DE3913809A1 - Kleinwinkel-lenkeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kleinwinkel-Lenkeinrichtung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei der das Lenkrad nur um einen kleinen Winkel gedreht zu werden braucht, um den maximalen Lenkwinkel der gesteuerten Räder einzustellen. Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auf eine Lenkvorrichtung, die ein schnelles Reagieren ge­ stattet.

Bei einer herkömmlich verwendeten Lenkeinrichtung in einem Automobil muß das Lenkrad mehr als einmal gedreht werden, um den maximalen Lenkwinkel der gesteuerten Räder einstel­ len zu können, was in erheblichem Maße zur Ermüdung eines Fahrers bzw. Fernfahrers führt, der häufig und lange hinter dem Lenkrad sitzt.

Es besteht daher ein Bedarf an einer Kleinwinkel-Lenkein­ richtung, mit deren Hilfe sich ein großer Lenkwinkel der gesteuerten Räder auch bei nur geringer Drehung des Lenk­ rads einstellen läßt. Hierzu läßt sich z. B. in einfacher Weise das Lenkgetriebeverhältnis auf einen hohen Wert ein­ stellen, wie dies bei der Formel-Fahrzeugklasse der Fall ist. Bei einer derart einfachen Erhöhung des Getriebever­ hältnisses wird jedoch die Lenkantwort in der Nähe der Zen­ tralposition des Lenkrads überempfindlich, und zwar insbe­ sondere während einer Fahrt bei hoher Geschwindigkeit, so daß eine Lenkkorrektur schwer durchzuführen ist.

Bei einer Kleinwinkel-Lenkeinrichtung soll ein großer Win­ kel der gesteuerten Räder bei nur geringem Lenkwinkel des Lenkrads eingestellt werden, so daß es aus diesem Grunde vorteilhaft ist, die Lenkkraft mit größer werdendem Lenk­ winkel zu erhöhen. Der Lenkwinkel wird sich dadurch nicht abrupt erhöhen, auch wenn die Lenkeinrichtung weniger sorg­ fältig durch einen Fahrer bedient wird, der üblicherweise nur ein gewöhnliches Lenksystem kennt.

Wird allerdings bei einer Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nur das Lenkgetriebeverhältnis erhöht, so muß mit einem äußerst scharfen bzw. ruckartigen Lenkverhalten gerechnet werden, da in einem solchen Fall die Lenkkraft bei Änderungen des Lenkwinkels konstant ist. Dies kann jedoch zu einem erheb­ lichen Sicherheitsproblem werden. Wird zur Vermeidung des scharfen bzw. abrupten Lenkverhaltens die Lenkkraft erhöht, so erhöht sich auch die Lenkkraft in der Nähe der Zentral­ position des Lenkrades, was wiederum zu einer stärkere Er­ müdung des Fahrers führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kleinwinkel- Lenkeinrichtung zu schaffen, deren Lenkantwort und Lenk­ kraft mit größer werdendem Lenkwinkel des Lenkrades anstei­ gen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Eine Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach der Erfindung zeich­ net sich aus durch einen Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis innerhalb eines Lenkkraft-Ubertragungs­ wegs zur Übertragung der Drehung eines Lenkrads zu einer Lenkgetriebebox, wobei der Getriebemechanismus folgende Einrichtungen enthält:

• - ein erstes und mit der Lenkradseite verbundenes Getriebe mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem Lenkwinkel ansteigt, und
• - ein zweites und mit der Lenkgetriebeboxseite verbundenes Getriebe mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem Lenkwinkel abnimmt, wobei dann, wenn sich das Lenkrad in seiner Zentralposition befindet, derjenige Teil des ersten Getriebes, der den kleinsten Radius auf­ weist, in Eingriff mit demjenigen Teil des zweiten Ge­ triebes steht, der den größten Radius aufweist.

Das erste und das zweite Getriebe können z. B. durch Zahn­ räder realisiert sein.

Entsprechend der Erfindung wird also ein Getriebemechanis­ mus mit variablem Getriebeverhältnis verwendet, der z. B. ein erstes Zahnrad mit einem effektiven Radius aufweist, der mit ansteigendem Lenkwinkel graduell zunimmt, und ein zweites Zahnrad mit einem effektiven Radius besitzt, der mit ansteigendem Lenkwinkel graduell abnimmt, so daß sich somit das Getriebeverhältnis mit ansteigendem Winkel des Lenkrads erhöhen läßt. Hierdurch wird vermieden, daß sich eine überempfindliche Steuerantwort in der Nähe der Zen­ tralposition des Lenkrads ergibt. Außerdem ist nur ein ge­ ringer Ausschlag des Lenkrads erforderlich, um den maxima­ len Auslenkwinkel der gesteuerten Räder einzustellen.

Mit Hilfe des genannten Getriebemechanismus läßt sich eine Getriebeverhältnisänderung erreichen, derart, daß die Lenk­ kraft mit zunehmendem Lenkwinkel ansteigt, so daß auch eine abrupte Lenkung der gesteuerten Räder vermieden wird, wenn der Fahrer das Lenkrad unachtsam betätigt.

Nach der Erfindung kann als Getriebemechanismus mit variab­ lem Getriebeverhältnis ein elliptischer Getriebemechanismus mit einem Paar elliptischer Zahnräder zum Einsatz kommen, um die oben beschriebenen Eigenschaften mit möglichst ein­ fachem Aufbau zu erzielen.

