DE102021204136B3

DE102021204136B3 - Lenksäule für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021204136B3
Application number: DE102021204136.1A
Authority: DE
Inventors: Hieronymus Schnitzer
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2041-04-27
Also published as: CN115246436A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenksäule (10) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine von einer Trageinheit (2) gehaltene Lenkspindel (32), die eine in einer Längsrichtung erstreckte Längsachse (L) aufweist und die zumindest ein Lenkwellenteil (33) aufweist, welches relativ zu der Trageinheit (2) in Längsrichtung über einen Verstellweg verstellbar ist, wobei zwischen der Lenkspindel (32) und der Trageinheit (2) eine Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung angeordnet ist. Um eine einfachere Integration von Lenkeingabevorrichtungen (6) zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass die Verriegelungseinrichtung über den gesamten Verstellweg die drehfeste Verriegelung bereitstellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine von einer Trageinheit gehaltene Lenkspindel, die eine in einer Längsrichtung erstreckte Längsachse hat und die zumindest ein Lenkwellenteil aufweist, welches relativ zu der Trageinheit in Längsrichtung über einen Verstellweg verstellbar ist, wobei zwischen der Lenkspindel und der Trageinheit eine Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung angeordnet ist, die über den gesamten Verstellweg die drehfeste Verriegelung bereitstellt.
Eine derartige Lenksäule eines Kraftfahrzeugs weist eine Lenkeingabevorrichtung zur Eingabe von Lenkbefehlen auf, die im Folgenden auch als Lenkhandhabe oder Lenkrad bezeichnet wird. Diese ist bezüglich der Fahrtrichtung hinten, fahrerseitig an der Lenkspindel angebracht.
Bei einem Steer-by-Wire-Lenksytem ist die Lenkhandhabe ausgestaltet, um manuell eingegebene Lenkbefehle in elektrische Steuersignale zur Ansteuerung elektromotorischer Lenkaktuatoren umzusetzen, welche einen Lenkeinschlag der zu lenkenden Räder erzeugen. Eine mechanische Verbindung zwischen der Lenkhandhabe und den Rädern ist bei einer gattungsgemäßen Lenksäule nicht vorgesehen.
Bei einer ADAS (Advanced Driver Assistance Systems)-Steuerung eines Kraftfahrzeugs kann ein autonomer Fahrmodus realisiert sein, in dem kein manueller Lenkeingriff erfolgt, und ein manueller Modus, in dem Lenkbefehle manuell über die Lenkhandhabe eingegeben werden können.
Um die Lenkhandhabe im manuellen Modus in einer fahrerseitig komfortabel manuell erreichbaren Bedienposition zu positionieren, und im autonomen Modus die dann funktionslose Lenkhandhabe außerhalb der Bedienposition im Fahrzeuginnenraum verstauen zu können, ist es bekannt, die Lenkspindel mit der daran angebrachten Lenkeingabevorrichtung an der karosseriefest angebrachten Trageinheit verstellbar anzubringen. Dabei ist der Verstellweg der Lenkspindel definiert durch den Abstand zwischen der Bedienposition, in der die Lenkspindel bezüglich der Trageinheit maximal nach hinten fahrerseitig ausgezogen ist, und der Verstauposition, in der die Lenkspindel maximal nach vorn karosserieseitig eingeschoben ist.
Um im autonomen Fahrmodus des Fahrzeuginnenraum für eine anderweitige Nutzung freizugeben, haben dafür geeignete Lenksäulen einen relativ großen Verstellweg.
Im Stand der Technik ist eine Lenksäule der eingangs genannten Art in der US 2017/0369091 A1 beschrieben. Diese weist eine Verriegelungseinrichtung auf, die umschaltbar ist zwischen einer Freigabestellung und einer Verriegelungsstellung, wobei in der Freigabestellung eine Lenkspindel mit mechanisch gekuppelten Lenkwellenteilen relativ zur Trageinheit um ihre Längsachse drehbar ist zur mechanischen Durchleitung eines manuell eingebrachten Lenkmoments durch die Lenksäule. Die Freigabestellung entspricht der Bedienposition im manuellen Modus. Wird die Lenkspindel aus dieser Bedienposition durch Verstellen relativ zur Trageinheit in Längsrichtung eingeschoben, wird beim Erreichen der Verstauposition am Ende des Verstellwegs die Verriegelungseinrichtung in die Verriegelungsstellung gebracht, in der das die Lenkhandhabe aufweisende Lenkwellenteil der Lenkspindel drehfest bezüglich Drehung um die Längsachse mit der Trageinheit verriegelt ist, und gleichzeitig von dem durch die Lenksäule hindurchgeführten Lenkwellenteil entkuppelt ist. Dadurch ist es möglich, die an der Lenkspindel angebrachte Lenkeingabevorrichtung in der Verstauposition rotationsfest zu fixieren, wobei der entkuppelte Lenkwellenteil weiterhin in der Lenksäule drehbar ist.
Die bekannte Konstruktion mit der entkuppelbaren, durch die Lenksäule drehbar hindurchgeführten Lenkspindel, und der umschaltbaren Verriegelungseinrichtung ist jedoch relativ aufwendig und schwer. Hinzu kommt, dass nur konventionelle Bauformen von Lenkhandhaben eingesetzt werden können, die zur direkten mechanischem Einleitung eines Lenkmoments in die Lenkspindel ausgelegt sind, und in der Bedienposition zusammen mit der Lenkspindel drehbar sind. Elektronische Lenkeingabevorrichtungen, insbesondere mit integriertem Feedback-Aktuator zur Erzeugung eines Feedback-Moments, können nicht eingesetzt werden, oder würden einen erheblichen konstruktiven Zusatzaufwand zur Abstützung der auftretenden Reaktionsmomente erfordern.
