the first electromagnetic actuator 34 is energized by a control unit (not shown in the figures) in such a way that the counter unit 33 of the latching element 30 is repelled by the first electromagnetic actuator 34.
  • the counter unit 33 is pivoted about the pivot axis 23 counterclockwise.
  • the pivoting movement of the counter unit 33 causes a pivoting movement of the positive locking unit 32 due to the fixed connection with the positive locking unit 32, namely out of engagement with the locking star 8.
  • Figure 6 shows the locking device 29 in a plan view.
  • the locking device 29 is in its blocking position.
  • the second electromagnetic actuator 35 comprises a coil 42 and an iron core unit 43 having openings.
  • the iron core unit 43 is firmly connected to the housing element 5 via fastening screws 44 passed through the openings.
  • the iron core unit 43 has a base 45, an inner or central leg 46 and two outer legs 47.
  • the legs 46, 47 are each molded onto the base 45 and are equidistant from one another.
  • the base 45 and the legs 46, 47 are formed in one piece or monolithically.
  • the inner leg 46 is arranged within the coil 42 and thus serves as the iron core of the second electromagnetic actuator 35 in the narrower sense.
  • the two outer legs 47 of the iron core unit 43 are arranged outside the coil 42 or are guided around the coil 42. Because the outer legs 47 form an integral unit with the inner leg 46, the outer legs 47 also serve as the iron core of the second electromagnetic actuator 35.
  • the three legs 46, 47 each form an open end of the iron core unit 43. Starting from the base 45, they are oriented or aligned in such a way that they are each adapted to the surface shape of the form-fit unit 32. They thus function as a path limitation or mechanical stop for the pivoting movement of the form-fit unit 32 of the latching element 30.
  • the end faces of the legs 46, 47 each form a pair of active surfaces with the surface areas of the form-fit unit 32 arranged opposite them.
  • the coil 42 of the second electromagnetic actuator 35 is energized by a control unit (not shown in the figures) in such a way that the form-fit unit 32 is repelled by the second electromagnetic actuator 35.
  • the form-fit unit 32 is pivoted about the pivot axis 23 in the clockwise direction. The pivoting movement of the form-fit unit 32 moves the form-fit unit 32 into engagement with the locking star 8.
  • FIG. 7 shows a steering column 3 for a motor vehicle with a rotatably mounted steering spindle 2, at whose end facing the motor vehicle driver (not shown in the figure) a steering wheel (also not shown in the figure) can be attached.
  • the steering column 3 also includes a support unit 48 that can be attached to the body of the vehicle, a jacket unit 49 fastened to the support unit 48 with an actuating unit 50 and a height adjustment device 51 and a longitudinal adjustment device 52.
  • the steering column 3 comprises the locking device 1 shown in FIGS. 1 to 4, which is enclosed by the housing element 5.
  • the locking device 29 shown in FIGS. 5 and 6 can also be provided.
  • the locking device 1 or 29 is arranged on the axial end of the steering column 3 facing away from the steering wheel (not shown in the figure). This arrangement can also be seen in FIG.
  • Another housing element 53 is arranged directly adjacent to the housing element 5 in the axial direction.
  • FIG. 8 shows a detail of the steering column 3.
  • the housing element 53 is shown in cross section.
  • a feedback actuator 54 is enclosed by the housing element 53.
  • the feedback actuator 54 is used in a steer-by-wire steering system to provide or simulate mechanical information for the vehicle driver, in particular vibrations and mechanical resistance during steering, preferably mechanical steering resistance.
  • the feedback actuator 54 comprises an electric motor, this having a stator 55 which is received in a rotationally fixed manner in the housing element 53, and a rotor 56 which is connected to the steering spindle 2 in a rotationally fixed manner.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verriegelungsvorrichtung (1; 29) für eine eine Lenkspindel (2) umfassende Lenksäule (3) eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Raststern (8), der eine Vielzahl von Erhebungen (6) und Vertiefungen (7) aufweist, wobei der Raststern (8) drehfest mit der Lenkspindel (2) koppelbar ist, ein relativ zu dem Raststern (8) bewegbares Verrastelement (9; 30) und einen Stellantrieb (10; 31), der derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) zwischen einer Blockierstellung, in der die Drehung der Lenkspindel (2) blockiert ist, und einer Freigabestellung, in der die Drehung der Lenkspindel (2) freigegeben ist, umzuschalten, wobei der Stellantrieb (10; 31) zumindest einen ersten elektromagnetischen Aktuator (11; 34) und zumindest einen zweiten elektromagnetischen Aktuator (12; 35) umfasst. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Lenksäule (3) für ein Kraftfahrzeug.

Description

Verriegelungsvorrichtung und Lenksäule mit Verriegelungsvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verriegelungsvorrichtung für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Raststern, der eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei der Raststern drehfest mit der Lenkspindel koppelbar ist, ein relativ zu dem Raststern bewegbares Verrastelement und einen Stellantrieb, der derart ausgebildet ist, das Verrastelement zwischen einer Blockierstellung, in der die Drehung der Lenkspindel blockiert ist, und einer Freigabestellung, in der die Drehung der Lenkspindel freigegeben ist, umzuschalten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug.
Lenksäulen für Kraftfahrzeuge weisen eine Lenkspindel auf, an deren in Fahrtrichtung hinteren, dem Fahrer zugewandten Ende ein Lenkrad zur Einbringung eines Lenkbefehls durch den Fahrer angebracht ist. Die Lenkspindel ist in der Lenksäule um ihre Längsachse drehbar gelagert. Im Gegensatz zu einem konventionellen Lenkstrang besteht in einem Lenkstrang eines Steer-by-Wire Lenksystems keine mechanische Lenkkraft- /Drehmomentenübertragung bzw. mechanische Kopplung zwischen der Lenksäule und dem Lenkgetriebe und somit den Rädern des Kraftfahrzeugs.
