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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lenksystem, das auf Basis eines
elektrischen Signals eine Lenkbewegung erzeugt.
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Ein
derartiges Lenksystem ist aus der
GB 2 351 953 B bekannt. Dort ist ein steer
by wire System offenbart, bei dem ein elektrisches Signal von einem Lenkrad
zu einem Aktuator übertragen wird. Der Aktuator erzeugt
abhängig vom elektrischen Signal eine Lenkkraft. Weiterhin
ist das Lenkrad mit einem Widerstandselement verbunden, mit dem
ein variables Widerstandsmoment erzeugt werden kann, das auf das
Lenkrad einwirkt. Das Widerstandselement weist ein elektrorheologisches
oder ein magnetorheologisches Fluid auf.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug-Lenksystem, das auf Basis
eines elektrischen Signals eine Lenkbewegung erzeugt, mit einem
vergleichsweise geringen Aufwand so auszubilden, dass ein hoher
Sicherheitsstandard gewährleistet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Fahrzeug-Lenksystem mit der Merkmalskombination
des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem weist einen hydraulischen
Aktuator zur Erzeugung einer Lenkbewegung, ein rotatorisches Hydraulikventil
zur hydraulischen Ansteuerung des hydraulischen Aktuators, einen
ersten elektrischen Antrieb zur Betätigung des Hydraulikventils
sowie ein erstes Koppelelement zur Drehmomentübertragung
vom ersten elektrischen Antrieb zum Hydraulikventil und zur Verhinderung
einer Drehmomentübertragung vom Hydraulikventil zum ersten
elektrischen Antrieb auf.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem vergleichsweise geringen
Aufwand ein hoher Sicherheitsstandard erzielbar ist. Hierzu trägt
insbesondere bei, dass beim erfindungsgemäßen
Lenksystem lediglich ein einziges Hydraulikventil benötigt
wird. Durch den Einsatz des Koppelelements ist zudem gewährleistet,
dass das Hydraulikventil bei einer Funktionsstörung des
ersten elektrischen Antriebs nicht blockiert wird, so dass die Möglichkeit
besteht, das Hydraulikventil auf andere Weise zu betätigen. Dadurch
kann auch bei einer Funktionsstörung des ersten elektrischen
Antriebs zumindest eine behelfsmäßige Lenkbarkeit
des Fahrzeugs gewährleistet werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn beim erfindungsgemäßen
Lenksystem ein zweiter elektrischer Antrieb zur Betätigung
des Hydraulikventils und ein zweites Koppelelement zur Drehmomentübertragung vom
zweiten elektrischen Antrieb zum Hydraulikventil und zur Verhinderung
einer Drehmomentübertragung vom Hydraulikventil zum zweiten
elektrischen Antrieb vorgesehen sind. Dann kann eine Funktionsstörung des
ersten elektrischen Antriebs durch den zweiten elektrischen Antrieb
ausgeglichen werden, so dass die Lenkbarkeit des Fahrzeugs nicht
beeinträchtigt wird.
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Das
erste Koppelelement kann für eine Drehmomentübertragung
vom ersten elektrischen Antrieb zum Hydraulikventil in beide Drehrichtungen
und zur Verhinderung einer Drehmomentübertragung vom Hydraulikventil
zum ersten elektrischen Antrieb in beide Drehrichtungen und/oder
das zweite Koppelelement für eine Drehmomentübertragung
vom zweiten elektrischen Antrieb zum Hydraulikventil in beide Drehrichtungen
und zur Verhinderung einer Drehmomentübertragung vom Hydraulikventil
zum zweiten elektrischen Antrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet
sein.
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Beim
erfindungsgemäßen Lenksystem kann eine manuell
betätigbare Gebereinrichtung vorgesehen sein, mit der der
erste elektrische Antrieb und/oder der zweite elektrische Antrieb
steuerbar ist. Insbesondere kann die Gebereinrichtung als ein Lenkrad
ausgebildet sein. In diesem Fall erfolgt die Bedienung des erfindungsgemäßen
Lenksystems in gleicher Weise wie die Bedienung eines herkömmlichen
Lenksystems, so dass für den Fahrzeugführer beim
Umstieg auf das erfindungsgemäße Lenksystem keine
Umstellung erforderlich ist.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem kann einen Sensor
aufweisen, der ein von der Betätigung der Gebereinrichtung
abhängiges Signal erzeugt. Weiterhin kann das erfindungsgemäße
Lenksystem ein Steuergerät zur elektrischen Ansteuerung
des ersten elektrischen Antriebs und/oder des zweiten elektrischen
Antriebs in Abhängigkeit vom Signal des Sensors aufweisen.
