DE10039574A1 - Elektrisch angetriebene Lenkvorrichtung von der Bauart einer Blocklenkung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Lenkvorrichtung von der Bauart einer Blocklenkung, mit einem um eine Achse schwenkbaren und in einem Getriebegehäuse 30 gelagerten Lenkhebel 1 mit einem Anschluß 12 als Antrieb einer Kraftfahrzeuglenkung, wobei der Lenkhebel 1 als zweiarmiger, um eine Welle 2 schwenkbarer Hebel ausgebildet ist, der einen ersten, den Anschluß 12 tragenden Schenkel und einen zweiten von einem Zahnsegment 3 gebildeten Schenkel aufweist, wobei das Zahnsegment 3 mittelbar oder unmittelbar mit zwei elektrischen Antriebsmotoren 10, 11; 21, 22 in Eingriff steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Lenkvorrichtung von der Bauart einer Blocklenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Als Blocklenkungen werden kompakt bauende Lenkgetriebe mit Servoantrieb bezeichnet, die beispielsweise für Nutzfahrzeuge und größere PKW als Kugelumlauflenkungen bekannt sind. Ein Beispiel einer hydraulisch unterstützten Blocklenkung ist in der EP 0544734 dargestellt.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 13 267 ist eine ähnliche Lenkvorrichtung mit einem elektrischen Servoantrieb bekannt. Dort wird ein Lenkhebel über eine Schraubgewindeverzahnung unmittelbar von einer Lenksäule oder Lenkwelle angetrieben. Die Servounterstützung wird von einem Elektromotor bewirkt, der über ein Stirnrädergetriebe ebenfalls unmittelbar auf die Lenksäule wirkt. Da der Elektromotor bei dieser bekannten Lenkvorrichtung der Lenksäule zugeordnet ist und nicht in das Gehäuse der Blocklenkung integriert werden kann, ist diese Ausführungsform unwirtschaftlich, da zunehmend Wert auf eine Art Modulbauweise gelegt wird, in der die Lenkung wie ein komplettes Modul in das Fahrzeug eingebaut wird. Weiter ist nur ein Elektromotor vorhanden, bei dessen Ausfall die Lenkung schlagartig sehr schwergängig wird oder gar völlig ausfällt. Daher ist diese Art von Servolenkungen nur für langsam fahrende Arbeitsmaschinen geeignet.

Ausgehend von dem erwähnten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch angetriebene Lenkvorrichtung zu schaffen, die den kompakten, modulartigen Aufbau einer Blocklenkung aufweist und die einen redundant ausgelegten Lenkungsantrieb enthält.

Diese Aufgabe wird von einer Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil der Lenkhebel als zweiarmiger Lenkhebel ausgebildet ist, der einen ersten, den Anschluß für die Spurstange tragenden Schenkel und einen zweiten von einem Zahnsegment gebildeten Schenkel aufweist und weil das Zahnsegment unmittelbar oder mittelbar mit zwei elektrischen Antriebsmotoren in Eingriff steht, können die Komponenten zu einem blockartigen Modul zusammengefaßt werden. Bei einer Störung in einem der Antriebsmotoren steht im übrigen der jeweils andere Antriebsmotor zur Aufrechterhaltung der wesentlichen Lenkfunktionen zur Verfügung, so daß die Auslegung als redundant bezeichnet werden kann.

Wenn weiter die Antriebsmotoren über ein eine Zwischenwelle aufweisendes Getriebe mit dem Zahnsegment in Eingriff stehen, wobei vorzugsweise die Zwischenwelle in dem Getriebegehäuse gelagert ist, können die Antriebsmotoren hinsichtlich der Drehzahl und der Orientierung ihrer Antriebsachse in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden. Das Zahnsegment deckt bezüglich der Achse vorzugsweise einen Winkelbereich von mindestens 60° und insbesondere etwa 80° ab, so daß für den Lenkhebel der aus einer Blocklenkung bekannte Schwenkbereich zur Verfügung steht.

