DE102021204522A1 - Steering system for a vehicle with an optimized wireless energy transfer to the steering wheel - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem (1) für ein Fahrzeug. Das Lenksystem (1) umfasst ein Lenksäulenmodul (2), das für eine unbewegliche Anordnung im Fahrzeug ausgelegt ist, eine im Lenksäulenmodul (2) drehbar gelagerte Lenkradwelle (3) mit einem an der Lenkradwelle (3) drehfest befestigten Lenkrad (4), in dem mindestens ein elektrischer Verbraucher integriert ist, und einen zur drahtlosen Energieversorgung des mindestens einen elektrischen Verbrauchers ausgebildeten Transformator (6). Der Transformator (6) umfasst eine im Lenksäulenmodul (2) fixierte Primärspule (7), eine drehfest mit der Lenkradwelle (3) verbundene Sekundärspule (8) sowie einen integrierten Eisenkern (9) aus einem weichmagnetischen Material, wobei der Eisenkern (9) zumindest teilweise von der Lenkradwelle (3) gebildet ist und/oder zumindest teilweise drehfest damit verbunden ist.The invention relates to a steering system (1) for a vehicle. The steering system (1) comprises a steering column module (2) which is designed for a stationary arrangement in the vehicle, a steering wheel shaft (3) which is rotatably mounted in the steering column module (2) and has a steering wheel (4) which is non-rotatably fastened to the steering wheel shaft (3), in in which at least one electrical consumer is integrated, and a transformer (6) designed for the wireless power supply of the at least one electrical consumer. The transformer (6) comprises a primary coil (7) fixed in the steering column module (2), a secondary coil (8) non-rotatably connected to the steering wheel shaft (3) and an integrated iron core (9) made of a soft magnetic material, the iron core (9) being at least is partially formed by the steering wheel shaft (3) and / or at least partially non-rotatably connected to it.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Das Lenksystem umfasst ein typischerweise im Bereich einer Instrumententafel des Fahrzeugs angeordnetes Lenksäulenmodul, welches zur individuellen Anpassung an einen Fahrer in einer oder mehreren Richtungen als Ganzes verstellbar sein kann, im Übrigen aber unbeweglich bezüglich des Fahrzeugs ausgebildet ist. Ferner umfasst das Lenksystem eine im Lenksäulenmodul drehbar gelagerte Lenkradwelle mit einem drehfest daran befestigten Lenkrad, in dem mindestens ein Verbraucher elektrischer Energie integriert ist. Zu dessen drahtloser Energieversorgung ist ein Transformator mit einer im Lenksäulenmodul fixierten Primärseite und einer drehfest mit der Lenkradwelle verbundenen Sekundärseite vorgesehen.The invention relates to a steering system for a vehicle, in particular for a motor vehicle. The steering system includes a steering column module typically arranged in the area of an instrument panel of the vehicle, which can be adjusted as a whole in one or more directions for individual adjustment to a driver, but is otherwise immovable with respect to the vehicle. Furthermore, the steering system comprises a steering wheel shaft which is rotatably mounted in the steering column module and has a steering wheel which is fastened thereto in a rotationally fixed manner and in which at least one consumer of electrical energy is integrated. A transformer with a primary side fixed in the steering column module and a secondary side non-rotatably connected to the steering wheel shaft is provided for its wireless power supply.
Technischer HintergrundTechnical background
Aktuell verfügbare Kraftfahrzeuge weisen meist eine Wickelfeder auf, welche die elektrische Verbindung zum rotierenden Lenkrad über das mit dem Fahrzeugaufbau fest verbundene Lenksäulenmodul herstellt. Auf diese Weise ermöglicht die Wickelfeder die Kommunikation mit den Multifunktionstasten im Lenkrad, deren Beleuchtung beziehungsweise Hinterleuchtung, die Erkennung der Betätigung des Signalhorns sowie die elektrische Energieversorgung der Lenkradheizung, der im Lenkrad eingebauten Airbag-Sprengkapsel und eines gegebenenfalls als ein kapazitiver Sensor aufgebauten Lenkrades für die Hands-Off-Erkennung.Motor vehicles that are currently available usually have a coil spring that establishes the electrical connection to the rotating steering wheel via the steering column module that is firmly connected to the vehicle body. In this way, the spiral spring enables communication with the multifunction buttons in the steering wheel, their lighting or backlighting, detection of the activation of the signal horn and the electrical energy supply to the steering wheel heating, the airbag detonator built into the steering wheel and a steering wheel that may be constructed as a capacitive sensor for the Hands-off detection.
In aktuellen Fahrzeugen ist das Lenkrad typischerweise mechanisch über eine drehfest mit dem Lenkrad verbundene Lenkradwelle, eine über ein Kardangelenk verbundene Lenkzwischenwelle und ein Ritzel mit der Zahnstange verbunden, die die Lenkradstellung an die Spurstangen der Räder weitergibt. Die Wickelfeder ist vor Überdrehen und Reißen dadurch geschützt, dass die Lenkradbewegung in einem bestimmten Winkel durch einen mechanischen Endanschlag der Zahnstange unterbunden wird.In current vehicles, the steering wheel is typically mechanically connected to the rack via a steering wheel shaft that is non-rotatably connected to the steering wheel, an intermediate steering shaft connected via a cardan joint, and a pinion, which transmits the steering wheel position to the tie rods of the wheels. The clock spring is protected against over-tightening and tearing by preventing the steering wheel movement at a certain angle by a mechanical end stop on the rack.
Steer-by-Wire- (SbW-) Lenksysteme, welche zukünftig im Automobilbereich in Großserie eingesetzt werden können, verfügen hingegen über keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe bzw. den gelenkten Rädern des Fahrzeugs. Das Handmoment, welches die Rückmeldung der Straße bzw. der Reifen an das Lenkrad wiedergibt, wird bei SbW-Lenksystemen künstlich mittels einer elektrischen Antriebseinheit, die als Force-Feedback-Aktuator (FFA) bezeichnet wird, erzeugt.In contrast, steer-by-wire (SbW) steering systems, which can be used in large series in future in the automotive sector, have no mechanical connection between the steering wheel and the steering gear or the steered wheels of the vehicle. In SbW steering systems, the manual torque that reflects the feedback from the road or the tires to the steering wheel is generated artificially using an electric drive unit, which is referred to as a force feedback actuator (FFA).
