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Die Erfindung betrifft ein Lenkrad und ein Lenksystem.
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Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch Drehung eines Lenkrades entgegen. Das Lenkrad bewirkt die Drehung einer Lenkwelle, die jedoch nicht mechanisch über ein Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist. Hierbei wird der eingebrachte Lenkbefehl über Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren erfasst, die ein elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben. Durch den Lenksteller ist mittels eines elektrischen Stellantriebs ein entsprechender Lenkeinschlag der Räder einstellbar.
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Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare mechanische Rückmeldung über den Lenkstrang. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer, aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit verringert werden.
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Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist aus dem Stand der Technik bekannt, in einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungssignal zu bilden, welches in einen Feedback-Aktuator eingespeist wird. Generell weist der Feedback-Aktuator einen Lenkradsteller auf, der abhängig vom Rückkopplungssignal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment (Feedbackmoment) in die Lenkspindel einkoppelt. Derartige „Force-Feedback“-systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
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Aus der
DE 10 2015 210 528 A1 ist beispielsweise eine Lenkeinrichtung mit einem Feedback-Aktuator bekannt, der über Federelemente, ein Übertragungselement sowie Widerlager ein Reaktionsmoment auf eine Lenkwelle überträgt. Die Lenkwelle ist mit einem Lenkrad verbunden. Das Reaktionsmoment wirkt einem in die Lenkwelle vom Fahrer eingebrachten Lenkmoment entgegen. Ferner sind die Widerlager mit einem Stellantrieb zur axialen Verstellung der Widerlager gekoppelt. Der Feedback-Aktuator umfasst des Weiteren eine Führungseinrichtung und ein Mantelgehäuse.
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Der bekannte Feedback-Aktuator hat den Nachteil, dass dieser eine hohe Komplexität sowie eine hohe Teileanzahl aufweist. Der Feedback-Aktuator ist somit nur mit erhöhtem Aufwand herstellbar und daher sehr kostenintensiv. Ferner erfordert der bekannte Feedback-Aktuator einen hohen Bauraumbedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Lenkrad mit einem Feedback-Aktuator anzugeben, welches einfach aufgebaut ist und eine kompakte Bauform aufweist, wodurch ein Bauraumbedarf reduziert wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Lenksystem anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Lenkrad durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Lenksystems wird die vorstehend genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Lenkrad für ein Lenksystem anzugeben. Das Lenkrad umfasst wenigstens eine Lenkradnabe und wenigstens einen Lenkradkranz, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe verdrehbar ist. Das Lenkrad umfasst wenigstens einen Feedback-Aktuator mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator mit der Lenkradnabe und der Rotor mit dem Lenkradkranz gekoppelt ist.
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Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Der Lenkradkranz ist gegenüber der Lenkradnabe relativ verdrehbar. Mit anderen Worten ist die Lenkradnabe festsitzend, insbesondere stillstehend, im Fahrzeuginnenraum vorgesehen. Vorteilhaft entfällt dadurch eine drehend gelagerte Lenkspindel zur Übertragung der Lenkbewegung, wodurch eine Lagerung der Lenkspindel sowie des Lenkrades vereinfacht wird und somit Kosten eingespart werden. Die Lagerung der Lenkspindel ist somit derart ausgebildet, dass diese um ihre Längsachse unverdrehbar ist. Die Lenkspindel könnte somit als Zapfen zur Montage des Lenkrades ausgebildet sein. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, dass Lenkrad direkt mit einer Stelleinheit, beispielweise in Form eines Mantelrohrs, der Lenksäule zu montieren, so dass keine Lenkspindel erforderlich ist. Durch die Kopplung des Stators mit der Lenkradnabe und des Rotors mit dem Lenkradkranz, weist das Lenkrad vorteilhaft eine kompakte Bauform auf. Der Feedback-Aktuator umfasst im Wesentlichen den Aufbau und die Funktionsweise eines herkömmlichen Elektromotors und ist daher vorteilhaft mit geringem Aufwand in das Lenkrad integrierbar sowie kostengünstig herstellbar.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass durch den vollständig im Lenkrad integrierten Feedback-Aktuator ein Bauraumbedarf im Fahrzeug erheblich reduziert wird.
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Das Lenkrad weist vorzugsweise wenigstens ein Verbindungsmittel auf, das mit der Lenkradnabe drehfest verbunden ist. Das Verbindungsmittel kann eine Lenkradspeiche bilden. Somit kann der Lenkradkranz gegenüber dem stillstehenden Verbindungsmittel, insbesondere der Lenkradspeiche, relativ verdrehbar sein.
