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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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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. Die hierfür vorgesehenen Krafterzeugungsmittel umfassen weiterhin auch eine arretierbare Kupplung, welche über einen elektromagnetischen Aktor angesteuert wird, um eine weitere Drehung der Lenkradwelle zu unterbinden, wenn die Räder die in der jeweiligen Drehrichtung vorgegebene Endanschlagposition erreicht haben. Zu diesem Zweck setzt die Kupplung in der vorgenannten Situation die Lenkradwelle nach Maßgabe einer elektronischen Steuerung der Krafterzeugungsmittel fest. Bei diesem Stand der Technik bildet der elektrische Motor zur Aufbringung der mechanischen Rückmeldungskraft ein aktives Bauteil, welches somit ebenfalls einer elektronischen Ansteuerung bedarf.
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Aus der
US 2002/0189888 A1 geht ein anderes elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug hervor, welches ebenfalls mit einem elektrischen Motor zur Erzeugung einer mechanischen Rückmeldungskraft am Lenkrad ausgestattet ist. Zu diesem Zweck ist der elektrische Motor achsparallel zur Lenkradwelle angeordnet und wirkt auf diese über einen Riementrieb ein. Diese technische Lösung erfordert im Vergleich zum vorstehend diskutierten Stand der Technik einen höheren Bauraum in Querrichtung zur Lenkradwelle.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches bauraumsparend, energiesparend 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 umfasst Krafterzeugungsmittel zur Beaufschlagung des Lenkrades mit einer mechanischen Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenk- und/oder Fahrzustand an den Fahrer. Die Krafterzeugungsmittel weisen eine längs der Lenkradwelle angeordnete gerade Torsionsstange auf, welche an ihrem dem Lenkrad zugewandten stirnseitigen Ende mit dem Lenkrad verbunden ist. An ihrem dem Lenkrad abgewandten zweiten stirnseitigen Ende ist die Torsionsstange von zwei hierzu angeordneten Bremsscheiben derart mit einer Kraft beaufschlagbar, dass mit zunehmender, von der Geradeausfahr abweichender, Verstellung des Lenkrades eine Rückstellkraft am Lenkrad in Abhängigkeit des Drehwinkels des Lenkrades erzeugbar ist. In einer ersten Stufe ist eine mit zunehmendem, von der Gradeausfahr abweichendem Drehwinkel des Lenkrades ansteigende Rückstellkraft erzeugbar. In einer zweiten, an die erste Stufe anschließenden Stufe ist eine mit weiterhin zunehmendem Drehwinkel konstante Rückstellkraft am Lenkrad zur Rückmeldung eines radeinschlagbezogenen Lenkzustandes an den Fahrer erzeugbar.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass hauptsächlich passive Bauteile zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lösung verwendet werden, welche keiner Ansteuerung über eine elektronische Steuereinheit bedürfen. Somit kann der Strombedarf des elektromechanischen Lenksystems reduziert werden. Ferner lassen sich die passiven Bauteile, insbesondere die Torsionsstange und die Bremsscheiben, bauraumsparend beispielswiese koaxial innerhalb der Lenkradwelle anordnen.
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Mit anderen Worten gewährleistet die erfindungsgemäße Lösung, dass bei Drehung des Lenkrades in die eine oder andere Drehrichtung eine Torsion der Torsionsstange erfolgt, wodurch potenzielle mechanische Energie aufgebaut wird, welche zur Erzeugung der mechanischen Rückmeldungskraft dient.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Hauptachse der ersten der beiden Bremsscheiben parallel zur Hauptachse der zweiten der beiden Bremsscheiben ausgerichtet. Weiterhin verlaufen die letztgenannten Hauptachsen jeweils entlang der Längsachse des Torsionsstabes. In dieser Konfiguration ist es möglich, die Bremsscheiben mit einer Kraft zu beaufschlagen, infolgedessen durch eine Reibung der beiden Bremsscheiben aneinander eine Verdrehung bzw. Verdrillung der Torsionsstange auslösbar ist. Durch letztere Verdrehung ist eine Rückstellkraft am mit der Torsionsstange mechanisch verbundenen Lenkrad erzeugbar.
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Vorzugsweise ist die, am zweiten stirnseitigen Ende der Torsionsstange angeordnete, erste Bremsscheibe mechanisch mit der Torsionsstange verbunden. Dazu kann die erste Bremsscheibe an ihrer der Torsionsstange zugewandten Stirnseite beispielsweise an die Torsionsstange angeflanscht sein. An ihrer der Torsionsstange abgewandten Stirnseite grenzt die erste Bremsscheibe weiterhin vorzugsweise an die zweite Bremsscheibe an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Bremsscheibe an ihrer der ersten Bremsscheibe abgewandten Stirnseite mechanisch mit einer Halterung verbunden. Durch die Halterung ist die zweite Bremsscheibe mit einer in Längsrichtung des Torsionsstabes wirkenden Kraft beaufschlagbar. Durch diese Normalkraft ist der axiale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bremsscheibe beeinflußbar.