Ferner läßt sich nach der Erfindung ein Verstärkungsmecha­ nismus zur Verstärkung des Ausgangs des Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis zwischen diesem Getriebe­ mechanismus und der Lenkgetriebebox einsetzen, so daß kon­ ventionelle Lenkgetriebeboxen und Lenkverstärkereinrichtun­ gen (Lenkkraftverstärker) verwendet werden können, ohne daß diese geändert werden müssen. Hierdurch werden die Produk­ tionskosten des Lenksystems erheblich reduziert.

Bei der Erfindung kommt ein Gegenkraft-Mechanismus zum Ein­ satz, der innerhalb des Lenkkraft-Übertragungswegs liegt, um den Drehwiderstand des Lenkkraft-Übertragungswegs in Antwort auf ein Ansteigen des Lenkwinkels und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen. Dadurch läßt sich das Lenkkraftverhalten bezüglich des Lenkwinkels optimieren, und zwar unter Einstellung eines optimalen Getriebeverhält­ nisses mittels des Getriebemechanismus mit variablem Ge­ triebeverhältnis, so daß auch ein optimales Lenkkraftver­ halten bezüglich des jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeitsbe­ reichs erhalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Vertikalschnitt durch eine Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein elliptisches Getriebe,

Fig. 3 einen Gegenkraft-Mechanismus in schematischer Dar­ stellung,

Fig. 4 eine Lenkwinkelcharakteristik,

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung von Lenkkraft-Charak­ teristika,

Fig. 6 eine Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach einem zwei­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Lieferung eines Hydraulikdrucks,

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Lenkkraftverhaltens in Abhängigkeit der Fahrzeug­ geschwindigkeit,

Fig. 9 eine Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach einem drit­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch eine Kleinwinkel-Lenk­ einrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun­ mehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen be­ schrieben. Die Fig. 1 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungs­ beispiel einer Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach der Erfin­ dung. Dabei ist in Fig. 1 in schematischer Weise ein Verti­ kalschnitt eines Teils der Kleinwinkel-Lenkeinrichtung dar­ gestellt. Gemäß Fig. 1 ist das untere bzw. Bodenende einer mit einem nicht dargestellten Lenkrad verbundenen Lenkwelle 1 mit dem oberen Ende einer Eingangswelle 3 eines ellipti­ schen Getriebemechanismus 2 verbunden, und zwar mittels ei­ ner Zahn- oder Splintverbindung (serration connection). Ein erstes elliptisches Zahnrad 4 des elliptischen Getriebeme­ chanismus 2 ist im Inneren eines Gehäuses 5 nicht drehbar am äußeren Umfang der Eingangswelle 3 befestigt, wobei die Eingangswelle 3 in Hauptachsenrichtung gegenüber dem Zen­ trum des ersten elliptischen Zahnrads 4 versetzt angeordnet ist. Ein im Gehäuse 5 angeordnetes zweites elliptisches Zahnrad 6 kämmt mit dem ersten elliptischen Zahnrad 4 und ist nicht drehbar am äußeren Umfang einer Ausgangswelle 7 angeordnet, die innerhalb des Gehäuses 5 und parallel zur Eingangswelle 3 liegt. Die Ausgangswelle 7 ist wie die Ein­ gangswelle 3 in Hauptachsenrichtung gegenüber dem Zentrum des zweiten elliptischen Zahnrads 6 versetzt angeordnet. Beim elliptischen Getriebemechanismus 2 gemäß Fig. 2 steht der Teil des ersten elliptischen Zahnrads 4 mit dem klein­ sten Radius mit dem den größten Radius aufweisenden Teil des zweiten elliptischen Zahnrads 6 in Eingriff, wenn sich das nicht dargestellte Lenkrad in der Zentralposition be­ findet. Vergrößert sich daher die Drehung der Eingangswelle 3 mit größer werdendem Lenkwinkel des Lenkrads, so vergrö­ ßert sich auch das Getriebeverhältnis des elliptischen Ge­ triebemechanismus 2. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel der maximale Lenkwinkel des Lenkrads auf etwa eine halbe Umdrehung (180°) eingestellt ist, wird sich das Getriebe­ verhältnis bei großem Lenkwinkel nicht verringern.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist die Ausgangswelle 7 des ellipti­ schen Getriebemechanismus 2 mit einem Innenventil 9 einer Lenkverstärkereinrichtung verbunden, und zwar über ein Pla­ netengetriebe 8. Mit dem unteren Ende der Ausgangswelle 7 ist ein Planetengetriebeträger 10 für das Planetengetriebe 8 integral verbunden, wobei der Planetengetriebeträger 10 eine Mehrzahl von drehbar angeordneten Planetenzahnrädern 11 trägt. Ein Ring- bzw. Hohlzahnrad des Planetengetriebes 8 ist am Gehäuse 5 befestigt und steht immer in Eingriff mit den Planetenzahnrädern 11. Ein Sonnenrad 12 des Plane­ tengetriebes 8 ist am äußeren Umfangsrand des oberen Endes des Innenventils 9 befestigt und steht immer in Eingriff mit den Planetenzahnrädern 11.