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Die
Gebereinrichtung kann als eine Komponente eines manuell betätigbaren,
mechanischen Antriebs zur Betätigung des Hydraulikventils
ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das Fahrzeug bei einer
Funktionsstörung des ersten elektrischen Antriebs auch
dann lenkbar bleibt, wenn kein zweiter elektrischer Antrieb vorhanden
ist. Insbesondere kann ein Lenkgestänge als eine weitere
eine weitere Komponente des mechanischen Antriebs zur Betätigung
des Hydraulikventils vorgesehen sein.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem kann ein erstes Getriebe
zur Erhöhung des Drehmoments des ersten elektrischen Antriebs
und/oder ein zweites Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments
des zweiten elektrischen Antriebs aufweisen. Dies ermöglicht
eine im Hinblick auf das Drehmoment relativ kleine Dimensionierung
des ersten bzw. zweiten elektrischen Antriebs, so dass der erste
bzw. der zweite elektrische Antrieb kompakt ausgebildet werden kann
und kostengünstig verfügbar ist.
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Der
erste elektrische Antrieb und/oder der zweite elektrische Antrieb
kann bezüglich des Hydraulikventils als eine separate Komponente
ausgebildet sein. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen
Standardausführungen für den ersten bzw. zweiten
elektrischen Antrieb. Außerdem wird dadurch auf einfache
Weise die Möglichkeit eröffnet lediglich den ersten
elektrischen Antrieb redundant auszulegen und beim Hydraulikventil
auf eine Redundanz zu verzichten. Insbesondere können der
erste elektrische Antrieb und/oder der zweite elektrische Antrieb
als ein Elektromotor ausgebildet sein. Zudem besteht die Möglichkeit,
dass der erste elektrische Antrieb und der zweite elektrische Antrieb
identisch ausgebildet sind.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem kann so ausgebildet
sein, dass als einzige Komponente zur Erzeugung eines Drucks in
der Hydraulikflüssigkeit, der mit Hilfe des Aktuators in
eine Lenkbewegung umgesetzt wird, das Hydraulikventil vorgesehen
ist. Diese Variante hat den Vorteil, dass keine separate Hydraulikpumpe
benötigt wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Lenksystems eines Fahrzeugs in einer schematischen Blockdarstellung und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Lenksystems in einer 1 entsprechenden Darstellung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Lenksystems eines Fahrzeugs in einer schematischen Blockdarstellung.
Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Nutzfahrzeug handeln,
das außerhalb des öffentlichen Straßenverkehrs
betrieben wird, beispielsweise ein Baufahrzeug, ein landwirtschaftliches Fahrzeug,
ein Flurförderzeug usw.
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Das
Lenksystem weist ein Lenkrad 1 auf, das über ein
Lenkgestänge 2 mechanisch mit einer Welle 3 eines
rotatorischen Hydraulikventils 4 gekoppelt ist. Die mechanische
Kopplung kann beispielsweise durch eine starre Verbindung oder durch
ein nicht figürlich dargestelltes Lenkgetriebe erfolgen.
Im Bereich des Lenkrads 1 ist ein Sensor 5 angeordnet,
der an seinem Ausgang ein von der Drehbewegung, insbesondere der
Drehgeschwindigkeit und der Drehrichtung, des Lenkrads 1 abhängiges
Signal ausgibt. Der Sensor 5 kann auch so ausgebildet ein,
dass er ein vom Drehwinkel des Lenkrads 1 abhängiges
Signal ausgibt. Ebenso ist es auch möglich, dass der Sensor 5 ein
Signal ausgibt, dass vom Drehwinkel und von der Drehgeschwindigkeit
des Lenkrads 1 abhängt.
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Der
Ausgang des Sensors 5 ist mit einem Eingang eines Steuergeräts 6 elektrisch
leitend verbunden, so dass das vom Sensor 5 ausgegebene
Signal in das Steuergerät 6 eingespeist wird.
