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Die Erfindung betrifft eine Lenkradeinheit zur sensorischen Erfassung einer Lenkbewegung eines Lenkrades für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein elektromechanisches Lenksystem, welches eine derartige Lenkradeinheit umfasst.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf sogenannte Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, bei denen normalerweise keine direkte mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs besteht. Stattdessen wird über eine geeignete Sensorik der Lenkwinkel und gegebenenfalls auch die Drehgeschwindigkeit des Lenkrads und/oder das auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmoment erfasst und in Form eines elektrischen Stellwerts auf eine elektromechanische Lenkaktuatoreinheit übertragen, welche das elektrisch vorgegebene Lenksignal in eine mechanische Verstellung des Lenkausschlags der Räder einer lenkbaren Fahrzeugachse umsetzt.
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Bei diesen elektromechanischen Lenksystemen entfällt somit die unmittelbar mechanische Rückmeldung über den tatsächlich ausgeführten Lenkausschlag der Räder, welche bei mechanisch gekoppelten Systemen gewöhnlich in Form eines fahrgeschwindigkeitsabhängigen Rückstellmoments des Lenkrades und hiermit überlagerten Vibrationen sowie durch Endanschlagspositionen des Lenkrades durch den Fahrer spürbar ist.
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Weiterhin bezieht sich das Einsatzgebiet der Erfindung auf elektromechanische Systeme zur Adjustierung der Inklination und der Höhe des Lenkrades, welche normalerweise mit zwei Elektromotoren zur jeweiligen vertikalen und horizontalen Verstellung des Lenkrades ausgeführt sind.
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Aus der
US 2017/0320515 A1 geht ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug hervor, welches seitens einer Lenkradeinheit spezielle Krafterzeugungsmittel zur Beaufschlagung des Lenkrads mit einer mechanischen Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenk- und Fahrzeugzustand an den Fahrer ausgestattet ist. Hierzu weist die Lenkradeinheit einen elektrischen Motor zur Erzeugung der Rückmeldungskraft durch Aufbringung eines entsprechenden Drehmoments auf die Lenkradwelle auf. Durch entsprechende Ansteuerung des elektrischen Motors wird dem Fahrer über das Lenkrad ein realistisches Fahrgefühl, wie dies bei mechanisch gekoppelten Lenksystemen existiert, vermittelt.
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Aus dem
US-Patent 4,901,593 geht ein System zur - voneinander jeweils unabhängigen - teleskopischen Bewegung und Inklinationsbewegung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs hervor. Zu diesem Zweck ist das System mit einem ersten und einem zweiten Motor ausgestattet. Der zweite Motor ist zur Bewegung eines Schaltstabes zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltposition ausgeführt. Befindet sich der Schaltstab in der ersten Schaltposition ist der Schaltstab derart mit dem System verbunden, dass die Rotation des ersten Motors eine teleskopische Bewegung des Lenkrades hervorruft. In der zweiten Schalterposition ist die Schaltstange hingegen derart positioniert, dass die Rotation des zweiten Motors zu einer Veränderung der Lenkradneigung führt.
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Durch ein vorgenanntes System zur elektromechanischen Höhen- und Inklinationsverstellung der Lenkradposition wird dem Fahrzeug insbesondere durch die Elektromotoren Masse hinzugefügt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs einschließlich eines Lenkradpositionierungssystems bereitzustellen, welches bauraumsparend, energiesparend, massesparend und/oder ausfallsicher sein und mit einfachen technischen Mitteln eine mechanische Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenkzustand an den Fahrer übermitteln kann.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Lenkradeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines elektromechanischen Lenksystems, das eine solche Lenkradeinheit umfasst, wird auf Anspruch 10 verwiesen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen. Die Lenkradeinheit weist einen im Bereich der Lenkradwelle des Lenkrades angeordneten Lenkbewegungssensor zur Erfassung der Lenkradstellung auf. Weiterhin umfasst die Lenkradeinheit erste Krafterzeugungsmittel, mittels derer eine mit dem Lenkrad verbundene Lenksäule in Höhe und Inklination verstellbar ist. Mittels zweiter Krafterzeugungsmittel ist das Lenkrad mit einer mechanischen Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenk- und/oder Fahrzustand an den Fahrer beaufschlagbar. Zu diesem Zweck umfasst die Lenkradeinheit einen ersten und einen zweiten Elektromotor, welche mit den ersten Krafterzeugungsmitteln mechanisch verbindbar sind. Ist eine solche Verbindung hergestellt, so erlauben der erste und zweite Motor zusammen mit den ersten Krafterzeugungsmitteln eine Höhen- und Inklinationsverstellung der Lenksäule. Infolgedessen ist auch das Lenkrad in Höhe und Neigung verstellbar. Weiterhin sind der erste und der zweite Elektromotor mit den zweiten Krafterzeugungsmitteln mechanisch verbindbar. Ist die letztgenannte Konfiguration gegeben, erlaubt diese eine Beaufschlagung des Lenkrades mit einer mechanischen Rückstellkraft zur Rückmeldung eines radeinschlagbezogenen Lenkzustandes an den Fahrer.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass zwei Elektromotoren zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lösung verwendet werden, welche sowohl eine Nutzung zur Höhen- und Neigungsverstellung der Lenksäule als auch einen Einsatz im Zusammenhang einer elektromechanischen Lenkung erlauben. Somit kann die Anzahl der insgesamt erforderlichen Motoren, der Raumbedarf, sowie das Gewicht des elektromechanischen Lenksystems reduziert werden. Ferner lässt sich durch den Gebrauch von zwei Elektromotoren die Ausfallsicherheit des elektromechanischen Lenksystems erhöhen. Weiterhin sind die beiden Motoren jeweils als schwächere Motoren, als normalerweise innerhalb eines elektromechanischen Lenksystems verwendete, ausführbar, da innerhalb der erfindungsgemäßen Lösung zwei Motoren mit den Krafterzeugungsmitteln zur Beaufschlagung des Lenkrades mit einer mechanischen Rückstellkraft gekoppelt werden.
