DE102018125868B4

DE102018125868B4 - Lenkhandradanordnung

Info

Publication number: DE102018125868B4
Application number: DE102018125868.2A
Authority: DE
Inventors: Søren Winkler Rasmussen
Original assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: CN111071336B; US11673602B2; DE102018125868A1; US20200122770A1; CN111071336A

Abstract

Lenkhandradanordnung (1), die ein Lenkhandrad (2) mit einem Kranz (3) und eine Lenksäule (4) aufweist, die drehbar in einem Gehäuse (5) gelagert und mit dem Kranz verbunden ist, wobei eine elektrische Maschine , die einen Stator und einen Rotor aufweist, betriebsmäßig mit dem Lenkhandrad (2) verbunden ist und der Stator mit dem Gehäuse über einen Drehmomentarm (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9, 13, 14) in den Kranz (3) integriert ist, indem der Rotor mit dem Kranz (3) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkhandradanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Lenkhandradanordnung ist beispielsweise aus DE 103 15 150 A1 bekannt. Die elektrische Maschine ist in Form eines Motors. Eine Bewegung, die durch den Motor verursacht wird, kann durch eine Bewegung überlagert werden, die durch den Fahrer des Fahrzeugs verursacht wird, um eine gefährliche Lenksituation zu vermeiden.
Eine weitere Lenkhandradanordnung dieser Art ist aus DE 102 21 241 A1 bekannt. Die Maschine ist wiederum in Form eines Motors, um eine Gegenkraft gegen das vom Fahrer des Fahrzeugs produzierte Moment zu erzeugen.
In beiden Fällen wirkt die Maschine direkt auf die Säule. Um ausreichend hohe Drehmomente oder Kräfte zu erzeugen, muss die Maschine relativ voluminös sein. Dementsprechend benötigt sie einen gewissen Bauraum und es ist fast unmöglich, eine derartige Maschine in einem herkömmlichen Fahrzeug nachzurüsten, beispielsweise einem Traktor, der nicht konstruiert worden ist, um mit einer Lenkhandradanordnung verwendet zu werden, die eine elektrische Maschine aufweist.
DE 10 2008 036 161 A1 zeigt ein Lenkrad mit einer Vibrationseinheit. Die Vibrationseinheit weist einen Motor mit einer Unwuchtmasse auf und ist im Kranz des Lenkrads angeordnet.
DE 10 2005 034 636 B3 zeigt eine Lenkeinrichtung für eine Überlagerungslenkung, bei der ein Aktuator für die Überlagerungslenkung im Lenkrad angeordnet ist. Der Aktuator weist zwei Elektromotoren auf, die in Speichen des Lenkhandrades angeordnet sind und jeweils mit kleineren Schneckenrädern verbunden sind, die mit einem großen Schneckenrad in Eingriff stehen, das koaxial mit einer Lenkwelle verbunden ist.
EP 1613 521 B1 zeigt ein Lenkrad für Kraftfahrzeuge, in dessen Kranz Anzeigeelemente für ein Fahrerleitsystem in Form von Pfeilen oder beweglichen Punkten angeordnet sind.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Lenkhandradanordnung mit einer elektrischen Maschine in einer zuverlässigen und kostengünstigen Lösung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Lenkhandradanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Kranz ist der Teil der Lenkhandradanordnung mit der größten Entfernung von der Rotationsachse der Säule. Somit ist der Drehmomentarm zwischen dem Kranz und der Drehachse ebenfalls groß. Die Maschine kann mit vergleichsweise geringen Kräften am Radius des Kranzes betrieben werden und kann nichts desto weniger ein hohes Drehmoment erzeugen wegen des großen Drehmomentarms. Die Folge ist, dass der Montageraum für die elektrische Maschine relativ klein gehalten werden kann. Die Lenkhandradanordnung kann eine herkömmliche Lenkhandradanordnung ersetzen ohne die Notwendigkeit von großen konstruktiven Änderungen in dem Fahrzeug, das mit einer derartigen Lenkhandradanordnung ausgerüstet ist. Auf diese Weise ist es möglich, ein mechanisches Fahrzeug einfach in ein GPS-gesteuertes Fahrzeug umzuwandeln, indem das Lenkhandrad alle notwendigen Bestandteile integriert hat, die für automatisches Lenken benötigt werden. Der Stator ist direkt oder indirekt mit demselben Element verbunden, das die Säule trägt. Dementsprechend ist der Stator der Rotationsachse der Säule zugeordnet und somit der Rotationsachse des Kranzes des Lenkhandrades.