-
Die Erfindung betrifft eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein elektromechanisches Lenksystem, welches eine derartige Lenkradeinheit umfasst.
-
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf sogenannte Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, bei denen 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.
-
Bei diesen 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 am Lenkrad und hiermit überlagerten Vibrationen durch den Fahrer spürbar ist.
-
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 Rückmeldekraft durch Aufbringung eines entsprechenden Drehmoments auf die Lenkradwelle auf. Durch geeignete 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 als Bremse fungierend 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 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.
-
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 Rückmeldekraft 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.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches bauraumsparend und/oder energiesparend sein kann und mit einfachen technischen Mitteln eine mechanische Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenkzustand an den Fahrer übermitteln kann.
-
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.
-
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, eine Lenkradeinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen. Die Lenkradeinheit weist ein Krafterzeugungsmittel zur Beaufschlagung des Lenkrads mit einer mechanischen Rückmeldungskraft über den aktuellen Lenk- und/oder Fahrzustand an den Fahrer auf. Das Krafterzeugungsmittel umfasst eine Nockeneinheit, ein elastisches Element und einen Vorspannungsmechanismus, wobei das elastische Element zwischen der an einer Lenkradwelle angeordneten Nockeneinheit und dem Vorspannungsmechanismus angeordnet ist und durch axiale Bewegung der Nockeneinheit verformbar ist. Das Krafterzeugungsmittel beaufschlagt eine Lenkradwelle derart mit Kraft, dass mit zunehmender von der Geradeausfahrt abweichender Verstellung des Lenkrads eine ansteigende Rückstellkraft am Lenkrad zur Rückmeldung eines radeinschlagbezogenen Lenkzustandes an den Fahrer erzeugbar ist.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass passive Bauteile zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lösung verwendet werden, welche keine Ansteuerung über eine elektronische Steuereinheit bedürfen. Somit kann der Strombedarf des elektromechanischen Lenksystems reduziert werden. Ferner lassen sich die passiven Bauteile, insbesondere die Nockeneinheit und das elastische Element bauraumsparend koaxial um die Lenkradwelle herum anordnen.
-
Mit anderen Worten gewährleistet die erfindungsgemäße Lösung, dass bei Drehung des Lenkrads in die eine oder andere Drehrichtung eine Kompression des elastischen Elements über die Nockeneinheit erfolgt, welches durch den Vorspannungsmechanismus gesteuert und eingestellt werden kann, um gewünschte Werte der Rückstellkraft zu erhalten. Insbesondere kann die Nockeneinheit eine rotierende Bewegung des Lenkrads in eine lineare (axiale) Bewegung des elastischen Elements umwandeln, wodurch potenzielle mechanische Energie aufgebaut wird, welche zur Erzeugung der mechanischen Rückmeldungskraft dient.
-
Vorzugsweise weist die Nockeneinheit zumindest zwei Nocken auf, wobei durch Drehen des ersten Nockens der zweite Nocken entlang der Lenkradwelle vorwärts oder rückwärts bewegbar ist. Beide Nocken können mindestens eine wellige Seite aufweisen, die einander zugewandt sind und in Eingriff stehen. Somit kann eine Rotation der Lenkradwelle und folglich des ersten Nockens auf den zweiten Nocken einwirken und eine entsprechende Bewegung des zweiten Nockens ermöglichen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Nocken zumindest einen Vorsprung an einer Mantelfläche auf, der eine Rotation des zweiten Nockens verhindert und mit einer gehäuseinnenwandseitig eingebrachten Nut zur Längsführung entlang einer axialen Bewegungsrichtung zusammenwirkt. Der durch Drehung der Lenkradwelle rotierende erste Nocken kann auf den zweiten Nocken einwirken, sodass sich der zweiten Nocken mitdrehen würde. Dies kann durch den Vorsprung, der an der Mantelfläche bzw. seitlichen Oberfläche des zweiten Nockens ausgebildet ist, verhindert werden. Der Vorsprung kann mit der an der inneren Mantelfläche des Gehäuses vorgesehene Nut zusammenwirken, um eine Längsführung der zweiten Nocken entlang der axialen Bewegungsrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise kann jedoch der zweite Nocken zumindest zwei Vorsprünge aufweisen, um eine axiale Bewegung des zweiten Nockens sicherzustellen, ohne sich zu drehen. Die zwei Vorsprünge können in beliebigem Abstand entlang der Mantelfläche der zweiten Nocken bereitgestellt werden. Die innere Mantelfläche des Gehäuses kann entsprechend der Anzahl und Position der Vorsprünge Nuten aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das elastische Element zur Aufnahme einer durch den Fahrer am Lenkrad beaufschlagten Drehkraft zwischen dem zweiten Nocken und dem Vorspannungsmechanismus angeordnet. Auf diese Weise kann das elastische Element durch eine axiale Bewegung des zweiten Nockens linear verformt werden. Daher ist es bevorzugt, dass das elastische Element um die Längsachse der Lenkradeinheit angeordnet ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Vorspannungsmechanismus eine axial verstellbare Mutter und ein Gewindeelement auf, wobei eine Position der Mutter durch Drehen des Gewindeelementes mittels eines elektrischen Motors einstellbar ist. Vorzugsweise dient die erfindungsgemäß erzeugte Rückmeldungskraft zur Rückmeldung des aktuellen Lenkzustands. Um auch andere Rückmeldungsinformationen, wie beispielsweise Endanschlagsposition der Räder - die durch einen entsprechenden Endanschlag am Lenkrad spürbar sind - oder Oberflächenstrukturen der Fahrbahn - welche durch entsprechende mechanische Schwingungen rückgemeldet werden - nachzubilden, kann der Vorspannungsmechanismus zum Einsatz kommen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die vom elektrischen Motor aufgebrachte Rückmeldungskraft dazu genutzt, die durch die elastische Wirkung des elastischen Elements generierten Kräfte gezielt und situationsbedingt zu reduzieren oder zu erhöhen, um ein authentisches Fahrgefühl am Lenkrad zu erzeugen. Daher fällt die elektrische Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Lenkradeinheit geringer aus als bei vollständig aktiv angesteuerten Lenkradeinheiten des eingangs beschriebenen Standes der Technik. Ferner kann die Größe des verwendeten elektrischen Motors reduziert werden, wodurch Bauraum und Kosten eingespart werden können.
