WO2024088458A1 - Verstelleinheit einer lenksäule - Google Patents

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WO2024088458A1
WO2024088458A1 PCT/DE2023/100629 DE2023100629W WO2024088458A1 WO 2024088458 A1 WO2024088458 A1 WO 2024088458A1 DE 2023100629 W DE2023100629 W DE 2023100629W WO 2024088458 A1 WO2024088458 A1 WO 2024088458A1
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WO
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spindle nut
sleeve
spindle
adjustment unit
crash
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100629
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jannick Altherr
Benjamin Severin
Martin Vornehm
Balamurugan MANOHARAN
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023105450.3A external-priority patent/DE102023105450A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/16—Steering columns
    • B62D1/18—Steering columns yieldable or adjustable, e.g. tiltable
    • B62D1/181—Steering columns yieldable or adjustable, e.g. tiltable with power actuated adjustment, e.g. with position memory
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/16—Steering columns
    • B62D1/18—Steering columns yieldable or adjustable, e.g. tiltable
    • B62D1/19—Steering columns yieldable or adjustable, e.g. tiltable incorporating energy-absorbing arrangements, e.g. by being yieldable or collapsible
    • B62D1/195—Yieldable supports for the steering column

Definitions

  • the present invention relates to an adjustment unit of a steering column or a steering shaft of a vehicle and a steer-by-wire steering system for a vehicle with such an adjustment unit.
  • the steering wheel can be adjusted in height and length, i.e. in an axial position.
  • steering column elements and steering shaft elements can be moved relative to one another, for example in a telescopic arrangement. This allows the steering wheel to be brought into a position that suits the driver.
  • steer-by-wire steering systems are also known in which the mechanical connection between the steering wheel and the axle to be steered via the steering column is dispensed with and the steering of the wheels is controlled via corresponding signals.
  • steer-by-wire steering systems in particular: steer-by-wire steering systems with a force feedback actuator remote from the steering wheel and steer-by-wire steering systems with a force feedback actuator close to the steering wheel.
  • the adjustment unit according to the invention for a steering system, in particular a steer-by-wire steering system, further in particular a steer-by-wire steering system with a force feedback actuator close to the steering element, of a vehicle has an adjustment device, an extension device and a crash element.
  • the adjustment device has an adjustment motor, a spindle and a spindle nut, wherein the adjustment motor is coupled to the spindle in a torque-transmitting manner, and the spindle nut is arranged on the spindle in such a way that a rotation of the spindle causes an axial displacement of the spindle nut along the spindle.
  • the extension device has an extension carrier which is designed to be arranged or fastened to a body of the vehicle in an axially fixed manner, and in particular pivotable about a pivot axis, and at least one inner extension element which is arranged in the extension carrier so as to be axially displaceable relative to the extension carrier.
  • the inner extension element is designed to be coupled to a, in particular inner, steering shaft in an axially fixed manner.
  • the crash element is designed as a sleeve that extends between the spindle nut of the adjustment device and the inner extension element of the extension device coaxially to the spindle, and in particular surrounding the spindle.
  • An axial end of the sleeve is arranged on the spindle nut and is axially fixedly coupled to the spindle nut via at least one locking element.
  • the locking element is released when a predetermined impact force is applied, in particular in the event of a crash, and the sleeve is displaced axially relative to the spindle nut due to the impact force acting in the event of a crash.
  • An outer contour of the spindle nut and an inner contour of the sleeve are designed to be coordinated with one another, at least in sections, in such a way that the sleeve is plasticized, i.e. deformed, by the axial displacement relative to the spindle nut.
  • the locking element can also be referred to as a release element and is designed to position the sleeve axially fixed on the spindle nut. Furthermore, the Locking element designed to release the axially fixed connection between the sleeve and the spindle nut when the predetermined impact force is reached or exceeded, in order to enable the sleeve to be moved relative to the spindle nut and the associated plasticization of the sleeve.
  • a displacement path of the sleeve can be, for example, approximately 80-100 mm.
  • the locking element can be designed, for example, as at least one shear pin that breaks when the predetermined impact force is reached or exceeded. It is also conceivable to implement the locking element as a circumferential or at least partially circumferential groove or as indentations in the sleeve, which are deformed by the impact force.
  • the force feedback actuator comprises a motor, or a motor and a gearbox, especially with a high gear ratio.
  • the motor-gearbox combination makes it possible to make the motor smaller and more compact, since the motor has to generate a smaller torque to achieve the same torque on the steering shaft compared to a motor without a gearbox.
  • the advantage of the solution according to the invention is in particular that the crash element can be integrated into the pull-out device and in particular into the force flow there.
  • the crash element By arranging the crash element in such a substantially coaxial manner to the spindle, it is possible to achieve a force flow in the event of a crash through which only small or no transverse forces or bending moments act on the crash element.
  • Transverse forces or bending moments on the crash element can cause the crash element to tilt and/or tip, as well as increase friction and/or cause lateral bending in the crash sleeve.
  • the design of the crash element can be simplified because the disadvantages caused by transverse forces or bending moments are eliminated. This means that only a few or no additional components are required, which can reduce the costs for the adjustment unit. In addition, it is possible to use these components as forming tool elements during production.
  • the arrangement of the crash element according to the invention enables an impact energy conversion in the form of absorption and self-centering of the crash element to the spindle nut, particularly in the case of jamming and/or tilting and/or offset forces.
  • a spindle torque can be supported by the crash element when adjusting the length of the steering element.
  • the spindle can be guided through the crash element (and the spindle nut) and/or stored. This can be particularly advantageous for long spindles, e.g. with a length of around 100 mm or more.
  • the adjustment unit according to the invention makes it possible to reduce or even eliminate the bending moments that act on the crash element, which usually result from unfavorable lever arms. This makes it possible to dispense with additional components, such as a crash element guide, connection, and/or deflection.
  • the inner contour of the unplasticized sleeve has deformation areas and buffer areas at least in sections
  • the outer contour of the spindle nut is designed such that the outer contour of the spindle nut overlaps with the inner contour of the sleeve in the deformation areas and is arranged in particular at a distance from the buffer areas.
  • the impact force presses the crash element, i.e. the sleeve, which can also be referred to as a crash sleeve, essentially symmetrically over the essentially stationary, self-locking spindle nut.
  • the spindle nut has a harder material than the crash sleeve, at least in the overlapping areas on the outer contour.
  • the crash sleeve Due to the overlap of the outer contour of the spindle nut and the inner contour of the sleeve in the deformation areas, the crash sleeve is plasticized, i.e. reshaped, by the spindle nut in these areas.
  • the spindle nut and the crash sleeve are spaced apart from each other in the buffer area so that during the plasticization of the crash sleeve in the deformation areas, the "missing" material can be compensated for by the buffer zones. In other words, one can say that the plasticization of the crash sleeve in the deformation areas essentially changes the entire inner contour of the sleeve.
  • the spindle nut has a conical and/or spherical outer contour. This makes it possible for the crash sleeve to center itself when an impact force is not introduced symmetrically into the crash sleeve, whereby at least small transverse forces can act on the crash sleeve. This can prevent the crash sleeve from tilting on the spindle nut, thus ensuring the function of the crash element, namely the absorption of the impact energy through plasticization, even in the case of transverse and/or offset forces.