Wird in einem SbW-System eine Wickelfeder eingesetzt, um die Energieversorgung und Kommunikation zum Lenkrad zu gewährleisten, muss das Lenkrad auch über einen nichtüberlenkbaren Endanschlag verfügen, um ein Überdrehen und Reißen der Wickelfeder zu verhindern, weil der mechanische Endanschlag im Lenkgetriebe nicht mehr zur Verfügung steht. Dieser Endanschlag könnte entweder mechanisch sein und in das Lenksäulenmodul integriert werden (was einen zusätzlichen Platzbedarf bedeuten würde) oder vom FFA elektromagnetisch erzeugt werden (was wiederum einen hohen zusätzlichen Strombedarf und mehr Platzbedarf bedeuten würde, da hierfür ein größerer FFA benötigt wird, um die benötigten höheren Drehmomente zu stellen). In diesem Zusammenhang sind einige verschiedene Ansätze bekannt:
- Beispielsweise wird nach einem dieser Ansätze eine Wickelfeder gar nicht benötigt, wenn diejenigen Teile des Lenkrades, die eine Energieversorgung benötigen und mit dem Rest des Fahrzeuges kommunizieren, fest stehen bleiben. Allerdings muss hierfür eine neuartige Lenkradarchitektur entwickelt und gefertigt werden. Weiterhin gibt es bei diesem Ansatz keine mit dem Lenkrad mitrotierenden Tasten/Steuerelemente. Dadurch verändert sich die Position der Fahrerhand zu den zu bedienenden Steuerelementen mit jeder Lenkbewegung. Mitrotierende Tasten hingegen würden sicherstellen, dass diese sich immer in Griffweite des Daumens befinden.
- For example, according to one of these approaches, a coil spring is not required at all if those parts of the steering wheel that require an energy supply and communicate with the rest of the vehicle remain stationary. However, a new kind of steering wheel architecture has to be developed and manufactured for this. Furthermore, with this approach there are no buttons/controls rotating with the steering wheel. As a result, the position of the driver's hand in relation to the controls to be operated changes with every steering movement. Rotating keys, on the other hand, would ensure that they are always within reach of the thumb.
Bei einem anderen Ansatz wird eine Kupplung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe als Rückfallebene eingesetzt - wird der Softwareendanschlag überlenkt, schließt die Kupplung und es greift der mechanische Endanschlag der Zahnstange. Dadurch kann der Softwareendanschlag überlenkbar sein, bei niedrigerem Strombedarf. Die Kupplung zwischen FFA und Lenkgetriebe ist jedoch ein zusätzliches Bauteil, welches nach erforderlichen Normen entwickelt und integriert werden muss. Dadurch entstehen Kosten, Aufwand, ein größerer Bauraumanspruch und ein größerer Aufwand, die mechanischen Kopplungselemente beim Versenken der Lenksäule zu verstauen. Weiterhin ist die Lösung unter Umständen haptisch auffällig: Schließt die Kupplung während eines dynamischen Lenkmanövers, kann es zu einer mechanisch verriegelten Asynchronität zwischen der Lenkradposition und der Position der gelenkten Räder kommen.Another approach uses a clutch between the steering wheel and the steering gear as a fallback level - if the software end stop is oversteered, the clutch closes and the mechanical end stop of the rack engages. As a result, the software end stop can be oversteered with a lower power requirement. However, the coupling between the FFA and the steering gear is an additional component that must be developed and integrated in accordance with the required standards. This results in costs, effort, a larger space requirement and a greater effort to stow the mechanical coupling elements when lowering the steering column. Furthermore, the solution may be haptically noticeable: If the clutch closes during a dynamic steering maneuver, there may be a mechanically locked asynchrony between the steering wheel position and the position of the steered wheels.
Ferner sind Ansätze zur drahtlosen Kommunikation und Energieversorgung des Lenkrades über Luft-Transformatoren bekannt, die ebenfalls den Entfall der Wickelfeder ermöglichen:
- So beschreibt
DE 10 2018 219 167 A1
- So describes
DE 10 2018 219 167 A1
Weiterhin zeigt
Diese Lösungen haben einen Nachteil, dass aufgrund des Übertragungsmediums Luft der Abstand zwischen der fest im Fahrzeug verbauten Primärseite und der rotierenden Sekundärseite des Transformators sehr klein ausfallen muss, da Luft eine sehr niedrige magnetische Permeabilität (µ~1) aufweist. Zum einen sind dadurch die Möglichkeiten für die räumliche Anordnung eingeschränkt: so bleibt beispielsweise zwischen der feststehenden Primärseite und der mit dem Lenkrad rotierenden Sekundärseite kein Platz für ein Lenkstockschaltermodul, wie es in heutigen Fahrzeugen zum Blinken, zur Betätigung der Scheibenwischer und zur Ansteuerung des Fernlichts üblich ist. Zum anderen ist dabei auch der Wirkungsgrad der elektrischen Leistungsübertragung zu gering, um größere elektrische Verbraucher, wie beispielsweise eine Lenkradheizung, effizient zu versorgen.These solutions have the disadvantage that because air is the transmission medium, the distance between the primary side permanently installed in the vehicle and the rotating secondary side of the transformer must be very small, since air has a very low magnetic permeability (µ~1). On the one hand, this limits the possibilities for spatial arrangement: for example, there is no space between the fixed primary side and the secondary side rotating with the steering wheel for a steering column switch module, as is common in today's vehicles for flashing indicators, operating the windshield wipers and activating the high beam is. On the other hand, the efficiency of the electrical power transmission is also too low to efficiently supply larger electrical consumers, such as a steering wheel heater.