Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine um eine Längsachse in einem Lenksäulengehäuse drehbar gelagerte Lenkwelle und einen Umdrehungsbegrenzer.

Derartige Systeme werden besonders bei Steer-by-Wire Lenksystemen eingesetzt.

Steer-by-Wire Lenksäulen zeichnen sich dadurch aus, dass keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern existiert. Um die Lenkradrotation jedoch auch ohne mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern zu begrenzen, ist es erforderlich, dass ein Anschlag in Rotationsrichtung vorgesehen ist, der die Rotation des Lenkrades begrenzt. Dabei ist es üblich, dass mehr als eine Umdrehung des Lenkrads erforderlich ist um von Anschlag zu Anschlag zu lenken.

Aus der DE 103 12 516 A1 ist eine Lenksäule mit

Umdrehungsbegrenzung bekannt, wobei zwei Scheiben mit jeweils einer Spiralbahn versehen sind und zwischen den Spiralbahnen eine Kugel angeordnet ist. Die Kugel verlagert sich bei der Lenkwellenrotation in den Spiralbahnen. Diese bekannte Lösung hat den Nachteil einer hohen

Toleranzanfälligkeit, denn Toleranzen führen dazu, dass die Kugeln in den Spiralbahnen klappern und sich verklemmen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenksäule mit Umdrehungsbegrenzer anzugeben, die einen sicheren Betrieb gewährleistet und eine geringe Klapperneigung aufweist. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 .

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen

beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Lenksäule weist der Umdrehungsbegrenzer eine Anschlagscheibe auf, die drehmomentschlüssig mit der Lenkwelle verbunden ist, wobei die Anschlagscheibe mindestens eine sich in

Umfangsrichtung erstreckende Ausnehmung aufweist und die Lenkwelle mit einem Hubgetriebe gekoppelt ist, durch welches ein in Richtung der Längsachse verschiebbar und in Umfangsrichtung unverschiebbar gelagerter Anschlagstift in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Lenkwelle mit einer der Ausnehmungen in oder außer Eingriff bringbar ist, so dass der Anschlagstift bei Erreichen des zulässigen Drehwinkels der Lenkwelle an einer in Umfangsrichtung liegenden Begrenzung einer Ausnehmung anschlägt und eine weitere Drehung in derselben Drehrichtung verhindert. Bevorzugt ist die Lenksäule für Steer-by-Wire Lenksystem vorgesehen.

Bevorzugt kann die Anschlagscheibe zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausnehmung aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass der Anschlagstift über den größten Bereich des zulässigen Drehwinkels der Lenkwelle außer Eingriff mit der Ausnehmung ist, so dass er mit den Begrenzungen der Ausnehmung nicht in Berührung kommt. Dadurch wird einerseits ein verschleißarmer und über lange Zeiträume sicherer Betrieb gewährleistet und andererseits verhindert, dass im Bereich der im Fahrbetrieb üblichen Lenkwinkel Klappgeräusche in Folge einer Berührung zwischen dem Anschlagstift und den Begrenzungen der Ausnehmungen auftreten können. Der Begriff„Ausnehmung" umfasst im Rahmen dieser Erfindung sowohl Durchbrüche der Anschlagscheibe als auch in Umfangsrichtung

verlaufende Nuten der Anschlagscheibe, in die der Anschlagstift eingreifen und an deren in Umfangsrichtung liegenden Enden der Anschlagstift anschlagen kann, um eine weitere Drehung der Lenkwelle in derselben Drehrichtung zu verhindern. Dabei muss die Anschlagscheibe nicht kreisförmig sein. Insbesondere können die Ausnehmungen auch in Form fehlender Scheibensegmente ausgestaltet sein, so dass die