Das Planetengetriebe 8 wirkt als Geschwindigkeitserhöhungs­ mechanismus zur Vergrößerung der Rotation der Ausgangswelle 7 und überträgt die Rotation zur Innenventilwelle 9. Durch Übertragung der axialen Rotationskomponente zusätzlich zur orbitalen Rotationskomponente der Planetenzahnräder 11 auf das Sonnenrad 12 erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit des Sonnenrads 12. Im Ergebnis wird die durch den ellipti­ schen Getriebemechanismus 2 eingestellte Lenkwinkelantwort (Lenkwinkel-Ansprechvermögen) verstärkt und dann der Lenk­ verstärkereinrichtung zugeführt.

Das Innenventil 9 und ein Außenventil 13 am äußeren Umfang des Innenventils 9 bilden zusammen ein bekanntes Drehven­ til. Eine mit dem unteren Ende des Außenventils 13 verbun­ dene Lenkausgangswelle 14 ist mit dem Innenventil 9 Über einen Torsionsstab 15 (Drehstabfeder) verbunden. Ein Rit­ zel 16 am unteren äußeren Umfangsrand der Lenkausgangswelle 14 steht mit einer Zahnstange 18 an einer Lenkstange 17 in Eingriff, so daß eine Lenkgetriebebox 19 erhalten wird. Die dem Innenventil 9 nachfolgende und die Lenkverstärkerein­ richtung sowie die Lenkgetriebebox 19 betreffende Anordnung ist allgemein bekannt und wird nachfolgend nicht nochmals detailliert beschrieben.

Im einzelnen wird jetzt ein Gegenkraft-Mechanismus 20 er­ läutert, der auf der Eingangswelle 3 vorhanden ist. Ein mit dem ersten elliptischen Zahnrad 4 integral verbundener Noc­ kenkörper 21 liegt unterhalb des ersten elliptischen Zahn­ rads 4 und wird gemeinsam mit der Eingangswelle 3 gedreht. Eine Rolle 22 wird durch eine Federkraft beaufschlagt und gegen die Nockenoberfläche am äußeren Umfangsrand des Noc­ kenkörpers 21 gedrückt, so daß die Rolle 22 als Andruckele­ ment arbeitet.

Innerhalb des Gehäuses 5 befindet sich ein Federgehäuse 23, dessen Axialerstreckung senkrecht zur Richtung der Axialer­ streckung der Eingangswelle 3 verläuft. Das Federgehäuse 23 enthält in seinem Inneren zwei Spulenfedern 24 und 25 mit unterschiedlichen Federkonstanten. Ein Gegenkraftkolben 26 ist im Federgehäuse 23 gleitend gelagert und wird durch die Spulenfedern 24 und 25 in Richtung der Eingangswelle 3 ge­ drückt. Eine Rollentragplatte 27 ist integral mit dem Ge­ genkraftkolben 26 verbunden und ragt aus dem Inneren des Federgehäuses 23 hervor, wobei die Rollentragplatte 27 an ihrem vorderen Ende mit einer Trägerwelle 28 ausgestattet ist, die parallel zur Eingangswelle 3 verläuft. Die aus Harz bestehende Rolle 22 ist drehbar auf der Trägerwelle 28 (Achse) gelagert und wird durch die Kraft der Spulenfedern 24 und 25 gegen den Nockenkörper 21 gedrückt. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, weist der Nockenkörper 21 eine herzartige Form auf, wobei sein Wellenzentrum in Richtung der Ausneh­ mung der herzartigen Nockenoberfläche versetzt ist. Der Nockenkörper 21 ist so angeordnet, daß die Ausnehmung, die den Teil mit dem kleinsten Radius der herzförmig ausgebil­ deten Nockenoberfläche bildet, in Kontakt mit der Rolle 22 steht, wenn sich das nicht dargestellte Lenkrad in seiner Zentralposition befindet. Der effektive Radius des mit der Rolle 22 in Kontakt stehenden Teils vergrößert sich somit, wenn sich mit ansteigendem Lenkwinkel die Eingangswelle 3 dreht. Da die Maximaldrehung der Eingangswelle 3 auf etwa eine halbe Umdrehung eingestellt ist, wird sich der effek­ tive Radius des Nockenkörpers 21 bei großen Lenkwinkeln nicht beträchtlich vermindern.

Im folgenden wird die Wirkungsweise dieses Ausführungsbei­ spiels im einzelnen beschrieben. Der Lenkeingang vom Lenk­ rad wird zum Planetengetriebe 8 über das erste elliptische Zahnrad 4, das zweite elliptische Zahnrad 6 und die Aus­ gangswelle 7 übertragen und ferner nach Verstärkung durch das Planetengetriebe 8 zur Lenkgetriebebox 19. Da beim el­ liptischen Getriebemechanismus 2 derjenige Teil des ersten elliptischen Zahnrads 4 mit dem kleinsten Radius in Ein­ griff mit dem den größten Radius aufweisenden Teil des zweiten elliptischen Zahnrads 6 steht, vergrößert sich das Getriebeverhältnis des elliptischen Getriebemechanismus 2, wenn sich die Drehung der Eingangswelle 3 vergrößert. An­ hand des in Fig. 4 gezeigten Lenkwinkelverhaltens des vorliegenden Ausführungsbeispiels läßt sich erkennen, daß somit bei einem Lenkrad in der Nähe seiner Zentralposition das anfängliche Antwortverhalten der gesteuerten Räder im­ mer dasselbe ist wie bei einer konventionellen Lenkeinrich­ tung, daß jedoch das Antwortverhalten der gesteuerten Räder schneller wird bei Erhöhung des Lenkwinkels, also dann, wenn sich das Lenkwinkelverhältnis graduell mit ansteigen­ dem Lenkwinkel erhöht. Bei einer derartigen Lenkwinkelcha­ rakteristik läßt sich der maximale Lenkwinkel merklich ver­ mindern auf etwa die Hälfte einer Umdrehung.