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Unter einer Lenkradspeiche versteht man bevorzugt einen von der Lenkradnabe ausgehend radial nach außen zum Lenkradkranz hin erstreckenden Abschnitt. Besonders bevorzugt weist das Lenkrad eine einzige Lenkradspeiche auf. In einer alternativen Ausführungsform weist das Lenkrad bevorzugt zwei Lenkradspeichen, drei Lenkradspeichen oder vier Lenkradspeichen auf, wobei diese über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die umfängliche Verteilung kann regelmäßig oder unregelmäßig sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Feedback-Aktuator derart angepasst, dass ein Drehmoment von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz zur Simulation von Lenkradkräften und/oder Fahrbedingungen übertragbar ist. Das Drehmoment bzw. Reaktionsmoment entspricht dabei im Wesentlichen dem durch den Fahrer eingebrachten Lenkmoment. Durch die Übertragung des Drehmoments bzw. des Reaktionsmoments von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz erfolgt in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, den aktuellen Lenkeinschlag der Räder und weiteren Betriebsparametern vorteilhaft eine Rückmeldung an den Fahrer. Dadurch wird vorteilhaft der Eindruck einer realen Fahrsituation simuliert und somit eine intuitive Reaktion des Fahrers erleichtert.
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Ferner ist denkbar, dass der Feedback-Aktuator derart angepasst ist, dass ein Störmoment von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz zur Simulation von durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Vibrationen und/oder Auslenkungen übertragbar ist. Das Störmoment kann in Abhängigkeit von realen Messwerten bspw. bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem erzeugt werden. Es ist weiterhin denkbar, Störmomente als Vibration oder Ruckeln auf den Lenkradkranz zu übertragen, um dem Fahrer ein haptisches Signal bzw. Fahrgefühl zu vermitteln.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Feedback-Aktuator im Lenkradkranz angeordnet. Mit anderen Worten sind hierbei der Stator und der Rotor im Lenkradkranz angeordnet. Der Rotor kann mit dem Lenkradkranz positionsfest verbunden sein. Der Stator kann mit der Lenkradnabe positionsfest verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass eine kompakte Bauform des Lenkrads mit dem Feedback-Aktuator erreicht und ein Bauraumbedarf im Fahrzeuginnenraum erheblich reduziert wird.
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Vorzugsweise weist die Lenkradnabe wenigstens einen Statorträgerbereich auf, der im Lenkradkranz angeordnet ist und an dem der Stator angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Stator vorzugsweise im Lenkradkranz angeordnet. Der Statorträgerbereich kann über das Verbindungsmittel mit der Lenkradnabe drehfest verbunden sein. Die Lenkradnabe, das Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich können einteilig ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Lenkradnabe, das Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich zumindest zweiteilig ausgebildet sind. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Lenkradnabe mit dem Statorträgerbereich als Träger für den Stator genutzt wird. Dadurch wird eine Bauteilreduzierung erreicht, wodurch Kosten eingespart werden.
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Weiter vorzugsweise weist der Stator mehrere Spulen auf, die am Statorträgerbereich radial umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Durch den Aufbau des Stators durch mehrere, aneinandergereihte Spulen wird vorteilhaft eine feinstufige Einstellung bzw. Übertragung eines Reaktionsdrehmoments auf den Lenkradkranz ermöglicht. Dadurch kann vorteilhaft ein reales Fahrgefühl am Lenkrad erzeugt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umschließt der Rotor den Stator radial außen. Der Stator kann einen Statorring bilden, der den Statorträgerbereich der Lenkradnabe umschließt. Vorteilhaft wird dadurch eine kompakte Bauform des Feedback-Aktuator erreicht.
