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Die
Erfindung betrifft ein Überlagerungsgetriebe für
ein Fahrzeug, insbesondere für eine Servo- oder Hilfskraftlenkung,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem aktiven Lenksystem mit einem Überlagerungsgetriebe
wird ein Lenkwinkel unabhängig von einem Fahrer eines Fahrzeugs über
eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mittels Stellgrößen,
die z. B. von einem Fahrdynamiksystem (ESP-Regler) erzeugt werden
können, eingestellt. Beispielsweise wird hierzu ein Planetengetriebe,
wie es in der
DE 101
59 800 A1 offenbart ist, verwendet. Die Übersetzung
der Servo- oder Hilfskraftlenkung setzt sich aus den Übersetzungen
des jeweiligen Lenkgetriebes und des Überlagerungsgetriebes
zusammen. Ein Überlagerungsgetriebe weist zu diesem Zweck
eine erste Getriebeeingangswelle und eine zweite Getriebeeingangswelle
auf und überlagert die an den beiden Getriebeeingangswellen
auftretenden Drehwinkel auf eine Getriebeausgangswelle, die mit
einem Lenkgetriebe und lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden
ist. Soll die Übersetzung beispielsweise aus fahrdynamischen
Gründen geändert werden, wird im Fall eines Planetengetriebes
als Überlagerungsgetriebe der Käfig über
einen elektrischen Servomotor angetrieben, oder bei einem Wellgetriebe
als Überlagerungsgetriebe ein exzentrischer Antriebskern
des Wellgetriebes durch einen Servomotor in Drehung versetzt.
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Um
bei abgeschaltetem Servomotor, etwa bei Ausfall dessen Energieversorgung,
eine feste Übersetzung zu realisieren und nicht den an
einer Lenkhandhabe durch den Fahrer auf die erste Getriebeeingangswelle
eingegebenen Soll-Lenkwinkel durch einen Leerlauf der mit dem Servomotor
wirkverbundenen zweiten Getriebeeingangswelle zu kompensieren, ist
es zwingend erforderlich, die zweite Getriebeeingangswelle, und
damit in der Regel eine Motorwelle des Servomotors, am Drehen zu
hindern.
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Eine
Lösung zur Verhinderung des Drehens der zweiten, mit einem
Servomotor wirkverbundenen Getriebeeingangswelle eines Überlagerungsgetriebes
beschreibt die
DE
103 23 042 A1 , die einen Hubmagnet offenbart, der ein bolzenartiges
Sperrelement axial verschiebt, wobei das Sperrelement mit einer
Verzahnung versehen ist. Das Sperrelement wirkt mit einem Innenring
eines Freilaufs so zusammen, dass gestuft eine kraftschlüssige
und anschließend eine formschlüssige Festlegung
der entsprechenden Getriebeeingangswelle an einem fahrzeugfesten
Bauteil erfolgt. Nachteilig bei den bekannten Verriegelungseinrichtungen
für Überlagerungstriebe von Servolenkungen ist
deren Bauraumgröße und deren Anfälligkeit
ihrer Funktion bei Einwirkung von Vibrationen die von dem Betrieb
eines Fahrzeugs herrühren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überlagerungsgetriebe
zu schaffen, dessen Bauraumbedarf minimiert und dessen Funktion
sicher ist.
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Die
Aufgabe wird mit einem Überlagerungsgetriebe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch
dass das Sperrelement der Verriegelungseinrichtung des Überlagerungsgetriebes
von einem piezoelektrischen Aktuator direkt oder indirekt betätigt
ist, ist eine bauraumsparenden Lösung gegeben, eine gegen
Vibrationseinflüsse sowie Feuchte- und Temperatureinflüsse
unempfindliche, sicher arbeitende Verriegelungseinrichtung darzustellen.
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Piezoelektrische
Aktuatoren sind im wesentlichen Wandler zur Umwandlung elektrischer
Energie in mechanische Energie oder umgekehrt und bestehen aus abwechselnden
Schichten von Keramiksubstrat, das jeweils eine Piezoelektrische
Betriebsschicht bildet, und dazwischenliegenden Elektrodenfilmen.
Bei Anlegen von Spannung dehnt sich das Keramiksubstrat aus.
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Bevorzugte
Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Piezoelektrische Aktuator kann zweckmäßigerweise
das Sperrelement und dessen Verschiebe- oder Drehbewegung indirekt
betätigen, indem er die Wirkung eines Kraftspeichers, wie
etwa eines Federelements oder dergleichen auf das Sperrelement steuert.
Somit kann der lediglich im Mikrometer-Bereich sich darstellende
Arbeitsweg des piezoelektrischen Aktuators vervielfacht werden.
Dieser kann beispielsweise über eine reibschlüssige oder
formschlüssige Schaltkupplung, wie etwa einer Klinkensperre,
das Sperrelement betätigen und die Wirkung eines Kraftspeichers
auf das Sperrelement der Verriegelungseinrichtung in die eine oder
andere Richtung freigeben. Der Piezoelektrische Aktuator kann aus
einer Vielzahl von vorzugsweise in Reihe geschalteter, einzelner
piezoelektrischer Aktuatoren bestehen um den Arbeitsweg des Aktuators
zu vervielfachen.