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives oder verbessertes Lenksystem für ein Fahrzeug bereitzustellen. Die Erfindung richtet sich dabei auf denjenigen Teil der Infrastruktur, der einen Entfall der Wickelfeder ermöglichen soll. Dabei kann es insbesondere auch Aufgabe der Erfindung sein, die bekannte Lenkradarchitektur mit mitdrehenden Lenkradtasten und einem Lenkstockschaltermodul nach heutigem Standard beibehalten zu können. Ferner kann es dabei insbesondere auch Aufgabe der Erfindung sein, eine energieeffiziente Versorgung großer elektrischer Verbraucher wie einer Lenkradheizung zu ermöglichen.It is an object of the present invention to provide an alternative or improved steering system for a vehicle. The invention is aimed at that part of the infrastructure that is intended to make it possible to dispense with the coil spring. It can also be an object of the invention, in particular, to be able to retain the known steering wheel architecture with rotating steering wheel buttons and a steering column switch module according to today's standard. Furthermore, it can also be an object of the invention to enable an energy-efficient supply of large electrical loads such as a steering wheel heater.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Diese Aufgaben werden durch ein Lenksystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug, das mit einem solchen Lenksystem ausgestattet ist, gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für das Lenksystem genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.These objects are achieved by a steering system according to claim 1 and by a vehicle equipped with such a steering system, according to the independent claim. Further developments are specified in the dependent claims. All further features and effects mentioned in the claims and the description for the steering system also apply in relation to the vehicle, and vice versa.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen. Das Lenksystem weist ein Lenksäulenmodul auf, das für eine unbewegliche Anordnung im Fahrzeug (in der Regel gegenüber einem Fahrersitz) ausgelegt ist und optional zur individuellen Anpassung an den Fahrer in einer oder mehreren Richtungen als Ganzes verstellbar sein kann. So kann das Lenksäulenmodul beispielsweise in axialer Richtung der Lenkradwelle verstellbar sein, um das Lenkrad an die Sitzposition des Fahrers in Längsrichtung des Fahrzeugs anzupassen, und/oder es kann in vertikaler Richtung zur Anpassung an die Sitzhöhe und Größe des Fahrers verstellbar sein. Die genannte Verstellbarkeit kann manuell vom Fahrer selbst und/oder durch geeignete Aktuatoren elektrisch ausführbar sein.According to a first aspect, a steering system for a vehicle, in particular for a motor vehicle, is provided. The steering system includes a steering column module that is designed to be fixed in the vehicle (typically opposite a driver's seat) and optionally adjustable as a whole in one or more directions for individual adjustment to the driver. For example, the steering column module can be adjustable in the axial direction of the steering wheel shaft to adapt the steering wheel to the driver's seating position in the longitudinal direction of the vehicle and/or it can be adjustable in the vertical direction to adapt to the driver's seat height and size. Said adjustability can be carried out manually by the driver himself and/or electrically by means of suitable actuators.
Weiterhin umfasst das Lenksystem eine im Lenksäulenmodul drehbar gelagerte Lenkradwelle mit einem an der Lenkradwelle drehfest befestigten Lenkrad, in dem mindestens ein Verbraucher elektrischer Energie (nachfolgend auch einfach Verbraucher oder elektrischer Verbraucher genannt) integriert ist. Dabei kann es sich beispielsweise, jedoch nicht beschränkend, um einen oder mehrere von folgenden Verbrauchern handeln:
- - eine Lenkradheizung und/oder einen anderen großen Verbraucher, der einen elektrischen Verbrauch von mindestens etwa 30 W, mindestens etwa 40 W oder mindestens etwa 50 W aufweist;
- - eine oder mehrere Lenkradtasten zur Bedienung des Fahrzeugs (beispielsweise zur Steuerung einer Geschwindigkeitsregelanlage) oder eines darin integrierten Infotainment-Systems (beispielsweise eines Radios oder eines Navigationssystems);
- - einen kapazitiven Hands-Off-Erkennungssensor, der zum Erkennen, ob die Hände des Fahrers nicht am Lenkrad sind, ausgebildet ist;
- - einen Airbag;
- - einen Aktuator, der zum Auf- und Zusammenklappen des Lenkrads zu dessen Verkleinerung ausgebildet ist, um das Verstauen des Lenkrads im Inneren der Instrumententafel bei einem hochautomatisierten Fahrbetrieb, wenn es gerade nicht benötigt wird, zu erleichtern.
- - a steering wheel heater and/or other large consumer that has an electrical consumption of at least about 30 W, at least about 40 W or at least about 50 W;
- - One or more steering wheel buttons for operating the vehicle (e.g. to control a cruise control system) or an infotainment system integrated therein (e.g. a radio or a navigation system);
- - A capacitive hands-off detection sensor, which is designed to detect whether the driver's hands are not on the steering wheel;
- - an air bag;
- - an actuator which is designed to fold and unfold the steering wheel to reduce it, in order to facilitate stowage of the steering wheel inside the instrument panel during highly automated driving when it is not needed.
Die Lenkradheizung kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, vorwiegend die Oberfläche des Lenkrads und möglichst wenig von dessen Innerem zu erwärmen, um den vergleichsweise hohen Verbrauch elektrischer Energie von typischerweise etwa 50 W für die Lenkradheizung zu minimieren.The steering wheel heater can be designed in particular to primarily heat the surface of the steering wheel and as little as possible of its interior in order to minimize the comparatively high consumption of electrical energy of typically around 50 W for the steering wheel heater.
