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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Verstellantrieb für eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Gewindespindel, die in eine Spindelmutter eingreift, und eine Antriebseinheit, die mit einem Motor wirkverbundene Getriebeelemente aufweist und die mit der Gewindespindel oder der Spindelmutter derart gekoppelt ist, dass die Gewindespindel und die Spindelmutter relativ zueinander drehend antreibbar sind, und umfassend eine Bremseinrichtung zur Abbremsung der Gewindespindel oder der Spindelmutter. Eine Lenksäule mit einem derartigen Verstellantrieb ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Lenksäulen für Kraftfahrzeuge weisen eine Lenkwelle mit einer Lenkspindel auf, an deren in Fahrtrichtung hinteren, dem Fahrer zugewandten Ende ein Lenkrad zur Einbringung eines Lenkbefehls durch den Fahrer angebracht ist. Die Lenkspindel ist um ihre Längsachse in einer Stelleinheit drehbar gelagert, die von einer Trageinheit an der Fahrzeugkarosserie gehalten ist. Dadurch, dass die Stelleinheit in einer mit der Trageinheit verbundenen Manteleinheit, auch als Führungskasten oder Kastenschwinge bezeichnet, in Richtung der Längsachse teleskopartig verschiebbar aufgenommen ist, kann eine Längenverstellung erfolgen. Eine Höhenverstellung kann dadurch realisiert werden, dass die Stelleinheit oder eine diese aufnehmende Manteleinheit schwenkbar an der Trageinheit gelagert ist. Die Verstellung der Stelleinheit in Längen- bzw. Höhenrichtung ermöglicht die Einstellung einer ergonomisch komfortablen Lenkradposition relativ zur Fahrerposition in Betriebsstellung, auch als Fahr- oder Bedienposition bezeichnet, in der ein manueller Lenkeingriff erfolgen kann.
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Bei motorisch verstellbaren Lenksäulen ist es im Stand der Technik bekannt, zur Verstellung der Stelleinheit relativ zur Trageinheit einen motorischen Verstellantrieb mit einer elektromotorischen Antriebseinheit vorzusehen. Diese umfasst einen elektrischen Motor, der über ein Getriebe mit einem Spindeltrieb verbunden ist, der eine in eine Spindelmutter eingeschraubte Gewindespindel umfasst. Durch die Antriebseinheit sind die Gewindespindel und die Spindelmutter gegeneinander um die Spindelachse drehend antreibbar, wodurch diese je nach Drehrichtung axial in Richtung der Spindelachse translatorisch aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden können. In einer Ausführungsform, einem sogenannten Rotationsspindeltrieb, ist die Gewindespindel von der Antriebseinheit, die feststehend mit der Stelleinheit oder der Trageinheit verbunden ist, um die Spindelachse drehend antreibbar und greift in die Spindelmutter ein, die an der Trageinheit oder der Stelleinheit bezüglich Drehung um die Spindelachse feststehend angebracht ist. Axial, d.h. in Richtung der Spindelachse, stützt sich die Gewindespindel an der Trageinheit oder der Stelleinheit ab, und die Spindelmutter entsprechend an der Stelleinheit oder der Trageinheit, so dass ein rotatorischer Antrieb der Gewindespindel eine translatorische Verstellung von Trageinheit und Stelleinheit relativ zueinander bewirkt.
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In einer alternativen Ausführungsform, die als Tauchspindeltrieb bezeichnet wird, ist bei dem Spindeltrieb die Gewindespindel bezüglich Drehung um ihre Spindelachse mit ihrem Koppelabschnitt unverdrehbar mit der Trageinheit oder der Stelleinheit gekoppelt und die Spindelmutter ist drehend antreibbar, aber in Richtung der Spindelachse feststehend entsprechend an der Stelleinheit oder der Trageinheit gelagert. Wie in der ersten Ausführungsform stützt sich die Gewindespindel in Richtung der Spindelachse axial an der Trageinheit oder der Stelleinheit ab, und die Spindelmutter entsprechend an der Stelleinheit oder der Trageinheit, so dass die Gewindespindel durch die Antriebseinheit in Richtung der Spindelachse translatorisch verschiebbar ist.
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Zur Realisierung einer Längsverstellung der Stelleinheit in Richtung der Längsachse der Lenkspindel kann ein Verstellantrieb zwischen dem Mantelrohr der Stelleinheit und einer dieses teleskopartig, axial längsverschieblich aufnehmenden Manteleinheit angeordnet sein, welche mit der Trageinheit verbunden ist, und wobei die Spindelachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse ausgerichtet sein kann.
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Zur Höhenverstellung kann ein Verstellantrieb quer zur Längsachse der Lenkspindel zwischen der Trageinheit und einer daran höhenverstellbar gelagerten Stelleinheit angeordnet sein.
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An einer Lenksäule können eine motorische Längs- und Höhenverstellung einzeln oder in Kombination ausgebildet sein.
