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TECHNISCHES GEBIET
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Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept betrifft Lenkmechanismen für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft das offenbarte erfindungsgemäße Konzept einen Lenkmechanismus, der piezoelektrische Elemente enthält, die auf solche Variablen reagieren wie Lenkeingaben, Straßeneingaben und Betriebszeit. In Reaktion auf diese Informationen können die piezoelektrischen Elemente Abstand und Vorspannung im Lenkmechanismus einstellen und dadurch Geräusche minimieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Kraftfahrzeuglenksysteme unterliegen einer großen Anzahl von Kräften, die Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH – Noise, Vibration, Harshness) erzeugen können, die vom Fahrzeugfahrer und den Insassen gehört und gefühlt werden. Lenk-NVH sind insbesondere ein Problem, wenn das Fahrzeug über raue Straßenoberflächen, wie etwa Kopfsteinpflaster oder Natursteinpflaster, fährt.
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Frühere Bemühungen, Lenk-NVH bei rauen Straßenoberflächen zu reduzieren oder zu eliminieren konzentrierten sich auf das Konzipieren und Abstimmen der von den Lenk- und Aufhängungssystemen verwendeten Buchsen, Lager und Verbindungen zum Erreichen eines gewünschten NVH-Niveaus. Leider hatten diese Bemühungen nur begrenzten Erfolg, und sie erfordern häufig Kompromisse bei anderen Fahrzeugmerkmalen, wie etwa Fahrverhalten, Lenkgefühl, Rollkomfort und Federungshärte.
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Die Probleme mit Lenkmechanismus-NVH, die angetroffen werden, wenn ein Fahrzeug über eine raue Oberfläche gefahren wird, bestehen sowohl für Zahnstangen- als auch für Schneckenradlenkmechanismen. Da der Zahnstangenlenkmechanismus der häufigere dieser beiden ist, war die Forschung mehr auf die Lösung der Probleme dieser Art von Mechanismus gerichtet.
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Zum Beispiel ist
DE 10162470A1 auf ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug gerichtet, bei dem ein Druckstück, durch welches die Zahnstange gegen das Antriebsritzel gedrückt wird, in einer längsverschieblichen Weise innerhalb eines Verbindungsstücks des Lenkgetriebegehäuses geführt wird. Dementsprechend wirkt die Vorspannkraft auf das Druckstück in der Art, dass die Wirkrichtung der auf das Druckstück wirkenden Vorspannkraft und die Bewegungsrichtung des Druckstücks in einem Winkel zueinander stehen. Das Ziel dieser Bezugnahme ist das Verhindern von Klappergeräuschen aufgrund von alternierendem Kontakt mit dem Druckstück.
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Als weiteres Beispiel offenbart USPN 7,654,166 ein Zahnstangenlenkgetriebe mit einer Komponente, welche zum automatischen Ausgleichen von Spiel dient, welches zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen eines federbelasteten Druckstücks eines Gegenlagers vorhanden ist, gegen welches die auf das Druckstück wirkende Feder abgestützt ist. Gemäß der in diesem Patent offenbarten Erfindung sind zwei voneinander beabstandete, keilförmige Zwischenkomponenten zwischen dem Druckstück und dem Gegenlager angeordnet. Die keilförmigen Zwischenkomponenten sind durch ein elastisches Element aneinander befestigt. Die Keilform und die Kraft, mit welcher die Komponenten durch das elastische Element aneinander befestigt sind, gleichen das Spiel aus, das zwischen dem Druckstück und dem Gegenlager vorhanden ist.
