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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungsvorrichtung
für ein
Lenksystem eines Fahrzeugs mit einem Überlagerungsgetriebe, das einen
mit einer ansteuerbaren Stelleinrichtung verbundenen ersten Getriebeeingang,
einen zur Verbindung mit dem Lenkrad des Lenksystems vorgesehenen
zweiten Getriebeeingang und einen zur Verbindung mit einem Lenkgetriebe
des Lenksystems vorgesehenen Getriebeausgang aufweist.
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Eine
derartige Überlagerungsvorrichtung geht
beispielsweise aus der
DE
100 00 219 A1 hervor. Das Überlagerungsgetriebe ist dort
als zweistufiges, modifiziertes Planetengetriebe ausgeführt, das einen
oder mehrere Stufenplaneten aufweist, die jeweils mit den zwei Sonnenrädern des
Planetengetriebes in Eingriff stehen. Das eine Sonnenrad ist mit
der Eingangswelle und das andere Sonnenrad mit der Ausgangswelle
des Überlagerungsgetriebes
verbunden. Den weiteren Getriebeeingang stellt das Getriebegehäuse dar,
das über
eine weitere Schneckengetriebestufe durch die Stelleinrichtung angetrieben werden
kann.
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Ausgehend
von dieser bekannten Überlagerungsvorrichtung
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konstruktiv
einfach gestaltete Überlagerungsvorrichtung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Überlagerungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei ist das Überlagerungsgetriebe
als einstufiges Schneckenradgetriebe mit einer Schneckenwelle und
einem durch die Schneckenwelle antreibbaren Schneckenrad ausgeführt. Mithin weist
das Überlagerungsgetriebe
lediglich eine einzige Getriebestufe auf, so dass ein sehr einfacher
Aufbau des Überlagerungsgetriebes
erreicht ist. Dadurch, dass diese Getriebestufe als Schneckenradgetriebe
ausgeführt
ist, ist zudem ein geräuscharmer Betrieb
des Überlagerungsgetriebes
möglich.
Ferner kann durch die Selbsthemmung des Schneckenradgetriebes die
Betriebssicherheit beim Betrieb der Überlagerungsvorrichtung in
einem Lenksystem eines Fahrzeugs verbessert werden. Durch die Selbsthemmung
des Schneckenradgetriebes können
Drehbewegungen zwischen dem Lenkrad des Lenksystems einerseits und
dem Lenkgetriebe des Lenksystems andererseits betriebssicher übertragen
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Überlagerungsvorrichtung ergeben
sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Vorteilhafterweise
ist der erste Getriebeeingang von der Schneckenwelle gebildet. Dabei
erfolgt die Drehung der Schneckenwelle durch die Ansteuerung der
Stelleinrichtung, so dass die Schneckenwelle zum Antreiben des Schneckenrades
auf einfache Weise mit der erforderlichen bzw. gewünschten Drehzahl
angetrieben werden kann.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn die Verzahnungen der Schneckenwelle
und des Schneckenrades an einer Eingriffsstelle ineinander greifen
und wenn eine Vorspanneinrichtung vorgesehen ist, die eine radial
zur Drehachse der Schneckenwelle und in Radialrichtung des Schneckenrades
gerichtete Vorspannkraft erzeugt, so dass die Schneckenwelle und das
Schneckenrad an der Eingriffsstelle unter der Vorspannkraft aneinander anliegen.
Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen spielfreier Eingriff zwischen der
Verzahnung der Schneckenwelle und der Verzahnung des Schneckenrades
gewährleistet,
wodurch eine weitere Reduzierung der Betriebsgeräusche des Überlagerungsgetriebes erzielt
wird.
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Bei
dieser Ausgestaltung kann die Schneckenwelle im Bereich ihres einen,
ersten Schneckenwellenendes schwenkbar gegenüber dem Schneckenrad gelagert
sein und im Bereich ihres anderen, zweiten Schneckenwellenendes
durch ein die Vorspannkraft bewirkendes Vorspannteil der Vorspanneinrichtung
zum Schneckenrad hin gezogen oder gedrückt werden. Dies stellt eine
sehr einfache Möglichkeit
dar, die Schneckenwelle und das Schneckenrad im Bereich der Eingriffsstelle
unter der Vorspannkraft aneinander anzulegen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Stelleinrichtung an einem Lagerteil des Überlagerungsgetriebes angeordnet.
Dabei kann das erste Schneckenwellenende der Schneckenwelle drehfest
mit der Stelleinrichtung verbunden sein und die Stelleinrichtung schwenkbar
am Lagerteil gelagert sein, so dass die Schwenklagerung der Schneckenwelle
im Bereich ihres ersten Schneckenwellenendes auf einfache Weise
mittelbar über
die Schwenklagerung der Stelleinrichtung am Lagerteil erfolgt.
