DE102019102069A1

DE102019102069A1 - Schaltbare Kupplung für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, Steer-by-Wire-Lenksystem, Verfahren zum Betrieb und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019102069A1
Application number: DE102019102069.7A
Authority: DE
Inventors: Serge Vos
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare, formschlüssige Kupplung für ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug, ein Steer-by-Wire-Lenksystem, ein Verfahren zu dessen Betrieb und ein Fahrzeug, wobei die Kupplung einen ersten Verbindungsabschnitt, der drehfest mit einer ersten Lenkwelle koppelbar ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt, der drehfest mit einer zweiten Lenkwelle koppelbar ist, einen ersten Kupplungsteil, der drehfest mit dem ersten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, einen zweiten Kupplungsteil, der drehfest mit dem zweiten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, und eine Aktuatoreinrichtung aufweist, wobei der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil mittels der Aktuatoreinrichtung miteinander in Eingriff und außer Eingriff bringbar sind, wobei, wenn die Kupplung geöffnet ist, der erste Kupplungsteil gegenüber dem zweiten Kupplungsteil frei drehbar ist, und wobei die Kupplung nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils relativ zum zweiten Kupplungsteil vollständig schließbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine schaltbare Kupplung für ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug, wobei die Kupplung einen ersten Verbindungsabschnitt, der drehfest mit einer ersten, insbesondere fahrerseitigen, um eine Rotationsachse drehbaren Lenkwelle koppelbar ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt, der drehfest mit einer zweiten, insbesondere radseitigen, um eine Rotationsachse drehbaren Lenkwelle koppelbar ist, einen ersten Kupplungsteil, der drehfest mit dem ersten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, einen zweiten Kupplungsteil, der drehfest mit dem zweiten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, und eine Aktuatoreinrichtung aufweist, wobei der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil mittels der Aktuatoreinrichtung miteinander in Eingriff und/oder außer Eingriff bringbar sind. Die Kupplung ist dabei derart ausgebildet, dass in einem ersten Schaltzustand der Kupplung, insbesondere einem vollständig geschlossenen Zustand, der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander in Eingriff sind, sodass zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil ein Drehmoment übertragbar ist, insbesondere ein von einem Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer solchen Kupplung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Steer-by-Wire-Lenksystems.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer vorgenannten Kupplung und/oder einem Steer-by-Wire-Lenksystem.
Steer-by-Wire-Lenksysteme, insbesondere mit einer mechanischen Rückfallebene mit wenigstens einer schaltbaren Kupplung, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2015 225 522 A1 oder der DE 199 26 534 A1 .
Bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem kann üblicherweise in einem „Normalbetriebszustand“ (d.h. sofern kein Fehler vorliegt) mittels einer mechanisch von den lenkbaren Rädern getrennten Lenkeingabevorrichtung, beispielsweise mittels eines Lenkrads, ein Lenkwunsch eines Fahrers erfasst werden, welcher mittels eines mechanisch vom Lenkeingabegerät getrennten Lenkaktuators und einer mechanisch mit den lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbundenen Lenkanordnung in eine Lenkbewegung umgesetzt werden kann. Die grundsätzliche mechanische Trennung der Lenkeingabevorrichtung von der Lenkanordnung und den lenkbaren Rädern (außer im Fehlerfall des Lenksystems, wenn durch Schließen der vorhandenen Kupplung die mechanische Verbindung zwischen der Lenkeingabevorrichtung und den lenkbaren Rädern zumindest derart hergestellt wird, dass das Fahrzeug sicher zum Stehen gebracht werden kann und/oder eingeschränkt weiterbetrieben werden kann) lassen sich diverse Vorteile hinsichtlich Funktion, Bauraum, Package und Crashsicherheit erreichen.
Für die Ausgestaltung der Rückfallebene sowie für entsprechende Kupplungen zur Herstellung und/oder Trennung der mechanischen Verbindung im Lenkungsstrang zwischen der Lenkeingabevorrichtung und den lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs sind verschiedene Konzepte bekannt. Insbesondere ist bekannt, beispielsweise aus der eingangs erwähnten DE 199 26 534A1 , eine reibschlüssige Ein- oder Mehrscheibenkupplung einzusetzen oder eine formschlüssige Klauenkupplung. Ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer alternativen Ausgestaltung einer Kupplung lehrt auch die EP 2 330 012 A1 .
Darüber hinaus ist, beispielsweise aus der US 6,580,989 B1 , ein Steer-by-Wire-Lenksystem bekannt, bei welchem eine mechanische Kopplung zwischen einer Lenkeingabevorrichtung und den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs nicht nur für den Fehlerfall vorgesehen ist, sondern außerdem auf einen Fahrerwunsch hin bewirkt werden kann, so dass das Lenksystem ohne sich im Fehlerzustand zu befinden, einen manuellen Fahrmodus, insbesondere mit einer Lenkraftunterstützung, ermöglicht, wobei je nach Fahrerwunsch mittels einer schaltbaren Kupplung die mechanische Verbindung zwischen der Lenkeingabevorrichtung und den lenkbaren Rädern hergestellt oder getrennt werden kann.