Durch die mechanische Entkopplung der Lenksäule von dem Lenkgetriebe und somit von den Fahrzeugrädern erhält der Fahrer keinerlei haptische Feedbackinformationen, die dazu beitragen können, dem Fahrer ein Fahrgefühl bzw. einen Eindruck von der aktuellen Fahrzeugsituation zu vermitteln. Insbesondere führt die mechanische Entkopplung dazu, dass der Fahrer das Lenkrad ungehindert einen unbegrenzt großen Lenkwinkel verdrehen kann, das heißt, beliebig viele Lenkradumdrehungen durchführen kann. Dies entspricht nicht der gewohnten Lenkbedienung eines Fahrzeugs und kann allein daher zu Irritation des Fahrers führen. Fahrerische Fehler bei der Lenkbedienung, insbesondere während der Fahrt, können zu sicherheitskritischen Situationen führen. Jede Form von Irritation oder Ablenkung des Fahrers sollte vermieden werden.
Zur Verbesserung der Fahrsicherheit dienen Verriegelungsvorrichtungen für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by-Wire Lenksystems dazu, dem Fahrer des Kraftfahrzeugs in bestimmten Situationen ein haptisches Feedback in Form eines stark erhöhten bzw. nicht überwindbaren Lenkwiderstands bereitzustellen. Eine solche Situation ist beispielsweise gegeben, wenn das Lenkgetriebe bzw. die Räder den maximalen Lenkeinschlag erreicht hat bzw. haben. Auch wenn eines der oder beide mit dem Lenkgetriebe wirkverbundenen Räder des Kraftfahrzeugs während des Lenkvorgangs gegen ein Hindernis, insbesondere ein Bord-, Rand- bzw. Kantstein, stößt bzw. stoßen, ist ein haptisches Feedback für den Fahrer erwünscht. Beiden Situationen ist gemeinsam, dass die Räder nicht weiter in die Richtung der Lenkbewegung gelenkt werden können. Das erwünschte haptische Feedback kann dergestalt sein, dass der Lenkwiderstand stark zu erhöhen ist, genau dann, wenn die Räder nicht weiter in die Richtung der jeweiligen Lenkbewegung gelenkt werden können. Diese Art des haptischen Feedbacks wird auch als simulierter Anschlag bezeichnet.
Um den Lenkwiderstand situationsabhängig zu erhöhen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Lenkspindel mit einem entsprechenden, gegen die Richtung der Lenkbewegung wirkenden Drehmoment zu beaufschlagen. Allerdings erfordert dies einen entsprechend leistungsstarken Elektromotor, der demgemäß groß dimensioniert sein muss und somit einen vergleichsweise großen Bauraum benötigt und kostenintensiv ist.
Aus der DE 102016206610 A1 ist eine Steer-by-Wire Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer Verriegelungsvorrichtung bekannt. Die Verriegelungsvorrichtung weist einen mit der Lenkspindel drehfest verbundenen zahnradformähnlichen Raststern, ein mit dem Raststern in Eingriff verbringbares Verrastelement und einen das Verrastelement bewegbaren Stellantrieb vor.
Nachteilig an dieser bekannten Lenkradverriegelungsvorrichtung sind die vergleichsweise langen Schaltzeiten des Bewegungsmechanismus'. Unter dem Begriff Schaltzeit wird die benötigte Zeitdauer verstanden, um von einem Zustand in einen anderen Zustand zu wechseln. Im Zusammenhang mit Verriegelungsvorrichtungen wird darunter die Zeitdauer verstanden, das Verrastelement von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen bzw. umgekehrt. Für die Rückstellung des Verrastelements entlang des Stellwegs in dessen Ausgangslage ist eine entsprechend vorgespannte Rückstellfeder vorgesehen. Zwar könnte eine verbesserte Dynamik und somit kürzere Schaltzeiten des Bewegungsmechanismus' durch eine Erhöhung der Federkraft der Rückstellfeder, insbesondere durch Erhöhung der Federkonstante oder der Federauslenkung, erreicht werden. Jedoch müsste dann - zur Überwindung der erhöhten Federkraft - wiederum ein entsprechend leistungsstärkerer Elektromotor vorgesehen werden, der demgemäß bauraum- und kostenintensiver ist. Aus der DE 603 03081 T2 ist eine Verriegelungsvorrichtung mit einem festen und einem variablen mechanischen Wegendanschlag bekannt. Allerdings ist diese bekannte Verriegelungsvorrichtung vergleichsweise komplex und bauraumintensiv in ihrem Aufbau.
Weitere Verriegelungsvorrichtungen sind aus der FR 2 908 101 B1 und DE 102004037617 A1 bekannt.
Wenn ein Drehsinnwechsel im simulierten Anschlag sensorisch erfasst wird, dann ist die Lenksäule schnellstmöglich freizugeben. Mit anderen Worten: Das Verrastelement der Verriegelungsvorrichtung ist unter möglichst kurzer Schaltzeit von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen, damit nach dem erfassten Drehsinnwechsel das Lenkrad bzw. die Lenkspindel nicht weiter blockiert bleibt.
Die Erfassung der Position des Lenkrads ist eine sicherheitsrelevante Funktion und ist daher zuverlässig bzw. ausfallsicher (ASIL D) zu gewährleisten.
Im Lichte der vorangehend erläuterten Nachteile der bekannten Verriegelungsvorrichtungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verriegelungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln kurze Schaltzeiten realisiert, einen kompakten Aufbau hat und zuverlässig ist.
Darstellung der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Verriegelungsvorrichtung für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by- Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird für eine Verriegelungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Stellantrieb zumindest einen ersten elektromagnetischen Aktuator und zumindest einen zweiten elektromagnetischen Aktuator umfasst. Durch zwei elektromagnetische Aktuatoren können kurze Schaltzeiten realisiert werden. Und zwar können elektromagnetische Aktuatoren jeweils so mit elektrischer Energie versorgt werden, dass sie große magnetische Kräfte erzeugen und somit mit großen Stellkräften auf das Verrastelement einwirken. Die Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen sind alternierend in Umfangsrichtung angeordnet und können beispielsweise eine Verzahnung bilden.
Bevorzugt ist die Verriegelungsvorrichtung gerade kein Lenkradschloss, welches die Lenkspindel in einem Fall, wenn der Fahrzeugführer das Fahrzeug verlässt, in Drehrichtung festlegt bzw. blockiert. Vielmehr dient die Verriegelungsvorrichtung wie voranstehend erläutert dazu, dem Fahrer des Kraftfahrzeugs in bestimmten Situationen ein haptisches Feedback in Form eines stark erhöhten bzw. nicht überwindbaren Lenkwiderstands bereitzustellen, um die im Rahmen eines Steer-by-Wire Lenksystems wegfallende, mechanische Kopplung zwischen der Lenksäule und dem Lenkgetriebe zu simulieren.
