AT6683U1

AT6683U1 - SINGLE-WHEEL STEERING SYSTEM FOR MOTOR VEHICLES

Info

Publication number: AT6683U1
Application number: AT0073802U
Authority: AT
Inventors: Stefan Dipl Ing Eitzinger
Original assignee: Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-02-25

Abstract

Ein Einzelradlenksystem für Kraftfahrzeuge besteht aus einem Lenkgehäuse (21), in dem eine erste und eine zweite Schubstange (10, 20) verschiebbar geführt sind, und aus je einem Aktuator (11, 12) für jede Schubstange (10, 20). Um die Aktuatoren möglich klein und leicht zu halten und bei Ausfall eines Aktuators die volle Lenkbarkeit zu behalten, ist der Aktuator (11, 12) von einem Stationärteil (22) gebildet und enthält einen die jeweilige Schubstange (10, 20) umgebenden Rotor (27, 37). wobei zwischen dem Rotor (27, 37) und der verdrehfest geführten Schubstange (10, 20) ein Gewinde (31, 32) vorgesehen ist. Die beiden Rotoren (27, 37) werden bei Ausfall eines Aktuators (11; 12) über eine Kupplungsmuffe (42) praktisch spielfrei miteinander verbunden.An independent wheel steering system for motor vehicles consists of a steering housing (21), in which a first and a second push rod (10, 20) are slidably guided, and an actuator (11, 12) for each push rod (10, 20). In order to keep the actuators as small and light as possible and to maintain full steerability in the event of an actuator failure, the actuator (11, 12) is formed by a stationary part (22) and contains a rotor (27 surrounding the respective push rod (10, 20) , 37). a thread (31, 32) being provided between the rotor (27, 37) and the non-rotatably guided push rod (10, 20). If one actuator (11; 12) fails, the two rotors (27, 37) are connected to one another with virtually no play via a coupling sleeve (42).

Description

AT 006 683 UlAT 006 683 Ul

Die Erfindung betrifft ein Einzelradlenksystem für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Lenkgehäuse, in dem eine erste und eine zweite Schubstange verschiebbar geführt sind, und aus je einem Aktuator für jede Schubstange, wobei an den äußeren Enden der Schubstangen je ein inneres Spurstangengelenk zur Verbindung mit der jeweiligen Spurstange vorgesehen ist, deren anderes Ende auf den Spurhebel eines lenkbaren Rades wirkt.The invention relates to an independent wheel steering system for motor vehicles, consisting of a steering housing in which a first and a second push rod are slidably guided, and an actuator for each push rod, with an inner tie rod joint at the outer ends of the push rods for connection to the respective one Tie rod is provided, the other end acts on the track lever of a steerable wheel.

Die Entwicklung vollelektronischer Lenksysteme (,$teer-by-wire“) führt auch zur individuellen Bewegung jedes einzelnen gelenkten Rades durch einen eigenen Aktuator. Wenn auch die von jedem Aktuator aufzubringende Lenkkraft kleiner als die eines gemeinsamen Aktuators ist, so erfordert die Verdoppelung des Lenkaktuators eine möglichst platzsparende und leichte Konstruktion. Dabei sollen für eine präzise Lenkung die Summe der Spiele möglichst klein sein. Weiters erfordert es die Fahrsicherheit, bei Ausfall eines Aktuators die ausreichende Lenkbarkeit des Fahrzeuges sicherzustellen. 2 AT 006 683 UlThe development of fully electronic steering systems ("$ tar-by-wire") also leads to the individual movement of each steered wheel by means of its own actuator. Even if the steering force to be exerted by each actuator is smaller than that of a common actuator, doubling the steering actuator requires a space-saving and lightweight construction. The sum of the games should be as small as possible for precise steering. Furthermore, driving safety requires ensuring that the vehicle is sufficiently steerable in the event of an actuator failure. 2 AT 006 683 Ul

