DE102018221490A1

DE102018221490A1 - Steer-by-Wire Lenksystem

Info

Publication number: DE102018221490A1
Application number: DE102018221490.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Riese; Joachim Zanker; Matthias Ehrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Steer-by-wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug,mit einem Lenkgetriebe zur Verstellung der Fahrzeugräder,mit einer Lenkeingabevorrichtung, umfassend eine Lenkhandhabe (1), einer Sensorik (4) zur Messung des Drehwinkels und einem mechanischen Endanschlag zur Begrenzung der Drehbewegungen der Lenkhandhabe (1), wobei der mechanische Endanschlag variabel einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire Lenksystem mit einem variablen Endanschlag.
Stand der Technik
Bei einem Lenksystem nach dem Steer-by-Wire Prinzip werden die Lenkeingaben des Fahrers nur noch elektrisch an die Servoeinheit übermittelt. Der mechanische Durchtrieb von der Lenkhandhabe auf die Lenkstange ist nicht mehr vorhanden. Die Lenkeingaben am Lenkrad werden von einem Sensor registriert und an das Steuergerät der Servoeinheit übermittelt. Das Steuergerät steuert einen elektrischen Motor an, welcher über ein Lenkgetriebe beispielsweise eine Zahnstange verschiebt, wodurch wiederum über die Spurstangen der Lenkwinkel an den Rädern eingestellt wird.
Durch die fehlende mechanische Verbindung zwischen den Rädern und dem Lenkrad bekommt der Fahrer keine direkte Rückmeldung mehr über den Fahrzustand, beispielsweise über Straßenqualität oder über Lenkkräfte. Daher werden Simulatoren eingesetzt, welche dem Fahrer ein möglichst realistisches Feedback geben sollen. Diese sollen dem Fahrer Aufschluss geben, was seine Lenkeingabe für den Zustand des Gesamtfahrzeugs bedeutet. Für eine solche Simulation eines Lenkgefühls wird ein Handmomentenaktuator verwendet, welcher aus einem Elektromotor mit entsprechender Ansteuerung besteht (Force-Feedback Motor).
Die Lenkraddrehungen waren bei konventionellen Lenksystemen durch die Hubbewegungen der Zahnstange begrenzt. Durch die fehlende mechanische Verbindung zwischen den beiden Baugruppen bei einem Steer-by-Wire System wäre es möglich, das Lenkrad unendlich in eine Richtung zu drehen. Dadurch würde aber die Wickelfeder an der Lenkspindel beschädigt werden. Zudem benötigt der Fahrer eine Rückmeldung über den maximal erreichten Lenkwinkel.
Daher kann die obere Lenkeingabe-Baugruppe noch mechanische Endanschläge in beide Lenkrichtungen umfassen.
Die DE 100 17 049 A1 offenbart in den Ausführungsformen nach den 3 und 4 eine Lenkspindel mit einem Außengewinde, auf dem eine nicht verdrehbare Mutter angeordnet ist. Durch Drehen an der Lenkspindel wird die Mutter verschoben bis sie mit ihren Anschlägen die gehäusefesten Anschläge erreicht hat. Damit ist der maximale Drehwinkel der Lenkspindel erreicht.
Weiter ist es möglich, den Endanschlag durch den Handmomentenaktuator zu simulieren. Dafür muss er aber ein sehr hohes Moment bereitstellen können, was zu einer größeren Dimensionierung des verwendeten Elektromotors und zu einer hohen Leistungsaufnahme führt. Gerade in Situationen wie dem Parkieren wird sowohl für vom Servomotor am Lenkgetriebe als auch vom Handmomentenaktuator ein hoher Strom vom Bordnetz abgerufen.
Ein Vorteil von Steer-by-Wire Lenksystemen ist die freie Wahl der Übersetzung der Lenkeingabe zur tatsächlichen Aktuatorlenkbewegung am Rad. Für diesen Vorteil ist die Realisierung eines mechanischen Endanschlags nicht möglich, weshalb das Endanschlagsmoment vom Elektromotor des Handmomentenaktuators aufgebracht werden muss.
Es ist damit die Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden, also dass trotz kleiner Dimensionierung des Elektromotors und damit geringer Belastung des Bordnetzes ein variabler Endanschlag möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre von Anspruch 1 gelöst, indem der mechanische Endanschlag variabel einstellbar ist. Zunächst sind erste Anschläge der Lenkspindel zugeordnet, das heißt, die ersten Anschläge werden vorzugsweise über ein Getriebe durch die Lenkspindel bewegt. Weiterhin gibt es zweite Anschläge, die am Gehäuse der Baueinheit angeordnet sind. Stossen die ersten Anschläge an die zweiten Anschläge ist der maximale Drehwinkel der Lenkspindel erreicht. Erfindungsgemäß können nun die ersten oder zweiten Anschläge jeweils durch einen elektrischen Motor verstellt werden. Der Fahrer kann für die virtuelle Übersetzung zwischen Lenkrad und Radlenkwinkel beliebige Übersetzungen auswählen und die beiden Elektromotoren verschieben den mechanischen Endanschlag entsprechend der Fahrervorgabe.
An den Endanschlägen können Puffer, beispielsweise Gummielemente, Federelemente oder Stoßdämpfer, angeordnet sein um den Endanschlag zu dämpfen und um ein ähnliches Gefühl wie bei konventionellen Lenkanschlägen zu vermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die zweiten Anschläge elektrisch verstellt werden. Somit werden die zwei elektrischen Motoren an dem Gehäuse angeordnet. Die Anschläge mit den Elektromotoren können je nach Bauraumvorgaben rechts und links von der Lenkspindel oder untereinander parallel zur Lenkspindel angeordnet sein.
Die ersten Anschläge können über unterschiedliche Getriebeformen durch die Lenkspindel bewegt werden. Beispielsweise können die ersten Anschläge an den Enden einer Zahnstange angeordnet sein. In die Zahnstange greift ein Ritzel ein, welches durch die Lenkspindel rotiert. Dadurch werden die ersten Anschläge horizontal verschoben und berühren im Endanschlag die rechts und links von der Lenkspindel angeordneten zweiten Anschläge.
Durch ein Kegelradgetriebe kann die Drehbewegung der Lenkspindel um 90° umgelenkt werden bevor das Ritzel angetrieben wird. Die Zahnstange bewegt sich bei dieser Ausführung parallel zur Lenkspindel und stößt mit den ersten Anschläge im Endanschlag an die zweiten Anschläge, welche untereinander und parallel zur Lenkspindel angeordnet sind.
Statt dem Ritzel-Zahnstangen-Getriebe kann in einer weiteren Ausführungsform eine Spindelmutter verwendet, welche auf einem Außengewinde auf der Lenkspindel hoch und runter geführt wird. Auf der nicht drehbaren Spindelmutter sind die ersten Anschläge angeordnet. Die zweiten Anschläge sind hier wieder untereinander parallel zur Lenkspindel angeordnet und können entweder durch zwei einzelne Motoren oder durch eine angetrieben Klaue verstellt werden. Durch die Erfindung kann das Bordnetz entlastet werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, insbesondere bei Fahrzeugen mit mehreren Lenkaktuatoren wie beispielsweise Vorder- und Hinterachslenkung oder bei Einzelradstellern.
Mit dem elektrisch verstellbaren Endanschlag sind weitere Funktionen denkbar. Soll die Lenkhandhabe in der Geradeausstellung festgehalten werden (z.B. im Fehlerfall, als Diebstahlschutz, beim autonomen Fahren) können die Anschläge komplett ausgefahren werden. Es kann auch nur einer der Anschläge komplett ausgefahren werden um ein Anlenken an einen Bordstein zu simulieren.
Darüber hinaus ist im Falle eines Ausfalls des eigentlichen Lenkaktuators für diese Notsituation das dauerhafte aktive Führen und Anpassen der Lenkeingabevorrichtung durch die Einstellvorrichtung denkbar, um im Notlauf ein rudimentäres Lenkgefühl aufzuprägen. Zudem kann durch den elektrisch verstellbaren Endanschlag der zulässige Lenkwinkel in einer Notlaufsituation deutlich beschränkt werden.
Wenn der elektrisch verstellbare Endanschlag in einer ausgefahrenen Position ausfällt, ist eine rotatorische Rückstellfeder denkbar, welche den Anschlag wieder in eine eingefahrene Position bringt.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines Fahrzeugs
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Endanschlags
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Endanschlags
4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Endanschlags

