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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Lenkungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Force-Feedback-Aktuator mit einer Antriebseinheit, die über eine Getriebeeinrichtung mit einer Lenkradanbindung wirkverbunden ist, wobei die Antriebseinheit eine Antriebswelle zur Betätigung der Getriebeeinrichtung und die Lenkradanbindung eine mit der Getriebeeinrichtung wirkverbundenen Abtriebswelle aufweisen.
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Moderne Lenkachsen von Kraftfahrzeugen weisen üblicherweise ein sogenanntes Steer-by-wire-Lenksystem auf, das Lenkbefehle des Fahrers wie konventionelle mechanische Lenkungen durch manuelle Drehung eines Lenkrades entgegennimmt. Die Einstellung des Lenkwinkels der zu lenkenden Räder erfolgt elektromechanisch mithilfe von Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren, die den in das Lenkrad eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenkaktuator übermitteln, der zumindest mittelbar einen entsprechenden Lenkeinschlag bzw. den Lenkwinkel der Räder der Lenkachse einstellt. Da der Lenkaktuator nicht direkt mechanisch mit dem Lenkrad verbunden sind, steht zu einer ausgeführten Betätigung des Lenkaktuators bzw. des Stellmoduls und damit einhergehender Einstellung des Lenkwinkels der Räder zunächst keine Kraft-Rückmeldung am Lenkrad bereit, die jedoch grundsätzlich wünschenswert ist. Durch die fehlende haptische Rückmeldung ist es für den Fahrer erschwert aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
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Um auch bei einem mechanisch vom Lenkrad entkoppelten Stellmodul eine Kraft-Rückmeldung oder ein Rückstellmoment, auch Force-Feedback genannt, zu erzielen, ist ein Force-Feedback-Aktuator vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass eine fahrsituationsabhängige Kraftrückkopplung bzw. das Rückstellmoment an der Lenkwelle oder direkt am Lenkrad erzeugt wird, die die haptische Kraft-Rückmeldung für den Fahrer liefert. Anders gesagt wird für den Fahrer mittels des Force-Feedback-Aktuators ein bekanntes Lenkgefühl durch eine Einstellung eines Rückstellmoments am Lenkrad nachgebildet.
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Die
DE 10 2013 014 122 A1 offenbart einen Lenkanschlag für ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer Lenkwelle zur Verbindung mit einem Lenkrad. Ein Schneckenrad ist mit der Lenkwelle gekoppelt, wobei eine Längsachse des Schneckenrades und eine Längsachse der Lenkwelle parallel zueinander angeordnet sind. Das Schneckenrad steht im Eingriff mit einer Schneckenwelle und die Schneckenwelle ist mit einer Antriebsvorrichtung versehen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektromechanische Lenkungsanordnung weiterzuentwickeln, und insbesondere einen dafür benötigten Bauraum zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch eine Lenkungsanordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Eine erfindungsgemäße elektromechanische Lenkungsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Force-Feedback-Aktuator mit einer Antriebseinheit, die über eine Getriebeeinrichtung mit einer Lenkradanbindung wirkverbunden ist, wobei die Antriebseinheit eine Antriebswelle zur Betätigung der Getriebeeinrichtung und die Lenkradanbindung eine mit der Getriebeeinrichtung wirkverbundenen Abtriebswelle aufweisen, wobei die Antriebswelle der Antriebseinheit und die Abtriebswelle der Lenkradanbindung konzentrisch angeordnet sind, wobei im Leistungsfluss zwischen der Antriebseinheit und der Lenkradanbindung mindestens ein erstes Zwischenrad angeordnet ist. Der Force-Feedback-Aktuator kann beispielsweise mit einer Steuereinrichtung verbunden sein, die einen Befehl an den Force-Feedback-Aktuator übermittelt, um ein Rückstellmoment, auch Force-Feedback genannt, zu generieren, um für den Fahrer des Kraftfahrzeugs ein der Fahrsituation entsprechendes, realistisches Lenk- und Fahrgefühl zu erzeugen bzw. nachzubilden.