Die elektromagnetischen Aktuatoren können jeweils als Elektromagnete ausgebildet sein, umfassend eine Spule und einen in der Spule angeordneten Eisenkern. Zur Führung und Verstärkung des während der Bestromung, das heißt der Versorgung mit elektrischer Energie, erzeugten Magnetfeldes können die jeweiligen Eisenkerne Anformungen aufweisen. Eine Steuerungseinheit dient zur gezielten Bestromung der Spulen zur Erzeugung von sich verändernden Magnetfeldern im bestimmungsgemäßen Betrieb, so dass das Verrastelement situationsabhängig in die Blockier- bzw. Freigabestellung bewegt wird.
Darüber hinaus können die Anformungen als mechanische Anschläge für die Schwenkbewegung des Verrastelements ausgebildet sein. Das mechanische Anschlägen gegen die Anformungen wirkt sich unterstützend auf den Vorgang der Magnetisierung der mit den elektromagnetischen Aktuatoren zusammenwirkenden Eisenelemente aus. Denn das mechanische Anschlägen verursacht einen Stoß bzw. Impuls, der die Ausrichtung der magnetischen Domänen, auch als Weiss-Bezirke bekannt, begünstigt bzw. erleichtert. Die Ausrichtung der magnetischen Domänen in eine nahezu parallele Richtung ist ein wesentlicher, der Magnetisierung von Metallen zugrundeliegender Effekt auf kristalliner Ebene.
In vorteilhafter Weise ist der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet, das Verrastelement von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen, und ist der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet, das Verrastelement von der Freigabestellung in die Blockierstellung zu bewegen. Die Bewegungsrichtungen können hingegen auch in umgekehrter Richtung definiert sein.
In besonders vorteilhafter Weise sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils derart ausgebildet, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen. Das Verrastelement von sich wegzubewegen bietet den Vorteil einer sehr schnellen Schaltzeit, da der Spalt zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und dem Verrastelement sehr gering bzw. quasi nicht vorhanden ist. Dadurch ist der Wirkungsgrad zu Beginn des Schaltvorgangs sehr hoch. Somit kann eine entsprechend große Kraft genau dann bereitgestellt werden, wenn das Verrastelement beschleunigt werden muss, um dies von der einen in die andere Stellung zu überführen. Es ist auch denkbar, dass die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils derart ausgebildet sind, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen. In beiden Fällen sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils so ausgebildet, in gleicher Weise auf das Verrastelement einzuwirken. Dies ermöglicht den Einsatz einer einfacheren und somit kostengünstigeren Steuerung der einzelnen Aktuatoren.
Alternativ kann der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet sein, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen, wohingegen der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet ist, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen, nämlich genau dann, wenn der erste elektromagnetische Aktuator das Verrastelement von sich wegbewegt bzw. wegdrückt bzw. abstößt. Bevorzugt findet dies innerhalb eines Schaltzyklus' statt, das heißt, bei einer Überführung zwischen der Freigabestellung und der Blockierstellung. Mit anderen Worten, agieren die beiden Aktuatoren zeitgleich bzw. die beiden Bewegungen geschehen gleichzeitig.
Eine demgegenüber entgegengesetzte bzw. umgekehrte Wrkungsweise ist ebenfalls denkbar, und zwar, dass der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet sein kann, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen, wohingegen der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet ist, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen, nämlich genau dann, wenn der erste elektromagnetische Aktuator das Verrastelement an sich heranzieht. Bevorzugt findet dies innerhalb eines Schaltzyklus' statt, das heißt, bei einer Überführung zwischen der Freigabestellung und der Blockierstellung. Mit anderen Worten, agieren die beiden Aktuatoren zeitgleich bzw. die beiden Bewegungen geschehen gleichzeitig.
In beiden Fällen sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren so ausgebildet, in verschiedener Weise auf das Verrastelement einzuwirken. Die Wrkungsweisen der zwei elektromagnetischen Aktuatoren ergänzen sich gegenseitig. Der eine Aktuator drückt oder zieht während der andere Aktuator zieht oder drückt. Dadurch kann eine besonders gute Dynamik und somit besonders kurze Schaltzeiten erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführung ist das Verrastelement um eine Schwenkachse verschwenkbar ausgebildet. Ein solches verschwenkbares Verrastelement ist auch als Sperr-/Schwenkhebel oder -klinke bekannt. Im Gegensatz zu axialverschiebbaren Verrastelementen können auf diese Weise besonders kurze Schaltzeiten realisiert werden. Außerdem können so platz- bzw. bauraumsparende und kompakte Verriegelungseinrichtungen realisiert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Verrastelement derart ausgebildet, dass dessen Schwenkachse durch dessen Massenschwerpunkt verläuft. Auf den Massenschwerpunkt einwirkende, externe (Stör-)Kräfte, die beispielsweise durch Vibration oder andere Umwelteinflüsse verursacht werden können, bringen keine Drehmomente in das Verrastelement hinein. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit des Verrastelements. Außerdem ist damit ein relativ leichtgängiges, das heißt, geringere Stellkräfte erforderndes Verrastelement geschaffen.
Das Verrastelement kann zumindest eine in den Raststern eingreifende Formschlusseinheit und zumindest eine mit der Formschlusseinheit fest verbundene Gegeneinheit umfassen.
Die Formschlusseinheit verläuft von dem Massenschwerpunkt bis zu dem dem Raststern zugewandten offenen bzw. freien Ende des Verrastelements und ist schenkelartig ausgebildet. Die Formschlusseinheit wirkt mit dem Raststern zusammen, indem sie in den Eingriff mit dem Raststern verbracht werden kann. „Eingriff“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Formschlusseinheit in eine der Vertiefungen des Raststerns verbracht bzw. eingerückt bzw. bewegt, insbesondere verschwenkt, ist, sodass die Drehung der Lenkspindel blockiert ist. Die Drehung der Lenkspindel ist insoweit blockiert, dass die Drehbewegung lediglich innerhalb des durch zwei aufeinanderfolgende Erhebungen des Raststerns definierten Zwischenraums, möglich ist. Dieser Zwischenraum entspricht einer Vertiefung.