Des Weiteren sind Steer-by-Wire-Lenksysteme bekannt, welche zusätzlich zu einem Steer-by-Wire-Modus, bei welchem ein Lenkwunsch eines Fahrers mittels einer von den lenkbaren Rädern mechanisch getrennten Lenkeingabevorrichtung erfasst wird und anschließend mittels des Lenkaktuators und der Lenkanordnung in eine Lenkbewegung der lenkbaren Räder umgesetzt wird, ein automatisches oder autonomes Fahren ermöglichen. D.h. Lenksysteme, bei welchen eine Lenkanforderung nicht in Abhängigkeit von einem mittels einer Lenkeingabevorrichtung von einem Fahrer an das System übermittelten und erfassten Lenkwunsches bestimmt wird, sondern die Lenkanforderung auf andere Weise, beispielsweise aufgrund von Routen- und/oder Umgebungsinformationen automatisch generiert wird.
In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine vorhandene Lenkeingabevorrichtung dabei den gelenkten Rädern nicht nachgeführt wird, sondern unverändert in ihrer Position verbleibt, insbesondere fixiert wird. Dies hat zur Folge, dass bei jedem Wechsel in den Steer-by-Wire-Modus eine erneute Synchronisation zwischen der Position der Lenkeingabevorrichtung und der Radstellung erforderlich ist.
Wird die Kupplung geschlossen, ohne dass die Lenkeingabevorrichtung und die Radstellung zueinander derart ausgerichtet werden, dass sich sowohl die Räder als auch das Lenkrad in einer definierten Nullstellung, insbesondere in Geradeausstellung oder in einer Mittenstellung befinden, kann dies, insbesondere im Fall einer durch Drehen zu betätigenden Lenkeingabevorrichtung die nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist, sondern beispielsweise an einer Seite abgeflacht ist, wie dies insbesondere aus dem Motorsport bekannt ist, oder ein Lenkrad mit einem Logo in Form eines Schriftzuges oder dergleichen als Lenkeingabevorrichtung aufweist, insbesondere beim Wechsel in den manuellen Modus zu einer Irritation des Fahrers führen, wenn sich die Räder in Geradeausstellung befinden, aber die Lenkeingabevorrichtung verdreht ist, d.h. die Lenkeingabevorrichtung nicht in der eigentlich erwarteten Geradeausstellung steht, sondern „schief“, da sich beispielsweise die abgeflachte Seite des Lenkrads nicht unten befindet oder ein auf die Lenkeingabevorrichtung aufgebrachter Schriftzug und/oder ein Logo schief steht. Dies kann für den Fahrer sehr verwirrend sein, da er anhand der Stellung der Lenkeingabevorrichtung nun nicht mehr erkennen kann, ob sich die Räder in der Geradeausstellung befinden oder nicht. Zumal sich die Stellung der Lenkeingabevorrichtung, in welcher sich die Räder in Geradeausstellung befindet, stets ändern würde.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Kupplung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte Kupplung, sowie ein alternatives, insbesondere verbessertes, Steer-by-Wire-System, ein alternatives, insbesondere verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Steer-by-Wire-Systems und ein entsprechendes Fahrzeug.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch 1, durch ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen von Anspruch 14, durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 15 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 17.
Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße, schaltbare Kupplung für ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug weist einen ersten Verbindungsabschnitt auf, der drehfest mit einer ersten, insbesondere fahrerseitigen, um eine Rotationsachse drehbaren Lenkwelle koppelbar ist, insbesondere drehfest verbindbar, einen zweiten Verbindungsabschnitt, der drehfest mit einer zweiten, insbesondere radseitigen, um eine Rotationsachse drehbaren Lenkwelle koppelbar ist, insbesondere drehfest verbindbar, einen ersten Kupplungsteil, der drehfest mit dem ersten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, insbesondere drehfest verbunden ist, einen zweiten Kupplungsteil, der drehfest mit dem zweiten Verbindungsabschnitt gekoppelt ist, insbesondere drehfest verbunden ist, und eine Aktuatoreinrichtung, insbesondere eine ansteuerbare Aktuatoreinrichtung.
Der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil sind dabei mittels der Aktuatoreinrichtung miteinander in Eingriff und/oder außer Eingriff bringbar, wobei die Kupplung derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Schaltzustand der Kupplung, insbesondere einem vollständig geschlossenen Zustand, der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander in Eingriff sind, sodass zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil ein Drehmoment übertragbar ist, insbesondere ein von einem Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment.
