DE102018120197A1 - Steering unit for steer-by-wire steering of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Eine Lenkeinheit für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs umfassend eine zur Verbindung mit einem Lenkrad vorgesehene Lenkwelle (3), einen auf die Lenkwelle (3) wirkenden Elektromotor (7) und eine elektromechanisch betätigte, mechanisch auf die Lenkwelle (3) wirkende Bremse (8). Zusätzliche ist eine mechanisch arbeitende Vorrichtung (11) zur Erzeugung eines einer Lenkbewegung entgegenwirkenden Gegenmoments vorgesehen.A steering unit for steer-by-wire steering of a motor vehicle, comprising a steering shaft (3) provided for connection to a steering wheel, an electric motor (7) acting on the steering shaft (3) and an electromechanically actuated, mechanically operated on the steering shaft (3) acting brake (8). In addition, a mechanically operating device (11) is provided for generating a counter torque that counteracts a steering movement.
Description
Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit Steer-by-wire-Lenkung geeignete Lenkeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a steering unit suitable for use in a motor vehicle with steer-by-wire steering according to the preamble of
Eine gattungsgemäße Lenkeinheit ist aus der
Eine weitere Lenkeinheit für eine Steer-by-wire-Lenkung ist in der
Eine Kupplung für eine Steer-by-wire-Lenkanlage ist aus der
Ein mit einem Blockierelement arbeitender Lenkanschlag für ein Fahrzeug mit Steer-by-wire-Lenksystem ist in der
Verschiedene Bauformen von Steer-by-wire-Lenkeinheiten, welche in Wasserfahrzeugen verwendbar sind, sind in den Dokumenten
Unter einem Steer-by-wire-Lenksystem wird allgemein ein Lenksystem verstanden, bei welchem das Lenkrad mechanisch nicht mit den zu lenkenden Räder gekoppelt ist. Vielmehr ist das Lenkrad oder ein sonstiges manuell betätigbares Lenkelement, beispielsweise ein Steuerhorn, eine Lenkstange oder ein Joystick, mechanisch lediglich an eine Lenkeinheit angebunden, die einerseits den Lenkeinschlag erfasst und andererseits dem Bediener ein Feedback durch simulierte Lenkkräfte gibt. In der Regel werden diese Kräfte durch den Fahrer als bremsende, der Lenkbewegung entgegenwirkende Kräfte wahrgenommen. Zur Rückstellung des Lenkrads in die Normalposition ist darüber hinaus auch eine aktive Verstellung des Lenkrads durch die Lenkeinheit des Steer-by-wire-Systems erforderlich.A steer-by-wire steering system is generally understood to mean a steering system in which the steering wheel is not mechanically coupled to the wheels to be steered. Rather, the steering wheel or another manually actuable steering element, for example a control horn, a steering rod or a joystick, is mechanically connected only to a steering unit, which on the one hand detects the steering angle and on the other hand gives the operator feedback through simulated steering forces. As a rule, these forces are perceived by the driver as braking forces that counteract the steering movement. In order to return the steering wheel to the normal position, an active adjustment of the steering wheel by the steering unit of the steer-by-wire system is also required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Lenkeinheit für eine Steer-by-wire-Lenkung anzugeben, welche sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, Bedarf an elektrischer Energie, sowie großer Bandbreite erzeugbarer Antriebs- und Bremsmomente auszeichnet.The invention is based on the object of specifying a steering unit for steer-by-wire steering which has been further developed compared to the prior art and which is characterized by a particularly favorable ratio between the outlay in terms of equipment, the need for electrical energy and a wide range of drive and braking torques which can be generated distinguished.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lenkeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lenkeinheit umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine zur Verbindung mit einem Lenkrad vorgesehene Lenkwelle, einen auf die Lenkwelle wirkenden Elektromotor und eine elektromechanisch betätigte, mechanisch auf die Lenkwelle wirkende Bremse. Erfindungsgemäß ist zusätzliche eine rein mechanisch arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung eines einer Lenkbewegung entgegenwirkenden Gegenmoments vorgesehen.This object is achieved according to the invention by a steering unit with the features of
Die Lenkeinheit umfasst somit drei Komponenten, welche sich konzeptionell grundlegend voneinander unterscheiden. Erstens handelt es sich hierbei um den Elektromotor, welcher - wie aus dem Namen hervorgeht - ausschließlich auf elektromagnetische Weise Drehmomente auf die Lenkwelle aufbringt. Dabei handelt es sich wahlweise um Antriebsmomente oder Bremsmomente.The steering unit thus comprises three components, which differ conceptually from one another fundamentally. First, it is the electric motor, which - as the name suggests - only applies torque to the steering shaft in an electromagnetic manner. These are either drive torques or braking torques.
