DE102018120266A1 - Steer-by-Wire-Lenkgetriebe mit Hohlwellenmotor und Kugelgewindetrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe (8) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor (12) mit einem gehäusefesten Stator (13) und einem drehbar gelagerten Rotor (14), der koaxial zu einer Längsachse (100) angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe (11) durchsetzt ist, wobei das Schraubgetriebe (11) eine koaxial zu der Längsachse (100) angeordnete Spindelmutter (15) umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor (14) verbunden ist und die auf einer Spindel (16) sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors (12) entlang der Längsachse (100) verschiebbar ist, und wobei der Steigungswinkel (α) des Schraubgetriebes (11) kleiner als 4,5° ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
• Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen ist die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkeingabemittel, beispielsweise einem Lenkrad, gekoppelt. Es besteht eine Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern über elektrische Signale. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkwinkelsensor abgegriffen, und in Abhängigkeit von dem Fahrerlenkwunsch wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt.
• Die DE 10 2006 008 911 A1 offenbart eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hohlwellenmotor, durch dessen Hohlwelle eine Stange geführt ist, die mittels des Elektromotors in Längsrichtung antreibbar ist und bei Verwendung in einer Hilfskraftlenkung in einem Bereich als Zahnstange für den Eingriff mit einem Lenkritzel ausgebildet ist. Die Hohlwelle ist dabei drehfest mit einer Riemenscheibe verbunden. Das Riemengetriebe bildet ein Zwischengetriebe zu einem Wälzkörper-Schraubgetriebe. Als nachteilig erweist sich diese Lösung dahingehend, da viele Komponenten notwendig sind, um Sicherheitsfunktionen eines Steer-by-Wire Lenksystems zu gewährleisten.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges anzugeben, das einen geringen Bauraumbedarf aufweist, weniger Bauteile umfasst und gleichzeitig mehr funktionale Sicherheit bietet.
• Diese Aufgabe wird von einem Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Demnach ist ein Lenkgetriebe für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor mit einem gehäusefesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, der koaxial zu einer Längsachse angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe durchsetzt ist, vorgesehen, wobei das Schraubgetriebe eine koaxial zu der Längsachse angeordnete Spindelmutter umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor verbunden ist und die auf einer Spindel sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors entlang der Längsachse verschiebbar ist, und wobei der Steigungswinkel des Schraubgetriebes kleiner als 4,5°, insbesondere kleiner als 4° und besonders bevorzugt kleiner 3,5° ist.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ergibt sich, besonders in Kugelgewindetrieben, ein Wirkungsgrad $\eta =\frac{\text{tan}\left(\alpha \right)}{\text{tan}\left(\alpha +\phi \right)}$

  