Die Gegeneinheit verläuft von dem Massenschwerpunkt bis zu dem dem Stellantrieb zugewandten offenen bzw. freien Ende des Verrastelements und ist schenkelartig ausgebildet. Die Gegeneinheit wirkt mit dem Stellantrieb zusammen, indem sie von den elektromagnetischen Aktuatoren hin und her bewegbar ist, insbesondere verschwenkbar ist.
Der Raststern der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung kann ein gesondertes Bauteil sein, das an der Lenkspindel befestigt ist. Alternativ kann der Raststern eine einstückig mit der Lenkspindel ausgebildete Anformung sein, die beispielsweise unter anderem durch spangebende Fertigung der Lenkspindel hergestellt ist oder durch einen Kaltumformprozess.
Die Formschlusseinheit und die Gegeneinheit können aus verschiedenen oder aus den gleichen Werkstoffen bestehen. Durch die feste Verbindung der Formschlusseinheit mit der Gegeneinheit sind beide Einheiten in einer festen Orientierung zueinander bewegbar bzw. synchron zueinander bewegbar. Mit anderen Worten: Eine durch den Stellantrieb bewirkte Bewegung der Gegeneinheit führt zu einer entsprechenden Bewegung der Formschlusseinheit. Die feste Verbindung kann durch Kraftschluss, Formschluss oder Stoffschluss realisiert werden. Auch Kombinationen dieser Verbindungstechniken sind denkbar. Die Formschlusseinheit und die Gegeneinheit können alternativ auch einstückig ausgebildet sein.
Die Formschlusseinheit kann hakenförmig ausgebildet sein. Die Hakenform ist demgemäß so ausgeführt, dass die Formschlusseinheit an dem dem Raststern zugewandten offenen Ende eine zu den Erhebungen des Raststerns formkomplementäre Hinterschneidung aufweist.
Die Verriegelungsvorrichtung kann einen Permanentmagneten bzw. Dauermagneten aufweisen. Dieser kann derart ausgebildet sein, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in der zuletzt eingenommenen Stellung zu halten. Dies wird durch eine entsprechende Positionierung des Permanentmagneten relativ zu dem verschwenkbaren Verrastelement erreicht. Und zwar ist die Position des Permanentmagneten so zu wählen, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten derart auf das Verrastelement einwirkt, dass die magnetische Kraft das Verrastelement entgegen äußerer Störeinflüsse bzw. -kräfte festhalten kann. Auf diese Weise kann selbst bei ausbleibender elektromagnetischer Aktuierung, beispielsweise bei einem Stromausfall im Bordnetz des Fahrzeugs und somit bei einer Deaktivierung der elektromagnetischen Aktuatoren, das Verrastelement in der zuletzt eingenommenen Stellung, das heißt, entweder in der Blockierstellung oder Freigabestellung, magnetisch gehalten bzw. fixiert werden. Dadurch ist stets - auch bei bzw. nach einer Betriebsstörung - ein eindeutiger und somit sicherer Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung sichergestellt.
Es ist auch denkbar, den Permanentmagneten derart auszubilden, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in eine zuvor festgelegte Stellung (Default- bzw. Standardstellung), das heißt, entweder in die Blockierstellung oder Freigabestellung, zu verbringen, sofern die zuletzt eingenommene Stellung nicht der Standardstellung entspricht, oder zu halten, sofern die zuletzt eingenommene Stellung der Standardstellung entspricht. Dies stellt stets - auch bei bzw. nach einer Betriebsstörung - einen bestimmten und somit sicheren Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung sicher.
Für die Fälle, in denen der Permanentmagnet derart ausgebildet ist, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in die Blockierstellung zu bewegen, und der Raststern im Zeitpunkt eines Stromausfalls gerade in einer Winkelstellung ist, in der das Verrastelement nicht in den Eingriff mit dem Raststern gelangen kann, da es stirnseitig vor eine Erhebnung des Raststerns stößt, ist die Verriegelungsvorrichtung zwar kurzzeitig in einem instabilen Zustand. Allerdings genügt eine kleine Winkeländerung des Raststerns, um das Verrastelement wieder in den Eingriff mit dem Raststern zu bewegen und somit die Verriegelungsvorrichtung in einen stabilen und sicheren Zustand zu überführen.
Zusätzlich oder alternativ kann der Permanentmagnet derart ausgebildet sein,
Eisenelemente zum Zusammenwirken mit den elektromagnetischen Aktuatoren zu magnetisieren. Dies ist insbesondere für Ausführungsformen erforderlich, die keine Anziehbewegungen, sondern Abstoßbewegungen des Verrastelements von den elektromagnetischen Aktuatoren vorsehen. Denn die Magnetisierung der Eisenelemente erzeugt die magnetischen Pole in den Eisenelementen, die für die Erzeugung einer durch die Gegenpoligkeit bedingte Abstoßkraft zwingend erforderlich sind.
Zur weiteren Verbesserung der Dynamik des Verriegelungsmechanismus‘ kann der Stellantrieb mehr als einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator umfassen. Insbesondere kann der Stellantrieb zwei erste und zwei zweite elektromagnetische Aktuatoren umfassen. Dadurch können größere, auf das Verrastelement einwirkende Stellkräfte erzeugt werden. Dies ermöglicht kürzere Schaltzeiten.
Außerdem ist dadurch eine Redundanz an elektromagnetischen Aktuatoren geschaffen, die die Zuverlässigkeit und Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit der Verriegelungsvorrichtung verbessert. Denn der zusätzliche erste und der zusätzliche zweite elektromagnetische Aktuator kann jeweils bei einem Ausfall des ersten oder des zweiten elektromagnetischen Aktuators als Ersatz jeweils für diesen dienen.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine Lenkspindellagereinheit, in der eine Lenkspindel drehbar gelagert ist, wobei die Lenkspindel mit einem Lenkrad koppelbar ist, und die Lenksäule eine Verriegelungsvorrichtung umfasst, die wie vorangehend dargestellt ausgebildet ist, wobei sämtliche Merkmale miteinander kombiniert werden können.