Die Elektromotoren können mit relativ hoher Drehzahl betrieben werden, wenn das Getriebe ein untersetzendes Rädergetriebe ist. Das Untersetzungsverhältnis liegt zwischen der Motorwelle und dem Lenkhebel, dabei vorzugsweise im Bereich von 100 : 1 bis 500 : 1.

Eine besonders einfache Konfiguration sieht vor, daß die Antriebsmotoren mit jeweils einer Motorwelle ein Ritzel antreiben, das wiederum mit dem die Eingangsseite des Rädergetriebes bildenden Eingangsrad kämmt. Die Motorwellen können im übrigen auch etwas senkrecht zu der Achse des Lenkhebels ausgerichtet werden, wenn die Motorwellen mit dem Eingangsrad des Rädergetriebes ein Schraubradgetriebe bilden. Dabei bilden beide Antriebsmotoren mit ihrer Motorwelle vorzugsweise einen rechten Winkel zu der Achse und greifen an um 180° versetzten Stellen in das Eingangsrad ein.

Die Antriebsmotoren werden zur Bildung eines kompakten Moduls vorzugsweise miteinander und mit dem Getriebegehäuse verbunden. Ein manueller Durchgriff auf die Lenkung selbst bei Ausfall beider Antriebsmotoren ist möglich, wenn die Zwischenwelle mit einer Lenksäule und einem Lenkrad in Eingriff zu bringen ist. Die Zwischenwelle kann dann gegenüber dem Lenkhebel derart übersetzt werden, daß die am Lenkrad während der Fahrt vorzusehenden Lenkwinkel im wesentlichen einer konventionellen Servolenkung entsprechen.

Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung einer insoweit beschriebenen Vorrichtung als Antrieb einer Einzelradlenkung eines Nutzfahrzeugs vorgesehen, bei der jedem Rad eine eigene Lenkvorrichtung zugeordnet ist. Schließlich ist erfindungsgemäß auch die Verwendung einer oben beschriebenen Vorrichtung als Antrieb einer sogenannten Steer-by-Wire-Lenkung (ohne ständigen mechanischen Durchgriff eines Lenkrades auf das Lenkgetriebe) bei einem Nutzfahrzeug vorgesehen.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung mit zwei über Stirnräder eingreifende Antriebsmotoren in einer Draufsicht in Axialrichtung;

Fig. 2 eine Lenkung gemäß Fig. 1 mit zwei über Schraubradgetriebe eingreifende Motoren;

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt von der Seite; sowie

Fig. 4a, b und c drei mögliche Anordnungen einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug.

In der Fig. 1 ist eine Lenkvorrichtung mit einem Lenkhebel 1 dargestellt, der um eine senkrecht zur Zeichenebene orientierte Welle 2 schwenkbar ist. Über die Welle 2 ist der Hebel 1 drehfest mit einem Zahnsegment 3 verbunden, das an seinem äußeren Umfang mit einer Stirnverzahnung 4 versehen ist. Die Stirnverzahnung 4 wiederum kämmt mit einem Ritzel 5 einer Zwischenwelle 6, die ein größeres Stirnrad 7 trägt. Das Stirnrad 7 schließlich kämmt mit zwei Ritzeln 8, 9 zweier Antriebsmotoren 10, 11.

Bei einer Bestromung der Motoren 10, 11 werden die Ritzel 8, 9 in gleichsinnige, simultane Drehung versetzt. Sie treiben das Stirnrad 7 an, das wiederum über die Welle das Ritzel 5 antreibt. Dieses wiederum treibt über die Verzahnung 4 des Zahnsegments 3 die Welle 2 und damit den Lenkhebel 1 an. Der Lenkhebel 1 weist einen Anschluß 12 auf, der im Betrieb mit den Spurstangen eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.

