Elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung, umfassend ein Lenkungsgehäuse, eine Lenkstange, die in dem Lenkungsgehäuse axial verlagerbar aufgenommen ist und einen Spindelabschnitt aufweist, eine Kugelgewindeeinrichtung mit einer Kugelgewindemutter und einer Lagereinrichtung zur Lagerung der Kugelgewindemutter, wobei die Lagereinrichtung relativ zu dem Lenkungsgehäuse axial festgelegt ist.

Aus DE 102008 049 701 A1 ist eine gattungsgemäße elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung bekannt. Die Lagereinrichtung ist dort als Wälzlager ausgebildet und umfasst einen Lageraußenring, der in einen durch das Lenkungsgehäuse gebildeten Lagersitz eingesetzt und in dem Lagersitz axial fixiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche sich bei einer Kraftfahrzeuglenkung der oben genannten Art etwaige für deren Betriebszuverlässigkeit relevante Ereignisse zuverlässig erfassen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung umfasst demgemäß ein Lenkungsgehäuse, eine Lenkstange, die in dem Lenkungsgehäuse axial verlagerbar aufgenommen ist und einen Spindelabschnitt aufweist, eine Kugelgewindemutter, die im Zusammenspiel mit dem Spindelabschnitt einen Kugelgewindetrieb bildet und eine Lagereinrichtung zur Lagerung der Kugelgewindemutter. Die Lagereinrichtung ist in dem Lenkungsgehäuse axial derart festgelegt, dass bei Erreichen eines Lastgrenzwertes einer an der Lenkstange angreifenden Kraft sich die Axialposition der Lagereinrichtung in dem Lagergehäuse ändert. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Einwirkung einer oberhalb eines konstruktiv festlegbaren Grenzwertes liegenden Missbrauchslast auf die Kraftfahrzeuglenkung zur Veränderung eines mechanischen Parameters des elektromechanischen Stelltriebes heranzuziehen und damit einhergehend dieses Ereignis sensorisch zu detektieren. Die Detektion der Missbrauchslast kann damit auch in einem der übermäßigen Belastung nachfolgenden Zeitraum erfolgen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lagereinrichtung als Wälzlager ausgebildet, das einen Lageraußenring umfasst. Dieser Lageraußenring sitzt entweder mit einem definierten Presssitz oder auch einer Übergangspassung in dem Lenkungsgehäuse und ist dort unter Bildung eines Festlagers axial festgelegt. Die Festlegung kann beispielsweise durch einen Gewindering oder einen Federring, insbesondere Innen-Sicherungsring erfolgen. Die gegebenenfalls zwischen dem Lageraußenring und dem Lenkungsgehäuse reibschlüssig wirkenden axialen Haltekräfte werden bei der Dimensionierung der Anordnung berücksichtigt.

Der Lageraußenring kann in besonders vorteilhafter Weise über eine Deformationsstruktur in dem Lagergehäuse axial abgestützt sein. Hierbei ist es möglich, über die Geometrie und die Werkstoffeigenschaften der Deformationsstruktur die bis zum Eintritt der Deformation derselben erforderliche Stützkraft konstruktiv in einem engen Toleranzbereich abzustimmen. Die Deformationsstruktur kann durch eine spezielle, die Axialposition des Lageraußenringes bestimmende Anlagegeometrie des Lagersitzes im Lenkungsgehäuse gebildet werden. Hierbei kann die Deformationsstruktur insbesondere in Form einer in Axialrichtung der Lenkstange ausbauchenden und dabei eine Stirnfläche des Lageraußenringes kontaktierende Wellentektur realisiert sein. Diese Bauform ist kostengünstig herstellbar und erfordert keine zusätzlichen Bauteile, auf deren fachgerechten Verbau im Rahmen der Montage der Kraftfahrzeuglenkung zu achten wäre.

Alternativ zu der oben genannten Bauform, nach welcher die Deformationsstruktur integral mit dem Lenkungsgehäuse realisiert ist, oder auch in Kombination mit dieser Bauform, kann die Deformationsstruktur durch ein Einsatzelement gebildet werden, über welches sich der Lageraußenring an dem Lenkungsgehäuse abstützt.

