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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine für ein Steer-by-wire-Steuersystem, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, geeignete Lenkeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund der Erfindung
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Derartige Lenkeinheiten sind außer bei Wasserfahrzeugen auch bei einer Reihe von Nutzfahrzeugen, wie zum Beispiel Landmaschinen, Baumaschinen oder Flurförderfahrzeuge, einsetzbar.
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Eine gattungsgemäße Lenkeinheit ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 048 077 A1 bekannt. Unter einem Steer-by-wire-Lenksystem versteht man generell ein Lenksystem, bei dem ein manuell betätigbares Bedienelement, typischerweise ein Lenkrad oder ein Steuerrad, im bestimmungsgemäßen Betrieb der Lenkung nicht mechanisch mit einem Aktor verbunden ist, welcher den Lenkbefehl ausführt. Höchstens im Fehlerfall, bei Ausfall elektrischer Funktionen, ist bei einer Steer-by-wire-Lenkung eine mechanische Lenkungsbetätigung durch den Bediener vorgesehen.
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Um dem Bediener der Steer-by-wire-Lenkung eine Rückmeldung zu geben, welche im Unterschied zu einem mechanischen Lenksystem bei einem Steer-by-wire-Lenksystem nicht per se gegeben ist, kann auf eine Welle, an der das Lenk- oder Steuerrad befestigt ist, künstlich ein Drehmoment mittels eines Elektromotors aufgegeben werden. Der Elektromotor kann hierbei, wie aus der
DE 10 2007 048 077 A1 prinzipiell bekannt ist, beispielsweise koaxial zur Welle der Lenkung angeordnet sein.
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Aus der
DE 10 2010 044 540 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkwelle bekannt, welche ebenfalls in einer Steer-by-wire-Lenkung nutzbar ist. Ein Motor, welcher ein Drehmoment auf die Lenkwelle überträgt, ist in diesem Fall parallel zur Lenkwelle angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steer-by-wire-Lenksystem gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines kompakten Aufbaus und einer rationellen Herstellbarkeit sowie Montier- und Demontierbarkeit weiterzuentwickeln.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire-Steuersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lenkeinheit ist vorzugsweise für die Nutzung in einem Wasserfahrzeug vorgesehen, prinzipiell jedoch auch in einem Landfahrzeug oder Luftfahrzeug nutzbar.
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Die Lenkeinheit für das Steer-by-wire-Steuersystem umfasst
- • eine mit einem Steuerrad des Fahrzeugs verbindbare Welle, das heißt Steuerwelle,
- • einen Motor, welcher zur Beaufschlagung der Welle mit einem Drehmoment ausgebildet ist,
- • einen die Winkelstellung der Welle erfassenden Winkeldetektor,
wobei der Motor als Scheibenläufermotor ausgebildet ist.
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Der Scheibenläufermotor, dessen Durchmesser größer als dessen längs der Motorachse gemessene axiale Erstreckung ist, hat gegenüber anderen Bauformen von Elektromotoren den Vorteil einer sehr kurzen Bauweise. Die Rotationsachse des Rotors, das heißt Scheibenläufers, des Motors ist vorzugsweise mit der Rotationsachse der Steuerwelle identisch. Es sind jedoch auch Bauformen der Lenkeinheit realisierbar, bei welchen die Rotationsachse des Scheibenläufers gegenüber der Rotationsachse des Motors parallel versetzt ist, wobei die Drehmomentübertragung zwischen dem Scheibenläufermotor beispielsweise über eine Stirnradverzahnung oder über ein Umschlingungsgetriebe in Form eines Ketten- oder Riemengetriebes erfolgt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform weist der Scheibenläufermotor einen bestrombaren Rotor auf. Die Stromzuführung zum Rotor erfolgt über Schleifkontakte, welche unmittelbar am Rotor oder an einem fest mit dem Rotor verbundenen Teil angeordnet sein können. Ein Scheibenläufermotor mit einem eisenlosen, bestrombaren Rotor hat generell den Vorteil einer geringen Masse und damit einer geringen Trägheit. Ein möglicher Aufbau eines Scheibenläufermotors ist beispielsweise aus der
DE 199 43 692 A1 bekannt.