Anschlagscheibe beispielsweise einem Propeller ähnelt. Der Begriff„Anschlagstift" umfasst im Rahmen dieser Erfindung nicht allein einfache Stifte oder Bolzen, sondern vielmehr auch Haken, Klinken und alle denkbaren Ausführungsformen, die geeignet sind, mit der erfindungsgemäßen Anschlagscheibe zusammenzuwirken, um deren Drehung zu blockieren. Mit Vorteil ist der Anschlagstift und das Hubgetriebe innerhalb eines Lenksäulengehäuses angeordnet. Ein solches Lenksäulengehäuse ist ohnehin vorhanden und kann deshalb auf einfache Weise

erfindungsgemäß modifiziert werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der

Anschlagstift in einer mit dem Lenksäulengehäuse starr verbundenen

Hülse oder in einer Bohrung des Lenksäulengehäuses axial verschiebbar gelagert ist. Diese Maßnahme ist mit einfachen Mitteln ausführbar und gewährleistet eine sichere Gleitlagerung des Anschlagstiftes.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das

Hubgetriebe ein Zahnrad auf, welches mit einer Hubkulisse für die

Verschiebung des Anschlagstiftes versehen ist. Bei der Hubkulisse handelt es sich um eine mit dem Zahnrad verbundene Scheibe, die in radialer Richtung über den Umfang des Zahnrades hinaus ragt und so ausgeformt ist, dass ihr radial äußerer Rand eine Wellenform aufweist, die in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Zahnrades in Axialrichtung

unterschiedliche Positionen einnimmt. Die Wellenform des äußeren Randes umfasst zumindest eine Vertiefung zwischen zwei Erhöhungen, die in Richtung der Längsachse ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Wellenform eine Kulissenbahn, die im radialen äußeren Bereich des Zahnrades in der axialen Stirnfläche des Zahnrades ausgebildet ist. Wenn die mit dem Hubgetriebe gekoppelte Lenkwelle gedreht wird, dreht sich das Zahnrad und die Hubkulisse mit, wobei die Hubkulisse je nach

Position ihres radial äußeren Randes in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Zahnrades den Anschlagstift in Axialrichtung verschiebt.

Das Hubgetriebe kann aber auch in linearer Bauform, beispielsweise in Form einer Zahnstange, die mit einer linearen Hubkulisse verbunden ist, ausgestaltet sein. Mit Vorteil ist der Anschlagstift mit einer umlaufenden Nut versehen, in die Hubkulisse eingreift. Dadurch kann der Anschlagstift mit hoher Präzision sowohl in den axialen Bereich der Ausnehmungen der Anschlagscheibe hinein als auch in Gegenrichtung heraus bewegt werden.

Um ein sicheres Eingreifen des Anschlagstiftes in die jeweilige

Ausnehmung der Anschlagscheibe zu gewährleisten, beträgt der Hub des Anschlagstiftes mit Vorteil mehr als 2 mm, vorzugsweise sogar mehr als 3 mm. Bevorzugt ist der Hub kleiner als 20mm. Besonders bevorzugt kleiner als 10mm. Ein größerer Hub als 20mm ist nachteilig für die Auslegung der Kulissengeometrie, da dieser eine hohe Steigung benötigt um den Stift über einen kleinen Winkel in und außer Eingriff zu bringen und somit ein Verkannten des Hubgetriebes begünstigt ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung steht das Zahnrad mit einem Ritzel in Eingriff, wobei das Ritzel mit der Lenkwelle drehmomentschlüssig verbunden ist. Auf diese Weise kann mit

einfachsten Mitteln ein Untersetzungsgetriebe realisiert werden, wobei das Untersetzungsverhältnis zwischen Ritzel und Zahnrad mit Vorteil zwischen 2:1 und 4:1 beträgt, vorzugsweise 3:1 . Diese Maßnahme gewährleistet, dass das Lenkrad von Anschlag zu Anschlag zwischen zwei und vier Umdrehungen, also aus seiner Mittelstellung zwischen einer und zwei Umdrehungen in jede Drehrichtung ausführen kann. Vorzugsweise beträgt das Untersetzungsverhältnis 3:1 , so dass das Lenkrad zwischen den beiden Endanschlägen etwa drei Umdrehungen, also aus der

Mittelstellung in jede Drehrichtung etwa 1 ,5 Umdrehungen machen kann, bevor es an einen der erfindungsgemäßen Drehbegrenzer anschlägt.

