DE102022132777A1

DE102022132777A1 - Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für Lenkeinrichtung und Lenkeinrichtung

Info

Publication number: DE102022132777A1
Application number: DE102022132777.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dresel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) für eine Lenkeinrichtung (1), insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs, umfassend: eine erste Lenkeinrichtungskomponente (6) und eine zweite Lenkeinrichtungskomponente (7), wobei die erste Lenkeinrichtungskomponente (6) und die zweite Lenkeinrichtungskomponente (7) relativ zueinander drehbar angeordnet sind, ein Seil (9), und eine Federeinheit (10), die dazu eingerichtet ist, das Seil (9) mit einer Spannkraft zu beaufschlagen und wobei ein Ende (15) des Seils (9) über die Federeinheit (10) mit der ersten Lenkeinrichtungskomponente (6) gekoppelt ist, und ein anderes Ende (19) des Seils (9) direkt oder indirekt mit der zweiten Lenkeinrichtungskomponente (7) gekoppelt ist derart, dass das Seil (9) eine relative Drehbewegung zwischen der ersten Lenkeinrichtungskomponente (6) und der zweiten Lenkeinrichtungskomponente (7) durch Umwickeln eines Umwicklungsabschnitts (23) auf einen vorbestimmten Drehwinkel begrenzt. Fener betrifft die Erfindung auch eine Lenkeinrichtung (1) für ein Fahrzeug mit einer solchen Drehwinkelbegrenzungseinheit (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs.
Stand der Technik
Lenkeinrichtungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Steer-by-wire Lenkeinrichtung weisen keine mechanische Verbindung mehr zwischen einem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern auf. Um hier ein authentisches Lenkgefühl zu erzeugen, werden die Kräfte und Momente, die bei einem Lenkvorgang mit einer klassischen Lenkeinrichtung, also eine Lenkeinrichtung, die eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern aufweist, simuliert werden. Ferner erfordert eine steer-by-wire Lenkeinrichtung auch eine Drehwinkelbegrenzung, um ein unendliches Verdrehen des Lenkrades zu verhindern. Hierbei sind derzeit überwiegend mechanische Lösungen bekannt, wie bspw. Schneckengetriebe, die den Drehwinkel des Lenkrads ausgehend von einer neutralen Position, in der die Räder nicht eingeschlagen sind, auf eine vorbestimmte Größe in beide Drehrichtung begrenzt. Ein anderes Beispiel für bekannte Endanschläge ist eine Kombination aus einem Vorsprung, der von der Lenkwelle nach radial außen vorstehend angeordnet ist und entsprechenden Gegenanschlägen, die von einem, die Lenkwelle umgebenden Bauteil, bspw. ein Gehäuse der Lenkeinrichtung, nach radial innen vorstehen, wobei der an der Lenkwelle angeordnete Vorsprung den Drehwinkel der Lenkwelle durch ein In-Kontakt-kommen mit den entsprechenden Gegenanschlägen auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.
Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, eine bekannte Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs zu verbessern. Insbesondere besteht ein weiterer Bedarf eine Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs bereitzustellen, die bei im Wesentlichen gleichbleibendem Bauraum mehr Funktionen ermöglicht, und insbesondere bei im Wesentlichen gleichbleibenden Endanschlagskräften ermöglicht, eine Reibung zu reduzieren und/oder eine möglichst konstante Reibung zu erzielen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs bereitzustellen, die insbesondere bei im Wesentlichen gleichbleibendem Bauraum mehr Funktionen ermöglicht, und insbesondere bei im Wesentlichen gleichbleibenden Endanschlagskräften ermöglicht, eine Reibung zu reduzieren und/oder eine möglichst konstante Reibung zu erzielen.
Offenbarung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Drehwinkelbegrenzungseinrichtung für eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs, umfasst eine erste Lenkeinrichtungskomponente, eine zweite Lenkeinrichtungskomponente, ein Seil und eine Federeinheit. Die erste Lenkeinrichtungskomponente und die zweite Lenkeinrichtungskomponente sind relativ zueinander drehbar angeordnet. Die Federeinheit ist dazu eingerichtet, das Seil mit einer Spannkraft zu beaufschlagen, wobei ein Ende des Seils über die Federeinheit, direkt oder indirekt, mit der ersten Lenkeinrichtungskomponente gekoppelt ist, und ein anderes Ende des Seils direkt oder indirekt mit der zweiten Lenkeinrichtungskomponente gekoppelt ist derart, dass das Seil eine relative Drehbewegung zwischen der ersten Lenkeinrichtungskomponente und der zweiten Lenkeinrichtungskomponente durch Umwickeln eines Umwicklungsabschnitts auf einen vorbestimmten Drehwinkel begrenzt.
Insbesondere weist die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung eine neutrale Position, sowie zwei Endpositionen auf. In der neutralen Position beträgt der Drehwinkel im Wesentlichen 0°, und der Umwicklungsabschnitt ist im Wesentlichen seilfrei. Das bedeutet, dass das Seil in der neutralen Position der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung im Wesentlichen vollständig von dem Umwicklungsabschnitt abgewickelt ist. Die Endpositionen entsprechen jeweils einer maximal zulässigen Drehbewegung in die jeweilige Drehrichtung, also der Position in der der vorbestimmte, insbesondere maximale, Drehwinkel für die Lenkeinrichtung erreicht ist. Die Endpositionen sind insbesondere symmetrisch zur neutralen Position angeordnet, sodass die maximal zulässige Drehbewegung, bzw. der maximal zulässig Drehwinkel der Lenkeinrichtung ausgehend von der neutralen Position in beide Drehrichtungen im Wesentlichen identisch sind.
