DE19508708A1 - Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis, das das Verhältnis eines Lenkwinkels lenkbarer Fahrzeugräder zu einem Lenkwinkel des Lenkrads oder das Lenkwinkelverhältnis ändern kann.

Kraftfahrzeuglenkvorrichtungen umfassen typischerweise einen Zahnstangenritzelmechanismus, wie er in Fig. 8 dargestellt ist. Ein Lenkrad 1 ist an einem Oberende einer Lenkwelle 2 befestigt, und ein Unterende der Lenkwelle 2 ist durch ein Paar von Uni­ versalgelenken 3 mit einer Koppelwelle 4 verbunden. Ein Ritzel 5 ist an einem Unterende der Koppelwelle 4 befestigt und kämmt mit einer Zahnstange 6, die durch Spurstangen 7 und Achsschenkel 8 mit Fahrzeugrädern 9 verbunden ist. Hierdurch wird die Drehbewegung (β) des Ritzels 5 in eine Linearbewegung (L) der mit dem Ritzel kämmenden Zahnstange 6 gewandelt, die wiederum durch die Spurstangen 7 und die Achsschenkel 8 in eine Lenkbewegung (T) der Fahrzeugräder 9 gewandelt wird.

Bei diesen herkömmlichen Lenkvorrichtungen ändert sich der Lenkwinkel T der Fahrzeugräder 9 im wesentlichen linear mit dem Drehwinkel (α) des Lenkrads 1. Im Hinblick auf die Handhabung des Fahrzeugs soll der Drehwinkel des Lenkrads 1 zum Erhalt eines maximalen Lenkwinkels der Fahrzeugräder 9 eher klein sein. Insbesondere wenn die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel des Lenkrads und dem Lenkwinkel der Fahrzeugräder so festgelegt ist, wie es in Fig. 9 mit der strichpunktierten Linie (v) gezeigt ist, ist der erforderliche Drehwinkel des Lenkrads 1 reduziert, und das Fahrzeug läßt sich in einem Niedergeschwindigkeitsbereich günstig handhaben, aber die Fahrzeugreaktion (Gierrate, Querbeschleunigung und Rollbewegung) kann im Hochgeschwindigkeitsbereich derart übermäßig sein, daß die Fahrzeughandhabung in dem Hochgeschwindig­ keitsbereich nicht akzeptabel sein könnte. Dies bedeutet, daß irgendeine feste lineare Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrads und dem Lenkwinkel der Fahrzeugräder nicht in jedem Geschwindigkeitsbereich zufriedenstellend sein kann.

Aufgrund dieser Betrachtungen ist die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrads und dem Lenkwinkel der Fahrzeugräder normalerweise auf einen Kompromiß zwischen den erwünschten Fahrzeugreaktionen in den Hoch- und Niedergeschwindigkeits­ bereichen eingestellt, typischerweise derart, daß sich ein maximaler Lenkwinkel durch Drehen des Lenkrads um 1,5 Umdrehungen oder um 540° von einer Neutralstellung in beide Richtungen erzielen läßt, wie in dem Graph von Fig. 9 mit der dünnen geraden Linie (w) gezeigt.

Der Graph von Fig. 10 zeigt im Konzept die Änderungen des maximalen praktischen Lenkwinkels mit der Fahrgeschwindigkeit. Die dünne Kurve (x) zeigt den maximalen praktischen Lenkwinkel für das herkömmliche Lenksystem. Wenn die Fahrgeschwindigkeit extrem niedrig ist, läßt sich das Lenkrad bis 1,5 Umdrehungen drehen. Jedoch muß in einem Hochgeschwindigkeitsbereich der Lenkwinkel extrem klein gehalten werden, um das Fahrzeug in stabiler Weise bedienen zu können. Im Idealfall ist es erwünscht, im Nieder­ geschwindigkeitsbereich den maximalen praktischen Lenkradwinkel auf ein geringes Maß zu reduzieren, und ihn in einem Hochge­ schwindigkeitsbereich zu erhöhen, wie in Fig. 10 mit der fetten Kurve (y) gezeigt. Dies läßt sich erreichen durch Reduktion des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Lenkrad und den Fahr­ zeugrädern (β/α) im Niedergeschwindigkeitsbereich und dessen Erhöhung im Hochgeschwindigkeitsbereich.

Das Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis, das in der am 7. Februar 1994 angemeldeten und gleichzeitig anhängigen US- Patentanmeldung Nr. 08/192,577 vorgeschlagen ist, sollte dieses Ziel erreichen. Wie in Fig. 11 gezeigt, umfaßt das in dieser US-Anmeldung vorgeschlagene System eine Eingangswelle 101, die mit dem Lenkrad verbunden ist und durch ein zweifaches Radiallager 102 von einem im wesentlichen zylindrischen Tragelement 103 drehbar gehalten ist, das wiederum von einem Gehäuse 106 durch mit dem Tragelement 103 einstückige Tragzapfen 104 und 105 gleitver­ schieblich gehalten ist. Eine mit einer Ausgangswelle 107 einstückige exzentrische Welle 108 ist mit der Eingangswelle 101 durch eine Gleitkupplung 109 gekoppelt. Die Ausgangswelle 107 ist mit einem Ritzel 5 gekoppelt, das wiederum zur Übertragung eines Lenkdrehmoments auf die Fahrzeugräder mit einer Zahnstange 6 kämmt. Bei diesem Lenksystem läßt sich durch Bewegen des Trag­ elements 103 orthogonal zu der Eingangswelle 101 und Ändern der Exzentrizität zwischen der Eingangswelle 101 und der Ausgangswelle 107 das Lenkwinkelverhältnis stufenlos ändern.

Wenn jedoch bei dieser Struktur die mechanische Festigkeit der Kraftübertragungselemente des Lenksystems nicht ausreicht und/oder die Fertigungspräzision nicht ausreicht, könnte das Lenkwinkel­ verhältnis durch die Höhe der Lenkbelastung beeinflußt sein und es könnte in dem Lenksystem ein nicht hinnehmbares Spiel entstehen. Ferner könnte der Vorgang der Änderung des Lenkübersetzungs­ verhältnisses schwergängig sein, wenn die Fertigungspräzision nicht besonders hoch ist.

Insbesondere, weil das bisher vorgeschlagene Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis ein relativ kleines Lenküber­ setzungsverhältnis mit sich bringt, im Vergleich zu dem herkömm­ lichen Lenksystem mit dem Kompromiß zwischen den Erfordernissen von Hoch- und Niedergeschwindigkeitsbereichen, muß man die Festigkeit erhöhen und dafür sorgen, daß der Übersetzungsverhält­ nisänderungsmechanismus insgesamt leichtgängiger arbeitet. Weil jedoch die Tragzapfen 104 und 105 mit dem Gehäuse 106 in Gleitein­ griff stehen, ist es schwierig, eine ausreichende Präzision der Abmessungen einzuhalten, um eine hohe Tragfestigkeit zu erzielen und damit der Übersetzungsverhältnisänderungsmechanismus leicht­ gängig arbeiten kann.

Ein weiteres Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis ist in der am 4. Februar 1994 eingereichten, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/191,659 vorgeschlagen. Der Inhalt dieser gleichzeitig anhängigen Anmeldungen wird hierin unter Bezugnahme aufgenommen.

In Hinblick auf die Probleme der bisher vorgeschlagenen Lenk­ systeme mit variablem Lenkwinkelverhältnis ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Lenksystem vorzuschlagen, mit dem man mit geringstmöglicher Mühe einen großen Lenkwinkel erzielen kann und mit dem das Fahrzeug im Hochgeschwindigkeitsbereich mit einer besonders einfachen Struktur in stabiler Weise bedient werden kann.

Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, ein Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis anzugeben, dessen Drehmoment übertragende Teile frei von Spiel sind.

Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, ein Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis anzugeben, das ohne wesentliche Schwierigkeiten mit hoher Präzision herstellbar ist.

Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, ein Lenksystem mit variablem Übersetzungsverhältnis anzugeben, dessen Drehmoment übertragende Teile eine hohe Gesamtfestigkeit haben.

Ein fünftes Ziel der Erfindung ist es, ein Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis anzugeben, das sehr leichtgängig arbeiten kann.

Diese und andere Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch ein Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis für ein Fahrzeug, das ein Verhältnis eines Lenkwinkels lenkbarer Fahrzeugräder zu einem Lenkwinkel eines Lenkrads ändern kann, umfassend: ein Gehäuse; ein Tragelement, das in dem Gehäuse um eine erste Axiallinie drehend gehaltert ist; eine erste Welle, die von dem Tragelement um eine zu der ersten Axiallinie parallele und von dieser versetzte zweite Axiallinie drehend gehaltert ist; eine zweite Welle, die von dem Gehäuse um eine zu den ersten und zweiten Axiallinien parallele dritte Axiallinie drehend gehaltert ist; ein Ritzel, das mit einer der ersten und zweiten Wellen zur Kraftübertragung verbunden und zum Kämmen mit einer mit den lenkbaren Rädern funktionsmäßig verbundenen Zahnstange ausgeführt ist; ein Betätigungsmittel zum Drehen des Tragelements um die erste Axiallinie herum, um eine relative Exzentrizität zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zu ändern; ein Kupplungs­ mittel zur Übertragung einer Winkelbewegung der ersten Welle zu der zweiten Welle durch einen von der dritten Axiallinie ver­ setzten Wirkpunkt der zweiten Welle; und ein Eingabemittel zum Anlegen eines Lenkeingangs an die andere der ersten und zweiten Wellen.

Typischerweise dient die erste Welle als eine Eingangswelle zum Anlegen eines Lenkeingangs, während die zweite Welle als eine Ausgangswelle dient, die einstückig mit einem Ritzel versehen ist. Wenn die erste Welle als eine Ausgangswelle verwendet wird, könnte eine geeignete Kupplung, wie etwa eine Oldham-Kupplung, zwischen der Ausgangswelle und dem Ritzel erforderlich sein, um die Querbewegung der Ausgangswelle aufzunehmen, wenn das Tragelement gedreht und die Exzentrizität zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle geändert wird.

In jedem Fall kann die Exzentrizität zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle stufenlos geändert werden, indem das Tragelement unter Verwendung des Betätigungsmittels gedreht wird. Wenn die Eingangswelle und die Ausgangswelle zueinander ex­ zentrisch sind oder wenn ihre Axiallinien voneinander versetzt sind, ändert sich der Abstand zwischen dem Wirkpunkt und der zweiten Axiallinie in Abhängigkeit sowohl von der Exzentrizität als auch der Amplitude des Eingangswinkels, obwohl der Abstand zwischen dem Wirkpunkt und der dritten Axiallinie fest ist. Durch geeignetes Festlegen der relativen Beziehungen zwischen den Axiallinien und einem Drehbereich des Tragelements ist es möglich, eine erwünschte nicht-lineare Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Eingagswelle und dem Drehwinkel der Ausgangswelle zu erzielen.

Wenn bei kleinem Drehwinkel der Eingangswelle das Verhältnis eines Drehwinkels der Ausgangswelle zu dem der Eingangswelle klein ist und mit zunehmendem Drehwinkel der Eingangswelle progressiv größer wird, lassen sich besonders günstige Lenkeigenschaften erzielen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfaßt das Kupplungsmittel ein Schiebestück, das an einem der zweiten Welle gegenüberliegenden Ende der ersten Welle vorgesehen ist und in eine zu der zweiten Axiallinie orthogonalen Richtung beweglich ist, und ein Schwenkmittel zum schwenkbaren koppeln des Schiebe­ stücks mit dem Wirkpunkt der zweiten Welle. Bevorzugt ist die zweite Welle mit einer Zwischenwelle versehen, die einstückig von einem der ersten Welle gegenüberliegenden Ende der zweiten Welle parallel zu und von der dritten Axiallinie versetzt vorsteht, und das Schiebestück ist mit einem Loch zur schwenkbaren Aufnahme der Zwischenwelle versehen. Somit sind alle bewegenden Teile drehende Elemente und können spiel frei und hochfest gehaltert sein, beispielsweise unter Verwendung von Wälzlagern, wie etwa Kugel­ lagern und Nadellagern.

Typischerweise umfaßt das Betätigungsmittel einen in dem Gehäuse angebrachten Elektromotor, eine an einer Ausgangswelle des Motors befestigte Schnecke und ein Sektorrad, das mit dem Tragelement einstückig gebildet ist und mit der Schnecke derart kämmt, daß die Eingang- zu Ausgangseigenschaften des Lenksystems entsprechend der Fahrgeschwindigkeit automatisch und optimal korrigiert werden können.

Um den Zusammenbau des erfindungsgemäßen Lenksystems zu verein­ fachen, umfaßt bevorzugt das Gehäuse wenigstens eine erste Gehäusehälfte, die die Eingangswelle drehbar trägt, und eine zweite Gehäusehälfte, die die Ausgangswelle drehbar trägt, wobei die beiden Gehäusehälften in einer Ebene miteinander verbunden sind, die im wesentlichen orthogonal zu den Axiallinien und durch das Kupplungsmittel verläuft.

Wenn die relativen Beziehungen zwischen den Axiallinien und einem drehbaren Bereich des Tragelements derart festgelegt werden können, daß die zweite Axiallinie und die dritte Axiallinie nach Wunsch miteinander fluchten, und ein 1 : 1-Winkelverhältnis zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle erreicht werden kann, kann man eine lineare Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangs­ wellen erreichen, und dies ist in einem Niedergeschwindigkeits­ bereich besonders erwünscht, weil der Fahrzeugfahrer den Lenk­ winkel der Fahrzeugräder entsprechend dem Drehwinkel des Lenkrads genau und komfortabel vorhersagen kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenschnittansicht eine erste erfindungs­ gemäße Ausführung eines Lenksystems mit variablem Lenkwinkel­ verhältnis;

Fig. 2 zeigt eine Explosionsperspektivansicht von wesentlichen, Drehmoment übertragenden Teilen des Lenksystems;

Fig. 3 zeigt eine Schnittdraufsicht entlang einer Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Arbeitsprinzips;

Fig. 5 zeigt in einem Graph die Beziehungen zwischen dem Drehwinkel der Eingangswelle und dem der Ausgangswelle bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten;

Fig. 6 zeigt in einer Fig. 1 ähnlichen Ansicht eine zweite erfindungsgemäße Ausführung;