Aus der US 4,741,409 ist ein gattungsgemäßes Einzelradlenksystem bekannt, dessen Aktuatoren Elektromotoren mit angeblocktem Untersetzungsgetriebe sind, deren Abtriebsritzel in eine zahnstangenartig ausgebildete Schubstange eingreift. Um bei Ausfall eines Aktuators ein Minimum an Lenkbarkeit aufrechtzuerhalten, sind die beiden Schubstangen ineinander verschiebbar, wobei die Verschiebbarkeit durch Anschläge begrenzt ist. Ein derartiger Aktuator ist zunächst sperrig und schwer. Die aufeinanderfolgenden Zahneingriffe, insbesondere der zwischen dem letzten Ritzel und der Zahnstange, fuhren zu einem erheblichen Lenkspiel. Die die Verschiebbarkeit der beiden Schubstangen ineinander begrenzenden Anschläge müssen weit genug von den jeweiligen Gegenflächen entfernt sein, damit die Lenkung im Normalbetrieb nicht beeinträchtigt wird. Dadurch aber wird die Lenkbarkeit bei Ausfall eines Aktuators stark eingeschränkt, weil das Rad mit dem defekten Aktuator zwischen den beiden Anschlägen frei beweglich ist.From US 4,741,409 a generic independent wheel steering system is known, the actuators of which are electric motors with blocked reduction gears, the output pinion of which engages in a rack-shaped connecting rod. In order to maintain a minimum of steerability in the event of an actuator failure, the two push rods can be moved into one another, the movement being limited by stops. Such an actuator is bulky and heavy at first. The successive meshing operations, in particular between the last pinion and the rack, lead to considerable steering play. The stops limiting the displaceability of the two push rods into one another must be far enough from the respective counter surfaces so that the steering is not impaired in normal operation. However, this severely limits the steerability in the event of an actuator failure because the wheel with the defective actuator can move freely between the two stops.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Lenkung so auszubilden, dass die Aktuatoren möglichst klein und leicht sind und nebstbei so, dass bei Ausfall eines Aktuators die volle Lenkbarkeit erhalten bleibt.It is therefore an object of the invention to design a generic steering system in such a way that the actuators are as small and light as possible, and besides that in the event of an actuator failure, full steerability is retained.

Erfindungsgemäß ist der Aktuator von einem Stationärteil gebildet und enthält einen die jeweilige Schubstange umgebenden Rotor, wobei zwischen dem Rotor und der verdrehfest geführten Schubstange ein Gewinde vorgesehen ist. Durch die Direktverbindung zwischen Rotor und Schubstange über ein Gewinde erübrigt sich ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe, dadurch Verringerung von Bauraum und Gewicht, und erfolgt die Kraftübertragung praktisch spielfrei. 3 AT 006 683 UlAccording to the invention, the actuator is formed by a stationary part and contains a rotor surrounding the respective push rod, a thread being provided between the rotor and the non-rotatably guided push rod. The direct connection between the rotor and the push rod via a thread eliminates the need for a multi-stage reduction gear, thereby reducing installation space and weight, and the power transmission is practically free of play. 3 AT 006 683 Ul

In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Stationärteil der Stator und der rohrförmige Rotor der Anker eines Elektromotors (Anspruch 2). So ist der Elektromotor ohne wesentliche Vergrößerung des Bauvolumens in das die Schubstangen enthaltende Gehäuse eingebunden. Es gibt keine den Einbau behindernden abstehenden Teile mehr. Wegen der Übertragung über das Gewinde braucht der Motor kein Langsamläufer zu sein.In a particularly advantageous embodiment, the stationary part of the stator and the tubular rotor are the armature of an electric motor (claim 2). The electric motor is integrated into the housing containing the push rods without significantly increasing the construction volume. There are no longer any protruding parts that hinder the installation. Because of the transmission via the thread, the motor does not need to be slow running.

Eine besonders leichtgängige und spielfreie Lenkung wird erreicht, wenn das Gewinde aus Gewindegängen auf der Schubstange und im Inneren des rohrförmigen Rotors besteht, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind (Anspruch 3). Es handelt sich dann um eine besonders reibungsarme Kugelrollenlenkung, die sehr wenig Energie verbraucht, was bei elektrischen Aktuatoren ein großer Vorteil ist.A particularly smooth and play-free steering is achieved if the thread consists of threads on the push rod and inside the tubular rotor, between which rolling elements are arranged (claim 3). It is then a particularly low-friction ball roller steering that consumes very little energy, which is a great advantage for electrical actuators.

In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens haben die rohrförmigen Rotoren die Schubstangen nach innen überragende Kragen mit einer Kuppelverzahnung, und ist eine verschiebbare Kupplungsmuffe mit entsprechender Kuppelverzahnung vorgesehen, mittels derer die beiden Rotoren drehfest verbindbar sind (Anspruch 4). Bei Ausfall eines Aktuator werden die beiden Rotoren mittels der Kupplungsmuffe drehfest miteinander verbunden, sodass eine vollwertige und präzise Notlenkung erhalten wird.In pursuit of the concept of the invention, the tubular rotors have inwardly projecting collars with a coupling toothing, and a sliding coupling sleeve with a corresponding coupling toothing is provided, by means of which the two rotors can be connected in a rotationally fixed manner (claim 4). If one actuator fails, the two rotors are rotatably connected to each other by means of the coupling sleeve, so that a full and precise emergency steering is obtained.

Um die Notlenkung eigensicher zu machen, drückt eine Feder die Kupplungsmuffe in ihre Kuppelstellung und ist ein weiterer Aktuator vorgesehen, der bei Normalbetrieb beaufschlagt ist und die Kupplungsmuffe in ihre entkuppelte Stellung bringt (Anspruch 5). Das bedeutet, dass im Normalbetrieb die Kupplung offengehalten wird und bei Stromausfall zwangsläufig schließt. Dabei kann auch der zweite Aktuator aus einem 4 AT 006 683 UlIn order to make the emergency steering intrinsically safe, a spring presses the coupling sleeve into its coupling position and a further actuator is provided which is acted upon during normal operation and brings the coupling sleeve into its uncoupled position (claim 5). This means that the clutch is kept open during normal operation and inevitably closes in the event of a power failure. The second actuator can also be made from a 4 AT 006 683 Ul

Elektromagneten bestehen (Anspruch 6), der mit Vorteil über eine die Kupplungsmuffe umgebende Spule verfugt (Anspruch 7).Electromagnets exist (claim 6), which advantageously has a coil surrounding the coupling sleeve (claim 7).

Im Folgenden wird die 'Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:The 'invention is described and explained below with the aid of figures. They represent:

Fig. 1: Ein Schema eines Fahrzeuges mit der erfmdungsgemäßen Lenkvorrichtung,1: A schematic of a vehicle with the steering device according to the invention,

Fig. 2: einen Schnitt durch Detail A in Fig. 1, vergrößert,2: a section through detail A in Fig. 1, enlarged,

Fig. 3: Detail III in einer ersten Stellung (Normalbetrieb),3: detail III in a first position (normal operation),

Fig. 4: Detail III in einer zweiten Stellung (Notbetrieb).Fig. 4: Detail III in a second position (emergency operation).

Fig. 1 zeigt ein mit dem erfmdungsgemäßen Einzelradlenksystem ausgerüstetes Kraftfahrzeug 1 schematisch. Es hat eine Hinterachse 2 und eine lenkbare Vorderachse 3. Beiderseits (rechtes und linkes Vorderrad) ist ein Radträger 4 mit einem Spurhebel 5 um eine Achse 6 (zum Beispiel ein Achsenschenkel) zum Ausfuhren der Lenkbewegung schwenkbar. Der Spurhebel 5 ist über eine Spurstange 7 mit einer Schubstange 10 verbunden. Die Spurstange 7 ist über ein äußeres Spurstangengelenk 8 mit dem Spurhebel 5 und über ein inneres Spurstangengelenk 9 mit der Schubstange 10 verbunden. Letztere ist nach Art einer Zahnstange in ihrem Gehäuse verschiebbar.1 schematically shows a motor vehicle 1 equipped with the independent wheel steering system according to the invention. It has a rear axle 2 and a steerable front axle 3. On both sides (right and left front wheel), a wheel carrier 4 with a track lever 5 can be pivoted about an axis 6 (for example, a steering knuckle) in order to carry out the steering movement. The track lever 5 is connected to a push rod 10 via a tie rod 7. The tie rod 7 is connected to the track lever 5 via an outer tie rod joint 8 and to the push rod 10 via an inner tie rod joint 9. The latter can be moved in the manner of a rack in its housing.

Die Besonderheit einer Einzelradlenkung äußert sich darin, dass die beschriebene Anordnung nur ein Rad lenkt; davon unabhängig gibt es eine spiegelgleiche Anordnung für das andere Vorderrad, welche von ersterer machanisch unabhängig ist und jede ihren eigenen Aktuator hat. Demgemäß ist in Fig. 1 ein Gehäuse 21 mit zwei Aktuatoren 11,12 versehen, jeder für ein Rad. Die beiden Aktuatoren 11,12 werden elektrisch von 5 AT 006 683 Ul einer Lenkungssteuerung 13 geführt, welche als Eingangssignal den Verdrehwinkel des Lenkrades 14 und gegebenenfalls weitere Signale aus dem Fahrdynamikregler (z.B. Giergeschwindigkeit oder Schwimmwinkel) erhält. Aus Redundanzgründen sind bisweilen auch zwei getrennte Steuerungen vorgesehen.The peculiarity of an independent wheel steering manifests itself in the fact that the arrangement described steers only one wheel; regardless of this, there is a mirror-like arrangement for the other front wheel, which is mechanically independent of the former and each has its own actuator. Accordingly, in FIG. 1 a housing 21 is provided with two actuators 11, 12, each for a wheel. The two actuators 11, 12 are electrically guided by 5 AT 006 683 Ul of a steering control 13, which as an input signal detects the angle of rotation of the steering wheel 14 and possibly receives further signals from the vehicle dynamics controller (eg yaw rate or float angle). For reasons of redundancy, two separate controls are sometimes also provided.

In Fig. 2 sind somit die beiden voneinander unabhängigen Schubstangen 10 (des rechten Vorderrades) und 20 (des linken Vorderrades) mit ihrem Gehäuse 21 zu sehen. Da dieser Teil im Wesentlichen bezüglich einer Fahrzeuglängsachse 16 symmetrisch ist, wird im Folgenden nur eine Seite beschrieben. Das Gehäuse 21 besteht hier aus einem Statorgehäuse 22, einem Gehäusedeckel 23 und einem Zwischengehäuse 24, an das an der anderen Seite wieder ein Statorgehäuse 22 anschließt. Das Statorgehäuse ist hier bereits in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gezeigt, es könnte auch ein abseits liegender Motor mit einer entsprechenden Untersetzung sein, der einen Rotor treibt.2, the two mutually independent push rods 10 (of the right front wheel) and 20 (of the left front wheel) can be seen with their housing 21. Since this part is essentially symmetrical with respect to a vehicle longitudinal axis 16, only one side is described below. The housing 21 here consists of a stator housing 22, a housing cover 23 and an intermediate housing 24, to which a stator housing 22 again connects on the other side. The stator housing is already shown here in a particularly advantageous embodiment; it could also be a remote motor with a corresponding gear reduction that drives a rotor.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Statorgehäuse 22 die Form eines die Schubstange 10 umgebenden Zylindermantels und enthält in seinem Inneren eine Statorwicklung 26. Zwischen der ebenfalls zylindrischen Schubstange 10 (mit der Mittellinie 17) und der Statorwicklung 26 befindet sich ein rohrförmiger Rotor 27. Dieser ist in Lagern 28,29 im Gehäuse 21 drehbar. Er hat an seinem äußeren Umfang eine Rotorwicklung 30 beziehungsweise je nach Motorbauart die entsprechenden Leitungsteile und an seinem Inneren Umfang ein Innengewinde 31, das über Rollkörper 33 mit einem Außengewinde 32 auf der Schubstange 10 zusammenwirkt. Die Schubstange 10 ist gegen Verdrehung gesichert, was nicht dargestellt ist. Die beiden Schubstangen 10,20 enden in Fahrzeugmitte an Stirnflächen 34,35, die voneinander so 6 AT 006 683 Ul weit entfernt sind, dass sie einander auch bei extremen Lenkausschlägen nicht berühren.In the exemplary embodiment shown, the stator housing 22 has the shape of a cylinder jacket surrounding the push rod 10 and contains a stator winding 26 in its interior. Between the likewise cylindrical push rod 10 (with the center line 17) and the stator winding 26 there is a tubular rotor 27. This is shown in FIG Bearings 28, 29 rotatable in the housing 21. It has a rotor winding 30 on its outer circumference or, depending on the type of motor, the corresponding line parts and an inner thread 31 on its inner circumference, which cooperates with an external thread 32 on the push rod 10 via rolling elements 33. The push rod 10 is secured against rotation, which is not shown. The two push rods 10, 20 end in the middle of the vehicle on end faces 34, 35 which are so far apart from each other that they do not touch one another even with extreme steering deflections.

