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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkwelle für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bekannt sind Lenksysteme für Fahrzeuge mit einer Lenkwelle, mit der der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel über ein Lenkgetriebe auf die Vorderräder des Fahrzeugs übertragen wird. Um das Lenkmoment des Fahrer zu messen und gegebenenfalls über eine Servoeinheit ein unterstützendes Servomoment zu erzeugen, ist die Lenkwelle zweigeteilt und weist einen verbindenden Drehstab auf, der bei der Lenkbewegung tordiert wird. Die Torsionsbewegung des Drehstabs wird mittels einer Sensoreinrichtung gemessen, wobei das Lenkmoment aus der Torsionsbewegung berechnet werden kann. Ein derartiges Lenksystem wird beispielsweise in der
DE 197 52 346 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer Lenkwelle für ein Lenksystem, in der das Lenkmoment über eine Drehmomentsensoreinrichtung ermittelbar ist, zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die Lenkwelle ist Bestandteil eines Lenksystems in einem Fahrzeug zur Übertragung der Lenkbewegung vom Lenkrad auf die lenkbaren Räder. Das Lenksystem kann gegebenenfalls mit einer Lenkunterstützungseinrichtung, beispielsweise einem elektrischen Servomotor, zur Erzeugung eines unterstützenden Servomoments ausgestattet sein. Die Höhe des Servomomentes bestimmt sich unter anderem nach dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkmoment. Zur Detektierung des Lenkmoments kann eine Drehmomentsensoreinrichtung eingesetzt werden, die einen Signalgeber und einen Sensor aufweist. Als Signalgeber kommt beispielsweise ein Permanentmagnet in Betracht, als Sensor ein MR-Sensor oder ein Hallsensor.
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Die Lenkwelle weist einen als Hohlwelle ausgebildeten Torsionswellenabschnitt auf bzw. ist mit einem Torsionswellenabschnitt verbunden, der anderenends mit dem Lenkritzel drehfest gekoppelt ist und durch das Lenkmoment tordiert wird. Aus der Torsion des Torsionswellenabschnittes kann auf das wirksame Lenkmoment geschlossen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Lenkwelle ist die Wandung des Torsionswellenabschnitts gegenüber benachbarten Wandabschnitten geschwächt ausgebildet. Somit erfolgt bei Aufbringen eines Lenkmomentes innerhalb eines definierten axialen Abschnittes der Lenkwelle – dem Torsionswellenabschnitt – eine Torsion, die über eine geeignete Sensoreinrichtung ermittelt werden kann. Aus der Torsion des Torsionswellenabschnittes wird anschließend das Lenkmoment berechnet.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass auf einen Drehstab, welcher einenends mit der Lenkwelle verbunden ist, verzichtet werden kann. Die Funktion des Drehstabs wird bei der erfindungsgemäßen Lösung von dem Torsionswellenabschnitt übernommen, der einteilig mit der Lenkwelle ausgebildet sein kann oder ein separates Bauteil bildet, das drehfest mit der Lenkwelle verbunden ist. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Lenkwelle in signifikanter Weise, die Bauteileanzahl ist reduziert. Die Torsion des Torsionswellenabschnittes kann in gleicher Weise mittels einer Sensoreinrichtung ermittelt werden wie die Torsion eines Drehstabs. Der Torsionswellenabschnitt kann in axialer Verlängerung der Lenkwelle angeordnet sein und ggf. den gleichen Außendurchmesser wie die Lenkwelle aufweisen.
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Die Schwächung der Wandung des Torsionswellenabschnitts kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind in die Wandung des Torsionswellenabschnittes Ausnehmungen eingebracht, die zu der gewünschten Schwächung führen. Bei dieser Ausführung kann die Wandstärke im Bereich des Torsionswellenabschnittes grundsätzlich genauso groß ausgebildet sein wie in den an den Torsionswellenabschnitt angrenzenden Bereichen der Lenkwelle.
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Grundsätzlich möglich ist es aber auch, die Wandstärke im Bereich des Torsionswellenabschnittes zu reduzieren. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu den Ausnehmungen erfolgen, die in die Wandung gegebenenfalls eingebracht sind.
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Die Drehmomentsensoreinrichtung, die an der Lenkwelle angeordnet ist, umfasst den Signalgeber und den Sensor, wobei Signalgeber und Sensor axial auf unterschiedlichen Seiten der Wandschwächung im Torsionswellenabschnitt angeordnet sind. Die Lenkwelle ist über den Torsionswellenabschnitt mit einem Lenkritzel verbunden, das Teil eines Lenkgetriebes ist, über das die Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs übertragen wird. Der Sensor kann auf der dem Lenkritzel zugewandten Seite des Torsionswellenabschnitts, der Signalgeber auf der dem Lenkritzel abgewandten Seite des Torsionswellenabschnittes angeordnet sein.
