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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenksystem für ein Kraftfahrzeug.
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Elektrische Lenkvorrichtungen dienen - unter anderem in Kraftfahrzeugen - dazu, einen Richtungswunsch eines Fahrers entgegenzunehmen und in entsprechende Bewegungen eines oder mehrerer Räder umzusetzen. Gegenüber rein mechanischen Lenkvorrichtungen unterscheidet man bei elektrischen Lenkvorrichtungen zwischen elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen sowie vollständig elektrischen Lenkvorrichtungen, sogenannten „Steer-by-Wire“-Lenkvorrichtungen. Insbesondere diese Steer-by-Wire-Lenkvorrichtungen haben den Vorteil, dass die Bedieneinheit unabhängig von mechanischen Verbindungskomponenten relativ frei innerhalb des Fahrzeuges positioniert werden kann, was neben einer Kostenersparnis bei der Unterscheidung von z.B. rechts- und linksgelenkten Fahrzeugen zudem zu einem verbesserten Unfallverhalten durch Fehlen einer Lenksäule führt. Weiterhin kann die Bedieneinheit in eine Verstauposition gebracht werden, welche z.B. auch bei vollständig automatischem Lenken genutzt wird.
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Unter einem Steer-By-Wire-Lenksystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Lenkungssystem zu verstehen, welches im Wesentlichen aus einem sogenannten Hand Wheel Aktuator (HWA), beispielsweise der Aktuatorik um das befehlsgebende Fahrzeug-Lenkrad herum, und einem Radaktuator (Road Wheel Aktuator, RWA), also der auf die mit den Fahrzeugrädern verbundene Lenkmechanik wirkenden Aktuatorik, besteht. Per Leitung („by wire“) wird dabei das Lenksignal vom HWA zum RWA übertragen.
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Die Radaktuatoren in Steer-by-Wire-Systemen sind hauptsächlich elektrisch. Diese Aktuatoren ersetzen die traditionellen mechanischen Gestänge, die das Lenkrad mit den Vorderrädern verbinden. Sie können sehr präzise und reaktionsschnell sein und ermöglichen eine flexiblere Lenksteuerung.
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Die Entwicklung kosteneffizienter Radaktuatoren ist von entscheidender Bedeutung, um Steer-by-Wire-Systeme für eine breitere Palette von Fahrzeugen zugänglich zu machen. Die Senkung der Herstellungskosten bei gleichbleibender Qualität und Sicherheit ist eine ständige Herausforderung. Ferner ist die Integration verschiedener Sensoren (z. B. Positionssensoren, Drehmomentsensoren, Rückkopplungssensoren) für eine präzise Rückmeldung und Regelung einer Steer-by-wire Lenkung in der Regel komplex, wobei die Signalgüte derartiger Sensoren für eine genaue und sichere Lenkung entscheidend sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer kostengünstigen Integration eines präzise arbeitenden Drehwinkelsensors in einen Radaktuator bereitzustellen, um eine genaue und sichere Lenkung zu ermöglichen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung die Herstellungskosten des Lenksystems zu minimieren, ohne dessen Qualität und Sicherheit zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Spindeltrieb mit einer drehfesten und linear versetzbaren Spindel und einer mit der Spindel im Eingriff stehenden, drehbaren Spindelmutter, wobei die distalen Enden der Spindel jeweils mit einem Fahrzeugrad einer Fahrzeugachse verbunden sind, und die Spindelmutter mittels eines elektrischen Motors, bevorzugt unter Zwischenschaltung einer Getriebeanordnung, antreibbar ist, wobei die Spindel mit einer Zahnstange verbunden ist, welche mit einem Zahnrad in Eingriff steht, so dass ein linearer Versatz der Spindel eine Drehung des Zahnrads bewirkt, wobei das Zahnrad mit einem Drehwinkelsensor gekoppelt ist, welcher mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden ist, wobei an der Steuereinheit ein Lenkmittel zur Aufgabe einer Lenkbewegung angeschlossen ist, so dass bei der Beaufschlagung der Steuereinheit mit einem eine Lenkbewegung repräsentierenden Signal ein Ansteuersignal zur Bestromung des Motors durch die Steuereinheit erzeugt wird, wodurch der Motor über die Getriebeanordnung die Spindelmutter antreibt und durch den entsprechenden linearen Versatz der Spindel die Lenkbewegung des Lenkmittels in eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder wandelt, wobei ein den linearen Versatz der Spindel repräsentierendes Signal des Drehwinkelsensors an die Steuereinheit zurückgeführt wird.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass der Drehwinkelsensor am Ende einer Toleranzkette durch das Lenksystem unmittelbar vor der Übertragung der Lenkbewegung auf die Fahrzeugräder positioniert ist. Hierdurch können beispielsweise die in der Getriebeanordnung und/oder dem Spindeltrieb vorhandenen Toleranzen und Spiele keinen Einfluss auf die Ermittlung des eingestellten Lenkwinkels haben, so dass dieser stets sehr genau durch den Drehwinkelsensor ermittelt werden kann, was zu einer genaueren und sichereren Lenkung beiträgt.