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Maschine eine Mehrzahl von Polpaaren auf. Die Maschine kann nicht nur als ein Motor verwendet werden, sondern ebenfalls als ein Winkelsensor. Je größer die Anzahl der Polpaare ist, desto besser ist die Auflösung des Winkelsensors.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Maschine in Form eines Scheibenläufermotors. Ein Scheibenläufermotor ist vergleichsweise flach, so dass der Kranz mehr oder weniger eine Dicke behalten kann, die von herkömmlichen Kränzen von Lenkhandrädern bekannt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Joystick an einem freien Ende der Lenksäule angeordnet. Der Joystick kann verwendet werden, um eine Anzahl von Funktionen des Fahrzeugs zu steuern.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor eine Magnetanordnung auf und der Stator weist eine Spulenanordnung auf. Wenn die Spulen in einer gesteuerten Weise erregt werden, wird eine Kraft erzeugt, die zwischen den Spulen und der Magnetanordnung wirkt, welche Kraft ihrerseits das Drehmoment auf dem Kranz erzeugt. Dieses Drehmoment kann verwendet werden, um das Lenkhandrad ohne eine Tätigkeit des Fahrers zu drehen oder es kann verwendet werden, um ein Gegenmoment zu der durch den Fahrer erzeugten Rotation zu erzeugen. Die Spulenanordnung weist vorzugsweise eine Anzahl von Spulen auf, die um einen Eisenkern gewickelt sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Magnetanordnung für jeden Pol der Maschine ein Paar von Magneten auf. Die Magneten der Paare sind auf beiden Seiten der Spulenanordnung angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Paar von Magneten in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse der Säule orientiert. In einer entsprechenden Weise weist die Spulenanordnung eine Anzahl von Spulen auf, wobei die Wicklungsachse der Spulen in gleicher Weise in eine Richtung parallel zu der Rotationsachse der Säule orientiert ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Magnetanordnung mindestens 36 Paare von Magneten auf. Dies bedeutet, dass jedes Paar von Magneten 10° des Umfangs des Kranzes abdeckt. Die 36 Paare von Magneten formen 36 Polpaare. Die 36 Polpaare können in zwei Gruppen von Polpaaren aufgespalten werden, um eine Hauptfunktion und eine Sicherheitsfunktion zu erhalten. Dies ergibt eine Vollredundanz in der Winkel- oder Positionserfassung und eine halbe Leistungsredundanz der Kraftrückkopplung oder Antriebskraft.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Drehmomentarm in Form einer Platte. Das Risiko, dass die Finger eines Fahrers verletzt werden, wenn sie in Kontakt mit einer Speiche oder dergleichen des Drehmomentarms kommen, wird minimiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Display an der Platte angeordnet. Das Display kann Information über Betriebsparameter des Fahrzeugs zeigen. Es kann beispielsweise das Armaturenbrett ersetzen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kranz mit der Lenksäule mittels einer transparenten Verbindungseinrichtung verbunden. Dementsprechend kann das Display in allen Drehorientierungen des Lenkhandrades beständig betrachtet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet der Joystick Steuermittel für das Display. Der Joystick kann beispielsweise gedrückt, geneigt und rotiert werden. Das Neigen des Joysticks kann beispielsweise verwendet werden, um einen Cursor oder ein anderes Zeigeelement zu bestimmten Bereichen des Displays zu bewegen und Drücken des Joysticks kann verwendet werden, um eine Funktion auszuwählen, die durch einen Bereich des Displays angezeigt wird. Rotation des Joysticks kann verwendet werden, um Wertinhalte von Feldern zu verändern, die in dem Display angezeigt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat der Kranz einen Durchmesser von mindestens 40 cm. In diesem Fall ist ein Radius von 20 cm verfügbar als Drehmomentarm, was relativ groß ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun im Einzelnen unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, worin:

1 eine Schnittansicht durch einen Teil einer Lenkhandradanordnung zeigt, und
2 eine perspektivische Ansicht der Oberseite des Lenkhandrads zeigt.