Ferner ist es auch denkbar, die Endpositionen bezogen auf die neutrale Position asymmetrisch anzuordnen, sodass die maximal zulässige Drehbewegung in die eine Drehrichtung größer ist als die maximal zulässige Drehbewegung in die andere Drehrichtung. In einem solchen Fall ist der Umwicklungsabschnitt in der neutralen Position jedoch nicht seilfrei.
Die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Drehbewegung bzw. den Drehwinkel der Lenkeinrichtung auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. Dabei entspricht die Drehbewegung einer Lenkbewegung, die an einem Lenkelement der Lenkeinrichtung durchgeführt wird, und der Drehwinkel entspricht im Wesentlichen dem Lenkwinkel bzw. dem Einschlagwinkel der zu lenkenden Räder des Fahrzeugs. Somit entsprechen die Endpositionen jeweils einer Position, in der ein voller Lenkeinschlag (in die jeweilige Lenkrichtung) der zu lenkenden Räder erreicht ist, und die neutrale Position entspricht im Wesentlichen einer Position, in der die Räder keinen Lenkeinschlag aufweisen, also geradeaus ausgerichtet sind.
Zur Erzeugung der relativen Drehbewegung zwischen der ersten Lenkeinrichtungskomponente und der zweiten Lenkeinrichtungskomponente ist zumindest eine der beiden Komponente drehbar bzw. rotierbar angeordnet.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass es durch ein Variieren bzw. Anpassen der Länge des Seiles möglich ist, einen großen Bereich an möglichen maximalen Drehbewegungen der Lenkeinrichtung umzusetzen. So können je nach gewählter Länge des Seils, bspw. sehr wenige Umdrehen, z.B., 0,5 Umdrehungen in jede Drehrichtung, aber auch sehr viele Umdrehungen, z.B. 5 Umdrehungen in jede Drehrichtung realisiert werden. Die Federeinheit ermöglicht es, die Drehwinkeleinrichtung und ggf. die Lenkeinrichtung in die neutrale Position zurückzustellen. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Drehwinkelbegrenzungseinheit einen geringen Bauraumbedarf auf, da die erforderlichen Komponenten im Wesentlichen innerhalb eines bereits vorhandenen, bisher ungenutzten Bauraums der Lenkeinrichtung angeordnet werden können.
Zusätzlich kann die Begrenzung des Drehwinkels der Lenkeinrichtung so gewählt werden, dass ein Arbeitsbereich der sogenannten clock-spring, also eine Kabelführung zu einem Airbag, einem Multifunktionslenkrad etc., nicht überschritten und somit nicht beschädigt wird. Dadurch kann auch verhindert werden, dass ein Sensor, insbesondere ein Multiturnsensor, der zur Erfassung des Drehwinkels der Lenkeinrichtung dient, nicht über seinen Messbereich hinaus gedreht wird. Dadurch wird eine zuverlässige Drehwinkelerfassung gewährleistet.
Darüber hinaus ermöglicht es die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung die erforderlichen hohen Anschlagskräfte bei gleichzeitig kleinem Bauraum zu realisieren und dabei die Reibung zu reduzieren und im Wesentlichen konstant zu halten, wodurch das so erzeugte Lenkgefühl möglichst authentisch ist. Insbesondere durch die Rückstellfunktion der Federeinheit wird ein Verklemmen der Lenkeinrichtung in den Endanschlagspositionen bzw. ein Verklemmen des Seils verhindert, wodurch die Lenkbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet ist. Zusätzlich kann die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung die „noise-vibrationharshness“ (NVH) und/oder das haptische Gefühl für einen Fahrer des Fahrzeugs beim Bedienen des Lenkelements verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die auf das Seil beaufschlagte bzw. aufgebrachte Spannkraft der Federeinheit bei Erreichen der maximal zulässigen Drehbewegung, und somit des vorbestimmten maximalen Drehwinkels in eine der beiden möglichen Drehrichtungen am größten, und in einem abgewickelten Zustand des Seils, das heißt, in einer neutralen Position am kleinsten.
In der neutralen Position befindet sich die Feder im Wesentlichen in einer entspannten Lage, d.h., die auf das Seil aufgebrachte Spannkraft ist gering, insbesondere gerade so groß, dass ein Durchhängen des Seils verhindert wird. Mit zunehmender Drehbewegung, also mit zunehmendem Drehwinkel umwickelt das Seil den Umwicklungsabschnitt, wodurch das Ende, an dem die Federeinheit gekoppelt ist, derart bewegt wird, dass die Federeinheit zunehmend gespannt wird, und somit in der Endposition die Spannkraft am größten ist. Dabei gilt, je größer die Bewegung bzw. Verschiebung/Auslenkung des mit der Federeinheit gekoppelten Ende des Seils, desto größer die auf das Seil aufgebrachte Spannkraft, die auch als Rückstellkraft wirken kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Lenkeinrichtungskomponente als eine rotierbare/drehbare Hohlwelle der Lenkeinrichtung ausgebildet, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente als ein gehäusefester Flansch ausgebildet. Die Federeinheit ist in einem Inneren der Hohlwelle dreh- und axialfest angeordnet, und ist als eine Zugfeder ausgebildet. Das eine Ende des Seils ist mit der Federeinheit im Inneren der Hohlwelle dreh- und axialfest gekoppelt, das Seil wird über eine Öffnung aus dem Inneren der Hohlwelle geführt, und das andere Ende des Seils ist mit dem gehäusefesten Flansch gekoppelt. Dabei umwickelt das Seil bei einer Drehbewegung der Hohlwelle, insbesondere von der Ausgangsposition/neutralen Position ausgehend (unabhängig von der Drehrichtung) einen als der Umwicklungsabschnitt dienenden Abschnitt der Hohlwelle.