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Obwohl diese Erfindungen Verbesserungen des Standes der Technik von Lenkmechanismen darstellen, ist eine besondere Herausforderung, der sich Konstrukteure von Lenkmechanismen gegenübersehen, dass das Erhöhen der Vorspannung zwischen sich bewegenden Komponenten zu reduzierten NVH, jedoch auch zu anderen Schwierigkeiten führt. Insbesondere müssen die Höhe der Vorspannung und der Abstand in einem Lenkmechanismus so eingestellt sein, dass eine geringe Reibung für eine gute Lenkung bereitgestellt wird, ohne bei Lenkeingaben oder Straßeneingaben mechanische Geräusche zu erzeugen. Ein geringerer Abstand oder eine höhere Vorspannung führen zu weniger Geräuschen, jedoch auch zu einer unerwünschten Erhöhung der Reibung.
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Erschwert wird die technische Entwicklung durch die Tatsache, dass die Reduzierung von NVH nicht unter allen Bedingungen erforderlich ist. Insbesondere unter gewöhnlichen Fahrbedingungen ist die erhöhte Vorspannung nicht erforderlich. Somit ist ein praktischer Lenkmechanismus, dessen Abstand und Vorspannung abhängig von den Oberflächenbedingungen gezielt eingestellt werden können, wünschenswert.
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Dementsprechend ist, wie in so vielen Bereichen der Fahrzeugtechnologie, Raum für Verbesserung in Bezug auf Lenkmechanismen in Kraftfahrzeugen.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept überwindet die mit NVH und bekannten Lenkmechanismen verbundenen Probleme in dem Fall, dass das Fahrzeug über raue Oberflächen gefahren wird. Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept stellt wirksame Bewegung von einem Element eines Lenkmechanismus in Bezug auf ein anderes bereit. Die Bewegung wird von einem oder mehreren im Lenkmechanismus enthaltenen piezoelektrischen Elementen verursacht, die Komponentenabstand und -vorspannung basierend auf Straßenoberfläche und anderen Eingaben einstellen.
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Das piezoelektrische Element ist so im Lenkmechanismus für elektrische Einstellung positioniert, dass der Abstand und die Vorspannung in Reaktion auf Lenkeingaben, Straßeneingaben und Betriebszeit schnell elektrisch eingestellt werden können. Diese Anordnung ermöglicht niedrige Vorspannung und geringe Reibung, wenn das Fahrzeug über ebene Straßenbedingungen gefahren wird. Wenn eine raue Straßenbedingung detektiert wird, können Abstand und Vorspannung elektrisch erhöht werden, um Geräusche zu minimieren.
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Aktives Dämpfungssystem (CCD – Continuously Controlled Damping) und elektrisches Servolenksystem (EPAS – Electric Power Assisted Steering) (Drehmomentsensor) können potenziell Straßenoberflächen detektieren, die dafür bekannt sind, Lenk-NVH zu verursachen, einschließlich zum Beispiel Kopfsteinpflaster oder Natursteinpflaster. Ein integriertes aktives Lenkgetriebejoch oder ein aktives Schneckenrad-EPAS-Säulenjoch kann den Abstand basierend auf Echtzeitrückmeldungen von Straßenzuständen über eine Eingabe in ein Controller Area Network/Local Interconnect Network (CAN/LIN) oder eine kabelgebundene Signalspannungseingabe ändern. Die Fähigkeit zum aktiven Ändern des Abstands mindert NVH auf wechselnden Straßenoberflächen. Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept kann in einer Vielzahl von Lenkmechanismen Anwendung finden, um NVH zu minimieren oder zu eliminieren, wenn das Fahrzeug über raue Oberflächen gefahren wird. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Element in Zahnstangen-EPAS-Systemen oder in Schneckenrad-(Lenksäulen-)EPAS-Systemen bereitgestellt werden.
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Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum umfassenderen Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die in den beiliegenden Zeichnungen detaillierter dargestellt sind und im Folgenden anhand von Beispielen der Erfindung beschrieben werden, wobei:
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1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Lenksystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ist;
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2 eine Querschnittsansicht eines Zahnstangen-EPAS mit einem piezoelektrischen Element gemäß des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts ist; und
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3 eine Querschnittsansicht eines Lenksäulen-EPAS mit einem piezoelektrischen Element gemäß des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In den folgenden Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um sich auf die gleichen Komponenten zu beziehen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für verschiedene konstruierte Ausführungsformen beschrieben. Diese spezifischen Parameter und Komponenten werden beispielhaft angeführt und sollen nicht als Einschränkung aufgefasst werden.