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Bei weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lenkradkranz durch eine Wälzlagerung drehbar an der Lenkradnabe gelagert. Die Wälzlagerung kann im Lenkradkranz angeordnet sein. Der Lenkradkranz kann dazu innen wenigstens einen ersten Lagerbereich aufweisen, der eine erste Wälzkörperlaufbahn bildet. Ferner kann die Lenkradnabe wenigstens einen zweiten Lagerbereich aufweisen, der eine zweite Wälzkörperlaufbahn bildet. Die Lagerbereiche sind hierbei im Lenkradkranz angeordnet. Zwischen dem ersten Lagerbereich des Lenkradkranzes und dem zweiten Lagerbereich der Lenkradnabe können Wälzkörper vorgesehen sein, die bei einem Lenkvorgang an den Wälzkörperlaufbahnen des Lenkradkranzes bzw. der Lenkradnabe abrollen. Die Wälzlagerung ist somit vorteilhaft innerhalb des Lenkradkranzes angeordnet, wodurch eine kompakte Bauform des Lenkrades mit dem Feedback-Aktuator erreicht wird. Die Wälzlagerung des Lenkradkranzens erfolgt bevorzugt mittels Schrägkugellager, die besonders bevorzugt in einer O-Anordnung angeordnet sind. Ferner ist eine solche Wälzlagerung vorteilhaft einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Lenkradkranz durch eine Gleitlagerung drehbar an der Lenkradnabe gelagert. Es kann dabei bevorzugt vorgesehen sein, dass die Gleitlagerung eine Lagerschale aufweist, wobei diese aus Kunststoff gebildet sein kann.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der Lenkradkranz und/oder die Lenkradnabe wenigstens ein Biegeteil. Mit anderen Worten können der Lenkradkranz und/oder die Lenkradnabe durch wenigstens einen Biegevorgang aus einem Stück hergestellt sein. Es ist auch denkbar, dass der Lenkradkranz und/oder die Lenkradnabe mehrteilig ausgebildet sind, wobei die Einzelteile formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Alternativ kann die Lenkradnabe als Gussbauteil ausgebildet sein, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung. Die Lenkradnabe, das Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich können somit aus einem einzelnen Biegeteil gebildet sein. Hierbei ist vorteilhaft, dass durch eine Bauteilreduzierung eine Systemkomplexität reduziert ist. Ferner ist vorteilhaft, dass der Lenkradkranz sowie die Lenkradnabe einfachen kostengünstig herstellbar sind. Die Ausbildung des Lenkradkranzes sowie der Lenkradnabe als Biegeteil hat den Vorteil, dass ein im Querschnitt sehr schmales Lenkrad herstellbar ist. Dadurch wird vorteilhaft ein Bauraumbedarf reduziert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Positionssensor vorgesehen, der eine Position des Lenkradkranzes gegenüber der Lenkradnabe bestimmt. Der Positionssensor kann als Winkelsensor oder als kombinierter Winkel-Drehmomentsensor ausgebildet sein. Der Positionssensor kann einen Lenkwinkel und/oder ein Lenkmoment erfassen und als elektronisches Messsignal zur Weiterverarbeitung an eine Steuereinheit weiterleiten. Durch den Positionssensor wird vorteilhaft eine kontinuierliche Bestimmung der Lenkradstellung ermöglicht. Ferner können durch den Positionssensor die Lenkradstellung und der Lenkeinschlag der Räder aufeinander abgestimmt werden.
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Vorzugsweise ist der Positionssensor als berührungsloser Sensor, insbesondere als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet. Berührungslose Sensoren sind vorteilhaft einfach und ohne großen konstruktiven Aufwand als Positionssensoren einsetzbar. Ferner sind diese kostengünstig, wodurch die Gesamtkosten des Lenkrades mit Feedback-Aktuator geringgehalten sind.
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Bevorzugt können zwei Positionssensoren vorgesehen sein, die die Position des Lenkradkranzes gegenüber der Lenkradnabe bestimmen. Zwei Positionssensoren bieten die Möglichkeit einer redundanten Anordnung, so dass eine entsprechende ASIL Klasse gemäß IS026262 erreicht werden kann und somit die Sicherheit des Lenkrades deutlich erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann zwischen dem Lenkradkranz und der Lenkradnabe ein Drehmomentensensor vorgesehen sein, der das in den Lenkradkranz durch den Fahrer eingetragene Drehmoment bestimmt und entsprechend an die Steuereinheit weiterleitet. Ein solcher Drehmomentensensor kann bevorzugt als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet sein.
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Durch den elektrischen Betrieb des Feedback-Aktuators entsteht Wärme als Verlustleistung, die zur Beheizung des Lenkradkranzes genutzt werden kann. Da dies jedoch nicht in allen Situation durch den Fahrer gewünscht ist, kann weiters bevorzugt eine Kühlvorrichtung im Lenkradkranz vorgesehen sein, die den Lenkradkranz kühlt. Dies kann beispielsweise mittels eines Fluidkreislaufs oder durch eine Konvektionskühlung erfolgen.
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Die Kühlung des Lenkradkranzes kann auch mittels einer Thermosiphonkühlung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine Pumpeinrichtung erforderlich ist.