  bei einer Umsetzung eines Drehmoments in eine Axialkraft, wobei φ der Reibungswinkel und α der Steigungswinkel ist. Unterhalb eines definierten Wertes ist der Kugelgewindetrieb selbsthemmend, d. h. es gilt ungefähr Steigungswinkel α < Reibungswinkel φ. Der Reibungswinkel ist bevorzugt kleiner 4,4° und grösser 0,1°. Das große Übersetzungsverhältnis erlaubt eine kompakte Ausgestaltung des Hohlwellenmotors. Da kein Riementrieb notwendig ist, können Bauteile eingespart und die funktionale Sicherheit erhöht werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schraubgetriebe ein Wälzkörper-Schraubengetriebe, insbesondere ein Kugelgewindetrieb oder ein Rollengewindetrieb. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Schraubengetriebe ein Trapezgewindetrieb.
• Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor unmittelbar auf der Mutter sitzt und mit dieser drehfest verbunden ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Rotor die Mutter koaxial umgibt. Es kann aber auch ein Zwischengetriebe vorgesehen sein, das die Drehzahl des Hohlwellenmotors untersetzt und den Rotor mit der Mutter verbindet.
• Weiterhin ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend:
• - ein auf die gelenkten Räder wirkendes Lenkgetriebe,
• - eine Ansteuereinheit,
• - einen Feedback-Aktuator, der über ein Lenkeingabemittel von einem Fahrer mit einem Fahrerwunsch für einen Lenkwinkel beaufschlagt werden kann und ein Feedback-Signal an das Lenkeingabemittel als Reaktion auf den Fahrerwunsch und einen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ausgibt,
• - eine Einrichtung zur Signalübertragung, die den Fahrerwunsch an die Ansteuereinheit übermittelt, vorgesehen,
wobei die Ansteuereinheit das Lenkgetriebe ansteuert, um den Fahrerwunsch in eine Auslenkung der gelenkten Räder zu transformieren, und wobei das Lenkgetriebe wie zuvor beschrieben, ausgebildet ist.
• Vorzugsweise ist die Spindel selbst als Lenkstange ausgebildet, die zur Lenkung der Räder des Kraftfahrzeuges mit Spurstangen verbunden ist.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems,
• 2: einen Längsschnitt durch ein Lenkgetriebe mit Hohlwellenmotor und Kugelgewindetrieb, sowie
• 3: Verläufe einer Abhängigkeit zwischen Wirkungsgrad und Steigungswinkel für unterschiedliche Kugelgewindetriebe.
• In der 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 gezeigt. An einer Lenkwelle 2 ist ein nicht dargestellter Drehwinkelsensor angebracht, welcher einen durch Drehen eines Lenkeingabemittels 3, welches im Beispiel als Lenkrad ausgebildet ist, aufgebrachten Fahrerlenkwinkel erfasst. Es kann aber zusätzlich auch ein Lenkmoment erfasst werden. Als Lenkeingabemittel kann ein Joy-Stick dienen. Des Weiteren ist an der Lenkwelle 2 ein Feedback-Aktuator 4 angebracht, welcher dazu dient, die Rückwirkungen von der Fahrbahn 70 auf das Lenkrad 3 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben. Der Fahrerlenkwunsch wird über den vom Drehwinkelsensor gemessenen Drehwinkel der Lenkwelle 2 an eine nicht dargestellte Feedback-Aktuator-Monitoreinheit übertragen. Die Feedback-Aktuator-Monitoreinheit überträgt den Fahrerlenkwunsch an eine Ansteuereinheit 5. Die Feedback-Aktuator-Monitoreinheit übernimmt bevorzugt auch die Ansteuerung des Feedback-Aktuators 4. Die Feedback-Aktuator-Monitoreinheit kann auch integral mit der Ansteuereinheit 5 ausgebildet sein. Die Ansteuereinheit 5 steuert in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelsensors sowie weiteren Eingangsgrößen einen elektrischen Lenkaktuator 6 an, welcher die Stellung der gelenkten Räder 7 steuert. Der Lenkaktuator 6 ist Teil eines Lenkgetriebes 8 aufweisend eine Lenkstange 9. Er wirkt über Spurstangen 10 und anderen Bauteilen mittelbar auf die gelenkten Räder 7.
• 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe 8 mit Kugelgewindetrieb 11 und Hohlwellenmotor 12 entlang deren Längsachse 100. Der Hohlwellenmotor 12 ist bevorzugt permanenterregt und weist eine hohlzylinderförmige Gestalt auf. Er besteht aus einem Stator 13 und einem Rotor 14, der in den Stator 13 eingelassen ist. Stator 13 und Rotor 14 liegen koaxial zur Längsachse 100. Der Rotor 14 ist um die Längsachse 100 drehbar gelagert und weist eine hohlzylinderartige Gestalt auf. Der Rotor 14 sitzt auf einer Kugelmutter 15 und ist mit dieser drehfest verbunden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Rotor 14 über ein Zwischengetriebe in formschlüssigem Kontakt mit der Kugelmutter 15 steht und sie über das Zwischengetriebe antreibt. In anderen Worten, es kann ein Zwischengetriebe vorgesehen sein, das den Rotor 14 mit der Kugelmutter 15 im Kraftfluss verbindet. Das Zwischengetriebe ist bevorzugt ein Planetengetriebe oder ein Harmonic Drive. Die Kugelmutter 15 ist koaxial zur Längsachse 100 angeordnet und wird von einer Kugelgewindespindel 16 koaxial zur Längsachse durchsetzt. Ein Drehmoment wird von der Kugelmutter 15 über Kugeln 17 zur Kugelgewindespindel 16 übertragen. Die Kugelmutter 15 ist mittels eines Kugellagers 18 in einem Gehäuse 19 drehbar gelagert. Eine Drehbewegung des Hohlwellenmotors 12 wird in eine translatorische Bewegung der Kugelgewindespindel 16 entlang der Längsachse 100 überführt.
• Der Kugelgewindetrieb 11 weist ein großes Übersetzungsverhältnis (kleiner Steigungswinkel α) auf. Dies erlaubt Elektromotoren mit geringerem Drehmoment einzusetzen. Das Drehmoment eines Elektromotors ist etwa proportional zu seinem Durchmesser. Es können somit Bauraum und Kosten eingespart werden. Bevorzugt ist der Steigungswinkel α des Kugelgewindetriebes kleiner als 4°. In anderen Worten ist das Verhältnis der Gewindesteigung s zum Kugelmittenkreisdurchmesser der Kugelgewindespindel D kleiner als 0,22, denn es gilt folgender Zusammenhang $$\text{tan}\left(\alpha \right)=\frac{s}{D\ast \pi }.$$