-
Außerdem kann ein Außengewindeabschnitt des Gewindeelementes Bestandteil ganz unterschiedlicher Getriebeanordnungen sein, welche die Drehbewegung des Gewindeelementes in eine Linearbewegung der Mutter umwandelt. Der Außengewindeabschnitt des Gewindeelementes sowie ein hiermit korrespondierendes Innengewinde der Mutter kann ein metrisches Gewinde, Trapez- oder Rundgewinde zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung sein. Eine solche Anordnung ineinandergreifender Gewinde lässt sich fertigungstechnisch einfach realisieren. Um jedoch Gleitreibungsverluste zu minimieren, kann der Außengewindeabschnitt des Gewindeelementes Bestandteil eines Kugel- oder Rollengewindetriebs oder eines Planetengewindetriebs zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lenkradeinheit eine Anschlagscheibe zwischen dem elastischen Element und der Mutter, wobei die Anschlagscheibe mit einer gehäuseinnenwandseitig eingebrachten Nut zur Längsführung des elastischen Elements entlang einer axialen Bewegungsrichtung zusammenwirkt. Um das elastische Element vorzuspannen, wird die Position der Mutter durch Drehen des Gewindeelementes eingestellt, wodurch die Mutter sich auch mitdreht. Dies kann auf die lineare Verformung des elastischen Elements einwirken. Dabei kann die Anschlagscheibe zwischen der Mutter und dem elastischen Element ermöglichen, dass das elastische Element nicht von der Rotation der Mutter beeinflusst wird, was eine zuverlässige Übertragung einer Vorspannungskraft bereitstellt.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Nocken durch ein Wälzlager entlang der Lenkradwelle radial und axial abgestützt ist. Als Wälzlager können beispielsweise Kugellager zum Einsatz kommen. Die Radiallagerung der Lenkradwelle ermöglicht die Drehbewegung des Lenkrads. Die Axiallagerung verhindert eine Verschiebung der Lenkradwelle in Axialrichtung und dient gleichzeitig im Sinne einer Funktionsintegration als Gegenlager für das linear bewegende elastische Element.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lenkradeinheit ein im Bereich einer Lenkradwelle des Lenkrads angeordnetes Übertragungselement zur Übertragung eines Drehhubs des Lenkrads an die Nockeneinheit bei einem kleineren Drehwinkel. Mit anderen Worten kann das Übertragungselement dazu dienen, selbst eine kleine Drehung des Lenkrads an die Nockeneinheit sicher zu übertragen und umgekehrt eine Rotation des ersten Nockens in einen entsprechenden Drehwinkel für das Lenkrad zu übersetzen, um eine zuverlässige Kommunikation zwischen dem Lenkrad und dem Krafterzeugungsmittel bereitzustellen.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lenkradeinheit einen im Bereich einer Lenkradwelle des Lenkrads angeordneten Lenkbewegungssensor zur Erfassung der Lenkradstellung. Der Lenkbewegungssensor kann ein Drehmoment oder eine Winkelstellung des Lenkrads erfassen und an eine elektronische Steuereinheit weiterleiten.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektromechanisches Lenksystem mit einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Lenkradeinheit. Dieses elektromechanische Lenksystem weist ferner eine elektromechanische Lenkaktuatoreinheit zur mechanischen Verstellung einer lenkbaren Fahrzeugachse und gegebenenfalls eine elektronische Steuereinheit auf. Hierbei kann das elektromechanische Lenksystem von einem Lenkbewegungssensor eine Stellwertvorgabe erhalten, welche anschließend von der elektronischen Steuereinheit in Steuerbefehle für die Lenkaktuatoreinheit, beispielsweise einen Elektromotor, umgesetzt wird. Diese Lenkaktuatoreinheit wiederum beeinflusst die Räder des Fahrzeugs derart, dass sich diese entsprechend der Stellwertvorgabe des Lenkbewegungssensors drehen. Somit kann eine lenkbare Fahrzeugachse erzeugt werden.