Bevorzugt ist die Lenksäule lenkradschlossfrei ausgebildet, das heißt, weist die Lenksäule kein Lenkradschloss auf, welches die Lenkspindel in einem Fall, wenn der Fahrzeugführer das Kraftfahrzeug verlässt, insbesondere im Fall einer ungewollten Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, in Drehrichtung festlegt bzw. blockiert.
Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen
Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
Figur 2 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Detailansicht,
Figur 3 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Draufsicht,
Figur 4 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Draufsicht,
Figur 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verriegelungsvorrichtung in einer Draufsicht,
Figur 6 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 5 in einer Draufsicht,
Figur 7 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenksäule in einer perspektivischen Darstellung und
Figur 8 die Lenksäule aus Figur 7 in einer perspektivischen Detailansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind daher in der Regel jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung 1 in einer perspektivischen Darstellung. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.
Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist an einer eine Lenkspindel 2 umfassende Lenksäule 3 eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Und zwar ist die Verriegelungsvorrichtung 1 an dem dem in den Figuren nicht dargestellten Lenkrad abgewandten Ende der Lenksäule 3 stirnseitig mit der Lenksäule 3 über Öffnungen 4 zur Aufnahme von in den Figuren ebenfalls nicht dargestellten Schrauben befestigt. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist von einem Gehäuseelement 5 umschlossen. Das Gehäuseelement 5 ist der besseren Sichtbarkeit der Verriegelungsvorrichtung 1 halber im Querschnitt dargestellt.
Die Verriegelungsvorrichtung 1 umfasst einen mit der Lenkspindel 2 fest verbundenen, eine Vielzahl von Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 aufweisenden Raststern 8, ein relativ zu dem Raststern 8 bewegbares Verrastelement 9 und einen Stellantrieb 10. Die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 sind auf dem Raststern in einem Umfangsabschnitt ausgebildet und sind in Umfangsrichtung alternierend angeordnet.
Der Raststern 8 ist zahnradformähnlich ausgebildet. Die Erhebungen 6 des Raststerns 8 sind als Raststernzähne mit senkrecht bzw. normal zu der äußeren Mantelfläche des Raststerns 8 orientierten Zahnflanken ausgebildet. Die Vertiefungen 7 des Raststerns 8 sind als Rastersternzahnlücken ausgebildet, die jeweils durch zwei in Umfangsrichtung des Rasterns 8 aufeinanderfolgende Raststernzähne gebildet sind.
Der Stellantrieb 10 ist derart ausgebildet, das Verrastelement 9 zwischen einer die Drehung der Lenkspindel 2 blockierenden Stellung (Blockierstellung) und einer die Drehung der Lenkspindel 2 freigebenden Stellung (Freigabestellung) hin und her zu bewegen, mit anderen Worten, ist das Verrastelement 9 zwischen der Blockierstellung und der Freigabestellung mittels des Stellantriebs 10 umschaltbar. Figur 2 zeigt das Verrastelement 9 und den Stellantrieb 10 der Verriegelungsvorrichtung 1 in einer schematisierten Detailansicht. Der besseren Übersicht halber ist das Gehäuseelement 5 nicht dargestellt. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.
Der Stellantrieb 10 umfasst einen ersten elektromagnetischen Aktuator 11 und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator 12. Bei den elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 handelt es sich jeweils um Elektromagnete.
Der erste elektromagnetische Aktuator 11 umfasst eine Spule 13, einen in der Spule 13 angeordneten Eisenkern 14 und ein Öffnungen 15 aufweisendes Verbindungselement 16. Der Aktuator 11 ist über das Verbindungselement 16 mit dem (in Figur 2 nicht dargestellten) Gehäuseelement 5 der Verriegelungsvorrichtung 1 ortsfest verbunden. Der Eisenkern 14 weist zwei Anformungen 17 unter einem rechten Winkel bezüglich der Eisenkernlängsachse auf, sodass der Eisenkern 14 U-förmig ausgebildet ist. Die Anformungen 17 bilden jeweils ein offenes Ende des Eisenkerns 14. Die Anformungen 17 dienen als „Verlängerung“ des Eisenkerns 14 und als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung des Verrastelements 9 in Richtung des ersten elektromagnetischen Aktuators 11.
In analoger Weise umfasst der zweite elektromagnetische Aktuator 12 eine Spule 18, einen in der Spule 18 angeordneten Eisenkern 19 und ein Öffnungen 20 aufweisendes Verbindungselement 21. Der Aktuator 12 ist über das Verbindungselement 21 mit dem (in Figur 2 nicht dargestellten) Gehäuseelement 5 der Verriegelungsvorrichtung 1 ortsfest verbunden. Der Eisenkern 19 umfasst zwei, unter einem rechten Wnkel bezüglich der Eisenkernlängsachse ausgebildete Anformungen 22 und ist somit als U-Form ausgebildet. Die Anformungen 22 bilden jeweils ein offenes Ende des Eisenkerns 19. Sie dienen als „Verlängerung“ des Eisenkerns 19 und als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung des Verrastelements 9 in Richtung des zweiten elektromagnetischen Aktuators 12.
Die Spulen 13, 18 sind jeweils elektrisch mit einer Stromversorgung verbunden und können durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit gezielt bestromt bzw. eingeschaltet werden. So entsteht jeweils ein magnetisches Feld mit einer der elektrischen Bestromung entsprechenden Polung. Die jeweils in den Spulen 13, 18 angeordneten Eisenkerne 14, 19 führen und verstärken das jeweilige magnetische Feld. Der erste elektromagnetische Aktuator 11 ist derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen. Der zweite elektromagnetische Aktuator 12 ist demgegenüber derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von der Freigabestellung in die Blockierstellung zu bewegen.
Die elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 sind jeweils derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen.
Das Verrastelement 9 ist als ein Hebel bzw. eine Sperrklinke ausgebildet, der bzw. die um eine Schwenkachse 23 verschwenkbar ist. Die Schwenkachse 23 des Verrastelements 9 verläuft durch dessen Massenschwerpunkt.