Die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist besonders platzsparend, da die meisten Komponenten der Drehwinkelbegrenzungseinheit im Inneren der Hohlwelle angeordnet sind. Das Seil ist im Wesentlichen im Inneren der Hohlwelle geführt. Wird die Hohlwelle gedreht, umwickelt das Seil einen Außendurchmesser eines Hohlwellenabschnitts, bis die maximal zulässige Drehbewegung der Hohlwelle in die gewählte Drehrichtung erreicht ist. Die maximal zulässige Drehbewegung der Hohlwelle kann dabei durch eine Seillänge, eine Seildicke sowie einen Außendurchmesser des Umwicklungsabschnitts, hier einem Außendurchmesser der Hohlwelle, definiert werden. Hat die Hohlwelle eine der Endpositionen erreicht, wird das Seil durch die Federeinheit zurück in die Hohlwelle gezogen, sobald die Hohlwelle in die gegensätzliche Richtung dreht.
Es ist denkbar, dass das Seil ferner einen Endanschlag, bspw. eine auf das Seil aufgefädelte Hülse, aufweist, der beim Erreichen der Endposition ein weiteres Rotieren der Hohlwelle verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Federeinheit im Inneren der Hohlwelle über eine Hülse und einen Zylinderstift dreh- und axialfest angeordnet. Insbesondere erstreckt sich die Hülse in axialer Richtung im Wesentlichen entlang des gesamten Hohlabschnitts der Hohlwelle. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Hülse zumindest eine Langloch auf, dass sich in Richtung einer Längsachse der Hülse erstreckt. Das zumindest eine Langloch vereinfach bzw. ermöglicht das Anordnen des Seils innerhalb der Hohlwelle bzw. innerhalb der Hülse. Ferner ist es denkbar, mehrere, insbesondere über den Umfang der Hülse im Wesentlichen gleichverteilt angeordnete Langlöcher vorzusehen, wodurch ein Gewicht der Hülse und somit der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Lenkeinrichtungskomponente als ein Gehäusezapfen der Lenkeinrichtung (des Motors) ausgebildet, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente als eine (Lenk-)Welle der Lenkeinrichtung ausgebildet. Die Federeinheit weist eine Spiralfeder und eine Federspule auf, wobei die Federspule drehbar auf dem Gehäusezapfen angeordnet ist und die Spiralfeder zwischen dem Gehäusezapfen und einem Innenradius der Federspule angeordnet ist. Ein radial äußeres Ende der Spiralfeder ist dreh- und axialfest mit der Federspule (in einer Nut aufgenommen) gekoppelt und ein radial inneres Ende der Spiralfeder ist dreh- und axialfest an dem Gehäusezapfen angeordnet. Dabei ist das eine Ende des Seils ist im Wesentlichen drehfest mit der Federspule gekoppelt und das andere Ende des Seils ist über eine Wellenspule, die dreh- und axialfest auf der Welle der Lenkeinrichtung angeordnet ist, mit der Welle der Lenkeinrichtung gekoppelt, und das Seil umwickelt bei einer Drehbewegung der Welle, insbesondere von der Ausgangsposition/neutralen Position ausgehend (unabhängig von der Drehrichtung) die als Umwicklungsabschnitt dienende Wellenspule.
Die Verwendung einer Spiralfeder ermöglicht eine Unterstützung der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung und ggf. der Lenkeinrichtung, bei der Rückstellung in die neutrale Position. Darüber hinaus ist ein Reibwert der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung aufgrund der auf dem Zapfen drehbar angeordneten Federspule besonders gering.