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Durch die Anordnung der Zahnstange an der Spindel ist das Lenksystem ferner kostengünstig herstellbar sowie ebenfalls kompakt im Bauraum.
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Die Hauptfunktion der Spindel im Radaktuator besteht darin, die Rotationsbewegung eines Elektromotors in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Diese lineare Bewegung wird dann verwendet, um die Räder des Fahrzeugs zu steuern. Je nachdem, wie sich die Spindel bewegt, kann das Rad nach links oder rechts gelenkt werden. Dies ermöglicht eine präzise und elektronische Steuerung der Lenkung im Steer-by-Wire-System.
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Die Spindel kann insbesondere aus einer Spindelwelle mit einem Spindelgewinde bestehen. Die Spindelwelle ist die zentrale Komponente der Spindel und diejenige, die die lineare Bewegung ausführt. Die Spindelwelle ist bevorzugt als eine langgestreckte, zylindrische Stange ausgebildet. Bevorzugt ist die Spindelwelle aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Die Spindelwelle verfügt über ein Spindelgewinde, das sich entlang ihrer Länge erstreckt. Das Gewinde kann verschiedene Formen haben, darunter ein gerades oder schräges Gewinde. Das Gewinde ist entscheidend für die Umwandlung der Rotationsbewegung des Motors in eine lineare Bewegung.
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Die Spindelmutter ist ein Bauteil, das auf das Gewinde der Spindelwelle passt. Wenn sich die Spindelmutter dreht, bewegt sich die Spindel entlang des Gewindes auf und ab bzw. nach links und rechts. Die Spindel ist mit dem Lenkmechanismus des Fahrzeugs verbunden und überträgt so die lineare Bewegung auf die Räder. Bevorzugt ist die Spindel aus einem metallischen Material geformt.
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Die Spindelwelle ist bevorzugt mit Lagern ausgestattet, um eine reibungsarme lineare Bewegung der Spindelwelle zu ermöglichen. Da die Spindel üblicherweise im Fahrzeugunterboden oder in schmutzigen Umgebungen arbeitet, sind bevorzugt Dichtungen und Schutzvorrichtungen vorgesehen, um sie vor Schmutz, Staub und Feuchtigkeit zu schützen.
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Bevorzugt ist die Spindelmutter unter Zwischenschaltung einer Getriebeanordnung von einem Elektromotor antreibbar, insbesondere auch für den Fall, dass das alleinige Motormoment nicht ausreichend für eine vorliegende Anforderung ist.
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Die Hauptfunktion des Drehwinkelsensors innerhalb des Lenksystems besteht darin, den Lenkwinkel der Räder zu erfassen und diese Information an die Steuereinheit des Lenksystems zu übermitteln. Dieser Lenkwinkel kann durch Drehen der Räder nach links oder rechts oder durch das Zentrieren der Räder definiert sein. Der Drehwinkelsensor wandelt diese mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal um, das von der Steuereinheit des Lenksystems interpretiert wird. Besonders bevorzugt erfasst der Drehwinkelsensor eine lineare oder WinkelStellung der Spindelwelle, mittels derer dann auf die entsprechende Radstellung geschlossen werden kann.
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Es gibt verschiedene Ausführungsformen von Drehwinkelsensoren, die in de, erfindungsgemäßen Lenksystem eingesetzt werden können.
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Ein einfacher und weit verbreiteter Typ von Drehwinkelsensor ist das Potentiometer. Es besteht aus einem Widerstandselement und einem beweglichen Kontakt (der sogenannten Wippe oder dem Schleifer). Wenn sich die Räder bewegen und den Lenkwinkel ändern, bewegt sich die Wippe über den Widerstand, wodurch der Widerstandswert verändert wird. Dies führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands, der dann gemessen wird, um den Lenkwinkel zu bestimmen.