In der Fig. 2 ist ein Aufbau ähnlich Fig. 1 dargestellt. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugsziffern. Das Ritzel 5 steht über die Welle 6 mit einem großen Getrieberad 17 in Verbindung, das umfangsseitig eine Schrägverzahnung 18 aufweist. Die Schrägverzahnung 18 wiederum bildet mit entsprechend verzahnten Ritzeln 19, 20 der Antriebsmotoren 21, 22 ein Schraubradgetriebe. Auch hier wird bei Bestromung der Motoren 21, 22 über die verschiedenen Untersetzungsstufen der Lenkhebel 1 um die Welle 2 verschwenkt. Der Anschluß 12 dient dann zur weiteren Kraftübertragung auf Spurstangen.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt von der Seite und in einer schematischen Darstellung. Die Welle 2 ist dabei ebenso wie die Welle 6 in einem Gehäuse 30 gelagert. Der dargestellte Antriebsmotor 10 kann ebenso wie der nicht dargestellte Antriebsmotor 11 mit dem Gehäuse 30 verschraubt sein. Außerdem können die Antriebsmotoren 10, 11 auch untereinander verschraubt sein, so daß sich ein torsionssteifer Block bildet. Die Welle 6 kann, was in der Fig. 3 nicht dargestellt ist, auch mit einem Wellenstumpf aus dem Gehäuse 30 herausragen. Dieser Wellenstumpf kann dann für den Anschluß einer an sich bekannten Lenksäule des Kraftfahrzeugs verwendet werden und ermöglicht die manuelle Betätigung der Lenkvorrichtung.

In der Fig. 4 sind drei verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einer Lenksäule 40 und einem Lenkrad 41 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. In der Fig. 4a ist im wesentlichen die Konfiguration der Fig. 1 und 3 abgebildet, bei der die Welle 6 aus dem Gehäuse herausgeführt ist und über ein Kardangelenk 42 mit der Lenksäule 40 und dem Lenkrad 41 in drehfester Verbindung steht. Veranschaulicht ist auch der Anschluß von Spurstangen 43 an dem Lenkhebel 1.

Die Fig. 4b zeigt eine Konfiguration etwa entsprechend Fig. 2, bei der die Antriebsmotoren 21, 22 mit ihren Achsen horizontal ausgerichtet sind. Es ist ersichtlich, daß im Vergleich zu der Konfiguration der Fig. 4a die Antriebseinheit flacher ausgebildet ist.

Schließlich zeigt die Fig. 4c eine Anordnung, bei der die Antriebsmotoren 21, 22 gegenüber der Fig. 4b um 180° verschwenkt sind, also im Kraftfahrzeug nach vorne weisen. Diese Anordnung ist sowohl flach bauend (gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 4a) als auch im Hinblick auf den im Fahrzeug verfügbaren Raum, anders nutzbar als bei der Ausführung gemäß Fig. 4b.

In der Fig. 4c ist im übrigen weiter schematisch veranschaulicht, wie die Spurstangen 43 letztlich über Achsschenkel 44 auf Räder 45 wirken.

Bei der insoweit beschriebenen Lenkung handelt es sich im Gegensatz zu bekannten Blocklenkungen um eine sogenannte Trockenlenkung, die ohne Einsatz von Hydraulikfluiden realisierbar ist. Derartige Lenkungen sind in der Praxis besonders vorteilhaft bei Montage, Umweltfreundlichkeit und schließlich bei der Entsorgung.

Weil zwei Motoren vorgesehen sind, ergibt sich bereits in dem Antriebsaggregat der Lenkvorrichtung eine Redundanz. Die Tatsache, daß beide Antriebsmotoren 10, 11; 21, 22 ständig mit dem Lenkgetriebe in Eingriff sind, führt dazu, daß auch beide Motoren ständig in Drehbewegung sind. Ein möglicher Ausfall ist dadurch schneller detektierbar. Wenn beide Motoren gleichzeitig mit Strom beaufschlagt werden, fällt bei einem Ausfall eines Motors auch maximal die Hälfte der Servounterstützung weg. Es ergibt sich folglich eine auch gegenüber Störungen relativ ausfallsichere Kombination.