Eine erfindungsgemäße, schaltbare Kupplung ist ferner derart ausgebildet, dass in einem zweiten Schaltzustand der Kupplung, insbesondere einem vollständig geöffneten Zustand, der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil derart außer Eingriff sind, dass der erste Kupplungsteil gegenüber dem zweiten Kupplungsteil frei drehbar ist.
Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße, schaltbare Kupplung, insbesondere der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil, derart ausgebildet, dass die Kupplung nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils relativ zum zweiten Kupplungsteil vollständig schließbar ist.
Unter einem Verbindungsabschnitt wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Abschnitt verstanden, welcher dazu ausgebildet ist mit einem weiteren Bauteil verbunden zu werden, insbesondere einer Lenkwelle, und dies vorzugsweise drehfest.
Die Rotationsachse der ersten, insbesondere fahrerseitigen, Lenkwelle und die Rotationsachse der zweiten, insbesondere radseitigen, Lenkwelle, sind dabei insbesondere koaxial zueinander angeordnet. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In einigen Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein, wenn die Rotationsachsen der ersten und zweiten Lenkwelle nicht koaxial zueinander angeordnet sind. In diesem Fall kann es jedoch erforderlich sein, entsprechende Zwischenstücke, zum Beispiel Kardangelenke oder dergleichen, vorzusehen.
Unter dem Begriff „koppelbar“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei grundsätzlich eine mechanische Kopplung zweier Bauteile verstanden, d.h. eine mechanische Wirkverbindung zwischen diesen Bauteilen. Die betreffenden, miteinander gekoppelten Bauteile müssen dabei nicht direkt miteinander verbunden sein, können dies aber. D.h., es können weitere Bauteile zwischen den beiden miteinander gekoppelten Bauteilen in der Wirkkette angeordnet sein. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
„Verbunden“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei hingegen vorzugsweise derart verstanden, dass zwei entsprechende Bauteile insbesondere direkt miteinander verbunden sind, d.h. vorzugsweise ohne weitere Bauteile dazwischen.
Unter dem Begriff „drehfest“ wird im Sinne der vorliegenden Verbindung insbesondere eine Verbindung verstanden, welche dazu geeignet ist, ein Drehmoment zu übertragen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung ist vorzugsweise einer der beiden Kupplungsteile axial festgelegt oder axial festlegbar ausgebildet, dabei jedoch drehbar, um im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung, beispielsweise im Fehlerfall oder in einem manuellen Betriebsmodus, mit einer mit diesem Kupplungsteil gekoppelten Lenkwelle mitdrehen zu können.
Der andere der beiden Kupplungsteile ist bevorzugt hingegen nicht nur drehbar, sondern außerdem auch axial verschiebbar gelagert, insbesondere relativ zum anderen Kupplungsteil axial verschiebbar, um das in Eingriffbringen und außer Eingriffbringen der beiden Kupplungsteile in axialer Richtung zu ermöglichen. Es können aber grundsätzlich auch beide Kupplungsteile axial verschiebbar gelagert sein. Dies ist in der Regel jedoch aufwendiger in der Realisierung, da in diesem Fall auf beiden Lenkwellenseiten ein damit verbundener Axialversatz auszugleichen ist.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der radseitige Kupplungsteil zur ortsfesten Anordnung im Fahrzeug ausgebildet ist und der fahrerseitige Kupplungsteil entlang seiner Rotationsachse axial verschiebbar gelagert ist, wobei beide Kupplungsteile grundsätzlich jeweils drehbar sind.
Die Aktuatoreinrichtung einer erfindungsgemäßen Kupplung ist vorzugsweise ansteuerbar ausgebildet und insbesondere mittels wenigstens eines Signals ansteuerbar, insbesondere von wenigstens einer Steuereinrichtung, insbesondere von wenigstens einer Steuereinrichtung eines Steer-by-Wire-Lenksystems, insbesondere in Abhängigkeit von einem oder mehreren, entsprechenden Signalen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Kupplung vollständig geschlossen, wenn der erste und zweite Kupplungsteil derart auf Block liegen, dass bei Aufbringen einer weiteren Axialkraft auf eines der beiden Kupplungsteile im Wesentlichen nur eine Zunahme einer axialen Klemmkraft bewirkt wird, aber keine weitere, nennenswerte relative Axialverschiebung der beiden Kupplungsteile zueinander.
Als vollständig offen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kupplung bezeichnet, wenn ihre beiden Kupplungsteile vollständig, d.h. komplett, außer Eingriff sind, sodass die beiden Kupplungsteile relativ zueinander frei drehbar sind.
Unter dem Ausdruck „frei drehbar“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zustand verstanden, bei dem die beiden Kupplungsteile ohne eine mechanische Begrenzung um wenigstens 360° relativ zueinander verdrehbar sind, wobei insbesondere eine Begrenzung durch elektrische Komponenten, wie Kabel oder eine Wickelfeder oder dergleichen nicht als mechanische Begrenzung gilt.
