DE19941535A1 - Motor vehicle steering mechanism, has steering wheel momentum transferred to axle via tensile components and guide means - Google Patents
Motor vehicle steering mechanism, has steering wheel momentum transferred to axle via tensile components and guide meansInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge, bei der ein von einem Fahrer am Lenkrad aufgebrachter und/oder von einem Stellmotor eingestellter Lenkradwinkel und ein eingestelltes Lenkradmoment durch Übertragungsmittel zu einer gelenkten Achse des Fahrzeugs übertragen werden.The invention relates to a steering device for Motor vehicles, one by a driver on the steering wheel applied and / or adjusted by a servomotor Steering wheel angle and a set steering wheel torque Transmission means to a steered axle of the vehicle be transmitted.
Die Lenkung eines Kraftfahrzeugs setzt die vom Fahrer am Lenkrad aufgebrachte Drehbewegung und Kraft bzw. das Lenkradmoment in eine Schwenkbewegung der gelenkten Fahrzeugräder um. Bei gleichem Lenkverhalten und mit bisherigen Anforderungen an das Lenksystem sollte dieses hinsichtlich der unterschiedlich gestalteten Einbauräume im Fahrzeug flexibel sein und möglichst keine auf die Vorderachse wirkenden Kraft, wie sie z. B. bei Frontalzusammenstößen erzeugt wird, auf das Lenkrad weiterleiten, so dass bei einem Zusammenstoß die kinetische Energie nicht über das Lenkrad an den Fahrer weitergegeben wird.The steering of a motor vehicle sets on by the driver Steering wheel applied rotary motion and force or that Steering wheel torque in a swivel movement of the steered Vehicle wheels around. With the same steering behavior and with previous requirements for the steering system should be this with regard to the differently designed installation spaces in the Vehicle be flexible and if possible none on the Front axle acting force, as z. B. at Head-on collisions are generated on the steering wheel forward so that in a collision the kinetic Energy is not passed on to the driver via the steering wheel becomes.
Hinsichtlich der Krafteinwirkung können Lenksysteme in drei
Typen unterteilt werden:
Steering systems can be divided into three types in terms of force:
- 1. Lenkung nur mit Muskelkraft des Fahrers;1. Steering only with the driver's muscular strength;
- 2. Lenkung mit Muskel- und Hilfskraft, mit einer sogenannten Servolenkung. Die Hilfskraft kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erzeugt werden;2. Steering with muscle and auxiliary power, with one so-called power steering. The assistant can generated electrically, pneumatically or hydraulically become;
- 3. Lenkung ausschließlich mit Fremdkraft, wobei die Lenkbewegung des Fahrers nur als Signal für eine oder mehrere Antriebsmaschinen erfasst wird. Dazu gehören die bisher unter dem Namen "Steer-by-Wire" bekannten Lenksysteme, die die bis dahin starre mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und der gelenkten Vorderachse aufbrechen. Zur Sicherheit solcher Steer- by-Wire-Lenksysteme dienen z. B. mechanische oder hydraulische Rückfallebenen, die im Fehlerfall wieder eine mechanische und/oder hydraulische Verbindung des Lenkrads mit der gelenkten Achse herstellen.3. Steering only with external power, the Steering movement of the driver only as a signal for one or multiple prime movers is detected. This includes previously known as "Steer-by-Wire" Steering systems that used to be the rigid mechanical Connection between the steering wheel and the steered Break open the front axle. For the safety of such by-wire steering systems serve e.g. B. mechanical or hydraulic fallback levels, which in the event of a fault again a mechanical and / or hydraulic connection of the Make the steering wheel with the steered axle.
