DE102015005305B4

DE102015005305B4 - Vorrichtung zum Einstellen einer Fahrzeuglenkung und Verfahren zu deren Verwendung

Info

Publication number: DE102015005305B4
Application number: DE102015005305.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-01
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN105035165A; US20140239603A1; CN105035165B; US9039015B2; DE102015005305A1

Abstract

Vorrichtung zur Verwendung in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, welche Vorrichtung enthält:a. mindestens eine Stelleinrichtung (2), die an einem Fahrwerkselement (4, 64, 66) mindestens eines Rades (50) des Lenksystems des Fahrzeugs angebracht ist, welche Stelleinrichtung (2) enthält:i. eine Drehbaugruppe (12), die mit einem ersten Fahrwerkssegment (4,66,64) in Eingriff bringbar ist;ii. einen Elektromotor (14) zum Bewirken der Bewegung der Drehbaugruppe (12) über ein Getriebe (16);iii. ein Stelleinrichtungsgehäuse (10), welches mit einem zweiten Fahrwerkssegment (6) verbunden ist;iv. eine Steuereinrichtung (18) für die Stelleinrichtung (2), die innerhalb der Stelleinrichtung (2) angeordnet ist; undv. einen oder mehrere Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50), die an dem Getriebe (16) befestigt sind, um betriebliche Größen des Rades (50) und des Getriebes (16) zu erfassen und betriebliche Größen, die aus der Gruppe bestehend aus Kraft, Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehwinkel ausgewählt sind, an die Steuereinrichtung (18) für die Stelleinrichtung (2) zu senden, um so die Drehung des Getriebes (16) und des Rades (50) zu steuern; gekennzeichnet durchvi. ein oder mehrere Paare von Kraftsensoren (20), die an beiden Seiten der Drehbaugruppe (12) in axialer Richtung angeordnet sind, um Druckkräfte oder Zugkräfte zwischen dem Stelleinrichtungsgehäuse (10) und der Drehbaugruppe (12) und der Drehbaugruppe (12) und dem zweiten Fahrwerkssegment (6) zu erfassen, wobei die Drehung der Drehbaugruppe (12) eine Linearbewegung des ersten Fahrwerkssegments (4) in die oder aus der Stelleinrichtung (2) bewirkt, um dadurch einen oder mehrere Radparameter des mindestens einen Rades (50) einzustellen, und wobei der eine oder die mehreren Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50) und das eine oder die mehreren Paare Kraftsensoren (20) Echtzeitdaten an die Steuereinrichtung (18) abgeben, um die Drehparameter der Drehbaugruppe (12) selbsttätig einzustellen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Fahrzeuglenkung und ein Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung, um die Fahrzeuglenkung zu steuern und einzustellen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Fahrzeuglenkung umfasst herkömmlicherweise das Einstellen von Spurwinkel, Nachlauf oder Sturz oder aller drei Werte, um die Fahrt des Fahrzeugs zu lenken. Sturz, Nachlauf und Spur werden typischerweise bei der Wartung eines Fahrzeugs eingestellt. Der Spurwinkel wird typischerweise auch während der Fahrt konstant verändert, indem das Lenkrad gedreht wird, wobei diese Bewegung typischerweise über die Lenksäule auf ein Lenkgetriebe oder eine Zahnstangenlenkung übertragen wird, welche die Winkelposition der Räder verändert.
Der Spurwinkel kann den Lenkwinkel beeinflussen, wenn das Aufhängungssystem aus der geraden Position einfedert oder ausfedert. Diese Veränderungen des Spurwinkels können das Lenkverhalten verbessern oder können die Fahrzeugleistung verschlechtern, je nachdem, ob der Spurwinkel des Fahrzeugs der gewünschten Fahrtrichtung folgt oder nicht. Bei Geradeausfahrt ist es typischerweise wünschenswert, dass alle vier Räder eine geringfügige Vorspurausrichtung haben. Beim Bremsen ist es bevorzugt, dass die vordere Aufhängung einfedert und die hintere Aufhängung ausfedert; dies führt tendenziell zu einem Nachspurwinkel für alle Räder. Um diese Nachspurausrichtung zu korrigieren, muss an allen Rädern eine aktive Einstellung vorgenommen werden. Für eine verbesserte Traktion und Lenkstabilität beim Bremsen in einer Kurve ist es wünschenswert, dass einige Räder eine Vorspureinstellung haben, während die anderen Räder eine Nachspureinstellung haben.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Spurwinkel des Rades an allen vier Rädern so einzustellen, dass er übereinstimmt, um die Spurtreue in Kurven zu verbessern und auch den Rollwiderstand zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. In anderen Fällen kann es bevorzugt sein, den Spurwinkel der Hinterräder oder Vorderräder einzustellen, so dass er entgegengesetzt ist, um beispielsweise die Bremsgeschwindigkeit und -wirksamkeit zu verbessern. Die Einstellung und Steuerung dieser beider Aspekte der Radausrichtung ist für die stabile Geradeausfahrt ebenso wie für die genaue Kurvenfahrt wichtig.
Die US 5 143 400 A lehrt eine Vorrichtung zur aktiven Spureinstellung, bei welcher ein komplexes System von Messeinrichtungen verwendet wird, um die Fahrzeugbewegungen oder den Spurwinkel in Bezug auf jedes Rad zu messen. Diese Daten werden dann über einen Computer zu einem separaten System transportiert, das mechanische Schrauben-Stelleinrichtungen und optische Codierer umfasst, um anschließend sekundäre Spurwinkelkorrekturen vorzunehmen.