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Hall-Effekt-Sensoren nutzen den Hall-Effekt, um Änderungen des Magnetfelds zu erfassen. In einem Drehwinkelsensor kann ein permanentes Magnetfeld in der Nähe eines Halbleiterbauelements platziert werden. Wenn sich der Magnet in Abhängigkeit vom Lenkwinkel der Räder dreht, ändert sich das Magnetfeld, was den Hall-Effekt beeinflusst. Dies führt zu einer Änderung der Ausgangsspannung des Sensors, die den Lenkwinkel darstellt.
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Optische Drehgeber verwenden Licht und Fotodetektoren, um den Lenkwinkel zu messen. Ein optischer Drehgeber enthält einen drehbaren Scheibenabschnitt, der mit optischen Markierungen versehen ist. Das Licht wird durch die Markierungen gestreut, und Fotodetektoren messen die Veränderungen in der Lichtintensität, wenn sich die Scheibe dreht. Diese Veränderungen werden in elektrische Signale umgewandelt, um den Lenkwinkel zu bestimmen.
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Magnetoresistive Sensoren messen Änderungen des Widerstands in einem magnetischen Feld. Die Position eines Magneten, der mit dem Lenkwinkel der Räder verbunden ist, beeinflusst den Widerstand des Sensors. Dieser Widerstandswechsel wird gemessen und in den Lenkwinkel umgewandelt.
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Es können auch grundsätzlich verschiedene Arten von induktiven Drehwinkelsensoren eingesetzt werden, wie beispielsweise rotationsinduktive Sensoren. Diese Sensoren bestehen aus einem festen Wickel, der als Primärspule dient, und einem drehbaren Kern, der als Sekundärspule fungiert. Wenn sich der Kern dreht, ändert sich die Induktivität der Sekundärspule aufgrund der Änderung der Kopplung zwischen den Spulen. Diese Änderung der Induktivität wird gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das den Lenkwinkel darstellt.
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Auch können sogenannte LVDT (Linearer Variable Differential Transformer) zur Anwendung kommen. Obwohl ursprünglich für lineare Bewegungsmessungen entwickelt, können LVDTs auch für Drehwinkelmessungen eingesetzt werden. Ein LVDT besteht aus einer Primärspule und zwei Sekundärspulen, die sich auf beiden Seiten der Primärspule befinden. Wenn sich ein ferromagnetischer Kern dreht, ändert sich die Kopplung zwischen den Spulen, was zu einer Änderung der Spannung in den Sekundärspulen führt. Diese Änderungen werden gemessen und in den Lenkwinkel umgerechnet.
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Auch kann ein induktiver Drehwinkelsensor als Resolver ausgeführt sein. Resolver sind elektromagnetische Sensoren, die den Lenkwinkel präzise messen können. Sie bestehen aus einem festen Stator und einem drehbaren Rotor. Der Rotor ist mit dem Lenkwinkel der Räder verbunden. Die Änderung der relativen Position zwischen Stator und Rotor führt zu einer Änderung der elektrischen Ausgangssignale, die dann in den Lenkwinkel umgewandelt werden. Resolvers sind bekannt für ihre Genauigkeit und ihre Robustheit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen.
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Schließlich kann ein induktiver Drehwinkelsensor auch als Ringkernsensor ausgebildet sein. Diese Sensoren verwenden einen Ringkern aus einem ferromagnetischen Material und Wicklungen, um den Lenkwinkel zu messen. Wenn sich der Ringkern dreht, ändert sich die magnetische Permeabilität, was die Induktanz der Wicklungen beeinflusst. Diese Änderung der Induktanz wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das den Lenkwinkel repräsentiert.