Die Erfindung kann mit Vorteil noch verbessert werden, indem das

Zahnrad mit der Hubkulisse und der Anschlagstift in einem abnehmbarem Deckelteil des Lenksäulengehäuses gelagert sind. Dieses Deckelteil deckt das dem Lenkrad abgewandte Ende des Lenksäulengehäuses ab, in dem auch die Lenkwelle endet. An diesem Ende der Lenkwelle kann auf einfache Weise das Ritzel für den Antrieb des Hubgetriebes angeordnet sein. Lagert man das Zahnrad exzentrisch zur Drehachse der Lenkwelle im genannten Deckelteil, so kommt das Zahnrad durch das Aufsetzen des Deckelteils auf das Lenksäulengehäuse mit dem Ritzel in Eingriff. Wenn auf der Lenkwelle direkt hinter dem Ritzel die erfindungsgemäße

Anschlagscheibe angeordnet ist, kann auch der im benachbarten

Deckelteil angeordnete Anschlagstift auf einfache Weise in Eingriff mit den Ausnehmungen der Anschlagscheibe gebracht werden, sobald das Deckelteil mit dem Lenksäulengehäuse verbunden ist.

Mit Vorteil sind die Ausnehmungen der Anschlagscheibe als zwei

Langlöcher ausgestaltet, die sich in Umfangsrichtung der Anschlagscheibe über einen Winkelbereich von jeweils 90° bis 160° erstrecken. Dieser Winkelbereich stellt sicher, dass der Anschlagstift aus seiner herausgezogenen Stellung während der Drehung der Anschlagscheibe vollkonnnnen in das vorbeifahrende jeweilige Langloch eingeschoben werden kann, bevor er an die Begrenzung am Ende des Langlochs anschlägt.

Ein Ausführungsbeispiel Erfindung wird nachfolgend anhand der

Zeichnungen näher erläutert.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

Figur 1 : eine Prinzipdarstellung eines Steer-by-Wire Lenksystems;

Figur 2: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Lenksäule mit Umdrehungsbegrenzer;

Figur 3: eine Teilansicht der Lenksäule von Figur 2 in einer teilweise auseinander gezogenen Darstellung;

Figur 3a: Explosionsdarstellung des Umdrehungsbegrenzers;

Figur 4: eine Draufsicht auf die wesentlichen Bauteile des

Umdrehungsbegrenzers;

Figur 5 eine Seitenansicht der wesentlichen Bauteile des

Umdrehungsbegrenzers;

Figur 6: eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Bauteile des

Umdrehungsbegrenzers in einer ersten Bewegungsphase mit Anschlagstift außer Eingriff;

Figur 7: wie Figur 6 in einer zweiten Bewegungsphase mit dem

Anschlagstift außer Eingriff;

Figur 8: wie Figur 6 in einer dritten Bewegungsphase mit dem

Anschlagstift in Eingriff. Figur 1 zeigt ein Steer-by-Wire Lenksystem 1 für ein Kraftfahrzeug mit einer Lenksäule 2 und einer Lenkbetätigung 3. Die Lenksäule 2 umfasst eine Lenkwelle 4, die an einem Ende ein Lenkrad 5 trägt und die zum größten Teil in einem Lenksäulengehäuse 6 angeordnet ist, in welchem ein nicht gezeigter Drehgeber für die elektronische Ansteuerung der elektrischen Lenkbetätigung 3 untergebracht ist. Weiterhin ist im

Lenksäulengehäuse 6 ein sogenannter Handmomentensteller

untergebracht, der den Fahrer eine Rückmeldung über die Fahrsituation in Form eines in die Lenkwelle 4 eingetragenen Drehmoments gibt. Über ein Verbindungskabel 7 ist die Lenksäule 2 mit der Lenkbetätigung 3 verbunden. Diese umfasst ein Lenkbetätigergehäuse 8 mit einem