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Im Crashfall kann durch einen auf das Lenkrad auftreffenden Körper eine große Kraft, die sogenannte Crashkraft auf die Lenksäule ausgeübt werden, welche in Richtung der Spindelachse in den oder die Verstellantriebe eingeleitet wird, insbesondere in den Spindeltrieb der Längsverstellung, welcher die in Längsrichtung auf die Lenksäule ausgeübte hohe Kraftspitze aufnehmen muss. Durch die Krafteinwirkung kann die Gewindespindel in Richtung der Spindelachse durch die Spindelmutter durchrutschen, die dabei in Drehung versetzt wird. Dies kann zu einer unkontrollierten Relativbewegung von Stell- und Trageinheit führen. Dadurch besteht die Gefahr, dass Energieabsorptionseinrichtungen, die zwischen Stelleinheit und Trageinheit zum kontrollierten Abbau der kinetischen Energie im Crashfall angeordnet sein können, in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt werden.
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Um das das Sicherheitsrisiko durch unkontrolliertes Durchrutschen zu verringern, wird in der
DE 10 2017 201 394 A1 eine Bremseinrichtung vorgeschlagen, die eine zwischen Gewindespindel und Spindelmutter angeordneten Blockiereinrichtung aufweist. Diese wird durch die im Crashfall auftretende hohe Kraftspitze mechanisch betätigt und in eine Blockierposiiton geschoben, in der die Gewindespindel drehfest mit der Spindelmutter verriegelt ist. Diese Blockiereinrichtung bringt einen Sicherheitsgewinn. Es kann jedoch nachteilig sein, dass zur Aktivierung die Crashkraft tatsächlich in einer ausreichenden Höhe auf die Blockiereinrichtung einwirken muss, was erst dann möglich ist, wenn die Crashkraft bereits zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel ansteht. Dadurch kann eine nachteilige Verzögerung der Abbremsung auftreten. Weiters ist die Blockiereinrichtung hohen Belastungen ausgesetzt, da diese auf Grund der bereits eingesetzten Bewegung durch das dynamische Lastkollektiv beaufschlagt wird, um in die Blockierposition überführt zu werden.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Aktivierung der Bremseinrichtung zu ermöglichen, und insbesondere Verzögerungen bei der Aktivierung zu reduzieren und die geringeren Lastspitzen ausgesetzt ist.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Verstellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die motorisch verstellbare Lenksäule gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Verstellantrieb für eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Gewindespindel, die in eine Spindelmutter eingreift, und eine Antriebseinheit, die mit einem Motor wirkverbundene Getriebeelemente aufweist und die mit der Gewindespindel oder der Spindelmutter derart gekoppelt ist, dass die Gewindespindel und die Spindelmutter relativ zueinander drehend antreibbar sind, und umfassend eine Bremseinrichtung zur Abbremsung der Gewindespindel oder der Spindelmutter, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bremseinrichtung einen zwischen einer Bremsstellung und einer Freigabestellung umschaltbaren Bremsaktuator aufweist, der mit einem Bremselement zusammenwirkt, welches in der Bremsstellung kraftschlüssig verspannbar ist mit einem an einem Getriebeelement der Antriebseinheit angebrachten Gegenbremselement, und in Freigabestellung von dem Gegenbremselement lösbar ist.
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Der erfindungsgemäße Bremsaktuator bildet eine Aktuatoreinheit einer Bremse, welche betätigt werden kann, um die Drehbewegung mindestens eines im Antriebsstrang des Spindeltrieb mit dem Motor gekuppelten Getriebeelement aktiv zu bremsen. Hierzu kann von dem Bremsaktuator ein Bremsmoment in mindestens eines der Getriebeelemente eingebracht werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass eine Abbremsung oder Blockierung nicht wie bisher durch eine Crashkraft oder einen Crashweg erfolgt, sondern die Betätigung des Bremsaktuators durch eine externe Ansteuerung unabhängig davon kontrolliert erfolgen kann, wodurch die eingangs geschilderten, nachteiligen Verzögerungen vermieden werden und das Sicherheitsniveau erhöht werden kann.
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Der Bremsaktuator umfasst ein Bremselement, welches mit einer vorgegebenen Bremskraft in einen kraftschlüssigen, bevorzugt einen reibschlüssigen Bremseingriff mit einem drehmomentschlüssig mit der Gewindespindel oder der Spindelmutter verbundenen Getriebeelement gebracht werden kann. Das Bremselement ist über den Bremsaktuator bezüglich der Rotation des Getriebeelements drehfest an dem Verstellantrieb abgestützt. Der Bremseingriff wird dadurch erzeugt, dass das Bremselement gegen ein korrespondierendes Gegenbremselement in Kontakt gebracht und mit der Bremskraft angepresst wird, welches an dem Getriebeelement drehfest befestigt oder einstückig oder einteilig mit diesem ausgestaltet ist. Dabei kann die Bremskraft erfindungsgemäß von dem Bremsaktuator erzeugt werden, wodurch die Größe und der Zeitpunkt des Bremsdrehmoments definiert vorgegeben werden können.