  • the sleeve is coupled to the inner extension element at the other axial end. This ensures a symmetrical introduction of force over the entire front surface of the crash sleeve that is in contact with the extension element. The large support surface enables a high level of tipping rigidity to be achieved.
  • the sleeve has a rectangular inner contour with rounded corners and the spindle nut has a rectangular outer contour with rounded corners, wherein the rounded corners of the inner contour of the sleeve have a larger radius than the rounded corners of the outer contour of the spindle nut. Due to the overlapping radii, the large radius of the crash sleeve is plasticized, i.e. reshaped, by the smaller radius of the spindle nut, so that the radius of the crash sleeve after plasticization essentially corresponds to the radius of the spindle nut.
  • other contours and contour pairings for the crash sleeve and the spindle nut are also conceivable. In particular, it is possible to select the contours and/or the overlap (small or large overlap) of the contours in the deformation areas depending on a desired push-through force and/or the impact force.
  • the adjustment device and thus in particular the crash element, is arranged within the extension device, in particular within the extension support.
  • This arrangement is possible in particular by eliminating the telescopic steering shaft in steer-by-wire steering systems with a force feedback actuator close to the steering element, as this "frees up" installation space within the extension device. This means that no additional installation space is required for the adjustment unit and the crash element can be integrated into the force flow that occurs in the event of a crash.
  • the adjustment device and thus in particular the crash element, is arranged outside the extension device, wherein the crash element and the spindle (and the spindle nut) are arranged coaxially.
  • the crash element is also arranged outside the extension device between the adjustment device and the extension device.
  • the sleeve is made of a metal, in particular a sheet metal.
  • the sleeve formed from a sheet metal material can be produced inexpensively, for example by punching and forming the sheet metal.
  • the sheet metal material has good plasticizing properties.
  • sleeves made of fiber composite materials are also conceivable, although these are more expensive than metal.
  • the spindle nut is made of a metal that is harder than the material of the sleeve at least in sections, in particular on an outer circumference, i.e. the outer contour, and in particular in the areas of the outer contour that overlap with the inner contour of the sleeve. This ensures that in the event of a crash, the sleeve is plasticized by the spindle nut, and the spindle nut does not undergo plasticization by the sleeve.
  • the spindle nut has a main body made of a plastic and a casing made of a metal, in particular a hardened metal.
  • the casing can be made of a sheet metal material, which is in particular deep-drawn and hardened. The casing can thus be produced cost-effectively, and the plastic main body of the spindle nut makes it possible to improve the noise behavior of the adjustment device.
  • a further aspect of the invention relates to a steer-by-wire steering system, in particular a steer-by-wire steering system with a force feedback actuator close to the steering element, for a vehicle.
  • the steering system has an (inner) steering shaft, a steering element and the adjustment unit described above and below, in particular according to the invention.
  • the steering element is coupled to the (inner) steering shaft in an axially fixed and torque-transmitting manner.
  • the (inner) steering shaft is also arranged within the extension support of the adjustment unit and is coupled to the inner extension element in an axially fixed manner, and is thus axially displaceable relative to the extension support via or with the inner extension element.
  • the steering shaft is rotatable relative to the inner extension element.
  • the steer-by-wire steering system further comprises at least one force feedback actuator which is coupled to the (inner) steering shaft close to the steering element and transmits torque.
  • the term "close to the steering element” is to be understood here in particular as an arrangement between the adjustment unit and the steering element.
  • the steer-by-wire steering system further comprises a height adjustment unit for adjusting the height of the steering element. This allows the steering element to be individually adjusted for a driver in both an axial direction and a height direction.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a steer-by-wire steering system according to an embodiment of the invention in a perspective longitudinal sectional view
  • Fig. 2 is a schematic representation of an adjustment unit according to an embodiment of the invention in a perspective partial sectional view
  • Fig. 3 is a schematic representation of an adjustment unit according to an embodiment of the invention in a sectional view
  • Fig. 4 is a schematic representation of an adjustment unit according to an embodiment of the invention in a longitudinal section
  • Fig. 5 is a schematic representation of a crash element and a spindle nut according to an embodiment of the invention in a perspective sectional view
  • Fig. 6 is a schematic representation of a crash element and a spindle nut according to an embodiment of the invention in an exploded view
  • FIG. 7 schematic representations of a crash element and a spindle nut according to second embodiments of the invention in a longitudinal sectional view
  • Fig. 8 is a schematic representation of a crash element and a spindle nut according to an embodiment of the invention in a front view
  • FIG. 9 enlarged schematic representations of the detail sections IXa and IXb from Fig. 8,
  • Fig. 10 is a schematic representation of an adjustment unit according to an embodiment of the invention in a sectional view
  • Fig. 11 is a schematic representation of a self-centering function of a crash element to a spindle nut
  • Fig. 12 is a schematic representation of a locking element according to an embodiment of the invention for positioning the crash element on the spindle nut
  • Fig. 13 is a schematic representation of a locking element according to an embodiment of the invention for positioning the crash element on the spindle nut
  • Fig. 14 is a schematic representation of a locking element according to an embodiment of the invention for positioning the crash element on the spindle nut
  • FIG. 15 schematic representations to explain an inner contour change of a crash element by plasticization according to an embodiment of the invention
  • FIG. 16 schematic representations to explain an inner contour change of a crash element by plasticization according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 17 is a schematic representation of a spindle nut according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows schematically and by way of example a steer-by-wire steering system 1 for a vehicle in a perspective sectional view.
  • the steer-by-wire steering system 1 has an adjustment unit 2 (see also Fig. 2) for axial length adjustment or setting of a steering element, e.g. a steering wheel (not shown), and a height adjustment unit 3 for height adjustment of the steering element.
  • the longitudinal adjustment of the steering element is realized in particular by an axial displacement of a steering shaft 4 that can be coupled to the steering element in a torque-transmitting manner.
  • the steering system 1 also has a force feedback actuator 5 that is coupled to the steering shaft 4 in a torque-transmitting manner. is coupled and is arranged close to the steering element on the steering shaft 4.
  • the force feedback actuator 5 can comprise a motor or a motor in combination with a transmission (shown here as an example).
  • the adjustment unit 2 (see also Fig. 2 to 4) has an adjustment device 6 and an extension device 7.
  • the adjustment device 6 has an adjustment motor 8, a spindle 9 and a spindle nut 10, wherein the adjustment motor 8 is coupled to the spindle 9 in a torque-transmitting manner.
  • the spindle nut 10 is arranged on the spindle 9 in such a way that a rotation of the spindle 9 (by the adjustment motor 8) causes an axial displacement of the spindle nut 10 along the spindle 9.
  • the adjustment device 6, in particular the adjustment motor 8, is arranged in a fixed position in the extension device 7.
  • the pull-out device 7 has a pull-out support 11 and an inner pull-out element 12.
  • the pull-out support 11 can be attached to a body of the vehicle in an axially fixed manner and pivotable about a pivot axis, and the inner pull-out element 12 is arranged in the pull-out support 11 and can be axially displaced relative to it.
  • the inner pull-out element 12 is coupled to the steering shaft 4 in an axially fixed manner, so that the steering shaft 4 can be axially displaced by the adjustment device 6 via the inner pull-out element 12.
  • the adjustment unit 2 has a crash element 13, which is designed as a crash sleeve 13 and is arranged coaxially to the spindle 9, surrounding the spindle 9 between the adjustment motor 8 and the inner extension element 12.