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Unter anderem durch geeignete Wahl der auf die zweite Bremsscheibe ausübbaren Normalkraft ist bei der vorgenannten Konfiguration der Grenz-Drehwinkel des Lenkrades beeinflußbar, der einen Übergang von einer Haftreibung zu einer Gleitreibung zwischen den beiden Bremsscheiben markiert. Bei Drehwinkeln des Lenkrades unterhalb des Grenz-Drehwinkels kommt es zu einem Haften der Bremsscheiben aneinander, wodurch bei Erhöhung des Drehwinkels des Lenkrades eine Zunahme der Verdrehung des Torsionsstabes hervorrufbar ist. Dadurch ist eine ansteigende Rückstellkraft am Lenkrad - gemäß der ersten Stufe - gegeben. Werden Drehwinkeloberhalb des Grenz-Winkels eingenommen, so kommt es zu einem Gleiten der einander zugewandten Seiten der Bremsscheiben aufeinander. Dadurch ist eine gleichbleibende Verdrehung des Torsionsstabes und damit eine von einer Zunahme des Drehwinkels des Lenkrades unabhängige Rückstellkraft am Lenkrad erreichbar.
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Vorzugsweise steigt die Rückstellkraft am Lenkrad in der ersten Stufe linear mit dem Drehwinkel an. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Rückstellkraft am Lenkrad in der ersten Stufe durch ein Produkt aus dem transversalen elastischen Young Modul der Torsionsstange, dem polaren Moment des Querschnitts der Torsionsstange, dem Inversen der Länge der Torsionsstange, sowie dem Drehwinkel des Lenkrades bestimmbar. Durch die letztgenannte Ausführungsform wird insbesondere eine linear mit dem Drehwinkel ansteigende Rückstellkraft innerhalb der ersten Stufe erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen in der zweiten Stufe Drehwinkel des Lenkrades vor, welche größer als ein Grenzdrehwinkel sind, welcher den Übergang von der ersten zur zweiten Stufe angibt. Vorgenannter Grenzdrehwinkel ist dabei durch die Größe des transversalen elastischen Young Moduls, das polare Moment des Querschnitts der Torsionsstange, die Normalkraft, mit welcher die beiden Bremsscheiben beaufschlagbar sind, sowie die Wahl des Reibungskoeffizienten zwischen erster und zweiter Bremsscheibe, die Radien der Bremsscheiben und die Länge der Torsionsstange einstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Bremsscheibe mittels eines Aktuators mit einer Normalkraft beaufschlagbar. Der Aktuator ist dabei derart ansteuerbar, dass die am Lenkrad wirkende Rückstellkraft, insbesondere auch der den Übergang von der ersten zur zweiten Stufe markierende Grenzdrehwinkel, feinjustierbar ist.
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Vorzugsweise ist die Lenkradwelle derart ausgeführt, dass sie die Torsionsstange und unter Umständen auch die beiden Bremsscheiben koaxial umgibt. Dadurch kann eine besonders platzsparende Anordnung der Lenkradeinheit erreicht werden.
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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 einen schematischen Längsschnitt durch die 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 deren zylindrischem 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 wird das durch den Fahrer infolge der Lenkbewegung auf das Lenkrad 4 aufgebrachte Drehmoment ML auf eine Torsionsstange 11 übertragen. Dabei kann das Drehmoment beispielsweise als ein Produkt aus dem Radius rL des Lenkrades 4 und aus der Kraft FL ermittelt werden. Eine von der Gradeausfahrt abweichenden Lenkradstellung ist durch einen, letztgenannte Abweichung charakterisierenden, Drehwinkel φ beschreibbar.
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Das Lenkrad 4 ist nach 2 mechanisch mit einer Torsionsstange 11 verbunden, welche eine entlang der Hauptachse des Lenkrades 4 verlaufende Längsachse 15 aufweist und eine Länge I sowie Dicke D besitzt. Die vorgenannte mechanische Verbindung bewirkt eine feste Verbindung zwischen Lenkrad 4 und erstem stirnseitigen Ende 12a der Torsionsstange 11. Am dem Lenkrad 4 abgewandten zweiten stirnseitigen Ende 12b der Torsionsstange 11 ist diese mechanisch mit einer ersten Stirnseite 16 einer ersten Bremsscheibe 13a verbunden. Die zweite Stirnseite 17 der ersten Bremsscheibe 13a ist einer zweiten Bremsscheibe 13b zugewandt, welche achsparallel zur ersten Bremsscheibe 13a ausgerichtet ist. Mit anderen Worten verlaufen die Hauptachsen 14a, 14b der ersten und zweiten Bremsscheibe 13a, 13b parallel und insbesondere entlang der Längsachse 15 der Torsionsstange 11.