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Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere ein Steer-by-Wire Lenksystem, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkrad der vorstehend genannten Art und wenigstens einem elektrischen Lenkantrieb, der mit dem Lenkrad elektrisch gekoppelt ist und durch den eine Lenkbewegung vom Lenkrad auf wenigstens ein lenkbares Rad übertragbar ist. Hierbei wird auf die im Zusammenhang mit dem Lenkrad erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus kann das Lenksystem alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf das Lenkrad genannter Merkmale aufweisen.
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Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die dargestellten Ausführungsformen stellen Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Lenkrad ausgestaltet sein kann.
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In diesen zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems;
- 2 eine Längsschnittansicht eines Lenkrades nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
- 3 einen Detailausschnitt der Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß 1;
- 4 eine Querschnittansicht des Lenkrades gemäß 1;
- 5 einen Detailausschnitt der Querschnittsansicht des Lenkrades gemäß 1;
- 6 eine Längsschnittansicht eines Lenkrades nach einem weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
- 7 ein Detailausschnitt einer Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß 6;
- 8 eine perspektivische Darstellung eines Lenkrades nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Lenkrad mit einer Lenksäule verbunden ist;
- 9 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Lenkrades gemäß 8 mit einem Feedback-Aktuator; und
- 10 eine schematische Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß 8.
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1 zeigt schematisch ein Steer-by-Wire-Lenksystem 20, die ein Lenkrad 10 und eine Lenksäule 24 umfasst. Die Lenksäule 20 ist über eine elektrische Leitung 26 mit einem elektrischen Lenkantrieb 21 verbunden. Die Lenksäule 24 umfasst ein Mantelrohr 25, welches eine unverdrehbare Lenkspindel 251 trägt, wobei an der Lenkspindel 251 das Lenkrad 10 angeordnet ist. Der Lenkantrieb 21 umfasst einen mit der elektrischen Leitung 26 verbundenen Stellmotor 23, der ein Lenkungs-Stellmoment in ein Lenkgetriebe 27 einleitet. Im Lenkgetriebe 27 wird das Lenkungs-Stellmoment über ein Ritzel 29 und eine Zahnstange 28 in eine Translationsbewegung der Spurstangen 31 umgesetzt. Dadurch wird ein Lenkeinschlag der lenkbaren Räder 22 bewirkt.
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2 bis 5 zeigen ein Lenkrad 10 nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Lenkrad 10 weist eine Lenkradnabe 11 und einen Lenkradkranz 12 auf, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe verdrehbar ist. Ferner umfasst das Lenkrad 10 einen Feedback-Aktuator 13 zur Simulation von Lenkkräften und/oder Fahrbedingungen, auf den später näher eingegangen wird.
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Die Lenkradnabe 11 und/oder der Lenkradkranz 12 können rotationssymmetrisch um eine Längsachse L, insbesondere Lenkachse, des Lenkrades 10 ausgebildet sein. Alternativ können die Lenkradnabe 11 und der Lenkradkranz 12 ein von einer rotationssymmetrischen Form abweichende Form aufweisen.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, ist der Lenkradkranz 12 hohl ausgebildet. Der Lenkradkranz 12 ist im Wesentlichen torusförmig ausgebildet. Der Lenkradkranz 12 weist einen Innenraum 32 auf. Der Lenkradkranz 12 weist ferner einen umlaufenden Schlitz 33 auf, durch den der Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12 radial nach innen offen ist. Mit anderen Worten ist der Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12 durch den umlaufenden Schlitz 33 zur Längsachse L hin offen ausgebildet.
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Der Lenkradkranz 12 umfasst zwei Kranzelemente 34, 35 und ein Mantelelement 36. Konkret weist der Lenkradkranz 12 ein erstes Kranzelement 34 und ein zweites Kranzelement 35 auf. Die Kranzelemente 34, 35 können aus Blech gebildet sein. Die Kranzelemente 34, 35 können jeweils als Blechbiegeteil ausgebildet sein. Das erste Kranzelement 34 weist einen Randbereich 37 auf, der radial außen am ersten Kranzelement 34 ausgebildet ist. Der Randbereich 37 ist am ersten Kranzelement 34 umlaufend ausgebildet. Der Randbereich 37 bildet eine umlaufende Halbschale. Das erste Kranzelement 34 ist radial nach innen, insbesondere zur Längsachse L hin, geschlossen ausgebildet. Mit andere Worten weist das erste Kranzelement 34 eine geschlossene Fläche 34a auf, die radial innen angeordnet ist. Hierbei ist denkbar, dass die geschlossene Fläche 34a vorteilhaft für Funktionselemente und/oder einem Display genutzt wird. Dies setzt voraus, dass das Lenkrad 10 mit der geschlossenen Fläche 34a dem Fahrer zugewandt im Fahrzeug vorgesehen ist. Das erste Kranzelement 34 kann auch radial nach innen offen oder teilweise geschlossen ausgebildet sein.
