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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, die eine relativ zu einer Trageinheit um ihre Längsachse drehbar gelagerte Lenkwelle und eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der Rotation der Lenkwelle aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Begrenzungseinrichtung für eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs zur Begrenzung der Rotation einer Lenkwelle.
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Solche Lenksäulen mit einer Begrenzungseinrichtung sind bevorzugt für Steer-by-Wire-Lenksysteme geeignet.
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In der fest mit der Fahrzeugkarosserie verbindbaren Trageinheit ist die Lenkwelle drehbar gelagert oder drehbar von der Trageinheit getragen. Zur Lenkung des Kraftfahrzeugs wird durch Drehung des am fahrerseitigen, hinteren Ende der Lenkwelle angebrachten Lenkrads vom Fahrer ein Lenkbefehl eingegeben, der in einen Lenkeinschlag der lenkbaren Räder des Kraftfahrzeugs umgesetzt wird. Während bei einem konventionellen Lenksystem die Lenkwelle über eine Lenkgetriebe mechanisch mit den Rädern verbunden ist, wird in einem Steer-by-wire-Lenksystem die Rotation der Lenkwelle mittels Sensoren erfasst und in ein elektrisches Steuersignal zur Ansteuerung von elektrischen Lenkaktoren umgesetzt. Durch die dabei fehlende mechanische Kopplung mit den Rädern wird die Drehung der Lenkwelle nicht durch den mechanischen Endanschlag der Räder bei Erreichen des maximalen Lenkeinschlags begrenzt. Um dennoch ein zu starkes Einlenken zu vermeiden und auch ein realistisches Lenkgefühl zu simulieren, ist es bekannt, den maximal möglichen Drehwinkel des Lenkrads über die Begrenzung der Rotation der Lenkwelle mittels einer Begrenzungseinrichtung beschränken.
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Eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der Rotation der Lenkwelle ist beispielsweise in der
DE 103 12 516 A1 beschrieben. Diese weist ein mit der Lenkwelle verbundenes erstes Bahnelement und ein damit über ein Gleitelement mechanisch gekoppeltes, karrosseriefestes zweites Bahnelement auf, wobei das Gleitelement bei einer relativen Drehung der Bahnelemente in spiralförmigen Gleitbahnen entlang bewegt wird. Die maximale Rotation der Lenkwelle wird durch den von den Gleitbahnen abgedeckten Winkelbereich, der in jede Drehrichtung mehr als 360° betragen kann, entsprechend begrenzt.
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Durch die bekannte Begrenzungseinrichtung wird ein mechanischer Endanschlag der Lenkwelle realisiert, der beim Lenken durch Blockieren der weiteren Drehung des Lenkrads eine zuverlässige mechanische Rückmeldung gibt, wenn der maximale Lenkeinschlag erreicht ist. Nachteilig ist jedoch, dass durch die mechanische Kopplung der Winkel des Endanschlags fest vorgegeben ist. Eine Anpassung der Begrenzung auf einen kleineren maximalen Winkel, beispielsweise bei höherer Fahrzeuggeschwindigkeit, oder die Freigabe eines größeren maximalen Einschlagwinkels, beispielsweise zum Einparken mit kleiner Fahrzeuggeschwindigkeit, ist nicht möglich.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lenksäule anzugeben, welche eine variable Begrenzung der Rotation der Lenkwelle durch Vorgabe des Endanschlag-Winkels ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Begrenzungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird für eine Lenksäule der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Begrenzungseinrichtung eine bidirektionale Pumpe mit einer rotatorisch antreibbaren, mit der Lenkwelle gekuppelten Antriebswelle und zwei Förderanschlüssen aufweist, die abhängig von der Rotationsrichtung der Antriebswelle jeweils als Saug- und Druckanschluss fungieren, und die durch eine Fluidleitung zu einem geschlossenen Fluidkreis miteinander verbunden sind, wobei in der Fluidleitung ein Steuerventil angeordnet ist.
