DE102006001821A1 - 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, mit einem Elektromotor, dessen Abtriebswelle einen Eingang des Lenkgetriebes bildet, so dass die Spurstangen durch geeignete Ansteuerung des Elektromotors verlagerbar sind, 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 kann das flexible Übertragungselement (vorzugsweise eine flexible Welle) auf die Abtriebswelle des Elektromotors einwirken und kann somit ein dieser zugeordnetes Getriebe zwischen der Abtriebswelle und einem linear verlagerbaren Getriebeelement des Lenkgetriebes, an welchem letztlich die beiden Spurstangen angekoppelt sind, mit nutzen. Ferner kann am Lenkrad ein Lenkrad-Steller und im durch das Lenkrad, den Lenkrad-Steller und das flexible Übertragungselement gebildeten sog. Lenkstrang eine schaltbare Kupplung oder ein Überlagerungsgetriebe vorgesehen sein.

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 einem Elektromotor, dessen Abtriebswelle einen Eingang des Lenkgetriebes bildet, so dass die Spurstangen durch geeignete Ansteuerung des Elektromotors verlagerbar sind, 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. 2) die Möglichkeit, sowohl das Lenkmoment wie auch den Lenkwinkel frei zu modifizieren.
• In dieser 2 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 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 2 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. Jedoch erfolgt – soweit überhaupt erkennbar – bei diesem bekannten Stand der Technik die Einleitung einer Lenkrad-Drehbewegung über dieses flexible Kabel in das Lenkgetriebe relativ aufwändig, weshalb hiermit eine demgegenüber einfachere Möglichkeit aufgezeigt werden soll (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Übertragungselement auf die Abtriebswelle des Elektromotors einwirkt oder einwirken kann und somit ein dieser zugeordnetes Getriebe zwischen der Abtriebswelle und einem linear verlagerbaren Getriebeelement des Lenkgetriebes, an welchem letztlich die beiden Spurstangen angekoppelt sind, mit nutzen kann. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Beispielsweise an einer Zahnstangenlenkung mit elektrischer Servoeinrichtung ist es nahe liegend, eine biegsame Welle oder dgl., die anstelle einer üblichen Lenksäule oder Lenkzwischenwelle vorgesehen wird, analog zur bekannten Lenkzwischenwellen-Bauart auf das sog. Ritzel des Zahnstangen-Lenkgetriebes zu führen. Vergleichbares scheint in der genannten DE 102 56 694 A1 für eine Kugelmutter-Hydrolenkung vorgeschlagen zu sein. Einen anderen Weg verfolgt die vorliegende Erfindung. Demnach ist an einem Lenkgetriebe ohnehin bereits ein elektrischer Servomotor vorgesehen, dessen Abtriebswelle über ein geeignetes Getriebe auf ein im wesentlichen linear verlagerbares Getriebeelement des Lenkgetriebes einwirkt, wie bereits in Verbindung mit 2 erläutert wurde – dort handelt es sich bei dem im wesentlichen linear verlagerbaren Getriebeelement um die Zahnstange des Zahnstangen-Lenkgetriebes. Demgegenüber kann nun der Bauaufwand erheblich reduziert werden, wenn das flexible Übertragungselement direkt auf die Abtriebswelle des elektrischen Servomotors geführt wird, die über ein weiteres Getriebe auf das im wesentlich linear verlagerbare Getriebeelement des Lenkgetriebes einwirkt bzw. einwirken kann. Damit kann das bislang vorgesehene Ritzel eines Zahnstangen-Lenkgetriebes oder allgemein ein bislang für die starre Lenkzwischenwelle (vgl. abermals 2) vorgesehenes Eingangselement des Lenkgetriebes ersatzlos entfallen. Aufgrund ihrer (bzw. seiner) Flexibilität kann nämlich eine biegsame Welle bzw. allgemein ein flexibles Übertragungselement ohne besonderen Aufwand an jede beliebige Stelle eines Lenkgetriebes geführt werden und ist somit nicht an ein bislang übliches und der Lage der bislang üblichen Lenkzwischenwelle angepasstes Ritzel oder allgemein Eingangselement des Lenkgetriebes angewiesen.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist in Anspruch 2 angegeben. Zurückkommend auf den bekannten Stand der Technik nach der DE 102 56 694 A1 muss nämlich die biegsame Welle, wenngleich diese bei dieser bekannten Anordnung 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, 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 sich eine deutliche Vereinfachung insbesondere im Zusammenwirken mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem ergibt, wenn zwischen dem Lenkrad und dem flexiblen Übertragungselement ein Untersetzungsgetriebe zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement zu übertragenden Drehmoments vorgesehen ist. Die damit einhergehende Drehzahlerhöhung kann einerseits durch das flexible Übertragungselement einfach übertragen werden und muss anderseits am anderen Ende des flexiblen Übertragungselements nicht wieder „rückübersetzt" werden, da auch ein elektrischer Servomotor ein relativ hohes Drehzahlniveau besitzt, das über ein bereits vorhandenes Getriebe geeignet herabgesetzt wird, um das im wesentlichen linear verschiebbare Element des Lenkgetriebes den Lenkanforderungen entsprechend verschieben zu können. Das gleiche bereits vorhandene Getriebe zur Drehzahlanpassung kann nun das flexible Übertragungselement nutzen.