In der neutralen Position ist das Seil auf der Federspule aufgewickelt. Wird die Welle gedreht, wickelt sich das Seil von der Federspule ab und um die Wellenspule, insbesondere so lange bis kein Seil mehr auf der Federspule vorhanden ist, und das gespannte Seil eine weiter Drehbewegung der Welle in diese Richtung blockiert. Die zulässige maximale Drehbewegung kann durch einen Wickeldurchmesser der Wellenspule, den das Seil umwickelt, einen Wickeldurchmesser der Federspule sowie die Länge und Durchmesser des Seils definiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Drehwinkelbegrenzungseinheit ferner einen Seilführungsabschnitt auf, der zwischen der Federspule und der Wellenspule angeordnet ist, und eine Öffnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Seil zu führen. Dadurch kann das Seil zwischen den beiden Spulen geführt werden. Darüber hinaus kann die Öffnung so gewählt sein, dass ein Ende des Seils, welches entweder einen Endanschlag oder eine Durchmesservergrößerung, bspw. durch einen Augspleiß, aufweist, an der Öffnung „hängen“ bleibt und so die Drehbewegung begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Federspule über Rillenkugellager drehbar auf dem Gehäusezapfen gelagert. Zusätzlich oder alternativ ist die Spiralfeder dazu eingerichtet, das Seil nach Erreichen der maximal zulässigen Drehbewegung (den vorbestimmten Drehwinkel) auf der Federspule aufzuwickeln, wenn sich die Drehrichtung der Welle umkehrt. Die Rillenkugellager reduzieren eine Reibung zwischen der Federspule und dem Gehäusezapfen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Lenkeinrichtungskomponente als ein gehäusefester Flansch mit einer umlaufenden Nut ausgebildet, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente ist als eine Welle der Lenkeinrichtung ausgebildet. Die Federeinheit ist als eine Zugfeder ausgebildet, die mit einem Ende dreh- und axialfest an dem Flansch und in der Nut geführt angeordnet ist. Dabei ist das eine Ende des Seils mit einem anderen Ende der Federeinheit gekoppelt, das Seil ist in der Nut des Flanschs geführt, und das andere Ende des Seils ist über eine Wellenspule, die dreh- und axialfest auf der Welle der Lenkeinrichtung angeordnet ist, mit der Welle der Lenkeinrichtung gekoppelt. Die Wellenspule ist im Wesentlichen konzentrisch und radial innerhalb des Flansches angeordnet, und das Seil ist über eine innerhalb der Nut ausgebildete Öffnung nach radial innen zur Wellenspule hin geführt, wobei das Seil bei einer Drehbewegung der Welle, insbesondere von der neutralen Position ausgehend, und insbesondere unabhängig von der Drehrichtung, die als Umwicklungsabschnitt dienende Wellenspule umwickelt.
Die Verwendung der Zugfeder ermöglicht eine Unterstützung der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung und ggf. der Lenkeinrichtung, bei der Rückstellung in die neutrale Position. Darüber hinaus ist der Aufbau der Drehwinkelbegrenzungseinheit dieser beispielhaften Ausführungsform vergleichsweise simpel, d.h., der Aufbau weist eine geringe Komplexität auf, und ermöglich somit eine einfache Montage. Ferner sind für diesen Aufbau der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung keine Lager erforderlich, wodurch die Kosten für die Drehwinkelbegrenzungseinheit reduziert werden können.
In der neutralen Position sind die Federeinheit und das Seil in der Nut des Flanschs geführt aufgenommen. Wird die Welle gedreht, wird das Seil entlang der Nut des Flanschs gezogen und umwickelt die Wellenspule, insbesondere so lange bis die Endposition erreicht ist. Die zulässige maximale Drehbewegung, insbesondere in je eine Drehrichtung, kann durch einen Wickeldurchmesser der Wellenspule, den das Seil umwickelt, sowie die Länge und Durchmesser des Seils definiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zugfeder dazu eingerichtet, das Seil in den Flansch zurückzuziehen, wenn sich die Drehrichtung der Welle ändert/umkehrt. Dadurch kann ein Durchhängen des Seils zu jedem Zeitpunkt zuverlässig verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Seil an dem einen, federeinheitsnahen, Ende ferner einen Endanschlag auf, der dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Seils beim/zum Umwickeln des Umwicklungsabschnitts auf eine vorbestimmte Länge zu begrenzen. Insbesondere kann das Seil einen Endanschlag, bspw. in Form einer aufgefädelten Hülse oder einer Durchmesservergrößerung durch einen Augspleiß, an dem der Federeinheit zugewandten Ende aufweisen, der eine weitere Drehbewegung in derselben Drehrichtung blockiert.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Seil an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende jeweils einen Augspleiß auf. Der jeweilige Augspleiß kann zum einen, aufgrund einer damit verbundenen Durchmesservergrößerung des Seils, als ein Endanschlag in den Endpositionen der Drehwinkelbegrenzungseinheit dienen. Zum anderen ermöglicht der jeweilige Augspleiß eine einfache und kostengünstige Kopplung des Seils an die jeweiligen Komponenten, bspw. mittels einen durch den Augspleiß geführten und mit der jeweiligen Komponente fest verbundenen Zylinderstift. Darüber hinaus kann die Federeinheit an dem mit dem Seil zu koppelnden Ende eine Öse aufweisen, die durch den Augspleiß geführt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Seil aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere HDPE hergestellt. Dies ermöglicht die Aufnahme von hohen Kräften bei geringem Seildurchmesser.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinrichtung, für ein Fahrzeug. Die Lenkeinrichtung umfasst eine Lenkwelle, insbesondere eine teleskopierbare Lenkwelle, einen Antriebsmotor, der dreh- und axialfest mit der Lenkwelle gekoppelt ist (und eine Rotation der Lenkwelle bewirkt), ein Gehäuse, in dem die Lenkwelle und der Antriebsmotor (zumindest teilweise) angeordnet sind, und eine vorstehend und nachfolgend beschriebene Drehwinkelbegrenzungseinrichtung.
Detailbeschreibung anhand Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1A eine schematische Teilansicht einer Lenkeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung,
1B eine vergrößerte Darstellung des Detailausschnitts I aus 1A,
2A eine schematische Teilansicht einer Lenkeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung,
2B eine schematische Längsschnittdarstellung einer Drehwinkelbegrenzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2C eine schematische und exemplarische Frontansicht einer Federeinheit der Drehwinkelbegrenzungseinheit aus 2B,
3A eine schematische Darstellung einer Drehwinkelbegrenzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer seitlichen perspektivischen Ansicht,
3B eine schematische Längsschnittdarstellung der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung aus 3A, und
3C eine schematische Darstellung einer Drehwinkelbegrenzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von vorne.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
1A zeigt eine beispielhafte Lenkeinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, für ein Fahrzeug (nicht gezeigt). Die Lenkeinrichtung 1 ist als eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung ausgebildet und weist eine Lenkwelle 2, die hier zumindest teilweise als eine Hohlwelle ausgebildet ist, einen Motor 3, der als ein Force-Feedback-Aktuator drehmomentübertragend mit der Lenkwelle 2 gekoppelt ist, und ein Gehäuse 4 auf, dass zumindest die Lenkwelle 2 umgibt. Ferner weist die Lenkeinrichtung 1 eine Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf.