Die vom Elektromotor getrennte Bremse weist sowohl elektromagnetische als auch mechanische Elemente auf. Die Betätigung der Bremse geschieht elektromechanisch, beispielsweise mittels eines Elektromagneten. Hiervon zu unterscheiden ist die Wirkung der Bremse. Es ist eine mechanische Wirkung, beispielsweise in der Art einer Scheibenbremse oder einer Reibungskupplung, gegeben. Die Bremse kann entweder normal schließend oder normal öffnend ausgelegt sein. Die Wirkung der Bremse kann von einem leichten Abbremsen bis zu einer starken Bremsung, welche vom Fahrer als Lenkanschlag empfunden wird, reichen.The brake, which is separate from the electric motor, has both electromagnetic and mechanical elements. The brake is actuated electromechanically, for example by means of an electromagnet. The effect of the brake must be distinguished from this. There is a mechanical effect, for example in the form of a disc brake or a friction clutch. The brake can either be designed as normally closing or normally opening. The effect of the brake can range from a slight braking to a strong braking, which the driver perceives as a steering stop.
Die als dritte Komponente der Lenkeinheit vorgesehene Vorrichtung zur Erzeugung eines Gegenmoments arbeitet vorzugsweise mit Federkraft. Alternativ ist auch eine pneumatische Funktion möglich. In jedem Fall handelt es sich bei der genannten Vorrichtung um eine rein passive, mechanische Vorrichtung.The device for generating a counter torque, which is provided as the third component of the steering unit, preferably works with spring force. Alternatively, a pneumatic function is also possible. In any case, the device mentioned is a purely passive, mechanical device.
Das Gegenmoment, welches im Sinne eines Bremsmoments durch die passive Vorrichtung auf die Lenkwelle aufgebracht wird, ist von der Winkelstellung des Lenkrads abhängig. Damit ist bereits eine Grundcharakteristik der Lenkeinheit gegeben. Diese Grundcharakteristik wird durch Momente, welche durch den Elektromotor erzeugt werden, auf energiesparende Weise verfeinert. Bremsmomentspitzen können bei Bedarf jederzeit durch die separate, elektromechanische Bremse erzeugt werden.The counter torque, which is applied to the steering shaft in the sense of a braking torque by the passive device, depends on the angular position of the steering wheel. This already gives a basic characteristic of the steering unit. This basic characteristic is refined in an energy-saving manner by moments which are generated by the electric motor. Braking torque peaks can be generated at any time by the separate, electromechanical brake.
Der Elektromotor wirkt vorzugsweise direkt, das heißt getriebelos, mit der Lenkwelle zusammen. Dies begünstigt sowohl einen kompakten Aufbau der Lenkeinheit als auch ein praktisch verzögerungsfreies Feedback durch die Lenkeinheit. In bevorzugter Ausgestaltung sind der Elektromotor, die elektromechanische Bremse, sowie die mechanisch arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung eines Gegenmoments koaxial zueinander angeordnet. Hierbei sind die drei genannten Komponenten vorzugsweise axial hintereinander angeordnet. Auch eine Winkel- und Drehmomentsensorik der Lenkeinheit ist vorzugsweise innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Gehäuses der Lenkeinheit angeordnet.The electric motor preferably acts directly, that is to say gearlessly, together with the steering shaft. This favors a compact structure of the steering unit as well as a practically instantaneous feedback by the steering unit. In a preferred embodiment, the electric motor, the electromechanical brake and the mechanically operating device for generating a counter torque are arranged coaxially to one another. The three components mentioned are preferably arranged axially one behind the other. An angle and torque sensor system of the steering unit is also preferably arranged within an essentially cylindrical housing of the steering unit.
Die rein mechanisch arbeitende Vorrichtung, welche ein von der Winkelstellung der Lenkwelle abhängiges Gegenmoment erzeugt, umfasst in vorteilhafter Ausgestaltung einen Gewindetrieb. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein einfaches Bewegungsgewinde, insbesondere in Form eines Gewindetriebs mit Trapezprofil, handeln. Ein als Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, gestalteter Gewindetrieb zeichnet sich durch eine besonders geringe Reibung aus. Wird ein Planetenwälzgewindetrieb als Gewindetrieb der Lenkeinheit verwendet, so kann dieser besonders einfach spielfrei gestaltet werden.In an advantageous embodiment, the purely mechanical device, which generates a counter torque dependent on the angular position of the steering shaft, comprises a screw drive. This can be, for example, a simple movement thread, in particular in the form of a screw drive with a trapezoidal profile. A screw drive designed as a roller screw drive, in particular a ball screw drive, is distinguished by a particularly low friction. If a planetary roller screw drive is used as the screw drive of the steering unit, it can be designed in a particularly simple manner without play.
Unabhängig von der Art des Gewindetriebs umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gegenmoments vorzugsweise eine Druckfeder, insbesondere in Form einer Schraubenfeder, welche dazu vorgesehen ist, bei einem Lenkeinschlag in jeder Richtung eine mit zunehmendem Betrag des Lenkeinschlags zunehmende Kraft auf eine Spindelmutter des Gewindetriebs auszuüben.Regardless of the type of screw drive, the device for generating a counter torque preferably comprises a compression spring, in particular in the form of a helical spring, which is intended to exert a force on a spindle nut of the screw drive in each direction in the event of a steering lock in each direction, as the amount of the steering lock increases.