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Es
kann auch zweckmäßig sein, den piezoelektrischen
Aktuator anstatt als einen, einen linearen Arbeitshub bewirkenden
Aktuator als Piezoringmotor auszubilden, dessen Arbeitshub auf einen
Ring übertragen wird, der ein Drehmoment für die
Verriegelungseinrichtung und deren Sperrelement bereitstellt. Der
piezoelektrische Aktuator kann dabei in Schalenform kreisförmig
oder teilkreisförmig gebildet sein. Vorzugsweise lässt
sich der piezoelektrische Aktuator und dessen Arbeitshub takten,
indem die Schaltfrequenz seiner Versorgungsspannung variiert wird, sodaß eine
sehr feine, gesteuerte Bewegung des Sperrelements ermöglicht
wird.
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Vibrationen
an dem Sperrelement, die zum Beispiel durch Erschütterungen
im Fahrzeug verursacht sein können, kann der piezoelektrische
Aktuator direkt und ohne zusätzlichen Sensor detektieren und
mittels einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung im Sinne einer
Fixierung der Position des Sperrelements ausgleichen.
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Als
kleinbauendes Überlagerungsgetriebe eignet sich besonders
ein Wellgetriebe.
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Die
Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt durch ein Überlagerungsgetriebe
einer Servolenkung.
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In 1 ist
in einem schematischen Längsschnitt eine als Active Steering
ausgebildete Servolenkung für einen Personenkraftwagen
gezeigt. Die Servolenkung ist als elektrische Überlagerungslenkung
aus einem als elektrischen Hohlwellen-Servomotor 6, der
sich an einem fahrzeugfesten Bauteil abstützt, einer Lenkwelle 15,
die drehfest mit einer Lenkhandhabe 5 verbunden ist, aus
einem Überlagerungsgetriebe 1, das als Wellgetriebe 14 gebildet
ist und aus einer Getriebeausgangswelle 4 für
ein nicht gezeigtes Lenkgetriebe gebildet. Die Servolenkung kann
als elektrische oder hydraulische Hilfskraftlenkung ausgebildet
sein.
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Das
Wellgetriebe 14 dient zur Überlagerung eines auf
eine erste Getriebeeingangswelle 2 aufgebrachten Lenkwinkel
mit einem, von dem Servomotor 6 auf eine zweite Getriebeeingangswelle 3 aufgebrachten
Drehwinkel. Die erste Getriebeeingangswelle 2 wird von
der Lenkwelle 15 gebildet, während die zweite
Getriebeeingangswelle 3 durch eine Hohlwelle 16,
auf der Rotormagnete des Servomotors 6 festgelegt sind,
gebildet ist. Die Hohlwelle 16 umschließt die
erste Getriebeeingangswelle 2 und ist an Wälzlagern,
die sich an einem gemeinsamen Gehäuse 17 des Servomotors 6 und
des Wellgetriebes 14 abstützen, gelagert. Die
Hohlwelle 16 ist einstückig mit einem exzentrischen,
vorzugsweise ellipsenförmigen Antriebskern 18 gebildet.
Um den ellipsenförmigen Umfang des exzentrischen Antriebskerns 18 ist
ein flexibles Kugellager 19 aufgezogen. Der exzentrische
Antriebskern 18 greift mit seiner axialen Erstreckung in
eine aus elastischem Stahlblech gebildete, topfförmige,
radialflexible Abrollbuchse 20 ein. Die radialflexible
Abrollbuchse 20 weist eine Außenmantelfläche 21 auf,
die im axialen Bereich des Kugellagers 19 eine Außenverzahnung
trägt. Diese Außenverzahnung greift unter Wirkung
der ellipsenförmigen Aufweitung der radialflexiblen Abrollbuchse 20 mit
zwei Umfangsabschnitten in eine Innenverzahnung an einer zylindrischen
Stützfläche 22 eines drehfest mit der
Getriebeausgangswelle 4 des Wellgetriebes 14 verbundenen
Stützringes 23 (circular-spline) ein.
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Der
Stützring 23, die Getriebeausgangswelle 4 und
die Getriebeeingangswellen 2, 3 sind konzentrisch
angeordnet. Die mit der Lenkhandhabe 5 wirkverbundene erste
Getriebeeingangswelle 2 ist drehfest mit der radialflexiblen
Abrollbuchse 20 verbunden. Bei Rotation des exzentrischen
Antriebskerns 18 erfolgt die ellipsenförmige Aufweitung
in fortlaufendem Wechsel entlang der Innenverzahnung an der zylindrischen
Stützfläche 22. Der innenverzahnte Stützring 23 weist
eine größere Zähnezahl als die radialflexible
Abrollbuchse 20 auf, wodurch eine Verdrehung des Stützrings 23 und
damit der Getriebeausgangswelle 4 relativ zu der ersten
Getriebeeingangswelle 2 pro Umdrehung des exzentrischen
Antriebskerns 18 um die Differenz der Zähnezahl
erfolgt. Somit ist durch den Servomotor 6 eine Winkelüberlagerung,
die insbesondere von Fahrt- und Fahrzeugparametern abhängig
sein kann, durchführbar.