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Der bestrombare Rotor des Scheibenläufermotors des Steer-by-wire-Lenksystems kann in prinzipiell bekannter Weise als Multilayerplatine aufgebaut sein. Ein derartiger Aufbau eines Rotors eines Scheibenläufermotors ist grundsätzlich zum Beispiel aus der
WO 2009/068079 A1 bekannt.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Steer-by-wire-Lenksystems ist dessen Motor als bürstenloser Scheibenläufermotor ausgebildet. Der Rotor des Scheibenläufermotors ist dabei, sofern es sich nicht um einen Reluktanzmotor handelt, wie er prinzipiell zum Beispiel aus der
EP 0 910 154 B1 bekannt und auch im vorliegenden Fall verwendbar ist, mit Permanentmagneten bestückt. Derartige Rotoren von Scheibenläufermotoren sind beispielsweise aus der
DE 20 2010 009 004 U1 sowie aus der
DE 199 02 370 B4 bekannt.
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Gegenüber einem bürstenlosen Scheibenläufermotor hat der permanentmagneterregte Scheibenläufermotor den Vorteil des Entfalls einer Stromzuführung zu einem bewegten Teil, weist jedoch eine höhere Masse und damit ein etwas trägeres Ansprechverhalten auf. Dieses trägere Ansprechverhalten ist jedoch im gegebenen Anwendungsfall innerhalb einer Steer-by-wire-Lenkung keinesfalls von Nachteil, da das zu steuernde Fahrzeug, insbesondere Wasserfahrzeug, ohnehin eine beträchtliche Trägheit aufweist, sodass eine träge, zusammen mit dem Steuerrad zu drehende Masse, wie sie mit dem permanentmagneterregten Rotor gegeben ist, den Erwartungen des Bedieners an das Verhalten des Lenksystems eher entspricht als ein Lenksystem mit bewegten Teilen von sehr geringer Masse.
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Der mit dem permanentmagneterregten Rotor zusammenwirkende Stator des Scheibenläufermotors kann – mit vergleichbarem Aufbau wie ein eisenloser Rotor eines Scheibenläufermotors mit bestrombarem Rotor – als Multilayerleiterplatte aufgebaut sein. Eine Multilayerleiterplatte als Stator innerhalb eines elektrischen Antriebs ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 062 575 A1 bekannt. Ebenso wie dieser bekannte Stator kann auch der Stator des Scheibenläufermotors des Steer-by-wire-Lenksystems einen oder mehrere Sensoren aufweisen.
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Der Scheibenläufermotor des Steer-by-wire-Lenksystems kann als elektrischer Direktantrieb unmittelbar sein Drehmoment auf die Welle aufbringen. Alternativ sind Bauformen realisierbar, in denen der Scheibenläufermotor über ein Getriebe, insbesondere Planetengetriebe, an die Welle angeschlossen ist. Damit kann auch mit einem ein nur geringes Drehmoment liefernden Scheibenläufermotor ein vergleichsweise großes Drehmoment auf die Welle aufgebracht werden, welches vom Bediener des Steer-by-wire-Lenksystems in gewünschter Weise als mechanischer Widerstand wahrnehmbar ist.
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Selbst bei einer hohen Übersetzung des Getriebes treten aufgrund der geringen Betätigungsgeschwindigkeiten des Steuerrads keine sehr hohen Drehzahlen des Scheibenläufermotors auf. Die Gestaltung des Getriebes als Planetengetriebe sorgt für einen nur geringen axialen Bauraumbedarf. Ist das Getriebe spielfrei oder sehr spielarm ausgelegt, so ergibt sich für den Bediener des Steer-by-wire-Lenksystems zudem der Eindruck von erheblichen mit dem Steuerrad mitzubewegenden Massen, was zu einem wesentlichen Teil auch an der Tatsache liegt, dass die Drehzahl und damit auch die Beschleunigungen des Rotors des Scheibenläufermotors wesentlich höher sind als die Drehzahl beziehungsweise Beschleunigung des Steuerrads.