Ein erster Ausgang des Steuergeräts 6 ist mit
einem ersten elektrischen Antrieb 7 elektrisch leitend
verbunden. Über ein erstes Koppelelement 8 ist
der erste elektrische Antrieb 7 mit der Welle 3 des
Hydraulikventils 4 gekoppelt. Wie durch gestrichelte Linien
angedeutet ist, kann ein zweiter Ausgang des Steuergeräts 6 mit einem
optional vorhandenen zweiten elektrischen Antrieb 9 elektrisch
leitend verbunden sein. Der zweite elektrische Antrieb 9 ist über
ein optional vorhandenes zweites Koppelelement 10 mit der
Welle 3 des Hydraulikventils 4 gekoppelt. Der
zweite elektrische Antrieb 9 kann in identischer Weise
ausgebildet sein wie der erste elektrische Antrieb 7. Ebenso
kann das zweite Koppelelement 10 in identischer Weise ausgebildet
sein wie das erste Koppelelement 8.
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Das
Hydraulikventil 4 ist mit einer Hydraulikpumpe 11 hydraulisch
verbunden, die an ein Reservoir 12 für Hydraulikflüssigkeit
angeschlossen ist. Das Hydraulikventil 4 ist ebenfalls
an das Reservoir 12 angeschlossen.
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Weiterhin
ist das Hydraulikventil 4 mit einem hydraulischen Aktuator 13 hydraulisch
verbunden. Der hydraulische Aktuator 13 wirkt auf lenkbare
Räder 14 des Fahrzeugs ein.
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Wenn
der Fahrzeugführer ein Lenkmanöver einleitet,
indem er das Lenkrad 1 aus einer Mittelposition herausdreht,
gibt der Sensor 5 Signale an das Steuergerät 6 aus,
die vom Drehwinkel und/oder von der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads 1 abhängen. Das
Steuergerät 6 erzeugt auf Basis der Signale des Sensors 5 Ansteuersignale
für den ersten elektrischen Antrieb 7. Der erste
elektrische Antrieb 7 kann beispielsweise als ein Elektromotor,
insbesondere als ein Rotationsmotor, ausgebildet sein, dessen Drehgeschwindigkeit
vom Steuergerät 6 gesteuert wird. Zusätzlich
oder alternativ dazu kann auch der Drehwinkel oder die Einschaltzeit
des ersten elektrischen Antriebs 7 vom Steuergerät 6 gesteuert
werden. Dabei wird vom Steuergerät 6 jeweils auch
die Drehrichtung des ersten elektrischen Antriebs 7 vorgegeben.
Die Vorgabe der Drehrichtung kann beispielsweise über die
Polarität der an den ersten elektrischen Antrieb 7 angelegten
Spannung erfolgen.
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Über
das erste Koppelelement 8 wird das vom ersten elektrischen
Antrieb 7 erzeugte Drehmoment auf die Welle 3 des
Hydraulikventils 4 übertragen. Dadurch kann die
Welle 3 des Hydraulikventils 4 in Drehung versetzt
werden, wobei die Richtung der Drehbewegung durch die Richtung des
Drehmoments vorgegeben wird. Der Betrag des Drehmoments kann über
ein nicht figürlich dargestelltes Getriebe angepasst werden,
das zwischen dem ersten elektrischen Antrieb 7 und der
Welle 3 des Hydraulikventils 4 angeordnet sein
kann.
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Das
erste Koppelelement 8 ist so ausgebildet, das es eine Drehmomentübertragung
ausschließlich vom ersten elektrischen Antrieb 7 zur Welle 3 des
Hydraulikventils 4, nicht jedoch von der Welle 3 des
Hydraulikventils 4 zum ersten elektrischen Antrieb 7 durchführt.
Insbesondere kann das erste Koppelelement 8 in der Wirkrichtung
von der Welle 3 des Hydraulikventils 4 zum ersten
elektrischen Antrieb 7 als ein Freilauf wirken. Auf diese Weise
wird verhindert, dass die Welle 3 des Hydraulikventils 4 bei
ausgeschaltetem ersten elektrischen Antrieb 7 oder bei
einem Defekt des ersten elektrischen Antriebs 7 blockiert
wird. Somit ist das Hydraulikventil 4 auch in einer derartigen
Situation funktionsfähig. Die Drehmomentübertragung
vom ersten elektrischen Antrieb 7 zur Welle 3 des
Hydraulikventils 4 kann in beide Drehrichtungen erfolgen.