-
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit der Lenkradeinheit des Lenksystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems für ein Kraftfahrzeug nach 1,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch die Lenkradeinheit des Lenksystems nach 1 oder 2, und
- 4 eine schematische Darstellung einer Nockeneinheit der Lenkradeinheit nach 1 bis 3.
-
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einem elektromechanischen Lenksystem, welches die nachfolgend beschriebene Lenkradeinheit 1 umfasst. Typischerweise ist das elektromechanische Lenksystem in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs 10 angeordnet und dazu eingerichtet, die Vorderräder des Fahrzeugs 10 entsprechend des Fahrerwunsches zu drehen bzw. einzuschlagen. Alternativ oder zusätzlich kann das elektromechanische Lenksystem auch auf die Hinterräder einwirken, z.B. bei einer aktiven Hinterradlenkung oder bei einem Gabelstapler. Die Lenkradeinheit 1 kann beispielsweise im Bereich des Fahrersitzes unter dem Armaturenbrett in Richtung des Motorraums angeordnet sein.
-
Gemäß 2 besteht das elektromechanische Lenksystem für das Kraftfahrzeug 10 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. Über eine elektrische Verbindung 5 steht die Lenkradeinheit 1 mittels einer elektronischen Steuerung 6 mit einer Lenkaktuatoreinheit 7 in Verbindung, die beispielsweise 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 lenkbaren Fahrzeugachse 9. Ferner kann die Lenkaktuatoreinheit 7 auch elektrohydraulisch oder dergleichen ausgebildet sein.
-
Nach 3 wird bei der Lenkeinheit 1 das durch den Fahrer infolge der Lenkbewegung auf das Lenkrad 4 aufgebrachte Drehmoment durch die Lenkradwelle 3 in das Innere des Gehäuses übertragen. Dort sind ein Lenkbewegungssensor 20, ein Übertragungselement 19, ein Wälzlager 18 und eine Nockeneinheit 16a, 16b an der Lenkradwelle 3 angeordnet. Die Nockeneinheit 16a, 16b besteht aus zwei Nocken 16a, 16b, wobei der zweite Nocken 16b zwei voneinander beabstandete Vorsprünge 17 auf einer Mantelfläche des zweiten Nockens 16b aufweist, wie in der 4 gezeigt. Die Vorsprünge 17 wirken mit einer an einer inneren Mantelfläche des Gehäuses 2 ausgebildeten Nut 21 zusammen, um eine Längsführung des zweiten Nockens 16b entlang einer axialen Bewegungsrichtung zu schaffen. Auf einem stirnseitigen Endbereich des vorzugsweise zylinderförmigen Gehäuses 2 der Lenkradeinheit 1 befindet sich ein Vorspannungsmechanismus 11, 12, 13, welcher eine axial verstellbare Mutter 13 und ein Gewindeelement 12 aufweist. Eine Position der Mutter 13 wird durch Drehen des Gewindeelements 12 mittels eines elektrischen Motors 11 gesteuert und eingestellt, um gewünschtes Werte der Rückstellkraft zu erhalten. Mit anderen Worten kann der elektrische Motor 11 weitere Rückmeldungskräfte ausüben, welche der Rückmeldungskraft und/oder der zusätzlichen Rückmeldungskraft der passiven Bauelemente beispielsweise eines elastischen Elements 15 überlagert sind. Das elastisches Element 15 ist zwischen der an der Lenkradwelle 3 angeordneten Nockeneinheit 16a, 16b und dem Vorspannungsmechanismus 11, 12, 13 angeordnet und durch axiale Bewegung der Nockeneinheit 16a, 16b verformbar, wobei eine Anschlagscheibe 14 zwischen der Mutter 13 des Vorspannungsmechanismus 11, 12, 13 und dem elastischen Element 15 angeordnet ist. Das elastische Element 15 dient dabei zur Aufnahme einer durch den Fahrer am Lenkrad 4 beaufschlagten Drehkraft zwischen dem zweiten Nocken 16b und dem Vorspannungsmechanismus11, 12, 13. Ferner verhindert die Anschlagscheibe 14 eine mögliche radiale Verformung des elastischen Elements 15 und wirkt mit einer gehäuseinnenwandseitig eingebrachten Nut 21 zur Längsführung entlang einer axialen Bewegungsrichtung zusammen.
-
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.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lenkradeinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lenkradwelle
- 4
- Lenkrad
- 5
- elektrische Verbindung
- 6
- elektronische Steuerung
- 7
- Lenkaktuatoreinheit
- 8
- Rad
- 9
- Fahrzeugachse
- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- elektrischer Motor
- 12
- Gewindeelement
- 13
- Mutter
- 14
- Anschlagscheibe
- 15
- elastisches Element
- 16a, 16b
- Nockeneinheit
- 17
- Vorsprung
- 18
- Wälzlager
- 19
- Übertragungselement
- 20
- Lenkbewegungssensor
- 21
- Nut
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2017/0320515 A1 [0004]
- US 2002/0189888 A1 [0005]