Um ein möglichst freies Drehen der fahrerseitigen Lenkwelle gegenüber der radseitigen Lenkwelle und damit der Lenkeingabevorrichtung gegenüber den lenkbaren Rädern zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn statt einer üblicherweise in Lenksystemen eingesetzten Wickelfeder zur Signal- und Energieübertragung vom Fahrzeugaufbau in die Lenkeingabevorrichtung, beispielsweise in ein Lenkrad, wie beispielsweise zur Ansteuerung und/oder Energieversorgung eines in ein Lenkrad integrierten Airbags, eine berührungslose Signal- und/oder Energieübertragung verwendet wird. Hierdurch können Probleme, die infolge einer physischen Signal- und/oder Datenübertragung bei großen Relativ-Drehwinkeln zwischen fahrerseitiger Lenkwelle und radseitiger Lenkwelle entstehen können, vermieden werden.
Eine erfindungsgemäße Kupplung ermöglicht auf einfache Art und Weise eine Ausrichtung einer fahrerseitigen Lenkwelle zur radseitigen Lenkwelle, insbesondere auf mechanische Art und Weise. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise beim Schließen der Kupplung stets eine definierte Position einer Lenkeingabevorrichtung relativ zu den lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs herstellen, wodurch insbesondere ein sogenannter „Lenkradschiefstand“ vermieden werden kann, welcher zu Irritationen eines Fahrers führen kann.
In einer möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Kupplung nach Art einer Klauenkupplung oder einer Axialverzahnungskupplung ausgebildet oder als Klauenkupplung oder Axialverzahnungskupplung, wobei der erste Kupplungsteil eine erste Außenkontur aufweist und der zweite Kupplungsteil eine zweite Außenkontur, wobei die erste Außenkontur des ersten Kupplungsteils derart komplementär zur zweiten Außenkontur des zweiten Kupplungsteils ausgebildet ist, dass die erste Außenkontur des ersten Kupplungsteils nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils relativ zum zweiten Kupplungsteil in Umfangsrichtung formschlüssig mit der zweiten Außenkontur des zweiten Kupplungsteils in Eingriff bringbar ist und die Kupplung nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils relativ zum zweiten Kupplungsteil vollständig schließbar ist.
Mittels einer Kupplung, die nach Art einer Klauenkupplung oder einer Axialverzahnungskupplung ausgebildet ist oder als Klauenkupplung oder Axialverzahnungskupplung mit erfindungsgemäß ausgestalteten Außenkonturen kann auf besonders einfache Art und Weise erreicht werden, dass die beiden Kupplungsteile nur bei genau einer definierten, relativen Drehwinkelposition zueinander in Eingriff gebracht werden können und somit die Kupplung nur bei genau einer definierten, relativen Drehwinkelposition der beiden Kupplungsteile zueinander vollständig geschlossen werden kann.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist einer der beiden ersten und zweiten Kupplungsteile vorzugsweise einen sich in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse der ersten Lenkwelle und/oder zur Rotationsachse der zweiten Lenkwelle erstreckenden und exzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Vorsprung auf, insbesondere nur einen einzigen, derartigen Vorsprung, und der andere der beiden Kupplungsteile eine entsprechend komplementär ausgebildete und angeordnete Vertiefung, insbesondere nur eine einzige, derartige Vertiefung, in welche der Vorsprung im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung formschlüssig eingreift.
Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise erreicht werden, dass die beiden Kupplungsteile nur bei einer definierten, relativen Drehwinkelposition zueinander formschlüssig miteinander in Eingriff gebracht werden können und die Kupplung somit nur bei einer einzigen, definierten, relativen Drehwinkelposition vollständig geschlossen werden kann.
Bevorzugt wirken der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil im vollständig geschlossenen Zustand dabei derart zusammen und sind insbesondere derart formschlüssig in Umfangsrichtung miteinander verbunden, dass die beiden Kupplungsteile nicht mehr relativ zueinander verdrehbar sind um die Rotationsachse, insbesondere nahezu spielfrei.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu wenigstens einem, sich in axialer Richtung erstreckenden und exzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Vorsprung ein konzentrisch zur Rotationsachse angeordneter Zentrierstift vorhanden ist. Dies kann in einigen Fällen ein präziseres Schließen der Kupplung ermöglichen.
Grundsätzlich können auch jeweils mehrere Vorsprünge und Vertiefungen vorgesehen sein, diese sind jedoch erfindungsgemäß derart auszubilden, dass sichergestellt ist, dass nur bei einer einzigen relativen Drehwinkelposition der beiden Kupplungsteile zueinander die beiden Kupplungsteile ineinandergreifen können, so dass die Kupplung nur bei einer einzigen, definierten relativen Drehwinkelposition vollständig geschlossen werden kann.
Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, an beiden Kupplungsteilen jeweils ein oder mehrere Vorsprünge vorzusehen und jeweils am anderen Kupplungsteil entsprechend ein oder mehrere komplementär zu den Vorsprüngen ausgebildete Vertiefungen.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist insbesondere einer der beiden ersten und zweiten Kupplungsteile wenigstens eine gewindegangähnliche, zumindest über einen Teil des Umfangs mit definierter Steigung verlaufende Rampe auf und der andere Kupplungsteil vorzugsweise wenigstens einen sich in axialer Richtung und parallel zur Rotationsachse der ersten Lenkwelle und/oder zur Rotationsachse der zweiten Lenkwelle erstreckenden Nocken, wobei der Nocken durch eine Relativverschiebung der ersten und zweiten Kupplungsteile in axialer Richtung aufeinander zu mit der Rampe in Eingriff bringbar ist.
Hierdurch lässt sich auf einfache Art und Weise ein Ausrichten nur durch Aufbringen einer Axialverschiebung erreichen, d.h. insbesondere ohne, dass aktiv eine Drehung einer oder beider Kupplungsteile herbeigeführt werden muss, um die Kupplungsteile derart relativ zueinander auszurichten, dass ein vollständiges Schließen der Kupplung möglich ist.
Dabei ist vorzugsweise wenigstens ein Nocken, insbesondere sämtliche Nocken, durch eine Relativverschiebung der beiden Kupplungsteile in axialer Richtung voneinander weg, d h. auseinander, außer Eingriff mit der Rampe bringbar, insbesondere aus jeder Drehwinkelposition heraus.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn sich wenigstens eine Rampe am Außenumfang eines der Kupplungsteile befindet, und insbesondere zumindest teilweise durch eine Stirnseite eines Hülsenabschnitts gebildet ist.
In diesem Fall wird besonders bevorzugt wenigstens ein Nocken ebenfalls zumindest teilweise durch ein Umfangsegment eines Hülsenabschnitts gebildet.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist bevorzugt wenigstens ein Nocken durch einen der axialen Vorsprünge gebildet, insbesondere durch den einzigen axialen Vorsprung.
Ist die Funktion des Nockens in wenigstens einen axialen Vorsprung, insbesondere den einzigen axialen Vorsprung, welcher mit einer komplementären Vertiefung im anderen Kupplungsteils in Eingriff bringbar ist, integriert, kann eine besonders einfache Ausgestaltung der Kupplungsteile erreicht werden.
In einigen Fällen kann es aber auch vorteilhaft sein, Nocken und Vorsprung separat auszubilden, insbesondere bei größeren, auf die Kupplungsteile wirkenden bzw. durch die Kupplungsteile zu übertragenden Kräften.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist vorzugsweise die Kupplung, insbesondere der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil, derart ausgebildet, dass wenn der Nocken mit der Rampe in Eingriff ist, durch eine Relativverschiebung der ersten und zweiten Kupplungsteile in axialer Richtung aufeinander zu ein Abgleiten des Nockens auf der Rampe bewirkbar ist und infolgedessen eine Relativdrehung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil, insbesondere bis die genau eine definierte, relative Drehwinkelposition erreicht ist, in welcher die Kupplung vollständig schließbar ist.
Dadurch kann auf einfache Art und Weise mittels einer Axialverschiebung der beiden Kupplungsteile relativ zueinander eine Relativdrehung der beiden Kupplungsteile zueinander bewirkt werden, insbesondere derart, dass sich die zum vollständigen Schließen der Kupplung erforderliche Relativ-Drehwinkelposition einstellt.
Insbesondere kann auf diese Art und Weise erreicht werden, dass sich auch im Fehlerfall stets die zum vollständigen Schließen der Kupplung erforderliche Relativ-Drehwinkelposition einstellt. Besonders bevorzugt sind die beiden Kupplungsteile, insbesondere Rampe und Nocken, dabei derart ausgebildet, dass, wenn die genau eine, relative Drehwinkelposition erreicht ist, in welcher ein vollständiges Schließen der Kupplung möglich ist, durch eine weitere Relativverschiebung der beiden Kupplungsteile zueinander, insbesondere in axialer Richtung aufeinander zu, das vollständige Schließen der Kupplung bewirkbar ist, wobei die Kupplung geschlossen wird, wenn eine ausreichende axiale Relativverschiebung auf die beiden Kupplungsteile aufgebracht worden ist.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, grenzt vorzugsweise an die Vertiefung in Umfangsrichtung jeweils beidseitig eine Rampe an, wobei die beiden, in Umfangsrichtung jeweils an die Vertiefung angrenzenden Rampen insbesondere jeweils entgegengesetzte Steigungen aufweisen.
Hierdurch lässt sich auf einfache Art und Weise sicherstellen, dass sich von einer Vielzahl von Relativ-Drehwinkelpositionen aus, insbesondere bei entsprechender Ausgestaltung der Rampen, von jeder der möglichen Drehwinkelpositionen aus, immer die zum vollständigen Schließen der Kupplung erforderliche Relativ-Drehwinkelposition erreichen lässt.