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Das
Hydraulikventil 4 steuert den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit
zum hydraulischen Aktuator 13 bzw. den Abfluss von Hydraulikflüssigkeit
vom hydraulischen Aktuator 13. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Hydraulikventil 4 über zwei Hydraulikleitungen
mit dem hydraulischen Aktuator 13 verbunden. Die beiden
Hydraulikleitungen können in je eine Hydraulikkammer des
hydraulischen Aktuators 13 münden, die durch einen
linear beweglichen Kolben voneinander getrennt sind. Die Bewegung des
Kolbens wird auf die Räder 14 übertragen.
Die Bewegungsrichtung des Kolbens und damit die Richtung des Lenkeinschlags
hängt davon ab, welcher der beiden Hydraulikkammern des
hydraulischen Aktuators 13 Hydraulikflüssigkeit
zugeführt wird. Die Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit
hängt wiederum von der Drehrichtung der Welle 3 des
Hydraulikventils 4 ab.
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Bei
einer ersten Drehrichtung der Welle 3 des Hydraulikventils 4 wird
Hydraulikflüssigkeit zu einer der beiden Hydraulikkammern
des hydraulischen Aktuator 13 gefördert und dadurch
der Kolben des hydraulischen Aktuators 13 in eine erste
Richtung bewegt. Dies führt zu einem Lenkeinschlag der
Räder 14 in eine erste Lenkrichtung.
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Bei
einer entgegengesetzten Drehrichtung der Welle 3 des Hydraulikventils 4 wird
Hydraulikflüssigkeit zur anderen Hydraulikkammer des hydraulischen
Aktuators 13 gefördert und dadurch der Kolben
des hydraulischen Aktuators 13 in eine zur ersten Richtung
entgegengesetzte Richtung bewegt. Dies führt zu einem Lenkeinschlag
der Räder 14 in eine zur ersten Lenkrichtung entgegengesetzte
Lenkrichtung.
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Bei
einem Stillstand der Welle 3 des Hydraulikventils 4 kommt
auch der Strom der Hydraulikflüssigkeit zum Stillstand
und der Kolben des hydraulischen Aktuator 13 verharrt in
seiner gegenwärtigen Position, so dass der Lenkeinschlag
unverändert beibehalten wird.
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Der
für die Förderung der Hydraulikflüssigkeit
in die Hydraulikkammern des hydraulischen Aktuators 13 benötigte
Druck wird mit Hilfe der Hydraulikpumpe 11 erzeugt. Bei
einem Ausfall der Hydraulikpumpe 11 kann der für
die Förderung der Hydraulikflüssigkeit in die
Hydraulikkammern des hydraulischen Aktuators 13 benötigte
Druck auch durch das Hydraulikventil 4 erzeugt werden.
Die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs bleibt somit auch bei einem
Ausfall der Hydraulikpumpe 11 erhalten.
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In
gleicher Weise wie für den ersten elektrischen Antrieb 7 geschildert
kann auch mit Hilfe des zweiten elektrischen Antriebs 9 ein
Lenkeinschlag erzeugt werden. Solange der erste elektrische Antrieb 7 funktionsfähig
ist, wird der zweite elektrische Antrieb 9 in der Regel
nicht angesteuert. Erst wenn der erste elektrische Antrieb 7 ausfällt,
wird der zweite elektrische Antrieb 9 ersatzweise angesteuert.
Durch diese Redundanz wird ein hohes Sicherheitsniveau erreicht.
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Anstelle
der alternativen Ansteuerung ist auch eine gleichzeitige Ansteuerung
der beiden elektrischen Antriebe 7, 9 möglich.