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Die Welle des Steer-by-wire-Lenksystems ist in bevorzugter Ausgestaltung nur mittels eines einzigen Lagers, nämlich Wälzlagers, rotierbar gelagert. Das Wälzlager ist vorzugsweise als zweireihiges Lager, insbesondere Kugellager, ausgebildet. Es kann sich hierbei um ein Schrägkugellager in X-Anordnung oder in O-Anordnung handeln. Prinzipiell könnte das Wälzlager beispielsweise auch Nadeln, Zylinderrollen oder Kegelrollen als Wälzkörper aufweisen. Auch ein Kreuzrollenlager ist zur Lagerung der Steuerwelle in der Adapterplatte geeignet. Weder der Rotor des Scheibenläufermotors noch Komponenten des Winkeldetektors weisen in dieser Ausgestaltung eine eigene Wälz- oder Gleitlagerung auf. Sämtliche Kräfte und Momente, welche vom Steuerrad oder vom Scheibenläufermotor aus auf die Steuerwelle einwirken, werden somit über das Wälzlager übertragen.
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In einer besonders kompakten Bauform sind Komponenten des Winkeldetektors in den Rotor des Scheibenläufermotors integriert, wie dies prinzipiell aus dem bereits genannten Dokument
DE 199 43 692 A1 bekannt ist. Ist der Winkeldetektor räumlich vom Scheibenläufermotor getrennt, so weist er vorzugsweise zwei in Axialrichtung der Welle hintereinander angeordnete Detektorelemente auf. Bei diesen Detektormodulen kann es sich entweder um eigenständig funktionsfähige, redundante Winkelmesser oder um Module, welche sich zu einem Winkelmesssystem ergänzen, handeln. Im letztgenannten Fall sind die Detektorelemente, bezogen auf die Rotationsachse, bevorzugt um 90° zueinander verdreht angeordnet, was eine Vier-Quadranten-Auswertung und damit nicht nur eine inkrementelle, sondern auch eine absolute Winkelmessung ermöglicht. Im Fall redundanter Winkeldetektoren dient deren zueinander verdrehte Anordnung der Einsparung von Bauraum. In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Winkeldetektor um einen Multiturn-Detektor, das heißt einen Detektor, welcher Winkelstellungen über mehr als eine volle Umdrehung voneinander unterscheiden kann.
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Ein Steuergerät, welches den Scheibenläufermotor des Steer-by-wire-Lenksystems ansteuert, kann entweder in dessen Gehäuse oder an beliebiger anderer Stelle des mit der Steer-by-wire-Lenkung ausgerüsteten Fahrzeugs angeordnet sein. Das Gehäuse des Steer-by-wire-Lenksystems weist vorzugsweise einen der Form des Scheibenläufermotors angepassten kreisförmigen Querschnitt auf. Das Gehäuse des Scheibenläufermotors ist in bevorzugter Ausgestaltung mit einem Teil des Gehäuses des gesamten Steer-by-wire-Lenksystems identisch. Sofern statt eines als Direktantrieb fungierenden Scheibenläufermotors eine Motor-Getriebe-Kombination zur Übertragung eines Drehmoments auf die Welle des Steer-by-wire-Lenksystems verwendet wird, kann die gesamte Motor-Getriebe-Kombination ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, welches mit dem Gehäuse des Steer-by-wire-Lenksystems identisch ist oder einen Teil dieses Gehäuses bildet.
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Das Gehäuse des Scheibenläufermotors beziehungsweise einer Motor-Getriebe-Kombination mit Scheibenläufermotor ist vorzugsweise durch eine Gehäusehaube zum Gehäuse der gesamten Lenkeinheit komplettiert, wobei der Winkeldetektor durch die Gehäusehaube abgedeckt ist. Zwischen dem Motorgehäuse beziehungsweise Gehäuse der Motor-Getriebe-Kombination und der Getriebehaube kann hierbei beispielsweise eine Flachdichtung eingesetzt sein. Ebenso kann zur Abdichtung an dieser Stelle eine Dichtschnur vorgesehen sein. In vorteilhafter Ausgestaltung erfüllt die Gehäusehaube eine weitere Funktion als mechanisches Sicherungselement: Verschraubungen in dem von der Gehäusehaube umschlossenen Innenraum der Lenkeinheit sind vorzugsweise derart gestaltet, dass ein Herausfallen von Schrauben oder anderen verschraubten Befestigungselementen aufgrund der diese abdeckenden Gehäusehaube nicht möglich ist. Darüber hinaus sind Verschraubungen vorzugsweise durch Mikroverkapselung gesichert.
