Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in einem Steer-by-Wire-Lenksystem. Ferner betrifft die Erfindung eine Lenksäule für ein Steer- by-Wire-Lenksystem, umfassend eine derartige Vorrichtung.

Es sind Lenkachsen für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein sogenanntes Steer-by-Wire- Lenksystem aufweisen, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem Lenkbefehle des Fahrers wie konventionelle mechanische Lenkungen durch manuelle Drehung eines Lenkrades entgegennimmt. Die Einstellung des Lenkwinkels der zu lenkenden Räder erfolgt elektromechanisch mithilfe von Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren, die den in das Lenkrad eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenkaktuator übermitteln, der über ein Stellmodul einen entsprechenden Lenkeinschlag bzw. den Lenkwinkel der Räder der Lenkachse einstellt. Zwischen dem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern wird ein Übersetzungsverhältnis eingestellt, das je nach Fahrsituation des Kraftfahrzeugs variabel einstellbar ist. Bei der Übersetzung handelt es sich um eine theoretische bzw. simulierte Übersetzung. Eine Lenkradumdrehung entspricht einem bestimmten Stellweg des Lenkaktuators, was als Übersetzungsverhältnis zu verstehen ist. Das Übersetzungsverhältnis kann linear oder variabel ausgeführt sein.

Eine Änderung der Übersetzung während der Fahrt ist beispielsweise während der Fahrt auf der Autobahn sinnvoll, wobei deutlich kleinere maximale Lenkwinkel als beispielsweise beim Parkieren des Fahrzeuges erforderlich sind, insbesondere um ein Überschlagen des Fahrzeuges zu verhindern. Zudem erfolgen Änderung der Lenkbewegung. Während der Autobahnfahrt werden beispielsweise kleine Lenkwinkel der Räder mit eher großen Lenkwinkel am Lenkrad erzeugt, um ein feinfühliges Lenken zu ermöglichen. Hingegen sollen beim Parkieren große Lenkwinkel der Räder mit eher kleinen Lenkwinkeln am Lenkrad erzeugt werden um ohne große Lenkradbewegungen schnell die gewünschten hohen Radeinschlag an den Rädern zu erzeugen.

Da der Lenkaktuator und ein damit betätigbares Stellmodul mit den damit verbundenen Rädern nicht direkt mechanisch mit dem Lenkrad verbunden sind, steht zu einer ausgeführten Betätigung des Lenkaktuators bzw. des Stellmoduls und damit einher- gehender Einstellung des Lenkwinkels der Räder zunächst keine Kraft-Rückmeldung am Lenkrad bereit, die jedoch grundsätzlich wünschenswert ist. Durch die fehlende haptische Rückmeldung ist es für den Fahrer erschwert aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden. Um auch bei einem mechanisch vom Lenkrad entkoppelten Stellmodul eine Kraft-Rückmeldung oder ein Rückstellmoment, auch Force-Feedback genannt, zu erzielen, ist ein Feedbackaktuator vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass eine fahrsituationsabhängige Kraftrückkopplung bzw. das Rückstellmoment an der Lenkwelle oder direkt am Lenkrad erzeugt wird, die die haptische Kraft-Rückmeldung für den Fahrer liefert. Anders gesagt wird für den Fahrer mittels des Feedbackaktuators ein bekanntes Lenkgefühl durch eine Einstellung eines Rückstellmoments am Lenkrad nachgebildet. Die Art und Höhe der Kraftrückkopplung bzw. des Gegenmoments ist abhängig vom jeweiligen Use-Case, in dem sich das Kraftfahrzeug aktuell befindet.

Aus der DE 10 2021 001 763 A1 geht eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in einem Steer-by-Wire-Lenksystem mit einem drehfest an einem um eine Wellenachse drehbaren Lenkschaft angeordneten Lenkrad und einem Bolzen zur Verriegelung des Lenkschafts in einer vorgegebenen Drehposition. In einer äußeren Mantelfläche des Lenkschafts ist eine Aussparung zur Aufnahme zumindest eines Abschnitts des Bolzens ausgebildet. Der Bolzen elektrisch angetrieben ist, wobei der Bolzen zur Verrieglung des Lenkschafts in einem stromlosen Zustand des Antriebs in die Aussparung fährt und zur Entriegelung des Lenkschafts in einem bestromten Zustand des Antriebs aus der Aussparung herausfährt. Die Aussparung und der Bolzen sind derart angeordnet, dass der Lenkschaft in einer Nullposition und/oder davon abweichenden Positionen des Lenkrads verriegelt oder verriegelbar ist. An der äußeren Mantelfläche des Lenkschafts ist eine radial nach außen gerichtete Erhebung ausgebildet. In einem an die Mantelfläche des Lenkschafts angrenzenden äußeren Bereich sind zwei Anschläge für die Erhebung vorgesehen, welche eine Drehung des Lenkschafts ausgehend von der Nullstellung des Lenkrads durch Anschlägen der Erhebung auf einen jeweils vorgegebenen Winkel begrenzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in einem Steer-by-Wire-Lenksystem weiterzuentwickeln, insbesondere eine Lenksäule platzsparender zu gestalten. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in einem Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs umfasst eine um eine Wellenachse drehbare Welle und einen an der Welle angeordneten Drehwinkelbegrenzer, wobei der Drehwinkelbegrenzer einen geteilten Anschlagring aufweist, umfassend eine erste Ringhälfte mit einem ersten tangentialen Anschlag und eine zweite Ringhälfte mit einem zweiten tangentialen Anschlag, wobei die Ringhälften um eine Längsachse zueinander verdrehbar angeordnet sind, um eine rotative Position der beiden tangentialen Anschläge zueinander variabel einzustellen, wobei wenigstens eine der Ringhälften um die Längsachse drehantreibbar ist, wobei an der Welle ein erstes Eingriffselement zumindest mittelbar drehfest angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, ausgehend von einer Nullstellung der Welle je nach Rotationsrichtung der Welle zumindest mittelbar am ersten tangentialen Anschlag oder am zweiten tangentialen Anschlag zur Anlage kommen.

Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass die Welle, die als Lenkwelle einer Lenksäule zu verstehen ist, nicht weiter drehen kann als die Räder sich mit einem gewählten Übersetzungsverhältnis zwischen Lenkrad und Rädern bewegen können. Die Erfindung sieht demnach eine aktive Änderung des im Drehwinkelbegrenzers möglichen Rotationswinkels der Welle vor. Dies erfolgt mittels der beiden aktiv zueinander verdrehbaren Ringhälften des Anschlagrings des Drehwinkelbegrenzers. Durch Rotation der Ringhälften wird eine relative Wnkelposition der tangentialen Anschläge zueinander eingestellt. Die tangentialen Anschläge sind als Endanschläge der Vorrichtung zu verstehen, zwischen denen sich das jeweilige Eingriffselement durch Rotation der Welle bewegen kann. Mithin wird durch die tangentialen Anschläge ein maximaler Drehwinkel der Welle eingestellt. Eine Kraftabstützung der Welle am Gehäuse erfolgt über die tangentialen Anschläge der Ringhälften. Die Ringhälften sind derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Drehmomentabstützung an einem ortsfesten Bauteil, vorzugsweise am Gehäuse der Lenksäule, erfolgen kann. Jeder der tangentialen Anschläge begrenzt eine Drehbewegung des ersten Eingriffselements einseitig. Der erste tangentiale Anschlag an der ersten Ringhälfte des geteilten Anschlagrings begrenzt beispielsweise eine Lenkraddrehung nach links, wobei der zweite tangentiale Anschlag an der zweiten Ringhälfte des geteilten Anschlagrings eine Lenkraddrehung nach rechts begrenzt, oder umgekehrt. Die Vorrichtung eignet sich für verschiedene Einsatzfälle bzw. Use-Cases. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung für den Use-Case „Variabler Endstop“ für die variable Übersetzung zwischen dem an der Welle angeordneten Lenkrad und den Rädern. Im Vergleich zu radialen oder axialen Anschlägen ist ein Verklemmen des Drehwinkelbegrenzers ausgeschlossen.

Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander (wirk-)verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind.

Der Drehwinkelbegrenzer ist in der Lenksäule integriert und ermöglicht eine variable Einstellung eines maximalen Drehwinkels für die Drehung der Welle bzw. der Lenkwelle bzw. des Lenkrades. Durch Vorsehen des Drehwinkelbegrenzers kann der Feedbackaktuator deutlich schlanker gestaltet werden, da dieser keine hohen Gegenmomente erzeugen und aktiv halten muss, um den jeweiligen Endanschlag zu bilden. Trotz des zusätzlichen Bauraums für die Variabilität des Drehwinkelbegrenzers ist das Gesamtsystem aufgrund des kleineren Feedbackaktuators wesentlich kleiner gestaltbar.

In einer besonders einfach gestalteten Basisausführung ist das erste Eingriffselement drehfest mit der Welle verbunden. Anders gesagt kann das erste Eingriffselement direkt an der Welle angeordnet oder angeformt sein. Die Welle ist als Lenkwelle ausgebildet und dazu vorgesehen, drehfest mit einem Lenkrad verbunden zu sein. Das erste Eingriffselement kann direkt als eine Art Mitnehmer an der Welle angeformt sein. Vorzugsweise ist das erste Eingriffselement an einem ersten Betätigungsring angeformt, welcher drehfest an der Welle angeordnet ist. Der Betätigungsring ist beispielsweise über eine Mitnahmeverzahnung oder entsprechende Ausformungen, die formschlüssig mit der Welle verbunden sind, drehfest mit der Welle verbunden. Die Welle kann ausgehend von einer Nullstellung, bei der das Kraftfahrzeug geradeaus fährt, im sowie gegen den Uhrzeigersinn verdreht werden. Je nach Fahrsituation oder Use-Case des Kraftfahrzeugs kann mittels des Drehwinkelbegrenzers aktiv eine rotative Positionierung der tangentialen Anschläge durch aktives Verdrehen einer der Ringhälften oder beider Ringhälften erfolgen. Die tangentialen Anschläge begrenzen eine Drehung der Welle ausgehend von der Nullstellung des Lenkrads bzw. der Welle auf einen durch den Drehwinkelbegrenzer vorgegebenen Drehwinkelbereich.

Das jeweilige Eingriffselement ist als Mitnehmer oder Lasche zu verstehen, die sich ausgehend vom Betätigungsring erstreckt bzw. daran angeformt ist. Vorzugsweise erstreckt sich das jeweilige Eingriffselement im Wesentlichen parallel zur Wellenachse, wobei die Betätigungsringe, an denen das jeweilige Eingriffselement angeformt sind, sich im Wesentlichen radial dazu erstrecken.