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Die Zahnstange dient dazu, die lineare Bewegung der Spindel in eine rotatorische Bewegung eines Zahnrads umzuwandeln. Die Verzahnungen auf der Zahnstange ermöglichen diese Umwandlung. Die Zahnstange ist ein länglicher, stangenförmiger Abschnitt, der bevorzugt aus gehärtetem Stahl gefertigt ist. Die Zahnstange verfügt über spezielle Zähne oder Verzahnungen, die entlang ihrer Länge verlaufen. Diese Verzahnungen sind so gestaltet, dass sie in die Zähne des Zahnrads greifen können. Wenn die Spindel sich nun linear bewegt, wird das Zahnrad über die Zahnstange in Rotation versetzt, da die Zähne des Zahnrads in die Verzahnungen der Zahnstange greifen. Diese Rotation des Zahnrads wird dann durch den Drehwinkelsensor gemessen. Die Rotation des Zahnrads ist somit proportional zum linearen Versatz der Spindel sowie zu dem an den Fahrzeugrädern aktuell anliegenden Lenkwinkel.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Getriebeanordnung ein Planetengetriebe umfasst. Ein Planetengetriebe ermöglicht die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Motor und der Spindelmutter. Dies ist nützlich, um das Drehmoment und die Geschwindigkeit an die Anforderungen des Systems anzupassen. Je nach Konfiguration des Getriebes kann es das Drehmoment erhöhen und die Geschwindigkeit verringern oder umgekehrt. Planetengetriebe sind in der Regel kompakter als einige andere Getriebetypen. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, in denen Platz begrenzt ist, wie in Radaktuatoren, wo der verfügbare Raum begrenzt ist. Ein Planetengetriebe ermöglicht ferner eine präzise Steuerung und Positionierung des Aktuators, was in Anwendungen wie der Lenkung von Vorteil ist. Es kann eine hohe Auflösung und Präzision bei der Bewegung bieten.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Getriebeanordnung mit der Spindelmutter über einen Riementrieb oder ein Zahnrad getrieblich miteinander gekoppelt sind. Die Anbindung der Spindelmutter über einen Riementrieb an die Getriebeanordnung kann mehrere Vorteile bieten. Riemenantriebe können beispielsweise dazu beitragen, Geräusche und Vibrationen zu reduzieren. Dies ist besonders wichtig in Fahrzeugen, da eine ruhige und vibrationsarme Lenkung den Fahrkomfort erhöht. Riemenantriebe haben ferner die Fähigkeit, Stöße und Belastungsspitzen abzufedern. Dies ist nützlich, wenn das Fahrzeug auf unebenen Straßen oder Hindernisse trifft, da der Riemen dazu beitragen kann, die Auswirkungen auf den Motor und das Getriebe zu minimieren. Im Vergleich zu einigen anderen Antriebssystemen, wie etwa direkten mechanischen Verbindungen, können Riemenantriebe leichter sein. Dies trägt zur Gewichtsreduktion des Lenksystems bei, was die Effizienz und die Reichweite bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen verbessern kann. Schließlich können Riemenantriebe auch dazu beitragen, Blockaden zu vermeiden, wenn das Lenksystem auf ein Hindernis trifft. In diesem Fall kann der Riemen durchrutschen oder nachgeben, anstatt das Getriebe oder andere Komponenten zu beschädigen.
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Die Anbindung der Spindelmutter über ein Zahnrad an das Planetengetriebe kann ebenfalls mehrere Vorteile mit sich bringen. Die Verwendung eines Zahnrades zur Übertragung der Bewegung von dem Planetengetriebe auch die Spindelmutter ermöglicht eine präzise und zuverlässige Bewegungsübertragung. Zahnräder bieten eine exakte Übersetzung und sind weniger anfällig für Schlupf oder Ungenauigkeiten. Zahnräder sind ferner in der Lage, höhere Drehmomente zu übertragen als Riemenantriebe. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, in denen das Lenksystem hohe Kräfte bewältigen muss, wie zum Beispiel bei großen Fahrzeugen oder Geländefahrzeugen. Zahnräder können in der Regel kompakter gestaltet werden als Riemenantriebe, was wichtig ist, wenn begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb als Kugelgewindespindeltrieb ausgeführt ist. Ein Kugelgewindespindeltrieb (auch als Kugelgewindetrieb oder Kugelumlaufspindel bezeichnet) ist eine mechanische Vorrichtung, die dazu dient, eine lineare Bewegung in eine rotatorische Bewegung und umgekehrt umzuwandeln. Kugelgewindespindeltriebe sind bekannt für ihre hohe Präzision und Genauigkeit bei der linearen Bewegung. Sie können Wiederholgenauigkeiten im Bereich von Mikrometern bieten, was