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Der Bremsaktuator ist bezüglich der Drehung des abzubremsenden Getriebeelements drehfest an dem Verstellelement abgestützt, beispielsweise an einem Getriebegehäuse, in dem ein oder mehrere Getriebeelemente drehbar gelagert sind. In der Freigabestellung des Bremsaktuators ist das Bremselement derart von dem korrespondierenden Gegenbremselement gelöst, dass kein Bremseingriff besteht und im Wesentlichen kein Bremsmoment ausgeübt wird, so dass das Getriebeelement beim Verstellen frei rotieren kann. In einer Situation, in der eine sichere Fixierung und Abstützung des Spindeltriebs erfolgen soll, erfolgt ein Umschalten des Bremsaktuators durch externe Ansteuerung. Dadurch wird das Bremselement mit der von dem Bremsaktuator erzeugten Bremskraft gegen das korrespondierende Gegenbremselement belastet und kraftschlüssig damit verspannt, anders ausgedrückt in kraftschlüssigen Bremseingriff gebracht. Das dabei einer Drehung des Getriebeelements entgegenwirkende Bremsmoment wird über des Gegenbremselement und das Bremselement in den Bremsaktuator eingeleitet und gegen den Verstellantrieb abgefangen. Folglich wird eine Rotation des Getriebeelements in dem Getriebegehäuse gebremst, wodurch ein unkontrolliertes Durchrutschen des Spindeltriebs im Crashfall wirksam verhindert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführung ist, dass der Bremsaktuator einen elektromechanischen Aktuator aufweist. Der elektromechanische Aktuator ist als Krafterzeugungsvorrichtung ausgestaltet und eingerichtet, um eine Ansteuerung durch eine elektrische Bestromung in eine Betätigungskraft umzusetzen, um das Bremselement zwischen Brems- und Freigabestellung umzuschalten. Durch den Aktuator kann das relativ zum Bremsaktuator bewegbar angeordnete Bremselement mit einer Bremskraft in Bremseingriff gegen ein Gegenbremselement angedrückt werden, und alternativ oder zusätzlich mit einer von dem Gegenbremselement weg gerichteten, der Bremskraft entgegengesetzten Lösekraft in Richtung auf die Freigabestellung belastet bzw. bewegt werden.
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Ein elektromechanischer Aktuator kann beispielsweise als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet sein, und einen Elektromagneten mit einer oder mehreren Anregungsspulen und einem beweglichen Anker umfassen. Es kann auch ein elektrostriktives Krafterzeugungselement eingesetzt werde, beispielsweise ein Piezo-Aktuator. Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehe, dass der Aktuator ein Magnetostriktionsmaterial aufweist. Das magnetostriktive Material kann mit dem Bremselement verbunden sein, und ermöglicht eine besonders zuverlässige, reaktionsschnelle, verschleißarme und leistungsstarke Bauweise, die mit wenigen mechanischen Komponenten realisierbar ist.
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Ein elektromechanischer Aktuator hat den Vorteil, dass eine elektrische Ansteuerung zur Erzeugung der Betätigungskraft einfach automatisiert realisierbar ist. Beispielsweise kann eine elektrische Steuerung des Aktuators durch ein elektronisches Sicherheitssystem des Kraftfahrzeugs erfolgen, welches auch weitere existierende Sicherheitssysteme wie Airbags, Gurtstraffer und dergleichen auslösen kann. Ein besonderer Vorteil dabei ist, dass im Crashfall ein elektrisches Steuersignal so frühzeitig abgegeben werden kann, dass die Bremseinrichtung von der Freigabestellung in die Bremsstellung umgeschaltet werden kann, noch bevor die Crashkraft mechanisch auf den Spindeltrieb einwirken kann. Dadurch kann eine Verzögerung bei der Aktivierung weitgehend vermieden werden, wodurch das Sicherheitsniveau erhöht wird.
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Der Aktuator kann direkt dem Bremselement angreifen, oder einen die Bremskraft verstärkenden Mechanismus.
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Es ist auch möglich, dass ein hydraulischer oder pneumatischer Aktuator vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Aktuator derart ausgestaltet ist, dass er in einem bestromten Zustand in Freigabestellung ist, und in einem unbestromten Zustand in Bremsstellung ist. Der bestromte Zustand kann beispielsweise im normalen Betrieb eines Kraftfahrzeugs permanent eingeschaltet sein, um eine schnelle verzögerungsfreie elektromotorische Verstellung der Lenksäule zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise bei autonomen fahrenden Fahrzeugen vorteilhaft sein, um beim Übergang vom manuellen in den automatischen Fahrbetrieb die Lenksäule schnell zu verstauen, um umgekehrt schnell aus der Verstauposition in Betriebsposition verstellen zu können. Es ist auch möglich, die Bestromung nur einzuschalten, wenn tatsächlich eine Verstellung gewünscht oder erforderlich ist, und ansonsten den Verstellantrieb unbestromt in der Bremsstellung zu belassen. Somit ist dieser bereits in der Bremsstellung, wenn ein Crashfall eintritt, so dass keine oder nur geringe dynamischen Belastungen im Verstellantrieb auftreten, da ein crashbedingtes Durchrutschen nicht wieder bis zum Stillstand abgebremst werden muss, wie dies im Stand der Technik auftreten kann. Dadurch, dass dynamische Lastzustände vermieden werden, kann die Bremseinrichtung kleiner und kostengünstiger ausgebildet sein, als die aus dem Stand der Technik bekannte Bremseinrichtung.
