-
Die Erfindung betrifft ein zur Realisierung einer Steer-by-wire Lenkung geeignetes Lenksystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein als ausschließliches Steer-by-wire Lenksystem ausgebildetes Lenksystem. Steer-by-wire Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass ein Lenkbefehl von einem Lenkrad oder einem anderen Steuerinstrument über ein Steuergerät oder in sonstiger Art und Weise elektrisch zu einem Aktuator weitergeleitet wird, welcher dann Lenkbefehle an lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeuges ausführt. Solche Systeme lassen sich ohne mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern realisieren und schaffen insoweit große konstruktive Freiheiten insbesondere dort, wo bei konventionellen Lenksystemen mit einer mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern insbesondere eine Lenksäule mit einer sich vom Lenkrad bis zu einem Ritzel erstreckenden Lenkwelle angeordnet ist. Bei manchen Bauformen ist im Bereich der Lenkwelle zusätzlich eine Lenkhilfsvorrichtung im Bereich der Lenkwelle angeordnet, die im Falle eines Steer-by-wire Lenksystems dann ebenfalls entfallen kann und zusätzliche konstruktive Freiheit schafft.
-
Aus
EP 1 201 528 A2 ist ein als „simulated steering feel system (SSFS)“ bezeichnetes Force Feedback System für eine Lenkung bekannt, das einen Antriebsmotor aufweist, mittels welchem eine Drehmoment-Rückmeldung auf ein Lenkrad oder ein anderes Steuerinstrument übertragbar ist. In dem Dokument wird auch auf den Einsatz solcher Systeme in Steer-by-wire Lenkungen verwiesen, konstruktive Details sind jedoch nicht beschrieben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv einfaches Steer-by-wire geeignetes Lenksystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, mittels welchem ein möglichst großer Verstellweg in Drehachsenrichtung des Lenkrades derart ermöglicht ist, dass das Lenkrad deutlich von einem Fahrzeugführer entfernbar ist, insbesondere ein Verstellweg von mindestens 200 mm.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Ein erfindungsgemäßes Steer-by-wire geeignetes Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lenkwelle, die funktional mit einem Lenkrad gekoppelt ist, wobei die Lenkwelle um eine Lenkachse rotierbar gelagert ist, um durch die Erfassung einer aktiven Drehbewegung des Lenkrades ein Lenkmoment bzw. eine Lenkkraft auf lenkbare Räder des Kraftfahrzeuges zu übertragen, wobei Lenkrad-Verstellmittel vorgesehen sind, um die axiale Position des Lenkrades entlang der Lenkachse verstellen zu können, wobei für das Lenkrad-Verstellmittel ein erster Funktionsbereich an der Lenkwelle ausgebildet ist. Ferner weist die Lenkwelle einen zweiten Funktionsbereich für ein Lenkmoment-Manipulationsmittel auf. Der Erfindung liegt damit die Idee zugrunde, an einer Lenkwelle einen ersten Funktionsbereich für eine axiale Verstellmöglichkeit der Lenkwelle zusammen mit dem funktional damit gekoppelten Lenkrad auszubilden sowie einen zweiten Funktionsbereich für ein Lenkmoment-Manipulationsmittel auszubilden. Dabei ist mit einem Lenkmoment-Manipulationsmittel insbesondere ein sogenannter Force-Feedback-Aktuator zu verstehen, der es ermöglicht, Lenkmoment in die Lenkwelle einzuleiten, um dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges über das Lenkrad Rückmeldung über in bestimmten Fahrsituationen auftretende, auf die gelenkten Räder wirkende Kräfte zu geben. Nur beispielshaft wird insoweit auf ein Rückstellmoment verwiesen, das sich bei jeder Kurvenfahrt dadurch einstellt, dass die gelenkten Räder ohne eine entsprechende Lenkkraft bzw. ein Lenkmoment bei ebener Fahrbahn eine Neutralstellung (Geradeauslauf) anstreben. Darüber hinaus gibt es Kräfte, die situationsabhängig auf gelenkte Räder einwirken können, beispielweise bei Kontakt eines gelenkten Rades mit einer Bordsteinkante oder einem sonstigen Gegenstand. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist, dass an der Lenkwelle einteilig beide Funktionsbereiche ausgebildet werden, um die oben angesprochenen Funktionen beide zu realisieren. Dadurch kann mit einer geringen Teilzahl und auf verhältnismäßig geringem Bauraum eine hohe Funktionalität erreicht werden.