Lenkmotor 9, der ein Ritzel 10 antreibt, welches seinerseits in Eingriff mit einer Zahnstange 1 1 steht, die auf zwei Spurstangen 12 einwirkt, mit denen die Fahrzeugräder 13 verschwenkt werden können. Im

Lenkbetätigergehäuse 8 ist ein nicht gezeigter Drehmomentaufnehmer untergebracht, der das für die Verschwenkung der Fahrzeugräder 13 erforderliche Drehmoment misst und als Rückmeldung für den Fahrer an die Lenksäule 2 weiterleitet. Figur 2 zeigt einen wesentlichen Teil der Lenksäule 2 mit dem

Lenksäulengehäuse 6, in dem die Lenkwelle 4 drehbar gelagert ist. Das Lenksäulengehäuse 6 ist verschwenkbar an einer Trageinheit 61 gehalten, wobei die Trageinheit 61 mit einem Fahrzeug verbindbar ist. Die

Lenksäule 2 umfasst ein inneres Mantelteil 15, in welchem die Lenkwelle 4 drehbar gelagert ist, wobei das innere Mantelteil 15 gegenüber einem äußeren Mantelteil 16 in Richtung der Längsachse L , auch als

Axialrichtung 17 bezeichnet, verschoben werden kann. Zur Fixierung des inneren Mantelteils 15 im äußeren Mantelteil 16 ist eine

Zuspannvorrichtung 18 vorgesehen, die das mit einem Schlitz 19 versehene äußere Mantelteil 16 zusammenspannt so dass das innere Mantelteil 15 im äußeren Mantelteil 16 festgeklemmt ist. Zum Spannen und Lösen der Zuspannvorrichtung 18 ist ein Bedienungshebel 20 vorgesehen. Das Lenksäulengehäuse 6 hat einen dem Lenkrad 5 abgewandten Endabschnitt 21 , in welchem der erfindungsgemäße

Umdrehungsbegrenzer 22 untergebracht ist.

Wie der Umdrehungsbegrenzer 22 im Endabschnitt 21 angeordnet ist, zeigt Figur 3. Eine Anschlagscheibe 23 sitzt direkt auf der Lenkwelle 4 und ist im Bereich des Endabschnitts der Lenkwelle 4 drehmomentschlüssig mit dieser verbunden. Die Anschlagscheibe 23 weist zwei in

Umfangsrichtung verlaufende, als Langlöcher ausgebildete

Ausnehmungen 24, 25 auf. Des Weiteren ist am Ende der Lenkwelle 4 ein Ritzel 27 angeordnet, welches mit der Lenkwelle 4 drehmomentschlüssig verbunden ist. Das Ritzel 27 ist mit einem exzentrisch im

Lenksäulengehäuse 6 gelagerten Zahnrad 28 in Eingriff, welches zusammen mit dem Ritzel 27 ein Untersetzungsgetriebe 26 bildet. Das Untersetzungsverhältnis beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 3:1 , es kann aber mit Vorteil auch im Bereich zwischen 2:1 und 4:1 liegen.

Das Zahnrad 28 ist mit einer Hubkulisse 29 drehmomentschlüssig verbunden. Die Hubkulisse 29 umfasst eine Scheibe, deren Durchmesser größer ist als das Zahnrad 28, so dass sie in radialer Richtung über den Außenumfang des Zahnrades 28 hinaus ragt. Bevorzugt ist das Zahnrad 28 und die Hubkulisse 29 ein einstückiges integrales Bauteil. Die

Hubkulisse 29 ist an ihrem umfangsmäßig äußeren Randbereich in Axialrichtung 17, d.h. in Richtung der Längsachse L, gesehen

wellenförmig gebogen. Der äußere Randbereich der Hubkulisse 29 ist in Eingriff mit einem Anschlagstift 30, der mittels einer Hülse 36 im

Lenksäulengehäuse 6 in Axialichtung 17 verschiebbar, in

Umfangsrichtung aber unverschiebbar gelagert ist. Der Anschlagstift 30 ist mit einer umlaufenden Nut 31 versehen, in welche die Hubkulisse 29 eingreift.