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Soweit zur Schwächung des Torsionswellenabschnittes Ausnehmungen in die Wandung eingebracht sind, können diese als Nuten ausgebildet sein, zwischen denen Torsionsstege liegen. Die Nuten sind vorteilhaft als Längsnuten ausgebildet, die über den Umfang verteilt angeordnet sind und sich zweckmäßigerweise jeweils in Achsrichtung oder zumindest annähernd in Achsrichtung erstrecken. Die über den Umfang verteilten Längsnuten sind zweckmäßigerweise zueinander parallel angeordnet. Alternativ zu dem Verlauf in Achsrichtung können die Längsnuten auch unter einem Winkel zur Längsachse der Lenkwelle angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung können zwei benachbarte und zweckmäßigerweise parallel verlaufende Längsnuten über eine Verbindungsnut verbunden sein, welche sich insbesondere in Umfangsrichtung erstreckt und die Längsnuten bevorzugt im Bereich einer Stirnseite verbindet, so dass sich ein zumindest annähernd U-förmiger Verlauf der Nuten ergibt, bestehend aus zwei parallelen Längsnuten, die sich in Achsrichtung erstrecken, und einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verbindungsnut. Die Verbindungsnut ist beispielsweise auf der dem Lenkritzel benachbarten Seite angeordnet. Über den Umfang verteilt können mehrere derartige U-förmige Nuten in die Wandung des Torsionswellenabschnittes eingebracht sein, die jeweils über einen zwischenliegenden Torsionssteg getrennt sind, welcher sich ebenfalls in Achsrichtung erstreckt und die in der Lenkwelle auftretenden Kräfte und Momente aufnimmt.
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Die Ausnehmungen, insbesondere die Nuten erstrecken sich zweckmäßigerweise vollständig durch die Wandung des Torsionswellenabschnittes hindurch. Möglich ist aber auch eine Ausführung, bei der die Ausnehmungen bzw. Nuten in die Wandung des Torsionswellenabschnittes eingebracht sind, ohne die Wandung zu durchdringen; in diesem Fall wird über die Ausnehmungen bzw. Nuten eine Wandstärkenreduzierung erreicht.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist in den Torsionswellenabschnitt eine Führungswelle integriert. Die Führungswelle überträgt zweckmäßigerweise keine Kräfte bzw. Momente, welche bei einer Lenkbewegung auftreten, sondern sorgt für eine verbesserte Führung der Lenkwelle bei einer Lenkbewegung. Die Lenkwelle ist in ihrem stirnseitigen Bereich drehfest mit dem Lenkritzel bzw. einem Lenkritzelabschnitt verbunden, wobei über die Führungswelle eine verbesserte Führung der Lenkwelle im Bereich des Torsionswellenabschnittes bei einer Lenkbewegung erreicht wird. Zweckmäßigerweise ist die Führungswelle gegenüber dem Torsionswellenabschnitt drehbar gelagert, beispielsweise über Nadellager, vorzugsweise über zumindest zwei axial beabstandete Lager. Die Führungswelle selbst kann drehfest mit dem Lenkritzel bzw. einem Lenkritzelabschnitt verbunden sein.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
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2 in Seitenansicht ein Torsionswellenabschnitt einer Lenkwelle, der mit einem Lenkritzel verbunden ist und Längs- sowie Umfangsnuten aufweist, die zu einer Schwächung der Wandung führen,
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3 eine 2 entsprechende Darstellung, jedoch in geringfügig um die Längsachse der Lenkwelle verdrehter Ansicht,
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4 in vergrößerter Darstellung der Torsionswellenabschnitt mit den Längs- und Umfangsnuten,
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5 eine weitere Darstellung des Torsionswellenabschnittes und des Lenkritzels, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung zur Ermittlung des auf die Lenkwelle wirkenden Lenkmomentes,
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6 der Torsionswellenabschnitt und das Lenkritzel im Längsschnitt.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 4 und ein Lenkgestänge 5 zum Lenken der Vorderräder 6. Das Lenksystem 1 ist mit einer Servoeinrichtung 7 ausgestattet, bei der es sich um einen elektrischen Servomotor handelt, welcher ein die Lenkbewegung des Fahrers unterstützendes Moment erzeugt. Bei einer Lenkbewegung über das Lenkrad 2 gibt der Fahrer einen Lenkradwinkel δL vor, welcher über das Lenkgetriebe 4 und das Lenkgestänge 5 in einen Radlenkwinkel δV und den lenkbaren Vorderrädern 6 umgesetzt wird.