  • a crash element 13 is designed as a crash sleeve 13 and is arranged coaxially to the spindle 9, surrounding the spindle 9 between the adjustment motor 8 and the inner extension element 12.
  • One axial end of the sleeve 13 is arranged on the spindle nut 10 and is axially fixedly coupled to it via at least one, here two, locking elements 14 (see also Fig. 5 and 6).
  • Another axial end of the sleeve 13 is coupled to the inner extension element 12.
  • a rotation of the spindle 9 causes an axial displacement of the spindle nut 10, and thus also of the sleeve 13 axially coupled to the spindle nut 10 along the spindle 10 and thereby an axial displacement of the inner extension element 12.
  • the coaxial arrangement of the sleeve 13 to the spindle 9 makes it possible to integrate the crash element 13 into the force flow of the adjustment device 6 and thus, particularly in the event of a crash, to reduce or eliminate transverse and/or offset forces acting on the sleeve 13.
  • the locking element(s) 14 are designed to release the axial coupling between the spindle nut 10 and the sleeve 13 when a predetermined force is reached or exceeded, which is in particular a predetermined impact force in the event of a crash, so that a relative axial displacement between the sleeve 13 and the spindle nut 10 is possible. Since the spindle nut 10 has a self-locking effect, the spindle nut 10 can be considered to be stationary in the event of a crash, so that the sleeve 13 moves axially relative to the spindle nut 10.
  • the flat connection of the sleeve 13 to the inner extension element 12 via both the front side of the sleeve 13 and the fastening tabs enables a symmetrical introduction of the impact force over the entire front surface of the sleeve 13 that rests on the inner extension element 12.
  • a high level of tipping rigidity can be achieved due to the large support surface.
  • an outer contour 15 of the spindle nut 10 and an inner contour 16 of the sleeve 13 are formed at least in sections such that the outer contour 15 and the inner contour 16 at least partially overlap.
  • the inner contour 16 of the sleeve 13 has deformation regions 17, which are arranged here for example in the corners of the sleeve provided with radii, and buffer regions 18 which are formed between the deformation regions 17, here for example as a straight section of the inner contour 16 of the sleeve 13.
  • the outer contour 15 of the spindle nut 10 and the inner contour 16 of the sleeve 13 overlap in the deformation regions 17 (see detailed views in Fig.
  • the spindle nut 10 here also being essentially square and having rounded corners, by way of example, the radii of the outer contour 15 of the spindle nut 10 being smaller than the radii of the inner contour 16 of the sleeve 13.
  • the outer contour 15 of the spindle nut 10 is arranged at a distance from the inner contour 16 of the sleeve 13.
  • the sleeve 13 Due to the overlap of the contours 15, 16 in the deformation areas 17, the sleeve 13 is plasticized or reshaped in the event of a crash due to the axial displacement relative to the spindle nut 10 in the deformation areas 17.
  • the spindle nut 10 is in particular conical (see Fig. 7(a)) and/or crowned (see Fig. 7(b)) in order to prevent the sleeve 13 from tilting at a front axial end 19 of the spindle nut 10 and/or to simplify an axial displacement of the sleeve 13 relative to the spindle nut 10.
  • This is particularly advantageous if the impact force (shown here as an example as force arrow F), for whatever reason, is not symmetrically applied to the crash element. 13 (see Fig. 10).
  • the conical and/or crowned design of the spindle nut 10 enables self-centering of the sleeve 13 to the spindle nut 10.
  • the spindle 9 “pulls” the spindle nut 10 through the sleeve 13 because a center of gravity SP of the thread pairing between the spindle 9 and the spindle nut 10 lies in front of the restoring forces Fi and F2. Due to the larger restoring moment of F2 (larger lever arm Z2), the spindle nut 10 aligns itself with the spindle 9 in the direction of force of F and thus causes self-centering.
  • Fig. 12 to 14 show various embodiments of the locking element 14.
  • the locking element 14 is designed as a shear pin 20, wherein in particular two shear pins 20 are arranged on opposite surfaces.
  • the shear pins 20 can be made of metal or plastic, wherein a breakaway torque for the shear pins resulting from the impact force can be determined both by the material and by a diameter of the shear pins 20.
  • the locking element 14 is designed as a circumferential groove 21.
  • the desired or required breakaway torque can be defined via the shape and depth of the groove 21.
  • the groove 21 makes it possible to implement the forming (forming the groove 21), the joining and the assembly of the spindle nut 10 and sleeve 13 in one production step, for example by using the spindle nut 10 as a counter tool when pressing and introducing the groove 21 into the sleeve 13.
  • the locking element 14 is divided into two areas: firstly, the sleeve 13 has inwardly projecting tabs 22 at one axial end, which prevent independent axial displacement in one axial direction. Secondly, the spindle nut 10 is conical in at least one section 23, which prevents independent axial displacement in the other axial direction. Additionally or alternatively, the conical section 23 of the spindle nut 10 can serve as a locking element 14 by means of a positive fit.
  • the locking elements 14 are arranged in particular in the areas of the sleeve 13 in which no plasticization takes place. For example, if in a rectangular sleeve 13 with rounded corners the plasticization in the corner areas takes place, the locking elements 14 are arranged in particular in the straight or flat sections between the corner areas.
  • Fig. 15 and 16 show exemplary combinations of the inner contour 16 of the sleeve 13 and the outer contour 15 of the spindle nut 10 and an inner contour 16' resulting from the plasticization of the sleeve 13 by the spindle nut 10.
  • both the outer contour 15 of the spindle nut 10 and the inner contour 16 of the sleeve 13 are designed as rounded rectangles, with the contours overlapping in the area of the rounded corners, which thus form the deformation areas 17 (see Fig. 15(a)).
  • Fig. 15(b) shows the inner contour 16' of the sleeve 13 after plasticizing: the radii in the deformation areas 17 of the inner contour 16' are smaller than the radii of the inner contour 16, with the buffer areas 18, i.e. the straight or flat areas between the deformation areas 17 in the inner contour 16', being slightly longer than those of the inner contour 16.
  • the sleeve 13 has, for example, a triangular inner contour 16 and the spindle nut 10 has a substantially circular outer contour 15, wherein the outer contour 15 and the inner contour 16 do not overlap in the corners of the triangular inner contour 16, but rather in the straight or flat sections between the corners (see Fig. 16(a)).
  • the inner contour 16' has slight “bulges” in the area of the previously flat sections after plasticizing (see Fig. 16(b)).
  • Fig. 17 shows an example of an embodiment of the spindle nut 10, which has a main body 24 made of plastic and a casing 25 made of sheet metal.
  • the sheet metal of the casing 15 is in particular deep-drawn and hardened in order to be able to effect the plasticization of the sleeve 13.