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Dadurch,
dass das Lagerteil Bestandteil des Getriebegehäuses des Überlagerungsgetriebes ist oder
das Getriebegehäuse
bildet, ergibt sich ein kompakter und einfacher Aufbau des Überlagerungsgetriebes.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante weist
das Überlagerungsgetriebe
eine erste Welle auf, die drehfest mit dem Lagerteil verbunden ist.
Insbesondere läuft
die Stelleinrichtung bei einer Drehung der ersten Welle um ihre
Drehachse auf einer kreisförmigen
Bahn um die Drehachse der ersten Welle um. Zusammen mit der Stelleinrichtung
bewegt sich auch die Schneckenwelle auf einer Kreisbahn um die Drehachse
der ersten Welle, wodurch das mit der Schneckenwelle an der Eingriffsstelle
in Eingriff stehende Schneckenrad gedreht wird. Das Schneckenrad
und die Schneckenwelle laufen mithin bei der Drehung der ersten
Welle im Block um. Auf diese Weise ist eine betriebssichere Kopplung
zwischen der ersten Welle und dem Schneckenrad erreicht.
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Zur
Versorgung der Stelleinrichtung mit elektrischer Energie können ein
auf- und abwickelbares Kabel oder Schleifkontakte vorgesehen sein.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn das Überlagerungsgetriebe eine zweite
Welle aufweist, die drehfest mit dem Schneckenrad verbunden ist.
Diese zweite Welle stellt mithin eine weitere Getriebewelle des Überlagerungsgetriebes
dar.
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Dabei
besteht die Möglichkeit,
dass die erste Welle den zweiten Getriebeeingang und die zweite Welle
den Getriebeausgang bildet oder dass die erste Welle den Getriebeausgang
und die zweite Welle den zweiten Getriebeeingang bildet. Das erfindungsgemäße Überlagerungsgetriebe
bietet daher eine hohe Flexibilität bei der Verwendung bzw. beim
Einbau in ein Lenksystem eines Fahrzeugs.
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Insbesondere
ist die zweite Welle dabei gegenüber
der ersten Welle verdrehbar gelagert. Die drehbare Lagerung der
zweiten Welle kann beispielsweise am Lagerteil bzw. am Getriebegehäuse erfolgen.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die erste Welle und die zweite Welle dieselbe
Drehachse aufweisen, wodurch sich der Einbau des Überlagerungsgetriebes
im Bereich der Lenksäule
eines Lenksystems zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe vereinfacht.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Überlagerungsvorrichtung anhand
der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische, blockschaltbildähnliche
Darstellung eines Lenksystems mit einer Überlagerungsvorrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Überlagerungsvorrichtung in
einem Schnitt in Radialrichtung entlang der Drehachse einer ersten
bzw. zweiten Welle des Überlagerungsgetriebes,
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3 das
Ausführungsbeispiel
der Überlagerungsvorrichtung
aus 2 in einer perspektivischen, teilgeschnittenen
Darstellung und
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform der Überlagerungsvorrichtung
in einer schematischen Seitenansicht.
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In 1 ist
ein Lenksystem 5 mit einer Überlagerungsvorrichtung 6 eines
nicht näher
darstellten Fahrzeugs gezeigt. Die Überlagerungsvorrichtung 6 weist
ein Überlagerungsgetriebe 7 und
einen ansteuerbaren, eine Stelleinrichtung bildenden Elektromotor 8 auf,
der mit einem ersten Getriebeeingang 10 des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden
ist.
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Ein
Lenkrad 13 des Lenksystems 5 ist über eine
Lenksäule
bzw. Lenkradwelle 14 mit einem zweiten Getriebeeingang 15 des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden.
Das Überlagerungsgetriebe 7 überlagert
die Drehbewegung des Elektromotors 8 am ersten Getriebeeingang 10 und
die Drehbewegung der Lenksäule
bzw. Lenkradwelle 14 am zweiten Getriebeeingang 15 zu
einer überlagerten
Drehbewegung an einem Getriebeausgang 16, der über eine
Ausgangswelle 17 mit einem Lenkgetriebe 18 des
Lenksystems 5 verbunden ist. Das Lenkgetriebe 18 lenkt
die lenkbaren Fahrzeugräder 19 zur
Einstellung eines Lenkwinkels in Abhängigkeit von der durch die
Ausgangswelle 17 an das Lenkgetriebe 18 übermittelten überlagerten
Drehbewegung aus. Somit kann an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 durch die
Drehung des Lenkrades 13 und/oder durch den Betrieb des
Elektromotors 8 ein Lenkwinkel eingestellt werden.