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Ein Sicherheitsgewinn kann bei der vorgenannten Ausführung daraus resultieren, dass der Bremsaktuator automatisch in die unbestromte Bremsstellung umschaltet, wenn das elektrische Bordnetz beispielsweise bei einem Crash zusammenbricht.
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Es kann vorteilhaft sein, dass der Bremsaktuator ein an dem Bremselement angreifenden Kraftspeicher aufweist. Der Kraftspeicher bildet einen mechanischen Energiespeicher, der ein Betätigungskraft auf das Bremselement ausüben kann, die die vorzugsweise der durch einen elektrischen Aktuator erzeugbaren Betätigungskraft entgegengesetzt ist. Von dem Kraftspeicher kann beispielsweise die Bremskraft erzeugt werden, mit der das Bremselement im Bremseingriff in Richtung gegen das Gegenbremselement belastet wird. Durch einen dem Kraftspeicher entgegengesetzten Aktuator, bevorzugt einem elektrischen Aktuator, kann das Bremselement mit einer der Bremskraft entgegenwirkenden Lösekraft beaufschlagt werden. Solange diese Lösekraft anliegt und höher ist als Betätigungskraft des Kraftspeichers, wird das Bremselement durch den Aktuator in der Lösestellung gehalten. Falls der Aktuator unbestromt ist und abgeschaltet wird, schaltet der Kraftspeicher den Bremsaktuator selbsttätig in die Bremsstellung um. Alternativ kann der Kraftspeicher das Bremselement in der Lösestellung halten, aus der es durch Bestromung eines entgegengesetzt wirkenden elektrischen Aktuators in die Bremsstellung bewegt werden kann.
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Ein Kraftspeicher kann beispielsweise ein mechanisches Federelement, wie ein Druck- oder Zugfeder, oder einen pneumatischen Druckspeicher oder dergleichen umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Gegenbremselement mit einer Motorwelle des Motors und/oder einer mit dem Motor verbundenen Getriebewelle und/oder einem Getrieberad und/oder mit der Spindelmutter oder der Gewindespindel verbunden ist. Bevorzugt kann das Gegenbremselement an einem dieser Getriebeelemente fixiert oder zusammen damit ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Gegenbremselement eine Bremsscheibe mit eine bezüglich der Rotationsachse axialen Bremsfläche umfassen, oder eine Bremstrommel mit zylindrischer Bremsfläche. Dabei kann das Bremselement durch den Bremsaktuator in der Bremsstellung gegen eine derartige Bremsfläche belastet bzw. verspannt werden.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Bremselement und das Gegenbremselement reibschlüssig gegeneinander verspannbare Reibflächen aufweisen. Eine derartige Reibfläche kann bevorzug an einer axialen oder zylindrischen Bremsfläche eines Getriebeelements angeordnet sein. Eine korrespondierende Reibfläche ist an dem korrespondierenden Bremselement der Bremsfläche zugewandt angeordnet, so dass die Reibflächen durch den Bremsaktuator in der Bremsstellung mit der Bremskraft gegeneinander angedrückt werden können. Eine oder beide Reibflächen können mit einer reibungserhöhenden Oberfläche ausgestaltet sein, wobei an der Oberfläche ein Material und/oder eine Struktur mit einem hohen relativen Reibungskoeffizienten angebracht ist. Dadurch kann mit einer relativ geringen Bremskraft des Bremsaktuators ein ausreichend hohes Bremsmoment erzeugt werden.
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Bevorzugt können die Getriebeelemente ein Schneckenrad und eine darin eingreifende Schneckenwelle umfassen. Ein Schneckenrad kann beispielsweise direkt auf der Motorwelle angeordnet oder mit dieser gekuppelt sein. Das Schneckenrad kann in an sich bekannter Weise wie beispielsweise in der eingangs genannten
DE 10 2017 201 394 A1 beschrieben drehfest mit der Gewindespindel oder der Spindelmutter verbunden sein. Durch die erfindungsgemäße Bremseinrichtung kann bevorzugt die Schneckenwelle gebremst werden.