Besonders bevorzugt sind die Rampen dabei derart ausgebildet, dass sie gegenüber der Vertiefung, insbesondere gegenüber der einzigen Vertiefung, d. h. vorzugsweise um 180° in Umfangsrichtung gegenüber der Vertiefung versetzt, an ihren Enden zusammenlaufen.
Besonders bevorzugt weisen die beiden Rampen dabei insbesondere einen gleichen Steigungswert auf, sodass sich die von der Vertiefung abgewandten Enden insbesondere auf einer von der Vertiefung gegenüberliegenden Seite in gleicher Höhe treffen, wobei die Enden der Rampen sich insbesondere nicht in einer Radialebene treffen, in welcher sich ein oberer Rand der Vertiefung erstreckt, sondern insbesondere in einer zu dieser parallelen Ebene, insbesondere in einer in Richtung des anderen Kupplungsteils (dem mit dem Nocken) parallel versetzten Radialebene.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist die Aktuatoreinrichtung vorzugsweise eine Hydraulikeinrichtung mit einem Hydraulikzylinder, vorzugsweise mit einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder, insbesondere mit einem Differentialzylinder, und einem im Hydraulikzylinder axial verschiebbaren Hydraulikkolben auf, wobei vorzugsweise der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil innerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet sind.
Hierdurch kann auf einfache Art und Weise besonders einfach eine Schmierung der beiden drehbar zu lagernden Kupplungsteile erreicht werden, nämlich insbesondere durch das im Hydraulikzylinder vorhandene Hydraulikmedium.
Ferner kann auf besonders einfache und vorteilhafte Art und Weise eine Aktuatoreinrichtung zur Betätigung der Kupplung, insbesondere eine auf besonders einfache Art und Weise ansteuerbare Aktuatoreinrichtung, bereitgestellt werden. Statt eines doppeltwirkenden Hydraulikzylinders kann alternativ aber auch ein einfachwirkender Hydraulikzylinder eingesetzt werden. Ebenso können auch mehrere, insbesondere einfachwirkende, Hydraulikzylinder benutzt werden, wobei vorzugsweise jeweils ein oder mehrere, geeignete Hydraulikschaltventile zur Steuerung des/der Hydraulikzylinder vorgesehen sind.
Grundsätzlich sind statt eines hydraulischen, insbesondere elektrohydraulischen, Aktuatormechanismus auch andere Aktuatormechanismen zur Betätigung der Kupplung oder Kombinationen aus diesen denkbar, beispielsweise eine Pneumatikeinrichtung, eine elektromechanische Einrichtung oder eine elektromagnetische Aktuatoreinrichtung.
Der Einsatz einer Hydraulikeinrichtung als Aktuatoreinrichtung hat jedoch den Vorteil, dass das zum Betätigen der Kupplung erforderliche Hydraulikmedium gleichzeitig zur Schmierung der beiden Kupplungsteile bei ihrer drehbaren Lagerung verwendet werden kann und hierfür keine zusätzlichen Maßnahmen nötig sind. Ferner kann auf diese Art und Weise ein sehr einfaches reibungsarmes Schließen und/oder Öffnen der Kupplung bewirkt werden.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist einer der beiden Kupplungsteile, vorzugsweise der erste Kupplungsteil, insbesondere der fahrerseitige Kupplungsteil, durch den Hydraulikkolben gebildet und innerhalb des Hydraulikzylinders axial verschiebbar, wobei der andere Kupplungsteil vorzugsweise durch einen Einsatz im Hydraulikzylinder gebildet ist, wobei der Einsatz insbesondere axial im Hydraulikzylinder festgelegt ist.
Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise eine erfindungsgemäße gemäße Kupplung realisieren.
Vorzugsweise erstreckt sich wenigstens ein Vorsprung, insbesondere der einzige Vorsprung, dabei in axialer Richtung von einer dem anderen Kupplungsteil zugewandten Stirnfläche des Hydraulikkolbens weg.
Bevorzugt ist die Kupplung, insbesondere die Hydraulikeinrichtung, dabei derart ausgebildet, dass durch eine Axialverschiebung des Hydraulikkolbens entgegen einer Rückstellfeder ein Öffnen der Kupplung bewirkt wird. Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise eine Kupplung realisiert werden, welche im Fehlerfall in Folge der durch die Rückstellfeder erzeugten Rückstellkraft, beispielsweise bei Unterbrechung einer Energieversorgung und einem daraus resultierenden Druckabfall am Hydraulikkolben, stets schließt.