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Das zweite Kranzelement 35 bildet eine weitere Halbschale. Das erste Kranzelement 34 und das zweite Kranzelement 35 begrenzen den Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12. Mit anderen Worten umschließen die Kranzelemente 34, 35 den Innenraum 32 teilweise. Der Lenkradkranz 12 ist radial außen durch das Mantelelement 36 umschlossen.
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Die Lenkradnabe 11 umfasst einen Statorträgerbereich 16, der im Lenkradkranz 12 angeordnet ist. Konkret ist der Statorträgerbereich 16 im Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12 angeordnet. Der Statorträgerbereich 16 ist durch ein Verbindungsmittel 38 mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden. Das Verbindungsmittel 38 ist radial zwischen der Lenkradnabe 11 und dem Statorträgerbereich 16 angeordnet. Das Verbindungsmittel 38 ist scheibenförmig ausgebildet. Das Verbindungsmittel 38 kann auch durch wenigstens eine Lenkradspeiche gebildet sein. Vorzugweise weist das Lenkrad 10 mehrere festsitzende, insbesondere stillstehende, Lenkradspeichen auf, die die Lenkradnabe 11 mit dem Statorträgerbereich 16 drehfest verbinden. Das Verbindungsmittel 38 erstreckt sich ausgehend von der Lenkradnabe 11 durch den umlaufenden Schlitz 33 in den Innenraum 32.
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Die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 sind einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 aus einem Stück hergestellt.
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Die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 können als ein einziges Biegeteil ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 mehrteilig ausgebildet sind.
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Die Lenkradnabe 11 umfasst des Weiteren ein Lagerelement 39, das eine Wälzlagerlaufbahn 43a aufweist. Das Lagerelement 39 ist am Statorträgerbereich 16 angeordnet und mit diesem fest verbunden. Auf die Wälzlagerlaufbahn 43a wird später näher eingegangen.
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Wie in 2 und 3 gut erkennbar, ist der Feedback-Aktuator 13 im Lenkradkranz 12 angeordnet. Der Feedback-Aktuator 13 umfasst einen Stator 14 und einen Rotor 15. Der Stator 14 ist mit der Lenkradnabe 11 gekoppelt. Konkret ist der Stator 14 mit am Statorträgerbereich 16 der Lenkradnabe 11 radial außen angeordnet. Der Stator 14 ist mit dem Statorträgerbereich 16 und somit mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden.
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Der Stator 14 weist mehrere Spulen 17 auf, die am Statorträgerbereich 16 radial außen umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Der Stator 14 bildet mit den aneinandergereihten Spule 17 einen Statorring. Mit anderen Worten ist der Stator 14 ringförmig ausgebildet. Der Stator 14 umschließt den Statorträgerbereich 16 vollständig. Der Stator 14 kann den Statorträgerbereich 16 der Lenkradnabe 11 auch abschnittsweise, insbesondere teilweise, umschließen.
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Die Spulen 17 umfassen jeweils eine Wicklung und ein Blechpaket, wobei das Blechpaket im Querschnitt I-profilförmig ausgebildet ist. Die Spulen 17 bilden jeweils einen Elektromagneten. Der Stator 14 kann derart angepasst sein, dass die Spulen 17 einzeln und/oder in Gruppen ansteuerbar sind. Mit anderen Worten kann der Stator 14 derart ansteuerbar sein, dass an einzelnen Spulen 17 und/oder an mehreren Spulen 17, insbesondere Spulengruppen, eine Spannung anliegt.
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Wird der Stator 14 von einer nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert bzw. liegt am Stator 14 eine Spannung an, so wird durch die Spulen 17 jeweils ein Magnetfeld erzeugt. Zur Übertragung eines Drehmoments vom Stator 14 auf den Rotor 15 wird das erzeugte Magnetfeld der Spulen 17 mehrfach durch ein Umpolen der Spulen 17 gedreht. Dies entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise eines allgemein bekannten Elektromotors. Der Rotor 15 bzw. der Lenkradkranz 12 können dadurch in Rotation und/oder Vibration versetzt werden. Ferner wird ein erschwertes, insbesondere gebremstes, Lenken ermöglicht. Dadurch erfolgt in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit und weiteren Betriebszuständen vorteilhaft eine Rückmeldung an den Fahrer, wodurch ein reales Fahrgefühl vermittelt wird.