Eine Lenkhandradanordnung 1 weist ein Lenkhandrad 2 mit einem Kranz 3 auf. Weiterhin weist die Lenkhandradanordnung 1 eine Lenksäule 4 auf, die in einem Gehäuse 5 drehbar gelagert ist und mit dem Kranz 3 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Kranz 3 und der Lenksäule 4 ist in Form einer transparenten Platte 6, die eine transparente Verbindungseinrichtung bildet.
Der Kranz 3 ist kreisförmig. Er ist hohl, d.h. er umschließt einen Hohlraum 7.
Eine Spulenanordnung 8 ist in dem Hohlraum 7 angeordnet. Die Spulenanordnung 8 weist eine Anzahl von Eisenkernen 9 auf, die gleichmäßig in Umfangsrichtung des Kranzes 3 verteilt sind. Weiterhin weist die Spulenanordnung 8 für jeden Eisenkern 9 eine Spule 10 auf, die um den Eisenkern 9 gewickelt ist. Die Spulenanordnung 8 ist Teil eines Stators.
Der Stator ist mit dem Gehäuse 5 über einen Drehmomentarm 11 verbunden. Der Drehmomentarm 11 ist in Form einer Drehmomentplatte, die eine gedruckte Schaltungsplatine (nicht gezeigt) tragen kann. Ein Display 12 ist auf dem Drehmomentarm 11 montiert. Da die Platte 6, die den Kranz 3 und die Lenksäule 4 verbindet, transparent ist, kann der Fahrer des Fahrzeugs das Display 12 in allen winkelmäßigen Orientierungen des Lenkhandrades 2 sehen.
Ein Paar von Magneten 13, 14 ist im Kranz 3 angeordnet. Vorzugsweise sind die Magnete 13, 14 des Paars von Magneten so dicht wie möglich zu dem Hohlraum 7 angeordnet und dementsprechend so dicht wie möglich zu der Spulenanordnung 8. Die Anzahl von Paaren von Magneten 13, 14 entspricht der Anzahl von Eisenkernen 9 und Spulen 10.
Die Orientierung der Anordnung von Magneten 13, 14 kann verändert werden. Es ist beispielsweise möglich, nur einen einzelnen Satz von Magneten 14 auf der radialen Außenseite des Kranzes 3 zu verwenden und den Kern und die Spule ebenfalls in radialer Richtung zu orientieren.
Auf diese Weise bilden die Elemente 8, 13, 14 eine elektrische Maschine in Form eines Scheibenläufer-BLDC-Motors. Es ist möglich, eine andere Art des Motortyps zu verwenden, beispielsweise einen PMSM-Motor (Permanentmagnet-Synchronmotor). Die Maschine kann für verschiedene Zwecke verwendet werden. Sie kann beispielsweise als Positionssensor verwendet werden, der eine Winkelposition des Kranzes 3 in Bezug auf eine Neutralposition zurückgibt.
Ferner kann er verwendet werden, um eine aktive Kraftrückkopplung zu erzeugen, d.h. er kann verwendet werden, um eine Kraft zu erzeugen, die gegen eine Kraft oder ein Drehmoment wirkt, das durch den Fahrer, der ein mit der Lenkhandradanordnung 1 ausgerüstetes Fahrzeug lenkt, erzeugt wird. Schließlich kann die Maschine verwendet werden, um das Fahrzeug automatisch zu steuern, beispielsweise in Verbindung mit einem Global Positioning System (GPS).
Die Zahl der Paare von Magneten 13, 14 und der Eisenkerne 9 sollte so groß wie möglich sein. Wenn beispielsweise 36 Eisenkerne 9 und eine entsprechende Anzahl von Paaren von Magneten 13, 14 verwendet wird, sind 36 Polpaare verfügbar. Diese 36 Polpaare können in zwei Gruppen geteilt werden, so dass es eine volle Redundanz bei der Erfassung der Winkelposition des Lenkhandrads 2 und eine halbe Leistungsredundanz bei der Kraftrückkopplung gibt.
Ein Joystick 15, der nur schematisch gezeigt ist, ist oben auf der Lenksäule 4 angeordnet, beispielsweise oberhalb einer Mutter 16.
Das Display 12 kann ein erstes Displayfeld 17, das Informationen zeigt, und ein zweites Displayfeld 18 haben, das eine Anzahl von Betätigungsbereichen zeigt. Durch Neigen des Joysticks 15 in unterschiedliche Richtungen kann ein Cursor oder ein anderes Zeigersymbol zu den Betätigungsbereichen bewegt werden, während Pressen des Joysticks 15 eine Auswahl des entsprechenden Betätigungsbereichs bewirkt. Rotation des Joysticks 15 kann dann verwendet werden, um einen Wert des entsprechenden Betätigungsbereichs zu ändern. Andere Arten der Verwendung des Joysticks 15 sind möglich.
Die Verwendung der gedruckten Schaltungsplatine direkt in der Lenkhandradanordnung ist von Vorteil, weil die Lenkhandradanordnung alle Bestandteile haben kann, die für automatisches Lenken notwendig sind. Die gedruckte Schaltungsplatine kann beispielsweise mit einem CAN-Bus oder einem anderen Bussystem verbunden werden, der in das Fahrzeug integriert ist.
Der Kranz 3 hat vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 40 cm. Auf diese Weise ist der Drehmomentarm zwischen dem Kranz 3 und der Rotationsachse der Lenksäule 4 mindestens 20 cm, so dass ein großes Drehmoment erzeugt werden kann, selbst wenn die Spulenanordnung 8 zusammen mit der Magnetanordnung nur kleine Kräfte produziert.
Die Lenkhandradanordnung 1 kann in jedem Fahrzeug mit einem traditionellen Lenkhandrad nachgerüstet werden. Es stellt eine kostengünstige Lösung mit hoher Leistung und funktionaler Sicherheit zur Verfügung.