Um den maximal möglichen Drehwinkelbereich der Welle zu vergrößern und so das Einsatzgebiet der Vorrichtung zu erweitern, weist die Vorrichtung mindestens einen weiteren, insbesondere einen zweiten Betätigungsring auf, der frei drehbar auf der Welle angeordnet ist. Es können auch drei oder mehr frei drehbare Betätigungsringe auf der Welle frei drehbar und axial in Reihe angeordnet sein. Die Anzahl der Betätigungsringe kann modifiziert werden, um die Winkelrotationsgrenze der Welle einzustellen. Unabhängig von der Anzahl der Betätigungsringe umfasst jeder weitere Betätigungsring analog zum ersten Betätigungsring ein sich davon erstreckendes Eingriffselement. Das jeweilige Eingriffselement des dazugehörigen weiteren Betätigungsrings erstreckt sich derart, dass es in Eingriff mit einem Eingriffselement eines axial benachbarten Betätigungsrings steht.

Bei lediglich einem Betätigungsring steht das erste Eingriffselement des drehfest mit der Welle verbundenen ersten Betätigungsrings in Eingriff mit den tangentialen Anschlägen des Drehwinkelbegrenzers. Eine Rotation der Welle ist dabei direkt durch die beiden tangentialen Anschläge begrenzt. In Abhängigkeit der Ausbildung des ersten Eingriffselements ist so durch die tangentialen Anschläge ein maximaler Drehwinkel der Welle von weniger als 360° möglich. So kann die Welle ausgehend von einer Nullstellung in und gegen den Uhrzeigersinn um maximal 180° verdreht werden, bis das erste Eingriffselement am jeweiligen gehäuseabgestützten, tangentialen Anschlag zur Anlage kommt. Das erste Eingriffselement kann als Kreissegment ausgebildet sein, welches sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt und so in einen Bereich zwischen den tangentialen Anschlägen eingreift. Je länger die Umfangslänge des kreissegmentförmigen ersten Eingriffselements ist desto kleiner ist der maximal einstellbare Drehwinkelbereich der Welle.

Vorzugsweise sind weitere Betätigungsringe frei drehbar auf der Welle angeordnet, wobei jeder weitere Betätigungsring ein jeweiliges weiteres Eingriffselement aufweist, das in Eingriff mit einem Eingriffselement eines axial benachbarten Betätigungsrings steht. Der jeweilige weitere Betätigungsring ist frei drehbar an der Welle angeordnet, und zwar zwischen dem ersten Eingriffselement, sei es direkt oder über den ersten Betätigungsring drehfest an der Welle angeordnet, und dem Anschlagring. Das erste Eingriffselement des ersten Betätigungsrings steht in Eingriff mit einem zweiten Eingriffselement eines zweiten Betätigungsrings steht. Das zweite Eingriffselement des zweiten Betätigungsrings steht zusätzlich in Eingriff mit einem dritte Eingriffselement eines dritten Betätigungsrings, und so weiter. Bei einer Rotation der Welle kommt der das erste Eingriffselement am zweiten Eingriffselement tangential zur Anlage und nimmt so den zweiten Betätigungsring in Umfangsrichtung mit. Bei einer weiteren Rotation der Welle kommt das zweite Eingriffselement des zweiten Betätigungsrings am dritten Eingriffselement tangential zur Anlage und nimmt so den dritten Betätigungsring in Umfangsrichtung mit, und so weiter. Der letzte Betätigungsring ist den Anschlägen des Anschlagrings zugeordnet bzw. steht mit dem jeweiligen Eingriffselement in Eingriff mit den tangentialen Anschlägen des Anschlagrings. Das erste Eingriffselement ist demnach dazu ausgebildet, je nach Rotationsrichtung der Welle mittelbar, also über das weitere Eingriffselement oder die weiteren Eingriffselemente, am jeweiligen tangentialen Anschlag zur Anlage zu kommen. Jeder weitere Betätigungsring weist ein dazugehöriges Eingriffselement auf, das mit dem dazu benachbarten Betätigungsring und Eingriffselement in Eingriff steht. Die Betätigungsringe sind bevorzugt in axialer Richtung in Reihe angeordnet, wobei ein erster Betätigungsring drehfest an der Welle und der geteilte Anschlagring am Gehäuse abgestützt ist. Die Eingriffselemente sind derart ausgebildet, dass sie mit ihren tangentialen Stirnseiten im Wesentlichen flächig an in Reihe davor oder dahinter angeordnete Eingriffselemente zur Anlage kommen. Durch die Anzahl an Betätigungsringen und den Winkel, den sich ein Betätigungsring drehen kann, bis er an den jeweils benachbarten Betätigungsring tangential anstößt, wird der mögliche Gesamtwinkel des Drehwinkelbegrenzers festgelegt.

Bei mehreren Betätigungsringen wird lediglich der mögliche Drehwinkel des ersten Betätigungsringes mit dem dazu axial benachbarten Betätigungsring geändert. Je mehr Betätigungsringe vorgesehen sind, desto geringer ist der prozentuale Anteil des verstellbaren Drehwinkelbereiches am gesamten Drehwinkelbereich.

Der Drehwinkelbegrenzer ist ein elektromechanisch variabler Drehwinkelbegrenzer, wobei die Ringhälften jeweils direkt oder mittelbar drehantreibbar sind, um eine rotative Position der Ringhälften mit den Anschlägen des geteilten Anschlagrings einzustellen.