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Im Allgemeinen betrifft die offenbarte Erfindung einen Lenkmechanismus mit einem im Lenkmechanismus positionierten piezoelektrischen Element für elektrische Einstellung, so dass der Abstand und die Vorspannung in schneller Reaktion auf Lenkeingaben, Straßeneingaben und Betriebszeit elektrisch eingestellt werden können. Diese Anordnung ermöglicht niedrige Vorspannung und geringe Reibung, wenn das Fahrzeug über ebene Straßenbedingungen gefahren wird. Wenn eine raue Straßenbedingung detektiert wird, können Abstand und Vorspannung elektrisch erhöht werden, um Geräusche zu minimieren. Während das offenbarte erfindungsgemäße Konzept für eine breite Palette von Lenkmechanismen Nutzen bereitstellen kann, werden vorliegend zwei der häufiger verwendeten Mechanismen besprochen, ein elektrisches Zahnstangenservolenksystem und ein elektrisches Schneckenrad-(Lenksäulen-)Servolenksystem.
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Bezug nehmend auf 1 ist ein Servolenksystem allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Ein durch den Fahrzeugbediener steuerbares Lenkrad 12 ist mit einer Lenksäule 14 verbunden. Es versteht sich, dass das dargestellte Servolenksystem und seine Komponententeile nur Veranschaulichungszwecken dienen und nicht als einschränkend anzusehen sind, da das offenbarte erfindungsgemäße Konzept an eine große Vielfalt von Lenkmechanismen angepasst werden kann.
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Die Lenksäule 14 ist mit einem manuellen Lenkgetriebesystem 16 einer elektronischen Servolenkung (EPS – Electronic Power Steering) ausgestattet. Das manuelle Lenkgetriebesystem der EPS ist wirkverbunden mit einem Lenkgetriebegehäuse 18, das mit einem Zahnstangengehäuse 20 integral ist. Das Lenkgetriebegehäuse 18 ist mit dem Zahnstangengehäuse 20 verbunden und ermöglicht Interaktion zwischen einem axial drehbaren Ritzel und einer linear beweglichen Zahnstange, beide dargestellt in 2 und im Zusammenhang damit erörtert.
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Dargestellt ist eine Zahnstangenanordnung mit einem piezoelektrischen Element gemäß des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts. Die Zahnstangenanordnung wandelt von einer Lenkwelle (nicht gezeigt) erhaltene Drehkraft in geradlinige Bewegung um. Wie in 2 dargestellt, ist das Lenkgetriebegehäuse 18 in einem Querschnitt gezeigt, der durch eine Ritzelhülse 21 vorgenommen wurde, die eine Öffnung für ein Ritzel 22 definiert. Dieser Schnitt wurde auch durch eine Zahnstange 24, eine Jochanordnung 26 und eine Buchsenanordnung 28 vorgenommen. Das Lenkgetriebegehäuse 18 umfasst einen zylindrischen Teil 30.
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Gezeigt ist das Ritzel 22, wie es die Zahnstange 24 in die Jochanordnung 26 und die Buchsenanordnung 28 eingreifen lässt, welche die Zahnstange 24 auf der gegenüberliegenden Seite der Zahnstange 24 von deren Eingriffspunkt in das Ritzel 22 stützen. Das Ritzel 22 wird an seinem distalen Ende in das Ritzelendlager 32 aufgenommen. Das Ritzel 22 wird im Lenkgetriebegehäuse 18 von einer Mutter 34 gehalten.