Durch die Erfindung wird es möglich, die axiale Verlagerung des Lageraußenringes als Folgeerscheinung eines Überlastereignisses zur Fehlerdetektion heranzuziehen. Es ist möglich, hierzu Sensoren bereitzustellen, die darauf ausgerichtet sind, die Position des Lageraußenringes relativ zu dem Lenkungsgehäuse zu erfassen oder eine axiale Wanderung des Lageraußenringes zu detektieren. Es ist jedoch auch möglich, die axiale Wanderung des Lageraußenringes nach Eintritt eines Überlastereignisses zu detektieren, indem eine Veränderung der Gesamteinstellung der Kraftfahrzeuglenkung erfasst wird. So kann insbesondere die Detektion der axialen Wanderung des Festlagers des Kugelgewindetriebs in Verbindung mit einer hiermit einhergehenden Abweichung des Stellzustands der Lenkstange gegenüber einer Referenzposition eines Elementes des Kugelgewindetriebes erfolgen. Die Referenzposition kann dabei insbesondere aus einer Drehposition der Kugelgewindemutter oder des diese antreibenden Stelltriebs bezogen werden.

Die Deformationsstruktur kann in vorteilhafter Weise so ausgelegt werden, dass deren Stauchungsgrad vom Ausmaß der Überschreitung der Grenzlast abhängt. Hiermit kann das Ausmaß der Lastüberschreitung erkannt werden. Es nimmt hierbei die Winkelabweichung der Stellung der Kugelgewindemutter gegenüber der Axialposition der Lenkstange mit dem Stauchungsgrad der Deformationsstruktur zu. Der Stauchungsgrad wiederum nimmt mit dem Ausmaß der Grenzlastüberschreitung zu. Die Deformationscharakteristik, d.h. das Verhältnis der Stauchung zur angreifenden Kraft, der Deformationsstruktur kann einen konstruktiv vorgegebenen Verlauf aufweisen und beispielsweise über einen bestimmten Stauchbereich im Wesentlichen linear ausgelegt sein. Im Bereich des beispielsweise letzten Drittels des Stauchwegs kann die Deformationscharakteristik so abgestimmt sein, dass sich bei der Stauchung überproportional ansteigende Stützkräfte ergeben.

Die Deformationsstruktur ist insgesamt vorzugsweise derart ausgelegt, dass auch in maximal gestauchtem Zustand die Funktionsfähigkeit des Kugelgewindetriebs erhalten bleibt.

Die Detektion der Verlagerung des Lageraußenringes stellt erfindungsgemäß ein Ereignis dar, das zur Hinterlegung eines Eintrags in einem Fehlerspeicher herangezogen wird.

Bei Elektrofahrzeugen werden Wartungs- und Kontrollintervalle gegenüber Fahrzeugen konventioneller Bauart deutlich verlängert. Es kann sichergestellt werden, dass etwaige an der Lenkung angreifende Überlastereignisse zuverlässig detektiert werden können. Ferner können Missbrauchslasten dazu herangezogen werden, in dem Lenksystem eine mechanische Änderung herbeizuführen, bei welcher die Lenkfähigkeit weiterhin gegeben ist, jedoch die Überbelastung zuverlässig detektiert werden kann.

Nach dem erfindungsgemäßen Konzept erfolgt die Befestigung des Hauptlagersitzes derart, dass sich das Lenkungsgehäuse oder ein in dieses speziell eingesetztes Deformationselement bei Überlast plastisch verformt. Hierbei kann eine das Hauptlager axial stützende Kontaktstruktur derart gestaltet sein, dass bei Überschreiten einer Grenzlast die Dehngrenze des Werkstoffes des Lenkungsgehäuses oder des entsprechenden

Deformationselementes ebenfalls überschritten wird und eine plastische Deformation erfolgt.

Durch diese Verformungsarbeit wird Energie von z.B. einem Schlagereignis (“Impact“) z.B. in Form eines Abrutschens eines gelenkten Fahrzeugrades von einer Bordsteinkante verringert und es ergibt sich damit eine Schutzwirkung für Bauteile der Lenkung, insbesondere dem Kugelgewindetrieb. Nach dieser Missbrauchslast ist der Lageraußenring axial verlagert.

Dieser Zustand führt dazu, dass der Lenkwinkel nicht mehr mit dem Winkel des Servomotors korreliert. Es ist damit möglich, eine Fehleranzeige zu aktivieren und einen Servicetermin für eine Inspektion zu vereinbaren.