Nach den Bauformen der Lenkgetriebe unterscheidet man
bisher zwei Bauarten:
So far, there are two types of steering gear:
- 1. Lenkung mit Zahnstangen, oder1. Steering with racks, or
- 2. Lenkung mit Kugelumlaufgetriebe plus Lenkgestänge.2. Steering with recirculating ball gear plus steering linkage.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Lenkvorrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge so zu ermöglichen, dass sie für die zur Verfügung stehenden Einbauräume im Fahrzeug höchste Flexibilität, Sicherheit und Schutz für den Fahrer, insbesondere bei Unfällen mit Frontalzusammenstößen, geringen Aufwand bei der Fahrzeugendmontage, hohe Funktionalität, Robustheit und Zuverlässigkeit und geringe Herstellungskosten bietet. It is an object of the invention, a generic Steering device for vehicles, in particular motor vehicles so that they are available for those Installation spaces in the vehicle maximum flexibility, safety and protection for the driver, especially in the event of accidents Head-on collisions, little effort in the Final vehicle assembly, high functionality, robustness and Offers reliability and low manufacturing costs.
Die obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.The above task is solved according to the requirements.
Erfindungsgemäß weisen die Übertragungsmittel Zugmittel und Führungsmittel auf; die Zugmittel können Ketten, Seile und/oder Riemen sowie Zahnriemen, und die Führungsmittel Rollen, Geradführungen, Wälzlager, Stangen etc. aufweisen.According to the invention, the transmission means have traction means and Management means on; the traction means can be chains, ropes and / or belts and toothed belts, and the guide means Rollers, straight guides, roller bearings, rods, etc. have.
Die vorgeschlagene Lenkvorrichtung läßt sich in der
Hauptebene auf vielfältige Weise aus folgenden Bauelementen
kombinieren:
The proposed steering device can be combined in the main level in a variety of ways from the following components:
- 1. Das Lenkrad mit Verbindungsstange zum1. The steering wheel with connecting rod to
- 2. Stellglied bzw. Stellmotor, bei dem ein elektrischer oder pneumatischer bzw. hydraulischer Hilfsmotor, ein Getriebe als Drehmomenten- und Kinematikwandler und eine Windetrommel für ein Seil bzw. ein anderes Zugmittel integriert sein können.2. Actuator or servomotor in which an electrical or pneumatic or hydraulic auxiliary motor Gearboxes as torque and kinematic converters and a winch drum for a rope or another Traction devices can be integrated.
- 3. Die Führungsmittel können Lager für Drehbewegungen wie Wälz- bzw. Gleitlager und fest installierte Fixierstifte in einem räumlich starren und stabilen Stützrahmen umfassen. Vor allem Umlenkrollen, die an den Zugmitteln reib- oder formschlüssig angreifen, können bei den längeren geraden Strecken als Linearführungen für die Zugmittel eingesetzt werden.3. The guide means can bearings for rotary movements such as Rolling or plain bearings and permanently installed Fixing pins in a spatially rigid and stable Include support frame. Above all, pulleys on engage the traction means frictionally or positively, can be used for longer straight sections than Linear guides are used for the traction devices.
- 4. Federnde Spannelemente, die roll- und gleitfähig sind, sorgen für eine spielfreie und ausreichend robuste räumliche Kraftübersetzung und dies trotz Elastizität der gesamten Lenkvorrichtung.4. Springy tensioning elements that can roll and slide, ensure a backlash-free and sufficiently robust spatial power transmission and this despite elasticity the entire steering device.
- 5. Übliche Lenk- und Führungshebel, Schubstangen, Spurstange oder Lenkstockhebel;5. Usual steering and guide levers, push rods, Tie rod or pitman arm;
- 6. Zugmittel, wie Ketten bzw. Gliederketten, Riemen, insbesondere Zahnriemen, Stangen rund oder flach und Seile sind zur Weiterleitung der Zugkräfte und räumlichen Umlenkung einsetzbar.6. traction means, such as chains or link chains, belts, especially timing belts, rods round or flat and Ropes are used to transmit the tensile forces and spatial redirection can be used.
- 7. Schließlich können Lenkradwinkel und Lenkwinkel und Momente durch Sensoren erfasst und einer Lenk- Steuer/Regelungseinheit zugeführt werden, die dem am Lenkrad vorgegebenen Winkel bzw. Moment z. B. einen von Fahrzuständen, Fahrerverhalten und Umgebungszuständen abhängigen Winkel und ein Moment überlagern kann.7. Finally, steering wheel angle and steering angle and Moments recorded by sensors and a steering Control / regulation unit are supplied to the on Steering wheel predetermined angle or moment z. B. one of driving conditions, driver behavior and Ambient dependent angle and a moment can overlay.
Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile:
The invention offers the following advantages in particular:
- 1. Sie ist räumlich höchst flexibel, was bedeutet, dass das Lenkrad links, rechts oder in der Mitte des Fahrzeugs angeordnet werden kann, ohne dass zusätzliche Typenvielfalt nötig ist. Im Motorraum gibt die räumliche Umlenk- bzw. Umleitbarkeit mehr Freiheit bei der Gestaltung und Formgebung der anderen Motorraumaggregate.1. It is extremely flexible in terms of space, which means that the steering wheel left, right or in the middle of the Vehicle can be arranged without additional variety of types is necessary. In the engine compartment there the spatial redirection or redirection more freedom in the design and shaping of the others Engine compartment units.
- 2. Die Lenkvorrichtung bietet ein hohes Maß an Sicherheit für den Fahrer, besonders bei Frontalzusammenstößen.2. The steering device offers a high level of safety for the driver, especially in frontal collisions.
- 3. Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung ist mit geringem Aufwand bei der Fahrzeugendmontage montierbar.3. The steering device according to the invention is small Effort for final vehicle assembly can be installed.
- 4. Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung hat hohe Funktionalität durch den Einsatz sowohl in einer Hauptebenenlösung mit und ohne Hilfsmotor als auch als Rückfallebene eines Steer-by-Wire-Lenksystems.4. The steering device according to the invention has high Functionality by using both in one Main level solution with and without auxiliary engine as well Fallback level of a steer-by-wire steering system.
- 5. Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung realisiert ein robustes und zuverlässiges Lenksystem, welches beispielsweise auch in großen fahrbaren Maschinen und Nutzfahrzeugen einsetzbar ist. Im Kran, Kreisförderern in Fabriken sowie bei Bühnen-, Hallenbäder- Betätigungssystemen usw. haben flexible Seile und/oder Riemen sowie auch starre Elemente aufweisende Zugmittel in Verbindung mit geeigneten Führungsmitteln ihre praktische Funktionalität bereits bewiesen.5. The steering device according to the invention realizes a robust and reliable steering system, which for example in large mobile machines and Commercial vehicles can be used. In the crane, circular conveyors in factories as well as on stage and indoor swimming pools Actuator systems etc. have flexible ropes and / or Belts as well as rigid elements Traction means in connection with suitable guide means already proven their practical functionality.
- 6. Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung verursacht geringere Kosten, weil die Mehrzahl der benötigten Elemente Normteile bzw. großseriengefertigte Bauteile sein können und nicht hochspezialisiert sein müssen.6. The steering device according to the invention caused lower cost because the majority of the needed Elements standard parts or mass-produced components can be and do not have to be highly specialized.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge, in der auf die Zeichnungsfiguren bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert.Below are embodiments of one Steering device according to the invention for vehicles, especially for motor vehicles in which on the Description referring to drawing figures explained.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung mit Zugmitteln in der Hauptebene, z. B. für eine Servolenkung in einem Kraftfahrzeug; und Fig. 1 shows schematically a first embodiment of a steering device according to the invention with traction means in the main plane, for. B. for power steering in a motor vehicle; and
Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung mit Zugmitteln als "Rückfallebene", ebenfalls beim Kraftfahrzeug. Fig. 2 shows schematically a second embodiment of a steering device according to the invention with traction means as "fallback level", also in the motor vehicle.