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Eine Endkappe 36 ist am Ende des zylindrischen Teils 30 angebracht. Die Jochanordnung 26 umfasst eine Buchsenverbindungswelle 38. Die Buchsenverbindungswelle 38 hat eine zylindrische Form, um ihr zu ermöglichen, linear innerhalb des zylindrischen Teils 30 des Lenkgetriebegehäuses 18 zu gleiten. Somit dient die Endkappe 36 sowohl dazu, die Buchsenverbindungswelle 38 zu halten, als auch Schmiermittel zu enthalten.
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Das vordere Ende der Buchsenverbindungswelle 38 ist in Kontakt mit der Zahnstange 24. Das vordere Ende der Buchsenverbindungswelle 38 hat eine halbkreisförmige Kerbe 39. Ein Teil der gekrümmten hinteren Oberfläche der Zahnstange 24 kann die halbkreisförmige Kerbe 39 berühren.
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Eine Feder 40 befindet sich an der Unterseite der Endkappe 36. Die Feder 40 kann eine Schraubenfeder sein wie dargestellt oder ein anderes mechanisches Vorspannelement.
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Die Feder 40 legt einen konstanten Druck an und gleicht den Abstand zwischen der Zahnstange 24 und dem Ritzel 22 aus. Dementsprechend dient die Feder 40 zum Anlegen von Druck an die Buchsenverbindungswelle 38, wodurch die Buchsenverbindungswelle 38 in engen Kontakt zur Zahnstange 24 gezwungen wird.
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Ein piezoelektrischer Stapel 42 mit zwei Flächen ist wirkmäßig zwischen der Endkappe 36 an einer seiner zwei Flächen und der Feder 40 und dem oberen Ende der Feder 40 und der Buchsenverbindungswelle 38 an der anderen seiner zwei Flächen eingepasst. Obwohl der piezoelektrische Stapel 42 als ein einziges Element dargestellt ist, versteht es sich, dass zwei oder mehr piezoelektrische Elemente eingesetzt werden können.
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Eine Verarbeitungseinheit 43 ist mit dem piezoelektrischen Stapel 42 wirkverbunden. Die Verarbeitungseinheit 43 ist mit einem Lenksensor 44 für Sensoreingaben, einem Straßensensor 46 für Straßeneingaben, und einem Betriebszeitmesser 48 verbunden. Der Betriebszeitmesser 48 berücksichtigt die bisherige Betriebszeit des Fahrzeugs, wodurch Komponentenverschleiß ermittelt und ausgeglichen wird. Andere Sensoren, wie etwa ein Sensor zum Messen der Komponententemperatur (nicht gezeigt), können erforderlichenfalls mit der Verarbeitungseinheit 43 verbunden sein, um sich verändernde Straßenbedingungen zu erfassen.
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Im Betrieb, wenn das Fahrzeug über eine relativ ebene Oberfläche gefahren wird, erfassen der Lenksensor 44 und der Straßensensor 46 die ebene Straßenbedingung und signalisieren der Verarbeitungseinheit 43, dass keine elektrische Energie an den piezoelektrischen Stapel 42 gesendet werden muss. Wenn sich jedoch aufgrund einer rauen Straße ein Aspekt ändert, erzeugen der Lenksensor 44 und der Straßensensor 46 geeignete Signale zum Empfang durch die Verarbeitungseinheit 43, welche wiederum veranlasst, dass elektrische Energie an den piezoelektrischen Stapel 42 gesendet wird. Die Menge an Energie ist nicht nur eine Funktion der vom Lenksensor 44 und vom Straßensensor 46 erzeugten Signale, sondern auch der Information, die vom Betriebszeitmesser 48 erzeugt wird. Es versteht sich, dass das von der Verarbeitungseinheit an den piezoelektrischen Stapel 42 gesendete Straßenzustandsrückmeldungssignal über eine Eingabe in ein Controller Area Network/Local Interconnect Network (CAN/LIN) oder eine kabelgebundene Signalspannungseingabe gesendet werden kann.