Im Gegenkraft-Mechanismus 20 werden die Spulenfedern 24, 25 graduell zusammengedrückt, da sich der effektive Radius desjenigen Teils der Rolle 22, der gegen den Nockenkörper 21 gedrückt wird, bei Drehung der Eingangswelle 3 vergrö­ ßert. Daher wird die Kraft der Spulenfedern 24 und 25, die über den Gegenkraftkolben 26 auf die Rolle 22 wirkt, mit Drehung der Eingangswelle 3 (bzw. des Nockenkörpers 21) vergrößert, so daß die Andruckkraft der Rolle 22 gegen den Nockenkörper 21 mit Drehung der Eingangswelle 3 ansteigt. Im Ergebnis steigt der Drehwiderstand der Eingangswelle 3 mit zunehmendem Lenkwinkel an, so daß sich die erforderli­ che Lenkkraft zum Drehen des Lenkrads mit größer werdendem Lenkwinkel erhöht.

Die Fig. 5 zeigt das Lenkkraftverhalten für den Fall mit und ohne Gegenkraft-Mechanismus 20. Entsprechend der Fig. 5 steigt auch ohne Gegenkraft-Mechanismus 20 die Lenkkraft mit zunehmendem Lenkwinkel an, und zwar infolge von Ände­ rungen des Getriebeverhältnisses des elliptischen Getriebe­ mechanismus 2. Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ver­ wendete Gegenkraft-Mechanismus 20 führt jedoch zu einer vergrößerten Lenkkraft, um die Aufmerksamkeit des Fahrers zu gewinnen. Da die Lenkkraftdifferenz zwischen der zentra­ len Lenkposition und der Position mit maximalem Lenkwinkel größer wird, kann ein zu großer Lenkwinkel vermieden wer­ den, auch wenn ohne große Aufmerksamkeit gefahren wird. Entsprechend der Fig. 5 bewirkt der Gegenkraft-Mechanismus 20 beim Zurückdrehen des Lenkrads eine Verminderung der Lenkkraft, was zur erleichterten Rückführung des Lenkrads beiträgt.

Wie bereits erwähnt, liegt die Rolle 22 bei Einnahme der Zentralposition durch das Lenkrad in der Ausnehmung des herzförmig ausgebildeten Nockenkörpers 21, der an dieser Stelle seinen kleinsten Radius aufweist, so daß die Zen­ tralposition des Lenkrads klar definiert ist. Der Fahrer kann daher leicht feststellen, wann sich das Lenkrad in der Zentralposition befindet.

Die in Fig. 5 gezeigte Lenkkraftcharakteristik bei Verwen­ dung des Gegenkraft-Mechanismus 20 dient nur als Beispiels­ angabe. Selbstverständlich lassen sich die Federkonstante der Spulenfedern 24, 25 und die Form des Nockenkörpers 21 des Gegenkraft-Mechanismus 20 verändern, um zu einem ande­ ren Lenkkraftverhalten zu gelangen. Beispielsweise läßt sich auf diesem Wege die Lenkkraftdifferenz zwischen der Zentralposition und der Position des maximalen Lenkwinkels oder die anfängliche Lenkkraft bei Drehung aus der Zentral­ position heraus erhöhen.

Weiterhin läßt sich in Fig. 5 erkennen, daß das Grundver­ halten, nämlich die Erhöhung der Lenkkraft bei ansteigendem Lenkwinkel zu erzielen, und zwar unter Einsatz des ellipti­ schen Getriebemechanismus 2, auch dann erhalten wird, wenn kein Gegenkraft-Mechanismus 20 verwendet wird.

Beim ersten und mit dem Gegenkraft-Mechanismus 20 ausge­ statteten Ausführungsbeispiel lassen sich die Lenkkraftei­ genschaften unabhängig von den mit Hilfe des elliptischen Getriebemechanismus 2 erhaltenen Lenkwinkeleigenschaften einstellen, so daß sich die Lenkkrafteigenschaften insge­ samt durch Einstellung des Gegenkraft-Mechanismus 20 opti­ mal korrigieren lassen, und zwar bei optimalen und durch den elliptischen Getriebemechanismus 2 eingestellten Lenk­ winkeleigenschaften. Hierdurch läßt sich ein überempfindli­ ches Lenkantwortverhalten in der Nähe der Zentralposition des Lenkrads vermeiden, während andererseits auch abrupte Steuerbewegungen infolge eines unaufmerksamen Lenkbetriebs verhindert werden. Insgesamt ergibt sich somit eine bessere Bedienbarkeit der Kleinwinkel-Lenkeinrichtung mit reduzier­ tem Lenkbetriebswinkel bis herauf zum maximalen Lenkwinkel.

Da der Ausgang des elliptischen Getriebemechanismus 2 durch das Planetengetriebe 8 verstärkt und anschließend zur Lenk­ verstärkereinrichtung übertragen wird, läßt sich der maxi­ male und der Lenkverstärkereinrichtung zugeführte Drehwin­ kel nahezu gleich demjenigen der konventionell verwendeten Lenkverstärkereinrichtung wählen, auch bei reduziertem ma­ ximalem Lenkwinkel des Lenkrads, so daß die konventionelle Lenkverstärkereinrichtung ohne Änderungen verwendet werden kann. Dies führt zu einem kostengünstigen und einfach auf­ gebauten Kleinwinkel-Lenkgerät mit Lenkverstärkerfunktion.