Fig. 1 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung dar, bei dem diese in der Hauptebene für eine Servolenkung im Kraftfahrzeug eingesetzt ist. Mit einem Lenkrad 1 ist ein Stellglied bzw. Stellmotor 2 verbunden, in dem ein elektrischer oder pneumatischer oder hydraulischer Hilfsmotor, ein Getriebe als Drehmoment- und Kinematikwandler und eine Seil- bzw. Zugmittelwindetrommel integriert sind. Als Zugmittel 6 können Seile, Ketten, wie Gliederketten, Riemen, insbesondere Zahnriemen sowie gerade starre Geradführungsabschnitte auch in Kombination eingesetzt sein. Fig. 1 stellt Führungsmittel als einfache Führungsrollen 3, 4 dar, die an nicht gezeigten Lagern und Abstützelementen gelagert sind, wie z. B. in Wälz- bzw. Gleitlagern und an fest installierten Fixierstiften in einem (nicht gezeigten) räumlich starren und stabilen Stützrahmen. Von den Führungsmitteln sind vor allem die Umlenkrollen 3, die sich mit dem Zugmittel reib- oder formschlüssig verbinden, drehbar jedoch starr an einem stabilen Stützrahmen gelagert. Die Spannrollen 4, die roll- und gleitfähig sind, sind mit Federelementen federnd so gelagert, dass sie für eine spielfreie und ausreichend robuste räumliche Kraftübertragung sorgen trotz Elastizität des gesamten Lenksystems. In den Fig. 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Spannrollen 4 in einer Ansicht von vorne und in einer Draufsicht vergrößert dargestellt. Die in Fig. 1 gezeigte Lenkvorrichtung verwendet am Lenkstock herkömmliche Lenk- und Führungshebel 5, wie Schubstange, Spurstange oder Lenkstockhebel. Fig. 1 shows schematically an embodiment of a steering device according to the invention, in which it is used in the main plane for power steering in a motor vehicle. An actuator or servomotor 2 is connected to a steering wheel 1 , in which an electrical or pneumatic or hydraulic auxiliary motor, a transmission as a torque and kinematics converter and a cable or traction device winch drum are integrated. Ropes, chains, such as link chains, belts, in particular toothed belts and straight, rigid straight guide sections can also be used in combination as traction means 6 . Fig. 1 shows guide means as simple guide rollers 3 , 4 , which are mounted on bearings and support elements, not shown, such as. B. in rolling or plain bearings and on fixed locating pins in a (not shown) spatially rigid and stable support frame. Of the guide means, the deflection rollers 3 , which connect to the traction means in a frictional or positive manner, are rotatably but rigidly mounted on a stable support frame. The tension rollers 4 , which are capable of rolling and sliding, are resiliently mounted with spring elements in such a way that they ensure a play-free and sufficiently robust spatial power transmission despite the elasticity of the entire steering system. In Figs. 1 and 2, a preferred embodiment of the tensioning rollers 4 is shown in a front view and in a plan view enlarged. The steering device shown in FIG. 1 uses conventional steering and guide levers 5 on the steering column, such as a push rod, tie rod or steering column lever.
Die Zugmittel 6, die Seile, Ketten, wie z. B. Gliederketten, Riemen, insbesondere Zahnriemen und im Querschnitt runde oder flache Stangen sein können, die die Zugkräfte weiterleiten und eine räumliche Umlenkbarkeit ermöglichen, sind in Fig. 1 in einer geschlossenen Schleife angeordnet und schematisch vereinfacht als Linie dargestellt. Eine Einheit 7 dient zur Lenkradwinkel- und Momenterfassung und ist mit einer Steuer/Regelungseinheit zur Lenksteuerung bzw. -regelung verbunden, mit der die durch den Hilfsmotor aufgebrachten Zusatzmomente gesteuert ode geregelt werden können.The traction means 6 , the ropes, chains, such as. B. link chains, belts, in particular toothed belts and in cross-section round or flat rods that transmit the tensile forces and allow spatial deflection are arranged in a closed loop in Fig. 1 and shown schematically simplified as a line. A unit 7 is used for steering wheel angle and torque detection and is connected to a control unit for steering control, with which the additional torques applied by the auxiliary motor can be controlled or regulated.
Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung, wobei dieselben Bezugszahlen gleiche oder gleichartige Elemente wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bezeichnen. In Fig. 2 dient die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung als Rückfallebene in einem Steer-by-Wire-System. FIG. 2 schematically shows a second exemplary embodiment of a steering device according to the invention, the same reference numerals denoting the same or similar elements as in the exemplary embodiment shown in FIG. 1. In Fig. 2, the steering device according to the invention serves as a fallback level in a steer-by-wire system.