  
• In Steer-by-Wire-Lenkungen ohne mechanische Rückfallebene ist ein so großes Übersetzungsverhältnis unproblematisch, da hohe Durchschiebekräfte bzw. Selbsthemmung zugelassen sind. Auf den Einsatz eines Riementriebs kann verzichtet werden, wodurch Bauteile eingespart werden können und sich große Vorteile bezüglich funktionaler Sicherheit ergeben, die für Steer-by-Wire-Lenksysteme von essentieller Bedeutung sind. Vor allem durch den Verzicht auf einen Zahnriemen, der unter den Sicherheitsanforderungen einer Steer-by-Wire-Lenkung als potentiell kritisches Bauteil einzuschätzen ist, können in diesem Fall zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, wie redundante Komponenten, eingespart werden.
• Bei der Umsetzung eines Drehmomentes in eine Axialkraft in Kugelgewindetrieben ergibt sich der Wirkungsgrad $\eta =\frac{\text{tan}\left(\alpha \right)}{\text{tan}\left(\alpha +\phi \right)},$

  

  wobei φ der Reibungswinkel ist. 3 zeigt den Wirkungsgrad η in Abhängigkeit von dem Steigungswinkel α für acht verschiedene Reibungswinkel Der Reibungswinkel in Form von tan(φ) nimmt entlang der Y-Achse, von unten nach oben ab. Unterhalb der gestrichelten Linie ist der Kugelgewindetrieb selbsthemmend, d. h. es gilt ungefähr Steigungswinkel α < Reibungswinkel Der Reibungswinkel ist bevorzugt kleiner 4,4° und grösser 0,1°. Der in 2 eingesetzte Kugelgewindetrieb weist bevorzugt einen Steigungswinkel kleiner als 4,5°, insbesondere kleiner als 4° auf. In konventionellen elektromechanischen Lenkgetrieben mit Hohlwellenmotor kann ein solcher Kugelgewindetrieb nicht eingesetzt werden, da er die hohen Anforderungen an die Durchschiebekraft und die Vermeidung von Selbsthemmung (Anforderungen der Durchlenkbarkeit bei Systemausfall) nicht erfüllen würde.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102006008911 A1 [0003]

Claims (9)

1. Lenkgetriebe (8) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen Hohlwellenmotor (12) mit einem gehäusefesten Stator (13) und einem drehbar gelagerten Rotor (14), der koaxial zu einer Längsachse (100) angeordnet ist und von einem Schraubgetriebe (11) durchsetzt ist, wobei das Schraubgetriebe (11) eine koaxial zu der Längsachse (100) angeordnete Spindelmutter (15) umfasst, die antriebsmäßig mit dem Rotor (14) verbunden ist und die auf einer Spindel (16) sitzt, die mittels des Hohlwellenmotors (12) entlang der Längsachse (100) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (α) des Schraubgetriebes (11) kleiner als 4,5° ist.
2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (α) des Schraubgetriebes kleiner als 4° ist.
3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (α) des Schraubgetriebes kleiner als 3,5° ist.
4. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubgetriebe (11) ein Wälzkörper-Schraubengetriebe ist.
5. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubgetriebe (11) ein Kugelgewindetrieb, ein Trapezgewindetrieb oder ein Rollengewindetrieb ist.
6. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) unmittelbar auf der Mutter (15) sitzt und mit dieser drehfest verbunden ist.
7. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (8) ein Zwischengetriebe aufweist, das die Drehzahl des Hohlwellenmotors (12) untersetzt und den Rotor (14) mit der Mutter (15) des Schraubengetriebes verbindet.
8. Steer-by-Wire-Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend: - ein auf die gelenkten Räder (7) wirkendes Lenkgetriebe (8), - eine Ansteuereinheit (5), - einen Feedback-Aktuator (4), der über ein Lenkeingabemittel (3) von einem Fahrer mit einem Fahrerwunsch für einen Lenkwinkel beaufschlagt werden kann und ein Feedback-Signal an das Lenkeingabemittel als Reaktion auf den Fahrerwunsch und einen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ausgibt, - eine Einrichtung zur Signalübertragung, die den Fahrerwunsch an die Ansteuereinheit (5) übermittelt, wobei die Ansteuereinheit (5) das Lenkgetriebe (8) ansteuert, um den Fahrerwunsch in eine Auslenkung der gelenkten Räder (7) zu transformieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (16) als Lenkstange ausgebildet ist, die zur Lenkung der Räder (7) des Kraftfahrzeuges mit Spurstangen (9) verbunden ist.

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