DE102006001820A1 - Lenksystem eines zweispurigen Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem eines zweispurigen Kraftfahrzeugs mit einem Lenkgetriebe, welches Spurstangen, die letztlich mit den lenkbaren Fahrzeug-Rädern mechanisch verbunden sind, einer Lenkanforderung entsprechend verlagert, weiterhin mit einer Servoeinrichtung zum Einleiten einer eine Verlagerung der Spurstangen unterstützenden oder initiierenden Kraft in das Lenkgetriebe sowie mit einem flexiblen Übertragungselement zwischen einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs zu betätigenden Lenkrad und einem Eingangselement des Lenkgetriebes, so dass ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwunsch über das flexible Übertragungselement und das Lenkgetriebe an den lenkbaren Rädern umsetzbar ist. Dabei ist zwischen dem Lenkrad und dem flexiblen Übertragungselement ein Untersetzungsgetriebe zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement zu übertragenden Drehmoments vorgesehen. Das flexible Übertragungselement kann als flexible Welle oder als Bowdenzug mit Wickelkörper oder als Zahnriemen ausgebildet sein, wobei zwischen dem flexiblen Übertragungselement und dem Eingangselement des Lenkgetriebes ein die Wirkung des Untersetzungsgetriebes zumindest im Wesentlichen aufhebendes Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein kann. Auch ist eine Kombination mit einem Überlagerungsgetriebe möglich, ferner mit einem Lenkrad-Steller und einer schaltbaren Kupplung im Lenkstrang als Steer-by-wire-System.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lenksystem eines zweispurigen Kraftfahrzeugs mit einem Lenkgetriebe, welches Spurstangen, die letztlich mit den lenkbaren Fahrzeug-Rädern mechanisch verbunden sind, einer Lenkanforderung entsprechend verlagert, weiterhin mit einer Servoeinrichtung zum Einleiten einer eine Verlagerung der Spurstangen unterstützenden oder initiierenden Kraft in das Lenkgetriebe, sowie mit einem flexiblen Übertragungselement zwischen einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs zu betätigenden Lenkrad und einem Eingangselement des Lenkgetriebes, so dass ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwunsch über das flexible Übertragungselement und das Lenkgetriebe an den lenkbaren Rädern umsetzbar ist. Zum bekannten Stand der Technik wird unter anderem auf die DE 102 56 694 A1 verwiesen.
• In jüngerer Zeit ist eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeug-Hilfskraftlenkungen zu beobachten. Dies ist im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen. Zum einen besitzen elektrische Lenkungen einen geringeren Energieverbrauch und liefern damit einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß. Ebenso bieten sie die Möglichkeit, das Lenkmoment am Lenkrad aktiv zu beeinflussen. Zum zweiten kann – sowohl bei elektrischen wie auch bei hydraulischen Lenkungen – durch in der Regel elektrisch betriebene Überlagerungsgetriebe eine Beeinflussung des Lenkwinkels an den Vorderrädern erreicht werden. Somit bietet eine vollelektrische Hilfskraftlenkung mit Überlagerungsgetriebe (vgl. 4) die Möglichkeit, sowohl das Lenkmoment wie auch den Lenkwinkel frei zu modifizieren.
• In dieser 4 ist als zumindest interner Stand der Technik ein Lenksystem mit einem vom Fahrer betätigten Lenkrad 1, an dessen Lenkspindel oder Lenksäule 2 sich eine Lenkzwischenwelle 3' anschließt, die in einem Überlagerungsgetriebe 4 mündet, dessen Ausgang mit einem Ritzel 5a einer Zahnstangenlenkung 5 (im weiteren auch als Lenkgetriebe 5 bezeichnet) mit elektromotorischer Unterstützung verbunden ist, dargestellt. Die Zahnstange 5b dieser Zahnstangenlenkung 5 bzw. dieses Lenkgetriebes 5 betätigt über ihre beiden Enden wie bekannt Spurstangen 6a, 6b, die das linke lenkbare Vorder-Rad 7a bzw. das rechte lenkbare Vorder-Rad 7b des Kraftfahrzeugs einer seitlichen Verschiebung der Zahnstange 5b entsprechend einschlagen, d.h. lenken. Zusätzlich kann auf die Zahnstange 5b über ein Zwischengetriebe 8a die Abtriebswelle 8b eines Elektromotors 8c einwirken, wobei dieser Elektromotor als elektrischer Servomotor fungiert und derart angesteuert wird, dass die vom Fahrer an seinem Lenkrad 1 zum Einschlagen der lenkbaren Räder 7a, 7b aufzubringende Kraft reduziert wird, d.h. die genannten Elemente 8a, 8b, 8c bilden eine elektrische Servoeinrichtung 8 und zusammen mit dem Lenkgetriebe 5 eine elektrische Hilfskraftlenkung.