sie für Lenksysteme mit anspruchsvollen Präzisionsanforderungen besonders geeignet macht. Die Verwendung von Kugeln zwischen der Spindel und der Mutter reduziert die Reibung bei derartigen Kugelgewindespindeltrieben erheblich. Dies ermöglicht eine reibungsarme Bewegung und verringert den Energieverbrauch, was insbesondere in Anwendungen mit elektrischen Antrieben wichtig ist. Kugelgewindespindeltriebe weisen somit in der Regel einen hohen Wirkungsgrad auf, da die Kugeln reibungsarm rollen. Dies führt zu einer besonders effizienten Umwandlung von Rotationsbewegung in lineare Bewegung und umgekehrt. Des Weiteren sind Kugelgewindespindeltriebe vergleichsweise steif und können hohe axiale Belastungen aufnehmen. Schließlich weisen Kugelgewindespindeltriebe in der Regel wenig bis keine Spielbewegung auf, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, die Position sehr genau zu halten, ohne unerwünschtes Spiel oder Spielraum.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das mit der Zahnstange in Eingriff stehende Zahnrad drehfest auf einer drehbar gelagerten Welle angeordnet ist, wobei der Drehwinkelsensor mit der Welle gekoppelt ist. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass der zum Einsatz kommende Winkelsensor nur eine geringe Strecke ablaufen und messen muss, also durch die Zahnradverbindung und damit einhergehende Übersetzung hinsichtlich seines Messbereichs heruntergesetzt wird.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Zahnstange einstückig, insbesondere auch monolithisch, mit der Spindel ausgeformt ist. Wenn die Zahnstange und die Spindel aus demselben Material gefertigt sind und in einem Stück ausgeformt sind, wird eine höhere Präzision und Steifigkeit erreicht. Es gibt keine Toleranzen oder Lücken zwischen den beiden Teilen, was die Genauigkeit der linearen Bewegung erhöht und Vibrationen minimiert. Das einstückige Design reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlanpassungen oder Ungenauigkeiten zwischen der Zahnstange und der Spindel. Dadurch wird eine verbesserte Wiederholgenauigkeit der linearen Bewegung erzielt, was in Präzisionsanwendungen entscheidend ist. Ein einstückiges Design kann in der Regel auch kompakter sein, da keine zusätzlichen Verbindungselemente oder Baugruppen erforderlich sind. Dies ist besonders vorteilhaft in Anwendungen mit begrenztem Bauraum. Da keine Montage oder Ausrichtung von getrennten Zahnstangen und Spindeln erforderlich ist, können die Montagezeit und -kosten reduziert werden.
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Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, dass die Zahnstange und die Spindel separat voneinander ausgeformt sind. Bei getrennter Ausformung und Verbindung können Zahnstange und Spindel separat hergestellt und dann miteinander kombiniert werden. Dies bietet Flexibilität bei der Anpassung an verschiedene Anforderungen und ermöglicht die Verwendung von unterschiedlichen Materialien oder Beschichtungen für die beiden Komponenten. Wenn beispielsweise die Länge der Zahnstange geändert werden muss, kann dies leichter durch den Austausch der Zahnstange erfolgen, ohne die gesamte Einheit zu ersetzen. Im Falle einer Beschädigung oder Verschleißes kann entweder die Zahnstange oder die Spindel separat ausgetauscht werden, was Reparaturen und Wartungsarbeiten vereinfacht. Je nach den Anforderungen der Anwendung können Zahnstange und Spindel auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt oder speziell beschichtet werden, um bestimmten Bedingungen, wie Korrosion oder Abrieb, besser standzuhalten. Des Weiteren kann in einigen Fällen die separate Herstellung und Verbindung von Zahnstange und Spindel auch kosteneffizienter sein, insbesondere wenn Standardkomponenten verwendet werden können.
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Besonders bevorzugt sind die Verzahnung der Zahnstange und die Verzahnung des mit ihr in Eingriff stehenden Zahnrads so konfiguriert, dass der Drehwinkelsensor zwischen den Endanschlägen der Spindel ein Signal bereitstellt, dass eine Winkelstellung des Lenkmittels zwischen einem ersten maximalen Drehwinkel und einem zweiten maximalen Drehwinkel repräsentiert.
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In diesem Zusammenhang ist es des Weiteren bevorzugt, dass der erste maximale Drehwinkel und der zweite maximale Drehwinkel den gleichen Betrag aufweisen.