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Wenn er elektrisch angesteuert wird, übt der piezoelektrische Stapel 42 Kraft auf das obere Ende der Buchsenverbindungswelle 38 aus und stellt dadurch sowohl Abstand als auch Vorspannung der Zahnstange 24 relativ zum Ritzel 22 ein. Die Bewegung der Buchsenverbindungswelle 38 reagiert unmittelbar auf die von der Verarbeitungseinheit 43 erzeugten Eingaben und sowohl erhöhter Druck als auch die Entlastung von diesem Druck erfolgen in Echtzeit und sind daher unmittelbar, wodurch vom Lenkmechanismus erzeugte NVH beim Fahren des Fahrzeugs über beliebigen Untergrund minimiert oder vollständig eliminiert werden.
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Wie oben angemerkt, kann das offenbarte erfindungsgemäße Konzept Anwendungsmöglichkeiten in einer Reihe von Lenkmechanismen finden, einschließlich sowohl des oben beschriebenen elektrischen Zahnstangenservolenksystems, jedoch auch in einem elektrischen Schneckenrad-(Lenksäulen-)Servolenksystem. Die Schneckenradanordnung ist in 3 dargestellt. Bezug nehmend auf diese Figur, umfasst ein Schneckenradmechanismus, wie etwa das dargestellte elektrische Lenksäulenservolenksystem 50, ein Gehäuse 52. Eine Eingangswelle 54 ist drehbar innerhalb des Gehäuses 52 eingepasst. Die Eingangswelle 54 umfasst ein Eingangsende 56, das auf herkömmliche Weise mit einer Antriebseinheit wie etwa einem Motor (nicht gezeigt) verbunden ist. Das Eingangsende 56 ist innerhalb des Gehäuses 52 drehbar gestützt durch ein Lager 58. Gegenüber dem Eingangsende 56 der Eingangswelle 54 befindet sich ein Ende 60, das innerhalb des Gehäuses 52 drehbar gestützt durch ein Lager 62 ist. Die Eingangswelle 54 trägt ein Schneckenrad 64 zwischen Lager 58 und Lager 62. Das Lager 62 ist eingepasst in und teilweise beabstandet vom Gehäuse 52 durch ein Vorspannelement 65. Das Vorspannelement 65 kann aus einem von mehreren Materialien, einschließlich Federstahl, hergestellt sein. Die Bewegung des Lagers 62 ist jedoch innerhalb des Gehäuses 52 axial beschränkt. Das Lager 62 ist jedoch in Reaktion auf die Vorspannkraft des Vorspannelements 65 innerhalb des Gehäuses 52 radial beweglich.
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Ein Zahnrad 66 ist fest an einer drehbaren Ausgangswelle 68 befestigt. Das Schneckenrad 64 ist dazu ausgelegt, das an der Ausgangswelle 68 bereitgestellte Zahnrad 66 eingreifen zu lassen. Aufgrund der radialen Beweglichkeit des Lagers 62 innerhalb des Gehäuses 52 kann das Vorspannelement die Eingangswelle 54 zum Zahnrad 66 vorspannen.
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Ein Drehmomentsensor (nicht dargestellt) ist bereitgestellt und ist zum Messen des Drehmoments in der Ausgangswelle 68 ausgelegt. Die Ausgabe vom Drehmomentsensor erzeugt über eine elektronische Steuereinheit, die das vom Motor erzeugte Drehmoment steuert, ein Motortreibersignal. Danach überträgt der Motor Drehmoment über den Rotor des Motors (nicht gezeigt) an die Eingangswelle 54 und auf die Ausgangswelle 68.
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Ein piezoelektrischer Stapel 70 mit zwei Flächen ist wirkmäßig zwischen dem Vorspannelement 65 an einer seiner zwei Flächen und dem Lager 62 an der anderen seiner zwei Flächen eingepasst. Obwohl der piezoelektrische Stapel 70 als ein einziges Element dargestellt ist, versteht es sich, dass zwei oder mehr piezoelektrische Elemente eingesetzt werden können.
