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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hinterachslenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem zentralen Aktuator zur Verschiebung einer Lenkstange, die mit beiden Rädern der Hinterachse verbunden ist und eine Änderung des Lenkwinkels dieser Räder bewirkt, wobei die Lenkstange mit einem Lenkritzel in Eingriff steht. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Im Allgemeinen sind Hinterachslenkungen aus dem Stand der Technik bekannt, die entweder für jedes Rad der Hinterachse einen einzelnen Aktuator aufweisen oder einen zentralen Aktuator zur gemeinsamen Betätigung der beiden Hinterräder eines Kraftfahrzeugs. Bei einer Hinterachslenkung mit einem zentralen Aktuator ist es dabei grundsätzlich denkbar, eine Vorderachslenkung so zu modifizieren, dass diese auch für die Lenkung einer Hinterachse einsetzbar ist.
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Aus der
DE 40 25 950 A1 ist eine Hinterradlenkeinrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der eine im Wesentlichen serienmäßige Vorderradlenkeinrichtung als Hinterradlenkeinrichtung eingesetzt wird.
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Die
DE 10 2009 033 912 A1 offenbart ein Lenkgetriebe mit einem Hohlwellenmotor, das sowohl für die Anwendung in Vorderachs- als auch in Hinterachs-Lenkungen eingesetzt werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass bei einer Anwendung als Hinterachslenkung die Spindel selbsthemmend ausgeführt ist.
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Bei einem Ausfall der elektrischen Energieversorgung kann sich die Lenkstange in derartigen Hinterachslenkungen aufgrund der dynamischen oder auch statischen Last bewegen und einen unvorhersehbaren Lenkwinkel an den Hinterrädern einstellen. Eine solche Lenkwinkeländerung an der Hinterachse kann, sofern diese hinreichend schnell erfolgt, einen sicherheitskritischen Fahrzustand hervorrufen. Im Fehlerfall muss daher eine sichere mechanische Rückfallebene geschaffen werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hinterachslenkung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass im Fehlerfall eine sichere mechanische Rückfallebene besteht. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Hinterachslenkung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einer Hinterachslenkung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Lenkritzel mittels einer Blockiereinrichtung blockierbar ist, wodurch eine Bewegung der Lenkstange unterdrückbar ist und dass die Blockiereinrichtung durch einen Elektromotor gebildet wird, der über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Lenkritzel verbunden ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass der Elektromotor einerseits passiv mitbewegbar ist, wenn die Hinterachslenkung vom Aktuator betätigt wird und andererseits aktiv eine Verstellung der Lenkstange bewirkt und den Aktuator unterstützt.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass das Lenkritzel in einer Rückfallebene mittels einer Blockiereinrichtung blockiert wird, wodurch eine Bewegung der Lenkstange unterdrückt wird und dass die Blockiereinrichtung durch einen Elektromotor gebildet wird, der über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Lenkritzel verbunden ist. Fällt die Energieversorgung für die Hinterachslenkung aus, ist der Elektromotor stromlos. Im Falle eines Defekts wird der Elektromotor stromlos geschaltet. Durch seine Massenträgheit verbunden und einem vergleichsweise hohen Untersetzungsverhältnis blockiert der Elektromotor das Lenkritzel.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Elektromotor bestromt, um eine Verstellung der Lenkstange vorzunehmen und um den Aktuator zu unterstützen. Durch diese Maßnahme übernimmt der Elektromotor einerseits die Funktion einer Blockiervorrichtung und andererseits eine Verstärkungs- und Unterstützungsfunktion für den Aktuator der Hinterachslenkung. Es wird dabei eine besonders hohe Dynamik der Hinterachslenkung erzielt, indem der Elektromotor bestromt wird, wenn der Fahrzeugführer ein Lenkrad schneller als ein vorgegebenes Maß betätigt. Der vom Fahrzeugführer gewünschte Lenkwinkel wird ohnehin ständig sensiert. Die zeitliche Ableitung des Lenkwinkels ist gleichbedeutend für die Geschwindigkeit mit der der Fahrzeugführer das Lenkrad dreht. Eine schnelle Lenkradbewegung ist mit einer hohen Dynamikanforderung gleichzusetzen, sodass in diesem Fall der genannte Elektromotor den Aktuator der Hinterachslenkung unterstützt, um der hohen Dynamikanforderung gerecht zu werden.
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Außerdem wird die Ausfallsicherheit der Hinterachslenkung erhöht, indem der Elektromotor bestromt wird, wenn der eigentliche Aktuator einen Defekt aufweist. Die Funktionalität der Hinterachslenkung wird in diesem Fall von dem Elektromotor aufrechterhalten.