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Es ist vorteilhaft, dass die Getriebeelemente ein Untersetzungsgetriebe bilden, wobei die Bremseinrichtung an einem der Gewindespindel oder der Spindelmutter vorgelagerten Getriebeelement angeordnet ist. Das Untersetzungsgetriebe ermöglicht den Einsatz eines relativ hochtourigen, klein bauenden Motors mit relativ geringem Antriebsmoment. Bevorzugt kann das Untersetzungsgetriebe Schneckenrad an der Gewindespindel umfassen, in das eine mit dem Motor verbundene, dem Schneckenrad im Antriebsstrang vorgelagerte Schnecke oder Schneckenwelle eingreift. Durch die Untersetzung reicht die Abbremsung des vorgelagerten Getriebeelements, beispielsweise der Schnecke, mit einem relativ geringen Bremsmoment aus, um ein ausreichend hohes Bremsmoment an einem nachgelagerten Getriebeelement, beispielsweise dem Schneckenrad, zu realisieren. Dabei ist vorteilhaft, dass der Bremsaktuator nur eine relativ geringe Bremskraft zur Verfügung stellen muss, und entsprechend wenig Leistung erfordert und kompakt aufgebaut sein kann.
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Die Bremseinrichtung kann eine Bremszange aufweisen. Die Bremszange weist einander gegenüberliegende Zangenflächen auf, die bevorzugt als Reibflächen ausgebildete Bremsflächen aufweisen, durch den Bremsaktuator gegeneinander bewegt werden können. Derartige Anordnungen sind im Prinzip von Scheiben- oder Trommelbremsen bekannt. Die Bremszange kann auch eine Hebelübersetzung aufweisen, um die von dem Aktuator erzeugte Bremskraft zu verstärken.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Bremseinrichtung eine Bandbremse aufweist. Eine Bandbremse hat als Bremselement ein den Umfang eines zylindrischen, trommelförmigen Gegenbremselements umschlingendes Band, welches an seinem Innenumfang eine als Reibfläche ausgebildete Bremsfläche hat. Die Reibfläche liegt von außen über einen Umfangsabschnitt an einer Gegenreibfläche am Außenumfang des Gegenbremselement an. Die von dem Umfang abstehenden freien Schenkel des Bandes sind von dem Bremsaktuator in Umfangsrichtung gegeneinander zusammenbewegbar, wobei die Schlinge zusammengezogen und das Band außen auf dem Gegenbremselement reibschlüssig verspannt wird. Das Gegenbremselement kann an einem zylindrischen Wellenabschnitt angeordnet oder ausgebildet sein, und das Band kann nach Art einer Rohrschelle ausgebildet sein, welche den Wellenabschnitt zumindest abschnittweise umschließt, und freie Schenkel aufweist, an denen ein Aktuator zur Einleitung der Bremskraft angreift. Eine derartige Bandbremse hat den Vorteil einer hohen Kraftübersetzung, so dass mit einem leistungsschwachen, kleinen Bremsaktuator ein ausreichend hohes Bremsmoment erzeugt werden kann. Außerdem kommt eine Bandbremse mit wenigen mechanischen Elementen aus, ist konstruktiv einfach und zuverlässig im Betrieb.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine motorisch verstellbare Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, mit einer Trageinheit, die an einer Fahrzeugkarosserie anbringbar ist, und von der eine Stelleinheit gehalten ist, in der eine Lenkspindel drehbar gelagert ist, und mit einem Verstellantrieb, der eine Gewindespindel, die in eine Spindelmutter eingreift, und eine Antriebseinheit umfasst, die mit einem Motor wirkverbundene Getriebeelemente aufweist und die mit der Gewindespindel oder der Spindelmutter derart gekoppelt ist, dass die Gewindespindel und die Spindelmutter relativ zueinander drehend antreibbar sind, und der Verstellantrieb eine Bremseinrichtung aufweist zur Abbremsung der Gewindespindel oder der Spindelmutter, wobei der Verstellantrieb mit der Trageinheit und der Stelleinheit gekoppelt ist, bei welcher der Verstellantrieb ausgebildet ist gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verstellantrieb und der Lenksäule mit einem solchen Verstellantrieb können die beschriebenen Merkmale jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lenksäule,
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Lenksäule gemäß 1 aus einem anderen Betrachtungswinkel,
- 3 einen erfindungsgemäßen Verstellantrieb einer Lenksäule gemäß 1 und 2 in einer freigestellten schematischen Ansicht,
- 4 eine vergrößerte Detailansicht von 3,
- 5 eine Teilansicht der Antriebseinheit des Verstellantriebs gemäß 2 in Bremsstellung,
- 6 eine Teilansicht wie in 5 der Antriebseinheit in Freigabestellung,
- 7 eine schematische Detailansicht des Aktuators der Antriebseinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Lenksäule 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht von oben links schräg auf das hintere Ende, bezogen auf die Fahrtrichtung eines nicht dargestellten Fahrzeugs, wo ein hier nicht dargestelltes Lenkrad im Bedienungsbereich gehalten wird. 2 zeigt die Lenksäule 1 in einer Ansicht von der gegenüberliegenden Seite, also von rechts gesehen.