Eine Lenksäule der eingangs genannten Art ist in der DE 10 2019 215 681 A1 beschrieben, die eine wahlweise ein- oder ausschaltbare Verriegelungseinrichtung aufweist. Diese ist jedoch relativ aufwendig.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfachere Integration von elektronischen Lenkeingabevorrichtungen zu ermöglichen, insbesondere mit integriertem Feedback-Aktuator.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Lenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einer Lenksäule für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine von einer Trageinheit gehaltene Lenkspindel, die eine in einer Längsrichtung erstreckte Längsachse aufweist und die zumindest ein Lenkwellenteil aufweist, welches relativ zu der Trageinheit in Längsrichtung über einen Verstellweg verstellbar ist, wobei zwischen der Lenkspindel und der Trageinheit eine Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung angeordnet ist, die über den gesamten Verstellweg die drehfeste Verriegelung bereitstellt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verriegelungseinrichtung bezüglich der drehfesten Verriegelung unlösbar ausgestaltet ist.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verriegelungseinrichtung bezüglich der drehfesten Verriegelung unlösbar ausgestaltet ist. Dabei ist mit einer unlösbaren Verriegelung gemeint, dass ein Lösen der Verriegelung im regulären Betrieb des Fahrzeugs nicht vorgesehen ist, sondern ein Zerlegen oder Zerstören erforderlich machen würde. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Drehung der Lenkspindel im normalen Betrieb sicher verhindert wird. Eine unlösbare drehfeste Fixierung ist konstruktiv einfach, raum- und gewichtssparend realisierbar.
Bevorzugt ist der gesamte Verstellweg zwischen einer Verstauposition und einer Betriebsposition ausgebildet. Die Verriegelungseinrichtung kann dann über den gesamten Verstellweg die drehfeste Verriegelung bereitstellen.
Die erfindungsgemäße Lenksäule ist für ADAS-Kraftfahrzeuge ausgestaltet und zwischen einer im Fahrzeuginnenraum innerhalb eines von der Fahrerposition manuell erreichbaren Bedienbereichs liegenden Betriebsposition und einer außerhalb des Bedienbereichs liegenden Verstauposition verstellbar. Die Betriebsposition, in der die Lenkspindel so weit wie möglich nach hinten fahrerseitig von der Trageinheit aus gesehen ausgezogen ist, und die Verstauposition, in der die Lenkspindel so weit wie möglich nach vorn relativ zur Trageinheit karosserieseitig eingeschoben ist, bilden die Endpositionen des Verstellwegs. Der Verstellweg ist qualitativ größer als bei bekannten verstellbaren Lenksäulen, die zur Einstellung einer komfortablen Bedienposition lediglich innerhalb des relativ kleinen Bedienbereichs verstellbar sind.
Durch die Verriegelungseinrichtung ist die Lenkspindel relativ zur Trageinheit, die fest an einer Fahrzeugkarosserie anbringbar und abstützbar ist, bezüglich Drehung um die Längsachse drehfest fixiert. Erfindungsgemäß ist die Verriegelungseinrichtung derart ausgestaltet, dass eine über den gesamten, maximalen Verstellweg durchgehende drehfeste Verriegelung realisiert wird. Die Lenkspindel ist dabei zur Verstellung in Längsrichtung relativ zur Trageinheit translatorisch verstellbar, aber in jedem translatorischen Verstellzustand innerhalb des gesamten Bedienbereichs und der Verstauposition relativ zur Trageinheit drehfest fixiert. Dadurch ist es möglich, eine Steer-by-Wire-Lenkhandhabe fahrerseitig in einer bezüglich der Längsachse definiert vorgegebenen Winkelposition an der Lenkspindel zu fixieren, wobei in der Betriebsposition im manuellen Modus über die Lenkeingabeeinrichtung eingetragene Bedienmomente bezüglich Drehung um die Längsachse über die Lenkspindel abgestützt werden können. Die Bedienmomente resultieren aus manuellen Lenkmomenten, die in der Lenkeingabevorrichtung mittels eines Drehmomentsensors elektronisch erfasst werden. Durch die erfindungsgemäße drehfeste Fixierung kann der Drehmomentsensor einfach an der Lenkspindel drehfest fixiert und abgestützt werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass ein aktiver Feedback-Aktuator der Lenkeingabevorrichtung oder Lenkhandhabe, von dem zur Simulation eines realistischen Fahrgefühls während der Bedienung in der Bedienposition ein Rückstell- oder Feedback-Moment auf ein manuelles Bedienelement abgegeben werden kann, ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen an der Lenkspindel festgelegt werden kann. Dank der erfindungsgemäß im gesamten Bedienbereich drehfest fixierten Lenkspindel können jegliche im manuellen Betrieb an der Lenkeingabevorrichtung anstehenden Bedien- und Rückstellmomente über die Lenkspindel und die Trageinheit gegen die Fahrzeugkarosserie abgestützt werden.
Ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass eine Steer-by-Wire-Lenkeingabevorrichtung einfacher in eine Lenksäule integriert werden kann. Dabei kann die Verriegelungseinrichtung zur Realisierung der über den gesamten Verstellweg durchgehend drehfesten Fixierung der Lenkspindel relativ zur Trageinheit mit geringerem Aufwand und Gewicht realisiert werden, als die schaltbare Verriegelungseinrichtung im Stand der Technik.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch Integration einer erfindungsgemäßen Verriegelungseinrichtung ein Grundaufbau einer konventionellen längenverstellbaren Lenksäule genutzt werden kann, um einen Betrieb in ADAS-Fahrzeugen zu ermöglichen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Konstruktions- und Fertigungsaufwand reduziert werden.