Aufgrund der Zentralpositionierungsfunktion des Gegenkraft- Mechanismus 20 läßt sich die Zentralposition des Lenkrads leicht abfühlen, so daß aufgrund der automatischen Zen­ trierfunktion der Lenkbetrieb, insbesondere beim Zurücklen­ ken, erleichtert wird. Darüber hinaus ergibt sich eine ver­ besserte Lenkstabilität während der Geradeausfahrt des Fahrzeugs.

Die Grundeigenschaft der Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach der Erfindung, nämlich einen Anstieg der Lenkkraft zu er­ zielen bei vergrößertem Lenkwinkel, läßt sich bereits mit dem elliptischen Getriebemechanismus 2 erreichen, was schon zu einem Minimum an Sicherheit führt, auch wenn einmal eine Störung im Gegenkraft-Mechanismus auftritt.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind gleiche Teile wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrie­ ben.

In diesem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel sind die Positionen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 7 ge­ genübe dem ersten Ausführungsbeispiel vertauscht, wobei die Eingangswelle 3 koaxial zur Lenkausgangswelle 14 liegt. An­ stelle des Planetengetriebes 8 gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ist ein helisches Zahnrad 31 (schraubenarti­ ges bzw. Schrägzahnrad) mit großem Durchmesser mit der Aus­ gangswelle verbunden, während ein helisches Zahnrad 32 mit kleinem Durchmesser mit dem Eingangsventil 9 verbunden ist. Diese helischen Zahnräder 31 und 32 bilden im vorliegenden Fall einen Geschwindigkeitserhöhungsmechanismus. Die Dre­ hung der Ausgangswelle 7 wird über die helischen Zahnräder 31 und 32 praktisch erhöht und dann zum Eingangsventil 9 übertragen.

Zusätzlich zum Gegenkraft-Mechanismus ist eine Feder 35 zur Lenkkrafteinstellung vorgesehen. Die Feder 35 umgibt die Eingangswelle 3 und liegt zwischen der Eingangswelle 3 und dem Gehäuse 5. Dabei wird die Feder 35 bei Drehung der Ein­ gangswelle 3 elastisch deformiert, so daß sich ihre Feder­ kraft erhöht. Damit erhöht sich auch der Drehwiderstand der Eingangswelle 3. Bereits nur die Feder 35 bewirkt daher denselben Effekt wie der Gegenkraft-Mechanismus 20 im er­ sten Ausführungsbeispiel.

Ein weiterer Gegenkraft-Mechanismus 34 weist einen Nocken­ körper 21 auf, der dieselbe Form wie der beim ersten Aus­ führungsbeispiel besitzt. Dieser Nockenkörper 21 ist auf der Ausgangswelle 7 montiert. Ferner gehört zum Gegenkraft- Mechanismus 34 eine Rolle 22, die gegen den Nockenkörper 21 drückt. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Gegen­ kraft-Mechanismus 20 beim ersten Ausführungsbeispiel be­ steht darin, daß die die Rolle 22 gegen den Nockenkörper 21 drückende Kraft keine Federkraft, sondern eine Hydraulik­ kraft ist. Zu diesem Zweck liegt ein Druckkolben 36 glei­ tend montiert in senkrechter Richtung zur Ausgangswelle 7 im Gehäuse 5, wobei die Rolle 22 drehbar am vorderen Ende des Druckkolbens 36 gelagert ist. Ein von einem Eingangstor 37 innerhalb des Gehäuses 5 gelieferter Hydraulikdruck be­ aufschlagt das hintere Ende des Druckkolbens 36. Die Druck­ kraft zwischen der Rolle 22 und dem Nockenkörper 21 hängt daher vom zugeführten Hydraulikdruck ab. Da der Nockenkör­ per 21 dieselbe Form wie der beim ersten Ausführungsbei­ spiel aufweist, erhöht sich die Lenkkraft mit ansteigendem Lenkwinkel wie beim ersten Ausführungsbeispiel, sofern ein Hydraulikdruck vom Eingangstor 37 geliefert wird.