Vorzugsweise weist die Hydraulikeinrichtung zur Steuerung des Hydraulikzylinders ein oder mehrere entsprechend ausgebildete und geeignete Hydraulikventile auf, beispielsweise ein 4/3-Wegeventil, welches insbesondere auch einen Sperrzustand ermöglicht, um eine Arretierung des Hydraulikkolbens im Hydraulikzylinder zu bewirken, um die Kupplung in einem bei Bedarf in einem geöffneten Zustand zu halten, wodurch sich ein Energieverbrauch der Aktuatoreinrichtung erheblich reduzieren lässt, und/oder ein oder mehrere 3/2-Wegeventile und/oder ein oder mehrere, besonders kostengünstige 2/2-Wegeventile.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, umfasst der Hydraulikkolben insbesondere einen Kupplungsabschnitt, der den zugehörigen Kupplungsteil umfasst, und einen Anschlussabschnitt, welcher sich auf der von den Kupplungsteilen abgewandten Seite befindet und insbesondere eine fest mit dem Kupplungsabschnitt verbundene Kolbenstange aufweist oder durch eine fest mit dem Kupplungsabschnitt verbundene Kolbenstange gebildet ist, wobei der Anschlussabschnitt des Hydraulikkolbens insbesondere aus dem Hydraulikzylinder herausgeführt ist, so dass der Anschlussabschnitt an seiner vom Kupplungsabschnitt abgewandten Seite aus dem Hydraulikzylinder herausragt, wobei der Anschlussabschnitt des Hydraulikkolbens vorzugsweise mit dem ersten Verbindungsabschnitt der Kupplung drehfest verbunden ist oder diesen bildet.
Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise die Hydraulikeinrichtung in eine erfindungsgemäße Kupplung integrieren bzw. umgekehrt, eine erfindungsgemäße Kupplung in die Aktuatoreinrichtung, insbesondere in die Hydraulikeinrichtung, wodurch sich ein besonders geringer Bauraumbedarf für die Kupplung ergibt.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, umfasst der Einsatz insbesondere einen Kupplungsabschnitt, der den zugehörigen Kupplungsteil umfasst, und einen Anschlussabschnitt, welcher sich auf der von den Kupplungsteilen abgewandten Seite befindet und insbesondere fest mit dem zugehörigen Kupplungsabschnitt verbunden ist, wobei der Anschlussabschnitt des Einsatzes insbesondere aus dem Hydraulikzylinder herausgeführt ist, so dass der Anschlussabschnitt an seiner vom Kupplungsabschnitt abgewandten Seite aus dem Hydraulikzylinder herausragt, wobei der Anschlussabschnitt des Einsatzes vorzugsweise mit dem zweiten Verbindungsabschnitt der Kupplung drehfest verbunden ist oder diesen bildet.
Der Anschlussabschnitt eines Kupplungsteils kann dabei jeweils als Verbindungsabschnitt ausgebildet sein oder aber mit einem Verbindungsabschnitt gekoppelt oder verbunden sein. Dabei kommt es im Wesentlichen auf den jeweiligen Anwendungsfall an.
Hierdurch lässt sich eine besonders bauraumsparende und kompakte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung realisieren, da die Kupplung und die Aktuatoreinrichtung auf diese Art und Weise integral ausgebildet werden können.
In einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung können auch ein oder beide Kupplungsteile außerhalb des Hydraulikzylinders einer hydraulischen Aktuatoreinrichtung angeordnet werden, wobei in diesem Fall die Kupplung derart auszugestalten ist, dass mittels der Aktuatoreinrichtung die beiden Kupplungsteile erfindungsgemäß in Eingriff und außer Eingriff bringbar sind, wobei die Aktuatorvorrichtung auch in diesem Fall alternativ als Pneumatikeinrichtung, elektromechanische Einrichtung oder elektromagnetische Aktuatoreinrichtung ausgebildet sein kann oder aus einer geeigneten Kombination von Aktuatormechanismen.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist einer der beiden Verbindungsabschnitte, vorzugsweise der erste Verbindungsabschnitt, insbesondere derjenige, der zur Verbindung mit der fahrerseitigen Lenkwelle vorgesehen ist, eine Teleskopstange auf, bildet einen Teil einer Teleskopstange oder ist als Teleskopstange ausgebildet, insbesondere, um einen axialen Hub des fahrerseitigen Kupplungsteils unabhängig von einer starr mit dem Verbindungsabschnitt verbundenen fahrerseitigen Lenkwelle zu ermöglichen, d.h. auch bei einer in einem Fahrzeug axial festgelegten, fahrerseitigen Lenkwelle.
Hierdurch kann auf einfache Art und Weise das Ein- und/oder Ausfahren einer Lenkeingabevorrichtung, beispielsweise eines Lenkrads oder entsprechender Lenkhörner oder dergleichen, realisiert werden. Der fahrerseitige Verbindungsabschnitt, insbesondere wenn dieser eine Teleskopstange aufweist oder als Teleskopstange ausgebildet ist oder einen Teil einer Teleskopstange bildet, kann dabei auch derart ausgebildet sein, insbesondere in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung, dass die fahrerseitige Lenkwelle unabhängig vom fahrerseitigen Kupplungsteil mittels der Teleskopstange axial entlang der Rotationsachse der zugehörigen Lenkwelle verschiebbar ist, um eine mit ihr verbundene Lenkeingabevorrichtung axial ein- und/oder auszufahren.
