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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung betrifft Fahrzeuglenksäulen und insbesondere eine redundante Zahnradanordnung für derartige Lenksäulen.
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Elektrisch betätigte oder elektrisch unterstützte Lenkungssysteme stellen eine Kraftunterstützung für eine Lenkungsanordnung bereit. Ein Controller empfängt ein Eingabesignal und befiehlt einem Elektromotor, eine Zahnradanordnung anzutreiben, um Unterstützung für einen Nutzer bereitzustellen, indem das Eingabedrehmoment vermindert wird, das zum Ausführen verschiedener Lenkungsfunktionen benötigt wird. Viele der Zahnradanordnungen enthalten keine Redundanz. Wenn ein Zahnradzahn bricht, kehrt das Fahrzeug zu einer manuellen Lenkung zurück. Da die Lenkungslasten ansteigen, kann ein manuelles Lenken für einige Fahrer zu schwierig werden. Darüber hinaus ist eine manuelle Steuerung bei Steer-by-Wire-Anwendungen nicht verfügbar, da es möglicherweise keine physikalische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Straßenrädern gibt. Im Bemühen zum Verbessern der Sicherheit fordern viele Kraftfahrzeughersteller Redundanzen in vielen Fahrzeuganwendungen, einschließlich von Lenkungssystemen.
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US 7 322 439 B2 offenbart ein Lenksystem mit einer redundanten Zahnradanordnung zum Antrieb einer Fahrzeuglenksäule mit zwei Motoren bei den jeweils eigene Zahnradkomponenten im kämmenden Eingriff mit jeweils eigenen Zahnrädern auf der Lenksäule stehen.
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US 6 776 252 B1 offenbart ein Steer-by-wire System, bei dem zwei Motoren simultan eine Kraft auf eine Getriebeeinheit zur Lenkung der Vorderräder ausüben.
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US 2012/0111658 A1 offenbart ein Kontrollsystem für eine Fahrzeuglenkung mit zwei Motoren, die über zwei Schneckengetriebe mit jeweils eigenen Zahnrädern mit der Lenksäule im Eingriff stehen. Der erste Motor stellt eine Kraft zur Einstellung des Lenkwinkels bereit, der zweite Motor eine Lenkreaktionskraft.
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CN 103448789 A offenbart einen Doppelschneckenantrieb für ein elektrisches Servolenksystem, bei dem zwei Motoren über zwei Schnecken Kräfte auf ein Zahnrad übertragen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung einer Zahnanordnung im Falle eines Brechens eines Zahnradzahns. Zur Lösung der Aufgabe ist eine redundante Zahnradanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 7 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß Anspruch 1 enthält eine redundante Zahnradanordnung für eine Fahrzeuglenksäule ein Zahnrad, das mit einer Lenksäulenkomponente wirksam gekoppelt ist. Auf dem Zahnrad ist auch ein erster Satz von Zahnradzähnen enthalten. Ferner ist auf dem Zahnrad ein zweiter Satz von Zahnradzähnen enthalten. Noch weiter ist ein erster Motor umfasst, der eine erste Zahnradeingabekomponente antreibt, wobei die erste Zahnradeingabekomponente in kämmendem Eingriff mit dem ersten Satz von Zahnradzähnen steht, um in einem primären Betriebsmodus der redundanten Zahnradanordnung ein erstes Lenkungsassistenzdrehmoment bereitzustellen, das repräsentativ für ein gewünschtes Lenkungsassistenzdrehmoment ist. Es ist auch ein zweiter Motor umfasst, der eine zweite Zahnradeingabekomponente antreibt, wobei die zweite Zahnradeingabekomponente in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Satz von Zahnradzähnen steht, um in einem redundanten Betriebsmodus der redundanten Zahnradanordnung ein zweites Lenkungsassistenzdrehmoment bereitzustellen, wobei der zweite Motor in dem primären Betriebsmodus die zweite Zahnradeingabekomponente nicht antreibt.
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Gemäß Anspruch 7 enthält eine redundante Zahnradanordnung für eine Fahrzeuglenksäule ein Zahnrad, das mit einer Lenksäulenkomponente wirksam gekoppelt ist. Auf dem Zahnrad ist auch ein erster Satz von Zahnradzähnen enthalten. Ferner ist auf dem Zahnrad ein zweiter Satz von Zahnradzähnen enthalten. Noch weiter ist ein erster Motor umfasst, der eine erste Zahnradeingabekomponente antreibt, wobei die erste Zahnradeingabekomponente in kämmendem Eingriff mit dem ersten Satz von Zahnradzähnen steht, um ein erstes Lenkungsassistenzdrehmoment in einem primären Betriebsmodus der redundanten Zahnradanordnung bereitzustellen. Es ist auch zweiter Motor umfasst, der eine zweite Zahnradeingabekomponente antreibt, wobei die zweite Zahnradeingabekomponente in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Satz von Zahnradzähnen steht, um ein zweites Lenkungsassistenzdrehmoment in dem primären Betriebsmodus bereitzustellen.