Missbrauchslasten im Lenksystem werden zunächst mechanisch erfasst. Diese mechanische Detektion erfolgt vorzugsweise durch Bereitstellung von Strukturen, welche sich bei Eintritt eines Überlastereignisses deformieren. Diese Deformation oder die sich hieraus ergebenden Veränderung der Systemeinstellung kann sensorisch erfasst und zur Anzeige gebracht werden. Die Erkennung der Deformation hierzu ausgelegter Strukturen bei Überlast kann insbesondere durch Bewertung des sich ergebenden Lenkwinkels gegenüber dem Motorwinkel im Stelltrieb erfolgen.

Soweit das Lenkungsgehäuse als Gussbauteil gefertigt ist, kann die Deformationsstruktur formtechnisch, beispielsweise in Verbindung mit einem Schieber im Formwerkzeug realisiert werden. Hiermit kann insbesondere eine axial-wellige oder axial anderweitig alternierende Anlagefläche für den Lageraußenring des Hauptlagers des Kugelgewindetriebs realisiert werden. Ferner kann damit nach Abänderung des Formwerkzeuges im Folgenden im Wesentlichen kostenneutral realisiert werden.

Alternativ zur der Realisierung der bei Überlast axial nachgiebigen Abstützung des Hauptlagers des Kugelgewindetriebs durch eine spezielle Formgebung des Lagersitzes im Lenkungsgehäuse ist es auch möglich, zumindest einen axial stauchbaren Ring in den axialen Kraftübertragungsweg zwischen Lenkungsgehäuse und Lageraußenring einzubringen. Es ist möglich, zwei derartige Ringelemente zur axialen Festlegung des Lageraußenringes heranzuziehen, so dass Überlastereignisse sowohl als Druck- sowie auch in Form von Zuglasten an der Lenkstange zu definierten Deformationen der Ringelemente und damit veränderten Axialpositionen des Hauptlagers führen. Die Erfindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für den Einsatz in Lenksystemen für Fahrzeuge, die zumindest temporär autonom betreibbar sind. Durch die Erfindung können im Rahmen des autonomen Betriebs auftretende Überlastereignisse zuverlässig detektiert werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 eine Schemadarstellung, zur Veranschaulichung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkeinrichtung mit einem Kugelgewindetrieb bei welchem sich die axiale Positionierung eines Hauptlagers einer Kugelgewindemutter bei Einwirkung eines Überlastereignisses derart detektierbar verändert, dass dieses Überlastereignis zeitlich nachfolgend sensorisch feststellbar ist;

Figuren 2a, 2b, 2c

Darstellungen zur Veranschaulichung der im Zusammenspiel mit dem Lenkungsgehäuse und einer Fixiermutter realisierten Deformationsstruktur;

Figuren 3a, 3b, 3c

Darstellungen zur Veranschaulichung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Deformationsstruktur;

Figur 4 eine Skizze zur Veranschaulichung einer als plastisch axial stauchbarer Wellenring realisierten Deformationsstruktur;

Figur 5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer als plastisch axial stauchbare Ringpackung realisierten Deformationsstruktur;

Figur 6 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Variante bei welcher ein Lageraußenring in einem Sitzring aufgenommen ist und innerhalb dieses Sitzringes bei Überschreiten einer Grenzlast gegen axial beidseitig stützende Deformationsstrukturen verlagerbar ist.

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung, welche sich insbesondere für Personenkraftwagen und leichte Nutzkraftfahrzeuge eignet. Wie Figur 1 zeigt, umfasst die erfindungsgemäße elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung ein Lenkungsgehäuse 1, eine Lenkstange 2, die in dem Lenkungsgehäuse 1 axial verlagerbar aufgenommen ist und einen Spindelabschnitt 3 aufweist, eine Kugelgewindemutter 4, die im Zusammenspiel mit dem Spindelabschnitt 3 einen Kugelgewindetrieb bildet und eine Lagereinrichtung 5 zur Lagerung der Kugelgewindemutter 4.

Diese Kraftfahrzeuglenkung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagereinrichtung 5 in dem Lenkungsgehäuse 1 axial derart festgelegt ist, dass bei Erreichen eines Lastgrenzwertes einer an der Lenkstange 2 angreifenden Kraft sich die Axialposition der Lagereinrichtung 5 in dem Lenkungsgehäuse 1 kontrolliert ändert.