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Das
Lenksystem 5 weist ferner einen Lenkwinkelsensor 20 auf,
der eine mit dem Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 korrelierende Lenkwinkelgröße a erfasst
und an eine Steuereinheit 21 übermittelt. Als Lenkwinkelgröße a kommt
beispielsweise die Position einer nicht näher darstellten Zahnstange
des Lenkgetriebes 18 in Betracht. Es versteht sich, dass
der Lenkwinkel auch direkt gemessen werden kann. Über die
Steuereinheit 21 kann die Überlagerungsvorrichtung 6 und
insbesondere der Elektromotor 8 der Überlagerungsvorrichtung 6 angesteuert
werden, um einen gewünschten Lenkwinkel
einzustellen. Dadurch, dass die Lenkwinkelgröße a erfasst wird, kann über die
Steuereinheit 21 eine Lenkwinkelregelung realisiert werden.
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Das Überlagerungsgetriebe 7 ist
als 3-Wellen-Planetengetriebe ausgebildet. Die erste Getriebewelle
des Planetengetriebes ist vom ersten Getriebeeingang 10,
die zweite Getriebewelle vom zweiten Getriebeeingang 15 und
die dritte Getriebewelle vom Getriebeausgang 16 gebildet.
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Die Überlagerungsvorrichtung 6 enthält eine Verriegelungsvorrichtung 23,
die in ihrem Verriegelungszustand zwei der drei Getriebewellen 10, 15, 16 derart
miteinander zwangskoppelt, dass die Übertragung einer Drehbewegung
zwischen diesen beiden zwangsgekoppelten Getriebewellen sichergestellt
ist. Beispielsgemäß ist vorgesehen,
dass durch die im Verriegelungszustand befindliche Verriegelungsvorrichtung 23 zwei
der drei Getriebewellen, beispielsweise den Getriebeausgang 16 und
den zweiten Getriebeeingang 15, direkt miteinander verbindet
und so die Zwangskopplung zwischen diesen beiden Getriebewellen
herstellt. Diese Möglichkeit
ist in 1 punktiert dargestellt. Es könnten auch zwei andere der
drei Getriebewellen 10, 15, 16 miteinander zwangsgekoppelt
werden.
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Befindet
sich die Verriegelungsvorrichtung 23 in ihrem Freigabezustand,
sind die drei Getriebewellen 10, 15, 16 in
ihren Drehbewegungen freigegeben, wobei sie durch die Verriegelungsvorrichtung 23 nicht
eingeschränkt
werden.
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Ein
solches Lenksystem 5 mit Überlagerungsvorrichtung 6 kann
den Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 unabhängig von
der Stellung des Lenkrades 13 durch den Betrieb des Elektromotors 8 variieren.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
fahrerunabhängige
Lenkreingriffe durchzuführen.
Beispielsweise ist es möglich,
den Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 zur Stabilisierung
des Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen zu verändern. Mittels
der Überlagerungsvorrichtung 6 kann
ferner die Lenkübersetzung
zwischen Lenkradwinkel am Lenkrad 13 und Lenkwinkel an
den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 parameterabhängig und
insbesondere abhängig
von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
eingestellt werden.
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In
den 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel
der Überlagerungsvorrichtung 6 mit
einem Überlagerungsgetriebe 7 dargestellt.
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Das Überlagerungsgetriebe 7 weist
eine um eine Drehachse 30 drehbar angeordnete erste Welle 31 auf,
die entweder den zweiten Getriebeeingang 15 oder den Getriebeausgang 16 bilden
kann und beispielsgemäß den zweiten
Getriebeeingang 15 darstellt und zur Verbindung mit der
Lenksäule
bzw. Lenkradwelle 14 dient. Die erste Welle 31 ist
drehfest mit einem Getriebegehäuse 32 des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden.
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Eine
zweite Welle 33 des Überlagerungsgetriebes 7 ist
am Getriebegehäuse 32 relativ
zum Getriebegehäuse 32 und
relativ zur ersten Welle 31 drehbar gelagert. Die zweite
Welle 33 kann wie auch die erste Welle 31 sowohl
entweder als zweiter Getriebeeingang 15 oder als Getriebeausgang 16 dienen,
wobei die zweite Welle 33 beispielsgemäß den Getriebeausgang 16 darstellt.