Ferner umfasst das Lenksystem einen zur drahtlosen Energieversorgung der im Lenkrad integrierten Verbraucher ausgebildeten Transformator. Hierzu umfasst der Transformator eine im Lenksäulenmodul fixierte Primärspule, eine drehfest mit der Lenkradwelle verbundene Sekundärspule sowie einen integrierten Eisenkern aus einem weichmagnetischen Material. Dabei ist der Eisenkern zumindest teilweise von der Lenkradwelle gebildet und/oder zumindest teilweise drehfest mit der Lenkradwelle verbunden. Um eine zur Verfügung stehende Gleichspannung in eine transformierbare Wechselspannung umzuwandeln, kann ein der Primärspule vorgeschalteter Wechselrichter vorgesehen sein. Um die transportierte Wechselspannung in eine nutzbare Gleichspannung zu wandeln, kann ein der Sekundärspule nachgeschalteter Gleichrichter vorgesehen sein.Furthermore, the steering system includes a transformer designed for the wireless power supply of the consumers integrated in the steering wheel. For this purpose, the transformer comprises a primary coil fixed in the steering column module, a secondary coil non-rotatably connected to the steering wheel shaft and an integrated iron core made of a soft magnetic material. The iron core is formed at least partially by the steering wheel shaft and/or is at least partially non-rotatably connected to the steering wheel shaft. In order to convert an available DC voltage into a transformable AC voltage, an inverter connected upstream of the primary coil can be provided. In order to convert the transported AC voltage into a usable DC voltage, a rectifier can be provided downstream of the secondary coil.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, als Ersatz für die eingangs erwähnte Wickelfeder im Lenksystem einen geeigneten Transformator bereitzustellen, der dank einem in der Lenkradwelle integrierten oder damit drehfest verbundenen Eisenkern einen deutlich höheren Wirkungsgrad als bei den eingangs erwähnten Lösungsansätzen aufweisen kann, um auch große elektrische Verbraucher wie die Lenkradheizung energieeffizienter als bei einem Luft-Transformator und beispielsweise auch über eine Distanz von mindestens 10 cm versorgen zu können. Die Energieversorgung ist dabei insbesondere für elektrische Verbraucher wie Lenkradtasten, Lenkradheizung und Hands-off-Erkennung sicherzustellen. Da vor allem die Lenkradheizung einen großen elektrischen Verbraucher (~50W) darstellt, ist hierfür eine Übertragung mit möglichst hohem Wirkungsgrad erforderlich. Diese Bedingung ist mit einem Transformator der hierin dargelegten Art mit integriertem Eisenkern und entsprechender Bauform erfüllbar.One idea of the invention is to provide a suitable transformer as a replacement for the winding spring mentioned at the beginning in the steering system, which, thanks to an iron core integrated in the steering wheel shaft or connected to it in a rotationally fixed manner, can have a significantly higher efficiency than the solution approaches mentioned at the beginning, in order to also be able to handle large electrical To be able to supply consumers such as the steering wheel heater more energy-efficiently than with an air transformer and, for example, over a distance of at least 10 cm. The energy supply must be ensured in particular for electrical consumers such as steering wheel buttons, steering wheel heating and hands-off detection. Since the steering wheel heating in particular represents a large electrical consumer (~50W), transmission with the highest possible efficiency is required for this. This condition can be met with a transformer of the type presented here with an integrated iron core and a corresponding design.
Gleichzeitig kann dabei eine informationstechnische Kommunikation zwischen dem Lenkrad (d. h. den darin integrierten elektrischen Verbrauchern wie Tasten, Sensoren und Aktuatoren) und beispielsweise einer im Lenksäulenmodul angeordneten Steuerungseinheit über einen geeigneten drahtlosen Übertragungsstandard (ZigBee, Bluetooth LE, ...) oder als ein aufmoduliertes Signal über den Transformator implementiert sein. Wie ebenfalls nachfolgend im Detail beschrieben, kann dabei auch die bekannte Lenkradarchitektur mit mitdrehenden Lenkradtasten und einem Lenkstockschaltermodul nach heutigem Standard beibehalten werden.At the same time, information technology communication can take place between the steering wheel (i.e. the electrical consumers integrated therein, such as buttons, sensors and actuators) and, for example, a control unit arranged in the steering column module via a suitable wireless transmission standard (ZigBee, Bluetooth LE, ...) or as a modulated signal be implemented via the transformer. As also described in detail below, the known steering wheel architecture with rotating steering wheel buttons and a steering column switch module according to today's standard can also be retained.
Gemäß einer Ausführungsform bildet die Lenkradwelle den Eisenkern des Transformators. Die im Lenksäulenmodul fixierte Primärspule ist bei dieser Ausführungsform in Form eines Hohlzylinders um einen im Lenksäulenmodul gelagerten axialen Abschnitt der Lenkradwelle aufgewickelt, wobei ein minimaler radialer Luftspalt zwischen dem Hohlzylinder und der Lenkradwelle verbleibt, der zur Streuverlustminimierung nur gerade so groß ist, dass sich die Lenkradwelle relativ zum Hohlzylinder ohne Reibung drehen kann. Die Sekundärspule ist bei dieser Ausführungsform fest auf die Lenkradwelle in deren lenkradseitigem axialen Abschnitt gewickelt, wiederum um Streuverluste zu minimieren. Auf diese Weise lässt sich beim Transformator ein sehr hoher Wirkungsgrad von beispielswese mindestens 50%, insbesondere sogar mehr als 60%, erreichen.According to one embodiment, the steering wheel shaft forms the iron core of the transformer. In this embodiment, the primary coil fixed in the steering column module is wound in the form of a hollow cylinder around an axial section of the steering wheel shaft that is mounted in the steering column module, with a minimal radial air gap remaining between the hollow cylinder and the steering wheel shaft, which is only just large enough to minimize stray loss for the steering wheel shaft to move can rotate relative to the hollow cylinder without friction. In this embodiment, the secondary coil is firmly wound onto the steering wheel shaft in its axial section on the steering wheel side, again in order to minimize stray losses. In this way, a very high efficiency of, for example, at least 50%, in particular even more than 60%, can be achieved in the transformer.
Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform weist der Transformator einen Aufbau auf, bei dem der Eisenkern die Windungen der statischen Primärspule und der rotierenden Sekundärspule umgibt und hierzu zwei relativ zueinander drehbare Abschnitte aufweist. (Ein derartiger Transformatoraufbau wird manchmal mit der geläufigen Bezeichnung „Rotationstransformator“ gleichgesetzt, die daher auch hierin für diese Ausführungsform genutzt wird.) Dabei umfasst der Eisenkern (in axialer Richtung der Lenkradwelle) einen im Lenksäulenmodul fixierten primärseitigen Eisenkernabschnitt und einen relativ dazu rotierenden sekundärseitigen Eisenkernabschnitt, der drehfest mit der Lenkradwelle verbunden ist. Um Streuverluste zu minimieren, sind diese beiden Eisenkernabschnitte nur durch einen minimalen axialen Luftspalt voneinander getrennt, der gerade so groß ist, dass sich der sekundärseitige Eisenkernabschnitt relativ zum primärseitigen Eisenkernabschnitt ohne Reibung drehen kann. Dabei umgibt der primärseitige Eisenkernabschnitt die Wicklungen der Primärspule und/oder nimmt sie in seinem Inneren auf, und der sekundärseitige Eisenkernabschnitt umgibt die Wicklungen der Sekundärspule und/oder nimmt sie in seinem Inneren auf.In an alternative embodiment, the transformer has a structure in which the iron core surrounds the turns of the static primary coil and the rotating secondary coil and has two relatively rotatable sections for this purpose. (Such a transformer structure is sometimes equated with the common term "rotary transformer", which is therefore also used here for this embodiment.) The iron core comprises (in the axial direction of the steering wheel shaft) a primary-side iron core section fixed in the steering column module and a secondary-side iron core section rotating relative thereto , which is non-rotatably connected to the steering wheel shaft. In order to minimize stray losses, these two iron core sections are only separated from one another by a minimal axial air gap, which is just big enough for the secondary-side iron core section to rotate relative to the primary-side iron core section without friction. The primary-side iron core portion surrounds and/or houses the windings of the primary coil and the secondary-side iron core portion surrounds and/or houses the windings of the secondary coil.
Diese Ausführungsform zeichnet sich somit durch einen nahezu geschlossenen Eisenkern mit einem minimalen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators. Auch mit diesem Aufbau lässt sich daher ein sehr hoher Wirkungsgrad von beispielswese mindestens 50%, insbesondere sogar mehr als 60%, erreichen. Ein derartiger Rotationstransformator kann allerdings filigraner und damit auch aufwendiger in der Herstellung als eine einfache magnetisierbare Lenkradwelle sein.This embodiment is thus characterized by an almost closed iron core with a minimal air gap between the primary and secondary sides of the transformer. Also with this one A very high degree of efficiency of, for example, at least 50%, in particular even more than 60%, can therefore be achieved with this structure. However, such a rotary transformer can be more filigree and therefore more expensive to produce than a simple magnetizable steering wheel shaft.
Insbesondere kann das Lenksystem der hierin dargelegten Art als ein Steer-by-Wire-Lenksystem ausgebildet sein, bei dem es keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Fahrzeugrädern gibt, und ein vom Fahrer am Lenkrad angelegtes Handmoment in geeigneter Weise elektrisch an die Räder weitergegeben wird. In diesem Fall weist das Lenksystem einen elektrischen Rückkopplungsmotor (hierin auch Force-Feedback-Aktuator, FFA, genannt) auf, der zur Erzeugung eines Handmoments, welches eine Rückmeldung von der Straße beziehungsweise den Fahrzeugrädern an das Lenkrad wiedergibt, ausgebildet ist.In particular, the steering system of the type set forth herein may be embodied as a steer-by-wire steering system in which there is no mechanical connection between the steering wheel and the steered vehicle wheels, and manual torque applied by the driver to the steering wheel is suitably electrically applied to the wheels is passed on. In this case, the steering system has an electric feedback motor (also referred to herein as a force feedback actuator, FFA) that is designed to generate a manual torque that reflects feedback from the road or the vehicle wheels to the steering wheel.
Gemäß einer Ausführungsform dieses Steer-by-Wire-Lenksystems ist ein Rotor des FFA mit der Lenkradwelle über ein (beispielsweise im Lenksäulenmodul angeordnetes) Getriebe verbunden. Das Getriebe ist hierbei zur Reduktion der Rotordrehzahl bei gleichzeitiger Drehmomenterhöhung ausgebildet. Damit kann der FFA kleiner ausfallen und benötigt im Betrieb weniger Strom, muss sich dafür aber schneller drehen können.According to one embodiment of this steer-by-wire steering system, a rotor of the FFA is connected to the steering wheel shaft via a gearbox (located, for example, in the steering column module). The transmission is designed to reduce the rotor speed with a simultaneous increase in torque. This allows the FFA to be smaller and requires less power to operate, but it must be able to rotate faster.
Einer hierzu alternativen Ausführungsform liegt folgende Überlegung zugrunde: Da an der Lenksäule der Force-Feedback-Aktuator sitzt, dessen Stator erhebliche Induktivitäten aufweist, könnte dieser vorliegend grundsätzlich auch als Primärseite des Transformators dienen (vgl.