Wie in Figur 3 und Figur 3a besonders gut zu erkennen ist, ist das

Zahnrad 28 mit Hubkulisse 29 als auch der Anschlagstift 30 in einem abnehmbarem Deckelteil 35 des Lenksäulengehäuses 6 gelagert. Das Zahnrad 28 ist in einer verschließbaren Öffnung 350 des Deckelteils 35 angeordnet, wobei das Zahnrad 28 auf einem Achszapfen 351 drehbar gelagert ist, wobei ein Deckel 400 die Öffnung 350 verschließt. Durch den Deckel 400 ist das Zahnrad 28 gegen eine Verschiebung in Richtung der Längsachse L, d.h. gegen eine Verschiebung auf dem Achszapfen 351 , gesichert. Die Öffnung 350 ist durch einen Wandung 354, die sich in Axialrichtung 17 erstreckt, begrenzt. Das Deckelteil 35 umfasst eine Erhebung 352, die radial außen neben der Wandung 354 ausgebildet ist und eine Aufnahmeöffnung 355 bildet, in der das Ritzel 27 angeordnet ist. Zwischen der Erhebung 352 und dem Rand 354 existiert ein radialer

Durchbruch 356, wodurch die Öffnung 350 und die Aufnahmeöffnung 355 des Ritzels 27 miteinander verbunden sind, so dass das Ritzel 27 und das Zahnrad 28 in Eingriff sind. Die Wandung 354 umfasst einen

Aufnahmeabschnitt 353, in dem der Anschlagstift 30 verschiebbar gehalten ist. Dadurch wird die exzentrische Anordnung von Zahnrad 28, Hubkulisse 29 und Anschlagstift 30 auf einfache Weise möglich.

Dreht der Fahrer am Lenkrad 5, so treibt die mit dem Lenkrad 5

verbundene Lenkwelle 4 das Ritzel 27 und das Zahnrad 28 an. Der in Eingriff mit der Hubkulisse 29 stehende Anschlagstift 30 folgt in

Axialrichtung 17 der axialen Position des äußeren Randes der Hubkulisse 29. Der äußere Rand der Hubkulisse 29 ist über den größten Teil des Umfangs in einer axialen Position, bei der der Anschlagstift 30 im Abstand a zur Anschlagscheibe 23 gehalten wird. Nur in einem kleinen

Umfangsbereich ist der äußere Rand der Hubkulisse 29 axial in Richtung der Anschlagscheibe 23 geformt, wodurch sich auch der Anschlagstift 30 auf die Anschlagscheibe 23 zu bewegt, bis an einer Stelle 32 des

Umfangsbereichs eine Position erreicht ist, bei der der Anschlagstift 30 in eine der beiden als Langlöcher ausgebildeten Ausnehmungen 24, 25 der Anschlagscheibe 23 eingreift. Diese Situation ist in Figur 8 dargestellt. Wenn der Fahrer jetzt versuchen sollte, das Lenkrad 5 im Uhrzeigersinn CW weiter zu drehen, kommt eine Begrenzung 33 des Langlochs 25 in Berührung mit dem Anschlagstift 30, der eine weitere Drehung der

Lenkwelle 4 verhindert. Während des beschriebenen Vorgangs beträgt der maximale Hub 37 des Anschlagstiftes 30 etwa 3 mm. Der maximale Hub 37 ist mindestens doppelt so groß wie der Abstand a. Dadurch kann ein sicherer Eingriff des Anschlagstiftes 30 in die Ausnehmungen 24, 25 gewährleistet werden.

Dreht der Fahrer jetzt das Lenkrad 5 im Gegenuhrzeigersinn CCW, so hat sich nach etwa einer halben Umdrehung der Lenkwelle 4 das Zahnrad 28 mit der Hubkulisse 29 um etwa 1/6 Umdrehung, also um ca. 60° verdreht, so dass die Stelle 32 des Umfangsbereichs der Hubkulisse 29 die in Figur 7 gezeigte Stellung einnimmt. An der Position des Anschlagstifts 30 befindet sich jetzt der größere Umfangsbereich der Hubkulisse 29, der einen größeren Abstand von der Anschlagscheibe 23 in Axialrichtung 17 aufweist. Dadurch wurde der Anschlagstift 30 in Axialrichtung 17 verschoben und außer Eingriff mit der Anschlagscheibe 23 gebracht. In dieser Position bleibt der Anschlagstift 30 auch dann noch, wenn das Lenkrad 5 und die Lenkwelle 4 weitere zwei Umdrehungen im

Gegenuhrzeigersinn machen.