Bevorzugt weist die Lenksäule kein Lenkradschloss auf. Mit anderen Worten ist die Lenksäule Lenkradschloss-frei ausgebildet. Ein Lenkradschloss ist eine Vorrichtung, die zwischen einer Verriegelungsstellung und einer Freigabestellung umschaltbar ist, wobei in der Verriegelungsstellung die Rotation der Lenkspindel um ihre Längsachse begrenzt ist und in der Freigabestellung die Lenkspindel um ihre Längsachse rotierbar ist.
Die Verriegelungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist kein Lenkradschloss. Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass die Verriegelungseinrichtung an der Trageinheit und an der Lenkspindel angebrachte, korrespondierende Formschlusselemente aufweist. Die Formschlusselemente sind in jedem Verstellzustand der Lenksäule im Formschlusseingriff bezüglich Drehung um die Längsachse formschlüssig miteinander verbunden, und erzeugen eine drehschlüssige Verbindung zwischen der Trageinheit und der Lenkspindel. Die Formschlusselemente können einfach durch radial bezüglich der Längsachse ineinandergreifende Führungselemente realisiert werden, beispielsweise durch einen axial bezüglich der Längsachse, in Längsrichtung erstreckten unrunden Querschnitt, der beispielsweise radiale Vorsprünge, Zähne oder dergleichen aufweisen kann, der in korrespondierenden axialen Vertiefungen, negativen Zahnausnehmungen oder dergleichen zur Verstellung in Längsrichtung verlagerbar ist. Die Führungselemente sorgen für die erfindungsgemäße Verriegelung der relativen Drehung und ermöglichen die translatorische Verstellung, jeweils über den gesamten möglichen Verstellweg zwischen der Betriebs- und Verstauposition.
Durch die Formschlusselemente kann mit geringem Aufwand und Raumbedarf in Verstellrichtung zwischen Lenkspindel und Trageinheit eine über den Verstellweg durchgehende Führung gebildet werden. Die Führung ist bevorzugt als translatorische Zwangsführung in Längsrichtung ausgebildet, beispielsweise als Gleitführung mit spielhaltigem Formschlusseingriff. Es ist auch denkbar und möglich, zur Ausbildung einer linearen Wälzlagerung zwischen Lenkspindel und Trageinheit in Längsrichtung abrollbare Wälzkörper anzuordnen, die gleichzeitig in Umfangsrichtung bezüglich Drehung um die Längsachse als Formschlusselemente wirken. Dadurch kann leichtgängige und praktisch spielfreie drehfeste Verriegelung bereitgestellt werden.
Die Formschlusselemente können einteilig oder einstückig integriert ausgebildet sein, beispielsweise durch einen in Längsrichtung durchgehenden unrunden Profilquerschnitt der Lenkspindel und/oder der Trag- oder Manteleinheit. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich ein Formschlusselement separat bereitzustellen und anzubringen, beispielsweise als Gleitstück oder Gleitöffnung, welches an der Manteleinheit angebracht werden kann. Dadurch werden die konstruktiven Möglichkeiten erweitert, auch im Hinblick auf eine erfindungsgemäße Ausgestaltung und Weiterbildung von bestehenden Grundkonstruktionen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Trageinheit eine die Lenkspindel zumindest abschnittweise koaxial umgebende Manteleinheit aufweist. Die Manteleinheit kann bevorzugt mindestens ein in Längsrichtung erstrecktes Mantelrohr oder einen Führungskasten aufweisen, und mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden. In einem in Längsrichtung erstreckten Öffnungsquerschnitt ist die Lenkspindel zur Verstellung in Längsrichtung verlagerbar aufgenommen. Dadurch wird ein kompakter und geschützter Aufbau ermöglicht.
Es ist mit Vorteil möglich, dass die Trageinheit mindestens zwei teleskopierbare Mantelrohre aufweist. Dadurch kann eine die Lenkspindel aufnehmende, längenvariable Manteleinheit gebildet werden, mit in Längsrichtung axial relativ zueinander verstellbaren Mantelrohren. Ein inneres Mantelrohr, gleichbedeutend Innenmantelrohr oder kurz Innenmantel genannt, taucht axial teleskopierbar ein in einen äußeren Mantel, gleichbedeutend aus als Außenmantelrohr oder kurz als Außenmantel bezeichnet. Es können auch ein oder mehrere Zwischenmantelrohre zwischen Innen- und Außenmantel angeordnet sein, wodurch ein Mehrfachteleskop gebildet werden kann. Das Außenmantelrohr kann als oberer Mantel fahrerseitig, also bezüglich der Fahrtrichtung hinten angeordnet sein, oder alternativ als unterer Mantel karosserieseitig, bezüglich der Fahrtrichtung vorn. Die telekopierbare Trageinheit hat den Vorteil, dass die Lenkspindel in jedem Verstellzustand geschützt innerhalb der Mantelrohre aufgenommen ist.
Die Mantelrohre einer teleskopierbaren Manteleinheit können drehmomentschlüssig bezüglich Drehung um die Längsachse miteinander gekuppelt sein, beispielsweise durch einen unrunden Rohrquerschnitt oder andere Formen von axial relativ zueinander verlagerbaren, eine drehschlüssige Verbindung erzeugenden, korrespondierenden Formschlusselementen an den Mantelrohren.
Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Verriegelungseinrichtung kann vorgesehen sein, dass die Manteleinheit oder mindestens eines der Mantelrohre ein Formschlusselement aufweist, welches in der oben beschriebenen Weise mit einem Formschlusselement der Lenkspindel korrespondiert.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Lenkspindel mindestens zwei teleskopierbare Lenkwellenteile aufweist. Jedes der Lenkwellenteile bildet einen axialen Lenkwellenabschnitt. Eine teleskopartige Längenverstellbarkeit kann dadurch realisiert werden, dass die Lenkwellenteile eine in eine rohrförmige Außenwelle eintauchende, in Längsrichtung teleskopartig verstellbare Innenwelle aufweisen. Die Außenwelle kann fahrerseitig als obere Lenkwelle angeordnet sein, und die Innenwelle karosserieseitig als untere Lenkwelle, oder umgekehrt. Auf diese Weise können mit geringem Konstruktions- und Fertigungsaufwand eine an den erforderlichen Verstellweg und die baulichen Gegebenheiten im Kraftfahrzeug angepasste, längenvariable Lenkspindel bereitgestellt werden.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein Lenkwellenteil drehfest mit der Trageinheit verbunden ist. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die erfindungsgemäße Verriegelungseinrichtung wirkungsmäßig zwischen einem der Lenkwellenteile und der Trageinheit angeordnet ist, und beispielsweise eine längenverstellbare, drehschlüssige Formschlussverbindung aufweist, welche eine drehfeste Verbindung über den gesamten Verstellweg bereitstellt.
Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass die Lenkwellenteile bezüglich Drehung um die Längsachse drehschlüssig miteinander gekuppelt sind. Dies kann durch drehschlüssig ineinander eingreifende, korrespondierende Querschnitte von Innen- und Außenwellen erreicht werden, beispielsweise durch mehreckige Profil- oder Rohrabschnitte, korrespondierende Innen- und Außenverzahnungen oder dergleichen erreicht werden, wie dies von längenveränderbaren Wellenanordnungen an sich bekannt ist. Ein Vorteil der drehmomentschlüssigen Verbindung ist, dass die Erfindungsgemäße drehfeste Verriegelung an jedem der Lenkwellenteile realisiert werden kann, wodurch ein damit verbundenes weiteres Lenkwellenteil ebenfalls drehfest mit der Trageinheit verriegelt ist. Dadurch ergibt sich eine größere konstruktive Freiheit bezüglich der Realisierung der Verriegelungseinrichtung, die bei dem eingangs genannten Stand der Technik nicht gegeben ist.
Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Verriegelungseinrichtung kann vorgesehen sein, dass ein Lenkwellenteil in Längsrichtung an der Trageinheit fixiert ist. Dieses längsfixierte Lenkwellenteil kann beispielsweise als Innen- oder Außenwelle ausgebildet sein, die in ihrem in Fahrtrichtung vorderen, karosserienahen Endbereich, der gleichbedeutend als unteres Ende bezeichnet werden kann, bevorzugt fest mit der Trageinheit, beispielsweise der Manteleinheit oder einem Mantelrohr verbunden ist. Die erfindungsgemäße Verriegelung des relativ zu dem längsfixierten Lenkwellenteil verstellbaren, teleskopierbaren Lenkwellenteils erfolgt dann dadurch, dass es drehschlüssig mit dem längsfixierten Lenkwellenteil verbunden und darüber mit der Trageinheit drehfest fixiert ist.
Die Verbindung zwischen einem Lenkwellenteil und der Trageinheit kann bevorzugt stirnseitig ausgebildet sein, beispielsweise durch eine axiale Verbindung, wobei in vorteilhafter Weise kein zusätzlicher radialer Bauraum durch die Verriegelungseinrichtung beansprucht wird. Darin liegt ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik, bei dem die radial zwischen Lenkspindel und Mantel angeordnete Verriegelungsvorrichtung in jedem Fall relativ viel radialen Bauraum beansprucht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Lenkspindel oder mindestens eines der Lenkwellenteile ein Formschlusselement aufweist, welches in der oben beschriebenen Weise mit einem Formschlusselement der Trageinheit korrespondiert. Dabei kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass das Formschlusselement an der Lenkspindel oder an einem der Lenkwellenteile in der oben beschriebenen Weise drehfest und dabei über den gesamten Verstellweg längenverstellbar in ein korrespondierendes Formschlusselement an der Manteleinheit, bevorzugt an einem Mantelrohr eingreift. Ein Formschlusselement kann beispielsweise einen unrunden Querschnitt eines Lenkwellenteils umfassen, der drehschlüssig in eine korrespondierende Formschlussöffnung der Trag- oder Manteleinheit eingreift.
