DE102006038192A1

DE102006038192A1 - Lenksystem mit Planetengetriebe

Info

Publication number: DE102006038192A1
Application number: DE200610038192
Authority: DE
Inventors: Jerome Dipl.-Ing. Oghagbon; Andreas Dr.-Ing. Schwarzhaupt; Istvan Dipl.-Ing. Vegh
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem (5) für ein Fahrzeug, mit einem Lenkrad (6), das über eine Lenksäule (7) mit einem Lenkgetreibe (8) verbunden ist, das in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel einen Lenkwinkel an den zugeordneten lenkbaren Fahrzeugrädern (9) einstellt. Die Lenksäule (7) weist ein Mantelrohr (15) und eine relativ zum Mantelrohr (15) drehbare, im Mantelrohr (15) gelagerte Lenkwelle (17) auf, deren lenkradseitiger Abschnitt (20) mit dem Lenkrad (6) und deren lenkgetriebeseitiger Abschnitt (21) mit dem Lenkgetriebe (8) verbunden sind. Der lenkradseitige Abschnitt (20) ist über ein zwei Getriebewellen (26, 27) aufweisendes Planetengetriebe (25) mit dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt (21) der Lenkwelle (17) verbunden. Ein Elektromotor (50) dient zum Verändern des am Lenkrad (6) anliegenden Lenkradmoments und ist koaxial zur Lenkwelle (17) angeordnet. Sein Stator (52) ist dabei an der Innenseite des Mantelrohres (15) angeordnet und sein Rotor (51) ist drehfest mit der Lenkwelle (17) verbunden. Eine der beiden Getriebewellen (27) ist von einem Hohlrad (30) des Planetengetriebes (25) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug, mit einem Lenkrad, das über eine Lenksäule mit einem Lenkgetriebe verbunden ist, das in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel einen Lenkwinkel an den zugeordneten lenkbaren Fahrzeugrädern einstellt, wobei die Lenksäule ein Mantelrohr und eine relativ zum Mantelrohr drehbare, im Mantelrohr gelagerte Lenkwelle aufweist, deren lenkradseitiger Abschnitt mit dem Lenkrad und deren lenkgetriebeseitiger Abschnitt mit dem Lenkgetriebe verbunden sind, und wobei der lenkradseitige Abschnitt über ein zwei Getriebewellen aufweisendes Planetengetriebe mit dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt der Lenkwelle verbunden ist.
Ein derartiges Lenksystem ist aus der DE 35 02 577 A1 bekannt. Zwei verschiedene Getriebeübersetzungen zwischen dem lenkradseitigen und dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt der Lenkradwelle können über das Planetengetriebe gewählt werden: eine erste, direktere Getriebeübersetzung, beispielsweise zum Einparken, und eine zweite, indirektere Getriebeübersetzung, z.B. für das Fahren mit höheren Geschwindigkeiten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das bekannte Lenksystem bei kompaktem Aufbau weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Elektromotor dient dazu, das am Lenkrad anliegenden Lenkradmoment zu verändern. Dadurch kann der Komfort für den Fahrer erhöht werden. Es ist z.B. möglich, den Fahrer beim Ausgleichen von auf das Fahrzeug einwirkenden Querstörungen wie Seitenwindeinflüssen zu unterstützen und/oder ein größeres Unterstützungsmoment bei Rangierfahrten des Fahrzeugs – beispielsweise beim Parkieren – bereitzustellen, so dass der Kraftaufwand für den Fahrer beim Drehen des Lenkrades reduziert ist. Gleichzeitig wird ein kompakter und Bauraum sparender Aufbau des Lenksystems erreicht, indem der Elektromotor koaxial zur Lenkwelle angeordnet wird. Dabei ist der Stator des Elektromotors an der Innenseite des Mantelrohres angeordnet und der Rotor des Elektromotors ist drehfest mit der Lenkwelle verbunden. Ein Hohlrad des Planetengetriebes bildet eine der beiden Getriebewellen, so dass sich die gewünschte Getriebeübersetzung bzw. die gewünschten Getriebeübersetzungen des Planetengetriebes sehr einfach bei geringem Bauraumbedarf realisieren lassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lenksystems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zur weiteren Vereinfachung des Aufbaus des Lenksystems ist es vorteilhaft, wenn das Planetengetriebe ein Sonnenrad aufweist, das die jeweils andere Getriebewelle bildet.
Dabei können zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad ein oder mehrere Planetenräder angeordnet sein, deren Außenverzahnungen sowohl mit der Außenverzahnung des Sonnenrads als auch mit der Innenverzahnung des Hohlrads in Eingriff stehen. Insbesondere ist ein Planetenradträger vorgesehen, an dem das Planetenrad bzw. die Planetenräder gelagert sind. Die richtige Positionierung der Planetenräder ist dadurch gewährleistet.
Es ist ferner von Vorteil, wenn eine Kopplungseinrichtung vorgesehen ist, mittels der die Getriebeübersetzung zwischen den beiden Getriebewellen veränderbar ist. Dabei kann mit Hilfe der Kopplungseinrichtung zwischen zwei vorgegebenen Getriebeübersetzungen umgeschaltet werden, so dass neben der Möglichkeit, die Getriebeübersetzung zu variieren, ein einfacher Getriebeaufbau realisierbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der lenkradseitige Abschnitt der Lenkwelle zwei axiale Teilabschnitte auf.
Um das Umschalten zwischen verschiedenen Getriebeübersetzungen auf einfache Weise zu erreichen, kann die Kopplungseinrichtung dabei in einem ersten Kopplungszustand eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilabschnitten des lenkradseitigen Abschnitts der Lenkwelle herstellen bzw. in einem zweiten Kopplungszustand eine Verdrehung der beiden Teilabschnitte des lenkradseitigen Abschnitts der Lenkwelle relativ zueinander ermöglichen.
Dabei kann eine Bremseinrichtung vorgesehen sein, die den mit dem Planetengetriebe verbundenen zweiten Teilabschnitt des lenkradseitigen Abschnitts relativ zur Fahrzeugkarosserie festhält, wenn sich die Kopplungseinrichtung in ihrem zweiten Kopplungszustand befindet.
Es ist des Weiteren vorteilhaft, wenn der Elektromotor koaxial zum lenkradseitigen Abschnitt der Lenkwelle angeordnet ist und der Rotor des Elektromotors drehfest mit dem lenkradseitigen Abschnitt der Lenkwelle verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit den Elektromotor im Bereich des Fahrzeuginnenraums anzuordnen, so dass er nicht zusätzlich gegen äußere Einflüsse wie Nässe oder Schmutz geschützt werden muss.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Blockschaltbild ähnliche, schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Lenksystems.
Das in der Figur dargestellte Lenksystem 5 weist ein Lenkrad 6 auf, das über eine Lenksäule 7 mit einem Lenkgetriebe 8 verbunden ist. Das Lenkgetriebe 8 dient dazu, an lenkbaren Fahrzeugrädern 9 einen gewünschten Lenkwinkel entsprechend der an einem Lenkgetriebeeingang 10 verursachten Drehbewegung einzustellen. Als Lenkgetriebe 8 können prinzipiell alle bekannten Ausführungen von Lenkaktuatoren verwendet werden.
Die Lenksäule 7 enthält ein Mantelrohr 15, das beispielsgemäß fahrzeugfest angeordnet ist. Hierfür ist das Mantelrohr 15 an der Fahrzeugkarosserie 16 befestigt.
Eine zur Übertragung der Drehbewegung vom Lenkrad 6 zum Lenkgetriebe 8 dienende Lenkwelle 17 ist im Mantelrohr 15 drehbar gelagert, wie dies schematisch durch die beiden Lager 18 in der Figur dargestellt ist. Die Lenkwelle 17 weist einen mit dem Lenkrad 6 verbundenen lenkradseitigen Abschnitt 20 und einen mit dem Lenkgetriebeeingang 10 des Lenkgetriebes 8 verbundenen lenkgetriebeseitigen Abschnitt 21 auf. Die beiden Abschnitte 20, 21 der Lenkwelle 17 sind über ein Planetengetriebe 25 mechanisch miteinender verbunden. Eine Drehbewegung des Lenkrads 6 wird mithin über den lenkradseitigen Abschnitt 20, über das Planetengetriebe 25 und über den lenkgetriebeseitigen Abschnitt 21 der Lenkwelle 17 zum Lenkgetriebe 8 übertragen.
Der lenkradseitige Abschnitt 20 der Lenkwelle 17 ist in zwei axiale Teilabschnitte 20a, 20b aufgeteilt. Der erste axiale Teilabschnitt 20a ist mit dem Lenkrad 6 verbunden, wohingegen der sich an den ersten Teilabschnitt 20a axial anschließende zweite Teilabschnitt 20b mit dem Planetengetriebe 25 verbunden ist. Die beiden Teilabschnitte 20a, 20b sind über eine ansteuerbare Kopplungseinrichtung 45 miteinander verbindbar. In einem ersten Kopplungszustand stellt di3e Kopplungseinrichtung 45 eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilabschnitten 20a, 20b her, während sich die beiden Teilabschnitte 20a, 20b in einem zweiten Kopplungszustand der Kopplungseinrichtung 45 relativ zueinander drehen können.
Das Planetengetriebe 25 ist als Zwei-Wellen-Planetengetriebe mit zwei Getriebewellen 26, 27 ausgestaltet. Die erste Getriebewelle 26 ist von einem Sonnenrad 28 gebildet, das an dem Lenkrad 6 entgegengesetzten Ende des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkwelle 17 drehfest mit dem lenkradseitigen Abschnitt 20 verbunden ist.
Ein koaxial zum Sonnenrad 28 angeordnetes Hohlrad 30 des Planetengetriebes 25 stellt die zweite Getriebewelle 27 dar. Das Hohlrad 30 ist drehfest mit dem Lenkgetriebeeingang 10 entgegengesetzten Ende des lenkgetriebeseitigen Abschnitts 21 der Lenkwelle 17 verbunden.
Zwischen dem Sonnenrad 28 und dem Hohlrad 30 ist zumindest ein und beispielsgemäß mehrere Planetenräder 31 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Die Planetenräder 31 stehen mit ihren Außenverzahnungen sowohl mit der Innenverzahnung des Hohlrades 30 als auch mit der Außenverzahnung des Sonnenrades 28 in Eingriff. Jedes der Planetenräder 31 ist über eine Planetenachse 32 drehbar an einem Trägerteil 33 gelagert. Planetenachsen 32 und Trägerteil 33 sind Bestandteile eines Planetenradträgers 34. Das Trägerteil 33 ist beispielsgemäß drehfest am ersten Teilabschnitt 20a des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkwelle 17 angeordnet.
Die Kopplungseinrichtung 45 wird zur Veränderung der Getriebeübersetzung i des Planetengetriebes 25 verwendet. Die Ansteuerung der Kopplungseinrichtung 45 erfolgt über eine Steuereinheit 60, die die Kopplungseinrichtung zwischen den beiden Kopplungszuständen umschaltet. Als Kopplungseinrichtung 45 kann beispielsweise eine schaltbare Kupplung, wie etwa eine Lamellen- oder Klauenkupplung verwendet werden.
Ferner steuert die Steuereinheit 60 auch eine Bremseinrichtung 70 an, die dem mit dem Planetengetriebe 25 verbundenen zweiten Teilabschnitt 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkradwelle 17 zugeordnet ist. Die Bremseinrichtung 70 dient dazu abhängig vom Kopplungszustand der Kopplungseinrichtung 45 den zweiten Teilabschnitt 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkradwelle 17 entweder unbeeinträchtigt frei drehbar zu lassen oder aber festzuhalten, so dass der zweite Teilabschnitt 20b relativ zum Mantelrohr 15 bzw. der Fahrzeugkarosserie 16 unverdrehbar gehalten ist.
Die Bremseinrichtung 70 und die Kopplungseinrichtung 45 können zusammen auch eine gemeinsame Baugruppe bilden. Es kann mithin auch eine kombinierte Kopplungs- und Bremseinrichtung vorgesehen werden.
Befindet sich die Kopplungseinrichtung 45 in ihrem ersten Kopplungszustand, besteht eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilabschnitten 20a, 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20. Die Bremseinrichtung 70 gibt den zweiten Teilabschnitt 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkradwelle 17 frei. In diesem ersten Kopplungszustand läuft das Planetengetriebe 25 im Block um. Die wirksame erste Getriebeübersetzung i₁ des Planetengetriebes 25 zwischen den beiden Getriebewellen 26, 27 beträgt im ersten Kopplungszustand der Kopplungseinrichtung 45 i₁ = 1.
Im zweiten Kopplungszustand der Kopplungseinrichtung 45 ist der erste Teilabschnitt 20a gegenüber dem zweiten Teilabschnitt 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkwelle 17 drehbar. Die Kopplungseinrichtung 45 entkoppelt die beiden Teilabschnitte 20a, 20b hinsichtlich einer Drehbewegung voneinander. Die Bremseinrichtung 70 beaufschlagt den zweiten Teilabschnitt 20b des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkradwelle 17, so dass dieser verdrehgesichert gegenüber dem Mantelrohr 15 oder der Fahrzeugkarosserie 16 festgehalten wird.
In dieser zweiten Kopplungsstellung wälzen sich die Planetenräder 31 bei einer Drehung des Lenkrades 6 auf dem still stehenden Sonnenrad 28 ab und umkreisen dabei das Sonnenrad 28. Dadurch wird eine Drehung des Hohlrades 30 verursacht, die über den lenkgetriebeseitigen Abschnitt 21 der Lenkwelle 17 an den Lenkgetriebeeingang 10 übertragen wird. Die im zweiten Kopplungszustand der Kopplungseinrichtung 45 wirksame zweite Getriebeübersetzung i₂ des Planetengetriebes 25 zwischen den beiden Getriebewellen 26, 27 hängt von der Zahl der Zähne der Verzahnungen des Sonnenrades 28, der Planetenräder 31 und des Hohlrades 30 ab, ist aber ungleich der ersten Getriebeübersetzung i₁: i2 ≠ i1 = 1.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Lenkrad 6 und dem Planetengetriebe 25 ein Elektromotor 50 angeordnet, der dazu dient, das am Lenkrad 6 aktuell anliegende Lenkradmoment zu variieren. Hierfür ist der Rotor 51 des Elektromotors 50 mit der Lenkwelle 17 und beispielsgemäß dem ersten Teilabschnitt 20a des lenkradseitigen Abschnitts 20 der Lenkwelle 17 verbunden, während der Statur 52 des Elektromotors 50 am Mantelrohr 15 und damit an der Fahrzeugkarosserie 16 abgestützt ist. Sowohl Rotor 51 als auch Statur 52 des Elektromotors 50 sind koaxial zum lenkradseitigen Abschnitt 20 der Lenkwelle 17 innerhalb des Mantelrohres 15 angeordnet, um einen kompakten Aufbau des Lenksystems 5 zu erreichen.
Die Steuereinheit 60 steuert den Elektromotor 50 zur Einstellung des gewünschten Lenkradmoments an, das über einen Lenkradmomentensensor 61 erfasst und der Steuereinheit 60 übermittelt wird. Da die Steuereinheit 60 auch die Kopplungseinrichtung 45 und die Bremseinrichtung 70 ansteuert, um die gewünschte erste oder zweite Getriebeübersetzung des Planetengetriebes 25 einzustellen, können das Lenkradmoment und die Getriebeübersetzung i des Planetengetriebes 25 aufeinander abgestimmt in Abhängigkeit von erfassten oder ermittelten Zustandsgrößen des Fahrzeugs eingestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, das am Lenkrad 6 für den Fahrer spürbare Lenkradmoment abhängig von der Längsgeschwindigkeit als eine mögliche Zustandsgröße des Fahrzeugs einzustellen. Gleichzeitig kann bei Längsgeschwindigkeiten unterhalb eines vorgebbaren Geschwindigkeitsschwellenwertes die direktere, z.B. die erste Getriebeübersetzung i₁ und bei Längsgeschwindigkeiten größer oder gleich dem Geschwindigkeitsschwellenwert die indirektere, z.B. die zweite Getriebeübersetzung 12 eingestellt werden.
Ferner können über den Elektromotor 50 auch weitere beliebige Assistenzfunktionen ausgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, den Fahrer beim Ausgleichen von erkannten, von außen auf das Fahrzeug einwirkenden Störquerkräften zu unterstützen, indem ein den Störquerkräften entgegen gerichtetes Lenkradmoment erzeugt wird. Des Weiteren können Spurhaltefunktionen und/oder Einparkfunktionen mit Hilfe des ansteuerbaren Elektromotors 50 verwirklicht werden.