Claims

Lenkhandradanordnung (1), die ein Lenkhandrad (2) mit einem Kranz (3) und eine Lenksäule (4) aufweist, die drehbar in einem Gehäuse (5) gelagert und mit dem Kranz verbunden ist, wobei eine elektrische Maschine , die einen Stator und einen Rotor aufweist, betriebsmäßig mit dem Lenkhandrad (2) verbunden ist und der Stator mit dem Gehäuse über einen Drehmomentarm (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9, 13, 14) in den Kranz (3) integriert ist, indem der Rotor mit dem Kranz (3) verbunden ist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Vielzahl von Polpaaren aufweist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine in Form eines Scheibenläufermotors ist.
Lenkhandradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Joystick (15) an einem freien Ende der Lenksäule (4) angeordnet ist.
Lenkhandradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Magnetanordnung aufweist und der Stator eine Spulenanordnung (8) aufweist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung für jeden Pol der Maschine ein Paar von Magneten (13, 14) aufweist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Magneten (13, 14) in eine Richtung parallel zu einer Rotationsachse der Lenksäule (4) orientiert ist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (13, 14) mindestens 36 Paare von Magneten aufweist.
Lenkhandradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentarm (11) in Form einer Platte (6) ist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Display (12) an der Platte (6) angeordnet ist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz (3) mit der Lenksäule (4) über eine transparente Verbindungseinrichtung verbunden ist.
Lenkhandradanordnung nach Anspruch 4 und 10 oder 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Joystick Steuermittel für das Display (12) bildet.
Lenkhandradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz (3) einen Durchmesser von mindestens 40 cm aufweist.