  • the main body 24 made of plastic makes it possible to improve the noise behavior of the adjustment device 6.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Steering Controls (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinheit (2) für ein Lenksystem (1) eines Fahrzeugs, aufweisend: eine Verstelleinrichtung (6), die einen Verstellmotor (8), eine Spindel (9) und eine Spindelmutter (10) aufweist, wobei der Verstellmotor (8) drehmomentübertragend mit der Spindel (9) gekoppelt ist, und die Spindelmutter (10) derart auf der Spindel (9) angeordnet ist, dass eine Rotation der Spindel (9) eine axiale Verschiebung der Spindelmutter (10) entlang der Spindel (9) bewirkt, eine Äuszugeinrichtung (7), die einen Äuszugträger (11), der dazu eingerichtet ist, axialfest an einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet zu sein, und zumindest ein inneres Äuszugelement (12) aufweist, das in dem Äuszugträger (11) axial verschieblich angeordnet ist, wobei das innere Äuszugelement (12) dazu eingerichtet ist, axialfest mit einer Lenkwelle (4) gekoppelt zu sein, ein Crash-Element (13), das als eine Hülse (13) ausgebildet ist, die sich zwischen der Spindelmutter (10) und dem inneren Äuszugselement (11) koaxial zur Spindel (9) erstreckt, wobei ein axiales Ende der Hülse (13) auf der Spindelmutter (10) angeordnet ist und über zumindest ein Feststellelement (14) axialfest mit der Spindelmutter (10) gekoppelt ist, wobei sich das Feststellelement (14) bei einer vorbestimmten Aufprallkraft (F) löst und sich die Hülse (13) relativ zur Spindelmutter (10) axial verschiebt, wobei eine Äußenkontur (15) der Spindelmutter (10) und eine Innenkontur (16) der Hülse (13) zumindest abschnittsweise derart ausgebildet sind, dass die Hülse (13) durch die axiale Verschiebung relativ zur Spindelmutter (10) plastifiziert wird. Ferner betrifft die Erfindung auch ein steer-by-wire Lenksystem (1) mit einer solchen Verstelleinheit (2).

Description

Verstelleinheit einer Lenksäule
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstelleinheit einer Lenksäule bzw., einer Lenkwelle, eines Fahrzeugs sowie ein steer-by-wire Lenksystem für ein Fahrzeug mit einer solchen Verstelleinheit.
Stand der Technik
Bei den heutigen Lenksystemen bzw. Lenkeinrichtungen kann das Lenkrad in der Höhe und in der Länge, also einer axialen Position, verstellt werden. Bei derartigen Verstellsystemen sind Lenksäulenelemente bzw. Lenkwellenelemente zueinander verschieblich, bspw. als eine teleskopierbare Anordnung ausgeführt. Dadurch kann das Lenkrad in eine für den Fahrer passende Position gebracht werden.
Ferner sind auch steer-by-wire Lenksysteme bekannt, bei denen auf die mechanische Verbindung des Lenkrads und der zu lenkenden Achse über die Lenksäule verzichtet wird und die Lenkung der Räder über entsprechende Signale gesteuert wird. Bei den steer-by- wire Lenksystemen können insbesondere zwei Typen unterschieden werden: steer-by-wire Lenksysteme mit einem lenkradfernen Force-Feedback-Aktuator und steer-by-wire Lenksysteme mit einem lenkradnahen Force-Feedback-Aktuator.
Bei den steer-by-wire Lenksystemen mit einem lenkradfernen Force-Feedback-Aktuator kommen bekannte Crash-Elemente, wie z.B., Blechstreifen, die sich bei Überschreiten einer definiteren Kraft plastisch verformen, zum Einsatz. Ferner sind auch Kunststoffhülsen an der teleskopierbaren Lenkwelle bekannt, die durch eine vorbestimmte Krafteinwirkung zerstört werden. Bei den steer-by-wire Lenksystemen mit einem lenkradnahen Force-Feedback- Aktuator kann die teleskopierbare Lenkwelle entfallen.
Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, eine bekannte Verstelleinheit und/oder ein bekanntes steer-by-wire Lenksystem eines Fahrzeugs zu verbessern. Insbesondere besteht ein weiterer Bedarf eine Verstelleinheit und/oder ein steer- by-wire Lenksystem mit einem lenkradnahen Force-Feedback-Aktuator bereitzustellen, die es ermöglichen ein Crash-Element derart anzuordnen, dass Querkräfte auf das Crash- Element reduziert oder gar vermieden werden können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Verstelleinheit und/oder ein verbessertes steer-by-wire Lenksystem bereitzustellen, die insbesondere ermöglicht, ein Crash-Element derart anzuordnen, dass Querkräfte auf das Crash-Element reduziert oder gar vermieden werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Verstelleinheit für ein Lenksystem, insbesondere ein steer-by-wire- Lenksystem, weiter insbesondere ein steer-by-wire Lenksystem mit lenkelementnahem Force-Feedback-Aktuator, eines Fahrzeugs weist eine Verstelleinrichtung, eine Auszugeinrichtung und ein Crash-Element auf. Die Verstelleinrichtung weist einen Verstellmotor, eine Spindel und eine Spindelmutter auf, wobei der Verstellmotor drehmomentübertragend mit der Spindel gekoppelt ist, und die Spindelmutter derart auf der Spindel angeordnet ist, dass eine Rotation der Spindel eine axiale Verschiebung der Spindelmutter entlang der Spindel bewirkt. Die Auszugeinrichtung weist einen Auszugträger, der dazu eingerichtet ist, axialfest, und insbesondere um eine Schwenkachse schwenkbar, an einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet bzw. befestigt zu sein, und zumindest ein inneres Auszugelement auf, das in dem Auszugträger axial verschieblich zum Auszugträger angeordnet ist. Dabei ist das innere Auszugelement dazu eingerichtet, axialfest mit einer, insbesondere inneren, Lenkwelle gekoppelt zu sein. Das Crash-Element ist als eine Hülse ausgebildet, die sich zwischen der Spindelmutter der Verstelleinrichtung und dem inneren Auszugselement der Auszugeinrichtung koaxial zur Spindel, und insbesondere die Spindel umgebend, erstreckt. Dabei ist ein axiales Ende der Hülse auf der Spindelmutter angeordnet und über zumindest ein Feststellelement axialfest mit der Spindelmutter gekoppelt. Das Feststellelement löst sich bei einer, insbesondere im Crash-Fall, wirkenden vorbestimmten Aufprallkraft und die Hülse verschiebt sich durch die in einem Crash-Fall wirkende Aufprallkraft axial relativ zur Spindelmutter. Dabei sind eine Außenkontur der Spindelmutter und eine Innenkontur der Hülse zumindest abschnittsweise derart aufeinander abgestimmt ausgebildet, dass die Hülse durch die axiale Verschiebung relativ zur Spindelmutter plastifiziert, also umgeformt, wird.
Das Feststellelement kann auch als ein Auslöseelement bezeichnet werden und ist dazu eingerichtet, die Hülse axialfest auf der Spindelmutter zu positionieren. Ferner ist das Feststellelement dazu eingerichtet bei Erreichen bzw. Überschreiten der vorbestimmten Aufprallkraft die axialfeste Verbindung zwischen der Hülse und der Spindelmutter zu lösen, um so ein Verschieben der Hülse relativ zur Spindelmutter, und die damit einhergehende Plastifizierung der Hülse zu ermöglichen. Ein Verschiebeweg der Hülse kann z.B., etwa 80- 100 mm betragen. Das Feststellelement kann bspw. als zumindest ein Scherstift ausgebildet sein, der bei Erreichen oder Überschreiten der vorbestimmten Aufprallkraft bricht. Ferner ist es auch denkbar, das Feststellelement als eine umlaufende oder zumindest abschnittweise umlaufende Nut oder als Eindellungen, in der Hülse umzusetzen, die durch die Aufprallkraft umgeformt wird.