Mit anderen Worten bildet bei dieser Ausführungsform der Stator des FFAs gleichzeitig die Primärseite bzw. die Primärspule des Transformators der hierin dargelegten Art, während die Sekundärspule des Transformators auf einem Rotor des FFAs fest aufgewickelt, d. h. an diesem fixiert ist. Dadurch kann die Induktivität des FFAs auch zur Energieübertragung (Transformatorfunktion) benutzt werden. Da der Rotor die Sekundärseite des Transformators bildet, muss der Rotor aber zwangsläufig mit der Lenkraddrehzahl rotieren. Dies bedeutet, dass zwischen dem FFA und dem Lenkrad kein Getriebe eingesetzt werden kann und der FFA daher zur Erreichung der notwendigen Handmomente unverhältnismäßig groß und stromintensiv ausgelegt sein muss.In other words, in this embodiment the stator of the FFA simultaneously forms the primary side or primary coil of the transformer of the type set forth herein, while the secondary coil of the transformer is tightly wound, i.e. wound, on a rotor of the FFA. H. is fixed to this. This means that the inductance of the FFA can also be used to transfer energy (transformer function). Since the rotor forms the secondary side of the transformer, the rotor must inevitably rotate at the steering wheel speed. This means that no gear can be used between the FFA and the steering wheel and the FFA must therefore be designed to be disproportionately large and power-intensive in order to achieve the necessary manual torques.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung umfasst das Lenksystem ferner einen im Lenkrad angeordneten oder drehfest mit der Lenkradwelle verbundenen Akkumulator (Akku) als einen elektrischen Zwischenspeicher zur Energieversorgung des mindestens einen elektrischen Verbrauchers. Energiespitzen können so besser abgefedert werden. Dabei kann das Lenksystem insbesondere dazu eingerichtet sein, den Akku über den sekundärseitigen Gleichrichter des Transformators automatisch in einem geeigneten Intervallbetrieb aufzuladen, der beispielsweise abhängig von seiner Restladung festgelegt sein kann. Beispielsweise kann ein geeigneter Intervallbetrieb dadurch definiert sein, dass der Akku immer erst dann wieder aufgeladen wird, wenn seine Restladung unter einen vorbestimmten Schwellenwert gefallen ist. Auf diese Weise kann das Starten des Transformators im Falle nur eines geringen Energieverbrauchs, der beispielsweise durch das Betätigen von Lenkradtasten hin und wieder entstehen kann, eingespart werden.In a specific embodiment, the steering system also includes an accumulator (accumulator) arranged in the steering wheel or connected non-rotatably to the steering wheel shaft as an intermediate electrical store for supplying energy to the at least one electrical consumer. Energy peaks can thus be cushioned better. In this case, the steering system can be set up in particular to automatically charge the rechargeable battery via the secondary-side rectifier of the transformer in a suitable interval operation, which can be defined as a function of its residual charge, for example. For example, a suitable interval operation can be defined in that the battery is only recharged when its remaining charge has fallen below a predetermined threshold value. In this way, the starting of the transformer can be saved in the case of only a small amount of energy consumption, which can arise, for example, from pressing steering wheel buttons every now and then.
Insbesondere kann das Lenksystem ferner ein Lenkstockschaltermodul umfassen, das mechanisch fest mit dem Lenksäulenmodul verbunden ist und im Fahrzeug zwischen einer Instrumententafel und dem Lenkrad angeordnet ist. Das Lenkstockschaltermodul kann beispielsweise in an sich bekannter Weise Lenkstockschalter wie Fahrtrichtungsanzeiger (Blinker), Abblend-/Fernlicht-Umschalter, Scheibenwischersteuerung, und vieles mehr umfassen.In particular, the steering system can further comprise a steering column switch module which is mechanically fixed to the steering column module and is arranged in the vehicle between an instrument panel and the steering wheel. The steering column switch module can include, for example, in a manner known per se, steering column switches such as direction indicators (indicators), low beam/high beam switch, windshield wiper control, and much more.
Bildet dabei die Lenkradwelle gemäß der weiter oben erwähnten Ausführungsform (vgl.
das Lenkstockschaltermodul axial zwischen der Primärspule und der Sekundärspule des Transformators angeordnet sein. Durch den Eisenkern als Verbindungselement kann der Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule - im Gegensatz zu den bekannten Lösungen mit Luft-Transformatoren - vergrößert werden und das Lenkstockschaltermodul passt zwischen das Lenksäulenmodul und das Lenkrad. Dabei ist eine effizientere Versorgung auch großer elektrischer Verbraucher wie der Lenkradheizung trotz eines vergrößerten Abstands von beispielsweise etwa 10 cm oder mehr zwischen Primär- und Sekundärspule möglich.Forms the steering wheel shaft according to the embodiment mentioned above (cf.
the steering column switch module can be arranged axially between the primary coil and the secondary coil of the transformer. With the iron core as a connecting element, the distance between the primary and secondary coils - in contrast to the known solutions with air transformers - can be increased and the steering column switch module fits between the steering column module and the steering wheel. A more efficient supply of large electrical consumers such as the steering wheel heating is possible despite an increased distance of, for example, about 10 cm or more between the primary and secondary coil.
Insbesondere kann der Eisenkern des Transformators zur Senkung von Wirbelstromverlusten aus geschichtetem elektrisch isolierten Elektroblech gefertigt sein. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Transformators kann das Material des Eisenkerns eine möglichst hohe magnetische Permeabilität von beispielsweise mindestens 10000, insbesondere mindestens 25000, idealerweise mindestens 50000 oder noch mehr, aufweisen. Ein geeignetes Material für den Eisenkern stellen beispielsweise sogenannte µ-Metalle (FeNi-Verbindungen) dar, deren magnetische Permeabilität je nach Zusammensetzung bis hin zu 140000 betragen kann (µ-50000... 140000).In particular, the iron core of the transformer can reduce eddy current losses be made of layered electrically insulated electrical steel. To increase the efficiency of the transformer, the material of the iron core can have as high a magnetic permeability as possible, for example at least 10,000, in particular at least 25,000, ideally at least 50,000 or even more. A suitable material for the iron core is, for example, what are known as µ-metals (FeNi compounds), whose magnetic permeability can be up to 140,000 (µ-50,000...140,000) depending on the composition.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, vorgesehen, das mit einem Lenksystem der hierin dargelegten Art ausgestattet ist. Weist das Fahrzeug beispielsweise einen Fahrersitz und eine davor angeordnete Instrumententafel auf, so kann
das Lenksäulenmodul des Lenksystems in der Instrumententafel fixiert sein und zur individuellen Anpassung an den Fahrer in einer oder mehreren Richtungen als Ganzes verstellbar sein, insbesondere in axialer Richtung der Lenkradwelle, um das Lenkrad an die Sitzposition des Fahrers in einer Längsrichtung des Fahrzeugs anzupassen, und in vertikaler Richtung zur Anpassung an die Sitzhöhe und Größe des Fahrers.According to a further aspect, a vehicle, in particular a motor vehicle, is provided which is equipped with a steering system of the type presented here. If the vehicle has, for example, a driver's seat and an instrument panel arranged in front of it, it can
the steering column module of the steering system be fixed in the instrument panel and be adjustable as a whole in one or more directions for individual adjustment to the driver, in particular in the axial direction of the steering wheel shaft in order to adjust the steering wheel to the driver's seating position in a longitudinal direction of the vehicle, and in vertical direction to adapt to the seat height and size of the driver.