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Auch ist es bevorzugt, dass der erste maximale Drehwinkel zwischen -300° bis - 180° beträgt und/oder der zweite maximale Drehwinkel zwischen 180° und 300° beträgt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Verzahnung der Zahnstange und die Verzahnung des mit ihr in Eingriff stehenden Zahnrads so konfiguriert sind, dass der Drehwinkelsensor zwischen den Endanschlägen der Spindel ein Signal bereitstellt, dass eine Winkelstellung des Lenkmittels von -270° bis +270° repräsentiert.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Motor und/oder die Getriebeanordnung und/oder die Steuereinheit eine bauliche Einheit bilden. Die Integration in eine bauliche Einheit kann den Platzbedarf reduzieren, da die Komponenten kompakter gestaltet werden können. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen mit begrenztem Bauraum. Durch die Integration können ferner unnötige Bauteile und Verbindungen eliminiert werden, was zu Gewichtseinsparungen führt. Dies ist in Fahrzeugen, insbesondere in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wichtig, um die Effizienz zu steigern und die Reichweite zu erhöhen. Eine bauliche Einheit kann darüber hinaus auch die Montage- und Verkabelungskomplexität reduzieren, da die Verbindungspunkte und Schnittstellen zwischen den Komponenten minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Motor und/oder die Steuereinheit und/oder der Drehwinkelsensor und/oder eine Stromversorgung des Motors oder des Drehwinkelsensors redundant ausgeführt sind/ist. Die Implementierung von Redundanz, sei es für den Motor, die Steuereinheit, den Drehwinkelsensor oder die Stromversorgung, bietet in sicherheitskritischen Anwendungen wie einem Lenksystem eine erhöhte Ausfallsicherheit. Redundanz ermöglicht es dem System, selbst bei Ausfall eines Teils weiterhin zu funktionieren. Im Falle eines Motor- oder Steuereinheitsausfalls kann das redundante System nahtlos übernehmen, was die Sicherheit der Fahrzeugsteuerung gewährleistet. Durch die Redundanz können des Weiteren auch Fehler leichter erkannt und isoliert werden. Wenn beispielsweise ein Drehwinkelsensor ausfällt und zwei redundante Sensoren vorhanden sind, können Abweichungen zwischen den Messungen auf einen Fehler hinweisen, der dann isoliert und behoben werden kann. Redundanz kann schließlich auch dazu verwendet werden, Fehler oder Ungenauigkeiten in den Daten zu kompensieren. Durch die Kombination von Daten aus redundanten Sensoren oder Steuereinheiten können Fehler oder Drift in den Messungen erkannt und korrigiert werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Lenkmittel ein Lenkrad ist. Das Lenkrad ist eine vertraute Benutzeroberfläche für die meisten Fahrer weltweit. Die meisten Menschen haben Erfahrung im Lenken von Fahrzeugen mit Lenkrädern, was die Bedienung und das Fahrerlebnis erleichtert.
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Statt eines Lenkrads kann beispielsweise auch ein Joystick als Lenkmittel verwendet werden, um die Richtung des Fahrzeugs zu steuern. Diese Steuerungsmethode bietet eine andere Art der Bedienung, die in einigen autonomen Fahrzeugkonzepten implementiert wurde. Auch kann das Lenkmittel als eine Fernbedienung ausgeführt sein, um das Fahrzeug aus der Ferne über eine drahtlose Verbindung zu steuern, ähnlich wie bei ferngesteuerten Spielzeugen. Dies kann in speziellen Situationen nützlich sein, z. B. beim Parken. Ein Lenkmittel kann auch durch eine Touchscreen- oder Gestensteuerung realisiert sein. Der Fahrer kann das Fahrzeug dann hierbeindurch Berühren oder Wischen auf dem Bildschirm und/oder durch Gestenbewegungen lenken. Eine weitere Möglichkeit eines Lenkmittels stellt eine Hirn-Computer-Schnittstellen (Brain-Computer Interfaces, BCIs) dar. BCIs ermöglichen es Fahrern, das Fahrzeug mithilfe von Gehirnaktivität zu steuern, ohne physische Bewegungen auszuführen.
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Das Lenkmittel kann auch ein Bordcomputer eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines autonom fahrenden Kraftfahrzeugs sein. Hierbei werden dann die Lenkbefehle des Bordcomputers an die Steuereinheit des Radaktuators weitergeleitet. Bevorzugt greift dabei kein Fahrer in die Fahrzeuglenkung ein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Lenksystem in einer schematischen Darstellung, und
- 2 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-By-Wire-System in einer schematischen Darstellung.