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Unter dem Begriff „Force-Feedback“ ist eine Kraftrückkopplung bzw. ein Rückstellmoment zu verstehen, wobei das Rückstellmoment am Lenkrad erzeugt wird, um dem Fahrer eine synthetisch nachgebildete haptische Rückmeldung bezüglich der momentanen Fahrsituation zu liefern, die er bei einer konventionellen mechanischen oder hydraulischen Kopplung zwischen dem Lenkrad und einem Stellmodul zur Einstellung eines Lenkwinkels der Räder erwarten würde. Mit anderen Worten wird dem Fahrer ein durch den Force-Feedback-Aktuator erzeugtes haptisches Signal geliefert, mithilfe dessen der Fahrer die momentane Fahrsituation bewerten und darauf reagieren kann.
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Vorzugsweise ist der Force-Feedback-Aktuator über die Lenkradanbindung mit dem Lenkrad verbunden, wobei über die Lenkwelle zum einen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch Drehung des Lenkrades in den Force-Feedback-Aktuator eingeleitet und zum anderen Rückstellmomente in einem entgegengesetzten Kraftpfad vom Force-Feedback-Aktuator an das Lenkrad übermittelt werden.
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Die konzentrische Anordnung der Abtriebswelle und der Antriebswelle hat den Vorteil, dass ein vorhandener Bauraum des Kraftfahrzeugs optimal ausgenutzt wird. Insbesondere kann die Lenkungsanordnung vergleichsweise schlank ausgebildet werden, sodass eine sogenannte In-Line-Anordnung möglich ist, bei der die erfindungsgemäße Lenkungsanordnung innerhalb eines Lenkrohres eingesetzt werden kann. Ferner kann durch das zumindest eine Zwischenrad ein höheres Übersetzungsverhältnis realisiert werden.
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Unter dem Begriff „wirkverbunden“ ist zu verstehen, dass zwei Getriebeelemente, beispielsweise zwei Zahnräder, direkt miteinander verbunden sein können, oder dass sich zwischen zwei Getriebeelementen noch weitere Getriebeelemente befinden, beispielsweise ein oder mehrere Wellen oder Zahnräder. Zwei miteinander im Zahneingriff stehende Zahnräder sind zur Übertragung eines Drehmoments und einer Drehzahl von dem einen Zahnrad auf das andere Zahnrad vorgesehen. Unter einem Zahnrad sind beispielsweise ein Ritzel, ein Hohlrad sowie ein Zwischenrad eines ein- oder mehrteiligen Hohlradgetriebes zu verstehen.
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Vorzugsweise umfasst die Getriebeeinrichtung ein erstes Ritzel, das drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, sowie ein Hohlrad, das drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Mit anderen Worten ist das Hohlrad zumindest mittelbar über die Lenkradanbindung mit dem Lenkrad des Kraftfahrzeugs drehfest verbunden, wobei die Lenkradanbindung bevorzugt zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet ist. Zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle wird ein Drehmoment bzw. ein Rückstellmoment sowie eine Drehzahl übertragen, wobei das Übersetzungsverhältnis abhängig ist von den Durchmessern und den Zähnezahlen der wirkverbundenen Bauteile.
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Dabei steht das erste Zwischenrad bevorzugt mit dem ersten Ritzel und dem Hohlrad in Zahneingriff. Das Ritzel wird über die Antriebswelle von der Antriebseinheit drehangetrieben, wobei das Hohlrad über das erste Zwischenrad, welches mit dem ersten Ritzel kämmt, drehangetrieben wird. Somit wirkt das durch die Antriebseinheit erzeugte Drehmoment bzw. Rückstellmoment auf das Lenkrad ein, und liefert damit das haptische Signal an den Fahrer des Kraftfahrzeugs.
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Zwischen einer Verzahnung des ersten Zwischenrades und einer Verzahnung des ersten Ritzels bzw. des Hohlrades liegt eine sogenannte Überdeckung oder Profilüberdeckung vor. Dabei entspricht ein Grad der Überdeckung dem Verhältnis der Eingriffslänge zur Teilung des jeweiligen Zahnrades, also des jeweiligen Ritzels, Zwischenrades oder Hohlrades. Damit eine kontinuierliche Übertragung des Drehmoments zwischen dem Zwischenrad und dem ersten Ritzel bzw. dem Hohlrad möglich ist, muss die Eingriffslänge größer als die Teilung sein, also größer als der Abstand zweier gleichliegender Zahnflanken auf dem Wälzkreis. Somit ist gewährleistet, dass mindestens ein Zahn, vorzugsweise mehrere Zähne im Zahneingriff sind. Je größer die Überdeckung ist, desto besser ist das akustische Verhalten der Getriebeeinrichtung. Ferner werden Schäden, wie etwa Grübchenbildung, durch eine hohe Überdeckung verringert.