Die Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht der Einrichtung zur Erzeugung des Hydraulikdrucks, der über das Eingangstor 37 übertragen wird. Eine Ölpumpe 42 saugt Hydrauliköl aus einem Reservetank 41 an und gibt dieses Öl aus, wobei die Ölpumpe 42 durch ein die Geschwindigkeit messendes An­ triebsgetriebe angetrieben wird, welches sich auf einer Übertragungsausgangswelle befindet. Die Ölpumpe 42 dreht sich daher in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit, wo­ bei die ausgegebene Pumpmenge (Hydraulikölmenge) mit zuneh­ mender Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt. Ein Entladetor der Ölpumpe 42 ist mit dem Eingangstor 37 über eine Ölleitung 43 verbunden. Die Ölleitung 43 ist mit einer Ölleitung 44 verbunden, die ihrerseits mit dem Reservetank 41 verbunden ist. Dabei enthält die Ölleitung 44 eine Mündung 45 (Veren­ gung). Aufgrund der Mündung 45 bzw. Verengung ergibt sich ein Flußwiderstand, so daß sich ein Hydraulikdruck in Ab­ hängigkeit der Flußrate an der stromaufwärts liegenden Sei­ te der Mündung 45 einstellt, wobei der Hydraulikdruck in Antwort auf die Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt, da die Ölpumpe 42 Hydrauliköl um so stärker ausgibt, je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Das Eingangstor 37 wird daher mit einem Hydraulikdruck in Übereinstimmung mit der Fahr­ zeuggeschwindigkeit versorgt. Uber ein Entlastungsventil 46 wird ein Teil des Hydrauliköls zum Reservetank zurückge­ führt, wenn die Flußrate der Ölpumpe 42 einen vorbestimmten Wert überschreitet, um zu verhindern, daß am Eingangstor 37 ein zu hoher Hydraulikdruck erzeugt wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels näher beschrieben. Insbesondere im Gegen­ kraft-Mechanismus 34 steigt die die Rolle 22 gegen den Noc­ kenkörper 21 drückende Kraft mit größer werdender Fahrzeug­ geschwindigkeit an, da der Hydraulikdruck zum Eingangstor 37 in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, wie beschrieben. Im Ergebnis erhöht sich der Drehwiderstand der Eingangswelle 3 mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit, so daß die in Fig. 8 gezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit-Lenk­ kraftcharakteristik erhalten wird, nach der die Lenkkraft mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt. Aufgrund der Form des Nockenkörpers 21, die die gleiche ist wie beim Nockenkörper des ersten Ausführungsbeispiels, steigt die Lenkkraft mit zunehmendem Lenkwinkel an, so daß auch bei einer Fahrt mit hoher Geschwindigkeit, bei der ein hoher Hydraulikdruck vorhanden ist, die gesteuerten Räder nicht übertrieben stark bewegt werden können, wenn eine unvor­ sichtige Lenkbewegung erfolgt. Es wird somit eine weiter erhöhte Sicherheit erhalten, sofern das Lenkrad nicht mit einer sehr großen Lenkkraft gedreht wird. Selbstverständ­ lich tritt auch im vorliegenden Fall der Lenkrad-Zentrier­ effekt auf, der bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist.

Bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt praktisch keine Steuerung der Lenkkraft durch den Gegenkraft-Mecha­ nismus 34, was aber unkritisch ist, da die Feder 35 in ent­ sprechender Weise wirkt. Die Lenkcharakteristik läßt sich also so einstellen, daß die Lenkkraft mit zunehmendem Lenk­ winkel ansteigt, und zwar unabhängig von der Einstellung des elliptischen Getriebemechanismus 2.

Neben den bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel beschriebenen Eigenschaften läßt sich beim zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich die Lenkkraft mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit erhöhen, was sehr vor­ teilhaft bei einer Lenkeinrichtung ist, so daß es möglich wird, ein gutes Lenkgefühl bei Hochgeschwindigkeitsfahrten zu entwickeln. Ein abruptes Lenken bei unachtsamen Lenkope­ rationen wird sicher verhindert.

Wie auch im Falle einer konventionellen Lenkeinrichtung sind die Eingangswelle 3 und die Lenkausgangswelle 14 ko­ axial hintereinanderliegend angeordnet (auf derselben Ach­ se), so daß die Einrichtung nach dem vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel anstelle der konventionellen Lenkeinrichtung verwendet werden kann, und zwar ohne irgendwelche Änderun­ gen am Fahrzeugkörper. Die Einrichtung nach diesem Ausfüh­ rungsbeispiel und die konventionelle Lenkeinrichtung können daher schnell gegeneinander ausgetauscht werden, je nach Spezifikation des Fahrzeugs, so daß sich ein weiter Anwen­ dungsbereich für die Lenkeinrichtung nach der Erfindung er­ gibt.

Die Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach der Erfindung, wobei das dritte Ausführungsbeispiel gegenüber dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel dahingehend abgewandelt ist, daß eine Hydrau­ likkammer 52 zwischen dem Boden des Federgehäuses 23 und einem Federgegenlager 51 vorhanden ist. Beim dritten Aus­ führungsbeispiel wird ein Hydraulikdruck in Antwort auf die Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt und vom Eingangstor 37 in die Hydraulikkammer 52 übertragen, so daß dasselbe Fahr­ zeuggeschwindigkeitsgefühl wie beim zweiten Ausführungsbei­ spiel entwickelt werden kann.

Die Fig. 10 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Lenkeinrichtung nach der Erfindung.

Entsprechend der Fig. 10 ist ein elliptisches Zahnrad 63 mit Hilfe eines Keils 64 auf einer ersten Zwischenwelle 62 montiert, die eine erste Welle darstellt, welche durch ein Lenkrad 61 gedreht werden kann. Ferner ist ein elliptisches Zahnrad 66, das mit dem elliptischen Zahnrad 63 kämmt, mit Hilfe eines Keils 67 auf einer zweiten Zwischenwelle 65 montiert, die eine zweite Welle darstellt, welche durch ein nicht dargestelltes Lenkgetriebe drehbar ist. Wird das Lenkrad 61 gedreht, so dreht sich auch die erste Zwischen­ welle 62, wobei diese Drehung auf die zweite Zwischenwelle 65 mittels der beiden elliptischen Zahnräder 63 und 66 übertragen wird, um das Lenkgetriebe zu drehen. Auf diese Weise wird der Winkel der nicht dargestellten gesteuerten Räder verändert.