Die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 weist eine erste Lenkeinrichtungskomponente 6, hier die Lenkwelle 2, eine zweite Lenkeinrichtungskomponente 7, hier ein gehäusefester Flansch 8, ein Seil 9 und eine Federeinheit 10 auf. Die Federeinheit 10 ist als eine Zugfeder 11 ausgebildet und im Inneren der als Hohlwelle ausgebildeten Lenkwelle 2 über eine Hülse 12, eine Scheibe 13, und einen Zylinderstift 14 dreh- und axialfest angeordnet (siehe auf 1B). Axialfest bedeutet hier, dass sich die Federeinheit 10 nicht als Ganzes verschieben kann. Die als die Zugfeder 11 ausgebildete Federeinheit 10 kann jedoch weiterhin in axialer Richtung gespannt werden.
Das Seil 9 ist mit einem Ende 15, das hier einen Augspleiß 16 aufweist, mit der Zugfeder 11 gekoppelt, und wird bis zu einer Öffnung 17 in der Hohlwelle 2 innerhalb der Hülse 12 geführt. Ferner weist die Hülse 12 ferner ein Langloch 18, hier vier Langlöcher 18, die über den Umfang der Hülse 12 im Wesentlichen gleichverteilt angeordnet sind (in 1A und 1B nicht alle sichtbar) auf, die es ermöglichen das Seil 9 aus der Hülse 12 und über die Öffnung 17 aus der Hohlwelle 2 herauszuführen. Ein anderes Ende 19 des Seils 9 weist ebenfalls einen Augspleiß 16 auf, über den das Seil 9 mittels einer Schraube 20 und einer Scheibe 21 an dem Flansch 8 befestigt ist.
Wird die Hohlwelle 2 in eine von einer ersten und einer zweiten, der ersten entgegengesetzten, Drehrichtung gedreht, wickelt sich das Seil 9 um einen Außendurchmesserabschnitt 22 der Hohlwelle 2, der als ein Umwicklungsabschnitt 23 für das Seil 9 dient, bis ein Endanschlag ein weiteres Rotieren der Hohlwelle 2 in die gewählte Drehrichtung blockiert. Der Endanschlag ist hier beispielhaft in Form eine auf das Seil 9 aufgefädelten Hülse 24 ausgebildet. Die Hülse 24 ist prinzipiell aus dem Seil 9 verschiebbar, jedoch ist das Seil 9 im Bereich der Augspleiße 16 im Durchmesser vergrößert, sodass die Hülse 24 im Betrieb auf den Augspleiß 16 am federeinheitnahen Ende 15 des Seils 9 gepresst und somit in ihrer Position definiert wird. Das bedeutet, wenn das Seil 9 durch die Öffnung 17 in der Hohlwelle 2 herausgezogen wird, schlägt die Hülse 24 an der Öffnung 17 an und verhindert somit ein weiteres Herausziehen des Seils 9 und blockiert so eine weitere Drehbewegung der Hohlwelle 2. Man kann also sagen, dass die Hohlwelle 2 in einer Endanschlagsposition ihre maximal zulässige Drehbewegung, und somit einen maximal zulässigen Drehwinkel, in die eine Drehrichtung erreicht hat.
Ferner wird durch das Herausziehen des Seils 9 aus der Öffnung 17 die Zugfeder 11 gespannt, wodurch eine daraus resultierende, auf das Seil 9 wirkende Spannkraft zunimmt. Hat die Hohlwelle 2 die Endanschlagsposition erreicht, wird das Seil 9 durch die gespannte Zugfeder 11, zurück in die Hohlwelle 2 gezogen, sobald die Hohlwelle 2 in die gegensätzlich Drehrichtung dreht. Somit gewährleistet die Zugfeder 11, dass das Seil 9 immer zumindest leicht gespannt ist, und verhindert somit, dass sich das Seil verfängt, verknotet etc., und so eine Drehbewegung der Hohlwelle 2 blockiert.
Die Drehbewegung der Hohlwelle 2 entspricht einer Lenkbewegung, die durch einen Fahrer des Fahrzeugs an einem Lenkrad o.Ä., der Lenkeinrichtung 1 durchgeführt wird. Die Endanschlagspositionen der Lenkeinrichtung 1 bzw. der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 entsprechen einem vollen Lenkeinschlag der zu lenkenden Räder des Fahrzeugs, und eine neutrale Position der Lenkeinrichtung 1 bzw. der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5, in der das Seil 9 den Umwicklungsabschnitt 23 nicht umwickelt und die Zugfeder 11 in einem im Wesentlichen entspannten Zustand ist, d.h., die Spannkraft auf das Seil 9 am geringsten ist, entspricht einer nicht eingeschlagenen Position der Räder, also einer Position der zu lenkenden Räder, in der das Fahrzeug geradeaus fährt.