Mit einem Stellmotor 12, der ein Elektromotor sein kann, wird über einen (nicht gezeigten) Feedback-Aktuator im Steer-by-Wire Betrieb die sensorisch erfasste Rückwirkung der Straße auf das Lenkrad 1 übertragen. Zwischen dem Stellmotor 12 und der die Zugmittel 6 bewegenden Winde oder Trommel 14 befindet sich eine Kupplung 13, die im Steer-by- Wire Betrieb geöffnet ist und im Fehlerfall, d. h. bei Ausfall des Steer-by-Wire-Systems, geschlossen wird. In diesem Fehlerfall wird eine durch die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung gemäß Fig. 2 realisierte Rückfallebene aktiviert und das Lenkrad 1 greift über den Stellmotor 12 und die dann geschlossene Kupplung 13 direkt an der Winde oder Trommel 14 an und bewegt dadurch das Zugmittel 6, welches, genauso wie in Fig. 1, über Führungsmittel 3, 4 mit einem Lenkstock verbunden ist.With a servomotor 12 , which can be an electric motor, the sensor-controlled reaction of the road is transmitted to the steering wheel 1 via a feedback actuator (not shown) in steer-by-wire operation. Between the servomotor 12 and the winch or drum 14 moving the traction means 6 there is a clutch 13 which is open in steer-by-wire operation and is closed in the event of a fault, ie in the event of failure of the steer-by-wire system. In this fault case, a fall-back level realized by the steering device according to the invention according to FIG. 2 is activated and the steering wheel 1 engages via the servomotor 12 and the then closed coupling 13 directly on the winch or drum 14 and thereby moves the traction means 6 , which, just like in Fig. 1, via guide means 3 , 4 is connected to a steering column.
Anders als in Fig. 1, ist am Lenkstock ein elektrischer Lenkstellmotor 8 vorgesehen, der für das Steer-by-Wire- System die Einstellung des am Lenkrad 1 vorgegebenen und sensorisch erfassten Lenkwinkels an der Vorderachse über ein Lenkgetriebe vornimmt.In contrast to FIG. 1, an electric steering servomotor 8 is provided on the steering column which, for the steer-by-wire system, adjusts the steering angle on the front axle, which is predetermined and sensed on the steering wheel 1, via a steering gear.
Eine Einheit 17 ist dazu vorgesehen, Lenkradwinkel, Lenkwinkel und -momente zu erfassen und ist mit einer (nicht gezeigten) Steuer- bzw. Regelvorrichtung verbunden, die Funktionen der Steer-by-Wire-Lenkung und einer Überwachung und Aktivierung der Rückfallebene beinhaltet.A unit 17 is provided to record the steering wheel angle, steering angle and moments and is connected to a control device (not shown) which contains functions of steer-by-wire steering and monitoring and activation of the fallback level.
Das oben anhand der Fig. 2 beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, dass die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung nach dem Schließen der Kupplung 13 als mechanische Rückfallebene eines Steer-by-Wire-Systems benutzt werden kann.The exemplary embodiment described above with reference to FIG. 2 shows that the steering device according to the invention can be used as a mechanical fallback level of a steer-by-wire system after the clutch 13 has been closed.
Somit bietet die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung außer der großen räumlichen Flexibilität, der Sicherheit für den Fahrer beim Frontalzusammenstoß, dem geringen Aufwand bei der Montage des Lenksystems und neben seiner Robustheit und Zuverlässigkeit und seiner geringen Herstellungskosten eine hohe Funktionalität, da sie sowohl in einer Hauptebenenlenkung mit und ohne Servomotor als auch für die Rückfallebene gemäß Fig. 2 verwendet werden kann.Thus, the steering device according to the invention offers, in addition to the great spatial flexibility, the safety for the driver in the event of a head-on collision, the little effort involved in assembling the steering system and, in addition to its robustness and reliability and its low manufacturing costs, a high level of functionality, since it can be used in a main plane steering with and without Servomotor as well as for the fallback level according to FIG. 2 can be used.
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