DE102014222805A1

DE102014222805A1 - Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE102014222805A1
Application number: DE102014222805.0A
Authority: DE
Inventors: Dieter Markfort
Original assignee: Takata AG
Current assignee: Joyson Safety Systems Germany GmbH
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-11-08
Also published as: DE102014222805B4; EP3215411A1; US10343709B2; WO2016071270A1; US20180229759A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes, mit einer ersten Federeinheit (42) zum Erzeugen eines ersten Rückstelldrehmomentes, einer zweiten Federeinheit (43) zum Erzeugen eines zweiten Rückstelldrehmomentes, einem mit der ersten und der zweiten Federeinheit (42, 43) zusammenwirkenden Mitnehmer (44), wobei der Mitnehmer (44) so mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist, dass er bei einer Drehung der Lenkwelle in einer ersten Drehrichtung auf die erste Federeinheit (42) und bei Drehung der Lenkwelle in einer entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung auf die zweite Federeinheit (43) einwirkt. Erfindungsgemäß ist die die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (4) so ausgebildet, dass der Mitnehmer (44) bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung derart von der zweiten Federeinheit (43) entkoppelt und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung derart von der ersten Federeinheit (42) entkoppelt, dass er jeweils um Drehwinkel drehbar ist, die größer als 360° sind.

Description

Die Erfindung betrifft Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.
Derartige Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen werden insbesondere in Steer-by-wire-Lenksystemen eingesetzt, um ein Rückstellmoment zu erzeugen, das einem durch einen Fahrzeugführer über die Lenkhandhabe erzeugten Drehmomentes entgegenwirkt. Die Erzeugung eines derartigen Rückstellmoments ist erforderlich, da bei Steer-by-wire-Lenkungen die Lenkhandhabe und die Fahrzeugräder mechanisch voneinander entkoppelt sind und ein über die Lenkhandhabe vom Fahrzeugführer eingegebener gewünschter Lenkwinkel ausschließlich auf elektrischem Wege an Stellaggregate/Aktuatoren zur Lenkung der Fahrzeugräder übermittelt wird, so dass bei einer Lenkbewegung auf die Räder wirkende Kräfte nicht an die Lenkhandhabe weitergegeben werden.
Um dem Fahrer dennoch ein Fahrgefühl ähnlich einer konventionellen Lenkung zu vermitteln, werden z.B. elektronisch angesteuerte Aktuatoren (etwa in Form eines Elektromotors) zur Erzeugung eines Rückstellmomentes verwendet. Darüber hinaus kann eine rein mechanische Erzeugung eines Rückstellmomentes erfolgen. Insbesondere wird eine Kombination aus einem elektrischen Aktuator und einer mechanischen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung verwendet, wobei mit der mechanischen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung für den Fall eines Defektes (etwa bei einem Ausfall der Fahrzeugelektronik oder falls der elektrische Aktuator aus anderen Gründen nicht mehr ansteuerbar ist) eine Rückfallebene zur Verfügung steht.
Ein weiterer Aspekt für den Einsatz ergänzender mechanischer Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen ist die Entlastung des elektronisch angesteuerten Aktuators, so dass der Betrieb des Aktuator mit geringerer Leistung erfolgen kann.
Eine mechanische Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung ist z.B. in der DE 101 59 330 A1 beschrieben. Dort ist ein Reaktionsmomentensimulator offenbart, der zur Erzeugung eines Rückstellmomentes zwei Spiralfedern umfasst, die je nach Drehrichtung einer Lenkwelle belastet oder entlastet werden. Die Spannung der Spiralfedern erfolgt über einen Mitnehmer, wobei die Konstruktion jedoch lediglich eine Spannung der Feder über eine Winkelbereich von weniger als 360° erlaubt. Aus diesem Grunde befindet sich zwischen den Spiralfedern und der Lenkwelle ein Getriebe, über das eine Rotation der Lenkwelle auf den Mitnehmer übertragen wird.
Die Integration eines Getriebes im Lenkradbereich erfordert jedoch Maßnahmen zur Dämpfung von Geräuschen und Vibrationen. Ein weiterer Nachteil des Getriebes kann darin bestehen, dass (ausgehend von den Spiralfedern betrachtet) ein kleiner Drehwinkel in einen höheren Drehwinkel an der Lenkhandhabe übersetzt werden muss. Da sich der übertragene Drehwinkel umgekehrt zu Drehzahl verhält, bedeutet dies, dass zur Erzeugung von hohen Rückstelldrehmomenten die Spiralfedern entsprechend dimensioniert werden müssen; insbesondere müssen die Spiralfedern eine entsprechend hohe Federkonstante aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer mechanischen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung für eine Lenkvorrichtung, welche möglichst komfortabel im Betrieb und möglichst kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes, mit

– einer ersten Federeinheit zum Erzeugen eines ersten Rückstelldrehmomentes,
– einer zweiten Federeinheit zum Erzeugen eines zweiten Rückstelldrehmomentes,
– einem mit der ersten und der zweiten Federeinheit zusammenwirkenden Mitnehmer,
– wobei der Mitnehmer so mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist, dass er bei einer Drehung der Lenkwelle in einer ersten Drehrichtung auf die erste Federeinheit und bei Drehung der Lenkwelle in einer entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung auf die zweite Federeinheit einwirkt, wobei
– die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass ausgehend von einer Nullstellung der Mitnehmer bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung derart von der zweiten Federeinheit entkoppelt und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung derart von der ersten Federeinheit entkoppelt, dass er jeweils um Drehwinkel drehbar ist, die größer als 360° sind.