Die Phasen der Zahnräder 63 und 66 relativ zu den Wellen 62 und 65 sind so eingestellt, daß bei einem Winkel Null der gesteuerten Räder, also bei solchen relativen Drehpositio­ nen der ersten Zwischenwelle 62 und der zweiten Zwischen­ welle 65, die zu einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs führen, der Teil des auf der ersten Zwischenwelle 62 montierten el­ liptischen Zahnrads 63 mit dem kleinsten Radius in Eingriff mit dem den größten Radius aufweisenden Teil des ellipti­ schen Zahnrads 66 steht. Die Verhältnisse sind also die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Durch Verbindung der ersten und zweiten Zwischenwellen 62 und 65 über diese elliptischen Zahnräder 63 und 66 wird es somit möglich, die Lenkgetriebecharakteristik in Überein­ stimmung mit dem Lenkwinkel zu verändern, und zwar in glei­ cher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel. Da in der Nähe des Lenkwinkels Null der Teil des auf der ersten Zwi­ schenwelle 62 montierten elliptischen Zahnrads 63 mit dem kleinsten Radius in Eingriff mit dem den größten Radius aufweisenden Teil des elliptischen Zahnrads 66 steht, das auf der zweiten Zwischenwelle 65 montiert ist, wird die Ro­ tation der ersten Zwischenwelle 62 reduziert und dann zur zweiten Zwischenwelle 65 übertragen. Im Ergebnis wird ein Zustand mit einem im wesentlichen niedrigen Lenkgetriebe­ verhältnis erhalten, was die Sicherheit bei einer Gerade­ ausfahrt des Fahrzeugs verbessert.

Andererseits wird die Reduktionsrate graduell reduziert mit steigendem Lenkwinkel, was sozusagen als Zwischenstufe zu einer Erhöhung der Rotation führt. Drehen sich die ellipti­ schen Zahnräder 63 und 66 um 180° vom Nullpunkt des Lenk­ winkels, so steht der Teil des auf der ersten Zwischenwelle 62 montierten elliptischen Zahnrads 63, der den größten Ra­ dius aufweist, mit dem den kleinsten Radius aufweisenden Teil des elliptischen Zahnrads 66 in Eingriff, das sich auf der zweiten Zwischenwelle 65 befindet, so daß die Drehung der ersten Zwischenwelle 65 am stärksten erhöht bzw. hoch­ gesetzt wird und dann zur zweiten Zwischenwelle 65 übertra­ gen wird. Dieser Zustand entspricht einem Zustand mit hohem Lenkwinkelverhältnis, der dann zur Erleichterung des Lenk­ betriebs eingenommen werden kann, wenn ein hoher Lenkwinkel erforderlich ist, z. B. dann, wenn das Fahrzeug in eine Ga­ rage gefahren werden soll. Wie im Falle der vorher be­ schriebenen Ausführungsbeispiele wird auch beim vierten Ausführungsbeispiel eine Lenkwinkelcharakteristik erhalten, nach der sich das Lenkgetriebeverhältnis mit ansteigendem Lenkwinkel erhöht. Gemäß der Getriebeverhältnischarakteri­ stik erhöht sich ferner die Lenkkraft mit ansteigendem Lenkwinkel, so daß eine abrupte Lenkung der gesteuerten Rä­ der infolge eines unachtsamen Betriebs des Lenkrads verhin­ dert wird.

Die Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein nicht drehbarer Teil im Zentrum des Lenkrads 61 vorhanden ist, auf dem sich z. B. Instrumente, etwa ein Geschwindig­ keitsmesser, und verschiedene Schalter anordnen lassen. Entsprechend der Fig. 10 ist eine Lenkhohlwelle 70 am äuße­ ren Umfang und konzentrisch zu einer Hohlachse 69 drehbar gelagert, wobei die Hohlachse 69 an einem Lenksäulengehäuse 68 befestigt ist. An einem Ende der Lenkhohlwelle 70 ist das Lenkrad 61 befestigt. Eine Montageplatte 71, die sich im Zentrum des Lenkrads 61 befindet, ist mit einem Ende der Hohlachse 69 fest verbunden.

Auf der Lenkhohlwelle 70 ist ein Antriebszahnrad 72 mon­ tiert, das in Eingriff mit einem benachbarten Antriebszahn­ rad 74 steht, welches seinerseits auf einer Antriebswelle 73 montiert ist, die ihrerseits vom Gehäuse 68 getragen wird. Die Antriebswelle 73 ist über ein Universalgelenk 75 mit einer ersten Zwischenwelle 62 verbunden. Wird das Lenk­ rad 61 gedreht, so dreht sich auch die Lenkhohlwelle 70. Dabei dreht sich auch die Antriebswelle 73 aufgrund der vorhandenen Zahnräder 72 und 74, wobei die Drehung der An­ triebswelle 73 über das Universalgelenk 75 auf die erste Zwischenwelle 62 übertragen wird.

Wie bereits oben beschrieben, ist die zweite Zwischenwelle 65 mit der ersten Zwischenwelle 62 über die elliptischen Zahnräder 63 und 66 verbunden, wobei die zweite Zwischen­ welle 65 ferner über eine Getriebeeinheit 76 zur Geschwin­ digkeitserhöhung mit einer Ausgangswelle 77 verbunden ist. Da die Ausgangswelle 77 über eine nicht dargestellte Ver­ bindungswelle mit dem Lenkgetriebe verbunden ist, läßt sich der Winkel der gesteuerten Räder mit Drehung der Ausgangs­ welle 77 verändern.