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An der Durchführung der Welle durch das Gehäuse kann beispielsweise ein Radialwellendichtring aus einem nicht rostenden Stahl wie V4A-Stahl angeordnet sein. Eine eine Dichtlippe vorspannende Feder ist vorzugsweise aus einem gegenüber Salzwasser resistenten Material gefertigt. Komplett von Kunststoff umschlossene Teile der Lenkeinheit müssen dagegen nicht in jedem Fall aus derart korrosionsbeständigen Materialien gefertigt sein. Dichtungen an Kabeldurchführungen, welche beispielsweise durch die Gehäusehaube geführt sind, sind vorzugsweise meerwasserbeständig ausgeführt und beispielsweise aus Kunststoff und/oder korrosionsbeständigem Stahl gefertigt.
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In jedem Fall ist das Gehäuse des Steer-by-wire-Lenksystems an einem fest in dem mit diesem Lenksystem auszurüstenden Fahrzeug angeordneten Anschlussstück, insbesondere einer Adapterplatte, befestigbar, wobei eine standardmäßig vorhandene Anschlussgeometrie des Scheibenläufermotors oder eines einen solchen Motor aufweisenden Getriebemotors nutzbar ist. Das komplette Steer-by-wire-Lenksystem zeichnet sich damit durch eine einfache Montierbarkeit und leichte Austauschbarkeit aus.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in schematisierter Darstellung:
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1 Ein Steer-by-wire-Lenksystem mit einem Scheibenläufermotor.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Ein Steer-by-wire-Lenksystem arbeitet mit einer Lenkeinheit
1, welche einen als Scheibenläufermotor
2 ausgebildeten Motor aufweist, der direkt eine Welle
3, nämlich Steuerwelle, mit einem Drehmoment beaufschlagt. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Lenkeinheit
1 wird auf den eingangs genannten Stand der Technik, insbesondere die
DE 10 2007 048 077 A1 , verwiesen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Lenkeinheit
1 sind Wasserfahrzeuge, insbesondere Motorschiffe. Ebenso ist die Lenkeinheit
1 jedoch beispielsweise auch in einer fahrbaren landwirtschaftlichen Maschine, beispielsweise einen Traktor oder einen Mähdrescher, in einer fahrbaren Forst- oder Baumaschine, einem Straßenfahrzeug oder in einem Flugzeug verwendbar.
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Der Scheibenläufermotor 2 weist ein flaches, zylindrisches Motorgehäuse 4 auf, auf welches eine ebenfalls zylindrische Gehäusehaube 5 aufgesetzt ist, die zusammen mit dem Motorgehäuse 4 das Gehäuse 6 des Lenksystems 1 bildet. Die Steuerwelle 3 ist eines nicht dargestellten Steuerrades verdrehbar. Das Steuerrad ist hierbei entweder direkt oder mittels einer nicht dargestellten Adapterwelle, welche drehfest mit der Welle 3 verbunden ist, auf der Lenkeinheit 1 montierbar. Im Fall eines mit der Lenkeinheit 1 ausgerüsteten Landfahrzeugs, handelt es sich bei dem Steuerrad um das Lenkrad des Fahrzeugs.
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In dem durch die Gehäusehaube 5 gebildeten Innenraum des Gehäuses 6 befindet sich ein Winkeldetektor 7, welcher zwei Detektorelemente 8, 9 aufweist, die die Winkelstellung der Welle 3 erfassen. Bei jedem Detektorelement 8, 9 handelt es sich um ein eigenständig funktionsfähiges Winkelmessgerät. Durch die Redundanz der Detektorelemente 8, 9 ist eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Lenkeinheit 1 gegeben. Auf der Welle 3 befindet sich mindestens eine mit den Detektorelementen 8, 9 zusammenwirkende Maßverkörperung, beispielsweise in Form optisch oder induktiv abtastbarer Markierungen. Der Winkeldetektor 7 erfasst mit der Detektion der Winkelstellung sowie Verdrehgeschwindigkeit der Welle 3 auch die Winkellage des Rotors des Scheibenläufermotors 2 sowie des auf der Welle 3 befestigten, in 1 nicht dargestellten Steuerrads.