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Figurenliste
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Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird speziell dargelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Lenkungssystems für ein Fahrzeug ist;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer redundanten Zahnradanordnung für das Lenkungssystem in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung ist;
- 3 eine perspektivische Ansicht der redundanten Zahnradanordnung in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung ist;
- 4 eine perspektivische vergrößerte Ansicht eines Zahnradzahneingriffs der Anordnung von 2 ist;
- 5 eine perspektivische Ansicht der redundanten Zahnradanordnung in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung ist; und
- 6 eine perspektivische Ansicht eines Lenkungssystems für ein Fahrzeug in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Figuren, bei denen die Erfindung mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, wird eine redundante Zahnradanordnung zur Verwendung in Fahrzeuglenksäulen bereitgestellt. Die hier beschriebene redundante Zahnradanordnung kann mit verschiedenen Typen von Lenksäulen eingesetzt werden. Speziell sind elektrische Servolenkungssysteme, Steer-by-Wire-Systeme und Systeme zum autonomen oder semi-autonomen Fahren Beispiele für Fahrzeuglenksäulen, die von den hier offenbarten Ausführungsformen profitieren können. Der Begriff autonom oder semi-autonom bezieht sich auf Fahrzeuge oder Fahrzeugteilsysteme, die ausgestaltet sind, um Operationen ohne eine kontinuierliche Eingabe von einem Fahrer auszuführen (z.B. Lenken, Beschleunigen, Bremsen usw.) und mit einem fortschrittlichen Fahrerassistenzsystem (ADAS von Advanced Driver Assist System) ausgestattet sein können, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug unter Verwendung einer Erfassungs-, Lenkungs- und/oder Bremstechnologie autonom gesteuert wird.
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1 veranschaulicht ein Lenkungssystem 10, das bereitgestellt ist, um ein Fahrzeug in eine gewünschte Richtung zu lenken. Das Lenkungssystem 10 enthält ein Lenkrad 20, eine obere Lenksäule 22, ein Universalgelenk 24, eine untere Lenksäule 26, ein Zahnrad 28, eine erste Zahnradeingabekomponente 30, ein Zahnradgehäuse 34, einen Lenkungsmechanismus 36, Spurstangen 38, 40, Lenkungsachsschenkel 42, 44 und Straßenräder 46, 48. Wie aus der Offenbarung festzustellen ist, bilden eine zweite Zahnradeingabekomponente 31 und das Zahnrad 28 eine redundante Zahnradanordnung.
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In einigen Ausführungsformen ist das Lenkungssystem 10 ein elektrisches Servolenkungssystem, das einen Lenkungsmechanismus 36 mit einer Zahnstange und einem Ritzel verwendet, welcher eine (nicht gezeigte) mit Zähnen versehene Zahnstange und ein (nicht gezeigtes) Ritzelzahnrad enthält, das unter dem Zahnradgehäuse 34 angeordnet ist. Im Betrieb wird, wenn das Lenkrad 20 von einem Fahrzeugbediener gedreht wird, die obere Lenksäule 22 mit der unteren Lenksäule 26 verbunden und dreht das Ritzelzahnrad. Die Drehung des Ritzelzahnrads bewegt die mit Zähnen versehene Zahnstange, welche die Spurstangen 38, 40 bewegt. Die Spurstangen 38, 40 wiederum bewegen jeweilige Lenkungsachsschenkel 42, 44, welche die jeweiligen Straßenräder 46, 48 drehen. Es ist festzustellen, dass das Lenkungssystem 10 weniger oder mehr Wellen- oder Säulenkomponenten enthalten kann. Außerdem ist, wie vorstehend beschrieben ist, in einigen Ausführungsformen keine physikalische Verbindung zwischen dem Lenkrad 20 (oder einer anderen Lenkungseingabevorrichtung) und der unteren Lenksäule 26 vorgesehen. Daher versteht es sich, dass das Zahnrad 28, das das Assistenzdrehmoment überträgt, mit einer Lenksäulenkomponente wirksam gekoppelt ist und nicht auf eine Verbindung mit dem Teil der Säule begrenzt ist, der vorstehend beschrieben ist oder auf diese Weise veranschaulicht ist.