Die Drehachse der zweiten Welle 33 fällt mit der Drehachse der ersten Welle 31 zusammen,
so dass sowohl die erste Welle 31 als auch die zweite Welle 33 um
die Drehachse 30 drehbar sind. Der der ersten Welle 31 zugeordnete innere
Endabschnitt 35 der zweiten Welle 33 ragt in einen
hohlzylindrisch ausgestalteten Abschnitt 36 des Getriebegehäuses 32 hinein
und ist dort über
ein erstes Lager 37 drehbar am hohlzylindrischen Abschnitt 36 des
Getriebegehäuses 32 gelagert.
Der dem inneren Endabschnitt 35 entgegengesetzte äußere Endabschnitt 38 der
zweiten Welle 33 durchsetzt das Getriebegehäuse 32 durch
eine Öffnung 39,
wobei er im Bereich der Öffnung 39 mit
Hilfe eines zweiten Lagers 40 drehbar am Getriebegehäuse 32 gelagert
ist.
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Zwischen
dem inneren Endabschnitt 35 und dem äußeren Endabschnitt 38 sitzt
ein Schneckenrad 45 drehfest auf der zweiten Welle 33.
Das Schneckenrad 45 kann somit zusammen mit der zweiten Welle 33 relativ
zum Getriebegehäuse 32 und
relativ zur ersten Welle 31 um die Drehachse 30 rotieren.
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Im
Umfangsbereich weist das Schneckenrad 45 eine Schneckenradverzahnung 46 auf,
in die eine Schraubenverzahnung 47 einer Schneckenwelle 48 an
einer Eingriffsstelle 49 eingreift. Die Schneckenwelle 48 erstreckt
sich dabei in etwa tangential zum Schneckenrad 45.
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Die
vom Elektromotor 8 gebildete Stelleinrichtung dient dazu,
die Schneckenwelle 48 anzutreiben. Hierfür ist das
eine, erste Schneckenwellenende 60 drehfest mit dem Rotor
des Elektromotors 8 verbunden, während das andere, freie, zweite
Schneckenwellenende 61 drehbar an einem Lagerteil 50 gelagert
ist. Bei einer Rotation der Schneckenwelle 48 dreht sich
das Schneckenrad 45 um die Drehachse 30 und damit
erfolgt auch eine Rotation der zweiten Welle 33 um die
Drehachse 30. Die Schneckenwelle 48 stellt den
ersten Getriebeeingang 10 des Überlagerungsgetriebes 7 dar.
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Sowohl
die Schneckenwelle 48 als auch der Elektromotor 8 sind
am Lagerteil 50 des Überlagerungsgetriebes 7 angeordnet.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Lagerteil 50 Bestandteil des Getriebegehäuses 32.
Mithin ist die erste Welle 31 drehfest mit dem Lagerteil 50 verbunden.
Bei einer Drehung der ersten Welle 31 um die Drehachse 30 bewegen
sich der Elektromotor 8, die Schneckenwelle 48 und
das Lagerteil 50 auf einer jeweiligen Kreisbahn um die
Drehachse 30 herum.
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Um
die Versorgung des Elektromotors 8 mit elektrischer Energie
sicherzustellen, ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ein um die Drehachse 30 auf-
und abwickelbares Kabel 55 vorgesehen, dessen äußeres Ende
mit dem Elektromotor 8 elekt risch verbunden ist, wie dies
in 3 durch den Pfeil P schematisch dargestellt ist.
Das innere Ende des Kabels 55 steht mit einer nicht näher dargestellten Spannungs-
oder Stromquelle in Verbindung. Das Kabel 55 ist 4-polig
ausgeführt,
so dass sowohl der Stator als auch der Rotor des Elektromotors 8 mit
der jeweils notwendigen Spannung bzw. mit dem jeweils notwendigen
Strom betrieben werden kann.
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Das
Kabel 55 ist bei der hier dargestellten Ausführungsvariante
in seiner Ausgangslage spiralförmig
um die erste Welle 31 herum aufgewickelt und kann sich ausgehend
von dieser Ausgangslage bei der Bewegung des Elektromotors 8 auf
einer Kreisbahn um die Drehachse 30 abwickeln und bei einer entsprechend
entgegen gesetzten Zurückbewegung des
Elektromotors 8 wieder aufwickeln. Das Kabel 55 kann
sich in einem nicht näher
dargestellten Kabelgehäuse
befinden, durch das das äußere Ende
des Kabels 55 zur Verbindung mit dem Elektromotor 8 herausragt.
