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Die Erfindung betrifft eine Steer-by-Wire Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer Lenkwelle, die an einem Ende mit einem Lenkrad verbunden ist und auf die ein Elektromotor einwirkt und Lenkmomente erzeugt, die dem Fahrer eine Rückmeldung über die auf die gelenkten Fahrzeugräder einwirkenden Kräfte gibt, und mit einer an der Lenkwelle oder der Motorwelle des Elektromotors angeordneten Verriegelungsvorrichtung zum Blockieren der Rotation der Lenkwelle.
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Steer-by-Wire Lenksysteme zeichnen sich dadurch aus, dass keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern existiert. Um dem Fahrer jedoch eine Rückkopplung über den Zustand der Straße und weitere Umgebungseinflüsse, beispielsweise Wind, Witterung, Fahrbahnbedingungen etc. zu geben, werden Feedback-Aktuatoren verwendet. Ein solcher Feedback-Aktuator, auch Handmomentsteller genannt, trägt in die Lenkwelle, die mit dem Lenkrad verbunden ist, ein Drehmoment ein. Üblicherweise weist der Feedback-Aktuator einen Elektromotor auf, der über ein Schneckenradgetriebe mit der Lenkwelle gekoppelt ist. Das mittels des Feedback-Aktuators in die Lenkwelle und das Lenkrad eingebrachte Drehmoment gibt dem Fahrer ein Fahrgefühl, wie er es von rein mechanischen Lenksystemen gewohnt ist. Er erhält damit eine Rückmeldung über die Kräfte, welche auf die gelenkten Räder einwirken.
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Ein wichtiger Bestandteil des Lenkgefühls ist die Rückmeldung über ein stark ansteigendes Moment in bestimmten Lenksituation. Diese Situationen treten insbesondere bei zwei Lenkmanövern auf. Wenn das gelenkte Rad am Randstein abgedrückt wird (curb push off), könnte eine Erhöhung des Lenkmomentes am Lenkrad zur mechanischen Beschädigung des Lenksystems, beispielsweise des Handmomentenstellers, führen. Entsprechendes gilt, wenn das Lenkgetriebe den maximalen Lenkeinschlag erreicht hat und am mechanischen Endanschlag angelangt ist. In beiden Fällen benötigt der Fahrer das Gefühl eines starken Widerstandes, um eine weitere Drehung des Lenkrades in diese Richtung und damit eine mechanische Beschädigung des Handmomentenstellers zu vermeiden. Beim Auftreten einer der genannten Situationen müsste folglich der Feedback-Aktuator ein sehr hohes Gegenmoment aufbringen. Dies ist nur mit sehr starken Elektromotoren möglich, was mit hohen Kosten verbunden wäre. Anstatt den Elektromotor besonders stark auszulegen, kann alternativ auch die Lenksäule blockiert bzw. verriegelt werden. Entsprechende Verriegelungs- oder Blockiervorrichtungen sind bekannt.
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Die
DE 60 303 081 T2 offenbart mehrere verschiedene Arten von Verriegelungsmechanismen für einen Handmomentsteller, die entweder einen magnetorheologischen Anschlag an der Lenkwelle, einen mechanisch verstellbaren mechanischen Anschlag oder einen Sperrklinkenmechanismus verwenden. Bei dem bekannten Sperrklinkenmechanismus wirken zwei Zahnradsegmente mit zwei Sperrklinken zusammen. Die beiden Zahnradsegmente bewirken eine Blockierung der Lenkwelle jeweils nur in einer Richtung, wenn die zugehörige Sperrklinke ausgelöst wird. Nachteilig an dieser Lösung ist der komplexe und bauraumintensive Aufbau.