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Mit anderen Worten gewährleistet die erfindungsgemäße Lösung, dass zum einen zwei Elektromotoren zur Adjustierung der Position der Lenksäule und zum anderen dieselben zwei Elektromotoren zur Beaufschlagung des Lenkrades mit einer mechanischen Rückstellkraft einsetzbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Lenksäule durch eine röhrenförmige Lenksäule gegeben, welche ein teleskopisches Ein- und Ausfahren zur Veränderung ihrer Höhe mittels der ersten Krafterzeugungsmittel erlaubt.
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Vorzugsweise sind der erste und der zweite Elektromotor achsparallel seitlich neben der Lenksäule angeordnet. Beispielsweise kann der erste Elektromotor achsparallel links seitlich neben der Lenksäule positioniert sein und der zweite Elektromotor entsprechend rechts seitlich neben der Lenksäule, oder umgekehrt. Eine solche Konfiguration trägt zu einem Gewichtsausgleich innerhalb der Lenkradeinheit bei. Ferner sind andere Anordnungen der beiden Elektromotoren achsparallel zur Lenksäule möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Elektromotor mit einem Schalter verbunden, welcher sich in eine erste und in eine zweite Schalterposition bringen lässt. In der ersten Schalterposition erlaubt der Schalter eine Verbindung der beiden Elektromotoren mit den ersten Krafterzeugungsmitteln. Eine Verbindung der beiden Elektromotoren mit den zweiten Krafterzeugungsmitteln ist in der zweiten Schalterposition gegeben.
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Vorzugsweise ist der vorgenannte Schalter als eine Kupplung, ein Schaltgetriebe, ein hydraulischer Schalter oder als ein elektromagnetischer Schalter ausgeführt, und erlaubt eine mechanische Verbindung der beiden Elektromotoren mit jeweils den ersten oder den zweiten Krafterzeugungsmitteln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lenkradeinheit eine Motorsteuerung, mittels welcher der vorgenannte Schalter im Fahrtzustand in der zweiten Schalterposition feststellbar ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die beiden Elektromotoren im Fahrzustand ausschließlich im Rahmen des elektromechanischen Lenksystems zum Einsatz kommen. Dies verhindert auch die Möglichkeit eines Verstellens des Lenkrades im Fahrtzustand.
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Vorzugsweise sind die zweiten Krafterzeugungsmittel bei in der zweiten Schalterposition befindlichem Schalter bei einem Ausfall des ersten Elektromotors weiterhin durch den zweiten Elektromotor ansteuerbar, und umgekehrt. Dadurch ist ein redundantes Sicherungssystem gegeben, welches erlaubt, die Lenkradeinheit im Fahrzustand für eine Weile funktionstüchtig zu erhalten und beispielsweise einem Fahrer zwischenzeitlich entsprechende Warnungen und/oder notwendig werdende Handlungsanweisungen zu übermitteln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter bei einem Ausfall des ersten oder zweiten Elektromotors nur in die zweit Schalterposition bringbar. Dadurch ist eine Lenkradverstellung nicht mehr vornehmbar, sehr wohl ist aber noch eine - zumindest vorübergehende - Funktionstüchtigkeit der Lenkradeinheit gegeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Krafterzeugungsmittel zur Beaufschlagung des Lenkrades mit einer mechanischen Rückmeldungskraft nur durch den ersten und/oder zweiten Elektromotor ansteuerbar. Mit anderen Worten erfordert bzw. erlaubt die Lenkradeinheit keine weiteren Elektromotoren.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, welches eine Lenkradeinheit mit vorstehenden Merkmalen aufweist. Weiterhin umfasst das Lenksystem eine mit der Lenkradeinheit elektrisch verbundene elektromechanische Lenkaktuatoreinheit, welche die Umsetzung eines von der Lenkradeinheit elektrisch vorgegebenen Lenksignals in eine mechanische Verstellung des Lenkausschlags der Räder einer lenkbaren Fahrzeugachse erlaubt.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems für ein Kraftfahrzeug, und
- 2 eine schematische Darstellung der Lenkradeinheit des Lenksystems nach 1.