Die US 7 873 440 B2 lehrt eine Vorrichtung zur Steuerung des Spurwinkels eines Räderpaares, so dass die Spurwinkel der Räder aneinander angepasst sind. Die Vorrichtung enthält eine Stelleinrichtung und einen separaten Sensor an jedem von nur zwei Rädern an einem Fahrzeug. Das System ist nicht für die unabhängige Bewegung aller Räder an einem Fahrzeug in individuelle Spurwinkel konstruiert.
Der hinsichtlich der vorliegenden Erfindung gattungsbildende Stand der Technik ergibt sich aus der US 2008 / 0 201 037 A1. Diese Entgegenhaltung zeigt bereits eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Lenksystem eines Fahrzeugs mit mindestens einer Stelleinrichtung, die an einem Fahrwerkselement mindestens eines Rades des Lenksystems des Fahrzeugs angebracht ist, und die folgende Baugruppen enthält:

eine Drehbaugruppe, die mit einem ersten Fahrwerkssegment in Eingriff bringbar ist,
einen Elektromotor zum Bewirken der Bewegung der Drehbaugruppe über ein Getriebe; und
einen oder mehrere Sensoren, die in der Stelleinrichtung integriert enthalten sind, um eine oder mehrere betriebliche Größen der Rades zu erfassen,
wobei die Drehung der Drehbaugruppe eine Linearbewegung des ersten Fahrwerkssegments in die oder aus der Stelleinrichtung bewirkt, um dadurch einen oder mehrere betriebliche Größen des mindestens einen Rades einzustellen, und wobei der eine oder die mehreren Sensoren Echtzeitdaten an eine Stelleinrichtungssteuereinheit abgeben, die in die Stelleinrichtung integriert ist, um die Drehparameter der Drehbaugruppe selbsttätig einzustellen.

Ein weiterer, ähnlicher Stand der Technik mit einem Kraftsensor in der Stelleinrichtung ergibt sich aus der US 2012 / 0 059 552 A1.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur schaffen, welche die Betätigung und die Einstellung einer oder mehrerer betrieblicher Größen eines Fahrzeugs in Echtzeit verbessert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform zum Verständnis der Technologie;
3a ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Dreheinrichtung der vorliegenden Erfindung;
3b ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Dreheinrichtung der vorliegenden Erfindung;
3c ist eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Dreheinrichtung der vorliegenden Erfindung;
4a ist eine Detail-Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Kraftsensors der vorliegenden Erfindung;
4b ist eine Detail-Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Kraftsensors der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Detail-Querschnittsansicht eines ersten Endes des Stelleinrichtungsgehäuses der vorliegenden Erfindung;
6a ist eine Detail-Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines zweiten Endes des Stelleinrichtungsgehäuses der vorliegenden Erfindung;
6b ist eine Detail-Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines zweiten Endes des Stelleinrichtungsgehäuses der vorliegenden Erfindung;
6c ist eine Detail-Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines zweiten Endes des Stelleinrichtungsgehäuses der vorliegenden Erfindung;
7a ist eine Detail-Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Anordnung zwischen dem ersten Spurstangensegment und dem zweiten Spurstangensegment der vorliegenden Erfindung;
7b ist eine Detail-Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Anordnung zwischen dem ersten Spurstangensegment und dem zweiten Spurstangensegment der vorliegenden Erfindung;
7c ist eine Detail-Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Anordnung zwischen dem ersten Spurstangensegment und dem zweiten Spurstangensegment der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Fahrzeugaufhängungssystems, in dem das System der vorliegenden Erfindung integriert ist;
9 ist eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Fahrzeugaufhängungssystems, in dem das System der vorliegenden Erfindung integriert ist;
10 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei der Einstellung und Steuerung von Sturz oder Nachlauf des Rades;
11 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung bei der Einstellung und Steuerung der Höhe des Fahrzeugs; und
12 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt eine Rad-Stelleinrichtung für ein Fahrzeug bereit, die elektronisch betrieben und selbst einstellend ist. Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung kann an einem beliebigen Fahrwerkselement jedes Rades befestigt werden, um Parameter, wie etwa Spurwinkel, Sturz, Nachlauf und Fahrzeughöhe einzustellen. Das Fahrwerkselement kann ein Lenkgestängeelement sein, wie etwa eine Spurstange, oder ein Aufhängungsgestängeelement, wie etwa ein Federbein, ein Fahrwerkslenker oder ein beliebiges anderes Teil, welches das Rad mit dem Fahrzeugaufhängungssystem oder dem Lenksystem des Fahrzeugs verbindet.
Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen schließen integrierte Kraftsensoren ein, um auf ein bestimmtes Rad wirkende Kräfte zu erfassen und Veränderungen im Fahrmodus zu erfassen. Informationen von den Kraftsensoren werden dann in die Stelleinrichtung rückgekoppelt, um Selbsteinstellungen bei der Betätigung vorzunehmen, um den gewünschten Spurwinkel, die gewünschte Fahrzeughöhe, den gewünschten Radnachlauf oder den gewünschten Radsturz zu erzielen.