-
Herstellungstechnisch besonders einfach zu fertigen ist ein erfindungsgemäßes Lenksystem, wenn der erste Funktionsbereich und der zweite Funktionsbereich in axialer Richtung voneinander beabstandet an der Lenkwelle ausgebildet sind. Denn in diesem Fall kann die Bearbeitung gleichzeitig und/oder unabhängig voneinander erfolgen, ohne das die Gefahr einer Beeinträchtigung der Funktionsbereich besteht.
-
Es wird jedoch auch darauf hingewiesen, dass es auch möglich ist und - insbesondere bei sehr kleinen Bauraumverhältnissen - auch vorteilhaft sein kann, beide Funktionsbereiche in dem gleichen axialen Abschnitt einer Lenkwelle anzuordnen. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass ein Funktionsabschnitt an einer Innenwand einer als Hohlwelle ausgebildeten Lenkwelle ausgebildet ist, während der andere Funktionsabschnitt an der Außenwand ausgebildet ist. Nur beispielhaft wird insoweit auf ein an der Innenwand ausgebildetes Innengewinde und einen außenseitig ausgebildeten Keilwellenabschnitt verwiesen. Oder es können der erste Funktionsabschnitt und der zweite Funktionsabschnitt sich überlagernd ausgebildet sein, beispielsweise indem ein Keilwellenabschnitt mit einem Spindelabschnitt überlagert wird und so beide Funktionen an gleichen Lenkwellenabschnitt realisiert sind.
-
In einer weiteren praktischen Ausführungsform, in welcher der erste und der zweite Funktionsbereich vorzugsweise axial beabstandet zueinander ausgebildet sind, ist der erste Funktionsbereich als Spindelabschnitt ausgebildet und der zweite Funktionsbereich als Keilwellenabschnitt ausgebildet. Diese Ausführungsform lässt sich besonders einfach und kostengünstig fertigen, insbesondere wenn die Lenkwelle als Vollwelle ausgebildet ist und damit eine hohe Torsions- und Biegesteifigkeit aufweist.
-
Eine besonders kompakte und damit auch mit einem geringen Gewicht verbundene Bauweise ergibt sich, wenn ein gemeinsamer Antriebsmotor für ein mit dem ersten Funktionsbereich zusammenwirkendes erstes Antriebselement und für ein mit dem zweiten Funktionsbereich zusammenwirkendes zweites Antriebselement vorgesehen ist. Dabei handelt es sich bei dem ersten Antriebselement vorzugsweise um eine Mutter, die mit einem als erster Funktionsbereich dienenden Spindelabschnitt zusammenwirkt. Als bevorzugtes zweites Antriebselement ist ein Nabenelement vorgesehen, das mit einem als Keilwelle ausgebildeten zweiten Funktionsbereich zusammenwirkt.
-
In dem zuletzt genannten Fall mit einem Antriebsmotor für beide Funktionsbereiche ist es besonders bevorzugt, wenn der Antriebsmotor in axialer Richtung der Lenkwelle betrachtet zwischen dem ersten Funktionsbereich und dem zweiten Funktionsbereich angeordnet ist und/oder mindestens ein Kopplungselement zur bedarfsweisen Ankopplung des ersten Antriebselements und/oder des zweiten Antriebselements vorgesehen ist.
-
Die Anordnung des Antriebsmotors zwischen dem ersten Funktionsbereich und dem zweiten Funktionsbereich hat den Vorteil, dass ein - insbesondere zweiseitig gut zugänglicher Antriebsmotor - von beiden Seiten vollumfänglich genutzt werden kann und die beiden Funktionsbereiche auf diese Art und Weise vollständig voneinander separierbar sind.
-
Als bevorzugter Antriebsmotor wird in einer weiteren praktischen Ausführungsform insbesondere ein Elektromotor mit Rotor und Stator eingesetzt, wobei der Rotor drehbar um die Lenkwelle gelagert ist und wobei der Rotor eine funktionale Verbindung zu dem ersten Antriebselement und/oder zu dem zweiten Antriebselement aufweist. So können Kräfte und/oder Moment bei kompakter Anordnung mit insgesamt nur wenigen Elementen unmittelbar von dem Antriebsmotor auf das erste Antriebselement und/oder auf das zweite Antriebselement übertragen werden.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Lenkwelle mit dem ersten Funktionsabschnitt und mit dem zweiten Funktionsabschnitt in einem diese Funktionsabschnitte umgebenden Gehäuse angeordnet ist. Denn dann sind nicht nur der Antriebsmotor und die beiden Funktionsabschnitte durch das Gehäuse weitestgehend vor äußeren Einflüssen geschützt. Darüber hinaus kann das Gehäuse für weitere Funktionen, wie z.B. die Lagerung und Fixierung des Stators, die Lagerung der Lenkwelle sowie die Fixierung sonstiger Elemente gegenüber einem Verdrehen und/oder Verschieben genutzt werden.
-
Insoweit wird insbesondere auf die Möglichkeit verwiesen, dass im Falle eines wie vorstehend beschriebenen, die Funktionsabschnitte und den Antriebsmotor umgebenden Gehäuses das erste Antriebselement und/oder das zweite Antriebselement mittels eines Kopplungselements gegenüber dem Gehäuse festlegbar sind. Damit kann insbesondere in Verbindung mit einer axialen Verstellbarkeit eines Lenkrades eine Momentenstütze realisiert werden, um ein Mitdrehen des Lenkrades - insbesondere bei Verstellung der Lenkwelle durch Zusammenwirken einer sich drehenden Mutter und eines Spindelabschnitts - sicher zu verhindern.
-
Weitere Vorteile eines erfindungsgemäßen Lenksystems ergeben sich, wenn zwischen einem Antriebselement und dem ersten Funktionsbereich ein Getriebe angeordnet ist und/oder zwischen einem Antriebselement und dem zweiten Funktionsbereich ein Getriebe angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an das Antriebselement für einen Funktionsbereich eine geringere oder deutlich geringere Leistungsanforderung und/oder Drehzahlanforderung gestellt wird als an den anderen Funktionsbereich. So kann beispielsweise eine geringe Leistung bei hoher Drehzahl für eine axiale Verstellbarkeit mittels einer Mutter und einem Spindelabschnitt ausreichend sein, während für die Realisierung einer Force-Feedback-Einheit mittels des zweiten Funktionsbereichs hohe Momente generiert werden (können müssen (?)). In diesem Fall kann dennoch der gleiche Antriebsmotor - und ggf. auch ein Antriebsmotor mit geringer Leistung eingesetzt werden, wenn mittels eines Getriebes eine geeignete Übersetzung bereitgestellt wird, welche den Antriebsmotor für beide Funktionen (axiale Längenverstellbarkeit und Lenkmoment-Manipulationsmittel bzw. Force-Feedback-Einheit) nutzbar macht.