Nach einem Ausführungsbeispiel ist zwischen den beiden Ringhälften des Anschlagrings eine Getriebestufe wirksam angeordnet, die eine Drehbewegung der drehan- treibbaren Ringhälfte in eine gegenläufige Drehbewegung der jeweils anderen Ringhälfte umwandelt. Mit anderen Worten sind die Ringhälften antriebswirksam miteinander verbunden, wobei lediglich eine der Ringhälften, nämlich die genannte drehan- treibbare Ringhälfte, direkt mit einem Aktuator verbunden ist. Die jeweils andere Ringhälfte ist lediglich mittelbar drehantreibbar. Der Aktuator kann aus einer Antriebseinheit zum Direktantrieb der jeweiligen Ringhälfte bestehen. Alternativ kann der Aktuator ein Getriebe umfassen, dass die Antriebsleistung der Antriebseinheit übersetzt. Durch die Getriebestufe zwischen den beiden Ringhälften wird ein gegenläufiges Verdrehen der Ringhälften realisiert. Es erfolgt eine synchrone Verstellung der Ringhälften zueinander. Beide Ringhälften des geteilten Ringes sind über die Getriebestufe um den gleichen Winkel aber in unterschiedliche Richtungen um ihre Mittel- bzw. Längsachse drehbar.

Vorzugsweise weist die Getriebestufe ein drehbar gelagertes Stirnrad auf, welches mit einer Kronenverzahnung an der jeweiligen Ringhälfte in Zahneingriff steht. Anders gesagt weisen die erste Ringhälfte eine erste Kronenverzahnung und die zweite Ringhälfte eine zweite Kronenverzahnung auf. Die Kronenverzahnungen sind auf axial gegenüberliegenden Stirnseiten der Ringhälften angeordnet, wobei die Getriebestufe axial zwischen den Ringhälften angeordnet ist. Die Kronenverzahnungen können jeweils teilweise umlaufend oder vollumlaufend ausgebildet sein. Das Stirnrad steht mit beiden Kronenverzahnungen in Zahneingriff und überträgt ein Drehmoment sowie eine Drehzahl zwischen den beiden Ringhälften. Das Stirnrad bewirkt eine Drehrichtungsumkehr der einen Ringhälfte, die mit der drehantreibbaren Ringhälfte verbunden ist, relativ zur drehangetriebenen Ringhälfte, die direkt oder über ein Getriebe mit der Antriebseinheit verbunden ist.

Alternativ ist die Getriebestufe mit einem Aktuator wirkverbunden, wobei eine Antriebsleistung des Aktuators mittels der Getriebestufe auf die beiden Ringhälften des Anschlagrings übertragbar ist. Damit ist das Stirnrad drehantreibbar ausgebildet, wobei die Ringhälfte mittelbar über die Getriebestufe drehangetrieben werden. In diesem Fall sind die beiden Ringhälften lediglich über das Stirnrad mit dem Aktuator antriebswirksam verbunden. Die Antriebsleistung wird direkt oder über ein Getriebe auf das Stirnrad geleitet, wo die Antriebsleistung auf die beiden Ringhälften übertragen wird und dadurch die eine Ringhälfte in eine erste Drehrichtung und die zweite Ringhälfte im Wesentlichen synchron in eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung rotiert. Alternativ ist die Getriebestufe ein Differentialgetriebe. In diesem Fall sind die beiden Ringhälften über das Differential mit der Antriebseinheit des Aktuators wirkverbunden. Die Antriebsleistung wird direkt oder über ein Getriebe auf das Differentialgetriebe geleitet, wo die Antriebsleistung auf die beiden Ringhälften aufgeteilt wird. Das Differential ist derart ausgebildet, dass die Ringhälften bei Betätigung in entgegengesetzte Richtungen verdrehen.

Unter einer Wirkverbindung oder antriebswirksamen Verbindung ist entweder eine unmittelbare oder zumindest mittelbare Verbindung zwischen zwei Elementen zu verstehen. Mithin können die beiden miteinander wirkverbundenen Elemente entweder direkt oder über weitere Elemente miteinander verbunden sein.

Nach einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist jede Ringhälfte des Anschlagrings über einen jeweiligen Aktuator um die Längsachse drehantreibbar. Mit anderen Worten ist jede Ringhälfte durch einen separaten Aktuator unabhängig von der jeweils anderen Ringhälfte drehantreibbar. Damit ist eine asymmetrische Verschiebung bzw. Verdrehung der Ringhälften zueinander möglich, sodass bezogen auf die Nullstellung der Welle ein beliebiger Drehwinkelbereich zwischen den tangentialen Anschlägen einstellbar ist. Die asymmetrische Verschiebung des Drehwinkelbereiches erlaubt es u. a. die Drehbewegung nach rechts bei einer Lenkradposition links der Mitte, und umgekehrt, zu beschränken. Für den Fall, dass das System bei einer derartigen Stellung ausfällt, können Rückfallsysteme vorgesehen sein, die ein Lenken in eine vormals blockierte Richtung wieder ermöglicht. Insbesondere kann das System für Fail-Safe-Situationen derart ausgelegt sein, dass ein konstruktiv maximal möglicher Drehwinkelbereich wiederherstellbar ist. Beispielsweise können am Drehwinkelbegrenzer Rückstellfedern vorgesehen sein, die die Ringhälften des Anschlagrings in eine Ausgangsstellung zurückdrücken können.