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Um die Funktion einer Blockiervorrichtung zu übernehmen ist vorgesehen, dass der Elektromotor im Normalbetrieb der Hinterachslenkung mitbewegt wird und der Elektromotor in einer stromlosen Rückfallebene aufgrund seiner Massenträgheit eine Bewegung der Lenkstange unterdrückt.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorderachslenkung in der Verwendung als Hinterachslenkung;
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2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Hinterachslenkung;
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3a, b ein erstes Ausführungsbeispiel einer Blockiereinrichtung mit einem Elektromotor und einem Wellgetriebe und
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4a, b ein zweites Ausführungsbeispiel einer Blockiereinrichtung mit einem Elektromotor und einem Planetengetriebe.
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In der 1 ist eine im Wesentlichen serienmäßige elektromechanische Vorderachslenkung dargestellt, die für den Einsatz als Hinterachslenkung modifiziert wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Hinterachslenkung nach 1 zeichnet sich dadurch aus, dass ein zentraler Aktuator 1 eine Lenkstange 2 betätigt, die wiederum mit nicht dargestellten Hinterrädern HL, HR verbunden ist. Der zentrale Aktuator 1 besteht aus einem Elektromotor 27 und einem Kugelgewindetrieb 29, der die Rotationsbewegung des Elektromotors 27 in eine Translationsbewegung der Lenkstange 2 umsetzt. Der Elektromotor 27 wird von einer elektronischen Steuereinheit 28 angesteuert. Beim Betätigen der Hinterachslenkung verschiebt sich die Lenkstange 2 je nach Drehrichtung des Elektromotors 27 in der Zeichnung nach rechts oder nach links. Dementsprechend wird ein identischer Lenkwinkel an den Hinterrädern HR, HL gemeinsam eingestellt. Wie der 1 weiter entnehmbar ist, weist die Hinterachslenkung ein Lenkritzel 3 auf. Bei einem Einsatz der dargestellten Lenkung als Vorderachslenkung wäre das Lenkrad mit dem Lenkritzel 3 verbunden. Ein Druckstück 30 hält die Lenkstange 2 und das Lenkritzel 3 in Eingriff.
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Da der Kugelgewindetrieb 29 nicht selbsthemmend ausgeführt ist, kann die Lenkstange 2 bei einem Ausfall der elektrischen Energieversorgung wandern und einen Lenkwinkel für die Hinterräder HL, HR einstellen, was unerwünscht ist. Für die stromlose Rückfallebene muss die Hinterachslenkung daher blockiert werden. Dazu ist vorgesehen, wie es in 2 dargestellt ist, dass das Lenkritzel 3 mit einer Blockiereinrichtung 4 verbunden ist, wobei die Blockiereinrichtung 4 das Lenkritzel 3 zu blockieren vermag. Durch diese Maßnahme wird eine Bewegung der Lenkstange 2 in der stromlosen Rückfallebene verhindert.
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Eine erste und eine zweite Ausführungsform einer derartigen Blockiereinrichtung 4 ist in den 3a, 4a als Perspektivdarstellung und in den 3b, 4b in einer Schnittdarstellung dargestellt. Dabei wird die Blockiereinrichtung 4 durch einen Elektromotor 12 gebildet, der über ein Untersetzungsgetriebe 9, 10 mit dem Lenkritzel 3 verbunden ist. Der Gedanke ist dabei, dass das Untersetzungsgetriebe 9, 10 eine vergleichsweise große Untersetzung aufweist und der Elektromotor 12 im Normalbetrieb der Hinterachslenkung ohne nennenswerten Stromverbrauch mitbewegt wird und in der stromlosen Rückfallebene aufgrund seiner Massenträgheit das Lenkritzel 3 sperrt bzw. blockiert.
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Das Untersetzungsgetriebe ist dabei in der ersten Alternative als Wellgetriebe 9 ausgebildet, wie es in 3a, b dargestellt ist. Ein Wellgetriebe 9 ist auch als Harmonic-Drive-Getriebe oder Gleitkeilgetriebe bekannt. Der Außenring 15 des Wellgetriebes 9 ist dabei fest mit dem Lenkritzel 3 verbunden während der Innenring 16 mit dem Rotor 13 des Elektromotors 12 verbunden ist. Wie es in 3a gezeigt ist, handelt es sich bei dem Elektromotor 12 um einen Außenläufer-Motor, d.h. der Stator 14 befindet sich auf der Drehachse während der Rotor 13 sich konzentrisch um den Stator 14 dreht.