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Ferner bevorzugt ist das erste Zwischenrad drehbar auf einem ersten Lagerzapfen gelagert, der drehfest an einem Gehäuseabschnitt der Antriebseinheit angeordnet ist. Der Gehäuseabschnitt der Antriebseinheit ist ortsfest, also nicht drehbar beispielsweise an einem Fahrwerk oder einer Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt. Somit rotiert das erste Zwischenrad um die Längsachse des positionsfesten ersten Lagerzapfens.
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Des Weiteren bevorzugt ist am ersten Lagerzapfen ein erstes Lagerelement zur drehbaren Lagerung des ersten Zwischenrades angeordnet. Dabei kann es sich bei dem ersten Lagerelement um ein Kugellager oder ein Zylinderrollenlager oder ein anderes geeignetes Lager handeln. Das erste Lagerelement gewährleistet eine axialfeste und drehbare Anordnung des ersten Zwischenrades am ersten Lagerzapfen.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel steht das erste Zwischenrad mit dem ersten Ritzel in Zahneingriff, wobei das erste Zwischenrad drehfest mit einem zweiten Ritzel verbunden ist, welches in Zahneingriff mit einem zweiten Zwischenrad steht, wobei das zweite Zwischenrad mit dem Hohlrad in Zahneingriff steht. Mit anderen Worten bilden das axial benachbarte erste Zwischenrad und das zweite Ritzel gemeinsam ein Stufenrad, welches ein Drehmoment und eine Drehzahl zumindest mittelbar zwischen dem ersten Ritzel und dem Hohlrad überträgt. Das erste Zwischenrad weist vorzugsweise einen ersten Durchmesser auf, der größer ausgebildet ist, als ein zweiter Durchmesser des zweiten Ritzels.
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Vorzugsweise ist das zweite Zwischenrad drehbar auf einem zweiten Lagerzapfen gelagert, der drehfest an einem Gehäuseabschnitt der Lenkradanbindung angeordnet ist. Bevorzugt ist der zweite Lagerzapfen lenkradfest angeordnet.
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Ferner bevorzugt ist am zweiten Lagerzapfen ein zweites Lagerelement zur drehbaren Lagerung des zweiten Zwischenrades angeordnet. Dabei kann es sich bei dem zweiten Lagerelement ebenfalls um ein Kugellager oder ein Zylinderrollenlager oder ein anderes geeignetes Lager handeln. Das zweite Lagerelement gewährleistet eine axialfeste und drehbare Anordnung des zweiten Zwischenrades am zweiten Lagerzapfen.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das erste Ritzel, das zweite Ritzel, das erste Zwischenrad, das zweite Zwischenrad und/oder das Hohlrad eine Evoloid-Verzahnung aufweisen. Als Evoloid-Verzahnungen werden schräge Evolventenverzahnungen bezeichnet, die zur Realisierung großer Übersetzungen in einer Getriebestufe mit parallelen Achsen Ritzelzähnezahlen bis zu einem einzigen Zahn verwenden. Mit ihnen kann die Zahl der Getriebestufen reduziert und/oder die Moduln um ein Vielfaches ihres Wertes vergrößert werden. Dabei kann die jeweilige Evoloid-Verzahnung zur Übersetzung ins Langsame oder zur Übersetzung ins Schnelle ausgebildet sein.