Vorzugsweise sind die Wellenachse und die Längsachse des Anschlagrings bzw. der Ringhälften koaxial zueinander angeordnet. Dadurch kann eine radial kompakte Vorrichtung geschaffen werden. Alternativ ist zwischen der Welle und dem Drehwinkelbegrenzer eine Getriebestufe angeordnet. Mit anderen Worten ist der Drehwinkelbegrenzer durch eine Getriebestufe an die Wellenachse bzw. die Lenkradachse angebunden. Dadurch kann die Längsachse des Anschlagrings bzw. der Ringhälften achsparallel zur Wellenachse angeordnet sein. Durch eine hinreichende Getriebeübersetzung muss der Drehwinkelbegrenzer nur noch maximal eine Drehung von kleiner als 360° erlauben, während der Welle bzw. dem Lenkrad weiterhin mehrere Umdrehungen möglich sind. In Kombination mit mehreren in Reihe geschalteten Betätigungsringen mit Eingriffselementen kann so der komplette Bereich des Drehwinkels variabel reduziert werden. Mithin kann eine beliebige Lenkradposition fixiert werden. Dies erlaubt unter anderem den Use-Case „Einstieg“ und „Ausstieg“ abzubilden, bei dem ein Durchrutschen des Lenkrades verhindert werden soll, wenn sich der ein- oder aussteigende Fahrzeugführer am Lenkrad festhält. Damit können Körperverletzungen beim Ein- und Aussteigen vermieden werden.

Wird der Drehwinkelbegrenzer durch ein Getriebe mit hinreichender Übersetzung an die Welle angebunden, so kann dabei in jeder Lenkradposition eine links, eine rechtseitige oder eine beidseitige Begrenzung des Drehwinkels gestellt werden, um möglichst viele unterschiedliche Use-Cases abzudecken, insbesondere Ein- und Ausstieg, Curb-Stop (Bordsteinanschlag) und den variablen Endstop gemäß den vorherigen Ausführungen. Die jeweilige Antriebseinheit des elektromechanischen Aktuators ist vorzugsweise eine elektrische Maschine, umfassend einen ortsfesten Stator sowie einen drehbar dazu angeordneten Rotor. Durch Bestromung des Stators kann der Rotor in eine Drehbewegung versetzt werden. Die Antriebsleistung kann direkt auf eine der beiden Ringhälften übertragen werden, sodass ein Direktantrieb realisiert wird. Alternativ kann die Antriebsleistung durch ein dazwischen geschaltetes Getriebe übersetzt werden. Im letztgenannten Fall wird der Aktuator durch die jeweilige Antriebseinheit und das dazugehörige Getriebe gebildet.

Der Aktuator kann konstruktionsbedingt selbsthemmend ausgebildet sein oder es kann eine Verdrehsicherung vorgesehen sein, beispielsweise durch einen Rastmechanismus. Durch die Selbsthemmung muss der Aktuator beim Drehen in die Endanschläge das eingeleitete und gegebenenfalls übersetzte Drehmoment nicht selbst halten, wodurch die Vorrichtung energiesparend gestaltbar ist.

Nach einem Ausführungsbeispiel ist die drehantreibbare Ringhälfte über ein selbsthemmendes Getriebe mit einem jeweiligen Antriebseinheit antriebswirksam verbunden. Das selbsthemmende Getriebe ist zwischen der Antriebseinheit und der jeweiligen drehantreibbaren Ringhälfte angeordnet. Das selbsthemmende Getriebe kann ein Schneckengetriebe sein. Für den selbsthemmenden Aktuator sind auch andere Getriebearten denkbar, beispielsweise ein Koppelgetriebe mit Synchronisierungsrad, ein Stirnradgetriebe oder ein Kronenradgetriebe. Durch das selbsthemmende Getriebe können die Ringhälften in jeder Position, also stufenlos, positioniert werden.

Alternativ ist ein Rastmechanismus vorgesehen, der ein ungewolltes Verdrehen wenigstens einer der Ringhälften verhindert. In diesem Fall kann auf ein selbsthemmendes Getriebe verzichtet werden, da ein Halten der rotativen Position der Ringhälften über den Rastmechanismus erfolgt. Der Rastmechanismus kann beispielsweise wenigstens eine federvorgespannte Kugel umfassen, die in entsprechende Ausnehmungen eintritt und so eine Verdrehsicherung realisiert. Die Verdrehsicherung wird beispielsweise aufgehoben, indem ein einen Grenzwert übersteigendes Drehmoment erzeugt wird, welches die jeweilige Kugel entgegen der Federvorspannkraft aus der Ausnehmung herausgleiten lässt. Mittels des Rastmechanismus können die Drehmo- mente beim Lenken in den Endanschlag passiv gehalten werden. Der Rastmechanismus kann derart ausgebildet sein, dass eine gestufte Verdrehsicherung an unterschiedlichen rotativen Positionen der Ringhälften möglich ist.

Eine erfindungsgemäße Lenksäule für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung gemäß der vorher beschriebenen Art. Die Welle der Vorrichtung zur Begrenzung der Lenkraddrehung ist eine Lenkwelle, wobei die Lenkwelle mit einem Lenkrad der Lenksäule des Kraftfahrzeugs drehfest verbunden ist. Die Lenksäule umfasst ein Gehäuse, in dem die Lenkwelle drehbar angeordnet ist. Die Lenksäule ist in verschiedenen Anwendungen einsetzbar. Bevorzugte Anwendungsbereiche sind der PKW- oder LKW-Bereich.