Bevorzugt kann das Formschlusselement der Manteleinheit eine stirnseitige Formschlussöffnung in der Manteleinheit umfassen, die beispielsweise als Durchgangsöffnung in einer stirnseitigen Wandung ausgebildet sein kann, durch die ein in Längsrichtung durchgehendes korrespondierendes Formschlusselement der Lenkspindel in Längsrichtung verstellbar, bezüglich der Längsachse drehschlüssig bzw. drehfest hindurchtaucht. Diese Anordnung kann raumsparend und einfach dadurch bereitgestellt werden, dass die Lenkspindel einen über den gesamten Verstellweg durchgehenden unrunden Querschnitt hat, beispielsweise mehreckig-prismenförmig, kleeblattförmig oder dergleichen, und die Formschlussöffnung einen zur Bildung einer drehschlüssigen Verbindung korrespondierenden Querschnitt aufweist. Die Formschlussöffnung kann direkt in der Manteleinheit ausgebildet sein, oder in einem separaten Deckel, der an der Manteleinheit montierbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Lenkspindel Anschlußmittel zur Anbringung einer Lenkeingabevorrichtung aufweist. Bevorzugt kann die erfindungsgemäß über den gesamten Verstellweg relativ zur Trageinheit drehfest fixierte Lenkspindel einen Anschlussabschnitt oder Befestigungsabschnitt oder dergleichen aufweisen, der als mechanische Schnittstelle zur Festlegung einer Steer-by-Wire-Lenkhandhabe dient, welche elektrische Sensoren zur Erfassung und Umsetzung von manuell eingebrachten Lenkbefehlen aufweist. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Anschlussmittel lediglich eine drehfeste Verspannung oder dergleichen der Lenkeingabevorrichtung mit der Lenkspindel erfordern, was mit geringem Konstruktions- und Bauraumaufwand und geringem Gewicht darstellbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass die Verriegelungseinrichtung auf der dem Anschlussmittel zur Anbringung einer Lenkeingabevorrichtung abgewandten Seite der Lenkwelle angeordnet ist. Bevorzugt wirkt die Verriegelungseinrichtung auf das zum Anschlussmittel ferne Ende der Lenkspindel. Dank dieser Weiterbildung wird die mechanische Belastung der Manteleinheit und deren mechanischen Kopplung reduziert, da der Drehmomentenfluss bzw. die Drehmomentenabstützung nicht über die Stelleinheit erfolgt, sondern über die Trageinheit. Dadurch kann eine aufwendige Konstruktion der Lagerung der Stelleinheit an der Trageinheit vermieden werden.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, dass die Lenkspindel und/oder die Trageinheit Anschlussmittel zur Anbringung eines Feedback-Aktuators aufweist. Der Feedback-Aktuator weist eine motorische Feedback-Antriebseinheit auf und kann zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ein Feedback-Moment erzeugen, welches einem in die Lenkhandhabe eingegebenen manuellen Lenkmoment entgegengesetzt ist. Die dazu erforderliche drehfeste Abstützung der Lenkhandhabe an der Fahrzeugkarosserie kann bei der Erfindung innerhalb des gesamten Bedienbereichs einfach über die Lenkspindel erfolgen. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik, der im Bedienbereich keine Aufnahme von Reaktionsmomenten über die Lenkspindel ermöglicht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verriegelungseinrichtung ein Ausgleichselement aufweist. Ein Ausgleichselement ermöglicht eine Drehmomentübertragung bzw. -abstützung zwischen Lenkspindel und Trageinheit und ist dabei ausgebildet zum Ausgleich von Fehlausrichtungen und Verkippungen zwischen Lenkspindel und Trageinheit. Dadurch werden in vorteilhafter Weise mechanische Spannungen vermieden, so dass insbesondere eine leichtgängige Verstellung der Lenkspindel über den gesamten Verstellweg gewährleistet ist.
Vorzugsweise kann das Ausgleichselement ein elastisches Federelement aufweisen. Ein derartiges Federelement kann Fehlausrichtungen wie Verkippungen durch elastische Verformung aufnehmen und ausgleichen. Es kann einfach und mit geringem Gewicht zur Verfügung gestellt werden und kann durch die elastische Vorspannung zusätzlich eine spielausgleichende Führung ermöglichen.
Ein oder meherere Federelemente können zusammen mit dem Formschlusselement als Blechformteil ausgebildet sein, bevorzugt als einstückiges Press-Stanz-Teil, beispielsweise aus Federstahlblech. Dies ermöglich eine rationelle Fertigung.
Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass die Trageinheit eine Halteeinheit aufweist. Die Halteeinheit ist an einer Fahrzeugkarosserie anbringbar, und dient zur Halterung einer die Lenkspindel aufnehmenden Manteleinheit oder Stelleinheit. Beispielsweise kann die Halteeinheit eine Konsole aufweisen, die Befestigungsmittel zur Fixierung an der Fahrzeugkarosserie aufweist, und an der eine Manteleinheit verspannbar ist.
Es ist möglich, dass die Lenkspindel in einer Höhenrichtung quer zur Längsachse relativ zur Trageinheit höhenverstellbar ist. Eine Höhenverstellung einer erfindungsgemäß drehfest hinten an der Lenkspindel angebrachten Lenkhandhabe kann dadurch realisiert werden, dass die Lenkspindel oder eine diese aufnehmende Manteleinheit in Höhenrichtung schwenkbar an der Trageinheit gelagert ist. Die Verstellung der Lenkspindel in Höhenrichtung zusätzlich zur Längsrichtung 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.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein motorischer Verstellantrieb wirkungsmäßig zwischen der Trageinheit und dem verstellbaren Lenkwellenteil angeordnet ist, zur motorischen Verstellung des Lenkwellenteils relativ zur Trageinheit. Ein motorischer Verstellantrieb umfasst eine bevorzugt relativ zur Trageinheit fixierte Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor, der über Getriebemittel derart mit dem Lenkwellenteil zusammenwirkt, dass das Motormoment umgesetzt wird in eine translatorisch wirkende Verstellkraft zum Verstellen der Lenkwellenteils relativ zur Trageinheit. Durch den Verstellantrieb kann die Lenkspindel von der Fahrerposition weg nach vorn in die Verstauposition in die Trageinheit eingefahren werden, und entsprechend umgekehrt nach hinten in die fahrerseitige Bedienposition ausgefahren werden. Der motorische Verstellantrieb ermöglicht eine automatisierte Verstellung der Lenksäule, und kann einen an sich bekannten Spindeltrieb oder dergleichen aufweisen.