Die Lagereinrichtung 5 ist hier beispielhaft als Wälzlager ausgebildet und umfasst einen Lageraußenring 6 sowie ferner einen nicht näher dargestellten Lagerinnenring und zwischen diesen angeordnete Wälzkörper.

Dieser Lageraußenring 6 ist über eine nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 2a bis 2c noch weiter veranschaulichte Deformationsstruktur 7 in dem Lenkungsgehäuse 1 axial abgestützt.

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Deformationsstruktur 7 durch das Lenkungsgehäuse 1 gebildet. Hierzu ist die Deformationsstruktur 7 in Form einer in Axialrichtung der Lenkstange 3 ausbauchenden Wellentektur integral mit dem Lenkungsgehäuse 1 realisiert.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verlagerung des Lageraußenringes 6 in dem Lenkungsgehäuse 1 detektiert. Diese Detektion erfolgt in Verbindung mit einer ermittelten Abweichung des Stellzustands der Lenkstange 2 gegenüber einer Referenzposition eines Elementes eines Stelltriebes 8, welcher die Kugelgewindemutter 4 umfasst. So wird hier insbesondere eine Drehposition der Kugelgewindemutter 4 oder des diese antreibenden Stelltriebs 8 im Zusammenspiel mit der Position der Lenkstange 2 bewertet. Bei der erfindungsgemäßen elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung stellt die Detektion der Verlagerung des Lageraußenringes 5 ein Ereignis dar, das zur Hinterlegung eines Eintrags in einen Fehlerspeicher herangezogen wird.

Die hier dargestellte elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung ist für den Einsatz in einem zumindest temporär autonom betreibbaren Kraftfahrzeug vorgesehen.

Sie kann weiterhin einen Zahnstangentrieb umfassen, der eine Lenkritzelwelle 9 aufweist, welche mit einem außenverzahnten Ritzel in einen verzahnten Abschnitt 10 der Lenkstange 2 eingreift.

Die hier in Nebeneinanderstellung zur Kraftfahrzeuglenkung separat dargestellte Lenkstange 2 ist verkleinert dargestellt. An die einander gegenüberliegenden Endabschnitte der Lenkstange 2 können Lenker 11, 12 angebunden werden, die über Lenkschenkelbolzen 13, 14 an hier nicht weiter dargestellte Lenkschenkel einer Radaufhängung ankoppelbar sind.

Der elektromechanische Stelltrieb 8 ist so ausgelegt, dass dieser im Regelbetrieb eines Kraftfahrzeuges eine Lenkhilfsfunktion bietet. Hierzu wird das an der Lenkritzelwelle 9 anliegende Drehmoment erfasst und darauf basierend der elektromechanische Stelltrieb 8 aktiviert, so dass dieser eine Lenkhilfsfunktion bietet. Der Stelltrieb 8 kann auch durch eine hier nicht weiter dargestellte Steuereinrichtung derart angesteuert werden, so dass ein entsprechendes Kraftfahrzeug autonom gelenkt werden kann.

Bei Einwirkung eines Überlastereignisses, das zu einer über einem Grenzwert liegenden Krafteinwirkung auf die Lenkstange 2 führt, ergibt sich eine gewollt zugelassene, gezielte Dislokation eines mechanischen Elementes des elektromechanischen Stelltriebes 8. Aus dieser Dislokation ergibt sich eine Veränderung der Grundeinstellung der Kraftfahrzeuglenkung. Diese Veränderung ist beispielsweise mittels eines oder mehrerer Sensoren detektierbar.

Das Beispiel nach Figur 2a zeigt vereinfacht eine durch das Lenkungsgehäuse 1 gebildete Stirnfläche 15, die als Anlagefläche für einen Lageraußenring 6 fungiert. Diese Stirnfläche ist in ihrem Verlauf um die Zentralachse X als wellig axial alternierende Ringfläche ausgebildet. Sie umfasst somit „Bergsegmente“ 15a und „Talsegmente“ 15b. Durch die Abstimmung der strukturmechanischen Eigenschaften dieser Wellengeometrie ist es möglich, die durch diese bewirkte axiale Abstützung eines Lageraußenringes 6 so zu bewerkstelligen, dass bei Überlast eine gezielte Dislokation des Lageraußenringes 6 in dem Lenkungsgehäuse 1 eintritt. Anhand dieser gezielten Dislokation kann eine Lastüberschreitung erkannt werden, anhand des Ausmaßes der gezielten Dislokation kann zudem die Lastüberschreitung bewertet werden.