• Über das Überlagerungsgetriebe 4, das vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet sein kann, kann ein von der Vorgabe des Fahrers unabhängiger zusätzlicher Lenkwinkel eingesteuert und somit an den lenkbaren Rädern 7a, 7b ein fahrerunabhängiger Lenkwinkel eingestellt werden. In Kombination mit einer vorzugsweise elektrischen Hilfskraftlenkung ist mit geeigneter Auslegung und Ansteuerung dieses Lenksystems die gleiche Funktionalität wie bei sog. entkoppelten Lenksystemen, die gemeinhin als Steer-by-Wire-Systeme bezeichnet werden und bei denen der Lenkstrang mechanisch „durchtrennt" ist, darstellbar. Ein wesentlicher Vorteil der in 4 dargestellten Ausführungsform mit permanenter mechanischer Verbindung ist ein einfaches Sicherheitskonzept und die Beibehaltung eines weitgehend authentischen Lenkgefühls. Dabei spielt das authentische Lenkgefühl nur eine untergeordnete Rolle, da durch die Kombination von Überlagerungslenkung und geregelter Servounterstützung ein nahezu beliebiges Lenkgefühl darstellbar ist.
• In einem vorgegebenen Fahrzeugkonzept sind in der Regel die Lage des Lenkgetriebes und des Lenkrades festgelegt. Eine nötige mechanische Verbindung zwischen diesen Bauelementen kann nur auf nahezu direktem Weg erfolgen. Daraus ergibt sich eine nur gering variierbare Lage der Lenkzwischenwelle. Dort kann es allerdings zu einer Reihe von Bauraum-Konflikten, bspw. mit dem Abgassystem des Antriebsmotors, kommen, die zu erhöhtem Entwicklungsaufwand und einer eingeschränkter Gestaltungsfreiheit führen. Hier müssen teils teure und technisch nicht optimale Kompromisse eingegangen werden. Auch für eine Unterscheidung zwischen Rechtslenker-Fahrzeugen und Linkslenker-Fahrzeugen müssen oft aufgrund der veränderten Lage der Lenkzwischenwelle zahlreiche Bauteile verändert werden, was zu zusätzlichen Varianten und damit erhöhtem Entwicklungs- und Montageaufwand führt.
• Eine Abhilfe für diese Problematik ist durch die eingangs genannte DE 102 56 694 A1 bekannt. Hierbei ist zwischen dem Lenkrad bzw. einer Lenksäule desselben und dem Lenkgetriebe eine biegsame Welle, dort als flexibles Kabel bezeichnet, vorgesehen. Diese kann somit entsprechend dem zur Verfügung stehenden Freiraum verlegt werden. Wenngleich bei dieser bekannten Anordnung diese biegsame Welle nur als sog. mechanische Rückfallebene fungiert, d.h. durch Schließen einer geeignet im mechanischen Lenkstrang angeordneten Kupplung nur dann ein Drehmoment vom Lenkrad zum Lenkgetriebe übertragen muss, wenn ein Fehler im parallel vorgesehenen Steer-by-Wire-System auftritt, so muss diese biegsame Welle dennoch auf ein entsprechend hohes zu übertragendes Drehmoment ausgelegt sein, d.h. dieses sog. flexible Kabel muss betragsmäßig relativ hohe Drehmomente sicher übertragen können.
