Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Verriegelungsvorrichtung für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Raststern, der eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei der Raststern drehfest mit der Lenkspindel koppelbar ist, ein relativ zu dem Raststern bewegbares Verrastelement und einen Stellantrieb, der derart ausgebildet ist, das Verrastelement zwischen einer Blockierstellung, in der die Drehung der Lenkspindel blockiert ist, und einer Freigabestellung, in der die Drehung der Lenkspindel freigegeben ist, umzuschalten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug.

Lenksäulen für Kraftfahrzeuge weisen eine Lenkspindel auf, an deren in Fahrtrichtung hinteren, dem Fahrer zugewandten Ende ein Lenkrad zur Einbringung eines Lenkbefehls durch den Fahrer angebracht ist. Die Lenkspindel ist in der Lenksäule um ihre Längsachse drehbar gelagert. Im Gegensatz zu einem konventionellen Lenkstrang besteht in einem Lenkstrang eines Steer-by-Wire Lenksystems keine mechanische Lenkkraft- /Drehmomentenübertragung bzw. mechanische Kopplung zwischen der Lenksäule und dem Lenkgetriebe und somit den Rädern des Kraftfahrzeugs.

Durch die mechanische Entkopplung der Lenksäule von dem Lenkgetriebe und somit von den Fahrzeugrädern erhält der Fahrer keinerlei haptische Feedbackinformationen, die dazu beitragen können, dem Fahrer ein Fahrgefühl bzw. einen Eindruck von der aktuellen Fahrzeugsituation zu vermitteln. Insbesondere führt die mechanische Entkopplung dazu, dass der Fahrer das Lenkrad ungehindert einen unbegrenzt großen Lenkwinkel verdrehen kann, das heißt, beliebig viele Lenkradumdrehungen durchführen kann. Dies entspricht nicht der gewohnten Lenkbedienung eines Fahrzeugs und kann allein daher zu Irritation des Fahrers führen. Fahrerische Fehler bei der Lenkbedienung, insbesondere während der Fahrt, können zu sicherheitskritischen Situationen führen. Jede Form von Irritation oder Ablenkung des Fahrers sollte vermieden werden.

Zur Verbesserung der Fahrsicherheit dienen Verriegelungsvorrichtungen für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by-Wire Lenksystems dazu, dem Fahrer des Kraftfahrzeugs in bestimmten Situationen ein haptisches Feedback in Form eines stark erhöhten bzw. nicht überwindbaren Lenkwiderstands bereitzustellen. Eine solche Situation ist beispielsweise gegeben, wenn das Lenkgetriebe bzw. die Räder den maximalen Lenkeinschlag erreicht hat bzw. haben. Auch wenn eines der oder beide mit dem Lenkgetriebe wirkverbundenen Räder des Kraftfahrzeugs während des Lenkvorgangs gegen ein Hindernis, insbesondere ein Bord-, Rand- bzw. Kantstein, stößt bzw. stoßen, ist ein haptisches Feedback für den Fahrer erwünscht. Beiden Situationen ist gemeinsam, dass die Räder nicht weiter in die Richtung der Lenkbewegung gelenkt werden können. Das erwünschte haptische Feedback kann dergestalt sein, dass der Lenkwiderstand stark zu erhöhen ist, genau dann, wenn die Räder nicht weiter in die Richtung der jeweiligen Lenkbewegung gelenkt werden können. Diese Art des haptischen Feedbacks wird auch als simulierter Anschlag bezeichnet.

Um den Lenkwiderstand situationsabhängig zu erhöhen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Lenkspindel mit einem entsprechenden, gegen die Richtung der Lenkbewegung wirkenden Drehmoment zu beaufschlagen. Allerdings erfordert dies einen entsprechend leistungsstarken Elektromotor, der demgemäß groß dimensioniert sein muss und somit einen vergleichsweise großen Bauraum benötigt und kostenintensiv ist.

Aus der DE 102016206610 A1 ist eine Steer-by-Wire Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer Verriegelungsvorrichtung bekannt. Die Verriegelungsvorrichtung weist einen mit der Lenkspindel drehfest verbundenen zahnradformähnlichen Raststern, ein mit dem Raststern in Eingriff verbringbares Verrastelement und einen das Verrastelement bewegbaren Stellantrieb vor.

Nachteilig an dieser bekannten Lenkradverriegelungsvorrichtung sind die vergleichsweise langen Schaltzeiten des Bewegungsmechanismus'. Unter dem Begriff Schaltzeit wird die benötigte Zeitdauer verstanden, um von einem Zustand in einen anderen Zustand zu wechseln. Im Zusammenhang mit Verriegelungsvorrichtungen wird darunter die Zeitdauer verstanden, das Verrastelement von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen bzw. umgekehrt. Für die Rückstellung des Verrastelements entlang des Stellwegs in dessen Ausgangslage ist eine entsprechend vorgespannte Rückstellfeder vorgesehen. Zwar könnte eine verbesserte Dynamik und somit kürzere Schaltzeiten des Bewegungsmechanismus' durch eine Erhöhung der Federkraft der Rückstellfeder, insbesondere durch Erhöhung der Federkonstante oder der Federauslenkung, erreicht werden. Jedoch müsste dann - zur Überwindung der erhöhten Federkraft - wiederum ein entsprechend leistungsstärkerer Elektromotor vorgesehen werden, der demgemäß bauraum- und kostenintensiver ist. Aus der DE 603 03081 T2 ist eine Verriegelungsvorrichtung mit einem festen und einem variablen mechanischen Wegendanschlag bekannt. Allerdings ist diese bekannte Verriegelungsvorrichtung vergleichsweise komplex und bauraumintensiv in ihrem Aufbau.