In den Figuren ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 2 dargestellt. Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung 2 ist eine elektrisch angetriebene mechanische Stelleinrichtung des Schrauben- oder des Kugellagertyps, die an jedem beliebigen modifizierten Fahrwerkselement eines Fahrzeugrades angebracht werden kann. Zum Zweck der Spurwinkeleinstellung kann die erfindungsgemäße Stelleinrichtung 2 um eine modifizierte Spurstange angebracht werden, die ein erstes Spurstangensegment 4 hat, welches mit einem Rad 50 verbunden ist, und ein zweites Spurstangensegment 6, welches das erste Spurstangensegment 4 an einem Ende umgibt und am anderen Ende mit der Fahrzeugaufhängung 56 oder der Fahrzeugkarosserie 58 verbindbar ist. Zumindest ein Teil des ersten Spurstangensegments 4 ist mit einem Gewinde 8 versehen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass zur Einstellung und Steuerung von anderen Radparametern die Stelleinrichtung 2 an einem beliebigen Fahrwerkselement jedes Rades des Fahrzeugs angebracht werden kann und das ferner eine oder mehrere Stelleinrichtungen an einem oder mehreren Fahrwerkselementen eines Rades angebracht werden können. Die Stelleinrichtung 2 umfasst ein Stelleinrichtungsgehäuse 10, das alle Bauteile der Stelleinrichtung 2 enthält und das erste Spurstangensegment 4 aufnimmt. Das Stelleinrichtungsgehäuse 10 kann an dem zweiten Spurstangensegment 6 auf beliebige Weise befestigt werden, einschließlich Verschrauben, Verschweißen, Reibpassung. Bevorzugt ist das Stelleinrichtungsgehäuse 10 mit dem zweiten Spurstangensegment 6 durch ein Gewinde 38 verbunden, wie 5 zeigt, um dadurch vorteilhafterweise optional das Abnehmen der Stelleinrichtung 2 zu ermöglichen. Eine beliebige Anordnung kann getroffen werden, um die Linearbewegung des ersten Spurstangensegments 4 innerhalb des Stelleinrichtungsgehäuses 10 zu ermöglichen, von welchen einige in den 6a bis 6c dargestellt sind, einschließlich einer Verbindungsbuchse 40, wie in 6a gezeigt, oder einer Buchse 40 in Kombination mit einer Dichtung 42, wie in 6b gezeigt, um den Eintritt von Schmutz in das Stelleinrichtungsgehäuse 10 zu verhindern. 6c zeigt eine Verbindungsbuchse 40 in Kombination mit einer Abdeckung 44, um den Eintritt von Schmutz in das erste Spurstangensegment 4 zu verhindern.
Eine Drehbaugruppe 12 steht mit dem Gewindeteil 8 des ersten Spurstangensegments 4 in Eingriff und wird mittels eines Elektromotors 14 angetrieben, der über ein Getriebe 16 mit der Drehbaugruppe 12 verbunden ist. Der Elektromotor 14 wird durch eine Stelleinrichtungssteuereinheit (ACU) 18 gesteuert, die nach dem Stand der Technik bekannt ist. Die ACU 18 empfängt Daten von den Kraftsensoren sowie von dem aktiven Aufhängungsmodul 52 des Fahrzeugs. In einer Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, können der Elektromotor 14, das Getriebe 16 und die ACU 18 an der Stelleinrichtung 2 untergebracht sein und bevorzugter von einer Abdeckung 22 abgedeckt sein, um den Eintritt von Schmutz und Staub in diese Systeme zu verhindern.
Wie die 3a, 3b und 3c zeigen, kann die Drehbaugruppe 12 der vorliegenden Erfindung eine beliebige Form haben, die erfolgreich Drehkraft von dem Getriebe 16 auf den Gewindeteil 8 des ersten Spurstangensegments 4 überträgt, um eine Linearbewegung des ersten Spurstangensegments 4 in das oder aus dem Stelleinrichtungsgehäuse 10 zu bewirken. Eine derartige Linearbewegung des ersten Spurstangensegments 4 führt zu einer Winkelverstellung des Rades 50. In den meisten Fällen ist ein erstes Zahnrad 26 mit dem Getriebe 16 verbunden und überträgt die Drehkraft von dem Getriebe durch eine Anzahl von Mechanismen. Beispielsweise zeigt 3a die Übertragung der Drehung von dem ersten Zahnrad 26 über einen Riemen 28 auf einen zweites Zahnrad 30 um das erste Spurstangensegment 4. Die Innenfläche des zweiten Zahnrads steht mit dem Gewindeteil 8 des ersten Spurstangensegments 4 in Eingriff, so dass dadurch das erste Spurstangensegment 4 entweder in das oder aus dem Stelleinrichtungsgehäuse 10 linear bewegt wird. 3b zeigt ein Beispiel, bei welchem die Übertragung der Drehung von dem ersten Zahnrad 26 über eines oder mehrere entsprechende dritte Zahnräder 32 auf das zweite Zahnrad 30 um das erste Spurstangensegment 4 erfolgt. 3c zeigt ein Beispiel, bei welchem die Drehkraft direkt von dem ersten Zahnrad 26 auf das zweite Zahnrad 30 um das erste Spurstangensegment 4 erfolgt.