In diesem Sinn ist die Welle eine Lenkwelle, wobei an der Lenkwelle ein Feedbackaktuator zur Erzeugung eines Gegenmoments wirksam angeordnet ist. Der Feedbackaktuator ist derart ausgebildet, dass in jeder rotativen Position der Welle bzw. des Lenkrades innerhalb des vom Drehwinkelbegrenzer vorgegebenen Drehwinkelbereichs ein Gegenmoment erzeugt wird oder erzeugbar ist. Insbesondere wenn sich das erste Eingriffselement oder ein weiteres Eingriffselement im Bereich der tangentialen Anschläge befindet, kann der Feedbackaktuator derart ausgebildet sein, dass er, bevor es zum tangentialen Anschlägen des jeweiligen Eingriffselements am jeweiligen tangentialen Anschlag kommt, ein bestimmtes Gegenmoment erzeugt, das im Normalbetrieb verhindert, dass das erste Eingriffselement am jeweiligen tangentialen Anschlag zur Anlage kommt. Erst bei Übersteigen einer Grenzkraft bzw. eines in die Welle eingebrachten Grenzmoments kann der Feedbackaktuator eine weitere Verdrehung der Welle freigeben, sodass das erste Eingriffselement am jeweiligen tangentialen Anschlag zur Anlage kommen kann. Dies kann als Sicherheitsmechanismus vorgesehen sein, um eine Beschädigung der miteinander wirkverbundenen Teile, insbesondere der aneinander anschlagenden Teile zu verhindern. Im Umkehrschluss kann der Feedbackaktuator kleiner gestaltet werden, da er mit den tangentialen Anschlägen einen Sicherungsmechanismus hat, die ein ungewolltes Durchrutschen der Welle bzw. des Lenkrades verhindert.

Durch den variablen Drehwinkelbegrenzer wird das vom Feedbackaktuator zu stellende maximale Gegenmoment deutlich verringert, wodurch die Anwendung eines Direk- tantriebes vorteilhaft ermöglicht wird. Neben einem Direktantrieb kann der variable Drehwinkelbegrenzer auch mit anders gestalteten Feedbackaktuatoren verwendet werden, beispielsweise durch Feedbackaktuatoren mit einem Riementrieb oder Schneckengetriebe. Im Bezug zum vorhanden Bauraum ist der Direktantrieb allerdings am günstigsten.

Die obigen Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Lenksäule gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt, und umgekehrt.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in einem Steer-by- Wire-Lenksystem gemäß einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 eine stark schematische Prinzipdarstellung der im Querschnitt dargestellten, erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Figur 1 , und

Figur 3 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lenksäule 2 für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines - hier nicht dargestellten - Kraftfahrzeugs. Die Lenksäule 2 weist eine drehbar angeordnete Welle 4 auf, die eine Lenkwelle ist, wobei an der Welle 4 ein - hier nicht dargestelltes - Lenkrad drehfest angeordnet ist. Die Welle 4 ist innerhalb eines - hier nicht gezeigten - Gehäuses angeordnet. Über die Welle 4 gibt der Fahrzeugnutzer einen Lenkbefehl zur Einstellung eines Lenkwinkels von Rädern des Kraftfahrzeugs in das System ein. Die Einstellung des Lenkwinkels der zu lenkenden Räder erfolgt elektromechanisch mithilfe von Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren, die den in das Lenkrad bzw. die Lenkwelle 4 eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen - nicht gezeigten - Lenkaktuator übermitteln, der über ein Stellmodul einen entsprechenden Lenkeinschlag bzw. den Lenkwinkel der Räder der Lenkachse einstellt. Zwischen dem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern ist ein Übersetzungsverhältnis eingestellt, wonach ein Lenkradumdrehung einen bestimmten Stellweg des Lenkaktuators vorgibt. An der Lenkwelle 4 ist zudem ein Feedbackaktuator 3 zur Erzeugung eines Gegenmoments wirksam angeordnet, der bei dem hier beschriebenen mechanisch vom Lenkrad bzw. der Lenkwelle 4 entkoppelten Stellmodul eine Kraft-Rückmeldung oder ein Rückstellmoment an den Fahrer übermittelt, um ein möglichst realitätsnahes Fahrgefühl bereitzustellen. Über den Feedbackaktuator 3 wird eine haptische Rückmeldung in Form von Gegenmomenten an den Fahrer übermittelt, sodass der Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 aktuelle Fahrsituationen sicher erfassen und angemessene Lenkmanöver durchführen kann. Dadurch wird insbesondere die Fahrzeuglenkbarkeit und die Fahrsicherheit verbessert.

Die Lenksäule 2 umfasst ferner eine Vorrichtung 1 zur Begrenzung einer Lenkraddrehung in dem Steer-by-Wire-Lenksystem. Die Vorrichtung 1 umfasst eine um eine Wellenachse 10 drehbare Welle 4 und einen an der Welle 4 wirksam angeordneten Drehwinkelbegrenzer 5. Der Drehwinkelbegrenzer 5 weist einen geteilten Anschlagring 6 auf, umfassend eine erste Ringhälfte 6a mit einem ersten tangentialen Anschlag 7a und eine zweite Ringhälfte 6b mit einem zweiten tangentialen Anschlag 7b. Der Anschlagring 6 ist vorliegend koaxial zur Wellenachse 10 angeordnet. Die Ringhälften 6a, 6b des Anschlagrings 6 sind um eine Längsachse 8 zueinander verdrehbar angeordnet, um eine rotative Position der beiden tangentialen Anschläge 7a, 7b zueinander variabel einzustellen. Vorliegend ist die erste Ringhälfte 6a mittels eines Aktuators 21 um die Längsachse 8 des Anschlagrings 6 drehantreibbar. Der Aktuator 21 umfasst eine als Elektromotor ausgebildete Antriebseinheit 20 sowie ein selbsthemmendes Getriebe 19. Die erste Ringhälfte 6a ist über das Getriebe 19 mit der Antriebseinheit 20 antriebswirksam verbunden. Das Getriebe 19 ist ein Schneckengetriebe mit einer drehfest mit einer - hier nicht gezeigten - Rotorwelle der Antriebseinheit 20 verbundenen, schraubenförmigen Schneckenwelle 19a und einem drehfest mit der ersten Ringhälfte 6a verbundenen Schneckenrad 19b. Der Gewindegang der Schneckenwelle 19a greift - in hier nicht dargestellter Weise - in die Zahnlücken des Schneckenrads 19b ein.