Es kann optional ein in Höhenrichtung quer zur Längsachse wirksamer Verstellantrieb vorgesehen sein, der eine motorische Verstellung der Lenkspindel relativ zur Trageinheit in Höhenrichtung ermöglicht.
Figurenliste
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines steer-by-wire-Lenksystems,
2 eine Lenkeingabevorrichtung einer Lenkeingabevorrichtung in einer Querschnittansicht,
3 eine vergrößerte Detailansicht von 2,
4 eine erfindungsgemäße Lenksäule eines Lenksystems gemäß 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
5 einen Längsschnitt durch die Lenksäule gemäß 4,
6 eine auseinander gezogene Teildarstellung der Lenksäule gemäß 5,
7 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenksäule eines Lenksystems gemäß 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
8 eine auseinander gezogene Teildarstellung der Lenksäule gemäß 7,
9 einen Längsschnitt durch die Lenksäule gemäß 7,
10 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenksäule eines Lenksystems gemäß 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
11 die Lenksäule gemäß 10 in einer weiteren Ansicht,
12 einen Längsschnitt durch die Lenksäule gemäß 10.

Ausführungsformen der Erfindung
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.
1 zeigt schematisch ein steer-by-wire-Lenksystem 1, welches eine Lenksäule 10 umfasst, die über eine elektrische Leitung 13 mit einem elektrischen Lenkungsantrieb 14 verbunden ist. Der Lenkungsantrieb 14 umfasst einen mit der elektrischen Leitung 13 verbundenen elektrischen Stellmotor 141, der ein Lenkungs-Stellmoment in ein Lenkgetriebe 142 einleitet. Dort wird das Lenkungs-Stellmoment über ein Ritzel 143 und eine Zahnstange 144 in eine Translationsbewegung von Spurstangen 145 umgesetzt, wodurch ein Lenkeinschlag der gelenkten Räder 146 bewirkt wird.
Alternativ ist es möglich, dass jedem der lenkbaren Räder 146 ein Stellantrieb mit einem Stellmotor 141 zugeordnet ist, der einen Lenkeinschlag erzeugt. Dann kann das Lenkgetriebe 142 in Prinzip entfallen.
Die Lenksäule 10 weist eine Trageinheit 2 mit einer Halteeinheit 20 auf, die als Konsole ausgebildet ist und als Befestigungsöffnungen ausgebildete Befestigungsmittel 21 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie aufweist. Von der Halteeinheit 20 ist eine Manteleinheit 4 gehalten, die einen Außenmantel 40 aufweist.
In der Manteleinheit 4 ist eine Lenkspindel 32 gelagert, die sich in der durch eine Längsachse L vorgegebenen Längsrichtung erstreckt. An der Lenkspindel 32 ist an ihrem bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, fahrerseitigen Ende der Lenkspindel 32, das auch als oberes Ende bezeichnet wird, eine Lenkeingabevorrichtung in Form eines Lenkrads 6 angebracht.
Das Lenkrad 6 weist eine drehfest bezüglich der Längsachse L an der Lenkspindel 32 fixierte Nabe 61 auf, sowie einen Lenkradkranz 62. Der Lenkradkranz 62 kann in bekannter Weise zur Eingabe von Lenkbefehlen manuell relativ zur Lenkradnabe 61 verdreht werden. Hierzu sind im hier Einzelnen nicht dargestellte elektrische Dreh- und Drehmomentsensoren vorgesehen sein, welche für eine Umsetzung manueller Lenkeingaben in elektrische Steuersignale sorgen, die über Leitung 13 übertragen werden.
Weiterhin ist der Lenkradkranz 62 von einem elektro-motorischen Feedback-Aktuator 63 (FBA) um die Längsachse L relativ zur Nabe 61 drehend antreibbar, um fahrsituationsabhängig Feedback- bzw. Rückstellmomente zu erzeugen.
In den Schnittdarstellungen von 2 und 3 ist erkennbar, dass der Feedback-Aktuator 63 in den Lenkradkranz 61 integriert ist und einen Stator eines Elektromotors aufweist, umfassend eine Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Statorwicklungen 64. Der Lenkradkranz 62 weist über seinen Umfang den Statorwicklungen 64 zugeordnete Magnetelemente 65 auf, beispielsweise Permanentmagnete, die einen Rotor des Elektromotors bilden. Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen 64 kann der Lenkradkranz 61 bezüglich der Nabe 61 rotierend angetrieben werden, und dadurch ein Feedbackmoment erzeugt und in den Lenkradkranz 62 eingekoppelt werden.
Es sind auch andere Bauformen eines Feedback-Aktuators 63 denkbar, die auf andere Weise als hier dargestellt an oder in dem Lenkrad 6 angebracht sein können. Wesentlich ist dabei, dass zur Abstützung von der Lenkeingabe entgegengesetzten Reaktionsmomenten eine drehfeste Abstützung des Lenkrads 6 an der Lenkspindel 32 erfolgt.
In den 4, 5 und 6 ist eine Lenksäule 10 in einer ersten Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten gezeigt.
Der Außenmantel 40 der Manteleinheit 4 ist rohrförmig als äußeres Mantelrohr ausgebildet ist, in dem ein Innenmantel 41 in Längsrichtung teleskopartig verstellbar aufgenommen ist, wie in 4 und 5 mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
Zur motorischen Längsverstellung ist ein Verstellantrieb 5 (Längs-Verstellantrieb) vorgesehen. Dieser weist einen Spindeltrieb mit einer Spindelmutter 51 auf, in die eine Gewindespindel 52 eingreift. Die Spindelachse G der Gewindespindel 52 verläuft im Wesentlichen parallel zur Längsachse L.