Die Linearbewegung des ersten Spurstangensegments 4 kann in dem zweiten Spurstangensegment 6 durch eine beliebige Art von Einrichtung aufgenommen werden, wovon einige lediglich als Beispiel in den 7a bis 7c dargestellt sind. 7a zeigt eine einfache Beziehung, bei welcher zwischen einem Außendurchmesser des ersten Spurstangensegments 4 und dem zweiten Spurstangensegment 6 ein ausreichender ringförmiger Raum vorgesehen ist, um eine derartige Bewegung aufzunehmen. In 7b erlaubt eine Anordnung 46 aus nicht kreisförmigem Bolzen und Bolzenöffnung die Linearbewegung des ersten Spurstangensegments 4 in dem zweiten Spurstangensegment 6, während eine Drehung des Ersteren in dem Letzteren verhindert wird, beispielsweise im Fall eines Bruches in der Stelleinrichtung, welche eine Drehung des ersten Spurstangensegments 4 verursachen könnte. In 7c sind ein Bolzen und eine Bolzenöffnung in Verbindung mit einer Buchse 48, um einen möglichen Verschleiß des ersten Spurstangensegments 4 oder des zweiten Spurstangensegments 6 zu verhindern.
Ein oder mehrere Kraftsensoren 20 sind vorzugsweise direkt innerhalb der Stelleinrichtung 2 gemäß vorliegender Erfindung integriert und der Drehbaugruppe innerhalb des Stelleinrichtungsgehäuses 10 benachbart angeordnet. Die Kraftsensoren 20 gemäß vorliegender Erfindung können jedem nach dem Stand der Technik bekannten Typ entsprechen, um Druck- und/oder Zugkräfte oder Drücke zu erfassen. Diese Kraftsensoren sind bevorzugter paarweise angeordnet. Die Kraftsensoren erfassen Druckkräfte oder Zugkräfte zwischen dem Stelleinrichtungskörper 2 und der Drehbaugruppe 12 und zwischen dem zweiten Spurstangensegment 6 und der Drehbaugruppe 12. Der Druck oder der Zug, die jeweils von den Kraftsensoren 20 erfasst werden, geben Informationen darüber, ob ein bestimmtes Rad der Bewegung in der Richtung der gewünschten Lenkbewegung widersteht oder nicht. Die Kraftdaten können auch eine Anzeige von Radproblemen bereitstellen, beispielsweise ein lockerer oder platter Reifen, was zu raschen Schwankungen der Kräfte oder einem Kraftwert führt, der außerhalb des normalen Lenkbetriebs liegt. Mit dieser Fähigkeit kann die erfindungsgemäße Stelleinrichtung auch Informationen zur Fahrwerksdiagnose bereitstellen.
Von den Kraftsensoren 20 gesammelte Kraftdaten werden zu der ACU 18 rückgeführt und auch von der Stelleinrichtung 2 zu dem Controller Area Network-Bus (CAN) und zum aktiven Fahrwerksmodul 52 des Fahrzeugs gesendet.
Die Kraftsensoren 20 gemäß vorliegender Erfindung können jedem nach dem Stand der Technik bekannten Typ entsprechen, der Druckkräfte und Zugkräfte erfasst. Wie in 1 gezeigt, sind die Kraftsensoren 20 gemäß vorliegender Erfindung als Paar von Kraftsensoren 20 beiderseits der Drehbaugruppe 12 vorgesehen. Dabei sind die Kraftsensoren 20 auf beiden Seiten der Drehbaugruppe 12 angeordnet. In den 4a und 4b sind zwei bevorzugte Ausführungsformen zum Schutz des Kraftsensors 20 gegen Verschleiß, Reibung unerwünschte Bewegung oder Bruch, die aus der Drehbewegung der Drehbaugruppe 12 resultieren, gezeigt. 4a zeigt ein zwischen der Drehbaugruppe 12 und dem Kraftsensor 20 angeordnetes Druckkugellager und 4b zeigt ein zwischen der Drehbaugruppe 12 und den Kraftsensoren 20 angeordnetes Nadellager 36.
Ein oder mehrere Hall-Sensoren 54 sind ebenfalls innerhalb der Stelleinrichtung 2 der vorliegenden Erfindung vorgesehen, nahe dem Getriebe 16 und innerhalb der Stelleinrichtungsabdeckung 22. Derartige Hall-Sensoren 54 werden verwendet, um auf das Getriebe bezogene Parameter zu erfassen und festzustellen, darunter Geschwindigkeit, Umdrehung und Anzahl der Drehungen des Getriebes 16. Derartige Daten werden dann in die ACU 18 gekoppelt, um festzustellen, ob die Stelleinrichtung 2 ordnungsgemäße Einstellungen am Rad vornimmt. Während hierin speziell auf Hall-Sensoren 54 Bezug genommen wird, versteht der Fachmann, dass eine beliebige Anzahl von anderen Sensoren, die ebenfalls Drehzahl erfassen und als Umdrehungszähler wirken, ebenfalls verwendet werden könnten, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, darunter optische Sensoren, Wendekreisel und Gyroskope. Hall-Sensoren sind besonders bevorzugt, da sie durch Vibrationen oder Umweltbelastungen nicht nachteilig beeinflusst werden.
Die Hall-Sensoren 54 der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von herkömmlichen Positionssensoren, die oftmals auf dem Gebiet der Technik verwendet werden, welche einfach auf eine eingegebene Anfangsposition bezogene Positionsdaten bereitstellen. In diesen Fällen müssen die Sensoren stets kalibriert werden, um sicherzustellen, dass der Anfangspositionswert exakt ist. Um die erfindungsgemäßen Kraftsensoren 20 oder Hall-Sensoren 54 zu kalibrieren, ist keine derartige Anfangseinstellung erforderlich. Ferner bietet die Integration der erfindungsgemäßen Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 in die erfindungsgemä-ße Stelleinrichtung 2 exaktere Daten über das Rad 50 und das Getriebe 16, als sie durch separate oder allein stehende Sensorsysteme erfasst werden könnten.