-
Ein kompaktes Lenksystem mit besonders geringer Zahl an Einzelelementen ergibt sich, wenn das Lenkrad unmittelbar drehfest mit der Lenkwelle verbunden ist und/oder die Lagerung der Lenkwelle zumindest teilweise mittels eines den ersten Funktionsbereich und den zweiten Funktionsbereich umschließenden Gehäuses erfolgt. Besonders bevorzugt ist es insoweit, wenn die Lenkwelle zweifach gegenüber dem Gehäuse gelagert ist. Dabei kann die Lagerung sowohl innenseitig des Gehäuses und/oder mittels in dem Gehäuse ausgebildeten Lageröffnungen erfolgen. Zumindest an der Seite, an welcher sich das Lenkrad anschließt, ist eine Lagerung mittels einer in dem Gehäuse ausgebildeten Lageröffnung bevorzugt.
-
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Lenkwelle eines erfindungsgemäßen Steer-by-wire Lenksystems mit einem Spindelabschnitt und einem Keilwellenabschnitt in einer isometrischen Darstellung,
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steer-by-wire Lenksystems in einem Translationsbetriebsmodus,
- 3 die Ausführungsform gemäß 2 in einem Rotationsbetriebsmodus,
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steer-by-wire Lenksystems in einem Translationsbetriebsmodus und
- 5 die Ausführungsform gemäß 4 in einem Rotationsbetriebsmodus.
-
1 zeigt eine Lenkwelle 10 in einer isometrischen Darstellung. An der Lenkwelle 10 ist als erster Funktionsabschnitt F1 ein Spindelabschnitt 12 und als zweiter Funktionsabschnitt F2 ein Keilwellenabschnitt 14 ausgebildet.
-
In dem Spindelabschnitt ist als erstes Antriebselement eine Mutter 16 angeordnet, die sich bei relativer Rotation gemäß dem Pfeil R gegenüber der Lenkwelle 10 innerhalb des Funktionsabschnitts F1 in axialer Richtung in Richtung des Doppelpfeils 18 verfahren lässt. Umgekehrt kann die Mutter 16 auch ortsfest drehbar gelagert sein, so dass ein drehendes Antreiben der Mutter 16 zu einer axialen Verschiebung der Lenkwelle 10 führt. Diese zuletzt beschriebene Variante ist in den nachfolgend anhand der folgenden Figuren beschriebenen Ausführungsformen umgesetzt.
-
In dem Keilwellenabschnitt 14 ist als zweites Antriebselement ein Nabenelement 20 angeordnet, das drehfest, aber in axialer Richtung verschiebbar gegenüber der Lenkwelle 10 angeordnet ist.
-
Die wie vorstehend beschriebene Lenkwelle ist Bestandteil der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Steer-by-wire Lenksysteme. Für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente werden daher im Folgenden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Das Gleiche gilt auch für Bezugszeichen, die in Verbindung mit der in den 2 und 3 gezeigten ersten Ausführungsform eingeführt werden, wenn entsprechende Elemente in der zweiten Ausführungsform identisch oder funktionsgleich vorhanden sind.
-
In den 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steer-by-wire Lenksystems 22 gezeigt. Das Steer-by-wire Lenksystem 22 umfasst insbesondere ein Lenkrad 24 oder alternativ ein anderes Steuerinstrument, um es dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges zu ermöglichen, den Lenkwinkel lenkbarer Räder des Kraftfahrzeuges vorzugeben. Das Lenkrad 24 ist in Richtung des Doppelpfeils 26 in axialer Richtung der Lenkwelle 10 verstellbar. An einem Abschnitt - hier ab einem mittleren Abschnitt, d.h. zwischen dem Funktionsbereich F1 und dem Funktionsbereich F2 - der Lenkwelle 10 ist ein Antriebsmotor 28 mit einem Rotor 30 und einem Stator 32 angeordnet. Der Rotor 30 ist drehbar um die Lenkwelle 10 gelagert. Der Stator ist drehfest gegenüber einem Gehäuse 42 fixiert.
-
Als optionale Verbindung zwischen dem Rotor 30 und der Mutter 16 ist ein erstes schaltbares Kopplungselement 34 vorgesehen, das in 2 im geschlossenen Zustand dargestellt ist.