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Ferner bevorzugt ist die Antriebseinheit als Elektromotor ausgebildet. Der Force-Feedback-Aktuator ist dabei insbesondere mit der Lenkradanbindung wirkverbunden, die gleichzeitig als Antriebswelle zur manuellen Eingabe des Lenkbefehls sowie als Abtriebswelle zur Übertragung des Rückstellmoments auf das Lenkrad ausgebildet ist.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform, und
- 2 eine vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst eine elektromechanische Lenkungsanordnung 1 für ein - hier nicht dargestelltes - Kraftfahrzeug einen Force-Feedback-Aktuator 2 mit einer Antriebseinheit 4, die über eine Getriebeeinrichtung 3 mit einer Lenkradanbindung 5 wirkverbunden ist. Die Antriebseinheit 4 ist als Elektromotor ausgebildet, die eine Antriebswelle 6 sowie ein drehfest damit verbundenes erstes Ritzel 9a der Getriebeeinrichtung 3 antreibt, wobei die Antriebswelle 6 drehbar in einem Gehäuseabschnitt 12 der Antriebseinheit 4 gelagert ist.
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Die Lenkradanbindung 5 ist an einem der Getriebeeinrichtung 3 entgegengesetzten freien Ende zumindest mittelbar mit einem - hier nicht gezeigten - Lenkrad verbunden und weist eine mit der Getriebeeinrichtung 3 wirkverbundene Abtriebswelle 7 auf, die drehfest mit einem Hohlrad 10 der Getriebeeinrichtung 3 verbunden ist. Mithin ist die Abtriebswelle 8 abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet. Die Antriebswelle 6 der Antriebseinheit 4 und die Abtriebswelle 7 der Lenkradanbindung 5 sind dabei konzentrisch bzw. koaxial angeordnet.
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1 zeigt, dass im Leistungsfluss zwischen der Antriebseinheit 4 und der Lenkradanbindung 5 ein erstes Zwischenrad 8a angeordnet ist. Das erste Zwischenrad 8a steht dabei mit dem ersten Ritzel 9a und dem Hohlrad 10 in Zahneingriff. Das erste Zwischenrad 8a ist mittels eines ersten Lagerelements 13a drehbar auf einem ersten Lagerzapfen 11a gelagert, der drehfest an dem Gehäuseabschnitt 12 der Antriebseinheit 4 angeordnet ist. Der Gehäuseabschnitt 12 stützt sich gegen eine - hier nicht dargestellte - Karosserie des Kraftfahrzeugs ab und ist somit drehfest. Es ist denkbar, dass für hohe Antriebsmomente auch weitere Zwischenräder 8a im Force-Feedback-Aktuator 2 vorgesehen sind.
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Nach 2 ist im Leistungsfluss zwischen der Antriebseinheit 4 und der Lenkradanbindung 5 ein erstes Zwischenrad 8a sowie ein zweites Zwischenrad 8b angeordnet. Das erste Zwischenrad 8a steht mit dem ersten Ritzel 9a in Zahneingriff, wobei das erste Zwischenrad 8a drehfest mit einem axial benachbart dazu angeordneten zweiten Ritzel 9b verbunden ist und somit ein Stufenrad mit unterschiedlichen Durchmessern bildet. Das zweite Ritzel 9b steht in Zahneingriff mit einem zweiten Zwischenrad 8b, wobei das zweite Zwischenrad 8b mit dem Hohlrad 10 in Zahneingriff steht, sodass ein Drehmoment und eine Drehzahl von der Antriebswelle 6 der Antriebseinheit 4 auf die Abtriebswelle 7 der Lenkradanbindung 5 übertragen wird. Durch die beiden miteinander wirkverbundenen Zwischenräder 8a, 8b lässt sich eine hohe Gesamtübersetzung erzielen.
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Das zweite Zwischenrad 8b ist mittels eines zweiten Lagerelements 13b drehbar auf einem zweiten Lagerzapfen 11 b gelagert, der wiederum drehfest an einem Gehäuseabschnitt 14 der Lenkradanbindung 5 angeordnet ist. Vorliegend weisen das erste Ritzel 9a und das erste Zwischenrad 8a eine Evoloid-Verzahnung auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromechanische Lenkungsanordnung
- 2
- Force-Feedback-Aktuator
- 3
- Getriebeeinrichtung
- 4
- Antriebseinheit
- 5
- Lenkradanbindung
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Abtriebswelle
- 8a, 8b
- Zwischenrad
- 9a, 9b
- Ritzel
- 10
- Hohlrad
- 11a, 11b
- Lagerzapfen
- 12
- Gehäuseabschnitt der Antriebseinheit
- 13a 13b
- Lagerelement
- 14
- Gehäuseabschnitt der Lenkradanbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013014122 A1 [0004]