Demnach muss die erfindungsgemäße Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kein Getriebe zur Übertragung einer Drehung der Lenkwelle auf die Federeinheiten aufweisen, d.h. die Lenkwelle (oder eine mit der Lenkwelle und mit dem Mitnehmer gekoppelte Abtriebswelle) und der auf eine der Federeinheiten einwirkende Mitnehmer drehen um identische Drehwinkel.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung so beschaffen, dass der Mitnehmer bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung durch eine axiale Bewegung von der zweiten Federeinheit entkoppelt und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung durch eine axiale Bewegung von der ersten Federeinheit entkoppelt. Der Mitnehmer ist also derart mit der Lenkwelle koppelbar, dass er entlang der Achse der Lenkwelle linear verschiebbar ist, wie weiter unten noch weiter erläutert werden wird.
Der Mitnehmer ist insbesondere – in axialer Richtung betrachtet – zwischen der ersten und der zweiten Federeinheit angeordnet ist. Beispielsweise ist der Mitnehmer so ausgestaltet und angeordnet, dass er sich bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung axial von der zweiten Federeinheit weg bewegt. Umgekehrt bewegt sich der Mitnehmer bei einer Drehung der Lenkwelle in der zweiten Drehrichtung von der ersten Federeinheit weg.
Der Mitnehmer weist beispielsweise mindestens ein erstes Koppelelement auf, das bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung in Eingriff mit der ersten Federeinheit kommt, und mindestens ein zweites Koppelelement, das bei einer Drehung der Lenkwelle in der zweiten Drehrichtung in Eingriff mit der zweiten Federeinheit kommt, wobei das erste und das zweite Koppelelement axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Möglich ist zudem, dass die Federeinheiten jeweils eine mit den Koppelelementen zusammenwirkende Koppelstruktur aufweisen.
Denkbar ist darüber hinaus, dass das erste und das zweite Koppelelement jeweils als Vorsprung ausgebildet sind, wobei die beiden Vorsprünge in (insbesondere axial) entgegengesetzte Richtungen weisen. Insbesondere stehen die Vorsprünge voneinander abgewandten Stirnseiten des Mitnehmers ab, wobei die Stirnseiten jeweils einer der Federeinheiten zugewandt ist.
Der (insbesondere zumindest im Wesentlichen zylindrische) Mitnehmer kann darüber hinaus in ein Halteelement der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung eingeschraubt sein, wofür der Mitnehmer insbesondere ein Außengewinde aufweist. Über die Schraubverbindung entsteht bei einer Drehung des Mitnehmers (bei einer Drehung der Lenkwelle) gleichzeitig eine lineare Bewegung des Mitnehmers entlang der Drehachse. Das Halteelement kann wiederum in einem Gehäuse der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung festgelegt sein.
Die erfindungsgemäße Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung weist zudem insbesondere ein mit der Lenkwelle koppelbares Achselement (z.B. in Form einer Keilwelle) auf, das formschlüssig mit dem Mitnehmer so verbunden ist, dass der Mitnehmer einer Drehung des Achselementes folgt. Das Achselement lässt insbesondere die erwähnte lineare Bewegung entlang der Längsachse des Achselementes zu. Des Weiteren ist das Achselement so ausgestaltet, dass es mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung mindestens ein weiteres (von der ersten und der zweiten Federeinheit verschiedenes), der ersten oder der zweiten Federeinheit zugeordnetes Federelement, mit dem ein entgegen dem Rückstellmoment der zugeordneten Federeinheit wirkendes Drehmoment erzeugbar ist.
Bei dem Federelement handelt es sich z.B. um eine Biegefeder. Die erste und/oder die zweite Federeinheit weisen zur Erzeugung des Rückstellmomentes z.B. eine Spiralfeder auf.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes, insbesondere wie oben beschrieben, mit

– einer ersten Federeinheit zum Erzeugen eines ersten Rückstelldrehmomentes,
– einer zweiten Federeinheit zum Erzeugen eines zweiten Rückstelldrehmomentes,
– einem mit und mit der ersten und der zweiten Federeinheit zusammenwirkenden Mitnehmer,
– wobei der Mitnehmer so mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist, dass er bei einer Drehung der Lenkwelle in einer ersten Drehrichtung auf die erste Federeinheit und bei Drehung der Lenkwelle in einer entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung auf die zweite Federeinheit einwirkt;
– mindestens zwei weiteren Federelemente, von denen eines der ersten und das andere der zweiten Federeinheit zugeordnet ist, und die jeweils ein Drehmoment erzeugen, das entgegen dem von der ihr zugeordneten Federeinheit erzeugten Rückstellmoment wirkt, wobei
– die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass ausgehend von einer Nullstellung bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung die erste Federeinheit von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement entkoppelt, und bei einer Drehung der Lenkwelle in der zweiten Drehrichtung die zweite Federeinheit von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement entkoppelt.

Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann analog zum ersten Erfindungsaspekt so ausgebildet sein, dass der Mitnehmer bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung derart von der zweiten Federeinheit entkoppelt und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung derart von der ersten Federeinheit entkoppelt, wobei der Mitnehmer insbesondere jeweils um Drehwinkel drehbar ist, die größer als 360° sind. Eine derartige Ausgestaltung des Mitnehmers ist allerdings im zweiten Erfindungsaspekt nicht zwingend.
Das Entkoppeln der ersten Federeinheit von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement oder der zweiten Federeinheit von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement erfolgt z.B. dadurch, dass sich die erste bzw. zweite Federeinheit axial von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement entfernt; insbesondere, soweit, bis die erste bzw. die zweite Federeinheit eine axialen Versatz zu der jeweiligen weiteren Federelement aufweist.
Beispielsweise umfasst die erste Federeinheit eine erste mit dem Mitnehmer koppelbare Komponente und die zweite Federeinheit eine zweite mit dem Mitnehmer koppelbare Komponente, wobei die erste koppelbare Komponente bei einer Drehung entgegen der ersten Drehrichtung auf das der ersten Federeinheit zugeordnete weitere Federelement einwirkt, und die zweite koppelbare Komponente bei einer Drehung entgegen der zweiten Drehrichtung auf das der zweiten Federeinheit zugeordnete weitere Federelement einwirkt.
Denkbar ist, dass die erste und die zweite Federeinheit jeweils ein Mitnehmerelement zum Einwirken auf das jeweils zugeordnete weitere Federelement aufweisen.
Die weiteren Federelemente dienen z.B. dazu, eine unter Einwirkung einer sich entspannenden Feder der ersten oder zweiten Federeinheit erzeugte Drehbewegung zu dämpfen.
Die Erfindung betrifft auch ein Lenksystem (insbesondere ein Steer-by-wire-Lenksystem) für ein Kraftfahrzeug mit einer wie oben beschriebenen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Übersicht eines Lenksystems mit einer erfindungsgemäßen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung;
2 einen Schnitt durch eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine perspektivische Darstellung von Komponenten der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung aus 2;
4 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung aus 2;
5A einen Teil der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung aus 2 im Schnitt bei einer Drehung der Lenkwelle im Uhrzeigersinn; und
5B die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung bei einer Drehung der Lenkwelle gegen den Uhrzeigersinn.
1 zeigt eine Übersicht eines Steer-by-wire-Lenksystems 1 eines Fahrzeugs mit einer Lenkhandhabe in Form eines Lenkrades 2 sowie einer mit dem Lenkrad 2 zusammenwirkenden Lenkwelle 3. Die Lenkwelle 3 ist insbesondere innerhalb einer (nicht dargestellten) Lenksäule angeordnet. Darüber hinaus umfasst das Lenksystem 1 eine erfindungsgemäße mechanische Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 („Feedback Unit“) sowie einen elektrisch betriebenen Aktuator in Form eines Elektromotors 5 („Feedback Aktuator“) zur Erzeugung eines Rückstelldrehmomentes auf das Lenkrad 2.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 und der Elektromotor 5 sind fahrzeugfest angeordnet und können integraler Bestandteil der Lenksäule sein. Des Weiteren sind in 1 Kupplungselemente 41 angedeutet, über die die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 mit dem Elektromotor 5 und mit der Lenkwelle 3 verbunden ist.
Zur Ansteuerung des Elektromotors 5 ist eine Steuerelektronik (CPU 6) vorgesehen, wobei der CPU 6 Signale einer Sensorik 7 zugeführt und die Steuerung des Elektromotors 5 in Abhängigkeit von den Signalen der Sensorik 7 erfolgt. Diese Signale beinhalten insbesondere sowohl erfasste Zustände auf der Seite des Lenksystems (z.B. Lenkradwinkel) als auch Zustände, die einem Stellaggregat 8 zur Lenkung der Räder des Fahrzeugs zuzuordnen sind (z.B. betreffend die Winkelstellung der Räder).
2 zeigt eine Schnittdarstellung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 hier in der Mittelstellung (Nullstellung) befindet. Das (in 2 nicht dargestellte) mit der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 gekoppelte Lenkrad befindet sich entsprechend in der Geradeausfahrtstellung und wird mit Hilfe der weiter unten beschriebenen Federsysteme der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 in dieser Stellung gehalten.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 weist eine erste und eine zweite Federeinheit in Form eines ersten und zweiten Federträgersystems 42, 43 sowie einen mit den Federträgersystemen 42, 43 zusammenwirkenden Mitnehmer 44 auf.