Fig. 7 zeigt in einer Fig. 1 ähnlichen Ansicht eine dritte erfindungsgemäße Ausführung;

Fig. 8 zeigt schematisch eine Gesamtstruktur eines Fahrzeuglenk­ systems;

Fig. 9 zeigt in einem Graph verschiedene mögliche Beziehungen zwischen dem Lenkradwinkel und dem Zahnstangenhub;

Fig. 10 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem maximalen praktischen Lenkradwinkel und der Fahrgeschwindigkeit; und

Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines Lenksystems mit variablem Lenkwinkelverhältnis, wie es in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung offenbart ist.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Lenksystems. Dieses Lenksystem dient zur Anbringung in dem in Fig. 8 mit V bezeichneten Teil, und umfaßt eine Eingangswelle 11, die mit dem Lenkrad 1 (in Fig. 1 nicht gezeigt) verbunden ist, und ein Tragelement 14, das von einem oberen Gehäuse 13a durch ein Kugellager 12 drehend gehalten ist. Das Tragelement 14 trägt an einer exzentrischen Stelle durch ein Paar von Kugellagern 15 frei drehbar die Eingangswelle 11. Ein Unterende der Eingangswelle 11, das in einem unteren Gehäuse 13b aufgenommen ist, ist einstückig mit einem Kupplungselement 16 versehen, das eine divergierende Kanalform aufweist. Dieses Kupplungselement 16 hat von einer Seite her gesehen die Form des Buchstabens C und bildet an seinen beiden Seiten ein Paar geneigter, ebener Innenoberflächen 23.

Die Ausgangswelle 17 ist einstückig mit einem Ritzel 5 versehen, das mit einer Zahnstange 6 kämmt, um die Drehbewegung der Ausgangswelle 17 in eine Linearbewegung der Zahnstange 6 zu wandeln, und ist von dem unteren Gehäuse 13b durch ein Paar von Kugellagern 18a und 18b drehend gehaltert. Das Oberende der in dem unteren Gehäuse 13b aufgenommenen Ausgangswelle 17 ist ferner mit einer Zwischenwelle 19 versehen, die von dem Oberende der Ausgangswelle 17 exzentrisch absteht und parallel zu der Ausgangs­ welle 17 verläuft.

Die Zwischenwelle 19 und das mit der Eingangswelle 11 einstückige Kupplungselement 16 sind durch ein Schiebestück 21 miteinander gekoppelt, das ein Paar ebener Nadellager 20 und ein Kegelrollen­ lager 22 enthält. Das Schiebestück 21 hat die Form eines Kastens mit einem offenen Boden, und die Seitenwände divergieren nach unten. Die Nadellager 20 sind an den Außenoberflächen eines Paars entgegengesetzter Seitenwände des Schiebestücks 21 angeordnet, und diese Seitenwände verlaufen parallel zu den geneigten inneren Seitenwandoberflächen 23 des Kupplungselements 16.

Somit ist das Schiebestück 21, das das Paar planarer Nadellager 20 enthält, in der Ausnehmung aufgenommen, die zwischen den geneigten, ebenen Innenflächen 23 des Kupplungselements 16 gebildet ist, so daß es in einer zu der Axiallinie der Eingangs­ welle 11 orthogonalen Richtung frei gleiten kann. Ein Mittelteil der oberen Wand des Schiebestücks 21 ist mit einer Öffnung versehen, die durch das Kegelrollenlager 22 die Zwischenwelle aufnimmt, so daß sie relativ zueinander frei drehbar sind.

Ein flexibles rohrförmiges Dichtelement S ist zwischen die Eingangswelle 11 und die obere Gehäuse 13a eingesetzt, um das Innere des Gehäuses luftdicht abzudichten, während es eine Querbewegung der Eingangswelle 11 relativ zu dem Gehäuse 13 aufnimmt, die aufgrund der Exzentrizität der Eingangswelle 11 relativ zu der Ausgangswelle 17 entsteht.

Eine Einstellschraube 24 ist in ein Axialloch eingeschraubt, das das Bodenende des unteren Gehäuses 13b durchsetzt, und ergreift die untere Endfläche der äußeren Laufbahn des Kugellagers 18b, das das untere Ende der Ausgangswelle 17 trägt. Durch geeignetes Schrauben der Einstellschraube 24 in und aus dem unteren Gehäuse 13b läßt sich das Ritzel 5 in geeigneter Weise axial vorspannen, um die Eingangswelle 11 zu der Ausgangswelle 17 in geeigneter Weise vorzuspannen, die durch die oben beschriebene Kupplungs­ anordnung miteinander gekoppelt sind. Mit Hilfe der Einstell­ schraube 24 kann daher das Spiel der Kupplungsanordnung beseitigt werden, die aus dem Kupplungselement 16, den Nadellagern 20 und dem Schiebestück 21 besteht, und die gesamte mechanische Festig­ keit der Drehmoment übertragenden Teile des Lenksystems kann erhöht werden.