Eine elektrische Kippeinrichtung 78 dient zur Einstellung des Kippwinkels des Lenkrads 61. Obwohl nicht im einzelnen dargestellt, kann die mit der Hohlachse 69 fest verbundene Montageplatte 71 verschiedene Instrumente, z. B. einen Ge­ schwindigkeitsmesser, Schalter und andere Einrichtungen, tragen, die mit Leitungen verbunden sind, welche durch den Innenraum der Hohlachse 69 hindurchlaufen.

Befinden sich Instrumente im Zentrum des Lenkrads 61, so werden diese insbesondere dann durch die Hand des Fahrers während des Betriebs des Lenkrads 61 nicht abgedeckt, wenn das Lenkrad 61 z. B. eine kleine und halbkreisförmige Form aufweist und der maximale Drehwinkel des Lenkrads 61 auf einen Bereich begrenzt ist, der keine Verschiebung der Hän­ de erforderlich macht, z. B. auf einen Bereich von 180°. In diesem Fall können also die elliptischen Zahnräder 63 und 66 gemäß der Erfindung verwendet werden, um die beschriebe­ ne gute Lenkcharakteristik zu erhalten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 weist das Drehver­ hältnis zwischen dem Lenkrad 61 und der ersten Zwischenwel­ le 62 einen Wert von 1:1 auf. Das elliptische Zahnrad 63 kann alternativ dazu aber auch so auf einer Welle montiert werden, daß die Drehung des Lenkrads 61 erhöht oder ernie­ drigt wird (übersetzt oder untersetzt wird).

Das obige Ausführungsbeispiel zeigt darüber hinaus die An­ wendung eines elliptischen Getriebemechanismus, das als Ge­ triebemechanismus mit veränderbarem Verhältnis (Getriebe­ verhältnis) verwendet wird. Statt eines elliptischen Ge­ triebemechanismus können aber auch Mechanismen mit anderen Formen zum Einsatz kommen.

Claims (10)

1. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis innerhalb eines Lenkkraft-Übertragungswegs zur Übertragung der Drehung eines Lenkrads zu einer Lenkgetriebebox (19), wobei der Getriebemechanismus folgende Einrichtungen ent­ hält:

• - ein erstes und mit der Lenkradseite verbundenes Zahnrad (4) mit einem effektiven Radius, der graduell mit stei­ gendem Lenkwinkel ansteigt, und
• - ein zweites und mit der Lenkgetriebeboxseite verbundenes Zahnrad (6) mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem Lenkwinkel abnimmt, wobei dann, wenn sich das Lenkrad in seiner Zentralposition befindet, derjenige Teil des ersten Zahnrads (4), der den kleinsten Radius aufweist, in Eingriff mit demjenigen Teil des zweiten Zahnrads (6) steht, der den größten Radius aufweist.

2. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis ein elliptischer Getriebemechanismus (2) mit einem Paar elliptischer Zahnräder (4, 6) ist.

3. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen Geschwindigkeiterhöhungsmechanismus zwischen dem Getriebemechanismus mit variablem Getriebever­ hältnis und der Lenkgetriebebox (19) zur Erhöhung der Ge­ schwindigkeit des Ausgangs des Getriebemechanismus mit va­ riablem Getriebeverhältnis.

4. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitserhöhungsmechanis­ mus zwischen dem Getriebemechanismus mit variablem Getrie­ beverhältnis und einer Lenkverstärkereinrichtung angeordnet ist.

5. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gegenkraft-Mechanismus zur Erhöhung des Drehwiderstands des Lenkkraft-Übertragungswegs mit sich vergrößerndem Lenkwinkel im Lenkkraft-Übertragungsweg ange­ ordnet ist.

6. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkraft-Mechanismus einen Noc­ kenkörper (21), der sich mit dem das variable Getriebever­ hältnis aufweisenden Getriebemechanismus dreht, und ein An­ druckelement (22) aufweist, das mittels einer Vorspannein­ richtung gegen die Oberfläche des Nockenkörpers (21) ge­ drückt wird, wobei der effektive Radius des Nockenkörper­ teils, der in Kontakt mit dem Andruckelement (22) steht, wenn sich das Lenkrad in seiner Zentralposition befindet, minimal ist und mit ansteigendem Lenkwinkel zunimmt.

7. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen Gegenkraft-Mechanismus im Lenkkraft- Übertragungsweg zur Erhöhung des Drehwiderstands des Lenk­ kraft-Übertragungswegs mit ansteigender Fahrzeuggeschwin­ digkeit.

8. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das variable Getriebeverhältnis aufweisende Getriebemechanismus die Drehung einer ersten und mit der Lenkradseite verbundenen Welle (3) auf eine zweite Welle (7) überträgt, und daß der Geschwindigkeitser­ höhungsmechanismus die Drehung der zweiten Welle (7) auf eine dritte Welle (14) überträgt, die mit der Lenkgetriebe­ boxseite verbunden ist, wobei die erste Welle (3) und die dritte Welle (14) auf derselben axialen Linie angeordnet sind.

9. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Instrumente auf einem nicht drehbaren Element (71) angeordnet sind, das sich im Zentrum des Lenk­ rads (61) befindet.

10. Kleinwinkel-Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Lenkwinkel des Lenkrads auf etwa 180° eingestellt ist.