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Um
bei einer Fehlfunktion oder bei einem Ausfall des Servomotors 6 zu
verhindern, dass die den Rotor des elektrischen Servomotors 6 bildende Hohlwelle 16 dreht
und somit eine Übertragung eines Drehwinkels der ersten
Getriebeeingangswelle 2 und der Lenkhandhabe 5 über
die radialflexible Abrollbuchse 20 auf den Stützring 23 und
die Getriebeausgangswelle 4 gänzlich unmöglich
gemacht wird und das Fahrzeug nicht steuerbar ist, ist eine Verriegelungseinrichtung 7 zur
formschlüssigen Festlegung der zweiten Getriebeeingangswelle 3 an
das als fahrzeugfeste Bauteil 8 gebildete Gehäuse 17 vorgesehen.
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Die
Verriegelungseinrichtung 7 besteht aus einem Innenring 24,
der mit Hilfe einer Kerbzahnwellenverbindung auf der zweiten Getriebeeingangswelle 3 oder
Hohlwelle 16 festgelegt ist. Der Innenring 24 weist
mit 120° Versatz zueinander im Wechsel je drei stiftförmige
Vorsprünge 25' und je drei höckerförmige Vorsprünge 25 auf,
die in insgesamt sechs Ausnehmungen 26 eines Außenrings 27,
der den Innenring 24 radial umgibt, eingreifen.
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Die
stiftförmigen Vorsprünge 25' weisen streng
radial verlaufende Anschlagsflächen auf und liegen mit
ihrer Umfangsfläche an den Ausnehmungen 26 gleitend
an, wodurch der Aussenring 27 zentriert ist. Die höcker-
oder nockenförmigen Vorsprünge 25 kommen
in Ausnehmungen zu liegen, die tangential breiter sind als die Ausnehmungen 27 für
die stiftförmigen Vorsprünge 25' und
haben radiales Spiel in den Ausnehmungen.
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Ein
Element mit elastomeren Eigenschaften umgibt ringförmig
den Innenring 24 und die Anschlagflächen der stiftförmigen
und der höckerförmigen Vorsprünge 25, 25'.
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Der
Außenring 27 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
in seiner radial äußeren Umfangsfläche 28 drei
taschenförmige Vertiefungen 29 auf, wobei in der
Mitte einer jeden taschenförmigen Vertiefung 29 ein
Vorsprung 30, der als Anschlag 31 für
ein Sperrelement 9 der Verriegelungseinrichtung 7 dient,
radial hervorragt. Dadurch lässt sich der Aussenring 27 sicher
an dem Gehäuse 17 formschlüssig festlegen.
Das Sperrelement 9 ist als axial verschiebbarer zylindrischer
Bolzen schematisch dargestellt, der von einer schematisch dargestellten
Sperrklinke 12 in seiner Position gehalten wird. Die Sperrklinke 12 ist
mit einem Federelement 11 reibschlüssig an den
Bolzen gedrückt, wobei der Reibschluß von einem
piezoelektrischen Aktuator 10 der an einer Oberfläche
der Sperrklinke 12 festgelegt ist, durch seine Kontraktion
und seine Ausdehnung verstärkt oder aufgehoben werden kann.
Die Sperrklinke 12 ist somit eine getriebliche Verbindung 13 für
den piezoelektrischen Aktuator 10 zur Ansteuerung des Sperrelements 9.
Bei Einwirkung von Vibrationen auf das Sperrelement 9 kann
die Versorgungsspannung für den piezoelektrischen Aktuator 10 so
gesteuert werden, dass das Sperrelement 9 in seiner Position stabil
bleibt.
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- 1
- Überlagerungsgetriebe
- 2
- Getriebeeingangswelle,
erste
- 3
- Getriebeeingangswelle,
zweite
- 4
- Getriebeausgangswelle
- 5
- Lenkhandhabe
- 6
- Servomotor
- 7
- Verriegelungseinrichtung
- 8
- Bauteil,
fahrzeugfest
- 9
- Sperrelement
- 10
- Aktuator,
piezoelektrisch
- 11
- Federelement
- 12
- Sperrlinke,
federbelastet
- 13
- Verbindung,
getrieblich
- 14
- Wellgetriebe
- 15
- Lenkwelle
- 16
- Hohlwelle
- 17
- Gehäuse
- 18
- Antriebskern
- 19
- Kugellager,
flexibel
- 20
- Abrollbuchse
- 21
- Außenmantelfläche
- 22
- Stützfläche,
zylindrisch
- 23
- Stützring
- 24
- Innenring
- 25,
25'
- Vorsprung,
höckerförmig, stiftförmig
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Aussenring
- 28
- Umfangsfläche,
v. 27
- 29
- Vertiefung
- 30
- Vorsprung
- 31
- Anschlag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10159800
A1 [0002]
- - DE 10323042 A1 [0004]