• Über eine geregelte elektromotorische Servolenkung ist bekanntlich 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 nun 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 eine geeignete Dimensionierung (hinsichtlich der Höhe des zu übertragenden Drehmoments) dieses flexiblen Übertragungselements zu erreichen, kann – wie bereits ausgeführt – ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Lenkrad bzw. einer an dieses angekoppelten starren Lenksäule und dem flexiblen Übertragungselement vorgesehen sein. 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. Eine „Rück-Übersetzung" dürfte mit der vorgeschlagenen Einleitung des dem Lenkgetriebe zugewandten Endes des flexiblen Übertragungselements wie bereits ausgeführt nicht erforderlich sein, kann jedoch ggf. in einem Überlagerungsgetriebe integriert sein, welches in einer möglichen Ausführungsform zwischen dem flexiblen Übertragungselement und dem Lenkgetriebe vorgesehen sein kann. 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.
• 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. Vorzugsweise ist diese schaltbare Kupplung im sog. „Niedrig-Moment-Bereich" zwischen dem genannten Untersetzungsgetriebe und der Verbindung mit der Abtriebswelle des Elektromotors der Servoeinrichtung vorgesehen, 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. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient die geregelte elektromotorische 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.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ebenso prinzipiell wie die bereits erläuterte 2 unter Verwendung gleicher Bezugsziffern für gleiche Bauelemente in der beigefügten 1 dargestellt. Hierbei ist im Unterschied zur bereits erläuterten 2 anstelle der sog. Lenkzwischenwelle 3' ein flexibles Übertragungselement 3 bspw. in Form einer biegsamen Welle vorgesehen, die mit ihrem dem Lenkrad 1 zugewandten Ende in einem Untersetzungsgetriebe 9 zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement 3 zu übertragenden Drehmoments mündet. Die andere Seite dieses Untersetzungsgetriebes 9 ist mit einem sog. Lenkrad-Steller 11 und dieser über die Lenksäule 2 mit dem Lenkrad 1 verbunden. Der Lenkrad-Steller 11 besteht aus einer Sensor-Einheit und einer Aktuator-Einheit. 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. Das dem Lenkgetriebe 5 zugewandte Ende des flexiblen Übertragungselements ist unter Zwischenschaltung einer trennbaren Schalt-Kupplung 12 mit der Abtriebswelle 8b des Elektromotors 8c verbunden, so dass bei geschlossener Kupplung 12 das flexible Übertragungselement 3 über das bereits vorhandene Getriebe 8a der elektrischen Servoeinrichtung 8 auf das im wesentlichen linear verschiebbare Element 5b des Lenkgetriebes 5, welches im übrigen zumindest im Bereich des bisherigen und nun nicht mehr erforderlichen und daher auch nicht mehr vorgesehenen Ritzels nicht weiter als Zahnstange ausgebildet sein muss, einwirken kann. Bei geöffneter Trenn-Kupplung 12 arbeitet dieses Lenksystem somit wie ein bekanntes Steer-by-Wire-System, dessen mechanische Rückfallebene durch das flexible Übertragungselement 3 gebildet wird.
• Ein erfindungsgemäßes Lenksystem – nicht auf das Ausführungsbeispiel 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 auch 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 (4)

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 einem Elektromotor (8c), dessen Abtriebswelle (8b) einen Eingang des Lenkgetriebes (5) bildet, so dass die Spurstangen (6a, 6b) durch geeignete Ansteuerung des Elektromotors (8c) verlagerbar sind, sowie mit einem flexiblen Übertragungselement (3) zwischen einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs zu betätigenden Lenkrad (1) und einem Eingangselement 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 das flexible Übertragungselement (3) auf die Abtriebswelle (8b) des Elektromotors (8c) einwirkt oder einwirken kann und somit ein dieser zugeordnetes Getriebe (8a) zwischen der Abtriebswelle (8b) und einem im wesentlichen linear verlagerbaren Getriebeelement (5b) des Lenkgetriebes (5), an welchem letztlich die beiden Spurstangen (6a, 6b) angekoppelt sind, mit nutzen kann.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lenkrad (1) und dem flexiblen Übertragungselement (3) ein Untersetzungsgetriebe (9) zur Reduzierung des vom flexiblen Übertragungselement (3) ggf. zu übertragenden Drehmoments vorgesehen ist.
3. Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 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 vorgesehen ist.
4. Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lenkrad-Steller (11) einzustellende Lenkmoment aus einer Fahrzustandserkennung ermittelt und entsprechend eingestellt wird.