In besonders raumsparender Gestaltung ist die Druckfeder zwischen den beiden Stirnseiten der Spindelmutter des Gewindetriebs angeordnet. Hierbei ist die Druckfeder beispielsweise an einer ihrer Stirnseiten in einer ersten Einstellung des Gewindetriebs an einem Flansch der Spindelmutter und in einer zweiten Einstellung des Gewindetriebs an einer ersten, relativ zur Gewindespindel und zum Gehäuse des Gewindetriebs axial nicht verschiebbaren Zwischenplatte abgestützt.In a particularly space-saving design, the compression spring is arranged between the two end faces of the spindle nut of the screw drive. Here, the compression spring is supported, for example, on one of its end faces in a first setting of the screw drive on a flange of the spindle nut and in a second setting of the screw drive on a first intermediate plate which is axially non-displaceable relative to the screw spindle and to the housing of the screw drive.
Der Flansch der Spindelmutter kann als Sternflansch, das heißt als Flansch mit mehreren radial nach außen gerichteten Armen, ausgebildet sein, wobei eine erste gehäusefeste Zwischenplatte eine auf die Form des Sternflansches abgestimmte, den Durchtritt der Spindelmutter durch die Zwischenplatte ermöglichende Aussparung aufweist. In jedem Fall ist die Spindelmutter verdrehgesichert im Gehäuse der Lenkeinheit verschiebbar.The flange of the spindle nut can be designed as a star flange, that is to say as a flange with a plurality of arms directed radially outwards, a first intermediate plate fixed to the housing having a recess which is matched to the shape of the star flange and enables the spindle nut to pass through the intermediate plate. In any case, the spindle nut can be moved in the housing of the steering unit so that it cannot rotate.
Die zweite, dem Sternflansch gegenüberliegende Stirnseite der Druckfeder ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung in jeder Einstellung des Gewindetriebs an einem Hülsenfuß einer die Spindelmutter konzentrisch umgebenden, relativ zu dieser verschiebbaren Hülse abgestützt ist, wobei sich der Hülsenfuß je nach Einstellung des Gewindetriebs entweder an einem fest mit der Spindelmutter verbundenen Teil oder an einer zweiten Zwischenplatte abstützt.According to a possible embodiment, the second end face of the compression spring, which is opposite the star flange, is supported in each setting of the screw drive on a sleeve base of a sleeve concentrically surrounding the spindle nut and displaceable relative to this sleeve, the sleeve base depending on the adjustment of the screw drive either being fixed to one the part connected to the spindle nut or is supported on a second intermediate plate.
Die Lenkeinheit ist sowohl für die Verwendung in Personenkraftwagen als auch für die Verwendung in Nutzfahrzeugen, landwirtschaftlichen Maschinen oder fahrbaren Baumaschinen geeignet.The steering unit is suitable for use in passenger cars as well as for use in commercial vehicles, agricultural machines or mobile construction machinery.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 eine in Neutralposition befindliche Lenkeinheit für eine Steer-by-wire-Lenkung in vereinfachter Schnittdarstellung, -
2 einen Schnitt A-Ader Anordnung nach 1 , -
3 ineiner Darstellung analog 1 die Lenkeinheit bei Linkseinschlag, -
4 die Lenkeinheit bei Rechtseinschlag.
-
1 a steering unit in neutral position for steer-by-wire steering in a simplified sectional view, -
2 a section AA according to thearrangement 1 . -
3 in arepresentation analog 1 the steering unit when turning left, -
4 the steering unit when turning right.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen
Die Lenkwelle
Die Gewindespindel
Die Wälzkörper, das heißt Kugeln, des als Kugelgewindetrieb aufgebauten Gewindetriebs
Die gehäusefeste Zwischenplatte
Die Feder
In der in
In der Anordnung nach
Der Einschlag des Lenkrads
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lenkeinheitsteering unit
- 22
- Lenkradsteering wheel
- 33
- Lenksäulesteering column
- 44
- Gewindespindelscrew
- 55
- Gewindetriebscrew
- 66
- Motorwellemotor shaft
- 77
- Elektromotorelectric motor
- 88th
- elektromotorische Bremseelectromotive brake
- 99
- Gehäusecasing
- 1010
- Winkelsensorangle sensor
- 1111
- mechanische Bremsvorrichtungmechanical braking device
- 1212
- KugelBullet
- 1313
- Spindelmutterspindle nut
- 1414
- Sternflanschradial flange
- 1515
- Armpoor
- 1616
- Aussparungrecess
- 1717
- erste Zwischenplattefirst intermediate plate
- 1818
- zweite Zwischenplattesecond intermediate plate
- 1919
- Federfeather
- 2020
- Hülseshell
- 2121
- Hülsenfußtube foot
- 2222
- Ringring
- 2323
- Aussparung recess
- MM
- Mittelachsecentral axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- US 2002/0189888 A1 [0003]US 2002/0189888 A1 [0003]
- WO 0240336 A1 [0004]WO 0240336 A1 [0004]
- EP 2840012 B1 [0005]EP 2840012 B1 [0005]
- DE 102013214417 A1 [0006]DE 102013214417 A1 [0006]
- DE 102013214420 A1 [0006]DE 102013214420 A1 [0006]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |