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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeuglenksystem mit einer Lenkwelle, über die
ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwinkel auf die lenkbaren Räder im Fahrzeug übertragbar
ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 197 03 903
A1 ist ein Lenksystem in einem Fahrzeug bekannt, bei dem
der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel über eine Lenkwelle und ein
zwischengeschaltetes Lenkgetriebe auf ein Lenkgestänge übertragen
wird, das kinematisch mit den gelenkten Rädern des Fahrzeuges gekoppelt
ist und die Räder
mit einem Radlenkwinkel verstellt.
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Aus
der
DE 40 20 547 A1 ist
eine Radaufhängung
eines Fahrzeugrades bekannt, bei dem die Spur und/oder der Sturz
des Fahrzeugrades eingestellt werden kann. Hierfür ist in die am Radträger angreifende
Spurstange des Rades, die Bestandteil des Fahrwerks ist, ein Stellglied
integriert, bei dessen Betätigung
die Spurstange verstellt wird, wodurch sich auch die Radposition
in Bezug auf das Fahrwerk ändert.
Je nach Angriffspunkt der Spurstange am Radträger lässt sich auf diese Weise eine
Spur- oder eine Sturzeinstellung realisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrund, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen den Sturz bzw. die Spur
lenkbarer Räder
in einem Fahrzeug einzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Fahrzeuglenksystem
wird der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel über die Lenkwelle mithilfe
eines Lenkgetriebes auf das Lenkgestänge übertragen, wodurch der gewünschte Radlenkwinkel
an den gelenkten Rädern im
linken und rechten Seitenbereich des Fahrzeugs eingestellt wird.
Des Weiteren ist ein Aktuator zur veränderlichen Einstellung des
Abstands im Lenkgestänge
zwischen dem Lenkgetriebe und mindestens einem der lenkbaren Räder vorgesehen.
Mithilfe des Aktuators ist es möglich,
die Spur und/oder den Sturz des betreffenden, lenkbaren Rades als
Funktion aktueller Fahrzeugzustands- und Betriebsgrößen einzustellen.
Die Verstellung der die Radposition bestimmenden Spur- bzw. Sturzwinkel
ermöglicht
einen Eingriff in die Fahrdynamik des Fahrzeuges, beispielsweise,
um bei Kurvenfahrt oder bei einem Spurwechsel einen schnelleren
Seitenkraftaufbau zu erreichen. Weitere Vorteile der an die aktuelle
Fahrsituation angepassten Lenkungsauslegung sind ein minimierter
Reifenabrieb und eine Erhöhung
des Fahrkomforts. Außerdem
können
gezielte Eingriffe zur Fahrzeugstabilisierung effizienter durchgeführt werden.
Insgesamt steigt die Anzahl an Einflussmöglichkeiten insbesondere im
Hinblick auf Fahrdynamikregelungen.
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In
zweckmäßiger Ausführung wird
die Änderung
des Sturz- bzw. Spurwinkels nur an einem lenkbaren Rad durchgeführt, was
jedoch automatisch zu einer Änderung
des Differenzwinkels zwischen beiden Rädern führt. Ist beispielsweise der
Aktuator dem rechten, lenkbaren Vorderrad zugeordnet, so wird bei
einer Betätigung
des Aktuators unabhängig vom
Fahrereingriff die Spur und/oder der Sturz des rechten Vorderrades
verstellt, wobei über
die Geometrie des Lenkgestänges
gezielt die Spur beider Räder
verstellt werden kann.
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In
bevorzugter Ausführung
ist der Aktuator unmittelbar in das Lenkgestänge integriert und bildet einen
Abschnitt des Lenkgestänges.
Bei einer Verstellung des Aktuators wird die Länge des betreffenden Abschnittes
im Lenkgestänge
verändert,
was sich in einer Änderung
der Radposition niederschlägt.
Alternativ ist es aber auch möglich,
den Aktuator nicht direkt in das Lenkgestänge zu integrieren, sondern
nur am Lenkgestänge
bzw. einem mit dem Lenkgestänge
verbundenen Bauteil angreifen zu lassen, so dass das Lenkgestänge bei
einer Betätigung
des Aktuators seine Relativposition bezogen auf das Fahrwerk des
Fahrzeuges ändert.
Die Ausführung
mit der Integration des Aktuators in das Lenkgestänge weist
aber den Vorteil einer kompakten und klein bauenden Geometrie auf.
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Vorteilhafterweise
ist nur ein Aktuator im Lenkgestänge
vorgesehen, über
den in der Regel entweder das linke oder das rechte lenkbare Rad
beeinflusst wird. Denkbar ist aber auch, den Aktuator in der Weise
anzuordnen und mit dem Lenkgestänge
zu verbinden, dass bei einer Betätigung
des Aktuators eine Verstellung des Sturzes bzw. der Spur beider Räder erfolgt.
Gemäß noch einer
weiteren Ausführung
sind insgesamt zwei Aktuatoren vorgesehen, die jeweils dem linken
und rechten Rad zugeordnet sind; in dieser Ausführung ist eine unabhängige Einstellung
des Sturzes und/oder der Spur von linkem und rechtem Rad möglich, da
der zusätzliche
Aktuator auch einen zusätzlichen
Freiheitsgrad darstellt.
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Als
Aktuatoren kommen verschiedene Stellelemente in Betracht. Beispielsweise
können
Elektromotoren eingesetzt werden, von denen insbesondere Linearmotoren
in bevorzugter Ausführung
Verwendung finden, da bei einer Verstellung des Linearmotors eine
translatorische Verschiebebewegung ausgeführt wird, die unmittelbar zu
einer Längenänderung
im Lenkgestänge
ausgenutzt werden kann. Möglich
ist aber auch der Einsatz von hydraulischen Stellgliedern oder auch
von elektrisch betätigbaren Piezoelementen,
wobei letztere zweckmäßigerweise zu
einem Stapel zusammengefasst werden, um eine signifikante Stellbewegung
erzeugen zu können.
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Bevorzugt
ist dem Aktuator eine Ausfallkupplung zugeordnet, um sicherzustellen,
dass bei einem Ausfall des Aktuators eine starre Verbindung im Lenkgestänge vorliegt,
um die Lenkbewegungen trotz des Ausfalles des Aktuators sicher übertragen zu
können.
Die Ausfallkupplung hat die Aufgabe einer Fail-Safe-Sicherung des
Systems und wirkt als Haltebremse, die im stromlosen Zustand die
Angriffspunkte des Aktuators starr verbindet. Ein unkontrolliertes
Verschieben des Lenkgestänges
bei einem Stromausfall wird dadurch verhindert.
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Gemäß noch einer
weiteren vorteilhaften Ausführung
ist in dem Fahrzeuglenksystem ein Überlagerungslenkgetriebe vorgesehen,
mit dem ein Überlagerungslenkwinkel
erzeugbar ist, der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel überlagerbar ist.
Der Überlagerungslenkwinkel,
der von dem Überlagerungslenkgetriebe
vorgegeben wird, addiert sich zu dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel
zu einem Gesamtlenkwinkel. Mithilfe des Überlagerungslenkgetriebes können variable
Lenkübersetzungen realisiert
werden, was sowohl unter Sicherheitskriterien als auch unter Komfortkriterien
Vorteile bringt. Der Überlagerungslenkwinkel
wird hierbei insbesondere als Funktion diverser Zustands- und Betriebsgrößen des
Fahrzeuges eingestellt. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein,
mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ein indirektes Übersetzungsverhältnis und
umgekehrt bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten ein direkteres Übersetzungsverhältnis einzustellen,
beispielsweise zum Erleichtern des Einparkens. Über die Kombination des aktiv
einstellbaren Überlagerungslenkgetriebes
(Aktivlenkung) mit dem Aktuator zur Verstellung des Sturzes bzw.
der Spur am lenkbaren Fahrzeugrad lassen sich praktisch alle Funktionalitäten von
so genannten 4-Corner-Modulen
abdecken, da nicht nur Differenzwinkel, sondern mittels der Aktivlenkung
auch absolute Winkel an den Rädern
wunschgemäß eingestellt
werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Fahrzeuglenksystems, bestehend aus
einem Lenkrad, einer Lenkwelle, einem Lenkgetriebe und einem Lenkgestänge, über das
die lenkbaren Räder
des Fahrzeuges einzustellen sind, wobei zusätzlich ein Aktuator in das
Lenkgestänge
integriert ist, bei dessen Betätigung
der Sturz und/oder die Spur eines lenkbaren Rades eingestellt werden
können,
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2 eine 1 entsprechende
Darstellung, jedoch mit einem zusätzlichen Überlagerungslenkgetriebe in
der Lenkwelle des Fahrzeuges zur Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels,
der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel überlagert wird.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das
in 1 dargestellte Fahrzeuglenksystem 1 weist
ein vom Fahrer zu betätigendes
Lenkrad 2 auf, über
den ein Lenkwinkel δL, der am Lenkrad 2 eingestellt
wird, über
eine fest mit dem Lenkrad 2 gekoppelte Lenkwelle 3 mithilfe
eines Lenkgetriebes 4 auf ein Lenkgestänge 5 übertragen
wird. Das Lenkgestänge 5 ist über ein
Lager 6, das beispielhaft als dreieckförmiges Lager ausgebildet ist,
mit der Radkinematik lenkbarer Vorderräder 7 verbunden. Die
Betätigung
des Lenkrades 2 führt
zu einer Drehung der Lenkwelle, die über das Lenkgetriebe 4 in
eine translatorische, in Querrichtung weisende Stellbewegung des
Lenkgestänges 5 führt, welche
auf die Räder 7 übertragen
wird, woraufhin sich im linken Vorderrad ein Radlenkwinkel δVL und
im rechten Vorderrad ein Radlenkwinkel δVR einstellt.
Das Lenkgetriebe 4 ist zweckmäßigerweise als Zahnstangenübersetzungsgetriebe
ausgeführt,
wobei grundsätzlich
auch hierzu alternative Lenkgetriebe eingesetzt werden können. Dem
Lenkgetriebe 4 ist üblicherweise
noch ein Servomotor zugeordnet, der für eine Verstärkung des vom
Fahrer erzeugten Handlenkmomentes sorgt.
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In
den bezogen auf die Fahrzeugvorwärtsrichtung
F rechts der Lenkwelle 3 liegenden Teil des Lenkgestänges 5 ist
ein Aktuator 8 integriert, der einen Bestandteil des in
Querrichtung verlaufenden Lenkgestänges bildet. Dieser Aktuator 8 ist
als lineares, translatorisch verstellbares Stellglied ausgeführt, bei
dessen Betätigung
der betreffende Abschnitt des Lenkgestänges elongiert bzw. kontrahiert
wird. Diese Längenänderung
führt zu
einer Verstellung des Sturzes bzw. der Spur des rechten Vorderrades,
zugleich ändert
sich der betreffende Differenzwinkel zwischen linkem und rechtem
Vorderrad 7. Der Aktuator 8 ist wie dargestellt
vollständig
in das Lenkgestänge 5 integriert;
gemäß einer
alternativen Ausführung
ist es aber auch möglich,
den Aktuator 8 außerhalb
des Lenkgestänges 5 anzuordnen
und lediglich am Lenkgestänge
oder einem mit dem Lenkgestänge
verbundenen Bauteil angreifen zu lassen. Das Lenkgestänge selbst
ist beispielsweise in Form eines Trapezes ausgeführt, wobei auch andere Formen
in Betracht kommen, beispielsweise Lenkrechtecke, -dreicke oder
-vierecke oder sonstige Formen. Je nach Geometrie des Lenkgestänges ist
entweder ausschließlich
der Spurwinkel, ausschließlich
der Sturzwinkel oder sowohl der Spur- und der Sturzwinkel einzustellen.
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Der
Aktuator 8 ist zweckmäßig als
Elektromotor, insbesondere als elektrischer Linearmotor ausgebildet.
Als Alternativen kommen auch hydraulische Stellzylinder oder elektrisch
betätigbare
Piezoelemente in Betracht, die bei Anlegen einer Spannung ihre Ausdehnung ändern. Die
Stellbewegung des Aktuators 8 erfolgt als ausschließlich translatorische Bewegung
in der Achse des Lenkgestänges 5,
im Ausführungsbeispiel
quer zur Fahrzeugvorwärtsrichtung
F, wobei je nach Gestängegeometrie
auch Bewegungen mit einer Komponente in Längs- und/oder Hochrichtung
möglich
sind.
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Weiters
ist es zweckmäßig, eine
dem Aktuator 8 zugeordnete Ausfallkupplung vorzusehen,
die bei einem Ausfall des Aktuators eine starre Verbindung im Lenkgestänge 5 sicherstellt.
Bei einem Stromausfall gewährleistet
die Ausfallkupplung die Lenkbarkeit im Fahrzeuglenksystem 1.
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Der
Aktuator 8 ist vorteilhafterweise mit einem zentralen Regel-
bzw. Steuerungssystem im Fahrzeug verbunden und empfängt von
diesem Stellsignale in Abhängigkeit
aktueller Zustands- und Betriebsgrößen des Fahrzeuges. Beispielsweise
kann der Aktuator 8 in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit
betätigt
werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 2 entspricht im Wesentlichen demjenigen nach 1,
jedoch mit dem Unterschied, dass bei 2 ein Überlagerungslenkgetriebe 9 in
die Lenkwelle 3 integriert ist. Mithilfe des Überlagerungslenkgetriebes 9 kann ein Überlagerungslenkwinkel δZUS vorgegeben
werden, der dem vom Fahrer über
das Lenkrad 2 eingestellten Lenkwinkel δL additiv
zum Gesamtlenkwinkel δGES überlagert
wird. Das Überlagerungslenkgetriebe 9 wird über einen
Stellmotor 10 verstellt, der zweckmäßigerweise ebenfalls mit dem
zentralen Regel- bzw. Steuerungssystem im Fahrzeug verbunden ist und
in Abhängigkeit
aktueller Fahrzeugzustands- und Betriebsgrößen einstellbar ist. Das Überlagerungslenkgetriebe 9 stellt
einen weiteren Freiheitsgrad dar, über den in das Fahrzeuglenksystem
eingegriffen werden kann. Gemeinsam mit dem Aktuator 8 im
Lenkgestänge 5 bestehen
somit zwei voneinander unabhängige
Eingriffsmöglichkeiten
im Lenksystem 1.