Wie am besten in Fig. 3 zu sehen, ist ein Teil des Außenumfangs des Tragelements 14 einstückig mit einem Sektorrad 25 versehen, und eine Schnecke 28, die durch eine Untersetzungsgetriebeeinheit 26 durch einen Motor 27 drehend betätigt ist, kämmt mit diesem Sektorrad 25 derart, daß das Tragelement 14 nach Bedarf in einem bestimmten Winkelbereich gedreht werden kann. Diese Schnecke 28 ist von dem oberen Gehäuse 13a durch ein spielbeseitigendes Element 29 gehaltert, das aus einem exzentrischen Nocken besteht. Durch Einsetzen eines Sechskantschlüssels in ein Sechskantloch 30, das in einem Endabschnitt des spielbeseitigenden Elements 29 vorgesehen ist, und durch dessen Drehung relativ zu dem oberen Gehäuse 13a kann die Axialmitte der Schnecke 28 seitlich bewegt werden, und das Spiel in dem kämmenden Eingriff zwischen der Schnecke 28 und dem Sektorrad 25 kann nach Wunsch eingestellt werden. Das spielentfernende Element 29 kann man durch Entfernen einer in eine Öffnung des oberen Gehäuses 13a eingesetzte Kappe aus Gummi oder Kunstharz freilegen, so daß man zu diesem Sechs­ kantloch 30 Zugang erhält. Zur Aufnahme dieser hierdurch ver­ ursachten geringen Bewegung der Axialmitte der Schnecke 28 sind die Schnecke 28 und die Untersetzungsgetriebeeinheit 26 durch eine Oldham-Kupplung 31 miteinander verbunden.

Das obere Gehäuse 13a ist mit einem Verschiebesensor 33 versehen, der aus einem Differentialwandler oder dergleichen besteht, um den Drehwinkel des Tragelements 14 durch Eingriff eines Stifts 32, der von einer oberen Fläche des Tragelements 14 vorsteht, zu erfassen. Ein Fahrgeschwindigkeitssensor 34 ist an einer geeigneten Stelle an dem Fahrzeugkörper vorgesehen, um die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu erfassen.

In diesem Lenksystem wird der von dem Verschiebesensor 33 erfaßte Drehwinkel des Tragelements 14 oder die Exzentrizität der von dem Tragelement 14 gehaltenen Eingangswelle 11 relativ zu der von dem festen Gehäuse 13 gehaltenen Ausgangswelle 17 sowie eine von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 34 erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit einer Steuereinheit 35 zugeführt, die den Betrieb des Motors 27 rückkoppelnd regelt, um die Abweichung der von dem Verschiebe­ sensor 33 erfaßten Ist-Exzentrizität von der für jede gegebene Fahrgeschwindigkeit berechneten Soll-Exzentrizität zu beseitigen.

Nachfolgend wird der Betrieb des Lenksystems beschrieben.

Zu den Fig. 2 und 3. Wenn das Tragelement 14 gedreht wird, bewirkt die Exzentrizität des Tragelements 14 relativ zu der Eingangswelle 11, daß sich die Axialmitte der Eingangswelle 1 über den mit A0-A2 bezeichneten Bereich bewegt. Durch geeignetes Ändern der Exzentrizität "a" zwischen der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 17 wird hierdurch eine bestimmte Differenz in der Beziehung zwischen den Drehwinkeln der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 17 erzeugt. Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.

Durch stufenloses Ändern der Exzentrizität "a" der Axialmitte der Eingangswelle 11 relativ zu der Axialmitte der Ausgangswelle 17 gemäß Fig. 5 über den Bereich von a2-a0 (a2 < a1 < a0 = 0) ist es möglich, das Verhältnis (β/α) des Drehwinkels der Ausgangswelle (Ausgangswinkel = β) zu dem Drehwinkel der Eingangswelle 11 (Eingangswelle = α) oder das praktische Lenkübersetzungsverhältnis stufenlos zu ändern.

Die Beziehung zwischen dem Eingangswinkel und dem Ausgangswinkel wird näher anhand Fig. 4 beschrieben, in der "A" die Drehmitte der Eingangswelle 11 bezeichnet, "B" die Drehmitte der Ausgangs­ welle 17 bezeichnet, "C" den Wirkpunkt zwischen der Eingangswelle 11 und der Zwischenwelle 19 bezeichnet, "b" den Abstand zwischen "B" und "C" bezeichnet, "a" die Exzentrizität zwischen der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 17 bezeichnet, "α " den Drehwinkel (Lenkradwinkel) der Eingangswelle 11 bezeichnet und "β" den Drehwinkel (Ritzelwinkel) der Ausgangswelle 17 bezeichnet.