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Wie 2 in Verbindung mit 3 und 4 zu entnehmen, ist die Lenkwelle 3 auf der dem Lenkrad abgewandten Seite drehfest mit einem als separatem Bauteil ausgeführten Torsionswellenabschnitt 8 verbunden, über den die Lenkwelle 3 drehfest mit einem Lenkritzel 9 gekoppelt ist, welches Bestandteil des Lenkgetriebes zur Umsetzung der Lenkvorgabe in die Lenkbewegung der Räder ist. Der Torsionswellenabschnitt 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und weist über den Umfang verteilt mehrere Nuten 10, 11 auf, welche zu einer Schwächung der Steifigkeit der Wandung des Torsionswellenabschnittes 8 führen und diesen in zwei axiale Bereiche 8a, 8b unterteilt, die axial auf unterschiedlichen Seiten der Nuten 10, 11 liegen.
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Die Nuten sind als Längsnuten 10 ausgebildet, die sich in Achsrichtung der Lenkwelle bzw. des Torsionswellenabschnittes 8 erstrecken, sowie als Umfangsnuten 11, die in Umfangsrichtung verlaufen. Die Nuten 10, 11 durchdringen die Wandung des hohlen Torsionswellenabschnittes 8 vollständig. Jeweils eine sich über ein begrenztes Winkelsegment erstreckende Verbindungsnut 11 verbindet stirnseitig zwei Längsnuten 10 miteinander, wodurch sich eine U-förmige Konfiguration von zwei parallelen Längsnuten 10 und einer verbindenden Umfangsnut 11 ergibt. Über den Umfang verteilt sind insgesamt mehrere derartige U-förmige Nutkonfigurationen in die Wandung des Torsionswellenabschnittes 8 eingebracht.
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Zwischen jeweils zwei benachbarten Längsnuten 10, die zu unterschiedlichen U-förmigen Nutkonfigurationen gehören, erstreckt sich ein die beiden Bereiche 8a, 8b verbindender, in Achsrichtung verlaufender, verhältnismäßig schmaler Torsionssteg 12, welcher einstückig mit der Wandung des Torsionswellenabschnittes ausgebildet ist. Insgesamt entspricht die Anzahl der Torsionsstege 12 der Anzahl an U-förmigen Nutkonfigurationen. Über die Torsionsstege 12 werden die Kräfte und Momente zwischen den Bereichen 8a und 8b im Torsionswellenabschnitt 8 übertragen.
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Aufgrund seiner reduzierten Torsionssteifigkeit eignet sich der Torsionswellenabschnitt 8 zur Ermittlung des in der Lenkwelle wirkenden Lenkmomentes. Da Lenkmomente ausschließlich über die in Achsrichtung verlaufenden Trennstege 12 zwischen den Bereichen 8a und 8b des Torsionswellenabschnittes 8 übertragen werden, führen bei einer Lenkbewegung die Bereiche 8a und 8b eine Relativtorsion zueinander aus, was mittels einer Drehmomentsensoreinrichtung 13 (5) gemessen werden kann. Aus der Relativtorsion bzw. -verdrehung der beiden Bereiche 8a, 8b kann auf das wirksame Lenkmoment in der Lenkwelle geschlossen werden.
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Wie 5 zu entnehmen, umfasst die Drehmomentsensoreinrichtung 13 einen Signalgeber 14 und eine Empfängereinheit 15, wobei der Signalgeber 14 und die Empfängereinheit 15 auf axial unterschiedlichen Bereichen 8a, 8b des Torsionswellenabschnittes 8 angeordnet sind. Bei dem Signalgeber 14 handelt es sich insbesondere um einen Permanentmagneten, die Empfängereinheit 15 umfasst einen Sensor, beispielsweise einen MR-Sensor, sowie eine Auswerteeinheit.
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Die Ausführung des Torsionswellenabschnittes 8 mit den Längs- und Umfangsnuten 10, 11 hat des Weiteren die Eigenschaft, dass mit dem Überschreiten eines Grenzmomentes, welches auf die Lenkwelle wirkt, die Nutwandungen, welche insbesondere die Längsnuten 10 begrenzen, in Anlage zueinander gelangen, wodurch die Torsionssteifigkeit des Torsionswellenabschnittes schlagartig signifikant erhöht wird. Dies gewährleistet, dass auch hohe Lenkmomente über die Lenkwelle ohne signifkante Verzögerung übertragen werden können. Die Lenkmomentmessung wird vorzugsweise durchgeführt, solange die benachbarten Nutwandungen einer Nut 10 noch nicht auf Kontakt zueinander liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Lenkgetriebe
- 5
- Lenkgestänge
- 6
- Vorderrad
- 7
- Servoeinrichtung
- 8
- Torsionswellenabschnitt
- 8a
- Bereich
- 8b
- Bereich
- 9
- Lenkritzel
- 10
- Längsnut
- 11
- Umfangsnut
- 12
- Torsionssteg
- 13
- Drehmomentsensoreinrichtung
- 14
- Signalgeber
- 15
- Empfängereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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