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steer-by-wire Lenksystems eines Fahrzeugs. An der Lenkeingabeeinheit mit Lenkrad 1 und Force-Feedback Motor 2 werden die Lenkbefehle von einem Sensor 4 registriert. Die Signale werden an ein Steuergerät 5 übermittelt, welches sich an der unteren Baugruppe, dem Steering Rack Actuator, befindet. Das Steuergerät 5 steuert den Servomotor 6 an, welcher über ein Riemengetriebe 7 den Kugelgewindetrieb antreibt, wodurch letztendlich die Lenkstange 3 verschoben wird. Die Lenkstange 3 verstellt über die Spurstangen 9 den Lenkwinkel an den Rädern.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die ersten Anschläge 10 horizontal durch ein Ritzel-Zahnstangen-Getriebe 12 verschoben werden. Das Ritzel sitzt auf der Lenkspindel, welche durch das Lenkrad 1 rotiert. Die zweiten Anschläge 11, bestehend aus einem Elektromotor 14, Spindelgetriebe und Puffer, sind rechts und links von der Lenkspindel angeordnet. Ein Force-Feedback Motor bzw. Handmomentenaktuator 2 simuliert die Lenkkräfte für den Fahrer.
Die 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform. Hier wird allerdings die Rotation der Lenkspindel durch ein Kegelradgetriebe 13 um 90° gedreht. Dadurch ist dann das Ritzel-Zahnstangen-Getriebe 12 ebenfalls gedreht und die Zahnstange bewegt sich parallel zur Lenkspindel, wobei die zweiten Anschläge 11 untereinander angeordnet sind.
In der 4 ist eine Ausführungsform mit einer Spindelmutter 15 zu sehen, welche auf einem Außengewinde der Lenkspindel hoch und runter geführt wird. Ein Verdrehen der Spindelmutter 15 wird dazu durch eine Führung 17 verhindert. An der Spindelmutter 15 sind die ersten Anschläge 10 angeordnet. Die zweiten Anschläge sind an einer Klaue 16 angeordnet, wobei die Klauenöffnung durch einen Elektromotor verstellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10017049 A1 [0006]