Angenommen, daß der Wirkpunkt zwischen der Eingangswelle 11 und der Zwischenwelle 19 bei Punkt P liegt, wenn die Eingangswelle 11 um einen Winkel α gedreht ist. Weil

AP · sinα = b · sinβ und AP · cosα + a = b · cosβ,
b · sinβ/sinα = (b · cosβ - a) · cosα.

Somit ist

tanα = b · sinβ/(b · cosβ - a)

oder

α = tan^-1 {b · sinβ/(b · cosβ - a)}.

Wenn somit die Eingangswelle 11 um den Punkt "A" mit dem Winkel α gedreht wird, dreht sich die Zwischenwelle 19 um die Ausgangs­ welle 17 oder einen Punkt "B" mit dem Winkel β nach Art einer Kurbelwelle durch das Schiebestück 21 und das Kupplungselement 16. Wie aus Fig. 4 leicht ersichtlich, wenn der Eingangswinkel auf α1 erhöht wird und der Ausgangswinkel β dementsprechend auf β1 erhöht wird, bewegt sich der Wirkpunkt zu einem Punkt Q, und die Zunahme des Ausgangswinkels für ein gegebenes Inkrement des Eingangswinkels erhöht sich, wie nachfolgend im näheren Detail beschrieben.

Wenn nun die Axialmitte der Eingangswelle 11 durch entsprechendes Drehen des Tragelements 14 an dem Punkt A0 angeordnet ist und die Punkte A und B miteinander in Übereinstimmung gebracht werden oder die Eingangswelle 11 und die Ausgangswelle 17 miteinander in Flucht gebracht werden, drehen sie mit dem gleichen Winkel, als wenn sie einstückig miteinander gekoppelt wären. Diese Beziehung ist in Fig. 5 mit der strichpunktierten Linie a0 gezeigt.

Wenn durch geeignetes Drehen des Tragelements 14 die Axialmitte der Eingangswelle 11 an einem Zwischenpunkt angeordnet wird und die Punkte A und B so angeordnet sind, wie in Fig. 4 gezeigt (allgemeiner Fall), ändert sich der Ausgangswinkel β mit dem Eingangswinkel α, wie in Fig. 5 mit der fetten Linie a1 gezeigt. Insbesondere ist die Änderung des Ausgangswinkels β für jedes gegebene Inkrement des Eingangswinkels α in einem Niederge­ schwindigkeitsbereich relativ klein und wird mit zunehmendem Eingangswinkel α progressiv größer.

Wenn die Fahrgeschwindigkeit zunimmt und das Tragelement 14 weitergedreht wird und die Exzentrizität a zwischen der Eingangs­ welle 11 und der Ausgangswelle 17 (oder der Abstand zwischen A und B) maximiert ist, wird diese Tendenz weiter verstärkt, wie in Fig. 5 mit der dünnen Linie A2 gezeigt.

Somit läßt sich in einem Niedergeschwindigkeitsbereich eine scharfe Lenkeigenschaft erhalten, indem der Hub L der Zahnstange 6 für ein gegebenes Inkrement des Lenkwinkels des Lenkrads erhöht wird, und in einem Hochgeschwindigkeitsbereich läßt sich eine stabile Eigenschaft erhalten, indem der Zahnstangenhub für ein gegebenes Inkrement des Lenkwinkels des Lenkrads reduziert wird. Somit ist bei einer gegebenen Fahrgeschwindigkeit (außer im Bereich extrem niedriger Geschwindigkeit), die Zunahme des Ausgangswinkels für ein gebenenes Inkrement des Eingangswinkels klein, wenn der Eingangswinkel klein ist, nimmt aber progressiv zu, wenn der Eingangswinkel zunimmt. Kurz gesagt, erfindungsgemäß kann die Beziehung zwischen dem Lenkradwinkel und der Fahr­ geschwindigkeit flach gemacht werden, wie in Fig. 9 mit der fetten Kurve gezeigt.

Eine zweite Ausführung des Lenksystems wird anhand Fig. 6 beschrieben, in der der vorigen Ausführung entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dieser Ausführung ist die Eingangswelle 11 an dem Tragelement 14 durch ein Paar von Axialnadellagern 36 und ein Radialnadellager 37 schwenkbar angebracht, und das untere Ende der Ausgangswelle 17 ist an dem unteren Gehäuse 13b durch ein Axialnadellager 38 und ein Radial­ nadellager 39 schwenkbar angebracht, während das Oberende der Ausgangswelle 17 von dem unteren Gehäuse 13b durch ein Radial­ kugellager 18a drehend gehaltert ist.

Wegen der Verwendung der Nadellager für die Radiallager und die Axiallager kann in dieser Ausführung der Außendurchmesser der Lageranordnung reduziert werden. Bekanntermaßen können Nadellager die mechanische Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Stabilität verbessern, weil die als rollende Elemente dienenden Nadeln so ausgebildet sind, daß sie einen Linienkontakt mit benachbarten Elementen bilden, im Gegensatz zu Kugelelementen, die einen Punktkontakt mit benachbarten Elementen bilden.