Der Force- Feed back- Aktuator umfasst einen Motor, oder einen Motor und ein Getriebe, insbesondere mit hoher Übersetzung. Die Motor-Getriebe-Kombination ermöglicht es, insbesondere den Motor kleiner und kompakter auszulegen, da der Motor im Vergleich zu einem Motor ohne Getriebe ein kleineres Moment erzeugen muss, um dasselbe Drehmoment auf die Lenkwelle zu erreichen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass das Crash- Element in die Auszugeinrichtung und insbesondere in den dortigen Kraftfluss integrierbar ist. Durch eine solche, im Wesentlichen koaxiale, Anordnung des Crash-Elements zur Spindel ist es möglich, im Crash-Fall einen Kraftfluss zu erzielen, durch den nur geringe bis gar keine Querkräfte bzw. Biegemomente auf das Crash-Element wirken. Querkräfte bzw. Biegemomente auf das Crash-Element können ein Verkanten und/oder Verkippen des Crash-Elements verursachen, sowie eine Reibung erhöhen und/oder seitliche Biegungen in der Crash-Hülse bewirken. Da erfindungsgemäß nur sehr geringe oder gar keine Querkräfte bzw. Biegemomente auf das Crash-Element wirken, kann eine Auslegung des Crash- Elements vereinfacht werden, da die durch Querkräfte bzw. Biegemomente verursachten Nachteile wegfallen. Somit sind nur wenige bis gar keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, wodurch die Kosten für die Verstelleinheit reduziert werden können. Zusätzlich ist es möglich, diese Bauteile bei der Herstellung als Umform-Werkzeug-Elemente zu nutzen.
Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung des Crash-Elements, eine Aufprallenergie-Umwandlung in Form einer Absorption sowie eine Selbstzentrierung des Crash-Elements zur Spindelmutter, insbesondere bei Verkantungen und/oder Verkippungen und/oder Offset-Kräften. Gleichzeitig kann ein Spindeldrehmoment bei der Längenverstellung des Lenkelements über das Crash-Element abgestützt werden.
Außerdem kann die Spindel durch das Crash-Element (und die Spindelmutter) geführt und/oder gelagert werden. Dies kann insbesondere bei langen Spindeln, bspw. mit einer Länge ab etwa 100 mm oder mehr, vorteilhaft sein.
Mit anderen Worten kann man sagen, dass die erfindungsgemäße Verstelleinheit es ermöglicht, die meist aus ungünstigen Hebelarmen resultierenden Beigemomente, die auf das Crash-Element wirken zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Dadurch ist es möglich, auf weitere Bauteile, wie bspw. eine Crash-Element-Führung, -Anbindung, und/oder Umlenkung zu verzichten.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Innenkontur der unplastifizierten Hülse zumindest abschnittsweise Deformationsbereiche und Pufferbereiche auf, und die Außenkontur der Spindelmutter ist derart ausgebildet, dass sich die Außenkontur der Spindelmutter mit der Innenkontur der Hülse in dem Deformationsbereichen überschneidet, und insbesondere zu den Pufferbereichen beabstandet angeordnet ist. Im Crash-Fall drückt die Aufprallkraft das Crash-Element, also die Hülse, die auch als Crash-Hülse bezeichnet werden kann, im Wesentlichen symmetrisch über die im Wesentlichen ortsfeste, selbsthemmende Spindelmutter. Hierzu weist die Spindelmutter zumindest in den sich überschneidenden Bereichen an der Außenkontur ein härteres Material auf als die Crash-Hülse.
Durch die Überschneidung der Außenkontur der Spindelmutter und der Innenkontur der Hülse in den Deformationsbereichen wird die Crash-Hülse in diesen Bereichen durch die Spindelmutter plastifiziert, also umgeformt. Damit die Crash-Hülse durch die Plastifizierung nicht aufreißt, sind die Spindelmutter und die Crash-Hülse in den Pufferbereich zueinander beabstandet, sodass während der Plastifizierung der Crash-Hülse in den Deformationsbereichen, das dafür „fehlende“ Material durch die Pufferzonen ausgeglichen werden kann. Mit anderen Worten kann man sagen, dass sich durch die Plastifizierung der Crash-Hülse in den Deformationsbereichen im Wesentlichen die gesamte Innenkontur der Hülse verändert.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Spindelmutter eine konische und/oder ballige Außenkontur auf. Dadurch ist es möglich, dass sich die Crash-Hülse bei einer nicht symmetrisch in die Crash-Hülse eingeleiteten Aufprallkraft, wodurch zumindest geringe Querkräfte auf die Crash-Hülse wirken können, selbst zentriert. Dadurch kann ein Verkanten der Crash-Hülse an der Spindelmutter verhindert werden, und somit die Funktion des Crash- Elements, nämlich die Absorption der Aufprallenergie durch Plastifizierung, auch bei Quer- und/oder Offsetkräften sicherzustellen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Hülse an dem anderen axialen Ende flächig mit dem inneren Auszugelement gekoppelt. Dadurch wird eine symmetrische Krafteinleitung über die komplette an dem Auszugelement anliegenden Stirnfläche der Crash-Hülse gewährleistet. Durch die große Abstützfläche kann eine hohe Kippsteifigkeit erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Hülse eine rechteckartige Innenkontur mit abgerundeten Ecken auf und die Spindelmutter weist eine rechteckartige Außenkontur mit abgerundeten Ecken auf, wobei die abgerundeten Ecken der Innenkontur der Hülse einen größeren Radius aufweisen als die abgerundeten Ecken der Außenkontur der Spindelmutter. Durch die sich überschneidenden Radien wird der große Radius der Crash-Hülse durch den kleineren Radius der Spindelmutter plastifiziert, also umgeformt, sodass der Radius der Crash-Hülse nach der Plastifizierung im Wesentlichen dem Radius der Spindelmutter entspricht. Es sind jedoch auch andere Konturen und Konturpaarungen für die Crash-Hülse und die Spindelmutter denkbar. Insbesondere ist es möglich, die Konturen und/oder die Überdeckung (kleine oder große Überdeckung) der Konturen in den Deformationsbereichen in Abhängigkeit einer gewünschten Durchschiebekraft, und/oder der Aufprallkraft, zu wählen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung, und damit insbesondere das Crash-Element, innerhalb der Auszugeinrichtung, insbesondere innerhalb des Auszugträgers angeordnet. Diese Anordnung ist insbesondere durch das Wegfällen der teleskopartigen Lenkwelle bei den steer-by-wire Lenksystemen mit lenkelementnahem Force-Feedback- Aktuator möglich, da hierbei Bauraum innerhalb der Auszugeinrichtung „frei“ wird. Somit ist für die Verstelleinheit kein zusätzlicher Bauraum erforderlich und das Crash-Element ist in den im Crash-Fall auftretenden Kraftfluss integrierbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung, und damit insbesondere das Crash-Element, außerhalb der Auszugeinrichtung angeordnet, wobei das Crash-Element und die Spindel (und die Spindelmutter) koaxial angeordnet sind. Dabei ist das Crash- Element auch außerhalb der Auszugeinrichtung zwischen der Verstelleinrichtung und der Auszugeinrichtung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hülse aus einem Metall, insbesondere einem Blech, ausgebildet. Die aus einem Blechmaterial geformte Hülse ist kostengünstig, bspw. durch Stanzen und Umformen des Blechs, herstellbar. Darüber hinaus weist das Blechmaterial gute Plastifizierungseigenschaften auf. Ferner sind auch Hülsen aus Faserverbundwerkstoffen denkbar, welche im Vergleich zu Metall jedoch teurer sind. Gemäß einer Ausführungsform ist die Spindelmutter aus einem Metall ausgebildet, das zumindest abschnittsweise, insbesondere an einem Außenumfang, also der Außenkontur, weiter insbesondere an den Bereichen der Außenkontur, die sich mit der Innenkontur der Hülse überdecken, härter ist als das Material der Hülse. Dadurch ist sichergestellt, dass im Crash-Fall die Hülse durch die Spindelmutter plastifiziert wird, und nicht die Spindelmutter durch die Hülse eine Plastifizierung erfährt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Spindelmutter einen Hauptkörper aus einem Kunststoff und eine Ummantelung aus einem, insbesondere gehärteten, Metall auf. Die Ummantelung kann dabei aus einem Blechmaterial, das insbesondere tiefgezogen und gehärtet ist, ausgebildet sein. Somit ist die Ummantelung kostengünstig herstellbar, der Kunststoff-Hauptkörper der Spindelmutter ermöglicht es ein Geräuschverhalten der Verstelleinrichtung zu verbessern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein steer-by-wire Lenksystem, insbesondere ein steer-by-wire Lenksystem mit einem lenkelementnahen Force-Feedback-Aktuator, für ein Fahrzeug. Das Lenksystem weist eine (innere) Lenkwelle, ein Lenkelement und die vorstehend und nachfolgend beschriebene, insbesondere erfindungsgemäße, Verstelleinheit auf. Das Lenkelement ist axialfest und drehmomentübertragend mit der (inneren) Lenkwelle gekoppelt. Die (innere) Lenkwelle ist ferner innerhalb des Auszugträgers der Verstelleinheit angeordnet und axialfest mit dem inneren Auszugelement gekoppelt, und somit über bzw. mit dem inneren Auszugelement axial verschieblich gegenüber dem Auszugträger. Darüber hinaus ist die Lenkwelle relativ zum inneren Auszugelement drehbar.