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Alternativ
zur Spannungs- bzw. Stromversorgung des Elektromotors 8 über ein
Kabel 55, könnte auch
eine Schleifkontaktanordnung vorgesehen sein. Diese Schleifkontaktanordnung
könnte
Kontaktringe 56 aufweisen, die jeweils einem Schleifkontakt 57 am Elektromotor 8 zugeordnet
sind, wobei der jeweilige Schleifkontakt 57 bei einer Umlaufbewegung
des Elektromotors 8 um die Drehachse 30 am zugeordneten
Kontaktring entlang schleift, so dass auch hierdurch bei einer Umlaufbewegung
des Elektromotors 8 um die Drehachse 30 stets
ein elektrischer Kontakt gewährleistet
wäre. Analog
zum Kabel 55 müsste auch
die Schleifkontaktanordnung 4-polig ausgeführt sein.
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Das Überlagerungsgetriebe 7 ist
als einstufiges Schneckenradgetriebe ausgeführt. Bei einer Drehung des
Lenkrades 13 des Lenksystems 5 dreht sich die
erste Welle 31 um die Drehachse 30. Zusammen mit
der ersten Welle 31 bewegen sich das Lagerteil 50,
der Elektromotor 8 und die Schneckenwelle 48 auf
einer jeweiligen Kreisbahn um die Drehachse 30. Dadurch,
dass die Schneckenwelle 48 an der Eingriffsstelle 49 mit
dem Schneckenrad 45 in Eingriff steht, drehen sich auch
das Schneckenrad 45 und die zweite Welle 33 um
die Drehachse 30. Das Überlagerungsgetriebe 7 läuft somit
sozusagen im Block um. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung am Lenkrad 13 über das Überlagerungsgetriebe 7 zum Lenkgetriebe 18 hin übertragen
werden. Alternativ oder gleichzeitig kann die zweite Welle 33 auch
durch das Betreiben des Elektromotors 8 um die Drehachse 30 gedreht
werden. Die Drehbewegung des Rotors des Elektromotors 8 versetzt
die Schneckenwelle 48 in Rotation, wodurch das Schneckenrad 45 um
die Drehachse 30 gedreht wird. Dadurch ist es möglich, die
lenkbaren Fahrzeugräder 19 durch
ein Betreiben des Elektromotors 8 auch unabhängig von
der Drehstellung des Lenkrades 13 auszulenken. Der Lenkwinkel
an den lenkbaren Fahrzeugrädern 19 kann demnach
unabhängig
von der Lenkradstellung variiert werden.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überlagerungsvorrichtung 6 weist
ferner eine Vorspanneinrichtung 65 auf, die dazu dient,
die Schraubenverzahnung 47 der Schneckenwelle 48 und
die Schneckenradverzahnung 46 des Schneckenrades 45 an
der Eingriffsstelle 49 unter einer Vorspannkraft F aneinander
anzulegen. Die Vorspannkraft F ist radial zur Drehachse 66 der
Schneckenwelle 48 und radial zur Drehachse 30 des
Schneckenrades 45 gerichtet. Die Vorspannkraft F wirkt
zwischen der Schneckenwelle 48 und dem Schneckenrad 45 und kann über die
Vorspanneinrichtung 65 auf die Schneckenwelle 48 und/oder
auf das Schneckenrad 45 ausgeübt werden.
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Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
gemäß 4 weist
die Vorspanneinrichtung 65 ein von einer Schraubenfeder 67 gebil detes
Vorspannteil auf, die einenends am Lagerteil 50 und anderenends
an einem Lagerring 68 befestigt ist, in dem das zweite Schneckenwellenende 61 drehbar
gelagert angeordnet ist. Die Schraubenfeder 67 ist unter
einer Zugvorspannung zwischen dem Lagerteil 50 und dem
Lagerring 68 eingesetzt. Die Schneckenwelle 48 ist
im Bereich des ersten Schneckenwellenendes 60 schwenkbar
gelagert. Beispielsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass der die Stelleinrichtung bildende Elektromotor 8 um
eine parallel zur Drehachse 30 verlaufende Schwenkachse 70 schwenkbar
am Lagerteil 50 gelagert ist.
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Beim
abgewandelten Ausführungsbeispiel der Überlagerungsvorrichtung 6 nach 4 wird
daher die Schraubenverzahnung 47 der Schneckenwelle 48 im
Bereich der Eingriffsstelle 49 durch die Zugbelastung der
Schraubenfeder 67 gegen die Schneckenradverzahnung 46 gedrückt bzw.
gezogen. Das dafür
notwendige Bewegungsspiel der Schneckenwelle 48 wird durch
die Schwenklagerung des Elektromotors 8 um die Schwenkachse 70 erreicht.
Durch die von der Vorspanneinrichtung 65 erzeugte Vorspannkraft
F kann das Getriebespiel minimiert werden.