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Wie in 4 gezeigt, ist der Rotor 15 ringförmig ausgebildet. Der Rotor 15 ist mit dem Lenkradkranz 12 gekoppelt. Der Rotor 15 ist mit dem Lenkradkranz 12 drehfest verbunden. Der Rotor 15 umschließt den Stator 14 radial außen. Zwischen dem Rotor 15 und dem Stator 14 ist ein Ringspalt 41, insbesondere ein Luftspalt vorgesehen, der in 5 gut erkennbar ist. Der Rotor 15 ist somit gegenüber dem Stator 14 relativ verdrehbar. Mit anderen Worten ist der Lenkradkranz 12 gegenüber dem Verbindungsmittel 38, insbesondere der Lenkradspeiche, und somit gegenüber der Lenkradnabe 11 relativ verdrehbar. Der Feedback-Aktuator 13 ist derart angepasst, dass ein Drehmoment, insbesondere ein Reaktionsmoment, von der Lenkradnabe 11 auf den Lenkradkranz 12 zur Simulation von Lenkkräften und/oder Fahrbedingungen übertragbar ist. Der Feedback-Aktuator 13 ist mit einem Elektromotor vergleichbar, der als Außenläufer ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung kann zwischen dem Rotor 15 und dem Lenkradkranz 12 eine Abschirmvorrichtung vorgesehen sein, die die Umgebung des Lenkrads vor elektrischen und magnetischen Einflüssen schützt und somit Störungen anderer Vorrichtungen vermeidet. Der Lenkradkranz 12 kann selbst eine solche Abschirmvorrichtung bereitstellen. Somit weist das erfindungsgemäße Lenkrad 10 die Fähigkeit auf, andere Vorrichtungen nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Vorrichtungen gestört zu werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bilden der Stator 14 und der Rotor 15 eine Synchronmaschine, die mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird.
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Der Rotor 15 kann aus einem Permanentmagneten gebildet sein. Es ist auch denkbar, dass der Rotor 15 aus mehreren Permanentmagnetelementen gebildet ist, die jeweils gegenpolig aneinander angrenzen. Hierbei kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Stators 14 ein Drehmoment bzw. Reaktionsmoment über den Rotor 15 auf den Lenkradkranz 12 übertragen werden. Durch den Feedback-Aktuator 13 können unterschiedliche Fahrbedingungen simuliert werden, wodurch dem Fahrer ein reales Fahrgefühl vermittelt wird. Ferner kann so eine automatische Lenkradrückstellung nach einem Lenkvorgang erfolgen.
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Alternativ kann der Rotor 15 ebenso wie der Stator 14 durch mehrere Spulen gebildet sein, die innen am Lenkradkranz umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Bei dieser Variante des Rotors 15 können die Spulen gleich wie beim Stator 14 angesteuert werden, um ein Drehmoment auf den Lenkradkranz 12 zu übertragen.
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Ferner kann der Rotor 15 aus einem Metallring gebildet sein. Bei einem Lenkvorgang wird dabei der Rotor 15 über den Stator 14 bewegt, wobei durch das Magnetfeld der Spulen 17 eine Spannung im Rotor 15 induziert wird. Dadurch entstehen Wirbelströme, die die Drehbewegung des Lenkradkranzes 12 abhängig von der Intensität des Magnetfeldes bremsen können. Der Feedback-Aktuator weist hierbei die Funktionsweise einer herkömmlichen Wirbelstrombremse auf.
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Es ist auch denkbar, dass der Rotor 15 aus wenigstens einem Permanentmagneten und einem Metallring gebildet ist, um die Vorteile der präzisen Lenkradeinstellung durch eine Drehmomentübertragung und einer Wirbelstrombremse zu kombinieren.
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Das Lenkrad 10 umfasst ferner einen nicht dargestellten Positionssensor, der eine Position, insbesondere einen Lenkwinkel, des Lenkradkranzes 12 gegenüber der stillstehenden Lenkradnabe 11 bestimmt. Es ist auch denkbar, dass das Lenkrad 10 mehr als einen Positionssensor umfasst.
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Der Positionssensor ist als berührungsloser Sensor, insbesondere als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet. Der Positionssensor kann als Winkelsensor oder als kombinierter Winkel- und Drehmomentsensor ausgebildet sein. Der Positionssensor kann einen Lenkwinkel und/oder ein Lenkmoment erfassen und als elektronisches Messsignal zur Weiterverarbeitung an eine nicht dargestellte Steuereinheit weiterleiten. Durch den Positionssensor wird vorteilhaft eine kontinuierliche Bestimmung der Lenkradstellung ermöglicht. Ferner können durch den Positionssensor die Lenkradstellung und der Lenkeinschlag der Räder aufeinander abgestimmt werden.