Des Weiteren umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 ein zentral angeordnetes Achselement in Form einer Keilwelle 31, die mit einer (in 2 nicht dargestellten) Lenkwelle gekoppelt ist. Die Keilwelle 31 besitzt ein Keilwellenprofil, über das der Mitnehmer 44 formschlüssig mit der Keilwelle 31 verbunden ist. Entsprechend folgt der Mitnehmer 44 einer Drehbewegung der Keilwelle 31 (d.h. der Lenkwelle). Das Spiel (die Passung) zwischen dem Keilprofil der Keilwelle 31 und dem Keilprofil des Mitnehmers 44 ist derart ausgelegt, dass der Mitnehmer 44 entlang der Achsrichtung der Keilwelle 31 verschiebbar ist.
An seiner Außenseite ist der Mitnehmer 44 mit einem Gewinde 440 versehen, über das er in ein Innengewinde 450 der Gewindebuchse 45 eingeschraubt ist. Die Gewindebuchse 45 weist einen – in axialer Richtung betrachtet – mittig angeordneten und sich senkrecht zur Achse der Keilwelle 31 erstreckenden Flansch 451 auf, der mit einem Gehäuse 40 der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 (insbesondere über einen äußeren Randabschnitt 401) verbunden ist. Das Gehäuse 40 und damit auch die Gewindebuchse 45 ist fahrzeugfest festgelegt.
Der (zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildete) Mitnehmer 44 weist ein erstes und ein zweites Teilelement 441, 442 auf, die über eine Distanzscheibe 443 axial miteinander verbunden sind. Über die Dicke der Distanzscheibe 443 können Spiel und Reibung in der Gewindepaarung Mitnehmer 44 – Gewindebuchse 45 eingestellt werden. Beispielsweise besteht die Distanzscheibe 443 aus einem elastischen Material, was insbesondere die Einstellung einer gewünschten Vorspannung und damit einer gewünschten Spielfreiheit zwischen den Gewindeflanken des Mitnehmers 44 und der Gewindebuchse 45 ermöglicht. Die Verbindung der beiden Teilelemente 441, 442 des Mitnehmers 44 erfolgt über sich axial erstreckende Verbindungselemente 444, die insbesondere die Distanzscheibe 443 durchgreifen und z.B. um 180° (bezogen auf die Achse der Keilwelle 31) versetzt zueinander verlaufen. Denkbar ist, dass die Verbindungselemente 444 jeweils auch die Teilelemente 441, 442 durchgreifen und an deren Stirnflächen jeweils einen zapfenartigen Vorsprung 446, 447 ausbilden, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird.
Die Federträgersysteme 42, 43 befinden sich auf unterschiedlichen Seiten des Flansches 451 der Gewindebuchse 45, wobei das erste Federträgersystem 42 entlang der Achse von der Lenkradseite kommend hinter und das zweite Federträgersystem 43 vor dem Flansch 451 angeordnet ist.
Darüber hinaus umfassen die Federträgersysteme 42, 43 jeweils ein Federträgergehäuse 421, 431, das jeweils eine zylindrische (im Querschnitt kreisförmige) Aussparung 4211, 4311 aufweist. Über die Aussparungen 4211, 4311 sind die Federträgergehäuse 421, 431 jeweils auf einem hohlzylindrischen Abschnitt 452 der Gewindebuchse 45 geführt. In der zylindrischen Aussparung 4211, 4311 befindet sich zudem jeweils eine mit dem Mitnehmer 44 koppelbare Komponente in Form eines Gewinderinges 4212, 4312, der stirnseitig mit dem jeweiligen Federträgergehäuse 421, 431 fest verbunden ist (über Verbindungselemente 453).
Die Gewinderinge 4212, 4312 weisen an ihrer Außenseite jeweils ein Gewinde auf, über das sie und damit die Federträgersysteme 42, 43 in das sich in die Abschnitte 452 der Gewindebuchse 45 hineinerstreckende Gewinde 450 eingeschraubt sind. Zur Begrenzung der maximal möglichen Einschraubtiefe der Gewinderinge 4212, 4312 kann jeweils zwischen einer Innenseite 4213, 4313 der Aussparungen 4211, 4311 und einer den Innenseiten 4213, 4313 jeweils zugewandten Stirnseite der Gewindebuchse 45 eine in 2 nicht dargestellte Anlaufscheibe (Distanzring) vorgesehen sein. Beispielsweise ist die Anlaufscheibe zum besseren Lösen der Verschraubung der Gewinderinge 4212, 4312 mit der Gewindebuchse 45 aus einem Gleitwerkstoff (z.B. PTFE) ausgebildet. Stirnseitig sind die Gewinderinge 4212, 4312 jeweils mit zwei um 180° versetzt zueinander angeordneten Mitnehmervorsprüngen 454, 455 versehen.