Claims

Steer-by-wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkgetriebe zur Verstellung der Fahrzeugräder, mit einer Lenkeingabevorrichtung, umfassend eine Lenkhandhabe (1), einer Sensorik (4) zur Messung des Drehwinkels und einem mechanischen Endanschlag zur Begrenzung der Drehbewegungen der Lenkhandhabe (1), dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Endanschlag variabel einstellbar ist.
Steer-by-wire Lenksystem nach Anspruch 1, wobei der mechanische Endanschlag erste Anschläge (10) aufweist, welche durch die Drehbewegungen der Lenkhandhabe (1) bewegt werden, wobei der mechanische Endanschlag zweite Anschläge (11) aufweist, welche mit einem Gehäuse der Lenkeingabevorrichtung verbunden sind, wobei bei Einreichen des Endanschlags die ersten Anschläge (10) an den zweiten Anschlägen (11) anschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder zweiten Anschläge (10, 11) elektrisch verstellbar sind.
Steer-by-wire Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder zweiten Anschläge (10, 11) durch einen elektrischen Motor ein- und ausgefahren werden können.
Steer-by-wire Lenksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Anschläge an den beiden Enden einer Zahnstange angeordnet sind, dass an der Lenkspindel ein Ritzel angeordnet ist, welches in die Zahnstange eingreift, so dass bei Drehbewegungen der Lenkspindel über das Ritzel-Zahnstangengetriebe (12) die ersten Anschläge (10) verschoben werden, und dass links und rechts von der Lenkspindel die zweiten Anschläge (11) angeordnet sind.
Steer-by-wire Lenksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Anschläge (10) an den beiden Enden einer Zahnstange angeordnet sind, dass an der Lenkspindel ein Kegelradgetriebe (13) angeordnet ist, welches die Drehbewegung um 90° umlenkt und dann ein Ritzel antreibt, welches in die Zahnstange eingreift, so dass bei Drehbewegungen der Lenkspindel über das Kegelradgetriebe (13) und Ritzel-Zahnstangengetriebe (12) die ersten Anschläge (10) parallel zur Lenkspindel verschoben werden, und dass parallel zur Lenkspindel die zweiten Anschläge (11) untereinander angeordnet sind.
Steer-by-wire Lenksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Anschläge (10) an einer nicht verdrehbaren Spindelmutter (15) angeordnet sind, welche auf ein Außengewinde an der Lenkspindel geschraubt ist, wodurch die ersten Anschläge (10) bei Drehbewegungen der Lenkspindel hoch und runter bewegt werden, und dass parallel zur Lenkspindel die zweiten Anschläge (11) untereinander angeordnet sind.
Steer-by-wire Lenksystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Anschläge (11) getrennt einstellbar sind, oder dass die zweiten Anschläge (11) auf einer Anschlagsklaue (16) angeordnet sind und damit gleichzeitig eingestellt werden.
Steer-by-wire Lenksystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Anschläge (11) jeweils durch einen Elektromotor über ein Spindelgetriebe ein- und ausgefahren werden können.
Steer-by-wire Lenksystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lenkeingabevorrichtung ein Force-Feedback Motor (2) angeordnet ist.