Das Seil 9 ist bspw. aus HDPE (high density Polyethylene) gefertigt und weist einen Durchmesser von 4 mm auf. Um eine Rotation der Hohlwelle 2 von ±1,5 Umdrehungen zu gewährleisten, ist bei einem Außendurchmesser der Hohlwelle 2, also bei einem Durchmesser des Umwicklungsabschnitts 23 von 20 mm bei dem hier gezeigten, beispielhaften Aufbau, eine Seillänge von ca. 170 mm nötig. Es ist zu beachten, dass erforderliche Seillänge auch von einer Distanz zwischen der Federeinheit 10 und der Öffnung 17 sowie von einer Distanz zwischen der Öffnung 17 und dem Flansch 8 abhängen kann.
2A bis 2C zeigen verschiedene Ansichten der Lenkeinrichtung 1 mit einer Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In der in den 2A bis 2C gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die erste Lenkeinrichtungskomponente 6 ein Gehäusezapfen 25, der hier beispielhaft an einem Gehäuseabschnitt des Motors 3 ausgebildet ist, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente 7 ist die Lenkwelle 2, die hier als Vollwelle ausgebildet ist. Auf dem Gehäusezapfen 25 ist die Federeinheit 10 montiert, die in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform eine Federspule 26 und einer Spiralfeder 27 aufweist. Somit ist die Federeinheit 10 zwischen dem Motor 3 und dem Gehäuse 4 angeordnet.
Auf der Lenkwelle 2 ist eine Wellenspule 28 angeordnet, die dreh- und axialfest mit der Lenkwelle 2 gekoppelt ist. Das Seil 9 ist über den Augspleiß 16 am Ende 19 mit einem Zylinderstift 29 mit der Wellenspule 28 verbunden und über den Augspleiß 16 am Ende 15 ist das Seil 9 mit einem Zylinderstift 30 mit der Federspule 26 verbunden. Die Federspule 26 ist ferner über Rillenkugellager 31 drehbar auf dem Gehäusezapfen 25 gelagert, die es ermöglichen eine Reibung zwischen der Federspule 26 und dem Gehäusezapfen 2 zu reduzieren. Die Spiralfeder 27 ist zwischen der Federspule 26 und dem Gehäusezapfen 25 montiert, wobei ein radial inneres Ende 32 der Spiralfeder 27 als Vierkant ausgeführt ist. Der Gehäusezapfen 25 weist eine entsprechende Gegenkontur auf, sodass die Spiralfeder 27 über das radial innere Ende 32 an dem Gehäusezapfen 25 derart befestigt ist, dass sich im Betrieb gegen ein Verdrehen gesichert ist. Ein radial äußeres Ende 33 der Spiralfeder 27 (siehe 2C) ist in einer Nut 34 der Federspule 26 geführt.
In der neutralen Position der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 ist das Seil 9 auf der Federspule 26 aufgewickelt. Wird die Lenkwelle 2 gedreht, wickelt sich das Seil 9 von der Federspule 26 ab und umwickelt die Wellenspule 28, die somit als Umwicklungsabschnitt 23 dient. Dies ist so lange möglich, bis kein Seil 9 mehr auf der Federspule 26 vorhanden ist und das gespannte Seil 9 die Drehbewegung blockiert. Nach Erreichen der maximal zulässigen Drehbewegung wird das Seil 9 durch die Spiralfeder 27 wieder auf die Federspule 26 gewickelt, sobald die Lenkwelle 2 in die entgegengesetzte Richtung rotiert.
Die Wellenspule 28 hat einen größeren Außendurchmesser als die Lenkwelle 2, wodurch die im Betrieb auf das Seil 9 wirkenden Zugkräfte reduziert werden. Dadurch ist es möglich, ein dünneres Seil 9 zu verwenden, als wenn das Seil 9 die Lenkwelle 2 direkt umwickeln würde.
Mit dem hier gezeigten Aufbau ist für eine Drehbewegung der Lenkwelle 2 z.B., von ±1,5 Umdrehungen eine Seillänge von ca. 292 mm bei einem Seil 9 aus HDPE und einem Durchmesser von 4 mm erforderlich, wenn ein Wicklungsdurchmesser an der Federspule 26 16 mm und ein Wicklungsdurchmesser an der Wellenspule 28 52 mm beträgt. Es ist zu beachten, dass erforderliche Seillänge auch von einer Distanz zwischen der Federeinheit 10 und der Wellenspule 28 abhängen kann.
3A bis 3C zeigen die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Ansichten. In der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die erste Lenkeinrichtungskomponente 6 ein flanschartiges Element 35, im nachfolgenden einfach als Flansch 35 bezeichnet, der insbesondere an dem Gehäuse 4 (siehe z.B., 3C) dreh- und axialfest befestigt ist, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente 7 ist die Lenkwelle 2, die hier als eine Vollwelle ausgebildet ist. An dem Flansch 35 ist eine umlaufende Nut oder Rille 36 ausgebildet, in der die Federeinheit 10, die hier beispielhaft als Zugfeder 11 ausgebildet ist, und das Seil 9 geführt sind. Die Federeinheit 10 ist über einen Zylinderstift 37 an dem Flansch befestigt. An dem anderen Ende der Zugfeder 11 ist, analog zu der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform, das eine Ende 15 des Seils 9 mittels des Augspleiß 16 befestigt.