-
Als weitere optionale Verbindung zwischen dem Rotor 30 und dem Nabenelement 20 ist ein zweites schaltbares Kopplungselement 36 vorgesehen, das in 2 im geöffneten Zustand dargestellt ist.
-
Als weitere optionale Verbindung zwischen dem Nabenelement 20 und dem Gehäuse 42 ist ein drittes schaltbares Kopplungselement 38 vorgesehen, das in 2 im geschlossenen Zustand dargestellt ist.
-
Wird in dem in 2 gezeigten Schaltzustand der Kopplungselemente 34, 36, 38 der Antriebsmotor 30 aktiviert, führt das zu einer Rotation des Rotors 30. Dadurch, dass das Kopplungselement 34 im geschlossenen Zustand ist, rotiert die Mutter 16 gemeinsam mit dem Rotor 30 und führt so dazu, dass - abhängig von der Drehrichtung des Rotors 30 die Lenkwelle in Richtung des Doppelpfeils 26 verfahren wird.
-
In dem in 3 gezeigten Schaltzustand ist das Kopplungselement 34 geöffnet und dafür das Kopplungselement 36 geschlossen. Dies führt dazu, dass über das Nabenelement 20 und das Keilwellenelement 14 Momente in die Lenkwelle 10 eingeleitet werden können, um Lenkkräfte an das Lenkrad 24 zu übermitteln.
-
Die in den 4 und 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass ein Getriebe 40 zwischen dem zweiten Kopplungselement 36 und dem Nabenelement 20 angeordnet ist. Dadurch besteht eine höhere Variabilität in der Auswahl des Antriebsmotors 30. Insbesondere können in diesem Fall kleiner bauende Antriebsmotoren 30 mit geringerer Leistung oder auch sehr viel leistungsfähigere Antriebsmotoren 30 eingesetzt werden.
-
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
-
Der Vollständigkeit wird insoweit darauf verwiesen, dass der Antriebsmotor 28 eines erfindungsgemäßen Lenksystems nicht zwingend von der Lenkwelle 10 durchdrungen sein muss. Insbesondere wenn der Bauraum eine solche Anordnung nicht oder nur unter hohem konstruktiven Aufwand ermöglicht, ist es möglich, den Antriebsmotor nicht koaxial, sondern stattdessen achsparallel oder auch winklig (einschließlich rechtwinklig) anzuordnen und entsprechende Getriebe oder sonstige Übertragungsglieder vorzusehen, um das Moment des Antriebsmotors 28 auf die Funktionsbereiche F1, F2 zu übertragen.
-
Ebenso wird explizit darauf verwiesen, dass der vorstehend mittels einer einfachen Mutter 16 beschriebene Antrieb auch reibungsärmer und zur Erzielung einer höheren Präzision über Wälzkörper erfolgen kann, insbesondere mittels eines Kugelgewindetriebes.
-
Des Weiteren wird darauf verwiesen, dass anstelle eingängiger Gewinde auch mehrgängige Gewinde vorgesehen sein können.
-
Anstelle von Keilprofilen können insbesondere auch Polygonprofile zum Einsatz kommen, insbesondere solche mit quadratischer Grundform.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lenkwelle
- 12
- Spindelabschnitt
- 14
- Keilwellenabschnitt
- 16
- Mutter
- 18
- Doppelpfeil
- 20
- Nabenelement
- 22
- Steer-by-wire Lenksystem
- 24
- Lenkrad
- 26
- Doppelpfeil
- 28
- Antriebsmotor
- 30
- Rotor
- 32
- Stator
- 34
- (erstes) Kopplungselement
- 36
- (zweites) Kopplungselement
- 38
- (drittes) Kopplungselement
- 40
- Getriebe
- 42
- Gehäuse
- F1
- Funktionsabschnitt
- F2
- Funktionsabschnitt
- R
- Pfeil für Rotationsrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-