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2 und 3 zeigen ferner eine Wälzlagerung 18, durch die der Lenkradkranz 12 drehbar an der Lenkradnabe 11 gelagert ist. Konkret ist der Lenkradkranz 12 durch die Wälzlagerung 18 am Verbindungsmittel 38, insbesondere der Lenkradspeiche, im Bereich des Statorträgerbereichs 16 drehbar gelagert. Die Wälzlagerung 18 ist im Lenkradkranz 12 angeordnet. Der Lenkradkranz 12 weist dazu radial innen, zwei erste Lagerbereiche 42 auf, die jeweils eine erste Wälzkörperlaufbahn 42a bilden. Ferner umfasst das Verbindungsmittel 38 dazu einen zweiten Lagerbereich 43, der eine zweite Wälzkörperlaufbahn 43a bildet, und das Lagerelement 39 einen weiteren zweiten Lagerbereich 43, der eine weitere zweite Wälzlagerlaufbahn 43a bildet. Die zweiten Lagerbereiche 43 sind im Lenkradkranz 11 angeordnet. Zwischen den ersten Lagerbereichen 42 des Lenkradkranzes 12 und den zweiten Lagerbereichen 43 des Verbindungsmittels 38 bzw. des Lagerelements 39 sind Wälzkörper 44 vorgesehen. Die Wälzkörper 44 sind in einem Käfig drehbar angeordnet. Die Wälzkörper 44 können auch frei, insbesondere käfiglos, zwischen den Lagerbereichen 42, 43 vorgesehen sein. Wird der Lenkradkranz 12 bei einem Lenkvorgang relativ gegenüber der Lenkradnabe 11 verdreht, rollen die Wälzkörper 44 an den Wälzkörperlaufbahnen 42a, 43a ab. Die Wälzkörper 44 sind kugelförmig ausgebildet. Die Wälzkörper 44 können auch als Rollen oder Nadeln ausgebildet sein.
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Gemäß 6 und 7 ist ein Lenkrad 10 nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zum Lenkrad 10 gemäß 2 bis 5 weist das Lenkrad 10 gemäß 6 und 7 eine Wälzlagerung 18 auf, die außerhalb eines Lenkradkranzes 12 vorgesehen ist. Konkret ist die Wälzlagerung 18 in der Lenkradnabe 11 radial innen angeordnet. Der Lenkradkranz 12 weist an einem ersten Kranzelement 34 eine Kranznabe 45 auf, mit der der Lenkradkranz 12 in die Lenkradnabe 11 eingreift. Die Kranznabe 45 ist mit dem ersten Kranzelement 34 einteilig ausgebildet. Die Wälzlagerung 18 ist radial zwischen der Kranznabe 45 des Lenkradkranzes 12 und der Lenkradnabe 11 angeordnet. Die Lenkradnabe 11 steht gegenüber der Kranznabe 45 fest, insbesondere still. Mit anderen Worten ist lediglich der Lenkradkranz 12 gegenüber der Lenkradnabe 11 relativ verdrehbar.
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Wie in 7 gut erkennbar, umfasst die Lenkradnabe 11 im Unterschied zur Lenkradnabe 11 gemäß 2 bis 5 kein Lagerelement 39, da die Wälzlagerung 18 gemäß 6 außerhalb des Lenkradkranzes 12 vorgesehen ist.
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8 bis 10 zeigen ein Lenkrad 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Lenkrad 10 mit einer Lenksäule 24 eine Lenkeinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem bildet. Gemäß 8 umfasst die Lenksäule 24 ein Mantelrohr 25 und eine Halteeinheit 46. Das Mantelrohr 25 ist mit der Halteeinheit 46, die in diesem Fall als äußeres Mantelrohr ausgebildet, drehfest verbunden. Die Halteeinheit 46 wird von einer Konsole getragen, wobei die Konsole mit einem Fahrzeug verbindbar ist. Das Mantelrohr 25 kann zur Längenverstellung axial verschiebbar in der Halteeinheit 46 angeordnet sein. Die Lenksäule 24 umfasst des Weiteren eine Verstelleinrichtung 47, durch die das Lenkrad 10 höhenverstellbar ist, in dem die Halteinheit 46 gegenüber der Konsole um eine Schwenkachse verschwenkbar ist.