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In der zweiten Alternative, die in den 4a und 4b dargestellt ist, wird das Untersetzungsgetriebe durch ein Planetengetriebe 10 gebildet. Das Planetengetriebe 10 wird durch ein Planetenrad 17, ein Sonnenrad 18 und drei Stirnräder 19 gebildet. Das Sonnenrad 18 ist mit dem Rotor 13 des Elektromotors 12 verbunden, während das Planetenrad 17 mit dem Lenkritzel 3 verbunden ist. Wie bereits erwähnt wird der Elektromotor 12 im Normalbetrieb der Hinterachslenkung mit einer geringen Stromaufnahme passiv mitbewegt. In der stromlosen Rückfallebene sperrt der Elektromotor 12 aufgrund seiner Massenträgheit und der vergleichsweisen großen Untersetzung des Planetengetriebes 10 das Lenkritzel 3, sodass eine Bewegung der Lenkstange 2 in der Rückfallebene verhindert wird.
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Der Gedanke ist es nun, dass der Elektromotor 12 einerseits die Funktion der Blockiervorrichtung 4 übernimmt und andererseits den Aktuator 1 der Hinterachslenkung unterstützt. Um die Funktion der Blockiervorrichtung 4 zu übernehmen ist vorgesehen, dass der Elektromotor 12 im Normalbetrieb der Hinterachslenkung mitbewegt wird. Dabei bringt der Elektromotor 12 keine Kraft über das Lenkritzel 3 auf die Lenkstange, sondern läuft im Wesentlichen passiv mit. In einer stromlosen Rückfallebene blockiert der Elektromotor 12 aufgrund seiner Massenträgheit eine Bewegung des Lenkritzels 3 und damit der Lenkstange 2.
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Um den Aktuator 1 zu unterstützen ist vorgesehen, dass der Elektromotor 12 aktiv angesteuert und bestromt wird, um eine Verstellung der Lenkstange 2 vorzunehmen. Durch diese Maßnahme übernimmt der Elektromotor 12 eine Verstärkungs- und Unterstützungsfunktion für den Aktuator 1 der Hinterachslenkung. Es wird dabei eine besonders hohe Dynamik der Hinterachslenkung erzielt, indem der Elektromotor 12 bestromt wird, wenn eine erhöhte Leistungsanforderung an das System gestellt wird. Der vom Fahrzeugführer gewünschte Lenkwinkel δ wird ohnehin ständig mit Hilfe eines nicht gezeigten Lenkwinkelsensors ermittelt. Die zeitliche Ableitung des Lenkwinkels dδ/dt ist gleichbedeutend für die Geschwindigkeit mit der der Fahrzeugführer das Lenkrad dreht. Eine schnelle Lenkradbewegung ist mit einer hohen Dynamikanforderung gleichzusetzen, sodass in diesem Fall der Elektromotor 12 den Aktuator 1 der Hinterachslenkung unterstützt, um der hohen Dynamikanforderung gerecht zu werden.
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Durch die eben beschriebene Unterstützungsfunktion des Elektromotors 12 wird außerdem die Ausfallsicherheit des Systems erhöht: Der Elektromotor 12 wird angesteuert, wenn der Aktuator 1 einen Defekt aufweist. Die Funktionalität der Hinterachslenkung wird in diesem Fall von dem Elektromotor 12 aufrechterhalten.
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Der Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektromechanische Vorderachslenkung so zu verändern, dass diese als Zentralaktuator für eine Hinterachslenkung dienen kann. Der Unterschied einer Vorderachslenkung zu einer Hinterachslenkung besteht im Wesentlichen darin, dass die Hinterachslenkung bei Ausfall der Energieversorgung oder eines sonstigen Defekts blockierbar sein muss, damit die Hinterachslenkung nicht selbstständig unerwünschte Lenkwinkel für die Hinterräder einstellt. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass das Lenkritzel, an dem bei einer Vorderachslenkung das Lenkrad befestigt wäre, mit einer Blockiereinrichtung versehen wird. Durch diese Maßnahme wird das Lenkritzel blockierbar und eine Bewegung der Lenkstange verhindert. Durch diese Maßnahme ist ein Einsatz einer Vorderachslenkung als Hinterachslenkung durchführbar.
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Gleichzeitig dient diese Blockiereinrichtung als Unterstützungsfunktion der Hinterachslenkung, wenn beispielsweise besonders hohe Dynamikanforderungen an das System gestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4025950 A1 [0003]
- DE 102009033912 A1 [0004]