• Flexible Kabel oder biegsame Wellen bzw. allgemein flexible Übertragungselemente, die dieser Anforderung genügen, sind jedoch relativ aufwändig, weshalb hiermit eine Vereinfachung aufgezeigt werden soll (=Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lenkrad und dem flexiblen Übertragungselement ein Untersetzungsgetriebe zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement zu übertragenden Drehmoments vorgesehen ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Auf Basis einer geregelten Servolenkung, die entweder elektrisch oder hydraulisch oder elektrohydraulisch ausgeführt sein kann, ist die mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad des Fahrers und dem Lenkgetriebe soweit modifiziert, dass sie sehr flexibel im Vorderbau des Kraftfahrzeugs angeordnet werden kann. Über eine geregelte Servolenkung, bspw. bzw. vorzugsweise eine elektromotorische Servolenkung ist nämlich am Lenkrad einfach ein gewünschtes Lenkgefühl darstellbar, so dass die mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe nur noch als solche fungieren muss, hingegen für die getreue Wiedergabe oder Weiterleitung eines authentischen Lenkgefühls an das Lenkrad nicht weiter benötigt wird. Die dann biegsam ausgeführte Lenkzwischenwelle bzw. allgemein das entsprechende sog. flexible Übertragungselement, für welches) verschiedene Ausführungen wie bspw. flexible biegsame Welle, Seilzug oder Bowdenzug mit Wickelkörper oder Zahnriemen möglich sind, gestattet deutlich größere Freiheitsgrade bei der Verlegung im Fzg.-Vorderbau. Um dabei eine geeignete Dimensionierung (hinsichtlich der Höhe des zu übertragenden Drehmoments) dieses flexiblen Übertragungselements zu erreichen, wird nun ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Lenkrad bzw. einer an dieses angekoppelten starren Lenksäule und dem flexiblen Übertragungselement vorgeschlagen. Dieses Untersetzungsgetriebe ist dabei so ausgelegt, dass vom Lenkrad aus betrachtet die Zahl der Umdrehungen des flexiblen Übertragungselements nennenswert erhöht wird, wodurch das durch dieses flexible Übertragungselement zu übertragende Drehmoment nennenswert herabgesetzt wird. Dies gestattet eine leichte und kostengünstige Gestaltung des flexiblen Übertragungselements.
• Ob eine „Rück-Übersetzung" in die Verdrehgeschwindigkeit bzw. in den Verdrehwinkel des Lenkrades vor Einleitung in das Lenkgetriebe in einem zwischen dem flexiblen Übertragungselement und dem Lenkgetriebe vorgesehenen Übersetzungsgetriebe, das die Wirkung des genannten Untersetzungsgetriebes zumindest im wesentlichen aufhebt, vorzunehmen ist, ist von der konkreten Ausgestaltung des Lenkgetriebes abhängig, d.h. ob ein standardmäßiges Lenkgetriebe, welches auf unveränderte Lenkradvorgaben hin ausgelegt ist, vorgesehen ist, oder ob ein speziell hierfür ausgelegtes Lenkgetriebe zum Einsatz kommt. Eine sog. „Rück-Übersetzung" kann aber auch in einem Überlagerungsgetriebe integriert sein, welches in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen dem flexiblen Übertragungselement und dem Eingangselement des Lenkgetriebes vorgesehen ist. Wie bereits eingangs erwähnt, kann mit einem solchen Überlagerungsgetriebe nicht nur der an den lenkbaren Rädern umgesetzte Lenkwinkel unabhängig von der Vorgabe des Fahrers (an seinem Lenkrad) eingestellt werden, sondern es kann im Zusammenwirken mit einer geregelten Servounterstützung am Lenkrad ein nahezu beliebiges Lenkgefühl dargestellt werden. Im übrigen kann bei Vorsehen sowohl eines genannten Untersetzungsgetriebes als auch eines „rück-übersetzenden" Übersetzungsgetriebes eines der beiden Getriebe mit einer variablen Übersetzung ausgeführt werden, da sich die vom flexiblen Übertragungselement zu übertragende Kraft mit dem Lenkwinkel ändert. Das Übersetzungsverhältnis würde sich dann in Abhängigkeit vom Lenkwinkel ändern. Dies reduziert den Kraftaufwand bei reduziertem Lenkwinkel-Bedarf.