Gemäß einer Ausführungsform weist das steer-by-wire Lenksystem ferner zumindest einen Force-Feedback-Aktuator auf, der lenkelementnah und drehmomentübertragend mit der (inneren) Lenkwelle gekoppelt ist. Unter dem Begriff „lenkelementnah“ ist hierin insbesondere eine Anordnung zwischen der Verstelleinheit und dem Lenkelement zu verstehen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das steer-by-wire Lenksystem ferner eine Höhenverstelleinheit zur Höhenverstellung des Lenkelements auf. Damit ist das Lenkelement sowohl in einer axialen Richtung als auch in eine Höhenrichtung für einen Fahrer individuell einstellbar.
Detailbeschreibung anhand Zeichnung Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines steer-by-wire Lenksystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Längsschnittansicht,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verstelleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Teilschnittansicht,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Verstelleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Verstelleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Crash-Elements und einer Spindelmutter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Schnittdarstellung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Crash-Elements und einer Spindelmutter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Explosionsansicht,
Fig. 7 schematische Darstellungen eines Crash-Elements und einer Spindelmutter gemäß zweiter Ausführungsformen der Erfindung in einer Längsschnittansicht,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Crash-Elements und einer Spindelmutter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Frontansicht,
Fig. 9 vergrößerte schematische Darstellungen der Detailausschnitte IXa und IXb aus Fig. 8,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Verstelleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht, Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Selbstzentrierungsfunktion eines Crash- Elements zu einer Spindelmutter,
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Feststellelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Positionierung des Crash-Elements auf der Spindelmutter,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Feststellelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Positionierung des Crash-Elements auf der Spindelmutter,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Feststellelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Positionierung des Crash-Elements auf der Spindelmutter,
Fig. 15 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Innenkonturänderung eines Crash-Elements durch Plastifizierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 16 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Innenkonturänderung eines Crash-Elements durch Plastifizierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Spindelmutter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch und beispielhaft ein steer-by-wire Lenksystem 1 für ein Fahrzeug in einer perspektivischen Schnittansicht. Das steer-by-wire Lenksystem 1 weist eine Verstelleinheit 2 (siehe auch Fig. 2) zur axialen Längenverstellung bzw. -einstellung einer eines Lenkelements, z.B., ein Lenkrad (nicht dargestellt), und eine Höhenverstelleinheit 3 zur Höhenverstellung des Lenkelements. Die Längsverstellung des Lenkelements wird insbesondere durch eine axiale Verschiebung einer mit dem Lenkelement drehmomentübertragend koppelbaren Lenkwelle 4 realisiert. Ferner weist das Lenksystem 1 einen Force-Feedback-Aktuator 5 auf, der drehmomentübertragend mit der Lenkwelle 4 gekoppelt ist und lenkelementnah an der Lenkwelle 4 angeordnet ist. Der Force-Feedback- Aktuator 5 kann einen Motor oder einen Motor in Kombination mit einem Getriebe (hier beispielhaft gezeigt) umfassen.
Die Verstelleinheit 2 (siehe auch Fig. 2 bis 4) weist eine Verstelleinrichtung 6 und eine Auszugeinrichtung 7 auf. Die Verstelleinrichtung 6 weist einen Verstellmotor 8, eine Spindel 9 und eine Spindelmutter 10 auf, wobei der Verstellmotor 8 drehmomentübertragend mit der Spindel 9 gekoppelt ist. Die Spindelmutter 10 ist derart auf der Spindel 9 angeordnet, dass eine Rotation der Spindel 9 (durch den Verstellmotor 8) eine axiale Verschiebung der Spindelmutter 10 entlang der Spindel 9 bewirkt. Die Verstelleinrichtung 6, insbesondere der Verstellmotor 8, ist ortsfest in der Auszugeinrichtung 7 angeordnet.
Die Auszugeinrichtung 7 weist einen Auszugträger 11 und ein inneres Auszugelement 12 auf. Der Auszugträger 11 ist axialfest und um eine Schwenkachse schwenkbar an einer Karosserie des Fahrzeugs anbringbar, und das innere Auszugelement 12 ist in dem Auszugträger 11, axial verschieblich zu diesem angeordnet. Ferner ist das innere Auszugelement 12 axialfest mit der Lenkwelle 4 gekoppelt, sodass die Lenkwelle 4 über das innere Auszugelement 12 von der Verstelleinrichtung 6 axial verschoben werden kann.