Auf der Lenkwelle 2 ist eine Wellenspule 28 angeordnet, die dreh- und axialfest mit der Lenkwelle 2 gekoppelt ist. Das Seil 9 ist über den Augspleiß 16 am Ende 19 mit einem Zylinderstift 29 an der Wellenspule 28 befestigt. Die Wellenspule 28 und somit die Lenkwelle 2 ist im Wesentlichen konzentrisch und radial innerhalb zum Flansch 35 angeordnet. Ferner ist innerhalb der Nut 36 eine Öffnung 38 ausgebildet, durch die das Seil 9 von dem Flansch 35 zur Wellenspule 28 geführt wird.
In der neutralen Position der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 ist das Seil 9 in der Nut 36 angeordnet und die auf das Seil wirkende Spannkraft durch die Federeinheit 10 ist gering. Wird die Lenkwelle 2 gedreht, wird das Seil 9 durch die Öffnung 38 gezogen und umwickelt die Wellenspule 28, die als Umwicklungsabschnitt 23 dient, bis ein Endanschlag 39 (siehe 3C) erreicht ist. Der Endanschlag kann durch die Durchmesservergrößerung des Seils 9 am Augspleiß 16 oder als eine auf das Seil 9 aufgefädelte Hülse ausgebildet sind. Über den Endanschlag wird die maximal zulässige Drehbewegung, und somit der maximal zulässige Drehwinkel der Lenkwelle 2 in die gewählte Drehrichtung definiert. Ist die Endanschlagsposition erreicht, z.B., indem der Endanschlag an der Anlagefläche des Flanschs 35 im Bereich der Öffnung 38 anliegt bzw. anschlägt, wird die weitere Drehbewegung der Lenkwelle 2 in die gewählte Drehrichtung blockiert. Wird die Lenkwelle 2 in die entgegengesetzte Richtung gedreht, entspannt sich die Zugfeder 11 wieder, wodurch das Seil 9 zurück in den Flansch 35 gezogen wird.
Die Wellenspule 28 hat einen größeren Außendurchmesser als die Lenkwelle 2, wodurch die im Betrieb auf das Seil 9 wirkenden Zugkräfte reduziert werden. Dadurch ist es möglich, ein dünneres Seil 9 zu verwenden, als wenn das Seil 9 die Lenkwelle 2 direkt umwickeln würde. Insbesondere ermöglicht der hier gezeigte beispielhafte Aufbau der Drehwinkelbegrenzungseinrichtung 5 eine Rotation der Lenkwelle 2 in beide Drehrichtung um den gleichen Wert.
Mit dem hier gezeigten Aufbau ist für eine Drehbewegung der Lenkwelle 2 z.B., von ±1,5 Umdrehungen eine Seillänge von ca. 177 mm bei einem Seil 9 aus HDPE und einem Durchmesser von 4 mm erforderlich, wenn ein Wicklungsdurchmesser des Flanschs 35 60 mm und ein Wicklungsdurchmesser an der Wellenspule 28 23 mm beträgt. Es ist zu beachten, dass die erforderliche Seillänge auch von einer Distanz zwischen dem Flansch 10 und der Wellenspule 28 sowie von einer Größe/Länge der Federeinheit 10 abhängen kann.
Bezugszeichenliste

1: Lenkeinrichtung
2: Lenkwelle
3: Motor
4: Gehäuse
5: Drehwinkelbegrenzungseinrichtung
6: erste Lenkeinrichtungskomponente
7: zweite Lenkeinrichtungskomponente
8: Flansch
9: Seil
10: Federeinheit
11: Zugfeder
12: Hülse
13: Scheibe
14: Zylinderstift
15: Ende
16: Augspleiß
17: Öffnung
18: Langloch
19: Ende
20: Schraube
21: Scheibe
22: Außendurchmesserabschnitt
23: Umwicklungsabschnitt
24: Hülse
25: Gehäusezapfen
26: Federspule
27: Spiralfeder
28: Wellenspule
29: Zylinderstift
30: Zylinderstift
31: Rillenkugellager
32: radial inneres Ende
33: radial äußeres Ende
34: Nut
35: flanschartiges Element/Flansch
36: Nut/Rille
37: Zylinderstift
38: Öffnung
39: Endanschlag

Claims

Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) für eine Lenkeinrichtung (1), insbesondere eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung, eines Fahrzeugs, umfassend: eine erste Lenkeinrichtungskomponente (6) und eine zweite Lenkeinrichtungskomponente (7), wobei die erste Lenkeinrichtungskomponente (6) und die zweite Lenkeinrichtungskomponente (7) relativ zueinander drehbar angeordnet sind, ein Seil (9), und eine Federeinheit (10), die dazu eingerichtet ist, das Seil (9) mit einer Spannkraft zu beaufschlagen und wobei ein Ende (15) des Seils (9) über die Federeinheit (10) mit der ersten Lenkeinrichtungskomponente (6) gekoppelt ist, und ein anderes Ende (19) des Seils (9) direkt oder indirekt mit der zweiten Lenkeinrichtungskomponente (7) gekoppelt ist derart, dass das Seil (9) eine relative Drehbewegung zwischen der ersten Lenkeinrichtungskomponente (6) und der zweiten Lenkeinrichtungskomponente (7) durch Umwickeln eines Umwicklungsabschnitts (23) auf einen vorbestimmten Drehwinkel begrenzt.
Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach Anspruch 1, wobei die auf das Seil (9) beaufschlagte Spannkraft der Federeinheit (10) bei Erreichen der maximal zulässigen Drehbewegung am größten ist, und in einem abgewickelten Zustand des Seils (9) am kleinsten ist.
Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Lenkeinrichtungskomponente (6) als eine drehbare Hohlwelle (2) der Lenkeinrichtung (1) ausgebildet ist, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente (7) als ein gehäusefester Flansch (8) ausgebildet ist, wobei die Federeinheit (10) in einem Inneren der Hohlwelle (2) dreh- und axialfest angeordnet ist, und die Federeinheit (10) als eine Zugfeder (11) ausgebildet ist, wobei das eine Ende (15) des Seils (9) mit der Federeinheit (10) im Inneren der Hohlwelle (2) dreh- und axialfest gekoppelt ist, das Seil (9) über eine Öffnung (17) aus dem Inneren der Hohlwelle (2) geführt wird, und das andere Ende (19) des Seils (9) mit dem gehäusefesten Flansch (8) gekoppelt ist, wobei das Seil (9) bei einer Drehbewegung der Hohlwelle (2) einen als der Umwicklungsabschnitt (23) dienenden Abschnitt (22) der Hohlwelle (2) umwickelt.
Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Lenkeinrichtungskomponente (6) als ein Gehäusezapfen (25) der Lenkeinrichtung (1) ausgebildet ist, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente (7) als eine Welle (2) der Lenkeinrichtung (1) ausgebildet ist, wobei die Federeinheit (10) eine Spiralfeder (27) und eine Federspule (26) aufweist, wobei die Federspule (26) drehbar auf dem Gehäusezapfen (25) angeordnet ist und die Spiralfeder (27) zwischen dem Gehäusezapfen (25) und einem Innenradius der Federspule (26) angeordnet ist, wobei ein radial äußeres Ende (33) der Spiralfeder (27) dreh- und axialfest mit der Federspule (26) gekoppelt ist und ein radial inneres Ende (32) der Spiralfeder (27) dreh- und axialfest an dem Gehäusezapfen (25) angeordnet ist, wobei das eine Ende (15) des Seils (9) mit der Federspule (26) gekoppelt ist und das andere Ende (19) des Seils (9) über eine Wellenspule (28), die dreh- und axialfest auf der Welle (2) der Lenkeinrichtung (1) angeordnet ist, mit der Welle (2) der Lenkeinrichtung (2) gekoppelt ist, wobei das Seil (9) bei einer Drehbewegung der Welle (2) die als Umwicklungsabschnitt (23) dienende Wellenspule (28) umwickelt.
Drehwinkelbegrenzungseinheit (5) nach Anspruch 4, ferner aufweisend einen Seilführungsabschnitt, der zwischen der Federspule (26) und der Wellenspule (28) angeordnet ist, und eine Öffnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Seil (9) zu führen.
Drehwinkelbegrenzungseinheit (5) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Federspule (26) über Rillenkugellager (31) drehbar auf dem Gehäusezapfen (25) gelagert ist, und/oder wobei die Spiralfeder (27) dazu eingerichtet ist, das Seil (9) nach Erreichen der maximal zulässigen Drehbewegung auf der Federspule (26) aufzuwickeln, wenn sich die Drehrichtung der Welle (2) umkehrt.
Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Lenkeinrichtungskomponente (6) als ein gehäusefester Flansch (35) mit einer umlaufenden Nut (36) ausgebildet ist, und die zweite Lenkeinrichtungskomponente (7) als eine Welle (2) der Lenkeinrichtung (1) ausgebildet ist, wobei die Federeinheit (10) als eine Zugfeder (11) ausgebildet ist, die mit einem Ende dreh- und axialfest an dem Flansch (35) und in der Nut (36) geführt angeordnet ist, wobei das eine Ende (15) des Seils (9) mit einem anderen Ende der Federeinheit (10) gekoppelt ist, das Seil (9) in der Nut (36) des Flanschs (35) geführt ist, und das andere Ende (19) des Seils (9) über eine Wellenspule (28), die dreh- und axialfest auf der Welle (2) der Lenkeinrichtung (1) angeordnet ist, mit der Welle (2) der Lenkeinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei die Wellenspule (28) im Wesentlichen konzentrisch und radial innerhalb des Flansches (35) angeordnet ist, und das Seil (9) über eine innerhalb der Nut (36) ausgebildete Öffnung (38) nach radial innen zur Wellenspule (28) hin geführt ist, wobei das Seil (9) bei einer Drehbewegung der Welle (2) die als Umwicklungsabschnitt (23) dienende Wellenspule (28) umwickelt.
Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach Anspruch 7, wobei die Zugfeder (11) dazu eingerichtet ist, das Seil (9) in den Flansch (35) zurückzuziehen, wenn sich die Drehrichtung der Welle (2) umkehrt.
Drehwinkelbegrenzungseinheit (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Seil (9) an dem einen Ende (15) ferner einen Endanschlag (39) aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Seils (9) beim Umwickeln des Umwicklungsabschnitts (23) auf eine vorbestimmte Länge zu begrenzen.
Lenkeinrichtung (1), insbesondere steer-by-wire Lenkeinrichtung, für ein Fahrzeug, umfassend: eine Lenkwelle (2), insbesondere eine teleskopierbare Lenkwelle, einen Antriebsmotor (3), der dreh- und axialfest mit der Lenkwelle (2) gekoppelt ist, ein Gehäuse (4), in dem die Lenkwelle (2) und der Antriebsmotor (3) angeordnet sind, und eine Drehwinkelbegrenzungseinrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.