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Die Lenksäule 1 umfasst eine Trageinheit 2, welche als Konsole ausgebildet ist, die Befestigungsmittel 21 in Form von Befestigungsbohrungen aufweist, zur Anbringung an einer nicht dargestellten Fahrzeug-Karosserie. Von der Trageinheit 2 wird eine Stelleinheit 3 gehalten, die in einer Manteleinheit 4 - auch als Führungskasten oder Kastenschwinge bezeichnet - aufgenommen ist.
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Die Stelleinheit 3 weist ein Mantelrohr 31 auf, in dem eine Lenkspindel 32 um eine Längsachse L drehbar gelagert ist, die sich axial in Längsrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse L, erstreckt. Am hinteren Ende ist an der Lenkspindel 32 ein Befestigungsabschnitt 33 ausgebildet, an dem ein nicht dargestelltes Lenkrad anbringbar ist.
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Die Stelleinheit 3 ist zur Realisierung einer Längsverstellung in der Manteleinheit 4 in Richtung der Längsachse L teleskopartig verschiebbar aufgenommen, um das mit der Lenkspindel 32 verbundene Lenkrad relativ zur Trageinheit 2 in Längsrichtung vor und zurück positionieren zu können, wie mit dem Doppelpfeil parallel zur Längsachse L angedeutet ist.
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Ein erster Verstellantrieb 5 zur Längsverstellung der Stelleinheit 3 relativ zur Manteleinheit 4 in Richtung der Längsachse L weist einen Spindeltrieb mit einer Spindelmutter 51 mit einem Innengewinde auf, in die eine sich längs einer Spindelachse G erstreckende Gewindespindel 52 eingreift, also mit ihrem Außengewinde in die Spindelmutter 51 eingeschraubt ist. Die Spindelachse G verläuft im Wesentlichen parallel zur Längsachse L.
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Die Spindelmutter 51 ist um die Achse G drehbar in einem Lagergehäuse 53 gelagert, welches fest mit der Manteleinheit 4 verbunden ist. In Richtung der Spindelachse G ist die Spindelmutter 51 axial über das Lagergehäuse 53 an der Manteleinheit 4 abgestützt.
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Die Gewindespindel 52 ist mit einem an ihrem hinteren Ende ausgebildeten Befestigungselement 54 über ein Übertragungselement 34 mit der Stelleinheit 3 verbunden, und zwar fest in Richtung der Achse G bzw. der Längsachse L und feststehend bezüglich Drehung um die Achse G. Durch die drehend antreibbare Spindelmutter 51 und die bezüglich Drehung feststehende Gewindespindel 52 wird ein sogenannter Tauchspindelantrieb realisiert.
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Dass Übertragungselement 34 erstreckt sich von der Stelleinheit 3 durch eine schlitzförmige Durchgangsöffnung 42 in der Manteleinheit 4. Zur Verstellung der Lenksäule 1 in Längsrichtung kann das Übertragungselement 34 frei in der Durchgangsöffnung 42 in Längsrichtung entlangbewegt werden.
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Der Verstellantrieb 5 weist einen elektrischen Motor 55 auf, von dem die Spindelmutter 51 bezüglich der Spindelachse G relativ zur feststehenden Gewindespindel 52 drehend antreibbar ist. Dadurch kann - je nach Drehrichtung des Antriebsmotors 55 - die Gewindespindel 52 in Richtung der Achse G translatorisch relativ zur Spindelmutter 51 verlagert werden, so dass entsprechend die mit der Gewindespindel 52 verbundene Stelleinrichtung 3 relativ zu der mit der Spindelmutter 51 verbundenen Manteleinheit 4 in Richtung der Längsachse L verstellt wird. Der Antrieb der Spindelmutter 51 wird weiter unten noch detailliert erläutert.
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Die Manteleinheit 4 ist um eine quer zur Längsachse L liegende, horizontale Schwenkachse S verschwenkbar in einem Schwenklager 22 an der Trageinheit 2 gelagert. Im hinteren Bereich ist die Manteleinheit 4 über einen Stellhebel 41 mit der Trageinheit 2 verbunden. Durch eine Drehbewegung des Stellhebels 41 mittels eines zweiten Stellantriebs 6 (siehe 2) kann die Manteleinheit 4 relativ zur Trageinheit 2 um die im Einbauzustand waagerecht liegende Schwenkachse S verschwenkt werden, wodurch eine Verstellung eines an dem Befestigungsabschnitt 33 angebrachten Lenkrads in Höhenrichtung H vorgenommen werden kann, was mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
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In 2, welche eine perspektivische Ansicht der Lenksäule 1 von der in 1 hinten liegenden Seite zeigt, ist erkennbar, wie der zweite Verstellantrieb 6 zur Verstellung in Höhenrichtung H an der Lenksäule 1 angebracht ist. Dieser umfasst eine Spindelmutter 61, in deren Innengewinde längs einer Spindelachse G eine Gewindespindel 62 eingreift. Die Gewindespindel 62 ist in einem Lagergehäuse 63, welches an der Manteleinheit 4 befestigt ist, drehbar um die Spindelachse G gelagert und axial, d.h. in Richtung der Achse G, an der Manteleinheit 4 abgestützt, und von einem elektrischen Motor 65 wahlweise in beide Rotationsrichtungen um die Achse G drehend antreibbar. Entsprechend handelt es sich bei dem Verstellantrieb 6 um einen sogenannten Rotationsspindelantrieb.