Weitere Verriegelungsvorrichtungen sind aus der FR 2 908 101 B1 und DE 102004037617 A1 bekannt.

Wenn ein Drehsinnwechsel im simulierten Anschlag sensorisch erfasst wird, dann ist die Lenksäule schnellstmöglich freizugeben. Mit anderen Worten: Das Verrastelement der Verriegelungsvorrichtung ist unter möglichst kurzer Schaltzeit von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen, damit nach dem erfassten Drehsinnwechsel das Lenkrad bzw. die Lenkspindel nicht weiter blockiert bleibt.

Die Erfassung der Position des Lenkrads ist eine sicherheitsrelevante Funktion und ist daher zuverlässig bzw. ausfallsicher (ASIL D) zu gewährleisten.

Im Lichte der vorangehend erläuterten Nachteile der bekannten Verriegelungsvorrichtungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verriegelungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln kurze Schaltzeiten realisiert, einen kompakten Aufbau hat und zuverlässig ist.

Darstellung der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Verriegelungsvorrichtung für eine eine Lenkspindel umfassende Lenksäule eines Steer-by- Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird für eine Verriegelungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Stellantrieb zumindest einen ersten elektromagnetischen Aktuator und zumindest einen zweiten elektromagnetischen Aktuator umfasst. Durch zwei elektromagnetische Aktuatoren können kurze Schaltzeiten realisiert werden. Und zwar können elektromagnetische Aktuatoren jeweils so mit elektrischer Energie versorgt werden, dass sie große magnetische Kräfte erzeugen und somit mit großen Stellkräften auf das Verrastelement einwirken. Die Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen sind alternierend in Umfangsrichtung angeordnet und können beispielsweise eine Verzahnung bilden.

Bevorzugt ist die Verriegelungsvorrichtung gerade kein Lenkradschloss, welches die Lenkspindel in einem Fall, wenn der Fahrzeugführer das Fahrzeug verlässt, in Drehrichtung festlegt bzw. blockiert. Vielmehr dient die Verriegelungsvorrichtung wie voranstehend erläutert dazu, dem Fahrer des Kraftfahrzeugs in bestimmten Situationen ein haptisches Feedback in Form eines stark erhöhten bzw. nicht überwindbaren Lenkwiderstands bereitzustellen, um die im Rahmen eines Steer-by-Wire Lenksystems wegfallende, mechanische Kopplung zwischen der Lenksäule und dem Lenkgetriebe zu simulieren.

Die elektromagnetischen Aktuatoren können jeweils als Elektromagnete ausgebildet sein, umfassend eine Spule und einen in der Spule angeordneten Eisenkern. Zur Führung und Verstärkung des während der Bestromung, das heißt der Versorgung mit elektrischer Energie, erzeugten Magnetfeldes können die jeweiligen Eisenkerne Anformungen aufweisen. Eine Steuerungseinheit dient zur gezielten Bestromung der Spulen zur Erzeugung von sich verändernden Magnetfeldern im bestimmungsgemäßen Betrieb, so dass das Verrastelement situationsabhängig in die Blockier- bzw. Freigabestellung bewegt wird.

Darüber hinaus können die Anformungen als mechanische Anschläge für die Schwenkbewegung des Verrastelements ausgebildet sein. Das mechanische Anschlägen gegen die Anformungen wirkt sich unterstützend auf den Vorgang der Magnetisierung der mit den elektromagnetischen Aktuatoren zusammenwirkenden Eisenelemente aus. Denn das mechanische Anschlägen verursacht einen Stoß bzw. Impuls, der die Ausrichtung der magnetischen Domänen, auch als Weiss-Bezirke bekannt, begünstigt bzw. erleichtert. Die Ausrichtung der magnetischen Domänen in eine nahezu parallele Richtung ist ein wesentlicher, der Magnetisierung von Metallen zugrundeliegender Effekt auf kristalliner Ebene.

In vorteilhafter Weise ist der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet, das Verrastelement von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen, und ist der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet, das Verrastelement von der Freigabestellung in die Blockierstellung zu bewegen. Die Bewegungsrichtungen können hingegen auch in umgekehrter Richtung definiert sein.

In besonders vorteilhafter Weise sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils derart ausgebildet, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen. Das Verrastelement von sich wegzubewegen bietet den Vorteil einer sehr schnellen Schaltzeit, da der Spalt zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und dem Verrastelement sehr gering bzw. quasi nicht vorhanden ist. Dadurch ist der Wirkungsgrad zu Beginn des Schaltvorgangs sehr hoch. Somit kann eine entsprechend große Kraft genau dann bereitgestellt werden, wenn das Verrastelement beschleunigt werden muss, um dies von der einen in die andere Stellung zu überführen. Es ist auch denkbar, dass die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils derart ausgebildet sind, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen. In beiden Fällen sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren jeweils so ausgebildet, in gleicher Weise auf das Verrastelement einzuwirken. Dies ermöglicht den Einsatz einer einfacheren und somit kostengünstigeren Steuerung der einzelnen Aktuatoren.

Alternativ kann der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet sein, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen, wohingegen der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet ist, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen, nämlich genau dann, wenn der erste elektromagnetische Aktuator das Verrastelement von sich wegbewegt bzw. wegdrückt bzw. abstößt. Bevorzugt findet dies innerhalb eines Schaltzyklus' statt, das heißt, bei einer Überführung zwischen der Freigabestellung und der Blockierstellung. Mit anderen Worten, agieren die beiden Aktuatoren zeitgleich bzw. die beiden Bewegungen geschehen gleichzeitig.

Eine demgegenüber entgegengesetzte bzw. umgekehrte Wrkungsweise ist ebenfalls denkbar, und zwar, dass der erste elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet sein kann, das Verrastelement an sich heranzubewegen bzw. anzuziehen, wohingegen der zweite elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet ist, das Verrastelement von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen, nämlich genau dann, wenn der erste elektromagnetische Aktuator das Verrastelement an sich heranzieht. Bevorzugt findet dies innerhalb eines Schaltzyklus' statt, das heißt, bei einer Überführung zwischen der Freigabestellung und der Blockierstellung. Mit anderen Worten, agieren die beiden Aktuatoren zeitgleich bzw. die beiden Bewegungen geschehen gleichzeitig.

In beiden Fällen sind die zwei elektromagnetischen Aktuatoren so ausgebildet, in verschiedener Weise auf das Verrastelement einzuwirken. Die Wrkungsweisen der zwei elektromagnetischen Aktuatoren ergänzen sich gegenseitig. Der eine Aktuator drückt oder zieht während der andere Aktuator zieht oder drückt. Dadurch kann eine besonders gute Dynamik und somit besonders kurze Schaltzeiten erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführung ist das Verrastelement um eine Schwenkachse verschwenkbar ausgebildet. Ein solches verschwenkbares Verrastelement ist auch als Sperr-/Schwenkhebel oder -klinke bekannt. Im Gegensatz zu axialverschiebbaren Verrastelementen können auf diese Weise besonders kurze Schaltzeiten realisiert werden. Außerdem können so platz- bzw. bauraumsparende und kompakte Verriegelungseinrichtungen realisiert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Verrastelement derart ausgebildet, dass dessen Schwenkachse durch dessen Massenschwerpunkt verläuft. Auf den Massenschwerpunkt einwirkende, externe (Stör-)Kräfte, die beispielsweise durch Vibration oder andere Umwelteinflüsse verursacht werden können, bringen keine Drehmomente in das Verrastelement hinein. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit des Verrastelements. Außerdem ist damit ein relativ leichtgängiges, das heißt, geringere Stellkräfte erforderndes Verrastelement geschaffen.

Das Verrastelement kann zumindest eine in den Raststern eingreifende Formschlusseinheit und zumindest eine mit der Formschlusseinheit fest verbundene Gegeneinheit umfassen.

Die Formschlusseinheit verläuft von dem Massenschwerpunkt bis zu dem dem Raststern zugewandten offenen bzw. freien Ende des Verrastelements und ist schenkelartig ausgebildet. Die Formschlusseinheit wirkt mit dem Raststern zusammen, indem sie in den Eingriff mit dem Raststern verbracht werden kann. „Eingriff“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Formschlusseinheit in eine der Vertiefungen des Raststerns verbracht bzw. eingerückt bzw. bewegt, insbesondere verschwenkt, ist, sodass die Drehung der Lenkspindel blockiert ist. Die Drehung der Lenkspindel ist insoweit blockiert, dass die Drehbewegung lediglich innerhalb des durch zwei aufeinanderfolgende Erhebungen des Raststerns definierten Zwischenraums, möglich ist. Dieser Zwischenraum entspricht einer Vertiefung.

Die Gegeneinheit verläuft von dem Massenschwerpunkt bis zu dem dem Stellantrieb zugewandten offenen bzw. freien Ende des Verrastelements und ist schenkelartig ausgebildet. Die Gegeneinheit wirkt mit dem Stellantrieb zusammen, indem sie von den elektromagnetischen Aktuatoren hin und her bewegbar ist, insbesondere verschwenkbar ist.

Der Raststern der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung kann ein gesondertes Bauteil sein, das an der Lenkspindel befestigt ist. Alternativ kann der Raststern eine einstückig mit der Lenkspindel ausgebildete Anformung sein, die beispielsweise unter anderem durch spangebende Fertigung der Lenkspindel hergestellt ist oder durch einen Kaltumformprozess.

Die Formschlusseinheit und die Gegeneinheit können aus verschiedenen oder aus den gleichen Werkstoffen bestehen. Durch die feste Verbindung der Formschlusseinheit mit der Gegeneinheit sind beide Einheiten in einer festen Orientierung zueinander bewegbar bzw. synchron zueinander bewegbar. Mit anderen Worten: Eine durch den Stellantrieb bewirkte Bewegung der Gegeneinheit führt zu einer entsprechenden Bewegung der Formschlusseinheit. Die feste Verbindung kann durch Kraftschluss, Formschluss oder Stoffschluss realisiert werden. Auch Kombinationen dieser Verbindungstechniken sind denkbar. Die Formschlusseinheit und die Gegeneinheit können alternativ auch einstückig ausgebildet sein.

Die Formschlusseinheit kann hakenförmig ausgebildet sein. Die Hakenform ist demgemäß so ausgeführt, dass die Formschlusseinheit an dem dem Raststern zugewandten offenen Ende eine zu den Erhebungen des Raststerns formkomplementäre Hinterschneidung aufweist.