Generell kann das erfindungsgemäße Lenksystem, das keine eingangs erwähnte Wickelfeder benötigt, folgende Vorteile haben:
- 1) Im Stillstand bei abgeschaltetem Fahrzeug kann das Lenkrad unendlich oft frei gedreht werden. Ein mechanischer Endanschlag in der Lenksäule als Wickelfederschutz (vgl. den eingangs beschriebenen Stand der Technik) ist nicht mehr nötig und kann entfallen, was Kosten und Bauraum spart.
- 2) Das Lenkradschloss kann bei einem Steer-by-Wire-System ebenfalls entfallen, da die Lenkung ohne Einschalten der elektrischen Versorgung des Lenksystems nicht möglich ist.
- 3) Ein lenkradseitiger Softwareendanschlag kann beliebig weit überlenkt werden, ohne dass es zu Beschädigungen im System kommt. (Damit kann das Haltemomentenniveau im Softwareendanschlag reduziert werden und der Strombedarf des FFAs sinkt.) Sollte der FFA im Fehlerfall nicht das volle Moment stellen können, wird durch das dann mögliche Überlenken keine mechanische Beschädigung hervorgerufen.
- 1) When stationary with the vehicle switched off, the steering wheel can be turned freely indefinitely. A mechanical end stop in the steering column as coil spring protection (cf. the prior art described above) is no longer necessary and can be omitted, which saves costs and installation space.
- 2) The steering wheel lock can also be omitted with a steer-by-wire system, as steering is not possible without switching on the power supply to the steering system.
- 3) A software limit stop on the steering wheel can be oversteered as far as desired without causing damage to the system. (In this way, the holding torque level in the software end stop can be reduced and the power requirement of the FFA decreases.) If the FFA cannot provide the full torque in the event of a fault, no mechanical damage will be caused by the possible oversteering.
Speziell gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Ansätzen, die Luft-zu-Luft-Transformatoren zur drahtlosen Energieversorgung des Lenkrads vorschlagen, hat das erfindungsgemäße Lenksystem zudem folgende Vorteile:
- 1) Durch den Eisenkern wird die magnetische Permeabilität und damit der Wirkungsgrad der Übertragung vergrößert.
- 2) Durch den Eisenkern als Verbindungselement kann der Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule vergrößert werden und das Lenkstockschaltermodul passt zwischen das Lenksäulenmodul und das Lenkrad.
- 3) Durch die freie Anordnung der Spulen (um den Eisenkern gewickelt, Querschnitt frei skalierbar) ist der Betrag der zu übertragenden Energie beliebig skalierbar.
- 1) The iron core increases the magnetic permeability and thus the efficiency of the transmission.
- 2) Using the iron core as a connecting element, the distance between the primary and secondary coils can be increased, and the steering column switch module fits between the steering column module and the steering wheel.
- 3) Due to the free arrangement of the coils (wound around the iron core, freely scalable cross-section), the amount of energy to be transmitted can be scaled as required.
Dies kann anhand der folgenden Beispielrechnung veranschaulicht werden (in diesem Beispiel werden nur gleichgerichtete elektrische Größen betrachtet):
- Lenkradheizung P=50W, U=12V => Strombedarf I=4,17A wird sekundärseitig benötigt. Hieraus resultiert der folgende Strombedarf primärseitig:
- Angenommener Wirkungsgrad 20% (typisch für Luftübertragung): l=4,17A/0,2=20,85A Angenommener Wirkungsgrad 60% (erreichbar mit Eisenkern, selbst bei einem größeren Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule, vgl.
1 ): l=4,17A/0,6=6,95A - Das Ergebnis dieser Beispielrechnung zeigt: Mit einem Eisenkern kann der benötigte primärseitige Strom und damit der Leitungsquerschnitt der Primärspule selbst bei einem für die Unterbringung des Lenkstockschaltermoduls vergrößerten Abstand zwischen der Primär- und Sekundärspule um ein Vielfaches reduziert werden.
- Angenommener Wirkungsgrad 20% (typisch für Luftübertragung): l=4,17A/0,2=20,85A Angenommener Wirkungsgrad 60% (erreichbar mit Eisenkern, selbst bei einem größeren Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule, vgl.
- Steering wheel heating P=50W, U=12V => Current requirement I=4.17A is required on the secondary side. This results in the following power requirement on the primary side:
- Assumed efficiency 20% (typical for air transmission): l=4.17A/0.2=20.85A Assumed efficiency 60% (achievable with iron core, even with a larger distance between primary and secondary coil, cf.
1 ): l=4.17A/0.6=6.95A - The result of this sample calculation shows: With an iron core, the required primary-side current and thus the cable cross-section of the primary coil can be reduced many times over, even with an increased distance between the primary and secondary coils to accommodate the steering column switch module.
- Assumed efficiency 20% (typical for air transmission): l=4.17A/0.2=20.85A Assumed efficiency 60% (achievable with iron core, even with a larger distance between primary and secondary coil, cf.
Figurenlistecharacter list
Oben beschriebene Ausführungsformen und Ausgestaltungsvarianten werden nachfolgend anhand der in beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematisch, sie sind insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu verstehen. Gleiche oder entsprechende Elemente tragen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
-
1a-1c ein Ausführungsbeispiel eines Steer-by-Wire-Lenksystems der hierin dargelegten Art mit einem Eisenkern-Transformator zur Energieversorgung lenkradseitiger Verbraucher und mit einem über ein Getriebe mit der Lenkradwelle verbundenen Force-Feedback-Aktuator, in drei verschiedenen schematischen Ansichten; -
2a-2c einen seitlichen Längsschnitt (2a) des SbW-Lenksystems der1a-1c sowie einen jeweils vergrößerten Querschnitt einer Primärseite (2b) und einer Sekundärseite (2c ) des Transformators mit Blick in axiale Richtung der Lenkradwelle; und -
3 ein zu1a-1c alternatives Ausführungsbeispiel eines Steer-by-Wire-Lenksystems der hierin dargelegten Art mit Nutzung des Stators eines Force-Feedback-Aktuators als Primärseite des Transformators.