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An einer der ersten Bremsscheibe 13a abgewandten Stirnseite 18 der zweiten Bremsscheibe 13b ist eine Halterung 19 angebracht, mittels welcher die zweite Bremsscheibe 13b mit einer in Richtung der Hauptachsen 14a, 14b wirkenden Normalkraft FN beaufschlagt werden kann. Durch die Normalkraft ist ein Abstand zwischen den beiden Bremsscheiben 13a, 13b justierbar. Insbesondere kann das Vorliegen einer Normalkraft FN bewirken, dass die erste und die zweite Bremsscheibe 13a, 13b mit ihren einander zugewandten Stirnseiten aneinander liegen bzw. mit einer von der Normalkraft abhängigen Stärke aneinandergepresst sind.
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Bei einer Veränderung des Drehwinkels
φ ausgehend von einem der Gradeausfahrt entsprechenden Drehwinkel kommt es bei geeigneter Wahl der Normalkraft
FN zunächst zu einer Haftreibung bzw. einem Haften der Bremsscheiben aneinander. In diesem der Stufe
1 entsprechenden Fall lässt sich der die Auslenkung des Lenkrades
4 charakterisierende Drehwinkel
φ aus einem Produkt des transversalen elastischen Young Moduls
G, des polaren Moments des Querschnitts der Torsionsstange
Ip, der Länge der Torsionsstange
I sowie dem aufgewandten Drehmoment
ML (
ML ) auf das Lenkrad ermitteln gemäß dem Zusammenhang
In diesem der ersten Stufe entsprechenden Fall wächst demnach das Drehmoment
ML (
ML ) - und damit auch die zugehörige Rückstellkraft
FL - linear mit dem Drehwinkel
φ.
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Ist der Drehwinkel
φ größer als ein Grenz-Drehwinkel φ
grenz so kommt es zu einem Gleiten bzw. Rotieren der mit dem Torsionsstab
11 verbundenen ersten Bremsscheibe
13a auf der zweiten Bremsscheibe
13b. Durch dieses Verhalten ist die zweite Stufe charakterisiert. Dabei bleibt eine Verdrehung bzw. Verdrillung der Torsionsstange
11 auch bei einer weiteren Erhöhung des Drehwinkels
φ unverändert. Der Grenz-Drehwinkel φ
grenz lässt sich dabei als ein Produkt aus dem transversalen elastischen Young Modul
G, dem polaren Moments des Querschnitts der Torsionsstange Ip, der Normalkraft
FN (
FN ), dem Reibungskoeffizienten
µ der Bremsscheiben
13a,
13b, sowie der Länge
I der Torsionsstange
11 und der Hälfte der Differenz von äußerem
ra und inneren
ri Radius der Bremsscheiben
13a,
13b, rm=(r
a-r
i)/2 (r
m), ermitteln gemäß
Entsprechend ist die durch den Fahrer empfundene Rückstellkraft aufgrund des Gleitens der beiden Bremsscheiben
13a,
13b aufeinander in der zweiten Stufe konstant. Offenbar ist eine Justierung des Grenz-Drehwinkels φ
grenz durch entsprechende Wahl bzw. Einstellung der Größen in der obigen Formel möglich.
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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
- 11
- Torsionsstange
- 12
- stirnseitige Enden der Torsionsstange
- 13
- Bremsscheiben
- 14
- Hauptachsen der Bremsscheiben
- 15
- Längsachse der Torsionsstange
- 16
- erste Stirnseite der ersten Bremsscheibe
- 17
- zweite Stirnseite der ersten Bremsscheibe
- 18
- Stirnseite der zweiten Bremsscheibe
- 19
- Halterung
- FN
- Normalkraft
- ML
- Drehmoment
- FL
- Rückstellkraft am Lenkrad
- rL
- Lenkradradius
- ra
- äußerer Radius der Bremsscheiben
- ri
- innerer Radius der Bremsscheiben
- rm
- mittlerer Radius der Bremsscheiben
- φ
- Drehwinkel
- µ
- Reibungskoeffizient
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0320515 A1 [0004]
- US 2002/0189888 A1 [0005]