• Eine weitere Verbesserung des vom Fahrer empfundenen Lenkgefühls ist erzielbar, wenn das System um einen sog. Lenkrad-Steller erweitert wird. Dieser besteht (üblicherweise) aus einer Sensor-Einheit, aufweisend einen Lenkmoment-Sensor und Lenkwinkel-Sensor zur Fahrerwunsch-Erfassung, sowie aus einer Aktuator-Einheit, bspw. in Form eines Elektromotors zur Einstellung des vom Fahrer gewünschten Lenkwinkels sowie eines entsprechenden Lenkmoments am Lenkrad, das also eine Rückmeldung über den jeweiligen Fahrzustand gibt. Durch seine direkte Nähe zum Lenkrad bzw.
• Fahrer kann mit diesem Lenkrad-Steller die Rückmeldung des Fahrzustandes in für den Fahrer höherer Güte erzeugt werden. Ein solcher Lenkrad-Steller kann an einem erfindungsgemäßen Lenksystem mit einem Überlagerungsgetriebe oder an einem erfindungsgemäßen Lenksystem, das eine mechanische Trennung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe ermöglicht, vorgesehen sein. Die genannte Trennung erfolgt dann vorzugsweise durch eine bspw. in der „modifizierten Lenkzwischenwelle", d.h. im flexiblen Übertragungselement vorgesehene Trenn-Kupplung, die sich im Bedarfsfall (bei Ausfall einer der Komponenten der Servoeinrichtung) schließt und so die mechanische Lenkbarkeit des Fahrzeuges gewährleistet. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient die geregelte Servoeinrichtung zum Stellen des Radlenkwinkels (bei geöffneter Trenn-Kupplung) und der Lenkrad-Steller alleinig zur Fahrerwunsch-Erfassung und zur vollständigen Erzeugung der Fahrzustands-Rückmeldung. Letztere wird vorzugsweise aus einer Fahrzustandserkennung abgeleitet, d.h. aus den mit geeigneten Sensoren festgestellten fahrdynamischen Größen des Fahrzeugs.
• Besonders bevorzugt fungiert ein Elektromotor als Servoeinrichtung, dessen Abtriebswelle einen Eingang des Lenkgetriebes bildet, so dass die Spurstangen durch geeignete Ansteuerung des Elektromotors verlagerbar sind, da sich – wie eingangs erwähnt – eine elektromotorische Servolenkung durch geringen Energieverbrauch auszeichnet. Wenn im durch das Lenkrad mit sich anschließender Lenksäule und das flexible Übertragungselement gebildeten mechanischen Lenkstrang eine schaltbare Kupplung vorgesehen ist, so kann diese vorzugsweise im sog. „Niedrig-Moment-Bereich" zwischen dem genannten Untersetzungsgetriebe und einer vorgesehenen „Rückübersetzung" angeordnet sein, da dies eine leichtere und kostengünstigere Ausführungsform ermöglicht. Vorzugsweise ist hierfür eine Reibkupplung vorgesehen, die vorteilhafterweise ein Einkuppeln auch bei unterschiedlichen Drehzahlen erlaubt und bei entsprechender Auslegung als Rutschkupplung ausgeführt sein kann und damit das flexible Übertragungselement vor Überlast schützen kann.
• Verschiedene Ausführungsbeispiele sind ebenso prinzipiell wie die bereits erläuterte 4 unter Verwendung gleicher Bezugsziffern für gleiche Bauelemente in den beigefügten 1, 2 und 3 dargestellt.
• In 1 ist im Unterschied zur bereits erläuterten 4 anstelle der sog. Lenkzwischenwelle 3' ein flexibles Übertragungselement 3 bspw. in Form einer biegsamen Welle vorgesehen, die mit ihren beiden Enden jeweils in einem weiteren Getriebe 9 bzw. 10 mündet. Dabei ist zwischen der Lenksäule 2 des Lenkrads 1 und dem flexiblen Übertragungselement 3 ein Untersetzungsgetriebe 9 zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement 3 zu übertragenden Drehmoments vorgesehen, das also eine Drehbewegung des Lenkrads 1 bzw. der Lenksäule 2 ins Schnelle übersetzt. Eine entsprechende „Rück-Übersetzung", die die Wirkung des Untersetzungsgetriebes 9 aufhebt bzw. rückgängig macht, erfolgt in einem Übersetzungsgetriebe 10, das zwischen dem anderen Ende des flexiblen Übertragungselements 3 und dem Eingang des Überlagerungsgetriebes 4 vorgesehen ist.