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Die beiden Förderanschlüsse bilden Fluidanschlüsse, die über die Fluidleitung, beispielsweise eine Rohr- oder Schlauchleitung, zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs miteinander verbunden sind, der auch als Fluidkreis bezeichnet wird. Mit anderen Worten wird durch die Fluidleitung zwischen den Förderanschlüssen ein fluidischer Kurzschluss erzeugt. Im Betrieb sind die Pumpe und die Fluidleitung mit dem Fluid gefüllt, welches von der Pumpe über die Förderanschlüsse zirkulierend durch den Fluidkreis gefördert werden kann.
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Dadurch, dass die Antriebswelle erfindungsgemäß drehmomentschlüssig mit der Lenkwelle verbunden ist, wird die Förderrichtung, dies ist die Fließ- oder Strömungsrichtung des Fluids, der bidirektionalen Pumpe durch die Rotationsrichtung der Lenkwelle bestimmt, welche die Antriebswelle drehend antreibt, die ihrerseits mit den durch die Bauform der Pumpe vorgegebenen Förderelementen zusammenwirkt. Bei Drehung in die erste Rotationsrichtung - beispielsweise bei einer Drehung der Lenkwelle durch einen Lenkeinschlag nach rechts - wird das Fluid durch den ersten Förderanschluss angesaugt, der dann entsprechend als Sauganschluss fungiert, und durch den ersten zweiten Förderanschluss entsprechend den Pumpenspezifikationen abgegeben, der entsprechend den Pumpen- oder Druckanschluss darstellt. Entsprechend zirkuliert das Fluid in einer ersten Richtung vom Druckanschluss durch die Fluidleitung und den Sauganschluss wieder in die Pumpe. Bei umgekehrter Drehung der Lenkwelle - im Beispiel bei einem Lenkeinschlag nach links - in die zweite Drehrichtung, wird die Förderrichtung umgekehrt, so dass der erste Förderanschluss nunmehr den Pumpen- oder Druckanschluss bildet und der zweite Förderanschluss den Sauganschluss, so dass das Fluid in der zur ersten Richtung umgekehrten zweiten Richtung strömt. Folglich zirkuliert das Fluid je nach der durch den Lenkeinschlag vorgegebenen Rotationsrichtung in der einen oder anderen Fließrichtung im Zwangsumlauf durch den geschlossenen Fluidkreis.
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Das Steuerventil ermöglicht es, den Fluss des Fluids durch die Steuerleitung zu begrenzen und dadurch einzustellen. Durch vollständiges Schließen des Steuerventils wird der Fluss blockiert, so dass die zirkulierende Fließbewegung unterbrochen und der Umlauf des Fluids gestoppt wird. Infolge dessen staut sich das Fluid zwischen dem Förderanschluss der Pumpe, die den aktiven Druckanschluss bildet, und dem Steuerventil, bis der Nenndruck der Pumpe erreicht ist. Dadurch steigt das Gegenmoment, welches an der Antriebswelle der Pumpe als Bremsmoment dem drehenden Antrieb entgegenwirkt, entsprechend an. Bei einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid, wie einer Hydraulikflüssigkeit, und vernachlässigbaren Strömungsverlusten durch Undichtigkeiten, bewirkt das Schließen des Steuerventils einen steilen Anstieg des Gegenmoments, so dass praktisch die Rotation der Antriebwelle blockiert wird. Die Rotation der drehmomentschlüssig mit der Antriebswelle gekuppelten Lenkwelle wird ebenfalls blockiert, so dass ein Stopp und dadurch ein Endanschlag der Lenkwelle realisierbar ist.
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Unter dem Steuerventil kann auch ein Regelventil verstanden werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Zirkulation des Fluids durch einfaches Schließen des Steuerventils in jeder beliebigen Winkelstellung der Lenkwelle unterbrochen werden kann, und entsprechend einfach ein Endanschlag für einen beliebigen Lenkeinschlag des Lenkrads eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann allein durch die Betätigung des Steuerventils der zulässige maximale Drehwinkel der Lenkwelle und damit des daran angebrachten Lenkrads vorgegeben werden.