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Das Lenkungssystem 10 kann ein Steuerungssystem enthalten, um das Steuern des Lenkungssystems 10 zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen enthält das Steuerungssystem 14 einen Drehmomentsensor 50, einen Controller 52, einen ersten Motor 58 und einen zweiten Motor 60. Der Drehmomentsensor 50 erzeugt ein Signal, das einen Drehmomentbetrag anzeigt, der auf das Fahrzeuglenkrad 20 und die obere Lenksäule 22 von einem Fahrzeugbediener aufgebracht wird. In einer Ausführungsform enthält der Drehmomentsensor 50 einen (nicht gezeigten) Torsionsstab, welcher einen variablen Widerstandswert auf der Grundlage eines Betrags an Verdrehung des Torsionsstabs an den Controller 52 ausgibt. Alternativ können andere Typen von Drehmomentsensoren, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, verwendet werden. Der Controller 52 erzeugt Steuerungssignale, welche Operationen des ersten Motors 58 steuern. Der zweite Motor 60 kann Signale von dem Controller 52 oder von einem separaten unabhängigen Controller, etwa einem Controller 62 empfangen. Der/Die Controller ist/sind mit dem Drehmomentsensor 50 elektrisch gekoppelt. Der Begriff Controller bezieht sich, so wie er hier verwendet wird, auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Der erste Motor 58 ist ausgestaltet, um die erste Zahnradeingabekomponente 30 anzutreiben, welche mit dem Zahnrad 28 wirksam gekoppelt ist, um die untere Lenksäule 26, den Lenkungsmechanismus 36, die Spurstangen 38, 40 und die Lenkungsachsschenkel 42, 44 zu einer Betriebsposition hin zu bewegen, bei der die Straßenräder 46, 48 einen gewünschten Winkel der vorderen Straßenräder aufweisen. Der zweite Motor 60 ist ausgestaltet, um die zweite Zahnradeingabekomponente 31 anzutreiben, welche mit dem Zahnrad 28 wirksam gekoppelt ist, um die untere Lenksäule 26, den Lenkungsmechanismus 36, die Spurstangen 38, 40 und die Lenkungsachsschenkel 42, 44 zu einer Betriebsposition hin zu bewegen, bei der die Straßenräder 46, 48 einen gewünschten Winkel der vorderen Straßenräder aufweisen. Die duale Zahnradanordnung stellt eine redundante Zahnradanordnung bereit, um sicherzustellen, dass eine Lenkungsassistenz selbst in dem Fall eines Ausfalls von einer der Zahnradanordnungen oder Verbindungen aufrechterhalten wird, wie aus den hier beschriebenen Ausführungsformen festgestellt werden wird.
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Wie in 6 gezeigt ist, ist eine andere Ausführungsform der dualen Zahnradanordnung veranschaulicht. In der Ausführungsform von 6 ist das Zahnrad 28 ein erstes Zahnrad und es ist ein zweites Zahnrad 29 enthalten. In einer derartigen Ausführungsform enthält das erste Zahnrad 28 einen einzigen Satz von Zahnradzähnen - etwa einen ersten Satz von Zahnradzähnen 68 (Figur), der nachstehend im Detail beschrieben wird - und das zweite Zahnrad 29 enthält einen separaten zweiten Satz von Zahnradzähnen 72. Wie hier beschrieben ist, steht eine erste Zahnradeingabekomponente 30 in Eingriff mit dem ersten Zahnrad 28 (d.h. mit dem ersten Satz von Zahnradzähnen 68) und die zweite Zahnradeingabekomponente 31 steht in Eingriff mit dem zweiten Zahnrad 29 (d.h. mit dem zweiten Satz von Zahnradzähnen 72).