Zwischen den beiden Ringhälften 6a, 6b des Anschlagrings 6 ist eine Getriebestufe 15 wirksam angeordnet, die eine Drehbewegung der ersten Ringhälfte 6a in eine gegenläufige Drehbewegung der zweiten Ringhälfte 6b umwandelt. Und zwar weist die Getriebestufe 15 ein drehbar gelagertes Stirnrad 16 auf, das mit einer vollumlaufenden ersten Kronenverzahnung 17 der ersten Ringhälfte 6a sowie mit einer ebenfalls vollumlaufenden zweiten Kronenverzahnung 18 an der zweiten Ringhälfte 6b in Zahneingriff steht. Damit lässt sich eine synchrone Verstellung der Ringhälften 6a, 6b zueinander realisieren. Das Stirnrad 16 ist vorliegend auf einem Bolzen 14 befestigt, der drehbar gelagert ist. Über den Aktuator 21 sowie die Getriebestufe 15 wird eine Position der Anschläge 7a, 7b des Drehwinkelbegrenzers 5 in Umfangsrichtung relativ zueinander eingestellt, wobei die Anschläge 7a, 7b, wenn die Ringhälften direkt bzw. mittelbar vom Aktuator 21 angetrieben werden, in entgegengesetzte Richtungen synchron verlagern, um so einen Drehwinkelbereich einzustellen, innerhalb dessen die Welle 4 verdrehbar ist. Die Position der Anschläge 7a, 7b kann beispielsweise anhand von Sensordaten vorgegeben werden, die eine Fahrzeugsensorik erfasst. Anhand der Sensordaten kann ein Use-Case des Kraftfahrzeugs bestimmt werden, anhand dessen ein bestimmter Drehwinkelbereich mittels der Anschläge 7a, 7b einstellbar ist.

In einer- hier nicht dargestellten - alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist jede Ringhälfte 6a, 6b des Anschlagrings 6 über einen jeweiligen Aktuator 21 um die Längsachse 8 drehantreibbar. Die Aktuatoren 21 können dabei wie der Aktuator 21 nach Figur 1 ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist in diesem Fall jede Ringhälfte 6a, 6b von einem separaten Aktuator 21 drehantreibbar. Damit lässt sich eine asymmetrische bzw. unabhängige Verstellung der Ringhälften 6a, 6b zueinander ermöglichen.

Vorliegend umfasst die Vorrichtung 1 einen ersten Betätigungsring 9 mit einem daran angeformten ersten Eingriffselement 11 sowie einen zweiten Betätigungsring 12 mit einem daran angeformten zweiten Eingriffselement 13. Die Betätigungsringe 9, 12 sind im Wesentlichen senkrecht zur Wellenachse 10 angeordnet und als zylindrische Ringe ausgebildet, wobei sich die Eingriffselemente 11 , 13 im Wesentlichen parallel zur Wellenachse 10 erstrecken. Die Eingriffselemente 11 , 13 sind beide zum Aktuator 21 hin umgeformt und erlaufen im Wesentlichen in axialer Richtung. Der erste Betätigungsring 9 ist hier drehfest mit der Welle 4 verbunden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder einer Mitnahmeverzahnung. In axialer Richtung ist der erste Betätigungsring 9, dazu axial benachbart der zweite Betätigungsring 12, dazu axial benachbart die zweite Ringhälfte 6b und dazu axial benachbart die Getriebestufe 15, dazu axial benachbart die erste Ringhälfte, dazu axial benachbart das Getriebe 19 des Aktuators 21 und dazu axial benachbart der Feedbackaktuator 3. Die axiale Reihenfolge kann jedoch je nach Anwendungsfall variieren und modifiziert werden. Beispielsweise kann der Feedbackaktuator 3 auch direkt am Lenkrad angeordnet sein. Die Anordnung des Aktuators 21 ist insbesondere davon abhängig welche Ringhälfte 6a, 6b direkt und welche Ringhälfte über die Getriebestufe 15 mittelbar angetrieben wird.

Bei einer manuell betätigten Rotation der Welle 4 wird diese beispielsweise aus einer Nullstellung, bei der die lenkbaren Räder beispielsweise in Geradeausfahrtrichtung ausgerichtet sind, zusammen mit dem ersten Betätigungsring 9 in oder gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Das erste Eingriffselement 11 steht in Eingriff mit dem zweiten Eingriffselement 13, wobei das erste Eingriffselement 11 am zweiten Eingriffselement 13 tangential zur Anlage kommt und dadurch den zweiten Betätigungsring 12 in Umfangsrichtung mitnimmt. Das zweite Eingriffselement 13 ist zudem in Eingriff mit dem ersten und zweiten tangentialen Anschlag 7a, 7b des geteilten Anschlagrings 6 und kann bei weiterer Drehung an einem der Anschläge 7a, 7b zur Anlage kommen. Dies ist in Figur 2 im Querschnitt besser zu sehen.