In Fig. 3 ist das genauer zu sehen. Die rohrförmigen Rotoren 27,37 verfügen über zur Fahrzeugmitte vorragende Kragen 38,39, die in Kuppelverzahnungen 40,41 enden, welche einander benachbart sind. Eine Kupplungsmuffe 42 hat entsprechende innere Kuppelzähne und ist in Fig. 3 entsprechend dem ungestörten Betrieb von einem weiteren Aktuator 44, hier einer Magnetspule, gegen die Kraft einer Druckfeder 43 mit ihrem Anschlagbund 45 an einen Absatz im Inneren des Zwischengehäuses 24 angezogen.This can be seen in more detail in FIG. 3. The tubular rotors 27, 37 have collars 38, 39 which protrude toward the center of the vehicle and which end in coupling teeth 40, 41 which are adjacent to one another. A coupling sleeve 42 has corresponding inner coupling teeth and is attracted in FIG. 3 according to the undisturbed operation of a further actuator 44, here a magnetic coil, against the force of a compression spring 43 with its stop collar 45 to a shoulder in the interior of the intermediate housing 24.

Fig. 4 zeigt den Zustand, der sich bei Ausfall einer der beiden Aktuatoren oder bei einer anderen Störung einstellt. Sobald ein solcher Notzustand festgestellt wird, oder überhaupt ein Stromausfall eintritt, wird die Spule 44 stromlos und die Druckfeder 43 schiebt die Kupplungsmuffe 42 im Bild nach links und bringt sie so auch mit der Kuppelverzahnung 41 in Eingriff, was durch entsprechende Maßnahmen erleichtert sein kann. Dadurch verbinden sich die beiden Kuppelverzahnungen 40,41 miteinander und die beiden Rotoren 27,37 sind praktisch spielfrei miteinander verbunden. So ist eine exakte Koppelung zwischen den Lenkbewegungen der beiden Vorderräder hergestellt. Diese gestattet die Weiterfahrt bis zu einer Werkstätte ohne Sicherheits- oder Komforteinbußen. 7Fig. 4 shows the state that arises in the event of failure of one of the two actuators or another malfunction. As soon as such an emergency condition is determined, or a power failure occurs at all, the coil 44 is de-energized and the compression spring 43 pushes the coupling sleeve 42 to the left in the picture and thus also engages the coupling toothing 41, which can be facilitated by appropriate measures. As a result, the two coupling teeth 40, 41 connect to one another and the two rotors 27, 37 are connected to one another with virtually no play. This creates an exact coupling between the steering movements of the two front wheels. This allows you to continue to a workshop without sacrificing safety or comfort. 7

Claims

AT 006 683 Ul Claims 1. Independent wheel steering system for motor vehicles, consisting of a steering housing (21) in which a first and a second push rod (10, 20) are displaceably guided, and an actuator (11, 12) for each push rod ( 10, 20), wherein an inner tie rod joint (9) is provided at the outer ends of the push rods for connection to the respective tie rod (7), the other end of which acts on the track lever (5) of a steerable wheel, characterized in that Actuator (11, 12) is formed by a stationary part (22) and contains a rotor (27, 37) surrounding the respective push rod (10, 20), wherein between the rotor (27, 37) and the non-rotatably guided push rod (10, 20) a thread (31, 32) is provided.

2. Independent wheel steering system according to claim 1, characterized in that the stationary part (22), the stator and the tubular rotor (27, 37) is the armature of an electric motor.

3. Independent wheel steering system according to claim 1, characterized in that the thread consists of threads (31,32) on the push rod and inside the tubular rotor (27,37), between which rolling elements (33) are arranged. 8 AT 006 683 Ul

4. Independent wheel steering system according to claim 1, characterized in that the tubular rotors (27, 37) have the push rods (10, 20) inwardly projecting collars (38, 39) with a coupling toothing (40, 41), and in that a displaceable coupling sleeve (42) is provided with a corresponding coupling toothing, by means of which the two rotors (272, 37) can be connected in a rotationally fixed manner.

5. Independent wheel steering system according to claim 4, characterized in that a spring (43) presses the coupling sleeve (42) into its coupling position and a further actuator (44) is provided which is acted upon during normal operation and the coupling sleeve (42) in its uncoupled position brings.

6. Independent wheel steering system according to claim 5, characterized in that the further actuator (44) is an electromagnet.

7. Independent wheel steering system according to claim 6, characterized in that the electromagnet has a coil surrounding the coupling sleeve.