Das Verrastelement 9 umfasst eine in den Raststern 8 eingreifende Formschlusseinheit 24 bestehend aus einem Sinterwerkstoff und eine mit der Formschlusseinheit 24 fest verbundene Gegeneinheit 25 bestehend aus einem Kunststoff. Die Gegeneinheit 25 ist durch die elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 aktuierbar. Durch die feste Verbindung der Formschlusseinheit 24 mit der Gegeneinheit 25 sind diese beiden Einheiten in einer festen Orientierung zueinander bewegbar bzw. synchron zueinander bewegbar. Der Massenschwerpunkt des Verrastelements 9 liegt in dem die Gegeneinheit 25 und die Formschlusseinheit 24 verbindenden Bereich. Durch den Verbindungsbereich verläuft die Schwenkachse 23 des Verrastelements 9.
Die Formschlusseinheit 24 des Verrastelements 9 ist hakenförmig ausgebildet. Das offene Ende der Formschlusseinheit 24 ist derart ausgebildet, formkomplementär mit den als Raststernzähne ausgebildeten Erhebungen 6 zusammenzuwirken bzw. in Eingriff zu treten. Bei einem Eingriff der Formschlusseinheit 24 in den Raststern 8 entsteht eine Wirkflächenpaarung zwischen einer der senkrecht bzw. normal zu der äußeren Mantelfläche des Raststerns 8 orientierten Zahnflanken eines Raststernzahns und der zu der Zahnflanke formkomplementär ausgebildeten Formschlusseinheit 24.
Die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 ist stoffschlüssig mit zwei Eisenelementen 26, die jeweils in die Gegeneinheit 25 eingelassen sind bzw. von der Gegeneinheit 25 umschlossen sind, verbunden. Die Eisenelemente 26 sind derart ausgebildet, jeweils magnetisch mit den elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 zusammenzuwirken. Die stirnseitigen Flächen der Anformungen 17, 22 bilden jeweils Wirkflächenpaare mit den ihnen gegenüber angeordneten stirnseitigen Flächen der beiden Eisenelemente 26. Die Abstoßbewegung der von dem Verrastelement 9 getragenen Eisenelemente 26 weg von den ortsfesten elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 ist das Ergebnis einer gleichartigen Polung der elektro-magnetisierten Stirnseiten der Anformungen 17, 22 einerseits und der magnetisierten Stirnseiten der beiden Eisenelemente 26 andererseits.
Die Verriegelungsvorrichtung 1 weist außerdem einen Permanentmagneten 27 auf. Der Permanentmagnet 27 weist Öffnungen 28 zur Hindurchführung von Schrauben zur Befestigung an dem Gehäuseelement 5 auf. Außerdem weist der Permanentmagnet 27 zwei rechtwinklige Anformungen auf. Dementsprechend ist der Permanentmagnet 27 U-förmig ausgebildet. Der Permanentmagnet 27 ist in Bezug auf die verschwenkbar gelagerte Gegeneinheit 25 in Radialrichtung außerhalb von dieser angeordnet.
Die magnetische Polung der jeweiligen Eisenelemente 26 entsteht durch eine durch den Permanentmagneten 27 induzierte bzw. bewirkte Magnetisierung. Das erste offene Ende des U-förmigen Permanentmagneten 27 bildet den magnetischen Nordpol, wohingegen das zweite offene Ende des U-förmigen Permanentmagneten 28 den magnetischen Südpol bildet. Der Permanentmagnet 27 ist in unmittelbar räumlicher Nähe zu den Eisenelementen 26 angeordnet. In der unmittelbar räumlichen Nähe des Permanentmagneten 27 bildet sich ein Magnetfeld aus. Durch die Einbringung der Eisenelemente 26 in das Magnetfeld des Permanentmagneten 27 richten sich die magnetischen Domänen der Eisenelemente 26 in etwa parallel zu dem Magnetfeld aus. Dies wird als Magnetisierung bezeichnet. Das mechanische Anschlägen der Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 17, 22 im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt einen Stoß bzw. Impuls, der die Ausrichtung der magnetischen Domänen begünstigt bzw. erleichtert.
Neben der Magnetisierung der Eisenelemente 26 erfüllt der Permanentmagnet 27 eine weitere Funktion. Und zwar dient der Permanentmagnet 27 dazu, bei ausbleibender elektromagnetischer Aktuierung, beispielsweise bei einem Stromausfall und somit bei einer Deaktivierung der elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12, das Verrastelement 9 in der zuletzt eingenommenen Stellung, das heißt, entweder in der Blockierstellung oder Freigabestellung, magnetisch zu halten. Somit ist stets ein klar definierter und sicherer Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung 1 sichergestellt.
Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen die Freigabestellung und die Blockierstellung der Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Gegenüberstellung. Figur 3 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.
Die Spule 13 des ersten elektromagnetischen Aktuators 11 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 von dem ersten elektromagnetischen Aktuator 11 abgestoßen ist.
Dadurch ist die Gegeneinheit 25 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, und zwar so weit bis die Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 22 anschlagen. Die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 25 führt wiederum aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 24 zu einer Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 24 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn, nämlich aus dem Eingriff mit dem Raststern 8 heraus.
Figur 4 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Im Gegensatz zu den Figuren 1 bis 3 ist die Verriegelungsvorrichtung 1 in ihrer Blockierstellung.
Die Spule 18 des zweiten elektromagnetischen Aktuators 12 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 von dem zweiten elektromagnetischen Aktuator 12 abgestoßen ist. Dadurch ist die Gegeneinheit 25 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn verschwenkt, und zwar so weit bis die Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 17 anschlägt. Aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 24 führt die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 25 zu einer Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 24 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn in den Eingriff mit dem Raststern 8 hinein.
Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen die Freigabestellung und die Blockierstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Gegenüberstellung.
Figur 5 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 29 ist in ihrer Freigabestellung.
Der grundlegende Aufbau der Verriegelungsvorrichtung 29 entspricht dem der Verriegelungsvorrichtung 1 aus den Figuren 1 bis 4. Die Verriegelungsvorrichtung 29 umfasst ebenfalls einen mit der Lenkspindel 2 drehfest verbundenen, eine Vielzahl von Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 aufweisenden Raststern 8, ein relativ zu dem Raststern 8 bewegbares Verrastelement 30 und einen Stellantrieb 31.