In 8 ist eine herkömmliche Anordnung von erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen an einem Fahrzeug gezeigt, bei welchem das Lenkrad mit der Aufhängung 56 des Fahrzeugs in Verbindung steht, um die Lenkung des Fahrzeugs zu bewerkstelligen. 8 zeigt ein Fahrzeug mit Vorderradantrieb, bei welchem die Hinterräder mit der Fahrzeugkarosserie 58 durch eine beliebige Standardaufhängung verbunden sind. Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 sind klein genug, dass sie an jedem der Räder 50 des Fahrzeugs angebracht werden können. Da die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen integrierte Kraftsensoren 20 haben und vorzugsweise ebenfalls integrierte Hall-Sensoren 54, können die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 Echtzeitdaten über Radstellung, Drehzahl, Drehwiderstand sowie Parameter des Getriebes 16 empfangen. Diese Daten werden dann zu der ACU 18 gekoppelt und zur Selbsteinstellung der Betätigung des ersten Spurstangensegments 4 verwendet, um eine kontinuierliche Bewertung und Einstellung von Fahrzeughöhe, Spurwinkel, Nachlauf oder Sturz bereitzustellen.
Daten von dem Kraftsensor 20 und Hall-Sensor 54 können optional von der Stelleinrichtung 2 zur Steuerung 52 der aktiven Fahrzeugaufhängung gesendet werden, um mit Daten von allen anderen Rädern 50 verglichen zu werden, um sicherzustellen, dass alle vier Räder 50 relativ zueinander wie gewünscht eingestellt sind. Daten können auch von der Steuereinrichtung 52 der aktiven Aufhängung der Stelleinrichtung 2 zurück gesendet werden. Von der Steuerung 52 der aktiven Aufhängung bereitgestellte Raddaten können auch zu anderen Fahrzeugsystemen gesendet werden, darunter ohne Einschränkung das Antiblockier-Bremssystem (ABS), der Motor, Airbags und andere Sicherheitssysteme, Parkassistenzsysteme, Fahrzeuggetriebe und Navigationssysteme, um diese Systeme zu informieren und einzustellen.
In 9 ist ein alternatives Lenkungskonzept dargestellt, das oftmals als „drahtgebundene Lenkung“ bezeichnet wird. Bei der drahtgebundenen Lenkung werden elektronische anstelle von hydraulischen oder mechanischen Systemen verwendet, um die Lenkung eines Fahrzeugs zu steuern. Dabei würde ein herkömmliches Lenkrad, das mit den Vorderrädern über eine Lenksäule verbunden ist, durch elektronische Signale ersetzt, welche zu einem Lenkungsmotor 60 gesendet werden und die Lenkung und das Einschlagen der Räder 50 bewirken. In diesen Fällen können Lenkbefehle durch eine beliebige Anzahl von Einrichtungen 68, darunter ohne Einschränkung ein Lenkrad, ein Steuerknüppel, eine Computerbildschirmschnittstelle, ein Navigationssystem, Knöpfe etc. für den Lenkungsmotor 60 und die Fahrzeugaufhängung 56 bereitgestellt werden. Bei der drahtgebundenen Lenkung ist es möglich, dass das Lenkungsmodul 62 nicht nur einen Lenkungsmotor 60 an den Vorderrädern, sondern auch an den Hinterrädern steuert, wodurch eine Allrad-Lenkungssteuerung des Fahrzeugs vorgesehen wird.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung 2 kann vorteilhafterweise in einer drahtgebundenen Lenkungsanordnung verwendet werden. Ein oder mehrere der erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können an einem oder mehreren Fahrwerkselementen jedes der Räder 50 angewandt werden, um Daten nicht nur an den Vorderrädern, sondern auch für die Hinterräder bereitzustellen. Die integrierten Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 der erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 stellen Echtzeitdaten für die Räder 50 und die Getriebe 16 für die Stelleinrichtung 2 bereit, um eine konstante Bewertung und Einstellung des Radspurwinkels zu bewerkstelligen. Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können zusätzlich Daten der Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 über die Steuerung 52 der aktiven Aufhängung mit dem Lenkungsmodul 62 kommunizieren, um Echtzeitdaten über das Rad 50 und das Getriebe 16 bereitzustellen, um die Befehle des Lenkungsmoduls 62 an den Lenkungsmotor abzugeben und auch um Lenkungsbefehle zurück an die Stelleinrichtungen 2 zu senden, um eine vollständige Rückkopplungsschleife sicherzustellen. Dies bietet vollständige Übereinstimmung zwischen der gewünschten Lenkungs- und Fahraktion und dem gewünschten Radspurwinkel aller Räder 50, der die gewünschte Aktion erzielt und verbessert.