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Auch aus der
DE 10 2014 009 517 B3 ist ein Verriegelungsmechanismus bekannt, bei dem zwei Solenoid-betätigte Sperrriegel auf zwei Zahnräder einwirken, von denen jedes die Drehung der Lenkwelle nur in einer Drehrichtung blockiert. Dabei sind die Sperrriegel an ihrem in Eingriff mit dem Zahnrad kommenden Ende abgeschrägt und auch die Zahnräder weisen entsprechend abgeschrägte Zähne auf, sodass ein Blockieren nur in eine Drehrichtung möglich ist, während eine Drehung der Lenkwelle in die entgegengesetzte Richtung zu einem Zurückschieben des Sperrriegels durch den entsprechenden Zahn des Zahnrades führt. Auch diese Blockiervorrichtung ist komplex und bauraumintensiv aufgebaut.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steer-by-Wire Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Feedback-Aktuator anzugeben, die eine einfach aufgebaute und kompakte Verriegelungsvorrichtung für den Lenkbetrieb aufweist.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Lenkwelle oder die Motorwelle mit einem Raststern verbunden ist, der über seinen Umfang verteilt angeordneten Rastnuten aufweist, und dass an einem die Lenkwelle oder die Motorwelle lagernden Gehäuse eine Rastvorrichtung angebracht ist, die einen Rastbolzen aufweist, der mittels eines Aktuators von außen in eine Rastnut des Raststerns im Lenkbetrieb einrastbar ist. Die erfindungsgemäße Verriegelungsvorrichtung benötigt lediglich einen Solenoid-betätigten Rastbolzen und einen Raststern und kann damit beide Drehrichtungen blockieren. Sie ist daher einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar.
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Unter dem Lenkbetrieb ist jener Betriebszustand zu verstehen, in dem der Fahrzeugführer einen Lenkbefehl in Form eines Lenkmomentes in die Lenkwelle einträgt um eine Fahrtrichtungsänderung des Fahrzeuges einzuleiten. Dies findet im normalen und bestimmungsgemäßen Gebrauch des Fahrzeuges statt und nicht im geparkten bzw. abgestellten und abgesperrten Zustand des Fahrzeuges.
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Vorzugsweise ist die Verriegelungsvorrichtung mit Raststern und Rastbolzen an der Motorwelle des Elektromotors angeordnet. Hier treten wegen des Untersetzungsgetriebes geringere Drehmomente auf als direkt an der Lenkwelle, sodass die Verriegelungsvorrichtung schwächer und somit kompakter ausgelegt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Aktuator der Rastvorrichtung einen Solenoid (Hubmagnet), in dem ein magnetischer Rastbolzen in Richtung auf den Raststern hin längs verschiebbar angeordnet ist, sodass er bei elektrisch eingeschaltetem Solenoid mit seinem dem Raststern zugewandten Ende in eine Rastnut des Raststerns einrastet. Der Aktuator ist bei dieser Ausführungsform besonders einfach ausgestaltet.
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Wenn der Rastbolzen an seinem dem Raststern abgewandten Ende mit einem beweglichen Ende einer Feder, vorzugsweise einer Spiralfeder, verbunden ist, deren festes Ende an dem Solenoid abgestützt ist, sodass die Feder den Rastbolzen bei elektrisch abgeschaltetem Solenoid aus der Rastnut heraus zieht, braucht es keine anderen Maßnahmen zum Lösen der Verriegelungsvorrichtung wie etwa beim oben beschriebenen Stand der Technik.
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Durch die Maßnahme, dass die Seitenwände der Rastnuten des Raststerns parallel zur Achse des Rastbolzens ausgerichtet sind, ergeben sich beim Einwirken hoher Lenkkräfte auf das Lenkrad durch den Fahrer keine Kraftkomponenten, die den Rastbolzen aus der Rastnut heraus drücken würden. Daher bleibt die Rastverbindung auch bei starker Beanspruchung erhalten.