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Abweichend von der Anordnung nach 1 kann an Stelle des Scheibenläufermotors 2 auch ein Getriebemotor in die Lenkeinheit 1 eingebaut sein. Auch in diesem Fall wird mit dem Winkeldetektor 7 vorzugsweise direkt die Winkelstellung der Welle 3 detektiert. Alternativ erfasst der Winkeldetektor 7 nicht die Winkellage und Winkelgeschwindigkeit des Steuerrads, sondern die Winkellage und Winkelgeschwindigkeit des im Vergleich zum Steuerrad schneller rotierenden Rotors des Scheibenläufermotors 2. Nachdem die feste Übersetzung zwischen der Welle 3 und dem Rotor des Scheibenläufermotors 2 bekannt ist, ist keine zusätzliche Erfassung von Winkellage, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Welle 3 zwingend erforderlich. Im Sinne einer redundanten Erfassung von Messwerten kann jedoch ein zusätzlicher Winkeldetektor, welcher die Position und Positionsveränderungen der Welle 3 unmittelbar erfasst, vorgesehen sein.
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Das Gehäuse 6 des Scheibenläufermotors 2 der Lenkeinheit 1 nach 1 weist auf seiner dem Steuerrad zugewandten, nicht durch die Gehäusehaube 5 abgedeckten Seite eine Anzahl Bohrungen 10 auf, die der Verschraubung der gesamten Lenkeinheit 1 an einer nicht dargestellten fahrzeugfesten Adapterplatte dienen. Die Adapterplatte befindet sich somit zwischen dem Steuerrad und dem Gehäuse 6 der Lenkeinheit 1, wobei die Welle 3 eine kreisrunde Ausnehmung in der Adapterplatte durchdringt.
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Eine nicht dargestellte Wellendichtung kann sich in der Ausnehmung der Adapterplatte und/oder im Motorgehäuse 4 befinden. Im letztgenannten Fall kann die Wellendichtung mit einem Wälzlager kombiniert sein, welches die Welle 3 im Motorgehäuse 4 lagert. Eine weitere Lagerung der Welle 3 der Lenkeinheit 1 ist nicht vorgesehen. Dies gilt auch für Fälle, in denen die Welle 3 nicht, wie in 1 dargestellt, einteilig ausgebildet, sondern aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann sich auf der aus dem Gehäuse 6 ragenden Seite der Welle 3 ein Adapterstück befinden, welches der Verbindung der Welle 3 mit dem Steuerrad dient. Auf der in den Innenraum des Gehäuses 6 ragenden Seite der Welle 3 kann sich dagegen eine auf die Welle 3 aufgesetzte oder an die Welle 3 angesetzte Sensorwelle oder Sensorscheibe befinden, auf welcher sich die von den Detektorelementen 8, 9 abzutastende Maßverkörperung befindet. In allen Fällen kann die Welle 3, auf welche der Scheibenläufermotor 2 direkt oder indirekt ein Drehmoment überträgt, entweder als massive Welle oder als Hohlwelle gestaltet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkeinheit
- 2
- Scheibenläufermotor
- 3
- Welle
- 4
- Motorgehäuse
- 5
- Gehäusehaube
- 6
- Gehäuse
- 7
- Winkeldetektor
- 8
- Detektorelement
- 9
- Detektorelement
- 10
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007048077 A1 [0003, 0004, 0025]
- DE 102010044540 A1 [0005]
- DE 19943692 A1 [0010, 0018]
- WO 2009/068079 A1 [0011]
- EP 0910154 B1 [0012]
- DE 202010009004 U1 [0012]
- DE 19902370 B4 [0012]
- DE 102008062575 A1 [0014]