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Die Spindelmutter 61, die aus Kunststoff oder aus einem Buntmetall wie Messing oder dergleichen gebildet sein kann, ist bezüglich einer Drehung um die Achse G feststehend an einem Ende des zweiarmigen Stellhebels 41 angebracht, der um ein Schwenklager 22 drehbar an der Trageinheit 2 gelagert ist, und dessen anderer Arm mit dem anderen Ende mit der Manteleinheit 4 verbunden ist.
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Durch Drehung der Gewindespindel 61 kann - je nach Drehrichtung des Antriebsmotors 65 - die Spindelmutter 62 in Richtung der Achse G translatorisch relativ zur Gewindespindel 61 verlagert werden, so dass entsprechend die über den Stellhebel 41 mit der Spindelmutter 61 verbundene Manteleinheit 4 samt der darin aufgenommenen Stelleinrichtung 3 relativ zu der Trageinheit 2 in Höhenrichtung H auf oder ab verstellt werden kann, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet.
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3 zeigt den Verstellantrieb 5 in einer schematisch freigestellten perspektivischen Ansicht, wobei das Lagergehäuse 53 zur besseren Übersicht weggelassen ist. Die darin zum drehenden Antrieb der Spindelmutter 51 sichtbare Antriebseinheit umfasst den Motor 55, auf dessen Motorwelle 57 eine Schnecke 56 drehfest angebracht ist, die mit einem drehfest mit der Spindelmutter 51 verbundenen Schneckenrad 58 in Getriebeeingriff steht. Koaxial zu Spindelachse G umlaufende Schneckenverzahnung des Schneckenrads 58 kann beispielsweise im Kunststoffspritzguss an die Spindelmutter 51 angespritzt sein, oder einstückig mit dieser ausgebildet sein.
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Mit der Motorwelle 57 wirkt eine erfindungsgemäße Bremseinrichtung 7 zusammen, die in 4 ausschnittweise vergrößert dargestellt ist, und in den 5 und 6 in bezüglich der Motorwelle 57 axialer Ansicht, und zwar in Freigabestellung (6) und in Bremsstellung (5).
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Die Bremseinrichtung 7 ist im gezeigten Beispiel als Bandbremse ausgeführt, die eine auf der Motorwelle 57 angebrachte Bandschelle 71 aufweist. Die Bandschelle 71 umschlingt den überwiegenden Außenumfang der Motorwelle 57. Die am Außenumfang anliegende Innenfläche bildet dabei die eine Bremsfläche der Bandschelle 71, die ein Bremselement im Sinne der Erfindung darstellt, und die Motorwelle 57 stellt das korrespondierende Gegenbremselement dar, dessen Außenfläche die Gegenbremsfläche bildet. Die Bandschelle 71 weist an ihren Enden zwei im Wesentlichen radial abstehende Schenkel 72 auf, die einander mit geringem Abstand in Umfangsrichtung gegenüberliegen. An den beiden Schenkeln 72 greifen in Umfangsrichtung von außen zwei Arme 73 eines Aktuators 74 an. Dieser ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als magnetostriktiver Aktuator ausgebildet mit einer elektrisch bestrombaren Erregerspule 75, die an eine nicht dargestellte elektrische Steuerung angeschlossen ist. Die Erregerspule 75 ist auf einem Kern 76 gewickelt, der magnetostriktives Material aufweist, und der mit den beiden 73 Armen verbunden ist. Dabei liegt der Kern 76 parallel zu den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln 72.
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Der Aktuator 74 der Bremseinrichtung 7 ist bezüglich Rotation um die Motorwelle 57 relativ zum Motor 55 fixiert. Beispielsweise kann der Aktuator 74 direkt am Motor 55 festgelegt sein, beispielsweise an dessen Motorgehäuse.
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5 zeigt die Bremseinrichtung in der Bremsstellung in einer axialen Ansicht in Richtung der Motorwelle 57, also auf die axiale Stirnseite des freien Endes der Motorwelle 57. Die Erregerspule 75 befindet sich im unbestromten Zustand. Der Kern 76 ist in diesem magnetfeldfreien, unbestromten Ruhezustand so bemessen, dass die beiden damit verbundenen Arme 73 mit der Bremskraft F in Umfangsrichtung von außen gegen Schenkel 72 der Bandschelle 71 angedrückt werden. Durch die Reibung zwischen der Innenseite der Bandschelle 71 und der Außenseite der Motorwelle 57 wird ein Bremsmoment ausgeübt, wodurch die Bremsstellung erzeugt und die Rotation der Motorwelle 57 gebremst wird.