Nach Figur 2 ist der zweite Betätigungsring 12 mit dem daran angeformten zweiten Eingriffselement 13 dargestellt. Zudem sind die beiden tangentialen Anschläge 7a, 7b des geteilten Anschlagrings 6 gezeigt. Wie bereits gesagt, wird mittels der gegeneinander rotierbaren tangentialen Anschläge 7a, 7b in Abhängigkeit des aktuellen Use- Cases ein möglicher Rotationswinkel der Welle 4 eingestellt. Dies wird durch einen ersten Doppelpfeil 22 verdeutlicht. In Umfangsrichtung zwischen den beiden Anschlägen 7a, 7b ist das zweite Eingriffselement 13 angeordnet, das gemäß einem zweiten und dritten Doppelpfeil 23, 24 in bzw. gegen den Uhrzeigersinn frei rotierbar ist. Durch die tangentialen Anschläge 7a, 7b ist diese freie Bewegung je nach Fahrsituation bzw. Use-Case des Kraftfahrzeugs einschränkbar.

Das erste Eingriffselement 11 ist also dazu ausgebildet, ausgehend von einer Nullstellung der Welle 4 je nach Rotationsrichtung der Welle 4 über das zweite Eingriffselement 13 am ersten tangentialen Anschlag 7a oder am zweiten tangentialen Anschlag 7b zur Anlage kommen. Die tangentialen Anschläge 7a, 7b bilden Endanschläge der Vorrichtung 1 , die ein Drehmoment am Gehäuse der Lenksäule 2 abstützen.

Bei mehr als zwei Betätigungsringen 9, 12 kann sich das Rotieren, das in Eingriff kommen und das Mitnehmen des einen Betätigungsrings und dem dazu benachbarten Betätigungsring fortsetzen, bis der letzte Betätigungsring, der dem Anschlagring 6 zugeordnet ist, an einem der Anschläge 7a, 7b zur Anlage kommt bzw. anschlägt. Damit können in bestimmten Use-Cases unerwünschte Folgen einer Überdrehung der als Lenkwelle ausgeführten Welle 4 vermieden werden.

In Figur 2 ist zudem angedeutet, dass die Eingriffselemente 11 , 13 sowie die Anschläge 7a, 7b kreissegmentförmig mit im Wesentlichen flächig ausgebildeten tangentialen Stirnflächen ausgebildet sind. Die Umfangslänge der Eingriffselemente 11 , 13 und der Anschläge 7a, 7b kann je nach Anwendungsfall variieren.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 . Zur Vereinfachung ist hier lediglich der geteilte Anschlagring 6 sowie die Getriebestufe 15 mit dem Aktuator 21 dargestellt. Im Übrigen wird auf die obigen Ausführungen zu Figur 1 verwiesen. Gemäß Figur 3 ist der Aktuator 20 nicht mit einer der Ringhälften 6a, 6b sondern mit der Getriebestufe 15 wirkverbunden. Dabei kann die Getriebestufe 15, wie oben beschrieben, ein Stirnrad 16 sein, das über den Bolzen 14 drehfest mit einer - nicht gezeigten - Rotorwelle der Antriebseinheit 20 verbunden ist. Im Übrigen ist die Vorrichtung 1 identisch zur Ausführungsform nach Figur 1 und Figur 2 ausgebildet. Alternativ kann im Leistungsfluss zwischen dem Stirnrad und der Rotorwelle ein weiteres Getriebe mit einer bestimmten Übersetzung vorgesehen sein. Ferner alternativ kann die Getriebestufe 15 ein Differentialgetriebe sein, welches eine von einer Antriebseinheit 20 kommende Antriebsleistung auf die beiden Ringhälften aufteilt. Anstelle eines selbsthemmenden Getriebes 19 nach Fig. 1 kann in diesem Fall wenigstens ein Rastmechanismus am Aktuator 21 vorgesehen sein, der eine Rotation der jeweiligen Ringhälfte 6a, 6b oder eines rotierenden Bauteils der Antriebseinheit 20 und/oder der Getriebestufe 15 blockiert. Es sei darauf hingewiesen, dass hier auf eine detaillierte Darstellung der Lagerung der drehbaren Bauteile aus Vereinfachungsgründen verzichtet wurde. Die drehbar gelagerten sind, da wo nichts anderes gesagt wird, in geeigneter Weise gegeneinander oder gegenüber einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einem - nicht gezeigten - Gehäuse der Lenksäule 2 drehbar gelagert.

Bezuqszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Lenksäule

3 Feedbackaktuator

4 Welle bzw. Lenkwelle

5 Drehwinkelbegrenzer

6 Geteilter Anschlagring

6a, 6b Ringhälfte

7a, 7b Tangentialer Anschlag

8 Längsachse des Anschlagrings

9 Erster Betätigungsring

10 Wellenachse

11 Erstes Eingriffselement

12 Zweiter Betätigungsring

13 Zweites Eingriffselement

14 Bolzen

15 Getriebestufe

16 Stirnrad

17 Kronenverzahnung der ersten Ringhälfte

18 Kronenverzahnung der zweiten Ringhälfte

19 Getriebe

19a Schneckenwelle

19b Schneckenrad

20 Antriebseinheit

21 Aktuator

22 Erster Doppelpfeil

23 Zweiter Doppelpfeil

24 Dritter Doppelpfeil