Die Federträgersysteme 42, 43 umfassen des Weiteren jeweils eine Spiralfeder 4210, 4220 auf, die identisch ausgeführt, jedoch um 180° zueinander geklappt angeordnet sind (vgl. 3). Die Spiralfedern 4210, 4220 sind jeweils in Aufnahmeabschnitten 455, 456 der Federträgergehäuse 421, 431 angeordnet, wobei die Aufnahmeabschnitte 455, 456 jeweils durch Flanschabschnitte 4551, 4561 der Stirnseiten der Federträgergehäuse 421, 431 begrenzt sind.
Die Spiralfedern 4210, 4220 sind jeweils über ein äußeres Ende 4200, 4300 fahrzeugfest am Gehäuse 40 festgelegt, während jeweils ein inneres Ende 4201, 4301 der Spiralfedern 4210, 4220 an den Federträgergehäusen 421, 431 befestigt ist, so dass die inneren Enden 4201, 4301 zusammen mit den Federträgergehäusen 421, 431 drehbar sind. Die Spiralfedern 4210, 4220 bestehen aus einem in einer Ebene aufgewickelten Metallband, welches zur Geräuschdämpfung bzw. zur Unterdrückung von Eigenschwingungen beschichtet sein kann (ein- oder beidseitig).
Der Mitnehmer 44 kann über erste und zweite Koppelelemente in Form der oben bereits erwähnten Vorsprünge 446, 447, die als Fortsätze der Verbindungselemente 444 ausgeformt sind, auf die Gewinderinge 4212, 4312 und damit auf die Spiralfedern 4210, 4220 einwirken. Es können selbstverständlich auch zu den Verbindungselementen 444 separate Vorsprünge als Koppelelemente vorgesehen sein. Die Vorsprünge 446, 447 wirken mit den oben ebenfalls bereits erwähnten Mitnehmervorsprüngen 454, 455 der Gewinderinge 4212, 4312 zusammen, wobei bei einer Drehung der Keilwelle 31 (d.h. bei einer Drehung der Lenkwelle) in Uhrzeigerrichtung (von der Lenkradseite aus betrachtet) die Vorsprünge 446 des ersten Teilelements 441 des Mitnehmers 44 an den Mitnehmervorsprüngen 454 des Gewinderinges 4212 des ersten (linken) Federträgersystems 42 zur Anlage kommen. Dadurch wird der Gewindering 4212 gedreht und die Spiralfeder 4210 des ersten Federträgersystems 42 gespannt. Bei einer Drehung der Keilwelle 31 gegen die Uhrzeigerrichtung erfolgt entsprechend eine Spannung der Spiralfeder 4220 des zweiten (rechten) Federträgersystems 43.
Darüber hinaus bewegt sich der Mitnehmer 44 bei einer Drehung der Keilwelle 31 in axialer Richtung. So wird der Mitnehmer 44 bei einer Drehung der Keilwelle 31 in Uhrzeigerrichtung in der Gewindebuchse 45 von dem zweiten (rechten) Federträgersystem 43 weggeschraubt und zwar zumindest soweit, bis die Vorsprünge 447 des rechten Teilelements 442 des Mitnehmers 44 axial beabstandet zu den Mitnehmervorsprüngen 455 des Gewinderinges 4312 des zweiten Federträgersystem 43 angeordnet sind, d.h. die Vorsprünge 447 und die Mitnehmervorsprünge 455 nicht mehr überlappen. Somit entkoppelt der Mitnehmer 44 bei einer Drehung im Uhrzeigersinn von dem zweiten Federträgersystem 43, und zwar derart, dass er (und damit die Keilwelle 31 bzw. die Lenkwelle 3) um Drehwinkel gedreht werden kann, die größer als 360° sind. Analog erfolgt eine Entkopplung des Mitnehmers 44 von dem ersten Federträgersystem 43 bei eine Drehung der Keilwelle 31 entgegen dem Uhrzeigersinn. Dieses Entkoppeln des Mitnehmers 44 ermöglicht eine Spannung der Spiralfedern 4210, 4220, auch wenn die Keilwelle 31 um mehr als eine Umdrehung verdreht wird, ohne dass ein Getriebe zwischen der Keilwelle 31 und den Spiralfedern 4210, 4220 vorgesehen werden muss.
Zusätzlich zu den Spiralfedern 4210, 4220 der Federträgersysteme 42, 43 weist die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 zwei weitere Federelemente in Form zweier Biegefedern 460, 461 auf. Die Federträgersysteme 42, 43 bilden ein erstes Federsystem der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4, während die Biegefedern 460, 461 ein zweites Federsystem ausbilden.