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In der Bremsstellung wird zusammen mit der Motorwelle 57 die Schnecke 56 gebremst, und über den Eingriff in das Schneckenrad 58 die Spindelmutter 51 bezüglich der Gewindespindel 52.
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6 zeigt in derselben Ansicht wie 5 den bestromten Zustand, und die dadurch erzeugte Freigabestellung. Durch den Stromfluss durch die Erregerspule 75 wird im Kern 76 ein Magnetfeld erzeugt, so dass dieser verlängert wird. Dieser Vorgang ist schematisch in 7 gezeigt, wo oben der unbestromte (kurze) Ruhezustand des Kerns 76 gezeigt ist, und unten der bestromte Zustand, in dem die Gesamtlänge des Kerns 76 um den Betätigungsweg Δs verlängert ist. Bewirkt wird dies durch die Ausrichtung der schematisch eingezeichneten Elementarmagnete 760 im Magnetfeld der Erregerspule 75. Die Umschaltung vom unbestromten in den bestromten Zustand ist in 7 schematisch mit dem Pfeil angedeutet.
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Durch die magnetfeldinduzierte Längenausdehnung des Kerns 76 werden die beiden mit den Armen 73 verbundenen Schenkel 72 der Bandschelle 71 in Umfangsrichtung so weit auseinander bewegt, dass zwischen dem Innenumfang der Bandschelle 71 und dem Außenumfang der Motorwelle 57 ein radialer Spalt 77 entsteht, oder die Bandschelle 71 allenfalls kraftfrei anliegt, so dass sich die Motorwelle 57 beim Einschalten des Motors 55 frei drehen kann. Dadurch kann die Schnecke 56 drehend angetrieben werden, die ihrerseits durch den Eingriff mit dem Schneckenrad 58 die Spindelmutter 51 relativ zur Gewindespindel 52 drehend antreibt. Dadurch kann der Verstellantrieb 5 zur Verstellung aktiviert werden.
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Ausgehend von der Bremsstellung gemäß 5, in welcher der Kern 76 seine kürzere Ruhelänge hat, wird der Kern 76 durch Bestromung der Erregerspule 75 um den Betätigungsweg Δs verlängert. Dadurch werden die beiden mit dem Kern 76 verbundenen Arme 73 voneinander weg bewegt, wie in 6 mit den Pfeilen eingezeichnet. Dabei nehmen die Arme 73 die damit verbundenen Schenkel 71 mit, und drücken diese mit einer von dem Aktuator 74 erzeugten Lösekraft R, auch als Betätigungskraft bezeichnet, in Umgangsrichtung auseinander, d.h. voneinander weg. Dadurch wird die Bandschelle 71 auseinander gebdrückt und mit ihrem Innenumfang radial vom Außenumfang der Motorwelle 57 in radialer Richtung abgehoben.
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Der Vorteil ist, dass durch den Aktuator 74 nur ein relativ geringer Betätigungsweg Δs und eine relativ kleine Betätigungskraft F aufgebracht werden muss, um die erfindungsgemäße Bandbremse im bestromten Freigabezustand zu halten, so dass über den drehenden Antrieb der Motorwelle 57 eine Verstellung erfolgen kann.
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Wird die Bestromung abgeschaltet, werden die beiden Schenkel 72 durch den sich dann wieder verkürzenden Kern 76, selbsttätig wieder zusammen bewegt, so dass wieder die in 5 dargestellte Bremsstellung eingenommen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksäule
- 2
- Trageinheit
- 21
- Befestigungsmittel
- 22
- Schwenklager
- 3
- Stelleinheit
- 31
- Mantelrohr
- 32
- Lenkspindel
- 33
- Befestigungsabschnitt
- 34
- Übertragungselement
- 4
- Manteleinheit
- 41
- Stellhebel
- 42
- Durchgangsöffnung
- 5, 6
- Verstellantrieb
- 51, 61
- Spindelmutter
- 52, 62
- Gewindespindel
- 53, 63
- Lagergehäuse
- 54
- Befestigungselement
- 55, 65
- Motor (Antriebsmotor)
- 56, 66
- Schnecke
- 57
- Motorwelle
- 58
- Schneckenrad
- 7
- Bremseinrichtung
- 71
- Bandschelle
- 72
- Schenkel
- 73
- Arm
- 74
- Aktuator
- 75
- Motorwelle
- 76
- Kern
- 77
-
- 760
- Elementarmagnet
- L
- Längsachse
- H
- Höhenrichtung
- G
- Spindelachse (Gewindespindelachse)
- Δs
- Betätigungsweg
- F
- Bremskraft
- R
- Lösekraft (Betätigungskraft)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017201394 A1 [0009, 0027]