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Eine Verarbeitungseinheit 72 ist mit dem piezoelektrischen Stapel 70 wirkverbunden. Die Verarbeitungseinheit 72 ist mit einem Lenksensor 74 für Sensoreingaben, einem Straßensensor 76 für Straßeneingaben, einem Betriebszeitmesser 78 und einem Temperatursensor 80 zum Erfassen der Temperaturen der Eingangswelle 54 und ihres zugehörigen Schneckenrads 64 sowie des Zahnrads 66 verbunden. Der Betriebszeitmesser 78 berücksichtigt die bisherige Betriebszeit des Fahrzeugs, wodurch Zahnverschleiß ermittelt und ausgeglichen wird. Der Temperatursensor 80 ermöglicht es dem piezoelektrische Stapel 70, Abstand und Vorspannung unabhängig von der Temperatur anzupassen. Es versteht sich, dass ein Temperatursensor in jeder Art von Lenkmechanismus gemäß dem offenbarten erfindungsgemäßen Konzept enthalten sein kann. Erforderlichenfalls können, wenn gewünscht, andere Sensoren mit der Verarbeitungseinheit 72 verbunden sein, um sich verändernde Straßenbedingungen zu erfassen.
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Im Betrieb, wenn das Fahrzeug über eine relativ ebene Oberfläche gefahren wird, erfassen der Lenksensor 74 und der Straßensensor 76 die ebene Straßenbedingung und signalisieren der Verarbeitungseinheit 72, dass keine elektrische Energie an den piezoelektrischen Stapel 70 gesendet werden muss. Wenn sich jedoch aufgrund einer rauen Straße ein Aspekt ändert, erzeugen der Lenksensor 74 und der Straßensensor 76 geeignete Signale zum Empfang durch die Verarbeitungseinheit 72, welche wiederum veranlasst, dass elektrische Energie an den piezoelektrischen Stapel 70 gesendet wird. Die Menge an Energie ist nicht nur eine Funktion der vom Lenksensor 74 und vom Straßensensor 76 erzeugten Signale, sondern auch der Information, die vom Betriebszeitmesser 78 erzeugt wird. Wie bei der Anordnung für den in 2 dargestellten und im Zusammenhang damit erörterten Zahnstangenlenkmechanismus versteht es sich, dass das von der Verarbeitungseinheit an den piezoelektrischen Stapel 70 gesendete Straßenzustandsrückmeldungssignal über eine Eingabe in ein Controller Area Network/Local Interconnect Network (CAN/LIN) oder eine kabelgebundene Signalspannungseingabe gesendet werden kann.
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Wenn er elektrisch angesteuert wird, übt der piezoelektrische Stapel 70 Kraft auf das Lager 62 aus und stellt dadurch sowohl Abstand als auch Vorspannung der Eingangswelle 54 und ihres Schneckenrads 64 relativ zum Zahnrad 66 ein. Die Bewegung des Schneckenrads 64 relativ zum Zahnrad 66 reagiert unmittelbar auf die von der Verarbeitungseinheit 72 erzeugten Eingaben und sowohl erhöhter Druck als auch die Entlastung von diesem Druck erfolgen in Echtzeit und sind daher unmittelbar, wodurch vom Lenkmechanismus erzeugte NVH in dem Fall, dass das Fahrzeug über rauen Untergrund gefahren wird, minimiert oder vollständig eliminiert werden.
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Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept wie oben dargelegt überwindet die Herausforderungen, mit denen bekannte Anordnungen zum Reduzieren oder Eliminieren von NVH in Lenkmechanismen bei rauen Fahrbedingungen konfrontiert sind. Jedoch wird aus dieser Diskussion und den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen für Fachleute schnell ersichtlich, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen dort vorgenommen werden können, ohne dabei von dem in den folgenden Ansprüchen dargelegten wahren Geist und berechtigten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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