Die Spindelmutter 51 ist um die Spindelachse G drehbar in einem mit der Manteleinheit 4 verbundenen Lagergehäuse 53 gelagert, und dabei axial, d.h. in Richtung der Spindelachse G an dem Außenmantel 40 abgestützt. Die Gewindespindel 52 ist mit ihrem freien Ende über ein Übertragungselement 42 mit dem Innenmantel 41 verbunden, und zwar fest in Richtung der Spindelachse G bzw. der Längsachse L und feststehend bezüglich Drehung um die Spindelachse G. Die Spindelmutter 51 ist von einem elektrischen Stellmotor 54 drehend antreibbar, und bildet zusammen mit der bezüglich Drehung feststehenden Gewindespindel 52 einen sogenannten Tauchspindelantrieb. Je nach relativer Drehrichtung des Stellmotors 54 kann die Gewindespindel 52 in Längsrichtung translatorisch relativ zur Spindelmutter 51 verlagert werden, so dass entsprechend der mit der Gewindespindel 52 verbundene Innenmantel 41 relativ zu dem mit dem Spindelmutter 51 verbundenen Außenmantel 40 in Längsrichtung verstellbar ist, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet.
Die Lenkspindel 32 ist koaxial in der Manteleinheit 4 angeordnet und wie diese in Längsrichtung teleskopierbar ausgestaltet. Hierzu weist sie eine in dem Innenmantel 41 angeordnete Außenwelle 33 auf, die an ihrem hinteren, fahrerseitigen Ende einen Befestigungsabschnitt 34 oder Anschlussabschnitt als Anschlussmittel zur drehfesten Anbringung der Nabe 61 des Lenkrads 6 aufweist. In die Außenwelle 33 taucht in Längsrichtung teleskopierbar eine Innenwelle 35 der Lenkspindel 32 ein, wobei diese ein unrundes, mit dem Innenquerschnitt der Außenwelle 33 bezüglich Drehung um die Längsachse L drehschlüssig korrespondierendes Außenprofil hat, so dass sie drehfest mit der Außenwelle 33 verbunden ist. Das unrunde Profil kann beispielsweise ein Mehrkant-Profil sein, oder wie im dargestellten Beispiel ein Kleeblatt-Profil.
An der vorderen Stirnseite ist zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Verriegelungseinrichtung an dem Außenmantel 40 ein Formschlusselement 7, welches eine durchgehende Formschlussöffnung 71 aufweist, drehfest fixiert, beispielsweise mittels Befestigungselementen 72 wie Schrauben oder dergleichen.
Die Formschlussöffnung 71 weist ein unrundes Öffnungsprofil auf, welches an das unrunde Außenprofil der dadurch hindurchgeführten Innenwelle 35 angepasst ist, wie in der in Längsrichtung auseinander gezogenen Teildarstellung von 6 entnehmbar ist. Dadurch ist die Innnenwelle 35 und die damit drehschlüssig verbundene Außenwelle 33, und somit insgesamt die Lenkspindel 32 drehfest relativ zum Außenmantel 40 und damit zur gesamten Trageinheit 2 fixiert. Dadurch ist auch die Nabe 61 des Lenkrads 6 über den gesamten möglichen Verstellweg in Längsrichtung, der durch die maximal mögliche Verstellung in Längsrichtung zwischen dem Innenmantel 41 und dem Außenmantel 40 vorgegeben wird, drehfest bezüglich der Trageinheit 2 fixiert. Dadurch ist die Verriegelungseinrichtung realisiert.
Im Bereich der Formschlussöffnung 71 kann das Formschlusselement 7 elastische Federelemente 75 aufweisen, welche im Formschluss federelastisch an der Innenwelle 35 anliegen. Durch ihre elastische Verformbarkeit bilden sie Ausgleichselemente, welche eine Fehlorientierung der Lenkwelle 32 relativ zum Außenmantel 40, beispielsweise eine Verkippung, elastisch ausgleichen können.
Das Formschlusselement 7 kann einschließlich der Federelemente 75 als Blechformteil ausgebildet sein, bevorzugt als einstückiges Press-Stanz-Teil, beispielsweise aus Federstahlblech.
In den 7 bis 9 ist eine zweite Ausführung gezeigt, welche sich von der ersten Ausführung in der Ausgestaltung der Verriegelungseinrichtung unterscheidet. Wie in 8 erkennbar ist, welche mit der Ansicht gemäß 6 korrespondiert, weist das Formschlusselement 7 im Bereich der Formschlussöffnung 71 einen quer durchgehenden Fixierdurchgang 73 auf, der mit einem korrespondierenden, radial durch die Innenwelle 35 durchgehenden Fixierdurchgang 36 und einem radial durch den Außenmantel 40 durchgehenden Fixierdurchgang 44 fluchtet. Dadurch, dass ein Verriegelungsstift 74 durch die Fixierdurchgänge 36, 44 und 73 hindurchgeht und verspannt ist, beispielsweise ein an sich bekannter Spannstift, Splint oder Bolzen oder dergleichen, sind die Innenwelle 35 und die Manteleinheit 4 bezüglich Drehung um die Längsachse und auch in Längsrichtung relativ zueinander fixiert.