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Die 1 zeigt ein Lenksystem 1 für ein Kraftfahrzeug 2 umfassend einen Spindeltrieb 3 mit einer drehfesten und linear versetzbaren Spindel 4 und einer mit der Spindel 4 im Eingriff stehenden, drehbaren Spindelmutter 5, wobei die distalen Enden der Spindel 4 jeweils mit einem Fahrzeugrad 13 einer Fahrzeugachse verbunden sind. Die beiden Enden der Spindel 4 sind über jeweils ein Spurstange 20 und einen Radträger 21 mit den Fahrzeugrädern 13 verbunden.
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Die Spindelmutter 5 ist mittels eines elektrischen Motors 7 unter Zwischenschaltung einer Getriebeanordnung 6 antreibbar, wobei die Spindel 4 monolithisch mit einer Zahnstange 8 ausgeführt ist, welche mit einem Zahnrad 9 in Eingriff steht, so dass ein linearer Versatz der Spindel 4 eine Drehung des Zahnrads 9 bewirkt. Das Zahnrad 9 ist mit einem Drehwinkelsensor 10 gekoppelt, welcher mit einer elektronischen Steuereinheit 11 verbunden ist. Die Verzahnung der Zahnstange 8 und die Verzahnung des mit ihr in Eingriff stehenden Zahnrads 9 sind so konfiguriert, dass der Drehwinkelsensor 10 zwischen den Endanschlägen der Spindel 4 ein Signal 16 bereitstellt, dass eine Winkelstellung des Lenkmittels 12 von -270° bis +270° repräsentiert.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bilden der Motor 7, die Getriebeanordnung 6, die Steuereinheit 11, der Spindeltrieb 3 sowie die Zahnstange 8 und der Drehwinkelsensor 10 eine als Radaktuator 23 fungierende Baugruppe, was gelegentlich auch als RWA oder Road-Wheel-Aktor bezeichnet wird.
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An der Steuereinheit 11 ist ein Lenkmittel 12 in Form eines Lenkrads zur Aufgabe einer Lenkbewegung angeschlossen, so dass bei der Beaufschlagung der Steuereinheit 11 mit einem eine Lenkbewegung repräsentierenden Signal 14 ein Ansteuersignal 15 zur Bestromung des Motors 7 durch die Steuereinheit 11 erzeugt wird, wodurch der Motor 7 über die Getriebeanordnung 6 die Spindelmutter 5 antreibt und durch den entsprechenden linearen Versatz der Spindel 4 die Lenkbewegung des Lenkmittels 12 in eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder 13 wandelt.
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Hierbei wird ein den linearen Versatz der Spindel 4 repräsentierendes Signal 16 des Drehwinkelsensors 10 an die Steuereinheit 11 zurückgeführt. Das mit der Zahnstange 8 in Eingriff stehende Zahnrad 9 ist drehfest auf einer drehbar gelagerten Welle 18 angeordnet, wobei der Drehwinkelsensor 10 mit der Welle 18 gekoppelt ist.
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Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass die Getriebeanordnung 6 ein Planetengetriebe 22 umfasst, welches mit der Spindelmutter 5 über einen Riementrieb 17 gekoppelt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Spindeltrieb 3 als Kugelgewindespindeltrieb ausgeführt.
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Auch ist in der 1 gezeigt, dass der Motor 7, die Getriebeanordnung 6 und die Steuereinheit 11 eine bauliche Einheit 19 bilden. Ferner sind der Motor 7, die Steuereinheit 11, der Drehwinkelsensor 10 und eine Stromversorgung des Motors 7 oder des Drehwinkelsensors 10 redundant ausgeführt.
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2 zeigt das Lenksystem 1 in einer Ausführung als Steer-By-Wire-System. Man erkennt gut den Radaktuator 23 und den mit ihm elektrisch verbundenen Lenkradaktuator 24.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Spindeltrieb
- 4
- Spindel
- 5
- Spindelmutter
- 6
- Getriebeanordnung
- 7
- Motor
- 8
- Zahnstange
- 9
- Zahnrad
- 10
- Drehwinkelsensor
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Lenkmittel
- 13
- Fahrzeugrad
- 14
- Signal
- 15
- Ansteuersignal
- 16
- Signal
- 17
- Riementrieb
- 18
- Welle
- 19
- Einheit
- 20
- Spurstange
- 21
- Radträger
- 22
- Planetengetriebe
- 23
- Radaktuator
- 24
- Lenkradaktuator