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Dank der Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Kalibrierung der Lenkung und Justierung der neutralen Position, die der Nullstellung des Lenkrads bei Geradeausfahrt entspricht, besonders einfach allein durch die Betätigung des Steuerventils vorgenommen werden. Unter dem Lenkrad ist die Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs zu verstehen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der maximal zulässige Lenkeinschlag durch Begrenzung der maximal möglichen Rotation der Lenkwelle in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs, beispielsweise der Fahrgeschwindigkeit einfach durch Betätigung des Steuerventils vorgegeben werden kann, beispielsweise zur Einschränkung des möglichen Lenkeinschlags bei hohen Fahrgeschwindigkeiten.
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Dadurch, dass zur Realisierung des Endanschlags keine mechanischen Bauteile in Wirkverbindung gebracht werden, sondern ein Fluidstrom gesteuert wird, tritt keine Reibung zwischen Festkörpern auf, sondern nahezu ausschließlich Fluidreibung, wodurch der Verschleiß sehr gering ist, und ein nahezu wartungsfreier Betrieb über die Betriebsdauer des Fahrzeugs ermöglicht wird. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, dass der durch die Pumpe, die Fluidleitung und das Steuerventil verlaufende Fluidkreis nach außen hermetisch abgedichtet sein kann, so dass einerseits das Fluid gegen schädliche Einflüsse wie Verunreinigungen und dergleichen abgeschirmt ist und andererseits kein Fluid austreten kann.
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Es ist vorteilhaft, dass die Pumpe eine Hydraulikpumpe ist. Die mit der Lenkwelle gekuppelte Hydraulikpumpe fördert als Fluid eine im Wesentlichen inkompressible Hydraulikflüssigkeit wie ein Hydrauliköl oder dergleichen im Kreislauf durch die Fluidleitung. Dadurch, dass die Hydraulikflüssigkeit nicht komprimierbar ist, wird die Pumpe beim Sperren des Fluidkreises durch Schließen des Steuerventils praktisch verzögerungsfrei und effektiv blockiert, und entsprechend wirkt ein hohes Gegenmoment an der Antriebswelle und der damit verbundenen Lenkwelle, deren Rotation ebenfalls gestoppt wird. Das Steuerventil ist entsprechend als Hydraulikventil ausgestaltet, und die Fluidleitung als Hydraulikleitung. Die Ausgestaltung als hydraulisches System hat den Vorteil, dass eine leistungsfähige Hydraulikpumpe mit geringem Aufwand kompakt, leistungsfähig und langlebig gestaltet werden kann, ebenso wie das hydraulische Steuerventil. Dadurch kann ein leichter Aufbau mit geringen Abmessungen realisiert werden.
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Bevorzugt wird für die Pumpe eine Bauform eingesetzt, welche einen bidirektionalen Betrieb mit gleichen Fördereigenschaften in beiden Förderrichtungen ermöglicht. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Pumpe als Zahnradpumpe ausgebildet ist. Diese an sich bekannte Bauform mit zwei miteinander kämmenden, gegenläufigen Zahnrädern ist leistungsfähig, wartungsarm und langlebig. Außerdem ist der Förderstrom gleichmäßig und nahezu quasi-kontinuierlich, und ein Endanschlag kann stufenlos in jeder beliebigen Winkelposition der mit einem Zahnrad gekuppelten Antriebswelle vorgegeben werden. Alternativ zu Zahnradpumpen können auch andere Pumpentypen eingesetzt werden, vorzugsweise mit rotierenden Pumpelementen wie beispielsweise Schraubenpumpen, Dreh-, Kreis-, Wälzkolbenpumpen oder dergleichen.
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Alternativ ist es auch denkbar und möglich, Kolbenpumpen einzusetzen, bei denen die Kurbelwelle mit dem Lenkrad, bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Getriebes, gekoppelt ist und die Kurbelwelle über eine Pleuelstange mit dem Kolben verbunden ist, der in einem Zylinder zwischen einem oberen und unteren Totpunkt bewegbar ist. Im Zylinderkopf ist das Steuerventil angeordnet.
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Zwischen der Lenkwelle und der Antriebswelle der Pumpe kann ein Getriebe angeordnet sein. Durch ein zwischengeschaltetes Getriebe kann die Drehung der Lenkwelle über- oder untersetzt werden, so dass eine für die eingesetzte Pumpe optimale Umdrehungsgeschwindigkeit der Antriebswelle bereitgestellt wird, um in jeder Betriebssituation einen optimierten Fluidstrom durch den Fluidkreis zu gewährleisten. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, das zwischengeschaltete Getriebe als stufenloses Getriebe ausgebildet ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des stufenlosen Getriebes mittels einer Steuereinheit einstellbar ist, wobei die Steuereinheit auf Grund von Eingangsgrößen, wie beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes festlegt und ein Steuersignal an das stufenlose Getriebe entsendet.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Steuerventil elektrisch ansteuerbar ist. Ein elektrisches Steuerventil weist einen elektromechanischen Aktuator auf, der durch ein elektrisches Steuersignal aktivierbar ist, um das Ventil in Öffnungsstellung oder in Sperrstellung zu bringen. Auf diese Weise kann eine elektrische Fernsteuerung des Steuerventils erfolgen. Dies ermöglicht den Anschluss der erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung an die Fahrzeug-Steuerelektronik. Das Steuerventil kann beispielsweise an eine Steuereinheit des Fahrzeugs angeschlossen sein, in der diverse Messwerte und Fahrzeug-Betriebsparameter, beispielsweise Geschwindigkeit, Beschleunigung, momentaner Lenkeinschlag und dergleichen mehr erfasst und ausgewertet werden, und aus denen ein Steuersignal für das Steuerventil generiert wird. Dadurch kann eine im Hinblick auf die jeweilige Betriebs- und Fahrsituation angepasste Ansteuerung des Steuerventils erfolgen, beispielsweise für eine angepasste Begrenzung des Endanschlags der Lenkung bei hohen Fahrgeschwindigkeiten oder zum Einparken mit geringer Geschwindigkeit.
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Über das elektrische Steuersignal kann das Steuerventil auch im Sinne eines sogenannten Feedback-Aktuators angesteuert werden, um dem Fahrer über das Lenkrad haptische Rückmeldung zu geben. Beispielsweise ist es möglich, eine potentiell gefährliche Lenkbewegung im Vorfeld zu erkennen und den Lenkeinschlag zu beschränken oder zu blockieren. Durch eine oszillierende Ansteuerung des Steuerventils kann auch ein Vibrationssignal erzeugt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerventil als Schaltventil ausgebildet ist. Ein derartiges Schalt- oder Sperrventil kann geschaltet werden zwischen einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung. In Sperrstellung ist der Fluidstrom durch den Fluidkreis, und damit die Zirkulation des Fluids unterbrochen, so dass durch das dabei auftretende Gegenmoment in der Antriebswelle der Pumpe die Lenkwelle blockiert wird, beispielsweise als Endanschlag zur Begrenzung des Lenkeinschlags. Die Einschaltung der Sperrstellung kann bei einem elektromagnetischen Steuerventil durch ein elektrisches Steuersignal erfolgen. In Öffnungsstellung kann das Fluid ungehindert durch den Fluidkreis zirkulieren und die Lenkwelle kann entsprechend frei gedreht werden.
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Es ist jedoch auch denkbar und möglich, dass das Steuerventil als Stellventil ausgebildet ist. Bei einem derartigen Stellventil kann der Strömungsdurchgang kontinuierlich oder in Stufen gedrosselt werden, um einen teilweisen, größeren oder kleineren Durchfluss des Fluidstroms durch die Fluidleitung zu freizugeben. Die Drosselung des durchgelassenen Fluidstroms durch das Steuerventil zur erzeugt eine Gegenkraft in der Pumpe, und entsprechend ein Gegenmoment in der Antriebswelle, welches eine Dämpfungs- oder Bremswirkung erzeugt, die umso höher ist, je stärker die Drosselung ist. Über den Grad der Drosselung kann einem in die Lenkwelle eingeleiteten Lenkmoment ein definiertes Bremsmoment entgegengestellt werden. Dadurch kann über die Stellung des Steuerventils eine definierte Dämpfung der Lenkwelle erfolgen, beispielsweise ein bis zur Blockierung stetig ansteigendes Gegenmoment zur Realisierung eines gedämpften, sanften Endanschlags. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, durch Drosselung des Fluidstroms ein Gegenmoment zur Dämpfung der Lenkbewegung zu erzeugen, um beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten einen erhöhten Lenkwiderstand zu simulieren. Durch das elektrisch angesteuerte Steuerventil ist es zusätzlich möglich, den wirkenden Lenkwiderstand beim Lenken zwischen den Endanschlägen zu verändern. Beispielsweise wird beim Parkieren das Steuerventil vollständig geöffnet, so dass der wirkende Lenkwiderstand möglichst gering ist, bis das Lenkrad den vorbestimmten Endanschlag erreicht und das Steuerventil zur Begrenzung der Rotation (Endanschlag) des Lenkrades vollständig geschlossen wird. Bei einer Fahrt mit einer höheren Geschwindigkeit, beispielsweise auf einer Autobahn, kann das Steuerventil beispielsweise zur Hälfte geschlossen sein, so dass das Lenkgefühl auf Grund des erhöhten Lenkwiderstandes verbessert wird, da bei höheren Geschwindigkeiten meist nur minimal aus der Geradeausstellung herausgelenkt wird.
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Die erfindungsgemäße Erhöhung des Gegenmoments hat in jedem Fall den Vorteil, dass sie durch die Flüssigkeitsreibung besonders verschleißarm ist. Zur Drosselung kann der Strömungsquerschnitt des Steuerventils kontinuierlich oder stufenweise eingestellt werden, bei einem elektrischen Steuerventil durch einen entsprechend ausgelegten Aktuator.
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Die erfindungsgemäße Begrenzungseinrichtung kann auch zur Lenkradverriegelung eingesetzt werden. In Sperrstellung, bei geschlossenem Steuerventil, ist die Drehung des Lenkrads in beide Drehrichtungen blockiert, wie bei einem geschlossenen Lenkradschloss. Durch Betätigung des Steuerventils, bevorzugt durch elektrische Ansteuerung, kann einfach die Funktion eines Lenkradschlosses realisiert werden, bevorzugt in Kombination mit einer elektronischen Wegfahrsperre.
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Es kann vorgesehen sein, dass das in die Lenkwelle eingetragene Lenkmoment und der Lenkwellenwinkel (Lenkwellenstellung) mittels einer elektrischen Sensoreinheit detektiert werden und diese ermittelten Werte als Eingangsgrößen an die Steuereinheit übermittelt werden. Solche Drehmomenten- und/oder Lenkwellenwinkelsensoren (Sensoreinheit) sind aus dem Stand der Technik dem Fachmann hinreichend bekannt.
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Weiterhin wird eine Begrenzungseinrichtung für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs zur Begrenzung der Rotation einer Lenkwelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weist die Begrenzungseinrichtung eine bidirektionale Pumpe mit einer rotatorisch antreibbaren, mit der Lenkwelle drehmomentschlüssig gekuppelten Antriebswelle und zwei Förderanschlüssen auf, die abhängig von der Rotationsrichtung der Antriebswelle jeweils als Saug- und Druckanschluss fungieren, und die durch eine Fluidleitung zu einem geschlossenen Fluidkreis miteinander verbunden sind, wobei in der Fluidleitung ein Steuerventil angeordnet ist.
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Die bereits dargestellten vorteilhaften Weiterbildungen lassen sich ebenso bei der Begrenzungseinrichtung als solches anwenden, so dass diese nicht auf eine Lenksäule mit einer Begrenzungseinrichtung begrenzt sind.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines steer-by-wire-Lenksystems,
- 2 ein Funktionsschema des Fluidkreises in einem Betriebszustand bei einer ersten Drehrichtung der Lenkwelle,
- 3 ein Funktionsschema wie in 2 in einem Betriebszustand bei einer zweiten, entgegengesetzten Drehrichtung der Lenkwelle,
- 4 eine schematische Detailansicht des Betriebszustands gemäß 2 mit geöffnetem Steuerventil,
- 5 eine schematische Detailansicht des Betriebszustands ähnlich 2 mit geschlossenem Steuerventil .
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt schematisch ein steer-by-wire-Lenksystem 1 eines im Einzelnen nicht dargestellten Kraftfahrzeugs, welches als Eingabeeinheit eine Lenksäule 2 umfasst. Die Lenksäule 2 weist eine Trageinheit 21 auf, die an einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie anbringbar ist, und in der eine Lenkwelle 22, auch als Lenkspindel bezeichnet, um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Am bezüglich der Fahrtrichtung hinteren Ende ist ein Lenkrad 23 an der Lenkwelle 22 befestigt, welches zur Eingabe manueller Lenkbefehle in eine erste Drehrichtung R nach rechts, im Uhrzeigersinn, oder in die entgegengesetzte, zweite Drehrichtung L nach links, gegen den Uhrzeigersinn drehbar ist, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet, wobei die Lenkwelle 22 entsprechend rotiert.
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Die Lenkwelle 22 ist mit einer elektrischen Sensoreinheit 3 verbunden, die über eine elektrische Leitung 31 mit einem elektrischen Lenkungsantrieb 4 verbunden ist. Neben einer Sensorik, welche die Winkelstellung der Lenkwelle 22 relativ zur Trageinheit 21 erfasst und daraus die elektrische Ansteuerung des Lenkungsantriebs 4 erzeugt, kann ein Feedback-Aktuator vorgesehen sein, von dem abhängig vom Betriebszustand ein mechanisches Feedback-Moment in die Lenkwelle 22 eingegeben werden kann, zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung an das Lenkrad 23.
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Der Lenkungsantrieb 4 umfasst einen mit der elektrischen Leitung 3 verbundenen Stellmotor 41, der ein Lenkungs-Stellmoment in ein Lenkgetriebe 42 einleitet. Dort wird das Lenkungs-Stellmoment über ein Ritzel 43 und eine Zahnstange 44 in eine Translationsbewegung von Spurstangen 45 umgesetzt, wodurch ein Lenkeinschlag der gelenkten Räder 46 bewirkt wird.
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Weiterhin weist die Lenksäule 1 eine Begrenzungseinrichtung 5 auf, die mit der Lenkwelle 2 gekuppelt ist. Die Begrenzungseinrichtung 5 ist an eine elektrische Steuereinrichtung 6, beispielsweise eine ECU (Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs angeschlossen.
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2 und 3 zeigen ein funktionales Fluidschema der Begrenzungseinrichtung 5. Diese umfasst eine bidirektionale Pumpe 51, mit einer rotierend antreibbaren Antriebswelle 52, die wie dargestellt mit der Lenkwelle 22 drehmomentschlüssig verbunden ist. Die Pumpe 51 weist Förderanschlüsse 53 und 54 auf, die über eine Fluidleitung 55 zu einem geschlossenen Fluidkreis miteinander verbunden sind. In der Fluidleitung 55 ist ein elektrisches Steuerventil 56 angeordnet, welches elektrisch an die Steuereinrichtung 6 angeschlossen ist.
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Als Fluid, mit dem der gesamte Fluidkreis gefüllt ist, wird bevorzugt eine inkompressible Hydraulikflüssigkeit eingesetzt. Entsprechend ist die Pumpe 51 ist bevorzugt als Hydraulikpumpe ausgelegt.
