DE3913809C2 - Lenkeinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Derartige Lenkeinrichtungen sind
beispielsweise aus der DE-AS 1 172 968 und der US-3,426,612
bekannt, um bei höheren Geschwindigkeiten dadurch die Sicherheit
zu erhöhen, daß größere Lenkausschläge nur unter erhöhtem
Kraftaufwand erfolgen können. Gleichzeitig ist bei niedrigen
Geschwindigkeiten, bei denen im allgemeinen größere Lenkwinkel
erforderlich sind - z. B. beim Einparken oder Abbiegen - ein
recht großer apparativer Aufwand erforderlich, damit der erforderliche
Kraftaufwand entsprechend reduzierbar ist.
Insbesondere erfordern die vorhandenen Anordnungen den Anschluß
an ein Hydrauliksystem, was sowohl baulich als auch
wartungstechnisch von Nachteil ist.
Andererseits muß bei einer herkömmlich verwendeten Lenkeinrichtung
in einem Automobil das Lenkrad mehr als einmal
gedreht werden, um den maximalen Lenkwinkel der gesteuerten
Räder einstellen 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 Lenkeinrichtung, mit deren
Hilfe sich ein großer Lenkwinkel der gesteuerten Räder
auch bei nur geringer Drehung des Lenkrads einstellen läßt.
Hierzu läßt sich z. B. in einfacher Weise das
Lenkgetriebeverhältnis auf einen hohen Wert einstellen, wie
dies bei der Formel-Fahrzeugklasse der Fall ist. Bei einer
derart einfachen Erhöhung des Getriebeverhältnisses wird
jedoch die Lenkantwort in der Nähe der Zentralposition des
Lenkrads überempfindlich, und zwar insbesondere während einer
Fahrt bei hoher Geschwindigkeit, so daß eine Lenkkorrektur
schwer durchzuführen ist.
Bei einer Lenkeinrichtung soll ein großer Winkel der gesteuerten
Räder bei nur geringem Lenkwinkel des Lenkrads eingestellt
werden, so daß es aus diesem Grunde vorteilhaft ist, die Lenkkraft
mit größer werdendem Lenkwinkel zu erhöhen. Der Lenkwinkel
wird sich dadurch nicht abrupt erhöhen, auch wenn die
Lenkeinrichtung weniger sorgfältig 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 erheblichen Sicherheitsproblem
werden. Wird zur Vermeidung des scharfen bzw. abrupten
Lenkverhaltens die Lenkkraft erhöht, so erhöht sich auch
die Lenkkraft in der Nähe der Zentralposition des Lenkrades,
was wiederum zu einer stärkeren Ermüdung des Fahrers führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine gattungsgemäße
Lenkeinrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Sicherheit dadurch
bewirkt, daß sowohl bei kleinen als auch bei großen Geschwindigkeiten
eine ermüdungsärmere Bedienung des Lenkrades
ermöglicht wird, wobei gleichzeitig der apparative Aufwand so
gering wie möglich gehalten wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im
Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine Lenkeinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich aus
durch einen Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis
innerhalb eines Lenkkraft-Übertragungswegs zur Übertragung
der Drehung eines Lenkrads zu einer Lenkgetriebebox, wobei der
Getriebemechanismus folgende Einrichtungen enthält:
- - ein erstes und mit der Lenkradseite verbundenes Zahnrad mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem Lenkwinkel ansteigt, und
- - ein zweites und mit der Lenkgetriebeboxseite verbundenes Zahnrad mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem Lenkwinkel abnimmt, wobei dann, wenn sich das Teil des ersten Zahnrades, der den kleinsten Radius auf weist, in Eingriff mit demjenigen Teil des zweiten Zahnrades steht, der den größten Radius aufweist.
Entsprechend der Erfindung wird also ein Getriebemechanismus
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 Zentralposition des Lenkrads ergibt.
Außerdem ist nur ein geringer Ausschlag des Lenkrads erforderlich,
um den maximalen Auslenkwinkel der gesteuerten Räder
einzustellen.
Mit Hilfe des genannten Getriebemechanismus läßt sich eine
Getriebeverhältnisänderung erreichen, derart, daß die
Lenkkraft 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 variablem
Getriebeverhältnis ein elliptischer Getriebemechanismus mit
einem Paar elliptischer Zahnräder zum Einsatz kommen, um die
oben beschriebenen Eigenschaften mit möglichst einfachem Aufbau
zu erzielen.
Ferner läßt sich nach der Erfindung ein Verstärkungsmechanismus
zur Verstärkung des Ausgangs des Getriebemechanismus mit
variablem Getriebeverhältnis zwischen diesem Getriebemechanismus
und der Lenkgetriebebox einsetzen, so daß konventionelle
Lenkgetriebeboxen und Lenkverstärkereinrichtungen (Lenkkraftverstärker)
verwendet werden können, ohne daß diese geändert
werden müssen. Hierdurch werden die Produktionskosten des
Lenksystems erheblich reduziert.