In Abwandlung zur dargestellten Ausführungsform des Lenksystems 5 wäre es auch möglich, die erste Getriebewelle mit dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt 21 der Lenkwelle 17 und die zweite Getriebewelle 27 mit dem lenkradseitigen Abschnitt 20 der Lenkwelle 17 zu verbinden. Dadurch würde das Planetengetriebe sozusagen umgedreht werden. Die zwischen Lenkrad 6 und Lenkgetriebe 8 wirksamen Lenkübersetzungen kehren sich dadurch um.

Claims

Lenksystem für ein Fahrzeug, mit einem Lenkrad (6), das über eine Lenksäule (7) mit einem Lenkgetriebe (8) verbunden ist, das in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel einen Lenkwinkel an den zugeordneten lenkbaren Fahrzeugrädern (9) einstellt, wobei die Lenksäule (7) ein Mantelrohr (15) und eine relativ zum Mantelrohr (15) drehbare, im Mantelrohr (15) gelagerte Lenkwelle (17) aufweist, deren lenkradseitiger Abschnitt (20) mit dem Lenkrad (6) und deren lenkgetriebeseitiger Abschnitt (21) mit dem Lenkgetriebe (8) verbunden sind, und wobei der lenkradseitige Abschnitt (20) über ein zwei Getriebewellen (26, 27) aufweisendes Planetengetriebe (25) mit dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt (21) der Lenkwelle (17) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (50) zum Verändern des am Lenkrad (6) anliegenden Lenkradmoments vorgesehen ist, der koaxial zur Lenkwelle (17) angeordnet ist, wobei der Stator (52) der Elektromotors (50) an der Innenseite des Mantelrohres (15) angeordnet ist und der Rotor (51) des Elektromotors (50) drehfest mit der Lenkwelle (17) verbunden ist, und dass eine der beiden Getriebewellen (27) von einem Hohlrad (30) des Planetengetriebes (25) gebildet ist.
Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (25) ein Sonnenrad (28) aufweist, das die jeweils andere Getriebewelle (26) bildet.
Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sonnenrad (28) und dem Hohlrad (30) ein oder mehrere Planetenräder (31) angeordnet sind, deren Außenverzahnungen sowohl mit der Außenverzahnung des Sonnenrads (28) als auch mit der Innenverzahnung des Hohlrads (30) in Eingriff stehen.
Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenradträger (34) vorgesehen ist, an dem das Planetenrad bzw. die Planetenräder (31) gelagert sind.
Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungseinrichtung (45) vorgesehen ist, mittels der die Getriebeübersetzung zwischen den beiden Getriebewellen (26, 27) veränderbar ist.
Lenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Kopplungseinrichtung (45) zwischen zwei vorgegebenen Getriebeübersetzungen umgeschaltet werden kann.
Lenksystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der lenkradseitige Abschnitt (20) der Lenkwelle (17) zwei axiale Teilabschnitten (20a, 20b) aufweist.
Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (45) in einem ersten Kopplungszustand eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilabschnitten (20a, 20b) des lenkradseitigen Abschnitts (20) der Lenkwelle (17) herstellt.
Lenksystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (45) in einem zweiten Kopplungszustand eine Verdrehung der beiden Teilabschnitte (20a, 20b) des lenkradseitigen Abschnitts (20) der Lenkwelle (17) relativ zueinander ermöglicht.
Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremseinrichtung (70) vorgesehen ist, die den mit dem Planetengetriebe (25) verbundenen zweiten Teilabschnitt (20b) des lenkradseitigen Abschnitts (20) relativ zur Fahrzeugkarosserie (16) festhält, wenn sich die Kopplungseinrichtung (45) in ihrem zweiten Kopplungszustand befindet.
Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (50) koaxial zum lenkradseitigen Abschnitt (20) der Lenkwelle (17) angeordnet ist und der Rotor (51) des Elektromotors (50) drehfest mit dem lenkradseitigen Abschnitt (20) der Lenkwelle (17) verbunden ist.