Eine dritte Ausführung des Lenksystems wird anhand Fig. 7 beschrieben, in der den vorigen Ausführungen entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dieser Ausführung sind die Eingangswelle 11 und das Tragelement 14 durch Schräg­ rollenlager 40 und 41 gehaltert, die sowohl radiale als auch axiale Lasten aufnehmen können. In diesen Lagern sind die Rollen derart angeordnet, daß sie abwechselnd zueinander orthogonal orientiert sind, und hierdurch ist es möglich, sowohl die Radial­ als auch Longitundinalabmessungen zu reduzieren. Für Fahrzeuge mit begrenztem Raum über dem Ritzel sind allgemein Zahnstangen- und Ritzellenkgetriebevorrichtungen bevorzugt, und diese Ausführung ist zur Anwendung an solchen Zahnstangen- und Ritzellenkgetriebe­ vorrichtungen besonders vorteilhaft.

Somit läßt sich eine erwünschte nicht-lineare Beziehung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle und in allen Geschwindig­ keitsbereichen ein optimales Lenkübersetzungsverhältnis erzielen. Hierdurch ist es möglich, die Handhabung des Fahrzeugs, z. B. beim Einparken des Fahrzeugs in einen engen Raum zu verbessern und das Fahrzeug in einem Niedergeschwindigkeitsbereich mit geringst­ möglicher Mühe zu lenken, und in einem Hochgeschwindigkeitsbereich die Stabilität des Fahrzeugs zu verbessern.

Ferner läßt sich dies mit einer besonders einfachen Struktur erzielen. Insbesondere weil das Tragelement von dem Gehäuse drehend gehaltert ist und die anderen Elemente zur Übertragung des Lenkdrehmoments alle drehbar gehalten sind, ist es möglich, die Präzision zu verbessern und unerwünschtes Spiel zu beseitigen. Ferner kann die gesamte mechanische Stabilität, mechanische Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Drehmoment übertragenden Elemente verbessert werden.

In einem Lenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis ist die Eingangswelle 11 von einem Tragelement 14 drehend gehalten, das wiederum von einem Gehäuse 13a, 13b drehend gehalten ist. Die Axiallinien dieser zwei Teile verlaufen zueinander parallel und sind voneinander versetzt. Während der Wirkpunkt zwischen der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 17 relativ zu der Ausgangs­ welle 17 fest ist, ändert sich der Abstand zwischen dem Wirkpunkt und der Axialmittellinie der Eingangswelle 11 in Abhängigkeit sowohl von der Winkelstellung des Tragelements 14 als auch der Amplitude des Eingangswinkels. Durch geeignetes Bestimmen der relativen Beziehungen zwischen den Axiallinien der Eingangs- und Ausgangswellen 11, 17 und eines Drehbereichs des Tragelements 14 läßt sich somit eine erwünschte nicht-lineare Beziehung zwischen den Drehwinkeln der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 17 erzielen. Hierdurch ist es möglich, die Handhabung des Fahrzeugs beispielsweise beim Parken des Fahrzeugs in einen engen Raum zu verbessern und in einem Niedergeschwindigkeitsbereich das Fahrzeug mit geringstmöglicher Mühe zu lenken, und in einem Hochge­ schwindigkeitsbereich die Stabilität des Fahrzeugs zu verbessern. Ferner läßt sich dies mit einer besonders einfachen und spiel­ freien Struktur erzielen.

Claims (9)

1. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis, das ein Verhältnis eines Lenkwinkels lenkbarer Räder (9) zu einem Lenkwinkel eines Lenkrads (1) ändern kann, umfassend:
ein Gehäuse (13a, 13b);
ein Tragelement (14), das in dem Gehäuse (13a, 13b) um eine erste Axiallinie drehend gehaltert ist;
eine erste Welle (11), die von dem Tragelement (14) um eine zu der ersten Axiallinie parallele und von dieser versetzte zweite Axiallinie (A) drehend gehaltert ist;
eine zweite Welle (17), die von dem Gehäuse (13a, 13b) um eine zu den ersten und zweiten Axiallinien parallele dritte Axiallinie (B) drehend gehaltert ist;
ein Ritzel (5), das mit einer (17) der ersten und zweiten Wellen zur Kraftübertragung verbunden und zum Kämmen mit einer mit den lenkbaren Rädern (9) funktionsmäßig verbundenen Zahnstange (6) ausgeführt ist;
ein Betätigungsmittel (25, 26, 27, 28) zum Drehen des Tragelements (14) um die erste Axiallinie herum, um eine relative Exzentrizität (a) zwischen der ersten Welle (11) und der zweiten Welle (17) zu ändern;
ein Kupplungsmittel (16, 19, 20, 21, 22) zur Übertragung einer Winkelbewegung der ersten Welle (11) zu der zweiten Welle (17) durch einen von der dritten Axiallinie (B) versetzten Wirkpunkt (C, P, Q) der zweiten Welle (17); und
ein Eingabemittel (1) zum Anlegen eines Lenkeingangs an die andere (11) der ersten und zweiten Wellen.

2. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsmittel ein Schiebestück (21), das an einem der zweiten Welle (17) gegenüberliegenden Ende der ersten Welle (11) vorgesehen und in eine zu der zweiten Axiallinie (A) orthogonalen Richtung beweglich ist, und ein Schwenk­ mittel (19, 22) zur schwenkbaren Kupplung des Schiebestücks (21) mit dem Wirkpunkt (C, P, Q) der zweiten Welle (17) umfaßt.

3. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (17) mit einer Zwischenwelle (19) versehen ist, die einstückig von einem der ersten Welle (11) gegenüberliegenden Ende der zweiten Welle (17) parallel zu und von der dritten Axiallinie (B) versetzt vorsteht, und daß das Schiebestück (21) mit einem Loch zur schwenkbaren Aufnahme der Zwischenwelle (19) versehen ist.

4. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13a, 13b) wenigstens eine erste Gehäuse­ hälfte (13a), die die erste Welle (11) drehend trägt, und eine zweite Gehäusehälfte (13b), die die zweite Welle drehend trägt, umfaßt, wobei die zwei Gehäusehälften (13a, 13b) in einer Ebene miteinander verbunden sind, die im wesentlichen orthogonal zu den Axiallinien (A, B) und durch das Kupplungs­ mittel (16, 19, 21, 22) verläuft.

5. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß relative Beziehungen zwischen den Axiallinien (A, B) und einem Drehbereich (A0 . . . A2) des Tragelements (14) derart bestimmt sind, daß ein Verhältnis eines Drehwinkels (β) der zweiten Welle (17) zu dem Drehwinkel (α) der ersten Welle (11) klein sein kann, wenn der Drehwinkel (α) der ersten Welle (11) klein ist, und progressiv zunehmen kann, wenn der Drehwinkel (α) der ersten Welle (11) zunimmt.

6. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß relative Beziehungen zwischen den Axiallinien (A, B) und einem Drehbereich (A0 . . . A2) des Tragelements (14) derart bestimmt sind, daß die zweite Axiallinie (A) bei Bedarf mit der dritten Axiallinie (B) fluchten kann und ein 1 : 1-Winkel­ verhältnis und eine lineare Beziehung zwischen der ersten Welle (11) und der zweiten Welle (17) erzielt werden kann.

7. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner gekennzeichnet durch einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (34) und eine Steuer­ einheit (35), die das Betätigungsmittel (25, 26, 27, 28) derart steuert, daß eine Differenz des Verhältnisses zwischen einem kleinen Drehwinkelbereich und einem großen Drehwinkel­ bereich der ersten Welle zunimmt, wenn die von dem Geschwindigkeitssensor (34) erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt.

8. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (25, 26, 27, 28) einen in dem Gehäuse (13a, 13b) angebrachten Elektromotor (27), eine an einer Sekundärwelle des Motors (27) gesicherte Schnecke (28) und ein Sektorrad (25) umfaßt, das mit dem Tragelement (14) einstückig ist und mit der Schnecke (28) kämmt.

9. Fahrzeuglenksystem mit variablem Lenkwinkelverhältnis, das ein Verhältnis eines Lenkwinkels lenkbarer Räder (9) zu einem Lenkwinkel eines Lenkrads (1) ändern kann, umfassend:
ein Gehäuse (13a, 13b);
ein Tragelement (14), das in dem Gehäuse (13a, 13b) um eine erste Axiallinie drehend gehaltert ist;
eine Eingangswelle (11), die von dem Tragelement (14) um eine zu der ersten Axiallinie parallele und von dieser versetzte zweite Axiallinie (A) drehend gehaltert ist;
eine Ausgangswelle (17), die von dem Gehäuse (13a, 13b) um eine zu den ersten und zweiten Axiallinien parallele dritte Axiallinie (B) drehend gehaltert ist;
ein Ritzel (5), das koaxial an der Ausgangswelle (17) ausgebildet und zum Kämmen mit einer mit den lenkbaren Rädern (9) funktionsmäßig verbundenen Zahnstange (6) ausgeführt ist;
ein Betätigungsmittel (25, 26, 27, 28) zum Drehen des Tragelements (14) um die erste Axiallinie herum, um eine relative Exzentrizität (a) zwischen der Eingangswelle (11) und der Ausgangswelle (17) zu ändern; und
ein Kupplungsmittel (16, 19, 20, 21, 22) zur Übertragung einer Winkelbewegung der Eingangswelle (11) zu der Ausgangs­ welle (17) durch einen von der dritten Axiallinie (B) versetzten Wirkpunkt (C, P, Q) der Ausgangswelle (17).