• Das Ausführungsbeispiel nach 2 enthält zusätzlich in der Lenksäule 2 einen sog. Lenkrad-Steller 11, der aus einer Sensor-Einheit und einer Aktuator-Einheit besteht. Während mit letzterer, bspw. in Form eines Elektromotors ein zum Fahrzustand und Lenkwinkel passendes Lenkmoment am Lenkrad 1 eingestellt werden kann, weist die Sensor-Einheit einen Lenkmoment-Sensor und einen Lenkwinkel-Sensor zur Erfassung des Fahrerwunsches auf.
• Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist anstelle eines Überlagerungsgetriebes (4) eine schaltbare Trenn-Kupplung 12 zwischen dem flexiblen Übertragungselement 3 und dem lenkgetriebenahen Übersetzungsgetriebe 10 vorgesehen, so dass dieses Lenksystem bei geöffneter Kupplung wie ein bekanntes Steer-by-Wire-System arbeitet, dessen mechanische Rückfallebene durch das flexible Übertragungselement 3 gebildet wird.
• Ein erfindungsgemäßes Lenksystem – nicht auf eines der Ausführungsbeispiele beschränkt – zeichnet sich nicht nur durch einen erheblich reduzierten Aufwand bezüglich der geometrischen Integration in den Vorderbau eines Kraftfahrzeugs aus, sondern auch durch geringen Aufwand insbesondere hinsichtlich Gewicht und Kosten für das genannte flexible Übertragungselement. Dabei wird durch die deutliche Modularisierung des Lenksystems die Integrierbarkeit in neue Fahrzeug-Konzepte erleichtert. Vorteilhafterweise ergibt sich eine verbesserte Rückmeldung des Fahrzustandes an den Fahrer und eine verbesserte aktive und passive Sicherheit bei erhöhter Systemverfügbarkeit, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (7)

1. Lenksystem eines zweispurigen Kraftfahrzeugs mit einem Lenkgetriebe (5), welches Spurstangen (6a, 6b), die letztlich mit den lenkbaren Fahrzeug-Rädern (7a, 7b) mechanisch verbunden sind, einer Lenkanforderung entsprechend verlagert, weiterhin mit einer Servoeinrichtung (8) zum Einleiten einer eine Verlagerung der Spurstangen (6a, 6b) unterstützenden oder initiierenden Kraft in das Lenkgetriebe (5), sowie mit einem flexiblen Übertragungselement (3) zwischen einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs zu betätigenden Lenkrad (1) und einem Eingangselement (Ritzel 5a) des Lenkgetriebes (5), so dass ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwunsch über das flexible Übertragungselement (3) und das Lenkgetriebe (5) an den lenkbaren Rädern (7a, 7b) umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lenkrad (1) und dem flexiblen Übertragungselement (3) ein Untersetzungsgetriebe (9) zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement (3) zu übertragenden Drehmoments vorgesehen ist.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Übertragungselement (3) als flexible Welle oder als Bowdenzug mit Wickelkörper oder als Zahnriemen ausgebildet ist.
3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem flexiblen Übertragungselement (3) und dem Eingangselement (Ritzel 5a) des Lenkgetriebes (5) ein die Wirkung des Untersetzungsgetriebes zumindest im wesentlichen aufhebendes Übersetzungsgetriebe (10) vorgesehen ist.
4. Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem flexiblen Übertragungselement (3) und dem Eingangselement (Ritzel 5a) des Lenkgetriebes (5) ein Überlagerungsgetriebe (4) vorgesehen ist.
5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Lenkrad (1) ein Lenkrad-Steller (11) und im durch das Lenkrad (1), den Lenkrad-Steller (11) und das flexible Übertragungselement (3) gebildeten sog. Lenkstrang eine schaltbare Kupplung (12) oder ein Überlagerungsgetriebe (4) vorgesehen ist.
6. Lenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lenkrad-Steller (11) einzustellende Lenkmoment aus einer Fahrzustandserkennung ermittelt und entsprechend eingestellt wird.
7. Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Elektromotor (8c) als Servoeinrichtung (8), dessen Abtriebswelle (8b) einen Eingang des Lenkgetriebes (5) bildet, so dass die Spurstangen (6a, 6b) durch geeignete Ansteuerung des Elektromotors (8c) verlagerbar sind.