Das Verrastelement 30 ist als ein Hebel bzw. eine Sperrklinke ausgebildet, der bzw. die um die Schwenkachse 23 verschwenkbar ist, wobei die Schwenkachse 23 durch den Massenschwerpunkt des Verrastelements 30 verläuft. Das Verrastelement 30 umfasst eine in den Raststern 8 eingreifende Formschlusseinheit 32 und eine mit der Formschlusseinheit 32 fest verbundene Gegeneinheit 33.
Der Stellantrieb 31 umfasst einen ersten elektromagnetischen Aktuator 34 und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator 35. Bei den elektromagnetischen Aktuatoren 34, 35 handelt es sich jeweils um Elektromagnete. Der Stellantrieb 31 kann das Verrastelement 30 zwischen der Blockierstellung und der Freigabestellung hin und her bewegen bzw. umschalten.
Im Unterschied zu der Formschlusseinheit 24 und der Gegeneinheit 25 bestehen sowohl die Formschlusseinheit 32 als auch die Gegeneinheit 33 aus einem magnetisierbaren Werkstoff und sind sowohl die Formschlusseinheit 32 als auch die Gegeneinheit 33 selbst aktuierbar. Und zwar ist die Gegeneinheit 33 durch den ersten elektromagnetischen Aktuator 34 aktuierbar und ist die Formschlusseinheit 32 durch den zweiten elektromagnetischen Aktuator 35 aktuierbar.
Der erste elektromagnetische Aktuator 34 umfasst eine Spule 36 und eine Öffnungen aufweisende Eisenkerneinheit 37. Die Eisenkerneinheit 37 ist über durch die Öffnungen hindurchgeführte Befestigungsschrauben 38 mit dem Gehäuseelement 5 fest verbunden. Die Eisenkerneinheit 37 weist eine Basis 39, einen inneren bzw. mittigen Schenkel 40 und zwei äußere Schenkel 41 auf. Die Schenkel 40, 41 sind jeweils an die Basis 39 angeformt und zueinander äquidistant. Die Basis 39 und die Schenkel 40, 41 sind einstückig bzw. monolithisch ausgebildet. Der innere Schenkel 40 ist innerhalb der Spule 36 angeordnet und dient somit als Eisenkern des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 im engeren Sinne. Die beiden äußeren Schenkel 41 der Eisenkerneinheit 37 sind außerhalb der Spule 36 angeordnet bzw. sind um die Spule 36 herumgeführt. Dadurch, dass die äußeren Schenkel 41 eine einstückige Einheit mit dem inneren Schenkel 40 bilden, dienen auch die äußeren Schenkel 41 als Eisenkern des ersten elektromagnetischen Aktuators 34.
Die drei Schenkel 40, 41 bilden jeweils ein offenes Ende der Eisenkerneinheit 37. Sie sind ausgehend von der Basis 39 derart orientiert bzw. ausgerichtet, dass die jeweils an die Oberflächenform der Gegeneinheit 33 angepasst sind. Somit fungieren sie als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 33 des Verrastelements 30. Die stirnseitigen Flächen der Schenkel 40, 41 bilden jeweils ein Wirkflächenpaar mit den ihnen gegenüber angeordneten Oberflächenbereiche der Gegeneinheit 33.
Die Spule 36 des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 33 des Verrastelements 30 von dem ersten elektromagnetischen Aktuator 34 abgestoßen ist. Dadurch ist die Gegeneinheit 33 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 33 bewirkt aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 32 eine Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32, nämlich aus dem Eingriff mit dem Raststern 8 heraus.
Figur 6 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 29 ist in ihrer Blockierstellung.
Analog zu dem Aufbau des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 umfasst der zweite elektromagnetische Aktuator 35 eine Spule 42 und eine Öffnungen aufweisende Eisenkerneinheit 43. Die Eisenkerneinheit 43 ist über durch die Öffnungen hindurchgeführte Befestigungsschrauben 44 mit dem Gehäuseelement 5 fest verbunden. Die Eisenkerneinheit 43 weist eine Basis 45, einen inneren bzw. mittigen Schenkel 46 und zwei äußere Schenkel 47 auf. Die Schenkel 46, 47 sind jeweils an die Basis 45 angeformt und zueinander äquidistant. Die Basis 45 und die Schenkel 46, 47 sind einstückig bzw. monolithisch ausgebildet. Der innere Schenkel 46 ist innerhalb der Spule 42 angeordnet und dient somit als Eisenkern des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35 im engeren Sinne. Die beiden äußeren Schenkel 47 der Eisenkerneinheit 43 sind außerhalb der Spule 42 angeordnet bzw. sind um die Spule 42 herumgeführt. Dadurch, dass die äußeren Schenkel 47 eine einstückige Einheit mit dem inneren Schenkel 46 bilden, dienen auch die äußeren Schenkel 47 als Eisenkern des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35.
Die drei Schenkel 46, 47 bilden jeweils ein offenes Ende der Eisenkerneinheit 43. Sie sind ausgehend von der Basis 45 derart orientiert bzw. ausgerichtet, dass die jeweils an die Oberflächenform der Formschlusseinheit 32 angepasst sind. Somit fungieren sie als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32 des Verrastelements 30. Die stirnseitigen Flächen der Schenkel 46, 47 bilden jeweils ein Wirkflächenpaar mit den ihnen gegenüber angeordneten Oberflächenbereiche der Formschlusseinheit 32. Die Spule 42 des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinehit so bestromt, dass die Formschlusseinheit 32 von dem zweiten elektromagnetischen Aktuator 35 abgestoßen ist. Dadurch ist die Formschlusseinheit 32 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn verschwenkt. Die Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32 bewegt die Formschlusseinheit 32 in den Eingriff mit dem Raststern 8 hinein.