Bei der Erfindung kommt ein für sich bekannter Gegenkraft-Mechanismus
zum Einsatz, der innerhalb des Lenkkraft-Übertragungswegs
liegt, um den Drehwiderstand des Lenkkraft-Übertragungswegs
mit einem Ansteigen des Lenkwinkels zu erhöhen. Dadurch
läßt sich das Lenkkraftverhalten, d. h., sowohl das Drehwinkel-
als auch das Drehkraftverhalten bezüglich des Lenkwinkels
optimieren.
Somit läßt sich eine Lenkeinrichtung mit hoher Einsatzflexibilität
und -praktikabilität dadurch schaffen, daß ein optimal
variierendes Getriebeverhältnis bei gleichzeitig optimiertem
Lenkkraftwiderstand erzielt wird.
Nachdem ferner die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung aufgrund
des variablen Lenkkraftverhältnisses eine gewisse Drehwiderstandserhöhung
bewirkt, kann vorteilhafterweise der Gegenkraft-
Mechanismus relativ kompakt und baulich klein gehalten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Vertikalschnitt
durch eine Lenkeinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein elliptisches Getriebe,
Fig. 3 einen Gegenkraft-Mechanismus in schematischer
Darstellung,
Fig. 4 eine Lenkwinkelcharakteristik,
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung von Lenkkraft-Charak
teristika,
Fig. 6 eine Lenkeinrichtung nach einem zweiten 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 Lenkeinrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch eine Lenkeinrichtung
nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Lenkeinrichtung nach der Erfindung. Dabei ist in Fig. 1 in
schematischer Weise ein Vertikalschnitt eines Teils der Lenkeinrichtung
dargestellt. 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 Planetenträger 10 für das Planetengetriebe
8 integral verbunden, wobei der Planetenträger 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 Drehzahlerhöhungs
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 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 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 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
genüber 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 Drossel 45 (Veren
gung). Aufgrund der Drossel 45 bzw. Verengung ergibt sich
ein Flußwiderstand, so daß sich ein Hydraulikdruck in Ab
hängigkeit der Flußrate an der stromaufwärts liegenden Sei
te der Drossel 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. Über ein Entlastungsventil
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
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 ersten 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, der 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 (9)
1. Lenkeinrichtung mit einem in einem Lenkkraft-Übertragungsweg
angeordneten Gegenkraft-Mechanismus zur Erhöhung des
Drehwiderstands des Lenkkraft-Übertragungswegs mit sich vergrößerndem
Lenkwinkel, gekennzeichnet durch einen Getriebemechanismus
mit variablem Getriebeverhältnis innerhalb des Lenkkraft-Übertragungswegs
zur Übertragung der Drehung eines Lenkrads
zu einer Lenkgetriebebox (19), wobei der Getriebemechanismus
folgende Einrichtungen enthält:
- - ein erstes und mit der Lenkradseite verbundenes Zahnrad (4) mit einem effektiven Radius, der graduell mit steigendem 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. 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. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Drehzahlerhöhungsmechanismus zwischen dem Getriebemechanismus
mit variablem Getriebeverhältnis und der Lenkgetriebebox
(19) zur Erhöhung der Drehzahl des Ausgangs
des Getriebemechanismus mit variablem Getriebeverhältnis.
4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehzahlerhöhungsmechanismus zwischen dem Getriebemechanismus
mit variablem Getriebeverhältnis und einer
Lenkverstärkereinrichtung angeordnet ist.
5. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenkraft-Mechanismus einen Nockenkörper (21), der
sich mit dem das variable Getriebeverhältnis aufweisenden Getriebemechanismus
dreht, und ein Andruckelement (22) aufweist,
das mittels einer Vorspanneinrichtung gegen die Oberfläche des
Nockenkörpers (21) gedrückt wird, wobei der effektive Radius
des Nockenkörperteils, der in Kontakt mit dem Andruckelement
(22) steht, wenn sich das Lenkrad in seiner Zentralposition
befindet, minimal ist und mit ansteigendem Lenkwinkel zunimmt.
6. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch
den Gegenkraft-Mechanismus im Lenkkraft-Übertragungsweg
der Drehwiderstand des Lenkkraft-Übertragungswegs
mit ansteigender Fahrzeuggeschwindigkeit, erhöht wird.
7. 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 Drehzahlerhöhungsmechanismus die Drehung der
zweiten Welle (7) auf eine dritte Welle (14) überträgt, die
mit der Lenkgetriebeboxseite verbunden ist, wobei die erste
Welle (3) und die dritte Welle (14) auf derselben axialen Linie
angeordnet sind.
8. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der maximale Lenkwinkel des Lenkrads auf etwa 180° eingestellt
ist.
9. Lenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Nockenkörper (21) in eine das erste (4) oder zweite
(6) Zahnrad tragende Welle integriert ist.
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