Zweiwegekommunikation von Daten von den integrierten Kraftsensoren 20 und dem Hall-Sensor 54 der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 2 ist ebenfalls zwischen einer beliebigen Anzahl von Sekundär-Fahrzeugsystemen, darunter ohne Einschränkung Antiblockier-Bremssysteme (ABS), der Motor, Airbags und andere Sicherheitssysteme, Parkassistenzsysteme, Fahrzeuggetriebe und Navigationssysteme, möglich. Diese Zweiwegekommunikation informiert derartige Systeme nicht nur über Lenkung und Spurwinkel, sondern stellt auch für die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 Informationen über die beliebige Anzahl der anderen Fahrzeugsysteme bereit, wobei die Stelleinrichtung über den Ausfall oder anormales Verhalten von anderen Systemen informiert wird. Beispielsweise können Daten über das Versagen von Bremsen oder Motor oder das Auslösen des Airbags an die Stelleinrichtungen 2 gesendet werden, welche wiederum die Radspurwinkel einstellen, um das Stoppen des Fahrzeugs zu unterstützen. Alternativ können Navigations- und Routenprogrammierdaten an das Lenkungsmodul 62 und die Stelleinrichtung 2 gesendet werden, um ein Fahrzeug automatisch an einen gewünschten Bestimmungsort zu steuern.
Im drahtgebundenen Lenkungsbetrieb kann das erfindungsgemäße Stelleinrichtungssystem vorzugsweise als ein Sicherheitssystem verwendet werden, wenn das drahtgebundene Lenksystem versagen sollte. In diesem Fall können die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 mit ihren integrierten Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 den Lenkungsbetrieb und die Einstellung bei begrenzten Geschwindigkeiten und in einem Sicherheits- oder Notfall-Fahrzeugbetriebsmodus übernehmen.
Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können vorzugsweise ferner in Zusammenhang mit einem Navigationssystem eines Fahrzeugs verwendet werden, wobei in diesem Fall ein globales Positionierungssystem (GPS) und Kartensysteme verwendet werden können, um ein Fahrzeug von einem Ausgangspunkt zu einem programmierten Zielort zu führen, ohne dass manuelles Lenken oder nur geringfügiges manuelles Lenken erforderlich wäre.
Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können auch bei Parkassistenzsystemen nützlich sein, die in vielen Fahrzeugen verfügbar sind. Bei dieser Anwendung ist das erfindungsgemäße Stelleinrichtungssystem in der Lage, Räder in bestimmten gewünschten Spurwinkeln einzuschlagen, um das Parken auf kleineren Parkplätzen zu erreichen.
Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können auch verwendet werden, um Sturz oder Nachlauf eines Rades einzustellen, wie in 10 gezeigt. In diesen Fällen können ein oder mehrere Stelleinrichtungen 2 an einem Lenker 66 befestigt werden, der an einem Ende mit einem oberen oder unteren Teil des Rades 50 verbunden ist und an dem anderen Ende mit der Fahrzeugkarosserie 58 oder einem Hilfsrahmen. Während 10 die Stelleinrichtung in Bezug auf einen oberen Teil des Rades 50 darstellt, ist für den Fachmann offensichtlich, dass andere Verbindungsorte am Rad 50 ebenfalls möglich sind und als Ergebnis Einstellungssteuerung des Sturzes bewirken, wenn sie mit der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 2 verwendet werden. Bei dieser Anordnung dient die Betätigung der Stelleinrichtung 2 dazu, den Lenker 66 einzuziehen oder auszufahren, womit ein oberer oder unterer Teil des Rades einwärts oder auswärts bewegt wird, um somit den Sturz oder den Nachlauf einzustellen. Wie vorstehend beschrieben bieten die integrierten Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 konstante Rückkopplung in Echtzeit sowohl zu der Drehbaugruppe 12 als auch zu der Steuerung 52 der aktiven Aufhängung, um die Drehung einzustellen und dadurch die Länge des Lenkers 66 einzustellen und zu steuern.
In 10 zeigt das obere Rad in dieser Figur eine Sturzstellung, die für Geradeausfahrt bevorzugt ist, um die kleinste Reibung und damit auch den kleinsten Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Das untere Rad in 10 veranschaulicht eine Sturz- und Nachlaufstellung, die für Kurvenfahrt oder Bremsen bevorzugt ist, wenn mehr Reibung erforderlich sein kann, um die Steuerung zu ermöglichen.
Wie 11 zeigt, können die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 auch verwendet werden, um die Fahrzeughöhe einzustellen. In diesen Fällen können ein oder mehrere Stelleinrichtungen 2 direkt an einem Federbein 64 angebracht werden, das über einen Lenker 66 mit einem oberen oder unteren Teil des Rades 50 verbunden ist und mit der Fahrzeugaufhängung 56 oder der Fahrzeugkarosserie 58 verbunden ist. Während 11 die Stelleinrichtung in Beziehung zu einem oberen Teil des Rades 50 darstellt, ist für den Fachmann offensichtlich, dass andere Anbringungsstellen am Rad 50 ebenfalls möglich sind und im Ergebnis die Einstellung und Steuerung der Fahrzeughöhe erzielen, wenn sie in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 2 verwendet werden. Bei dieser Anordnung dient die Betätigung der Stelleinrichtung 2 dazu, das Federbein 64 auszufahren oder einzufahren, was wiederum den Lenker 66 anhebt oder absenkt, wodurch die Fahrzeughöhe eingestellt wird. Wie vorstehend beschrieben bieten die integrierten Kraftsensoren 20 und Hall-Sensoren 54 konstante Rückkopplung in Echtzeit sowohl zu der Drehbaugruppe 12 als auch zu der Steuerung 52 der aktiven Aufhängung, um die Drehung einzustellen und dadurch die Position des Lenkers 66 einzustellen und zu steuern.