Ferner weist die Verstelleinheit 2 ein Crash-Element 13 auf, das als eine Crash-Hülse 13 ausgebildet ist und koaxial zur Spindel 9, die Spindel 9 umgebend zwischen dem Verstellmotor 8 und dem inneren Auszugelement 12 angeordnet ist. Ein axiales Ende der Hülse 13 ist auf der Spindelmutter 10 angeordnet und über zumindest ein, hier zwei, Feststellelemente 14 axialfest mit dieser gekoppelt (siehe auch Fig. 5 und 6). Ein anderes axiales Ende der Hülse 13 ist mit dem inneren Auszugelement 12 gekoppelt. Somit bewirkt eine Rotation der Spindel 9, die eine axiale Verschiebung der Spindelmutter 10, und somit auch der mit der Spindelmutter 10 axialfest gekoppelten Hülse 13 entlang der Spindel 10 und dadurch eine axiale Verschiebung des inneren Auszugelements 12. Darüber hinaus ermöglicht die koaxiale Anordnung der Hülse 13 zur Spindel 9, das Crash-Element 13 in den Kraftfluss der Verstelleinrichtung 6 zu integrieren und somit, insbesondere in einem Crash- Fall, auf die Hülse 13 wirkende Quer- und/oder Offsetkräfte zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
Das bzw. die Feststellelemente 14 sind dazu eingerichtet, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Kraft, die insbesondere eine vorbestimmte Aufprallkraft in einem Crash- Fall ist, die axiale Kopplung zwischen der Spindelmutter 10 und der Hülse 13 zu lösen, sodass eine relative axiale Verschiebung zwischen der Hülse 13 und der Spindelmutter 10 möglich ist. Da die Spindelmutter 10 eine selbsthemmende Wirkung aufweist, kann die Spindelmutter 10 im Falle eines Crashs als ortsfest betrachtet werden, sodass sich die Hülse 13 relativ zur Spindelmutter 10 axial verschiebt. Darüber hinaus ermöglicht die flächige Anbindung der Hülse 13 an das innere Auszugelement 12 sowohl über die Stirnseite der Hülse 13 als auch über die Befestigungslaschen eine symmetrische Einleitung der Aufprallkraft über die gesamte, an dem inneren Auszugelement 12 anliegenden Stirnfläche der Hülse 13. Durch die große Abstützfläche kann eine hohe Kippsteifigkeit erreicht werden.
Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, sind eine Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 und eine Innenkontur 16 der Hülse 13 zumindest abschnittsweise derart ausgebildet sind, sich die Außenkontur 15 und die Innenkontur 16 zumindest teilweise überschneiden. Genauer gesagt weist die Innenkontur 16 der Hülse 13 Deformationsbereiche 17, die hier beispielhaft in den mit Radien versehenen Ecken der Hülse angeordnet sind, und Pufferbereiche 18 auf, die zwischen den Deformationsbereiche 17, hier beispielhaft als gerade Abschnitt der Innenkontur 16 der Hülse 13 ausgebildet sind. Die Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 und die Innenkontur 16 der Hülse 13 überschneiden sich in den Deformationsbereichen 17 (siehe Detailansichten in Fig. 9), wobei die Spindelmutter 10 hier beispielhaft ebenfalls im Wesentlichen viereckig und mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist, wobei die Radien der Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 kleiner sind als die Radien der Innenkontur 16 der Hülse 13. In den Pufferbereichen 18 ist die Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 mit einem Abstand zu beabstandet zur Innenkontur 16 der Hülse 13 angeordnet.
Durch die Überschneidung der Konturen 15, 16 in den Deformationsbereichen 17 wird die Hülse 13 in einem Crash-Fall durch die axiale Verschiebung relativ zur Spindelmutter 10 in den Deformationsbereichen 17 plastifiziert bzw. umgeformt. Das bedeutet, dass die Innenkontur 16 in den Deformationsbereiche 17 sozusagen an die Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 angepasst wird. Ein dafür ggf. erforderliches Material kommt aus den Pufferbereichen 18. Man kann also auch sagen, dass die Pufferbereiche 18 dazu eingerichtet sind, zu verhindern, dass die Hülse 13 aufgrund der Plastifizierung in den Deformationsbereichen 17 reißt.
Wie in Fig. 7 (a) und (b) angedeutet ist die Spindelmutter 10 insbesondere eine konisch (siehe Fig. 7(a)) und/oder ballig (siehe Fig. 7(b)) ausgebildet, um ein Verkanten der Hülse 13 an einem vorderen axialen Ende 19 der Spindelmutter 10 zu verhindern und/oder eine axiale Verschiebung der Hülse 13 relativ zur Spindelmutter 10 zu vereinfachen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Aufprallkraft (hier beispielhaft als Kraftpfeil F dargestellt), aus welchen Gründen auch immer, mal nicht symmetrisch in das Crash-Element 13 eingeleitet wird (siehe Fig. 10). Die konische und/oder ballige Ausführung der Spindelmutter 10 ermöglicht eines Selbstzentrierung der Hülse 13 zur Spindelmutter 10.
Wie in Fig. 11 gezeigt, „zieht“ die Spindel 9, dadurch, dass ein Schwerpunkt SP der Gewindepaarung zwischen der Spindel 9 und der Spindelmutter 10 vor den rückstellenden Kräften Fi und F2 liegt, die Spindelmutter 10 durch die Hülse 13. Durch das größere Rückstellmoment von F2 (größerer Hebelarm Z2), richtet sich die Spindelmutter 10 mit der Spindel 9 in die Kraftrichtung von F aus und bewirkt somit eine Selbstzentrierung.
Fig. 12 bis 14 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Feststellelements 14. In Fig. 12 ist das Feststellelement 14 als ein Scherstift 20 ausgebildet, wobei insbesondere zwei Scherstifte 20 an sich gegenüberliegend angeordneten Flächen angeordnet sind. Die Scherstifte 20 können aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet sein, wobei ein aus der Aufprallkraft resultierendes Losbrechmoment für die Scherstifte sowohl durch das Material als auch einen Durchmesser der Scherstifte 20 festgelegt werden kann.
In Fig. 13 ist das Feststellelement 14 als eine umlaufende Nut 21 ausgebildet. Das gewünschte bzw. erforderliche Losbrechmoment kann über die Form und Tiefe der Nut 21 definiert werden. Ferner ist es auch denkbar mehrere Nuten vorzusehen, die sich entlang des Umfangs der Hülse 13 abschnittsweise erstrecken. Die Nut 21 ermöglicht es, das Umformen (Ausbilden der Nut 21), das Fügen und den Zusammenbau von Spindelmutter 10 und Hülse 13 in einem Fertigungsschritt umzusetzen, indem bspw. die Spindelmutter 10 als ein Gegenwerkzeug beim Verpressen und Einbringen der Nut 21 in die Hülse 13 genutzt wird. Alternativ ist es auch denkbar statt abschnittsweise ausgeführter Nuten, ein oder mehrere „einfache“ Eindellungen vorzusehen, die entlang des Umfangs angeordnet sind.
In Fig. 14 ist das Feststellelement 14 auf zwei Bereiche aufgeteilt: zum einen weist die Hülse 13 an einem axialen Ende nach innen vorstehende Laschen 22 auf, die ein selbstständiges axiales Verschieben in die eine axiale Richtung verhindern. Zum anderen ist die Spindelmutter 10 in zumindest einem Abschnitt 23 konisch ausgeführt, wodurch ein selbstständiges axiales Verschieben in die andere axiale Richtung verhindert. Zusätzlich oder alternativ, kann der konische Abschnitt 23 der Spindelmutter 10 mittels Formschluss als Feststellelement 14 dienen.
Allgemein sind die Feststellelemente 14 insbesondere in den Bereichen der Hülse 13 angeordnet, in denen keine Plastifizierung stattfindet. Zum Beispiel, wenn bei einer rechteckigen Hülse 13 mit abgerundeten Ecken die Plastifizierung in den Eckbereichen stattfindet, sind die Feststellelemente 14 insbesondere in den geraden bzw. ebenen Abschnitten zwischen den Eckbereichen angeordnet.
Fig. 15 und 16 zeigen beispielhafte Kombinationen der Innenkontur 16 der Hülse 13 und der Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 und eine aus der Plastifizierung der Hülse 13 durch die Spindelmutter 10 resultierende Innenkontur 16‘.