Die Verriegelungsvorrichtung kann einen Permanentmagneten bzw. Dauermagneten aufweisen. Dieser kann derart ausgebildet sein, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in der zuletzt eingenommenen Stellung zu halten. Dies wird durch eine entsprechende Positionierung des Permanentmagneten relativ zu dem verschwenkbaren Verrastelement erreicht. Und zwar ist die Position des Permanentmagneten so zu wählen, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten derart auf das Verrastelement einwirkt, dass die magnetische Kraft das Verrastelement entgegen äußerer Störeinflüsse bzw. -kräfte festhalten kann. Auf diese Weise kann selbst bei ausbleibender elektromagnetischer Aktuierung, beispielsweise bei einem Stromausfall im Bordnetz des Fahrzeugs und somit bei einer Deaktivierung der elektromagnetischen Aktuatoren, das Verrastelement in der zuletzt eingenommenen Stellung, das heißt, entweder in der Blockierstellung oder Freigabestellung, magnetisch gehalten bzw. fixiert werden. Dadurch ist stets - auch bei bzw. nach einer Betriebsstörung - ein eindeutiger und somit sicherer Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung sichergestellt.

Es ist auch denkbar, den Permanentmagneten derart auszubilden, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in eine zuvor festgelegte Stellung (Default- bzw. Standardstellung), das heißt, entweder in die Blockierstellung oder Freigabestellung, zu verbringen, sofern die zuletzt eingenommene Stellung nicht der Standardstellung entspricht, oder zu halten, sofern die zuletzt eingenommene Stellung der Standardstellung entspricht. Dies stellt stets - auch bei bzw. nach einer Betriebsstörung - einen bestimmten und somit sicheren Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung sicher.

Für die Fälle, in denen der Permanentmagnet derart ausgebildet ist, das Verrastelement bei ausbleibender Aktuierung in die Blockierstellung zu bewegen, und der Raststern im Zeitpunkt eines Stromausfalls gerade in einer Winkelstellung ist, in der das Verrastelement nicht in den Eingriff mit dem Raststern gelangen kann, da es stirnseitig vor eine Erhebnung des Raststerns stößt, ist die Verriegelungsvorrichtung zwar kurzzeitig in einem instabilen Zustand. Allerdings genügt eine kleine Winkeländerung des Raststerns, um das Verrastelement wieder in den Eingriff mit dem Raststern zu bewegen und somit die Verriegelungsvorrichtung in einen stabilen und sicheren Zustand zu überführen.

Zusätzlich oder alternativ kann der Permanentmagnet derart ausgebildet sein,

Eisenelemente zum Zusammenwirken mit den elektromagnetischen Aktuatoren zu magnetisieren. Dies ist insbesondere für Ausführungsformen erforderlich, die keine Anziehbewegungen, sondern Abstoßbewegungen des Verrastelements von den elektromagnetischen Aktuatoren vorsehen. Denn die Magnetisierung der Eisenelemente erzeugt die magnetischen Pole in den Eisenelementen, die für die Erzeugung einer durch die Gegenpoligkeit bedingte Abstoßkraft zwingend erforderlich sind.

Zur weiteren Verbesserung der Dynamik des Verriegelungsmechanismus‘ kann der Stellantrieb mehr als einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator umfassen. Insbesondere kann der Stellantrieb zwei erste und zwei zweite elektromagnetische Aktuatoren umfassen. Dadurch können größere, auf das Verrastelement einwirkende Stellkräfte erzeugt werden. Dies ermöglicht kürzere Schaltzeiten.

Außerdem ist dadurch eine Redundanz an elektromagnetischen Aktuatoren geschaffen, die die Zuverlässigkeit und Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit der Verriegelungsvorrichtung verbessert. Denn der zusätzliche erste und der zusätzliche zweite elektromagnetische Aktuator kann jeweils bei einem Ausfall des ersten oder des zweiten elektromagnetischen Aktuators als Ersatz jeweils für diesen dienen.

Des Weiteren ist erfindungsgemäß eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine Lenkspindellagereinheit, in der eine Lenkspindel drehbar gelagert ist, wobei die Lenkspindel mit einem Lenkrad koppelbar ist, und die Lenksäule eine Verriegelungsvorrichtung umfasst, die wie vorangehend dargestellt ausgebildet ist, wobei sämtliche Merkmale miteinander kombiniert werden können.

Bevorzugt ist die Lenksäule lenkradschlossfrei ausgebildet, das heißt, weist die Lenksäule kein Lenkradschloss auf, welches die Lenkspindel in einem Fall, wenn der Fahrzeugführer das Kraftfahrzeug verlässt, insbesondere im Fall einer ungewollten Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, in Drehrichtung festlegt bzw. blockiert.

Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,

Figur 2 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Detailansicht,

Figur 3 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Draufsicht,

Figur 4 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 1 in einer Draufsicht,

Figur 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Verriegelungsvorrichtung in einer Draufsicht,

Figur 6 die Verriegelungsvorrichtung aus Figur 5 in einer Draufsicht,

Figur 7 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenksäule in einer perspektivischen Darstellung und

Figur 8 die Lenksäule aus Figur 7 in einer perspektivischen Detailansicht.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind daher in der Regel jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung 1 in einer perspektivischen Darstellung. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.

Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist an einer eine Lenkspindel 2 umfassende Lenksäule 3 eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Und zwar ist die Verriegelungsvorrichtung 1 an dem dem in den Figuren nicht dargestellten Lenkrad abgewandten Ende der Lenksäule 3 stirnseitig mit der Lenksäule 3 über Öffnungen 4 zur Aufnahme von in den Figuren ebenfalls nicht dargestellten Schrauben befestigt. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist von einem Gehäuseelement 5 umschlossen. Das Gehäuseelement 5 ist der besseren Sichtbarkeit der Verriegelungsvorrichtung 1 halber im Querschnitt dargestellt.

Die Verriegelungsvorrichtung 1 umfasst einen mit der Lenkspindel 2 fest verbundenen, eine Vielzahl von Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 aufweisenden Raststern 8, ein relativ zu dem Raststern 8 bewegbares Verrastelement 9 und einen Stellantrieb 10. Die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 sind auf dem Raststern in einem Umfangsabschnitt ausgebildet und sind in Umfangsrichtung alternierend angeordnet.

Der Raststern 8 ist zahnradformähnlich ausgebildet. Die Erhebungen 6 des Raststerns 8 sind als Raststernzähne mit senkrecht bzw. normal zu der äußeren Mantelfläche des Raststerns 8 orientierten Zahnflanken ausgebildet. Die Vertiefungen 7 des Raststerns 8 sind als Rastersternzahnlücken ausgebildet, die jeweils durch zwei in Umfangsrichtung des Rasterns 8 aufeinanderfolgende Raststernzähne gebildet sind.

Der Stellantrieb 10 ist derart ausgebildet, das Verrastelement 9 zwischen einer die Drehung der Lenkspindel 2 blockierenden Stellung (Blockierstellung) und einer die Drehung der Lenkspindel 2 freigebenden Stellung (Freigabestellung) hin und her zu bewegen, mit anderen Worten, ist das Verrastelement 9 zwischen der Blockierstellung und der Freigabestellung mittels des Stellantriebs 10 umschaltbar. Figur 2 zeigt das Verrastelement 9 und den Stellantrieb 10 der Verriegelungsvorrichtung 1 in einer schematisierten Detailansicht. Der besseren Übersicht halber ist das Gehäuseelement 5 nicht dargestellt. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.

Der Stellantrieb 10 umfasst einen ersten elektromagnetischen Aktuator 11 und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator 12. Bei den elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 handelt es sich jeweils um Elektromagnete.

Der erste elektromagnetische Aktuator 11 umfasst eine Spule 13, einen in der Spule 13 angeordneten Eisenkern 14 und ein Öffnungen 15 aufweisendes Verbindungselement 16. Der Aktuator 11 ist über das Verbindungselement 16 mit dem (in Figur 2 nicht dargestellten) Gehäuseelement 5 der Verriegelungsvorrichtung 1 ortsfest verbunden. Der Eisenkern 14 weist zwei Anformungen 17 unter einem rechten Winkel bezüglich der Eisenkernlängsachse auf, sodass der Eisenkern 14 U-förmig ausgebildet ist. Die Anformungen 17 bilden jeweils ein offenes Ende des Eisenkerns 14. Die Anformungen 17 dienen als „Verlängerung“ des Eisenkerns 14 und als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung des Verrastelements 9 in Richtung des ersten elektromagnetischen Aktuators 11.

In analoger Weise umfasst der zweite elektromagnetische Aktuator 12 eine Spule 18, einen in der Spule 18 angeordneten Eisenkern 19 und ein Öffnungen 20 aufweisendes Verbindungselement 21. Der Aktuator 12 ist über das Verbindungselement 21 mit dem (in Figur 2 nicht dargestellten) Gehäuseelement 5 der Verriegelungsvorrichtung 1 ortsfest verbunden. Der Eisenkern 19 umfasst zwei, unter einem rechten Wnkel bezüglich der Eisenkernlängsachse ausgebildete Anformungen 22 und ist somit als U-Form ausgebildet. Die Anformungen 22 bilden jeweils ein offenes Ende des Eisenkerns 19. Sie dienen als „Verlängerung“ des Eisenkerns 19 und als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung des Verrastelements 9 in Richtung des zweiten elektromagnetischen Aktuators 12.

Die Spulen 13, 18 sind jeweils elektrisch mit einer Stromversorgung verbunden und können durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit gezielt bestromt bzw. eingeschaltet werden. So entsteht jeweils ein magnetisches Feld mit einer der elektrischen Bestromung entsprechenden Polung. Die jeweils in den Spulen 13, 18 angeordneten Eisenkerne 14, 19 führen und verstärken das jeweilige magnetische Feld. Der erste elektromagnetische Aktuator 11 ist derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von der Blockierstellung in die Freigabestellung zu bewegen. Der zweite elektromagnetische Aktuator 12 ist demgegenüber derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von der Freigabestellung in die Blockierstellung zu bewegen.

Die elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 sind jeweils derart ausgebildet, das Verrastelement 9 von sich wegzubewegen bzw. wegzudrücken bzw. abzustoßen.

Das Verrastelement 9 ist als ein Hebel bzw. eine Sperrklinke ausgebildet, der bzw. die um eine Schwenkachse 23 verschwenkbar ist. Die Schwenkachse 23 des Verrastelements 9 verläuft durch dessen Massenschwerpunkt.