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In 2 zeigt einen Betriebszustand, in dem das Lenkrad in Drehrichtung R nach rechts - in der Zeichnung im Uhrzeigersinn - gedreht wird, wodurch die Lenkwelle 22 und die damit gekuppelte Antriebswelle 52 ebenfalls entsprechend rotiert. Dabei wird durch die Pumpe 51 das Fluid in Pfeilrichtung gefördert, so dass der Förderanschluss 53 als Druckanschluss fungiert, und der andere Förderanschluss 54 als Sauganschluss. Das Fluid wird folglich in der eingezeichneten Strömungsrichtung zirkulierend durch die Fluidleitung 55 gepumpt, vorausgesetzt, das Steuerventil 56 befindet sich in Öffnungsstellung, so dass der Strömungsquerschnitt der Fluidleitung 55 zumindest teilweise freigegeben ist.
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3 zeigt in derselben Darstellung wie 2 einen Betriebszustand, in dem das Lenkrad in entgegengesetzter Drehrichtung L nach links - in der Zeichnung gegen den Uhrzeigersinn - gedreht wird, wodurch die Lenkwelle 22 und die damit gekuppelte Antriebswelle 52 ebenfalls entsprechend entgegengesetzt rotiert. Dabei wird durch die Pumpe 51 das Fluid in entgegen gesetzter Pfeilrichtung gefördert, so dass nun der Förderanschluss 54 als Druckanschluss fungiert, und der andere Förderanschluss 53 als Sauganschluss. Das Fluid wird folglich in der eingezeichneten Strömungsrichtung entgegengesetzt zirkulierend durch die Fluidleitung 55 gepumpt, vorausgesetzt, das Steuerventil 56 befindet sich in Öffnungsstellung, so dass der Strömungsquerschnitt der Fluidleitung 55 zumindest teilweise freigegeben ist.
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Solange das Steuerventil 56 von der Steuereinrichtung 6 zur Einstellung der Öffnungsstellung angesteuert wird, kann das Lenkrad 23 im Prinzip endlos nach rechts - wie in 2 dargestellt - oder nach links - wie in 3 gezeigt - gedreht werden.
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Wird das Steuerventil 56 von der Steuereinrichtung 6 angesteuert zur Einstellung der Sperrstellung, wird die durch die Fluidleitung 55 zirkulierende Strömung des Fluids unterbrochen. Bei Ausübung eines Lenkmoments auf das Lenkrad 23 pumpt die Pumpe 51 unabhängig von der Drehrichtung gegen den maximalen Pumpendruck, so dass ein Gegenmoment in der Antriebswelle 52 erzeugt wird, welches die Lenkwelle 22 bremst.
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Dadurch, dass die Hydraulikflüssigkeit inkompressibel ist, bewirkt eine vollständige Sperrung des Steuerventils 56 eine nahezu verzögerungsfreie hydraulische Blockierung der Pumpe 51, so dass die Rotation der Antriebswelle 51 und der damit gekuppelten Lenkwelle 22 gestoppt wird. Ein derartiger Stopp wird am Lenkrad 23 als Endanschlag wahrgenommen.
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Das Steuerventil 56 kann als Schaltventil ausgestaltet sein, welches quasi digital nur vollständig geöffnet oder geschlossen werden kann, so dass wahlweise die Rotation des Lenkrads 23 freigegeben oder blockiert ist. Als Schaltventil kann beispielsweise ein Absperrschieber dienen. Es sind jedoch auch andere Armaturen als Schaltventil denkbar und möglich. Alternativ kann das Schaltventil 56 als Stellventil ausgestaltet sein, welches eine stetige oder schrittweise Veränderung des Durchflussquerschnitts erlaubt. Dadurch ist es möglich, den Durchflussquerschnitt allmählich bis zur vollständigen Sperrung zu verringern, und dadurch das Gegenmoment bis zur Blockierung zu erhöhen, um einen gedämpften Anschlag zu realisieren. Es ist ebenfalls denkbar, durch teilweises Schließen des Steuerventils ein definiertes Gegenmoment einzustellen, durch das der Drehung des Lenkrads 23 ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt wird, beispielsweise um abrupte Lenkeingriffe bei hohen Fahrgeschwindigkeiten zu verhindern.