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Die Erfindung wird noch verbessert durch die Maßnahme, das wirkungsmäßig zwischen dem Raststern und der Lenkwelle oder Motorwelle ein elastischer Körper angeordnet ist, der bei eingerastetem Rastbolzen eine geringe Verdrehung der Lenkwelle ermöglicht, wobei sich ein zunehmendes Gegendrehmoment aufbaut. Diese Maßnahme dient dem Zweck, dass sich das durch die Blockierung der Lenkwelle generierte Haltemoment nicht abrupt aufbaut. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des elastischen Körpers baut sich das Haltemoment über einen begrenzten Drehwinkel auf und erzeugt damit einen progressiven Momentenanstieg am Lenkrad, welcher dem natürlichen Lenkgefühl in einem Lenksystem mit mechanischer Verbindung entspricht.
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Der elastische Körper kann in der Praxis aus einem Elastomerring oder einer Drehfeder oder einem Toleranzring bestehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert und die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1: eine Prinzipdarstellung eines Steer-by-Wire Lenksystems mit Feedback-Aktuator;
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2: eine teilweise geschnittene Darstellung des Antriebs des Feedback-Aktuators mit erfindungsgemäßer Verriegelungsvorrichtung;
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3: eine Lenksäule wie in den 1 und 2 im Längsschnitt;
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4: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verriegelungsvorrichtung mit einem Toleranzring als elastischem Körper zwischen Motorwelle und Raststern;
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5: Eine Verriegelungsvorrichtung in einer Darstellung wie in 3, jedoch mit einem Elastomerring als elastischem Körper;
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6: die Verriegelungsvorrichtung von 5 mit eingerastetem Rastbolzen;
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7: die Verriegelungsvorrichtung von 6 mit leicht verformtem Elastomerring;
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8: die Verriegelungsvorrichtung von 6 mit stark verformtem Elastomerring infolge eines großen Lenkmoments;
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9: ein Diagramm des erzeugten Lenkmoments (M) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ΔΦ) des Lenkrads
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10: eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verriegelungsvorrichtung direkt auf die Lenkwelle einwirkt;
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11: eine geschnittene Teilansicht der Ausführungsform von 10.
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In 1 erkennt man ein Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Lenkradbaugruppe 2 und einer Lenkbetätigung 42. Die Lenkbaugruppe 2 umfasst eine Lenkwelle 51 die an einem Ende ein Lenkrad 52 trägt und an deren anderem Ende ein Drehgeber 7 für die elektronische Ansteuerung der elektrischen Lenkbetätigung 42 vorgesehen ist. Über ein Verbindungskabel 3 ist die Lenkbaugruppe 2 mit der Lenkbetätigung 42 verbunden. Diese umfasst ein Lenkgehäuse 4 mit einem Lenkmotor 41, der ein Ritzel 43 antreibt, welches seinerseits in Eingriff mit einer Zahnstange 44 steht, die auf zwei Spurstangen 45 einwirkt, mit denen die Fahrzeugräder 46 verschwenkt werden können. Im Lenkgehäuse 4 ist ein nicht gezeigter Drehmomentaufnehmer untergebracht, der das für die Verschwenkung der Fahrzeugräder 46 erforderliche Drehmoment misst und an die Lenkradbaugruppe 2 weiterleitet.
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Die Lenkradbaugruppe 2 umfasst außerdem eine Drehmomenterzeugungseinheit 8, welche einen Elektromotor 6 aufweist, dessen Motorwelle 9 auf eine Getriebewelle 10 mit Schneckenrad einwirkt. Die Getriebewelle 10 ist mit ihrem Schneckenrad in Eingriff mit einem Zahnrad 11, welches auf der Lenkwelle 51 angebracht ist. Je nach dem vom Drehmomentsensor der Lenkbetätigung 42 vorgegebenen Drehmoment wird der Elektromotor 6 der Drehmomenterzeugungseinheit 8 angesteuert, wobei dieser über die Getriebewelle 10 mit Schneckenrad und das Zahnrad 11 ein entsprechendes Drehmoment in die Lenkwelle 51 einleitet. Dabei wirkt die Getriebewelle 10, die eine Schnecke umfasst, zusammen mit dem als Schneckenrad ausgebildeten großen Zahnrad 11 als Untersetzungsgetriebe, welches die vom Elektromotor 6 erzeugten Drehmomente erheblich verstärkt.