Figur 7 zeigt eine Lenksäule 3 für ein Kraftfahrzeug mit einer drehbar gelagerten Lenkspindel 2, an deren dem in der Figur nicht dargestellten Kraftfahrzeugfahrer zugewandten Ende ein ebenfalls in der Figur nicht dargestelltes Lenkrad anbringbar ist. Die Lenksäule 3 umfasst darüber hinaus eine an die Karosserie des Fahrzeugs anbringbare Trageinheit 48, eine an der Trageinheit 48 befestigte Manteleinheit 49 mit einer Stelleinheit 50 sowie eine Höhenverstelleinrichtung 51 und eine Längsverstelleinrichtung 52.
Des Weiteren umfasst die Lenksäule 3 die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Verriegelungsvorrichtung 1, die von dem Gehäuseelement 5 umschlossen ist. Alternativ kann auch die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Verriegelungsvorrichtung 29 vorgesehen sein. Die Verriegelungsvorrichtung 1 bzw. 29 ist an dem dem in der Figur nicht dargestellten Lenkrad abgewandten axialen Ende der Lenksäule 3 angeordnet. Diese Anordnung ist auch in Figur 1 zu erkennen.
Ein weiteres Gehäuseelement 53 ist in Axialrichtung unmittelbar an das Gehäuseelement 5 angrenzend angeordnet.
Figur 8 zeigt ein Detail der Lenksäule 3. Das Gehäuseelement 53 ist im Querschnitt dargestellt. Ein Feedbackaktuator 54 ist von dem Gehäuseelement 53 umschlossen.
Der Feedbackaktuator 54 dient in einem Steer-by-Wire Lenksystem zur Bereitstellung bzw. Simulation mechanischer Informationen für den Fahrzeugfahrer, insbesondere Vibrationen und mechanischer Widerstand während des Lenkens, vorzugsweise mechanischer Lenkwiderstand. Der Feedbackaktuator 54 umfasst einen Elektromotor, wobei dieser einen Stator 55 aufweist, der drehfest in dem Gehäuseelement 53 aufgenommen ist, und einen Rotor 56, der drehfest mit der Lenkspindel 2 verbunden ist. Bezugszeichenliste
1 Verriegelungsvorrichtung
2 Lenkspindel
3 Lenksäule
4 Öffnung
5 Gehäuseelement
6 Erhebungen
7 Vertiefungen
8 Raststern
9 Verrastelement
10 Stellantrieb
11 Erster elektromagnetischer Aktuator
12 Zweiter elektromagnetischer Aktuator
13 Spule
14 Eisenkern
15 Öffnung
16 Verbindungselement
17 Anformung
18 Spule
19 Eisenkern
20 Öffnung
21 Verbindungselement
22 Anformung
23 Schwenkachse
24 Formschlusseinheit
25 Gegeneinheit
26 Eisenelement
27 Permanentmagnet
28 Öffnung
29 Verriegelungsvorrichtung
30 Verrastelement
31 Stellantrieb
32 Formschlusseinheit
33 Gegeneinheit
34 Erster elektromagnetischer Aktuator
35 Zweiter elektromagnetischer Aktuator 36 Spule
37 Eisenkerneinheit
38 Befestigungsschrauben
39 Basis 40 Innerer Schenkel
41 Äußerer Schenkel
42 Spule
43 Eisenkerneinheit
44 Befestigungsschrauben 45 Basis
46 Innerer Schenkel
47 Äußerer Schenkel
48 Trageinheit
49 Manteleinheit 50 Stelleinheit
51 Höhenverstelleinrichtung
52 Längsverstelleinrichtung
53 Gehäuseelement
54 Feedbackaktuator
55 Stator
56 Rotor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) für eine eine Lenkspindel (2) umfassende Lenksäule (3) eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Raststern (8), der eine Vielzahl von Erhebungen (6) und Vertiefungen (7) aufweist, wobei der Raststern (8) drehfest mit der Lenkspindel (2) koppelbar ist, ein relativ zu dem Raststern (8) bewegbares Verrastelement (9; 30) und einen Stellantrieb (10; 31), der derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) zwischen einer Blockierstellung, in der die Drehung der Lenkspindel (2) blockiert ist, und einer Freigabestellung, in der die Drehung der Lenkspindel (2) freigegeben ist, umzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (10; 31) zumindest einen ersten elektromagnetischen Aktuator (11; 34) und zumindest einen zweiten elektromagnetischen Aktuator (12; 35) umfasst.
2. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektromagnetische Aktuator (11 ; 23) derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen, und der zweite elektromagnetische Aktuator (12; 35) derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) von der Freigabestellung in die Blockierstellung zu bewegen.
3. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite elektromagnetische Aktuator (11, 12; 34, 35) jeweils derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) von sich wegzubewegen oder an sich heranzuziehen.
4. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektromagnetische Aktuator (11; 23) derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) von sich wegzubewegen und der zweite elektromagnetische Aktuator (12; 35) derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9;
30) an sich heranzuziehen, nämlich genau dann, wenn der erste elektromagnetische Aktuator (11; 23) das Verrastelement (9; 30) von sich wegbewegt oder jeweils umgekehrt.
5. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastelement (9; 30) um eine Schwenkachse (23) verschwenkbar ist.
6. Verriegelungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (23) des Verrastelements (9; 30) durch dessen Massenschwerpunkt verläuft.
7. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastelement (9; 30) zumindest eine in den Raststern (8) eingreifende Formschlusseinheit (24; 32) und zumindest eine mit der Formschlusseinheit (24; 32) fest verbundene Gegeneinheit (25; 33) umfasst.
8. Verriegelungsvorrichtung (1; 29) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsvorrichtung (1; 29) einen Permanentmagneten (27) aufweist, der derart ausgebildet ist, das Verrastelement (9; 30) bei ausbleibender Aktuierung in der zuletzt eingenommenen Stellung zu halten und/oder derart ausgebildet ist, Eisenelemente (26) zum Zusammenwirken mit den elektromagnetischen Aktuatoren (11, 12) zu magnetisieren.
9. Verriegelungsvorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (10; 31) zwei erste und zwei zweite elektromagnetische Aktuatoren (11, 12; 34, 35) umfasst.
10. Lenksäule (3) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkspindellagereinheit, in der eine Lenkspindel (2) drehbar gelagert ist, wobei die Lenkspindel (2) mit einem Lenkrad koppelbar ist, und wobei die Lenksäule (3) eine Verriegelungsvorrichtung (1; 29) umfasst, die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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