Das Verrastelement 9 umfasst eine in den Raststern 8 eingreifende Formschlusseinheit 24 bestehend aus einem Sinterwerkstoff und eine mit der Formschlusseinheit 24 fest verbundene Gegeneinheit 25 bestehend aus einem Kunststoff. Die Gegeneinheit 25 ist durch die elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 aktuierbar. Durch die feste Verbindung der Formschlusseinheit 24 mit der Gegeneinheit 25 sind diese beiden Einheiten in einer festen Orientierung zueinander bewegbar bzw. synchron zueinander bewegbar. Der Massenschwerpunkt des Verrastelements 9 liegt in dem die Gegeneinheit 25 und die Formschlusseinheit 24 verbindenden Bereich. Durch den Verbindungsbereich verläuft die Schwenkachse 23 des Verrastelements 9.

Die Formschlusseinheit 24 des Verrastelements 9 ist hakenförmig ausgebildet. Das offene Ende der Formschlusseinheit 24 ist derart ausgebildet, formkomplementär mit den als Raststernzähne ausgebildeten Erhebungen 6 zusammenzuwirken bzw. in Eingriff zu treten. Bei einem Eingriff der Formschlusseinheit 24 in den Raststern 8 entsteht eine Wirkflächenpaarung zwischen einer der senkrecht bzw. normal zu der äußeren Mantelfläche des Raststerns 8 orientierten Zahnflanken eines Raststernzahns und der zu der Zahnflanke formkomplementär ausgebildeten Formschlusseinheit 24.

Die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 ist stoffschlüssig mit zwei Eisenelementen 26, die jeweils in die Gegeneinheit 25 eingelassen sind bzw. von der Gegeneinheit 25 umschlossen sind, verbunden. Die Eisenelemente 26 sind derart ausgebildet, jeweils magnetisch mit den elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 zusammenzuwirken. Die stirnseitigen Flächen der Anformungen 17, 22 bilden jeweils Wirkflächenpaare mit den ihnen gegenüber angeordneten stirnseitigen Flächen der beiden Eisenelemente 26. Die Abstoßbewegung der von dem Verrastelement 9 getragenen Eisenelemente 26 weg von den ortsfesten elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12 ist das Ergebnis einer gleichartigen Polung der elektro-magnetisierten Stirnseiten der Anformungen 17, 22 einerseits und der magnetisierten Stirnseiten der beiden Eisenelemente 26 andererseits.

Die Verriegelungsvorrichtung 1 weist außerdem einen Permanentmagneten 27 auf. Der Permanentmagnet 27 weist Öffnungen 28 zur Hindurchführung von Schrauben zur Befestigung an dem Gehäuseelement 5 auf. Außerdem weist der Permanentmagnet 27 zwei rechtwinklige Anformungen auf. Dementsprechend ist der Permanentmagnet 27 U-förmig ausgebildet. Der Permanentmagnet 27 ist in Bezug auf die verschwenkbar gelagerte Gegeneinheit 25 in Radialrichtung außerhalb von dieser angeordnet.

Die magnetische Polung der jeweiligen Eisenelemente 26 entsteht durch eine durch den Permanentmagneten 27 induzierte bzw. bewirkte Magnetisierung. Das erste offene Ende des U-förmigen Permanentmagneten 27 bildet den magnetischen Nordpol, wohingegen das zweite offene Ende des U-förmigen Permanentmagneten 28 den magnetischen Südpol bildet. Der Permanentmagnet 27 ist in unmittelbar räumlicher Nähe zu den Eisenelementen 26 angeordnet. In der unmittelbar räumlichen Nähe des Permanentmagneten 27 bildet sich ein Magnetfeld aus. Durch die Einbringung der Eisenelemente 26 in das Magnetfeld des Permanentmagneten 27 richten sich die magnetischen Domänen der Eisenelemente 26 in etwa parallel zu dem Magnetfeld aus. Dies wird als Magnetisierung bezeichnet. Das mechanische Anschlägen der Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 17, 22 im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt einen Stoß bzw. Impuls, der die Ausrichtung der magnetischen Domänen begünstigt bzw. erleichtert.

Neben der Magnetisierung der Eisenelemente 26 erfüllt der Permanentmagnet 27 eine weitere Funktion. Und zwar dient der Permanentmagnet 27 dazu, bei ausbleibender elektromagnetischer Aktuierung, beispielsweise bei einem Stromausfall und somit bei einer Deaktivierung der elektromagnetischen Aktuatoren 11, 12, das Verrastelement 9 in der zuletzt eingenommenen Stellung, das heißt, entweder in der Blockierstellung oder Freigabestellung, magnetisch zu halten. Somit ist stets ein klar definierter und sicherer Betriebszustand der Verriegelungsvorrichtung 1 sichergestellt.

Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen die Freigabestellung und die Blockierstellung der Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Gegenüberstellung. Figur 3 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 1 ist in ihrer Freigabestellung.

Die Spule 13 des ersten elektromagnetischen Aktuators 11 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 von dem ersten elektromagnetischen Aktuator 11 abgestoßen ist.

Dadurch ist die Gegeneinheit 25 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, und zwar so weit bis die Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 22 anschlagen. Die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 25 führt wiederum aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 24 zu einer Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 24 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn, nämlich aus dem Eingriff mit dem Raststern 8 heraus.

Figur 4 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Im Gegensatz zu den Figuren 1 bis 3 ist die Verriegelungsvorrichtung 1 in ihrer Blockierstellung.

Die Spule 18 des zweiten elektromagnetischen Aktuators 12 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 25 des Verrastelements 9 von dem zweiten elektromagnetischen Aktuator 12 abgestoßen ist. Dadurch ist die Gegeneinheit 25 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn verschwenkt, und zwar so weit bis die Eisenelemente 26 der Gegeneinheit 25 gegen die Anformungen 17 anschlägt. Aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 24 führt die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 25 zu einer Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 24 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn in den Eingriff mit dem Raststern 8 hinein.

Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen die Freigabestellung und die Blockierstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Gegenüberstellung.

Figur 5 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 29 ist in ihrer Freigabestellung.

Der grundlegende Aufbau der Verriegelungsvorrichtung 29 entspricht dem der Verriegelungsvorrichtung 1 aus den Figuren 1 bis 4. Die Verriegelungsvorrichtung 29 umfasst ebenfalls einen mit der Lenkspindel 2 drehfest verbundenen, eine Vielzahl von Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 aufweisenden Raststern 8, ein relativ zu dem Raststern 8 bewegbares Verrastelement 30 und einen Stellantrieb 31.

Das Verrastelement 30 ist als ein Hebel bzw. eine Sperrklinke ausgebildet, der bzw. die um die Schwenkachse 23 verschwenkbar ist, wobei die Schwenkachse 23 durch den Massenschwerpunkt des Verrastelements 30 verläuft. Das Verrastelement 30 umfasst eine in den Raststern 8 eingreifende Formschlusseinheit 32 und eine mit der Formschlusseinheit 32 fest verbundene Gegeneinheit 33.

Der Stellantrieb 31 umfasst einen ersten elektromagnetischen Aktuator 34 und einen zweiten elektromagnetischen Aktuator 35. Bei den elektromagnetischen Aktuatoren 34, 35 handelt es sich jeweils um Elektromagnete. Der Stellantrieb 31 kann das Verrastelement 30 zwischen der Blockierstellung und der Freigabestellung hin und her bewegen bzw. umschalten.

Im Unterschied zu der Formschlusseinheit 24 und der Gegeneinheit 25 bestehen sowohl die Formschlusseinheit 32 als auch die Gegeneinheit 33 aus einem magnetisierbaren Werkstoff und sind sowohl die Formschlusseinheit 32 als auch die Gegeneinheit 33 selbst aktuierbar. Und zwar ist die Gegeneinheit 33 durch den ersten elektromagnetischen Aktuator 34 aktuierbar und ist die Formschlusseinheit 32 durch den zweiten elektromagnetischen Aktuator 35 aktuierbar.

Der erste elektromagnetische Aktuator 34 umfasst eine Spule 36 und eine Öffnungen aufweisende Eisenkerneinheit 37. Die Eisenkerneinheit 37 ist über durch die Öffnungen hindurchgeführte Befestigungsschrauben 38 mit dem Gehäuseelement 5 fest verbunden. Die Eisenkerneinheit 37 weist eine Basis 39, einen inneren bzw. mittigen Schenkel 40 und zwei äußere Schenkel 41 auf. Die Schenkel 40, 41 sind jeweils an die Basis 39 angeformt und zueinander äquidistant. Die Basis 39 und die Schenkel 40, 41 sind einstückig bzw. monolithisch ausgebildet. Der innere Schenkel 40 ist innerhalb der Spule 36 angeordnet und dient somit als Eisenkern des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 im engeren Sinne. Die beiden äußeren Schenkel 41 der Eisenkerneinheit 37 sind außerhalb der Spule 36 angeordnet bzw. sind um die Spule 36 herumgeführt. Dadurch, dass die äußeren Schenkel 41 eine einstückige Einheit mit dem inneren Schenkel 40 bilden, dienen auch die äußeren Schenkel 41 als Eisenkern des ersten elektromagnetischen Aktuators 34.

Die drei Schenkel 40, 41 bilden jeweils ein offenes Ende der Eisenkerneinheit 37. Sie sind ausgehend von der Basis 39 derart orientiert bzw. ausgerichtet, dass die jeweils an die Oberflächenform der Gegeneinheit 33 angepasst sind. Somit fungieren sie als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 33 des Verrastelements 30. Die stirnseitigen Flächen der Schenkel 40, 41 bilden jeweils ein Wirkflächenpaar mit den ihnen gegenüber angeordneten Oberflächenbereiche der Gegeneinheit 33.

Die Spule 36 des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinheit so bestromt, dass die Gegeneinheit 33 des Verrastelements 30 von dem ersten elektromagnetischen Aktuator 34 abgestoßen ist. Dadurch ist die Gegeneinheit 33 um die Schwenkachse 23 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Die Schwenkbewegung der Gegeneinheit 33 bewirkt aufgrund der festen Verbindung mit der Formschlusseinheit 32 eine Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32, nämlich aus dem Eingriff mit dem Raststern 8 heraus.

Figur 6 zeigt die Verriegelungsvorrichtung 29 in einer Draufsicht. Die Verriegelungsvorrichtung 29 ist in ihrer Blockierstellung.

Analog zu dem Aufbau des ersten elektromagnetischen Aktuators 34 umfasst der zweite elektromagnetische Aktuator 35 eine Spule 42 und eine Öffnungen aufweisende Eisenkerneinheit 43. Die Eisenkerneinheit 43 ist über durch die Öffnungen hindurchgeführte Befestigungsschrauben 44 mit dem Gehäuseelement 5 fest verbunden. Die Eisenkerneinheit 43 weist eine Basis 45, einen inneren bzw. mittigen Schenkel 46 und zwei äußere Schenkel 47 auf. Die Schenkel 46, 47 sind jeweils an die Basis 45 angeformt und zueinander äquidistant. Die Basis 45 und die Schenkel 46, 47 sind einstückig bzw. monolithisch ausgebildet. Der innere Schenkel 46 ist innerhalb der Spule 42 angeordnet und dient somit als Eisenkern des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35 im engeren Sinne. Die beiden äußeren Schenkel 47 der Eisenkerneinheit 43 sind außerhalb der Spule 42 angeordnet bzw. sind um die Spule 42 herumgeführt. Dadurch, dass die äußeren Schenkel 47 eine einstückige Einheit mit dem inneren Schenkel 46 bilden, dienen auch die äußeren Schenkel 47 als Eisenkern des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35.