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Um einem durch den Fahrer über das Lenkrad 42 in die Lenkwelle 51 eingeleiteten starken Drehmoment entgegenzuwirken, welches bei herkömmlichen mechanischen Lenksystemen ein Endanschlag beim Volleinschlag des Lenkrads oder ein Anstoßen der Fahrzeugräder 46 beispielsweise an einem Bordstein erzeugt, ist die Stärke des Elektromotors 6 nicht ausreichend. Für diesen Zweck ist daher eine Verriegelungsvorrichtung 12 vorgesehen, die ein benachbart zur Motorwelle 9 angeordnetes Solenoid 13 aufweist, in dem ein magnetischer Rastbolzen 14 längs verschieblich angeordnet ist. Um die Motorwelle 9 herum ist ein Raststern 15 angeordnet, der im Wesentlichen drehfest (siehe aber weiter unten „elastischer Körper“) mit der Motorwelle 9 verbunden ist. Wird der Solenoid 13 eingeschaltet, so drückt er den magnetischen Rastbolzen 14 in Richtung auf den Raststern 15 zu, bis der Rastbolzen 14 in eine Rastnut 16 des Raststerns 15 einrastet. Dies geschieht im Lenkbetrieb des Lenksystems.
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Der eingerastete Zustand ist beispielsweise in den 4 und 6 bis 8 dargestellt. Darin kann man erkennen, dass das dem Raststern 15 zugewandte Ende 17 des Rastbolzens 14 von der Rastnut 16 aufgenommen wird. Dabei sind die äußeren Wände des Endes 17 des Rastbolzens 14 und die Seitenwände 18 der Rastnut 16 parallel zueinander und zur Längsachse des Rastbolzens 14 ausgerichtet. Dies kann man am besten in den 7 und 8 erkennen. Durch die genannte Ausrichtung kann der Rastbolzen 14 nicht aus der Rastnut 16 heraus gedrückt werden, auch wenn auf die Lenkwelle 51 starke Drehmomente einwirken. Der Rastbolzen 14 ist über den Solenoid 13 an einem Gehäuse 19 der Verriegelungsvorrichtung 12 abgestützt, sodass er die starken Drehmomente der Motorwelle 9 und damit die Wände der Lenkwelle 51 abstützen kann. Der Solenoid 13 dient somit als Aktuator für den Rastbolzen 14. Um den Rastbolzen 14 nach dem Abschalten des Solenoids 13 wieder aus der Rastnut 16 des Raststerns 15 herauszubewegen, ist eine Feder 20 vorgesehen, die mit ihrem beweglichen Ende 21 mit dem dem Raststern 15 abgewandten Ende 22 des Rastbolzen 14 verbunden ist, während das feste Ende 23 der Feder 20 am Solenoid 13 abgestützt ist.
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Wie man in den 5 bis 8 und 11 erkennt, ist zwischen dem Raststern 15 und der Motorwelle 9 bzw. der Lenkwelle 51 ein elastischer Körper 25 angeordnet, der die drehfeste Verbindung zwischen dem Raststern 15 und der Motorwelle 9 bzw. der Lenkwelle 51 dahingehend verändert, dass eine gewisse Relativverdrehung des Raststern 15 gegenüber der Motorwelle 9 bzw. der Lenkwelle 51 ermöglicht ist. Auf diese Weise ist eine geringe Verdrehung der Lenkwelle 51 (und damit der Motorwelle 9) auch bei eingerasteter Verriegelungsvorrichtung 12 möglich, wobei sich mit zunehmendem Drehwinkel Δφ ein zunehmendes Gegendrehmoment M aufbaut, welches einen progressiven Anstieg aufweist, wie dies aus 9 ersichtlich ist. Der elastische Körper kann als ein Elastomerring 24 ausgebildet sein. Auch andere elastische Elemente kommen infrage, beispielsweise eine Toleranzring 25, wie dieser in den 3 und 4 dargestellt ist, oder eine Drehfeder. Der Toleranzring ermöglicht ist, wenn ein gewisses Grenzdrehmoment in verriegelten Zustand an der Lenkwelle 51 überschritten wird, dass eine Relativverdrehung zwischen Raststern 15 und der Motorwelle 9 bzw. der Lenkwelle 51 stattfinden kann, so das ein Überlastschutz geschaffen ist, der das System vor Zerstörung schützt. In den 7 und 8 ist die Situation dargestellt, bei der der Elastomerring 24 durch zunehmendes Drehmoment der Motorwelle 9 bei verriegelter Verriegelungsvorrichtung 12 zunehmend in Drehrichtung verformt wird.