Die Drehrichtungen Uhrzeigersinn CW und Gegenuhrzeigersinn CCW beziehen sich immer auf die Drehrichtung des Lenkrades 5 aus der Perspektive des Fahrzeugführers. Erst bei einer weiteren halben Umdrehung der Lenkwelle 4 nähert sich die Stelle 32 des Umfangsbereichs der Hubkulisse 29 wieder an die Position des Anschlagstiftes 30 an, wobei sich der Anschlagstift 30 in Axialrichtung 17 auf die Anschlagscheibe 23 zu bewegt. Dort taucht er in das Langloch 24 ein und kommt somit in Eingriff mit der Anschlagscheibe 23. Sobald eine Begrenzung 34 des Langlochs 24 mit dem Anschlagstift 30 in

Berührung kommt, wird die Drehung der Lenkwelle 4 in

Gegenuhrzeigersinn CCW gestoppt.

Somit bildet die Begrenzung 34 einen linken Anschlag für die

Drehbewegung des Lenkrads 5 und der Lenkwelle 4 und die Begrenzung 33 des Langlochs 25 bildet einen rechten Anschlag für die Drehbewegung, wobei zwischen den beiden Anschlägen nahezu 3 Umdrehungen des Lenkrads 5 und der Lenkwelle 4 möglich sind.

Ermöglicht wird dies durch das Zusammenwirken des Zahnrads 28 mit der Hubkulisse 29 und dem Anschlagstift 30, die zusammen ein Hubgetriebe 28, 29, 30 bilden.

Das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes 26 bestimmt dabei, wie viele Umdrehungen des Lenkrads 5 zwischen den beiden Drehanschlägen möglich sind. Weiterhin wird der zwischen den beiden Endanschlägen mögliche Drehwinkel des Lenkrads 5 auch durch die Ausdehnung der Langlöcher 24, 25 in Umfangsrichtung der

Anschlagscheibe 23 bestimmt.

Um einen zuverlässigen Eingriff des Anschlagstifts 30 in die Langlöcher 24, 25 der Anschlagscheibe 23 zu gewährleisten, muss die Hubkulisse 29 so ausgeformt sein, dass der Hub 37 des Anschlagstifts 30 in

Axialrichtung 17 mindestens 2 mm, besser noch mehr als 3 mm beträgt. Die erfindungsgemäße Ausführungsform eines Umdrehungsbegrenzers zeichnet sich durch einen geräuscharmen Betrieb aus und erlaubt größere Fertigungstoleranzen ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 . Steer-by-Wire Lenksystem

2. Lenksäule

3. Lenkbetätigung

4. Lenkwelle

5. Lenkrad

6. Lenksäulengehäuse

7. Verbindungskabel

8. Lenkbetätigergehäuse

9. Lenkmotor

10. Ritzel

1 1 . Zahnstange

12. Spurstange

13. Fahrzeuggrad

14. Spannvorrichtung

15. inneres Mantelteil

16. äußeres Mantelteil

17. Axialrichtung

18. Zuspannvorrichtung

19. Schlitz

20. Bedienhebel

21 . Endabschnitt

22. Umdrehungsbegrenzer

23. Anschlagscheibe

24. Ausnehmung / Langloch

25. Ausnehmung / Langloch

26. Untersetzungsgetriebe

27. Ritzel

28. Zahnrad

29. Hubkulisse

30. Anschlagstift

31 . Nut

32. Stelle des Umfangsbereichs

33. Begrenzung

34. Begrenzung

35. Deckelteil

36. Hülse

37. Hub