Die drei Schenkel 46, 47 bilden jeweils ein offenes Ende der Eisenkerneinheit 43. Sie sind ausgehend von der Basis 45 derart orientiert bzw. ausgerichtet, dass die jeweils an die Oberflächenform der Formschlusseinheit 32 angepasst sind. Somit fungieren sie als Wegbegrenzung bzw. mechanischer Anschlag für die Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32 des Verrastelements 30. Die stirnseitigen Flächen der Schenkel 46, 47 bilden jeweils ein Wirkflächenpaar mit den ihnen gegenüber angeordneten Oberflächenbereiche der Formschlusseinheit 32. Die Spule 42 des zweiten elektromagnetischen Aktuators 35 ist durch eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinehit so bestromt, dass die Formschlusseinheit 32 von dem zweiten elektromagnetischen Aktuator 35 abgestoßen ist. Dadurch ist die Formschlusseinheit 32 um die Schwenkachse 23 im Uhrzeigersinn verschwenkt. Die Schwenkbewegung der Formschlusseinheit 32 bewegt die Formschlusseinheit 32 in den Eingriff mit dem Raststern 8 hinein.

Figur 7 zeigt eine Lenksäule 3 für ein Kraftfahrzeug mit einer drehbar gelagerten Lenkspindel 2, an deren dem in der Figur nicht dargestellten Kraftfahrzeugfahrer zugewandten Ende ein ebenfalls in der Figur nicht dargestelltes Lenkrad anbringbar ist. Die Lenksäule 3 umfasst darüber hinaus eine an die Karosserie des Fahrzeugs anbringbare Trageinheit 48, eine an der Trageinheit 48 befestigte Manteleinheit 49 mit einer Stelleinheit 50 sowie eine Höhenverstelleinrichtung 51 und eine Längsverstelleinrichtung 52.

Des Weiteren umfasst die Lenksäule 3 die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Verriegelungsvorrichtung 1, die von dem Gehäuseelement 5 umschlossen ist. Alternativ kann auch die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Verriegelungsvorrichtung 29 vorgesehen sein. Die Verriegelungsvorrichtung 1 bzw. 29 ist an dem dem in der Figur nicht dargestellten Lenkrad abgewandten axialen Ende der Lenksäule 3 angeordnet. Diese Anordnung ist auch in Figur 1 zu erkennen.

Ein weiteres Gehäuseelement 53 ist in Axialrichtung unmittelbar an das Gehäuseelement 5 angrenzend angeordnet.

Figur 8 zeigt ein Detail der Lenksäule 3. Das Gehäuseelement 53 ist im Querschnitt dargestellt. Ein Feedbackaktuator 54 ist von dem Gehäuseelement 53 umschlossen.

Der Feedbackaktuator 54 dient in einem Steer-by-Wire Lenksystem zur Bereitstellung bzw. Simulation mechanischer Informationen für den Fahrzeugfahrer, insbesondere Vibrationen und mechanischer Widerstand während des Lenkens, vorzugsweise mechanischer Lenkwiderstand. Der Feedbackaktuator 54 umfasst einen Elektromotor, wobei dieser einen Stator 55 aufweist, der drehfest in dem Gehäuseelement 53 aufgenommen ist, und einen Rotor 56, der drehfest mit der Lenkspindel 2 verbunden ist. Bezugszeichenliste

1 Verriegelungsvorrichtung

2 Lenkspindel

3 Lenksäule

4 Öffnung

5 Gehäuseelement

6 Erhebungen

7 Vertiefungen

8 Raststern

9 Verrastelement

10 Stellantrieb

11 Erster elektromagnetischer Aktuator

12 Zweiter elektromagnetischer Aktuator

13 Spule

14 Eisenkern

15 Öffnung

16 Verbindungselement

17 Anformung

18 Spule

19 Eisenkern

20 Öffnung

21 Verbindungselement

22 Anformung

23 Schwenkachse

24 Formschlusseinheit

25 Gegeneinheit

26 Eisenelement

27 Permanentmagnet

28 Öffnung

29 Verriegelungsvorrichtung

30 Verrastelement

31 Stellantrieb

32 Formschlusseinheit

33 Gegeneinheit

34 Erster elektromagnetischer Aktuator

35 Zweiter elektromagnetischer Aktuator 36 Spule

37 Eisenkerneinheit

38 Befestigungsschrauben

39 Basis 40 Innerer Schenkel

41 Äußerer Schenkel

42 Spule

43 Eisenkerneinheit

44 Befestigungsschrauben 45 Basis

46 Innerer Schenkel

47 Äußerer Schenkel

48 Trageinheit

49 Manteleinheit 50 Stelleinheit

51 Höhenverstelleinrichtung

52 Längsverstelleinrichtung

53 Gehäuseelement

54 Feedbackaktuator

55 Stator

56 Rotor