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Die Lenksäule 24 ist innen hohl ausgebildet. Konkret ist das Mantelrohr 25 und/oder die Halteeinheit 46 zur Aufnahme von elektrischen Leitungen und/oder wenigstens eines elektrischen Antriebs hohl ausgebildet. In der Halteeinheit 46 und/oder dem Mantelrohr 25 können wenigstens ein elektrischer Antrieb und/oder elektrische Leitungen angeordnet sein.
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Das Mantelrohr 25 weist ein erstes Ende 48 auf, das von der Halteeinheit 46 axial abgewandt vorgesehen ist. Das Lenkrad 10 ist an dem Mantelrohr 25 am ersten Ende 48 angeordnet. Das Mantelrohr 25 weist am ersten Ende 48 einen Mantelrohrabsatz 25a auf, an dem das Lenkrad 10 angeordnet ist.
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Das Lenkrad 10 umfasst eine Lenkradnabe 11, einen Lenkradkranz 12 und mehrere Verbindungsmittel 38, die als Lenkradspeichen ausgebildet sind. Die Lenkradnabe 11 ist durch die Verbindungsmittel 38 mit dem Lenkradkranz 12 drehfest verbunden. Das Lenkrad 10 umfasst ferner einen Feedback-Aktuator 13, der in die Lenkradnabe 11 eingebettet ist.
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Der Aufbau und die Funktionsweise des Feedback-Aktuators 13 entspricht dem Aufbau sowie der Funktionsweise des Feedback-Aktuators 13 gemäß 2 bis 5. Wie in den 2 bis 5 beschrieben, ist der Feedback-Aktuator 13 gemäß 8 bis 10 als Außenläufer ausgebildet. Der Feedback-Aktuator 13 umfasst einen Stator 14 und einen Rotor 15, wobei der Stator 14 mit dem Mantelrohr 25 drehfest verbunden ist und der Rotor 15 mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden ist. Der Stator 14 ist durch den Rotor 15 radial außen umschlossen.
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Es ist auch denkbar, dass der Feedback-Aktuator 13 gemäß 8 bis 10 als Innenläufer ausgebildet ist. Hierbei ist der Rotor 15 durch den Stator 14 radial außen umschlossen.
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Der Feedback-Aktuator 13 kann als Direktantrieb durch einen DC-Hohlwellenmotor gebildet sein. Der Direktantrieb zur Verstellung des Lenkrades 10 kann dabei im Inneren der Mantelrohres 25 angeordnet sein und ein Drehmoment auf den Lenkradkranz 12 übertragen. Der Direktantrieb kann dazu mit der Mantelrohr 25 fest verbunden sein.
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Wie in 9 ersichtlich, ist der Rotor 15 hülsenförmig ausgebildet. Der Rotor 15 umfasst zwei Lagerabschnitte 49, 51, wobei in einem ersten Lagerabschnitt 49 ein erstes Lager 52 angeordnet ist und in einem zweiten Lagerabschnitt 51 ein zweites Lager 53 angeordnet ist. Der Rotor 15 und somit der Lenkradkranz 12 ist durch die Lager 52, 53 auf dem Mantelrohr 25 drehbar gelagert.
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Zwischen den Lagern 52, 53 weist der Rotor 15 einen Übertragungsabschnitt 54 auf, in dem ein Drehmoment vom Stator 14 auf den Rotor 15 übertragen wird. Der Stator 14 ist auf dem Mantelrohrabsatz 25a des Mantelrohrs 25 angeordnet. Der Stator 14 ist mit dem Mantelrohr 25 drehfest verbunden. Der Stator 14 weist mehrere Spulen 17 auf, durch die im Betrieb ein Magnetfeld erzeugt wird und somit ein Drehmoment in die Lenkradnabe 11 und somit in den Lenkradkranz 12 einleitbar ist.
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10 zeigt ferner einen Positionssensor 55, insbesondere einen Winkelsensor, der auf dem Mantelrohr 25 angeordnet ist. Der Positionssensor 55 ist dabei auf dem Mantelrohrabsatz 25a des Mantelrohres 25 angeordnet und erfasst die Position des Lenkradkranzes 12 gegenüber dem Mantelrohr 25.
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Das Lenkrad 10 umfasst einen Frontbereich 56, an dem bspw. ein Display vorgesehen ist. Es ist auch denkbar, dass im Frontbereich 56 ein Airbag vorgesehen ist. Bei einer Ausgestaltung des Airbags als non-rotating Airbag, kann dieser in dem Mantelrohr 25 angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015210528 A1 [0005]