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Mit Bezug auf 2 und 3 ist die redundante Zahnradanordnung in größerem Detail veranschaulicht. 2 und 3 stellen unterschiedliche Orientierungen der ersten und zweiten Zahnradeingabekomponenten 30, 31 dar, aber die Operationsprinzipien bleiben konsistent mit denjenigen, die hier beschrieben sind. Unterschiedliche Orientierungen der Zahnradeingabekomponenten 30, 31 können Verpackungsvorteile oder andere Betriebsvorteile in Abhängigkeit von der speziellen Nutzanwendung bereitstellen. Unabhängig von den speziellen Orientierungen sind die Zahnradanordnungen in der veranschaulichten Ausführungsform Schneckenradanordnungen, aber es ist festzustellen, dass eine oder beide Zahnradanordnungen alternative Zahnradverbindungen sein können. Zum Beispiel kann eine oder können beide Zahnradanordnungen eine Anordnung mit einem Zahnrad mit Stirnverzahnung (5), eine Stirnradanordnung, eine Schraubenradanordnung und eine Spiralzahnradanordnung sein. Diese sind nur veranschaulichende Zahnradanordnungen, aber es ist festzustellen, dass mehrere alternative Typen von Zahnradanordnungen verwendet werden können.
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In der veranschaulichten Ausführungsform sind die erste Zahnradeingabekomponente 30 und die zweite Zahnradeingabekomponente 31 jeweils Schnecken und das Zahnrad 28 ist ein Schneckenrad. Wie vorstehend beschrieben ist, wird die erste Zahnradeingabekomponente 30 durch den ersten Motor 58 angetrieben und die zweite Zahnradeingabekomponente 31 wird durch den zweiten Motor 60 angetrieben. Es wird in Betracht gezogen, dass in einigen Ausführungsformen die Zahnradeingabekomponenten 30, 31 durch einen gemeinsamen Motor angetrieben werden. Außerdem kann ein gemeinsamer Controller (z.B. der Controller 52) den Betrieb von beiden Motoren 58, 60 steuern oder unabhängige Controller (52, 62) können die Motoren ansteuern.
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Die erste Schnecke 30 enthält ein Gewindemuster 64, das in kämmendem Eingriff mit einem ersten Satz von Zahnradzähnen 68 des Zahnrads 28 steht. Analog enthält die zweite Schnecke 31 ein Gewindemuster 70, das in kämmendem Eingriff mit einem zweiten Satz von Zahnradzähnen 72 des Zahnrads 28 steht. Jeder Satz von Zahnradzähnen 68, 72 erstreckt sich vollständig um eine Umfangsstirnseite 74 des Zahnrads 28 herum. Der erste Satz von Zahnradzähnen 68 ist benachbart zu einer ersten Stirnseite 76 des Zahnrads 28 angeordnet und der zweite Satz von Zahnradzähnen 72 ist benachbart zu einer zweiten Stirnseite 78 des Zahnrads 28 angeordnet. Die Sätze von Zahnradzähnen 68, 72 erstrecken sich in eine axiale Richtung des Zahnrads 28 und können einander überlappen, wie in 4 gut gezeigt ist. Das Überlappen der Sätze von Zahnradzähnen spart Verpackungsraum für die Gesamtanordnung.
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Indem ein zweiter Satz von Zahnradzähnen 72 auf dem Zahnrad 28 (der auch als redundanter Satz von Zahnradzähnen bezeichnet werden kann) und eine zweite Zahnradeingabekomponente 31 zur Interaktion mit dem zweiten Satz von Zahnradzähnen 72 (die auch als redundante Zahnradeingabekomponente bezeichnet werden kann) bereitgestellt wird, enthält die Zahnradanordnung eine Redundanz, die das Aufrechterhalten einer Lenkfähigkeit für einen Nutzer sicherstellt. Dies ist besonders vorteilhaft in Situationen, bei denen ein Zahnradzahn abbricht. Es werden hier verschiedene Redundanzschemata offenbart.
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In einigen Ausführungsformen treibt der erste Motor 58 die erste Zahnradeingabekomponente 30 an, um ein erstes Lenkungsassistenzdrehmoment bereitzustellen, das repräsentativ für ein gewünschtes Lenkungsassistenzdrehmoment in einem primären Betriebsmodus ist (d.h. 100 % oder so nahe daran wie möglich, um das gesamte gewünschte Lenkungsdrehmoment bereitzustellen). Während des primären Betriebsmodus treibt der zweite Motor 60 die zweite Zahnradeingabekomponente 31 nicht an, aber er steht bereit, um in einem redundanten Betriebsmodus ein zweites Lenkungsassistenzdrehmoment in dem Fall bereitzustellen, dass der Betrieb des ersten Motors 58 oder der ersten Zahnradeingabekomponente 30 beeinträchtigt ist. In einer derartigen Situation kann der zweite Motor 60 betrieben werden, um die zweite Zahnradeingabekomponente 31 mit dem zweiten Lenkungsassistenzdrehmoment anzutreiben, welches in einigen Ausführungsformen repräsentativ für das gewünschte Lenkungsassistenzdrehmoment sein kann.