Ein Einwirken auf die Biegefedern 460, 461 erfolgt jeweils über ein Ende 4701, 4711 eines Befestigungselementes in Form eines Stiftes 470, 471, über den jeweils das innere Ende 4201, 4301 der Spiralfedern 4210, 4220 an den Federträgergehäusen 421, 431 festgelegt ist. Denkbar ist natürlich auch, dass zum Einwirken auf die Biegefedern 460, 461 von den Stiften 470, 471 separate Elemente vorgesehen sind. Die Biegefedern 460, 461 sind relativ zu den Stiften 470, 471 so angeordnet, dass bei einer Drehung der Gewinderinge 4212, 4312 und damit der Federträgergehäuse 421, 431 in Uhrzeigerrichtung nur der Stift 471 des zweiten (rechten) Federträgersystems 43 an der ihm zugeordneten rechten Biegefeder 461 zur Anlage kommt und somit auf diese einwirkt. Auf diese Weise kann eine Rotation des zweiten (rechten) Federträgersystems 43 unter Einwirkung der sich entspannenden Spiralfeder 4220 dämpfend gestoppt werden. Umgekehrt kommt bei einer Drehung der Gewinderinge 4212, 4312 entgegen der Uhrzeigerrichtung nur der Stift 470 des ersten (linken) Federträgersystems 42 an der ihm zugeordneten linken Biegefeder 460 zur Anlage. Die jeweils den Stiften 470, 471 abgewandten Enden der Biegefedern 460, 461 sind über Befestigungselemente 472 an einem äußeren Randbereich des Flansches 451 der Gewindebuchse 45 fixiert.
Ein Abschnitt der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 mit der in 2 rechten Biegefeder 461 ist vergrößert in 4 dargestellt (von der Lenkradseite aus betrachtet). In der Mittelstellung (d.h. eine über die Lenkwelle und die Keilwelle mit der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 gekoppelte Lenkhabe befindet sich in Geradeausfahrtstellung) sind die beiden Spiralfedern 4210, 4220 der Federträgersysteme 42, 43, die insbesondere zumindest näherungsweise identische Federkennlinien aufweisen, gegenüber dem Mitnehmer 44 vorgespannt und üben daher über die Federträgergehäuse 421, 431 und den mit diesen verbundenen Gewinderingen 4212, 4312 ein Drehmoment auf den Mitnehmer 44 aus. Ermöglicht wird dies dadurch, dass sich in der Mittelstellung die Mitnehmervorsprünge 454, 455 der Gewinderinge 4212, 4312 mit den zugeordneten zapfenartigen Vorsprüngen 446, 447 des Mitnehmers 44 (in Achsrichtung der Keilwelle 31 betrachtet) überdecken, miteinander also in Kontakt stehen. Das Drehmoment der Spiralfeder 4210 des ersten Federträgersystem 42 wirkt dabei gegen den Uhrzeigersinn, während das Drehmoment der Spiralfeder 4220 des zweiten Federträgersystem 43 im Uhrzeigersinn (Pfeilrichtung) wirkt.
Auch die beiden Biegefedern 460, 461, die ebenfalls zumindest näherungsweise identische Federkennlinien besitzen können, sind in der Mittelstellung vorgespannt, wobei das auf das jeweils zugehörige Federträgersystem 42, 43 über die Stifte 470, 471 ausgeübte Drehmoment entgegen dem Drehmoment der jeweiligen Spiralfeder 4210, 4220 gerichtet ist, d.h. das Drehmoment der Biegefeder 460 wirkt im Uhrzeigersinn, während das Drehmoment der Biegefeder 461 entgegen den Uhrzeigersinn gerichtet ist. In der Mittelstellung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 stellt sich ein Drehmomentengleichgewicht zwischen den Spiralfedern 4210, 4220 einerseits und den Biegefedern 460, 461 andererseits ein. Diese Stellung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 definiert die Geradeausfahrtstellung des Lenkrades. Die Biegung der Biegefedern 460, 461 kann jeweils durch einen Anschlag 475 des Flansches 451 der Gewindebuchse 45 begrenzt werden.
Die Funktionsweise der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 wird weiter anhand der 5A und 5B erläutert, wobei die 5A einen Halbschnitt der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 nach dem Einleiten einer Lenkbewegung nach rechts im Uhrzeigersinn (von der Lenkradseite aus betrachtet) zeigt. Die 5B zeigt die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 bei einer Lenkbewegung gegen den Uhrzeigersinn.
Über die Keilwelle 31 wird die Lenkbewegung auf den Mitnehmer 44 übertragen, dieser in Achsrichtung weg vom Lenkrad (Pfeilrichtung) in der Gewindebuchse 45 geschraubt und somit entlang der Keilwelle 31 (entlang ihres Keilprofils) verschoben. Mit dem Mitnehmer 44 werden auch dessen zapfenartige Vorsprünge 446, 447 im Uhrzeigersinn verdreht. Falls sich das Lenkrad vor Einleiten der Lenkbewegung nicht in der Geradausfahrtstellung befand, kommt es dadurch, dass das wirkende Drehmoment der Spiralfeder 4220 des zweiten Federträgersystems 43 das der ihm zugeordneten Biegefeder 461 übersteigt, zu einer Drehung des rechten Gewinderinges 4312 im Uhrzeigersinn und damit zu einer Nachführung des zweiten Federträgersystems 43. Dies jedoch lediglich soweit, bis die Biegefeder 461 (bzw. deren freies Ende) unter weiterer Deformation durch den Stift 471 aus ihrer Ausgangsstellung in die Endstellung (gestrichelte Position in 4) bewegt wurde. Definiert wird die Endstellung durch den Anschlag 475 am Flansch 451 der Gewindebuchse 45, der die Schwenkbewegung der Biegefeder 461 begrenzt.