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Das zunehmende Drehmoment M bei zunehmendem Lenkwinkel Δφ der Lenkwelle 51 gibt dem Fahrer ein Gefühl für den Anschlag, entweder den Lenkradendanschlag oder den Anschlag eines Fahrzeugrades 46 an einem Hindernis, beispielsweise einen Bordstein, sodass er kein noch höheres Drehmoment auf das Lenkrad 42 ausübt, welches möglicherweise zu einer Zerstörung oder Fehlfunktionen des Lenksystems führen könnte.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verriegelungsvorrichtung 12 an einem Mantelrohr 53 der Lenksäule angebracht ist und direkt auf die Lenkwelle 51 einwirkt. In 11 erkennt man die Lenkwelle 51, auf der ein Elastomerring 24 drehfest angebracht ist. Auf dem Elastomerring 24 wiederum ist ein Raststern 15 angebracht, der genauso wie bei den anderen Ausführungsbeispielen mit Rastnuten 16 versehen ist, in welche der Rastbolzen 14 beim Einschalten des Solenoids 13 einrastet. Im Übrigen entsprechen alle Funktionen dieser Ausführungsform denen der vorher beschriebenen Ausführungsformen, wobei alle Varianten der vorgeschriebenen Ausführungsformen auch hier anwendbar sind.
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Die Erfindung stellt somit eine besonders einfach und kompakt aufgebaute Verriegelungsvorrichtung 12 für den Lenkbetrieb eines Steer-by-Wire Lenksystems zur Verfügung, die zuverlässig Lenkanschläge auf realistisch wirkende Weise simuliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steer-by-Wire Lenkvorrichtung
- 2
- Lenkradbaugruppe
- 3
- Verbindungskabel
- 4
- Lenkgehäuse
- 5
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- 6
- Elektromotor
- 7
- Drehgeber
- 8
- Drehmomenterzeugungseinheit
- 9
- Motorwelle
- 10
- Getriebewelle mit Schneckenrad
- 11
- Zahnrad
- 12
- Verriegelungsvorrichtung
- 13
- Solenoid
- 14
- Rastbolzen
- 15
- Raststern
- 16
- Rastnut
- 17
- Ende des Rastbolzen
- 18
- Seitenwände
- 19
- Gehäuse
- 20
- Feder
- 21
- bewegliches Ende der Feder
- 22
- Ende des Rastbolzens
- 23
- festes Ende der Feder
- 24
- Elastomerring
- 25
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- 26
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- 27
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- 28
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- 29
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- 30
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- 31
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- 32
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- 33
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- 34
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- 35
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- 36
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- 37
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- 38
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- 39
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- 40
- Toleranzring
- 41
- Lenkmotor
- 42
- Lenkbetätigung
- 43
- Ritzel
- 44
- Zahnstange
- 45
- Spurstange
- 46
- Fahrzeuggrad
- 47
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- 48
-
- 49
-
- 50
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- 51
- Lenkwelle
- 52
- Lenkrad
- 53
- Mantelrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60303081 T2 [0004]
- DE 102014009517 B3 [0005]