-
1a-1c an embodiment of a steer-by-wire steering system of the type set out herein with an iron-core transformer for the energy supply of steering wheel-side consumers and with a force feedback actuator connected to the steering wheel shaft via a transmission, in three different schematic views; -
2a-2c a lateral longitudinal section (2a) of the SbW steering system1a-1c and an enlarged cross section in each case a primary page (2 B) and a secondary side (2c ) of the transformer looking in the axial direction of the steering wheel shaft; and -
3 one to1a-1c alternative embodiment of a steer-by-wire steering system of the type set forth herein utilizing the stator of a force feedback actuator as the primary side of the transformer.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Dabei zeigt
In dem Lenkrad 4 sind einige Verbraucher elektrischer Energie (nicht dargestellt) integriert, unter anderem in diesem Beispiel eine Lenkradheizung und/oder andere große Verbraucher, die allein oder zusammen einen elektrischen Verbrauch von mindestens etwa 50 W aufweisen; sowie eine oder mehrere Lenkradtasten (Multifunktionstasten) in einem schematisch angedeuteten Lenkradbereich 5 und gegebenenfalls weitere Verbraucher (nicht dargestellt) wie ein kapazitiver Hands-Off-Erkennungssensor, ein Airbag oder ein Aktuator zum Auf- und Zusammenklappen des Lenkrads 4 zu dessen Verstauen bei einem hochautomatisierten Fahrbetrieb.Some consumers of electrical energy (not shown) are integrated in the
Zur drahtlosen Energieversorgung der im Lenkrad 4 integrierten Verbraucher umfasst das Lenksystem 1 einen eigens hierfür ausgebildeten und optimierten Transformator 6. Dieser weist eine im Lenksäulenmodul 2 fixierte Primärspule 7, eine drehfest mit der Lenkradwelle 3 verbundene Sekundärspule 8 sowie einen integrierten Eisenkern 9 aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere in Form eines geschichteten elektrisch isolierten Elektroblechs zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten auf. In diesem Beispiel übernimmt die Lenkradwelle 3 gleichzeitig die Funktion des Eisenkerns 9 des Transformators 6 und kann beispielsweise aus geschichteten µ-Metallen (FeNi-Verbindungen) bestehen, die typischerweise eine magnetische Permeabilität von µ~50000 bis 140000 aufweisen.For wireless power supply to the consumers integrated in the
Lenksäulenseitig ist ein Wechselrichter 10 (mit zugehörigen Zuleitungen 11 zum Wechselrichter 10) vorgesehen, der die an Bord des Fahrzeugs zur Verfügung stehende Gleichspannung in eine transformierbare Wechselspannung umwandelt. Die Primärspule 7 des Transformators 6 ist feststehend mit dem Gehäuse des Lenksäulenmoduls 2 verbunden und in seinem Inneren angeordnet. Sie kann beispielsweise als ein Hohlzylinder aufgewickelt sein, um die Oberfläche, die zur magnetfeldübertragenden Lenkradwelle 3 zeigt, zu maximieren. Zwischen der Primärspule 7 und der Lenkradwelle 3 kann dabei nur ein minimaler Luftspalt 14 (vgl.
Die Sekundärspule 8 des Transformators 6 kann fest auf die Lenkradwelle 3 gepresst sein, um Streuverluste zu minimieren, da die Sekundärspule 8 mitsamt Lenkrad 4 in gleicher Drehzahl rotiert wie die Lenkradwelle 3. Sekundärseitig ist ein Gleichrichter 12 (mit zugehörigen Zuleitungen 13 vom Gleichrichter 12 zu den Verbrauchern) vorgesehen, der die transportierte Wechselspannung in eine nutzbare Gleichspannung wandelt. Primär- und Sekundärspule 7, 8 können dieselbe Windungszahl aufweisen, da das Spannungsniveau in diesem Beispiel gleichbleibt.The
Gemäß dem in
Der Transformator 6 und der Force-Feedback-Aktuator M sind in
In der in
Die Querschnittsansicht der Sekundärseite des Transformators 6 in
Im Gegensatz zu
Dabei muss der Rotor 16 fest mit dem Lenkrad 4 verbunden sein, weil sich die Zuleitung 13 der Sekundärspule 8 mit der Lenkraddrehzahl drehen muss, um sich nicht aufzuzwirbeln. Im Gegensatz zu
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lenksystemsteering system
- 22
- Lenksäulenmodulsteering column module
- 33
- Lenkradwellesteering wheel shaft
- 44
- Lenkradsteering wheel
- 55
- Lenkradbereich für LenkradtastenSteering wheel area for steering wheel buttons
- 66
- Transformatortransformer
- 77
- Primärspuleprimary coil
- 88th
- Sekundärspulesecondary coil
- 99
- Eisenkerniron core
- 1010
- Wechselrichterinverter
- 1111
- Zuleitungen zum Wechselrichtersupply lines to the inverter
- 1212
- Gleichrichterrectifier
- 1313
- Zuleitungen vom Gleichrichterleads from the rectifier
- 1414
- Luftspaltair gap
- 1515
- Stator des FFAStator of the FFA
- 1616
- Rotor des FFARotor of the FFA
- 1717
- Permanentmagnetpermanent magnet
- MM
- Force-Feedback-Aktuator, FFA, RückkopplungsmotorForce Feedback Actuator, FFA, Feedback Motor
- WW
- Welle zur Übertragung des FeedbacksWave for transmission of the feedback
- GG
- Getriebetransmission
- AA
- axialer Abstand zwischen Primärspule und Sekundärspuleaxial distance between primary coil and secondary coil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 10258871 A1 [0008]DE 10258871 A1 [0008]
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