Wenn eines der Räder 50 des Fahrzeugs durchdreht oder keinen Bodenkontakt hat, können die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 betätigt werden, um die entsprechenden Räder 50 auszufahren, um Bodenkontakt herzustellen, oder andere Räder einzuziehen, um den Radkontakt aller Fahrzeuge wieder auszugleichen. Die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 können die Radhöhe betreffende Daten an die Steuerung 52 der aktiven Aufhängung senden, um Fahrzeugbelastung, Lenkung, ABS und gegebenenfalls auch das Motorgetriebe einzustellen.
Das erfindungsgemäße Stelleinrichtungssystem kann bevorzugt ferner verwendet werden, um die Gewichtsverteilung und Bremskraftverteilung eines Fahrzeugs in Fällen auszugleichen, in welchen die dynamische Stabilitätskontrolle (DSC) und/oder das ABS des Fahrzeugs aktiviert sind. In diesen Fällen dient die Einstellung der Fahrzeughöhe an einem ausgewählten Rad dazu, die Last an diesem Rad zu verändern. Diese Radlastdaten können dann zu dem DSC-System gesendet werden und dazu verwendet werden, Antiblockierbremsung und Traktionssteuerung einzustellen und in einigen Fahrzeugen den Antriebsmodus von Zweiradantrieb auf Allradantrieb umzuschalten, falls erforderlich.
Da mehr als eine Stelleinrichtung 2 an einem bestimmten Rad 50 angebracht werden können, können Fahrzeughöhe, Spurwinkel, Nachlauf und Sturz an einem bestimmten Rad 50 insgesamt eingestellt werden, indem einfach die erfindungsgemäßen Stelleinrichtungen 2 an den gewünschten Fahrwerkselementen angebracht werden. Ebenso können Fahrzeughöhe, Sturz, Nachlauf und Spurwinkel als Teil eines herkömmlichen Rückkopplungssystems eingestellt und gesteuert werden, wie in 8 gezeigt, oder durch ein drahtgebundenes Lenksystem, wie in 9 gezeigt.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen derselben beschrieben; es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne den breiteren Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der nur durch die Patentansprüche beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, welche Vorrichtung enthält: a. mindestens eine Stelleinrichtung (2), die an einem Fahrwerkselement (4, 64, 66) mindestens eines Rades (50) des Lenksystems des Fahrzeugs angebracht ist, welche Stelleinrichtung (2) enthält: i. eine Drehbaugruppe (12), die mit einem ersten Fahrwerkssegment (4,66,64) in Eingriff bringbar ist; ii. einen Elektromotor (14) zum Bewirken der Bewegung der Drehbaugruppe (12) über ein Getriebe (16); iii. ein Stelleinrichtungsgehäuse (10), welches mit einem zweiten Fahrwerkssegment (6) verbunden ist; iv. eine Steuereinrichtung (18) für die Stelleinrichtung (2), die innerhalb der Stelleinrichtung (2) angeordnet ist; und v. einen oder mehrere Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50), die an dem Getriebe (16) befestigt sind, um betriebliche Größen des Rades (50) und des Getriebes (16) zu erfassen und betriebliche Größen, die aus der Gruppe bestehend aus Kraft, Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehwinkel ausgewählt sind, an die Steuereinrichtung (18) für die Stelleinrichtung (2) zu senden, um so die Drehung des Getriebes (16) und des Rades (50) zu steuern; gekennzeichnet durch vi. ein oder mehrere Paare von Kraftsensoren (20), die an beiden Seiten der Drehbaugruppe (12) in axialer Richtung angeordnet sind, um Druckkräfte oder Zugkräfte zwischen dem Stelleinrichtungsgehäuse (10) und der Drehbaugruppe (12) und der Drehbaugruppe (12) und dem zweiten Fahrwerkssegment (6) zu erfassen, wobei die Drehung der Drehbaugruppe (12) eine Linearbewegung des ersten Fahrwerkssegments (4) in die oder aus der Stelleinrichtung (2) bewirkt, um dadurch einen oder mehrere Radparameter des mindestens einen Rades (50) einzustellen, und wobei der eine oder die mehreren Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50) und das eine oder die mehreren Paare Kraftsensoren (20) Echtzeitdaten an die Steuereinrichtung (18) abgeben, um die Drehparameter der Drehbaugruppe (12) selbsttätig einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Stelleinrichtungsgehäuse (10) mit dem zweiten Fahrwerkssegment (6) lösbar verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein oder mehrere Lager (40), die jeweils zwischen einem der Kraftsensoren (20) und dem Stelleinrichtungsgehäuse (10) und einem der Kraftsensoren (20) und dem zweiten Fahrwerkssegment (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Hall-Sensoren, optischen Sensoren, Wendekreiseln und Gyroskopen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren Sensoren (54) für betriebliche Größen des Rades (50) Hall-Sensoren sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drehbaugruppe (12) eine Zahnrad-Riemen-Anordnung oder eine Anordnung mit mehreren Zahnrädern ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren betrieblichen Größen des Rades (50) Spurwinkel, Sturz, Nachlauf oder Fahrzeughöhe sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrwerkselement (4, 64, 66) eine Spurstange (4) ist und die Stelleinrichtung (2) betätigt wird, um den Radspurwinkel einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrwerkselement (4, 64, 66) ein Lenker (66) ist und die Stelleinrichtung (2) betätigt wird, um den Radsturz einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrwerkselement (4, 64, 66) ein Federbein (64) ist und die Stelleinrichtung (2) betätigt wird, um die Fahrzeughöhe einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeuglenksystem ein herkömmliches Lenksystem ist, bei welchem Daten von dem einen oder den mehreren Sensoren (20,54) weiter zu einem Steuersystem (52) einer aktiven Fahrzeugaufhängung gesendet werden, um betriebliche Größen eines oder mehrerer Fahrzeugräder (50) zu vergleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeuglenksystem ein drahtgebundenes Lenksystem ist, in welchem Raddaten weiter zwischen der Stelleinrichtung (2) und einem drahtgebundenen Lenkungsmodul kommuniziert werden, um die Lenkung des Fahrzeugs durch das Lenkungsmodul zu informieren und einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung als Reservesystem für das drahtgebundene Lenksystem verwendet wird, bei welchem Raddaten verwendet werden, um die Lenkung in einem Fahrzeugnotfallbetriebsmodus zu betätigen und einzustellen.