Zur Höhenverstellung in der Höhenrichtung H kann die Manteleinheit 4 um eine horizontale Schwenkachse 22 in ihrem vorderen Bereich verschwenkbar an der Halteeinheit 20 gelagert sein. Zur motorischen Höhenverstellung kann ein hier nicht dargestellter Höhenverstellantrieb zwischen der Manteleinheit 4 und der Halteeinheit 20 angreifen, der ähnlich wie der Längs-Verstellantrieb 5 ausgebildet sein kann.
Die in den 10, 11 und 12 gezeigte dritte Ausführung kann bezüglich der Ausgestaltung der Verriegelungseinrichtung ähnlich wie die oben beschriebene erste oder zweite Ausführung ausgestaltet sein, und ein bevorzugt stirnseitig an dem Außenmantel 40 fixiertes Formschlusselement 7 aufweisen, welches wie erläutert die Lenkspindel 32 drehfest relativ zur Manteleinheit 4 festlegt.
Im Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Ausführungen handelt es sich um eine manuell verstellbare Lenksäule 10, die keinen motorischen Verstellantrieb 5 hat. Stattdessen ist eine Spanneinrichtung 8 vorgesehen mit einem Spannmechanismus 81, der in an sich bekannter Weise eingerichtet ist, durch eine manuelle Spannbewegung eines Spannhebels 82 eine Fixierstellung einzustellen, in der der Außenmantel 40 zwischen Seitenwangen 23 der Halteeinheit 20 verspannt wird, und der Außenmantel 40 seinerseits mit dem Innenmantel 41 verspannt ist. Wird die Spanneinrichtung 8 durch umgekehrte Betätigung des Spannhebels 82 in Lösestellung gebracht, kann die Manteleinheit 4 relativ zur Trageinheit 2 in Längsrichtung und in Höhenrichtung H eingestellt werden. Wie oben beschrieben ist die Lenkspindel 32 dabei in jedem Verstellzustand drehfest bezüglich der Trageinheit 2 fixiert.
Wie in 12 gezeigt ist, kann das Formschlusselement 7 einstückig mit dem Außenmantel 40 integriert ausgebildet sein. Eine derartige einteilige oder einstückige Ausbildung kann auch bei den Ausführungen gemäß den 4 bis 9 realisiert sein.
Bezugszeichenliste

1: Lenksystem
10: Lenksäule
13: Leitung
14: Lenkungsantrieb
141: Stellmotor
142: Lenkgetriebe
143: Ritzel
144: Zahnstange
145: Spurstangen
146: Rad
2: Trageinheit
20: Halteeinheit
21: Befestigungsmittel
22: Schwenkachse
23: Seitenwange
32: Lenkspindel
33: Außenwelle
34: Befestigungsabschnitt (Anschlussabschnitt)
35: Innenwelle
36: Fixierdurchgang
4: Manteleinheit
40: Außenmantel
41: Innenmantel
44: Fixierdurchgang
5: Verstellantrieb
51: Spindelmutter
52: Gewindespindel
53: Lagergehäuse
54: Stellmotor
6: Lenkrad
61: Nabe
62: Lenkradkranz
63: Feedback-Aktuator
64: Statorwicklung
65: Magnetelement
7: Formschlusselement
71: Formschlussöffnung
72: Befestigungselement
73: Fixierdurchgang
74: Verriegelungsstift
75: Federelement
8: Spanneinrichtung
81: Spannmechanismus
82: Spannhebel
L: Längsachse
H: Höhenrichtung
G: Spindelachse

Claims

Lenksäule (10) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine von einer Trageinheit (2) gehaltene Lenkspindel (32), die eine in einer Längsrichtung erstreckte Längsachse (L) aufweist und die zumindest ein Lenkwellenteil (33) aufweist, welches relativ zu der Trageinheit (2) in Längsrichtung über einen Verstellweg verstellbar ist, wobei zwischen der Lenkspindel (32) und der Trageinheit (2) eine Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung angeordnet ist, die über den gesamten Verstellweg die drehfeste Verriegelung bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung bezüglich der drehfesten Verriegelung unlösbar ausgestaltet ist.
Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung an der Trageinheit (2) und an der Lenkspindel (32) angebrachte, korrespondierende Formschlusselemente (7, 35) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (2) eine die Lenkspindel (32) zumindest abschnittweise koaxial umgebende Manteleinheit (4) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (2) mindestens zwei teleskopierbare Mantelrohre (40, 41) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lenkspindel (32) mindestens zwei teleskopierbare Lenkwellenteile (33, 35) aufweist.
Lenksäule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lenkwellenteil (33) drehfest mit der Trageinheit (2) verbunden ist.
Lenksäule nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwellenteile (33, 35) bezüglich Drehung um die Längsachse (L) drehschlüssig miteinander gekuppelt sind.
Lenksäule nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lenkwellenteil (33) in Längsrichtung an der Trageinheit (2) fixiert ist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (32) und/oder die Trageinheit (2) Anschlussmittel (34) zur Anbringung einer Lenkeingabevorrichtung (6) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (32) und/oder die Trageinheit (2) Anschlussmittel (34) zur Anbringung eines Feedback-Aktuators (63) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung ein Ausgleichselement (75) aufweist.
Lenksäule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement ein elastisches Federelement (75) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (2) eine Halteeinheit (20) aufweist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (32) in einer Höhenrichtung (H) quer zur Längsachse (L) relativ zur Trageinheit (2) höhenverstellbar ist.
Lenksäule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein motorischer Verstellantrieb (5) wirkungsmäßig zwischen der Trageinheit (2) und dem verstellbaren Lenkwellenteil (33) angeordnet ist, zur motorischen Verstellung des Lenkwellenteils (35) relativ zur Trageinheit (2).