Mit dem Erreichen der Endstellung der Biegefeder 461 wird die Nachführbewegung des zweiten Federträgersystems 43 gestoppt, während der Mitnehmer 44 weiter innerhalb der Gewindebuchse 45 geschraubt und auf dem Keilwellenprofil der Keilwelle 31 vom Lenkrad weg verschoben wird. Dadurch wird lenkradseitig die axiale Überdeckung der Mitnehmervorsprünge 455 des rechten Gewinderinges 4312 des zweiten Federträgersystems 43 mit den zugeordneten zapfenartigen Vorsprüngen 447 des Mitnehmers 44 aufgehoben.
Auf der dem Lenkrad abgewandten Seite dagegen bleibt die Überdeckung der Koppelelemente, d.h. der Vorsprünge 446 des Mitnehmers 44 und der Mitnehmervorsprünge 454 des linken Gewinderinges 4212, erhalten. Die Drehbewegung des Mitnehmers 44 wird somit mittels der Vorsprünge 446 auf das erste Federträgersystem 42 übertragen, welches aufgrund seiner Drehbewegung in Achsrichtung weg vom Lenkrad (Pfeilrichtung) in der Gewindebuchse 45 schraubt. Durch die Drehbewegung des Gewinderinges 4212 wird zudem die zugeordnete Spiralfeder 4210 des ersten Federträgersystems 42 weiter gespannt. Gleichzeitig vergrößert sich der Abstand zwischen dem Federträgersystem 42 und dem Flansch 451 der Gewindebuchse 45 und der Kontakt (die Überdeckung) zwischen dem Stift 470 und dem freien Ende der Biegefeder 460 wird aufgehoben. Mit der Aufhebung dieses Kontaktes ist das auf das Lenkrad wirkende Moment allein von Federkennlinie der Spiralfeder 4210 des ersten Federträgersystems 42 abhängig.
Die Bewegung der Federträgersysteme 42, 43 in axialer Richtung und damit der maximal mögliche Lenkwinkel des Lenkrades kann u.a. durch Anschläge für die axial bewegten Teile begrenzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Beeinflussung über die Dicke der Beschichtung des Metallbandes der Spiralfedern 4210, 4220. Mit der Erhöhung der Schichtdicke kommen die Windungen eher zur Anlage und der Aufrollwinkel wird reduziert.
Gemäß 5B wurde ausgehend von dem in 5A dargestellten Zustand das erste Federträgersystem 43 unter Einwirkung der sich entspannenden Spiralfeder 4210 wieder in Richtung Lenkrad bewegt, bis der Stift 470 wieder in Kontakt mit dem freien Ende der Biegefeder 460 kommt und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 4 die in 2 dargestellte Mittellage eingenommen hat.
Bei einer weiteren Drehung des Lenkrades entgegen dem Uhrzeigersinn gelten analog die obigen Ausführungen in Bezug auf 5A. Zunächst wird das erste Federträgersystem 42 gestoppt (dadurch, dass die Biegefeder 460 an einem ihr zugeordneten Anschlag zur Anlage kommt). Da bei Überschreiten der Mittelstellung die Kopplung zwischen dem ersten Federträgersystem 42 und dem Mitnehmer 44 verlorengeht, dreht sich lediglich das zweite Federträgersystem 43 mit dem Mitnehmer 44 mit, so dass nur die Spiralfeder 4220 gespannt wird. Das auf das Lenkrad wirkende Rückstelldrehmoment wird somit nur durch die Federkennlinie der Spiralfeder 4220 bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung
5: Elektromotor
6: CPU
7: Sensorik
8: Stellaggregat
31: Keilwelle
40: Gehäuse
41: Kupplungselement
42: erstes Federträgersystem
43: zweites Federträgersystem
44: Mitnehmer
45: Gewindebuchse
401: Randabschnitt
421, 431: Federträgergehäuse
441, 442: Teilelement
443: Distanzscheibe
444: Verbindungselement
446, 447: Vorsprung
450: Gewinde
451: Flansch
452: Abschnitt Gewindebuchse
453: Verbindungselemente
454, 455: Mitnehmervorsprung
455, 456: Aufnahmeabschnitt
460, 461: Biegefeder
470, 471: Stift
472: Befestigungselement
4200, 4300: äußeres Ende Spiralfeder
4201, 4301: inneres Ende Spiralfeder
4210, 4220: Spiralfeder
4211, 4311: Aussparung
4212, 4312: Gewindering
4213, 4313: Innenseite
4551, 4561: Flanschabschnitt
4701, 4711: Ende Stift

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10159330 A1 [0005]

Claims

Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes, mit – einer ersten Federeinheit (42) zum Erzeugen eines ersten Rückstelldrehmomentes, – einer zweiten Federeinheit (43) zum Erzeugen eines zweiten Rückstelldrehmomentes, – einem mit der ersten und der zweiten Federeinheit (42, 43) zusammenwirkenden Mitnehmer (44), – wobei der Mitnehmer (44) so mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist, dass er bei einer Drehung der Lenkwelle in einer ersten Drehrichtung auf die erste Federeinheit (42) und bei Drehung der Lenkwelle in einer entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung auf die zweite Federeinheit (43) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (4) so ausgebildet ist, dass ausgehend von einer Nullstellung der Mitnehmer (44) bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung derart von der zweiten Federeinheit (43) entkoppelt und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung derart von der ersten Federeinheit (42) entkoppelt, dass er jeweils um Drehwinkel drehbar ist, die größer als 360° sind.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (44) bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung durch eine axiale Bewegung von der zweiten Federeinheit (43) und bei einer Drehung in der zweiten Drehrichtung durch eine axiale Bewegung von der ersten (42) Federeinheit entkoppelt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (44) in axialer Richtung betrachtet zwischen der ersten und der zweiten Federeinheit (42, 43) angeordnet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (44) mindestens ein erstes Koppelelement (446) aufweist, das bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung in Eingriff mit der ersten Federeinheit (42) kommt, und mindestens ein zweites Koppelelement (447), das bei einer Drehung der Lenkwelle in der zweiten Drehrichtung in Eingriff mit der zweiten Federeinheit (43) kommt, wobei das erste und das zweite Koppelelement (446, 447) axial voneinander beabstandet angeordnet sind.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Koppelelement (446, 447) jeweils als Vorsprung ausgebildet sind, wobei die beiden Vorsprünge in entgegengesetzte Richtungen weisen.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (44) in ein Halteelement (45) eingeschraubt ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit der Lenkwelle koppelbares Achselement (31), das formschlüssig mit dem Mitnehmer (44) so verbunden ist, dass der Mitnehmer (44) einer Drehung des Achselementes (31) folgt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (44) axial relativ zu dem Achselement (31) bewegbar ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres, der ersten oder der zweiten Federeinheit (42, 44) zugeordnetes Federelement (460, 461), mit dem ein entgegen dem Rückstellmoment der zugeordneten Federeinheit (42, 43) wirkendes Drehmoment erzeugbar ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem weiteren Federelement (460, 461) um eine Biegefeder handelt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Federeinheit (42, 43) eine Spiralfeder (4210, 4220) aufweist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines auf eine Lenkhandhabe eines Fahrzeuges wirkenden Rückstelldrehmomentes, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit – einer ersten Federeinheit (42) zum Erzeugen eines ersten Rückstelldrehmomentes, – einer zweiten Federeinheit (43) zum Erzeugen eines zweiten Rückstelldrehmomentes, – einem mit und mit der ersten und der zweiten Federeinheit (42, 43) zusammenwirkenden Mitnehmer (44), – wobei der Mitnehmer (44) so mit einer Lenkwelle des Fahrzeugs koppelbar ist, dass er bei einer Drehung der Lenkwelle in einer ersten Drehrichtung auf die erste Federeinheit (42) und bei Drehung der Lenkwelle in einer entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung auf die zweite Federeinheit (43) einwirkt; – mindestens zwei weiteren Federelementen (460, 461), von denen eines der ersten und das andere der zweiten Federeinheit (42, 43) zugeordnet ist, und die jeweils ein Drehmoment erzeugen, das entgegen dem von der ihr zugeordneten Federeinheit (42, 43) erzeugten Rückstellmoment wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (4) so ausgebildet ist, dass ausgehend von einer Nullstellung bei einer Drehung der Lenkwelle in der ersten Drehrichtung die erste Federeinheit (42) von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement (460) entkoppelt, und bei einer Drehung der Lenkwelle in der zweiten Drehrichtung die zweite Federeinheit (43) von dem ihr zugeordneten weiteren Federelement (461) entkoppelt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federeinheit (42) eine erste mit dem Mitnehmer (44) koppelbare Komponente (4212) und die zweite Federeinheit (43) eine zweite mit dem Mitnehmer (44) koppelbare Komponente (4312) aufweist, wobei die erste Federeinheit (42) bei einer Drehung der ersten koppelbaren Komponente (4212) entgegen der ersten Drehrichtung auf das ihr zugeordnete weitere Federelement (460) einwirkt, und die zweite Federeinheit (43) bei einer Drehung der zweiten koppelbaren Komponente (4312) entgegen der zweiten Drehrichtung auf das ihr zugeordnete weitere Federelement (461) einwirkt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Federeinheit (42, 43) jeweils ein Mitnehmerelement (470, 471) zum Einwirken auf das jeweils zugeordnete weitere Federelement (460, 461) aufweisen.
Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.