In diesem Fall bewirkt der Ausfall eines der elektrischen Antriebe 7, 9,
dass das Hydraulikventil 4 vollständig vom jeweils
anderen elektrischen Antrieb 7, 9 betätigt
wird.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Lenksystems hat das Verdrehen des Lenkrads 1 nicht nur
die Erzeugung eines Sensorsignals und eine darauf basierende Betätigung
des Hydraulikventils 4 durch den ersten elektrischen Antrieb 7 und/oder
den zweiten elektrischen Antrieb 9 zur Folge, sondern auch
eine mechanische Betätigung des Hydraulikventils 4 über
das Lenkgestänge 2. Dies bedeutet, dass bei einem
Versagen und sogar bei einem Blockieren des ersten elektrischen
Antriebs 7 und/oder des zweiten elektrischen Antriebs 9 das
Hydraulikventil 4 über das Lenkrad 1 manuell
betätigt werden kann und das Fahrzeug somit lenkbar bleibt.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird somit auch dann ein hohes Sicherheitsniveau erreicht, wenn
auf die Option des zweiten elektrischen Antriebs 9 verzichtet
wird.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Lenksystems in einer 1 entsprechenden Darstellung.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von
dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
dadurch, dass kein Lenkgestänge 2 vorhanden ist,
welches das Lenkrad 1 mechanisch mit dem Hydraulikventil 4 verbindet
und dass der zweite elektrische Antrieb 9 und das zweite
Koppelelement 10 nicht optional, sondern standardmäßig
vorgesehen sind. Im Übrigen stimmen die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
in ihrem strukturellen Aufbau überein.
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Auch
in der Funktionsweise stimmt das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel des Lenksystems im Wesentlichen mit
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 überein.
Ein Unterschied besteht lediglich darin, dass eine mechanische Betätigung
des Hydraulikventils 4 mittels des Lenkrads 1 nicht
möglich ist, da keine mechanische Kopplung zwischen dem
Lenkrad 1 und dem Hydraulikventil 4 vorhanden ist.
Dies bedeutet, dass es sich beim Ausführungsbeispiel der 2 um
ein reines steer by wire System handelt. Aus Sicherheitsgründen
ist der zweite elektrische Antrieb 9 beim Ausführungsbeispiel
gemäß 2 deshalb zwingend vorgesehen.
Durch den zweiten elektrischen Antrieb 9 wird eine Redundanz hergestellt,
die auch bei einem Ausfall des ersten elektrischen Antriebs 7 noch
eine Lenkbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet.
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Die
fehlende mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad 1 und
dem Hydraulikventil 4 ermöglicht eine freie Positionierung
des Lenkrads 1. Zudem ist es auch möglich das
Lenkrad 1 abnehmbar zu gestalten, so dass es beispielsweise
an verschiedenen Positionen angeordnet werden kann und dabei jeweils
noch eine Lenkbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Lenkrad 1 durch
eine andersartig ausgebildete Komponente zu ersetzen, die im Zusammenspiel
mit dem Sensor 5 ein vom Steuergerät 6 auswertbares Sensorsignal
erzeugt. Diese andersartig ausgebildete Komponente kann insbesondere
kompakter gestaltet sein als das Lenkrad 1.
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Bei
einer Abwandlung des Lenksystems sind anstelle eines einzigen hydraulischen
Aktuators 13 mehrere hydraulische Aktuatoren 13 vorgesehen. Diese
hydraulischen Aktuatoren 13 können einen einfacheren
Aufbau haben als die hydraulischen Aktuatoren 13, die bei
den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 zum
Einsatz kommen.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit, das Hydraulikventil 4 und
den ersten elektrischen Antrieb 7 sowie ggf. den zweiten
elektrischen Antrieb 9 so auszulegen, dass diese über
eine ausreichende Leistung für eine Erzeugung des für
die Betätigung des hydraulischen Aktuators 13 benötigten
Drucks in der Hydraulikflüssigkeit mit Hilfe des Hydraulikventils 4 verfügen.
Bei dieser Abwandlung ist das Lenksystem auch ohne die Hydraulikpumpe 11 voll
funktionsfähig, so dass auf die Hydraulikpumpe 11 verzichtet
werden kann.
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- 1
- Lenkrad
- 2
- Lenkgestänge
- 3
- Welle
- 4
- Hydraulikventil
- 5
- Sensor
- 6
- Steuergerät
- 7
- erster
elektrischer Antrieb
- 8
- erstes
Koppelelement
- 9
- zweiter
elektrischer Antrieb
- 10
- zweites
Koppelelement
- 11
- Hydraulikpumpe
- 12
- Reservoir
- 13
- hydraulischer
Aktuator
- 14
- Rad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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