In Fig. 15 sind sowohl die Außenkontur 15 der Spindelmutter 10 als auch die Innenkontur 16 der Hülse 13 als abgerundete Rechtecke ausgeführt, wobei sich die Konturen im Bereich der abgerundeten Ecken überschneiden, die somit die Deformationsbereiche 17 bilden (siehe Fig. 15(a)). Fig. 15(b) zeigt die Innenkontur 16‘ der Hülse 13 nach der Plastifizierung: die Radien in den Deformationsbereichen 17 der Innenkontur 16‘ sind kleiner als die Radien der Innenkontur 16, wobei die Pufferbereiche 18, also die geraden bzw. ebenen Bereiche zwischen den Deformationsbereichen 17 bei der Innenkontur 16‘ etwas länger sind als die der Innenkontur 16.
In Fig. 16 weist die Hülse 13 beispielhaft eine dreieckige Innenkontur 16 auf und die Spindelmutter 10 besitzt eine im Wesentlichen kreisförmige Außenkontur 15, wobei sich die Außenkontur 15 und die Innenkontur 16 hierbei nicht in den Ecken der dreieckförmigen Innenkontur 16, sondern an den geraden bzw. ebenen Abschnitten zwischen den Ecken überlappen (siehe Fig. 16(a)). Dadurch weist die Innenkontur 16‘ nach der Plastifizierung leichter „Ausbauchungen“ im Bereich der vormals ebenen Abschnitte auf (siehe Fig. 16(b)).
Fig. 17 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Spindelmutter 10, die einen aus Kunststoff ausgebildeten Hauptkörper 24 und eine aus Blech ausgebildete Ummantelung 25 aufweist. Das Blech der Ummantelung 15 ist insbesondere tiefgezogen und gehärtet, um die Plastifizierung der Hülse 13 bewirken zu können. Der aus Kunststoff ausgebildete Hauptkörper 24 ermöglicht es, das Geräuschverhalten der Verstelleinrichtung 6 zu verbessern. Bezuqszeichenliste
1 steer-by-wire Lenksystem Verstelleinheit Höhenverstelleinheit (innere) Lenkwelle Force-Feedback-Aktuator Verstelleinrichtung Auszugeinrichtung Verstellmotor Spindel
10 Spindelmutter
11 Auszugträger
12 inneres Auszugelement
13 Crash-Element/Hülse
14 Feststellelement
15 Außenkontur
16 Innenkontur
16‘ Innenkontur
17 Deformationsbereich
18 Pufferbereich
19 axiales Ende
20 Scherstift
21 Nut
22 Lasche
23 Abschnitt
24 Hauptkörper
25 Ummantelung
F Aufprall kraft
Fi, F2 Rückstellkraft zi, Z2 Hebelarm u Abstand
SP Schwerpunkt

Claims

Ansprüche
1. Verstelleinheit (2) für ein Lenksystem (1) eines Fahrzeugs, aufweisend: eine Verstelleinrichtung (6), die einen Verstellmotor (8), eine Spindel (9) und eine Spindelmutter (10) aufweist, wobei der Verstellmotor (8) drehmomentübertragend mit der Spindel (9) gekoppelt ist, und die Spindelmutter (10) derart auf der Spindel (9) angeordnet ist, dass eine Rotation der Spindel (9) eine axiale Verschiebung der Spindelmutter (10) entlang der Spindel (9) bewirkt, eine Auszugeinrichtung (7), die einen Auszugträger (11), der dazu eingerichtet ist, axialfest an einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet zu sein, und zumindest ein inneres Auszugelement (12) aufweist, das in dem Auszugträger (11) axial verschieblich angeordnet ist, wobei das innere Auszugelement (12) dazu eingerichtet ist, axialfest mit einer Lenkwelle (4) gekoppelt zu sein, ein Crash-Element (13), das als eine Hülse (13) ausgebildet ist, die sich zwischen der Spindelmutter (10) und dem inneren Auszugselement (11) koaxial zur Spindel (9) erstreckt, wobei ein axiales Ende der Hülse (13) auf der Spindelmutter (10) angeordnet ist und über zumindest ein Feststellelement (14) axialfest mit der Spindelmutter (10) gekoppelt ist, wobei sich das Feststellelement (14) bei einer vorbestimmten Aufprallkraft (F) löst und sich die Hülse (13) relativ zur Spindelmutter (10) axial verschiebt, wobei eine Außenkontur (15) der Spindelmutter (10) und eine Innenkontur (16) der Hülse (13) zumindest abschnittsweise derart ausgebildet sind, dass die Hülse (13) durch die axiale Verschiebung relativ zur Spindelmutter (10) plastifiziert wird.
2. Verstelleinheit (2) nach Anspruch 1, wobei die Innenkontur (16) der unplastifizierten Hülse (13) zumindest abschnittsweise Deformationsbereiche (17) und Pufferbereiche (18) aufweist und die Außenkontur (15) der Spindelmutter (10) derart ausgebildet ist, dass sich die Außenkontur (15) der Spindelmutter (10) mit der Innenkontur (16) der Hülse (13) in den Deformationsbereichen (17) überschneidet.
3. Verstelleinheit (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spindelmutter (10) eine konische und/oder ballige Außenkontur (15) aufweist.
4. Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hülse (13) an dem anderen axialen Ende flächig mit dem inneren Auszugelement (12) gekoppelt ist.
5. Verstelleinheit (2) nach einem de Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hülse (13) eine rechteckartige Innenkontur (16) mit abgerundeten Ecken aufweist und die Spindelmutter (10) eine rechteckartige Außenkontur (15) mit abgerundeten Ecken aufweist, wobei die abgerundeten Ecken der Innenkontur (16) der Hülse (13) einen größeren Radius aufweisen als die abgerundeten Ecken der Außenkontur (15) der Spindelmutter (10).
6. Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verstelleinrichtung (6) innerhalb der Auszugeinrichtung (7) angeordnet ist.
7. Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hülse (13) aus einem Metall, insbesondere Blech, ausgebildet ist.
8. Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spindelmutter (10) aus einem Metall ausgebildet ist, das zumindest abschnittsweise härter ist als ein Material der Hülse (13).
9. Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spindelmutter (10) einen Hauptkörper (24) aus einem Kunststoff und eine Ummantelung (25) aus einem Metall aufweist.
10. Steer-by-wire Lenksystem (1) für ein Fahrzeug, aufweisend: eine Lenkwelle (4), ein Lenkelement, das axialfest und drehmomentübertragend mit der Lenkwelle (4) gekoppelt ist, und eine Verstelleinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lenkwelle (4) innerhalb des Auszugträgers (11) angeordnet ist, und axialfest mit dem inneren Auszugelement (12) gekoppelt ist.
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DE102022128651 2022-10-28
DE102022128651.7 2022-10-28
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DE102023105450.3A DE102023105450A1 (de) 2022-10-28 2023-03-06 Verstelleinheit einer Lenksäule

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080079253A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Nsk Ltd. Telescopic adjusting electric power steering apparatus
JP2009132358A (ja) * 2007-10-31 2009-06-18 Nsk Ltd ステアリング装置
US20200317251A1 (en) * 2017-12-20 2020-10-08 Thyssenkrupp Presta Ag Motor-adjustable steering column for a motor vehicle

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