Vorteilhaft ist weiter, daß sowohl für Rechtslenker als auch für linksgelenkte Kraftfahrzeuge die gleiche Lenkvorrichtung verwendet werden kann. Es ist möglich, ein integriertes Gehäuse für beide Antriebsmotoren und die Getriebeteile zu verwenden. Weiter ist es möglich, aufgrund der mechanischen Zwangskopplung beide Motoren über einen gemeinsamen Sensor zu kontrollieren und entsprechend gemeinsam zu regeln. Verfügt jeder Motor über einen Sensor, so kann bei Ausfall eines Sensors auf den jeweils anderen Sensor zurückgegriffen werden. Diese Möglichkeit erhöht die Ausfallsicherheit.

Das Getriebe ist in der dargestellten Konfiguration relativ einfach und günstig zu fertigen. Einbau und Montage sind, wie in der Fig. 4 veranschaulicht, flexibel realisierbar. Die Anbindung der in der Fig. 4 dargestellten Lenksäule und des Lenkrades ist möglich. Die Lenkvorrichtung kann jedoch auch ohne Lenkradanbindung als reines Steer-by-Wire-Aggregat eingesetzt werden. Weiter kann für langsam fahrende Maschinen die Lenkvorrichtung als Einzelradlenkung verwendet werden. Aufgrund der Kinematik des Antriebshebels 1 in Verbindung mit den Spurstangen 43 ergibt sich eine für Elektrolenkungen untypische und besonders vorteilhafte Kraftkennlinie. Die Lenkkraft steigt nämlich mit zunehmendem Lenkwinkel, was beispielsweise das Abdrücken vom Bordstein ermöglicht.

Claims (12)

1. Elektrisch angetriebene Lenkvorrichtung von der Bauart einer Blocklenkung, mit einem um eine Achse schwenkbaren und in einem Getriebegehäuse (30) gelagerten Lenkhebel (1) mit einem Anschluß (12) als Antrieb einer Kraftfahrzeuglenkung, wobei der Lenkhebel (1) als zweiarmiger, um eine Welle (2) schwenkbarer Hebel ausgebildet ist, der einen ersten, den Anschluß (12) tragenden Schenkel und einen zweiten, von einem Zahnsegment (3) gebildeten Schenkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnsegment (3) mittelbar oder unmittelbar mit zwei elektrischen Antriebsmotoren (10,11; 21, 22)in Eingriff steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren (10,11; 21, 22) über ein eine Zwischenwelle aufweisendes Getriebe mit dem Zahnsegment in Eingriff stehen, wobei vorzugsweise die Zwischenwelle in dem Getriebegehäuse gelagert ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnsegment (3) bezüglich der Achse einen Winkelbereich von mindestens 60° und insbesondere etwa 80° abdeckt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein untersetzendes Rädergetriebe ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsverhältnis des Getriebes von der Motorwelle bis zu dem Lenkhebel (1) im Bereich von 100 : 1 bis 500 : 1 liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren (10,11; 21, 22) mit jeweils einer Motorwelle ein Ritzel (8, 9) antreiben, das mit dem die Eingangsseite des Rädergetriebes bildenden Eingangsrad (7) kämmt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwellen (19, 20) mit dem Eingangsrad (17) des Rädergetriebes ein Schraubradgetriebe bilden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Antriebsmotoren (21, 22) mit ihrer Motorwelle rechtwinklig zu der Achse ausgerichtet sind und an um 180° versetzten Stellen in das Eingangsrad (17) eingreifen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren (10,11; 21, 22) miteinander und mit dem Getriebegehäuse verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (6) mit einer Lenksäule (40) und einem Lenkrad (41) in Eingriff bringbar ist.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Antrieb einer Einzelradlenkung eines Nutzfahrzeugs.

12. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10 als Antrieb einer Steer-by-wire-Lenkung eines Nutzfahrzeugs.