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Wenn 100 % (oder annähernd soviel) des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments von der zweiten Zahnradeingabekomponente 31 in dem redundanten Betriebsmodus bereitgestellt wird, wird die Anordnung als ein vollständig redundantes System betrachtet, da für den Nutzer kein Abfallen wahrnehmbar ist. Jedoch enthalten einige Ausführungsformen einen zweiten Motor 60, der kleiner ist und weniger Unterstützung über die zweite Zahnradeingabekomponente 31 bereitstellt. Ein weniger leistungsfähiger Motor führt zu weniger als 100 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments, das in dem redundanten Betriebsmodus bereitgestellt werden kann. Das geringere Drehmoment stellt einen „Heimschleich“-Modus bereit. Es wird ein großer Bereich von Prozentsätzen des gewünschten Lenkungsdrehmoments, das von der zweiten Zahnradeingabekomponente 31 bereitgestellt werden soll, in Betracht gezogen, einschließlich aller Prozentsätze, die kleiner als 100 % des gewünschten Lenkungsdrehmoments sind. Als Beispiel kann das zweite Lenkungsassistenzdrehmoment, das in dem redundanten Betriebsmodus bereitgestellt wird, 50 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments sein, aber es werden viele geeignete Alternativen in Betracht gezogen. In Ausführungsformen mit dem weniger leistungsfähigen Motor kann es erlaubt sein, dass der zweite Controller 62 eine geringere Funktionalität bereitstellt.
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In einigen Ausführungsformen treiben der erste Motor 58 und der zweite Motor 60 jeweils die erste Zahnradeingabekomponente 30 und die zweite Zahnradeingabekomponente 31 in dem primären Betriebsmodus an. Mit anderen Worten wird während des Normalbetriebs der Zahnradanordnung Drehmoment auf der Grundlage einer kombinierten Eingabe von der ersten und der zweiten Zahnradeingabekomponente 30, 31 übertragen. In einigen Ausführungsformen ist jeder Motor 58, 60 in der Lage, 100 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments bereitzustellen und die Motoren 58, 60 arbeiten zusammen, um das gewünschte Lenkungsassistenzdrehmoment bereitzustellen. Wenn jeder Motor 58, 60 in der Lage ist, 100 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments in dem primären Betriebsmodus bereitzustellen, wird die Anordnung als vollständig redundantes System betrachtet, da für den Nutzer kein Abfallen wahrnehmbar ist, wenn eine der Zahnradeingabekomponenten 30 oder 31 betriebsunfähig wird. In anderen Ausführungsformen sind die Motoren in der Lage, die Zahnradeingabekomponenten mit einer Kraft anzutreiben, die eine kombinierte Drehmomentassistenz erzeugt, welche mindestens 100 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments beträgt. Die kombinierte verfügbare Drehmomentassistenz kann größer als 100 % sein, wie etwa dass beide in der Lage sind, 75 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments bereitzustellen, oder eine beliebige andere Kombination von Drehmomenten, welche kombiniert 100 % überschreitet. Um übermäßige Motorkraftanforderungen zu vermeiden, kann die Kombination von Drehmomenten alternativ etwa 100 % des gewünschten Lenkungsassistenzdrehmoments betragen. In diesen Ausführungsformen wird jede Kombination der Drehmomente in Betracht gezogen, etwa Verhältnisse von 50 - 50, 60 - 40, 75 - 25 usw. Diese beispielhaften Verhältnisse dienen nur zur Veranschaulichung und es ist festzustellen, dass jedes Verhältnis von Drehmomenten, das mit der ersten Zahnradeingabekomponente 30 und mit der zweiten Zahnradeingabekomponente 31 verbunden ist, verwendet werden kann, wobei eines von beiden die dominante Zahl in dem Verhältnis ist.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen entweder einen „Heimschleich“-Modus oder ein vollständig redundantes System in dem Fall bereit, dass eine Zahnradanordnung betriebsunfähig wird. Zusätzlich wird in Ausführungsformen mit zwei Motoren, die gleichzeitig betrieben werden, eine Kompensation von Zahnradspiel möglich, da die Motoren eine kleine Last gegeneinander bereitstellen können, um Spiel zu beseitigen.
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Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es leicht zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier im Vorstehenden nicht beschrieben wurden, welche aber mit dem Geist und dem Umfang der Erfindung übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist außerdem zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Folglich darf die Erfindung nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die vorstehende Beschreibung begrenzt ist.