Wie aus der Darstellung nach Figur 2b ersichtlich, ist der Lageraußenring 6 der Lagereinrichtung 5 der Kugelgewindemutter 4 (vgl. Fig.1) in dem Lenkungsgehäuse 1 axial fixiert. Diese Fixierung erfolgt in Verbindung mit einer Ringmutter 16. Sowohl an dem Lenkungsgehäuse 1 als auch an der Ringmutter 16 sind Deformationsstrukturen 7, 17 ausgebildet. Diese werden bei entsprechender axialer Belastung des Lageraußenringes 6 deformiert und der Lageraußenring 6 wandert entsprechend in seinem Lagersitz in dem Lenkungsgehäuse 1. Während die Darstellung nach Figur 2b die Anordnung in einer die Bergsegmente 15a erfassenden Schnittebene AA zeigt, veranschaulicht die Darstellung nach Figur 2c die Anordnung in einer die Talsegmente 15b erfassenden Schnittebene BB.

Die Figuren 3a, 3b und 3c veranschaulichen stark vereinfacht alternative Gestaltungen der Deformationsstruktur 7, an welcher sich der Lageraußenring 6 axial abstützt. Die Auslegung dieser Deformationsstruktur 7 erfolgt unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften des Lenkungsgehäuses 1 und der sich aus der Geometrie der Deformationsstruktur 7 ergebenden Eigenschaften.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Deformationsstruktur 7 durch ein Ringelement gebildet ist, das als plastisch stauchbarer Wellenring ausgeführt ist. Dieser Wellenring sitzt in einem Zwischenbereich zwischen dem Lenkungsgehäuse 1 und dem Lageraußenring 6 und stützt den Lageraußenring 6 axial an dem Lenkungsgehäuse 1 ab.

Für die Darstellung nach Figur 5 gelten die Ausführungen zu Figur 4 sinngemäß. Die Deformationsstruktur 7 ist bei dieser Variante durch eine Ringstruktur gebildet, die sich aus zwei axial stauchbar zusammengefügten Ringelementen zusammensetzt.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Deformationsstrukturen 7, 17 durch ein Ringelement 18 bereitgestellt sind, in welchem der Lageraußenring 6 aufgenommen ist. Dieses Ringelement 18 ist über die Ringmutter 16 in dem Lenkungsgehäuse 1 fixiert.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung kann wie folgt beschrieben werden: Im Rahmen des Betriebs eines autonom betreibbaren Kraftfahrzeuges kommt es durch Überfahren eines Hindernisses zu einer temporären Überbelastung der Fahrzeuglenkung. Diese Überbelastung bewirkt an der Lenkstange 2 angreifende Reaktionskräfte, die einen konstruktiv vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Damit einhergehend wird die Kugelgewindemutter 4 des elektromechanischen Stelltriebs 8 der Kraftfahrzeuglenkung mit einer Axialkraft belastet. Diese Axial kraft wird von einer Lagerung der Kugelgewindemutter 4 über die Deformationsstruktur 7 in das Lenkungsgehäuse 1 abgetragen. Hierbei wird die Deformationsstruktur 7 plastisch gestaucht und der Lageraußenring 6 der Lagereinrichtung 5 wandert axial in dem Lenkungsgehäuse 1. Diese Dislokation des Lageraußenringes 6 in dem Lenkungsgehäuse 1 kann erfasst werden anhand einer Veränderung von Winkellagen bestimmter Elemente des Stelltriebes 8 gegenüber hiermit korrelierenden Positionen der Lenkstange 2 oder der Radlenkwinkel.

Diese Veränderung kann als Fehlerereignis in einem Fehlerspeicher abgelegt und ansonsten dem Anwender zur Anzeige gebracht werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele, Varianten und Abwandlungen näher erläutert. Diese dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele, Varianten und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.

Bezugszeichenliste

Lenkungsgehäuse

Lenkstange

Spindelabschnitt

Kugelgewindemutter

Lagereinrichtung

Lageraußenring

Deformationsstruktur

Stelltrieb

Lenkwelle

Verzahnter Abschnitt

Lenker

Lenker

Lenkschenkelbolzen

Lenkschenkelbolzen a Bergabschnitt b Talabschnitt

Ringmutter

(zweite) Deformationsstruktur

Ringelement