Verfahren zum Einstellen einer Fahrzeuglenkung, welches Verfahren umfasst: a. Bereitstellen mindestens einer Stelleinrichtung (2) an einem Fahrwerkselement (4,64,64) mindestens eines Rades (50) des Fahrzeugs, wobei die Stelleinrichtung (2) eine Drehbaugruppe (12), die mit einem ersten Fahrwerkssegment (4) in Eingriff bringbar ist, einen Elektromotor (14), der mit der Drehbaugruppe (12) über ein Getriebe (16) verbunden ist, einen oder mehrere Sensoren (54), für Drehparameter, die an dem Getriebe (16) befestigt sind, um Drehparameter des Getriebes (16) zu erfassen, und ein oder mehrere Paare von Kraftsensoren (20), die an jeder Seite der Drehbaugruppe (12) angeordnet sind, um Druckkräfte oder Zugkräfte an der Drehbaugruppe (12) zu erfassen; b. Drehen der Drehbaugruppe (12), um eine Linearbewegung des ersten Fahrwerkssegments (4) in die oder aus der Stelleinrichtung (2) zu bewirken, um dadurch einen oder mehrere betriebliche Größen des mindestens einen Rades (50) einzustellen, und c. Weitergeben von Echtzeitdaten von dem einen oder den mehreren Sensoren (54) für Drehparameter und einem oder mehreren Paaren von Kraftsensoren (20) an eine Stelleinrichtungssteuereinheit (18), die in die Stelleinrichtung (2) integriert ist, um die Drehung der Drehbaugruppe (12) selbsttätig einzustellen, wobei durch einen oder mehrere Sensoren (20,54) gesammelte Daten aus der Gruppe bestehend aus Kraft, Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehwinkel ausgewählt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Paare von Kraftsensoren (20) an beiden Seiten der Drehbaugruppe (12) in axialer Richtung angeordnet sind und Druckkräfte oder Zugkräfte zwischen dem Stelleinrichtungsgehäuse (10) und der Drehbaugruppe (12) und der Drehbaugruppe (12) und dem zweiten Fahrwerkssegment (6) erfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner enthaltend das Weitergeben von durch den einen oder die mehreren Sensoren (20,54) gesammelten Daten an ein Steuerungssystem (18) einer aktiven Fahrzeugaufhängung (52), um betriebliche Größen von einem oder mehreren Fahrzeugrädern (50) in einem herkömmlichen Fahrzeuglenksystem zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner enthaltend das Weitergeben von Daten von dem einen oder den mehreren Sensoren (20,54) zwischen der Stelleinrichtung (2) und einem drahtgebundenen Lenkungsmodul, um die Lenkung des Fahrzeugs durch das Lenkungsmodul in einem drahtgebundenen Fahrzeuglenksystem zu informieren und selbst einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Daten, die an das Steuerungssystem (18) der aktiven Fahrzeugaufhängung (52) geliefert werden, auch weiteren Fahrzeugsystemen aus der Gruppe von Antiblockiersystem, Motor, Airbags, Sicherheitssystemen, Einparkhilfen, Fahrzeuggetriebe, Navigationssystem und Kombinationen von diesen Systemen zugeleitet werden, um die Systeme zu informieren und einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Stelleinrichtung (2) Informationen von den anderen Fahrzeugsystemen, nämlich von allen anderen Rädern (50), von Antiblockier-Bremssystemen (ABS), Motor, Airbags und anderen Sicherheitssystemen, Parkassistenzsystemen, Fahrzeuggetriebe und Navigationssysteme, empfängt, um betriebliche Größen des Rades (50) mit Informationen über die anderen Fahrzeugsysteme zu vergleichen und einen oder mehrere betriebliche Größen des Rades (50) ansprechend auf von den anderen Fahrzeugsystemen empfangene Informationen einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei Daten mit einem Lenkungsmodul über des Steuersystem (52) der aktiven Fahrzeugaufhängung kommuniziert werden, um betriebliche Größen von Rad (50) und Getriebe (16) in Echtzeit bereitzustellen, um die Befehle des Lenkungsmoduls an einen Lenkungsmotor mitzuteilen und ferner Lenkungsbefehle an die Stelleinrichtung (2) zurückzusenden, um eine vollständige Rückkopplungsschleife sicherzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Einstellen der Fahrzeughöhe an einem ausgewählten Rad dazu dient, die Last an dem Rad, eine Gewichtsverteilung und eine Bremskraftverteilung des Fahrzeugs zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Daten dann zu einem dynamischen Stabilitätskontrollsystem gesendet werden können, um Sicherheitssysteme einzustellen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Antiblockier - Bremsung, Traktionskontrolle und Antriebsmodus.