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Eine praktische Realisierung einer erfindungsgemäßen Begrenzungseinrichtung 5 ist in den 4 und 5 schematisch dargestellt.
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Die Pumpe 51 ist als Zahnradpumpe ausgebildet, mit zwei kämmenden Zahnrädern 511, die in einem Gehäuse 512 abgedichtet gegenläufig rotieren. Die Antriebswelle 52 fällt mit der Drehachse eines der Zahnräder 511 zusammen. Bei der eingezeichneten Drehrichtung, die durch die Drehung des Lenkrads 23 vorgeben wird, zirkuliert die Hydraulikflüssigkeit in Pfeilrichtung durch die Fluidleitung 55, und das in 4 geöffnete Steuerventil 56. Eine Umkehrung der Drehrichtung ist ebenfalls möglich, dann rotieren die Zahnräder 511 entgegengesetzt und die Strömungsrichtung im Fluidkreis ist umgekehrt.
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Das Steuerventil 56 weist ein Ventilgehäuse 561 und einen Ventilkörper 562 auf, der mit einem elektromechanischen Aktuator 563, der an die Steuereinrichtung 6 angeschlossen ist. Von der Steuereinrichtung 6 kann der Aktuator 563 elektrisch angesteuert werden, um die in 4 gezeigte Öffnungsstellung einzustellen, in welcher der Ventilkörper 562 von einem Ventilsitz 564 abgehoben ist und den Fluiddurchgang freigibt. In Sperr- oder Schließstellung, die in 5 gezeigt ist, wird der Ventilkörper 562 dichtend in den Ventilsitz 564 gedrückt, wie in 5 mit dem Pfeil angedeutet, so dass der Fluiddurchgang durch das Steuerventil 56 gesperrt ist.
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Solange das Steuerventil geöffnet ist, wie in 4, kann das Lenkrad 23 zur Eingabe eines Lenkbefehls frei gedreht werden, und zwar sowohl in der in 4 eingezeichneten Drehrichtung, als auch in umgekehrter Drehrichtung. Dabei zirkuliert das Fluid durch die Pumpe 51, die Fluidleitung 55 und das offene Steuerventil 56. Wird das Steuerventil 56 durch Ansteuerung von der Steuereinrichtung 6 geschlossen, wie in 6, wird die Zirkulation des Fluidstroms unterbrochen, die Drehung der Zahnräder 511 blockiert, und damit die Antriebswelle 52 gestoppt. Dadurch wird die Drehung der Lenkwelle 22 ebenfalls blockiert, und am Lenkrad 23 entsteht der haptische Eindruck eines Endanschlags.
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Durch teilweises Schließen des Steuerventils 56, in einen Stellzustand des Ventilkörpers 562, der zwischen den in den 4 und 5 gezeigten Endstellungen liegt, könnte der Strömungswiderstand des Fluids durch die Fluidleitungen 55 erhöht werden, um ein Gegenmoment in der Antriebswelle 52 zu erzeugen, welches als Dämpfungs- oder Bremsmoment als Widerstand einer Lenkbewegung des Lenkrads 23 entgegenwirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenksäule
- 21
- Trageinheit
- 22
- Lenkwelle
- 23
- Lenkrad
- 3
- Sensoreinheit
- 31
- elektrische Leitung
- 4
- Lenkungsantrieb
- 41
- Stellmotor
- 42
- Lenkgetriebe
- 43
- Ritzel
- 44
- Zahnstange
- 45
- Spurstangen
- 46
- Räder
- 5
- Begrenzungseinrichtung
- 51
- Pumpe
- 511
- Zahnräder
- 512
- Gehäuse
- 52
- Antriebswelle
- 53
- Förderanschluss
- 54
- Förderanschluss
- 55
- Fluidleitung
- 56
- Steuerventil
- 561
- Ventilgehäuse
- 562
- Ventilkörper
- 563
- Aktuator
- 564
- Ventilsitz
- 6
- Steuereinrichtung
- R, L
- Drehrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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