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Gemäß 1 besteht ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug im Wesentlichen aus einer Lenkradeinheit 1, in derem zylindrischen Gehäuse 2 eine Lenkradwelle 3 drehbar gelagert ist. Seitens eines distalen Endes der Lenkradwelle 3 ist ein Lenkrad 4 zur Bedienung durch den Fahrer angebracht.
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Über eine elektrische Verbindung 5 steht die Lenkradeinheit 1 mittels einer elektronische Steuerung 6 mit einer Lenkaktuatoreinheit 7 in Verbindung, die im Falle dieses Ausführungsbeispiels elektromechanisch ausgebildet ist. Die Lenkaktuatoreinheit 7 dient der Umsetzung eines von der Lenkradeinheit 1 mittels der Steuerung 6 elektrisch vorgegebenen Lenksignals in eine mechanische Verstellung des Lenkausschlags der Räder 8a und 8b einer insoweit lenkbaren Fahrzeugachse 9.
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Nach 2 weist die Lenkradeinheit 1 ein Lenkrad 4 auf, welches mit einer Lenksäule 16 verbunden ist. Seitlich von und achsparallel zu der Lenksäule 16 sind erste Krafterzeugungsmittel 11, 12 angeordnet. Krafterzeugungsmittel 12 trägt zu einem teleskopischen ein- und ausfahren der Lenksäule 16 und damit zu ihrer Höhenverstellung - und dadurch derjenigen des Lenkrades 4 - bei. Gegenüber dem Krafterzeugungsmittel 12 ist Krafterzeugungsmittel 11 angeordnet, welches eine Veränderung der Inklination der Lenksäule 16 - und damit des Lenkrades 4 - hervorrufen kann. Mittels einer schaltbaren Verbindung 15 mit Schalter 17 sind die beiden Krafterzeugungsmittel 11 und 12 in einer ersten Schalterposition A jeweils mit einem ersten 13 und zweiten 14 Elektromotor verbunden.
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Der erste 13 und der zweite Elektromotor 14 sind nach 2 seitlich und achsparallel zu der Lenksäule 16 angeordnet. Dadurch ist insbesondere ein Beitrag zu einer gleichmäßigen Gewichtsverteilung innerhalb der Lenkradeinheit 1 gegeben.
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Der Schalter 17 der schaltbaren Verbindung 15 kann in eine zweite Schalterposition B gebracht werden. In dieser zweiten Position B ist der erste 13 und der zweite 14 Elektromotor mit Krafterzeugungsmitteln 10 zur Beaufschlagung des Lenkrades 4 mit einer mechanischen Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenk- und/oder Fahrzustand an den Fahrer verbunden.
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Insgesamt stellt das elektromechanische Steuer- und Positionierungssystem 18 der Lenkradeinheit 1 damit zwei seitlich und achsparallel zur Lenksäule angeordnete Elektromotoren 13 und 14 bereit, welche in der zweiten Schalterposition B mit den Krafterzeugungsmitteln 10 der Lenkradeinheit zusammen die mechanische Rückmeldungskraft über einen aktuellen Lenkzustand an einen Fahrer erzeugen. Die dadurch gegebene Redundanz erhöht eine Ausfallsicherheit des Systems.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Ferner kann die Lenkaktuatoreinheit 7 auch elektrohydraulisch oder dergleichen ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkradeinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lenkradwelle
- 4
- Lenkrad
- 5
- elektrische Verbindung
- 6
- elektronische Steuerung
- 7
- Lenkaktuatoreinheit
- 8
- Rad
- 9
- Fahrzeugachse
- 10
- Krafterzeugungsmittel des „Steer-by-wire“ Untersystems
- 11
- Krafterzeugungsmittel zur Verstellung der Inklination des Lenkrades
- 12
- Krafterzeugungsmittel zur Höhenverstellung des Lenkrades
- 13
- erster Elektromotor
- 14
- zweiter Elektromotor
- 15
- Schaltbare Verbindung
- 16
- Lenksäule
- 17
- Schalter
- 18
- elektromechanisches Steuer- und Lenkradpositionierungssystem
- A
- erste Schalterposition
- B
- zweite Schalterposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0320515 A1 [0005]
- US 4901593 [0006]