In einer weiteren möglichen, insbesondere vorteilhaften, Ausgestaltung einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Kupplung ferner dazu ausgebildet, insbesondere zusätzlich, eine definierte Klemmkraft, vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung (jeweils bezogen auf die Rotationsachse, insbesondere die Rotationsachse der Kupplung im geschlossenen Zustand), derart auf einen oder beide Kupplungsteile aufzubringen, dass zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung in Umfangsrichtung zwischen den beiden Kupplungsteilen im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen entsteht.
Hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Kupplungsteilen im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung erhöht werden. Insbesondere kann hierdurch auf einfache Art und Weise eine insbesondere nahezu spielfreie Verbindung der beiden Kupplungsteile in Umfangsrichtung erreicht werden, wodurch für den geschlossenen Zustand der Kupplung eine erhebliche Verbesserung des Lenkgefühls erreicht werden kann.
Die zusätzliche Klemmkraft kann dabei bei einer bevorzugten Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kupplung insbesondere mittels der Aktuatoreinrichtung zum Öffnen und Schließen der Kupplung aufgebracht werden, vorzugsweise in Form einer zusätzlichen Axialkraft und/oder einer definierten Anpresskraft und/oder einer definierten Radialkraft.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, nicht nur eine zusätzliche Axialkraft aufzubringen, sondern alternativ oder zusätzlich zu einer axialen Klemmkraft eine zusätzliche Kraft in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung, insbesondere nach Art einer zusätzlichen Spannkraft oder dergleichen. Dies kann auf besonders einfache Art und Weise mithilfe einer oder mehrerer Presskegel, ähnlich eines Spannfutters bei einer Werkzeugmaschine, erreicht werden, auf welche eine entsprechende Axialkraft und/oder Radialkraft aufgebracht werden kann, vorzugsweise ebenfalls mittels der Aktuatoreinrichtung zum Öffnen und Schließen der Kupplung. In einigen Fällen kann es aber auch vorteilhaft sein, ein oder mehrere weitere Aktuatoreinrichtungen vorzusehen, um die zusätzliche Klemmkraft aufzubringen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann auch ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Spannring oder dergleichen vorgesehen sein, welcher die beiden Kupplungsteile in ihrem Verbindungsbereich im geschlossenen Zustand der Kupplung umgreift und in Umfangsrichtung mithilfe einer Aktuatoreinrichtung gespannt werden kann.
Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Klemmkraft kann ein Spiel im Lenkungsstrang reduziert werden, was sich vorteilhaft auf das Lenkgefühl auswirkt. Dadurch kann vor allem bei geschlossener Kupplung, insbesondere in einem manuellen Betriebsmodus, insbesondere in einem manuellen Fahrmodus mit Lenkkraftunterstützung, d.h. in einem aktiven manuellen Betriebsmodus (nicht im Fehlerfall), ein besonders vorteilhaftes Lenkgefühl erreicht werden und/oder eine vorteilhafte Abstimmung des Lenksystems und der zugehörigen Komponenten ermöglicht werden, beispielsweise des Lenkaktuators hinsichtlich einer aufzubringenden Unterstützungskraft und/oder eines Feedbackaktuators bezüglich eines Feedbacks oder einer zusätzlichen Lenkungsrückstellung.
Ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Lenken, insbesondere Verschwenken, wenigstens eines mit dem Lenksystem in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einem Fahrzeug verbundenen, lenkbaren Rades des Fahrzeugs, weist eine Lenkeingabevorrichtung, insbesondere ein Lenkrad, zur Lenkeingabe durch einen Fahrer, eine drehfest mit der Lenkeingabevorrichtung verbindbare oder verbundene, um eine Rotationsachse drehbare, fahrerseitige Lenkwelle, eine radseitige, um eine Rotationsachse drehbare Lenkwelle, eine drehfest mit der radseitigen Lenkwelle gekoppelte und mit wenigstens einem lenkbaren Rad eines Fahrzeugs verbindbare Lenkanordnung, wenigstens einen Lenkaktuator, eine Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Lenkanforderung den Lenkaktuator entsprechend anzusteuern, und eine schaltbare Kupplung zum Herstellen und Lösen einer Drehverbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle und der radseitigen Lenkwelle auf.
Dabei ist die Kupplung derart ausgebildet, dass im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung eine von einem Fahrer über die Lenkeingabevorrichtung auf die fahrerseitige Lenkwelle aufgebrachte Lenkbewegung mittels der Kupplung auf die radseitige Lenkwelle übertragbar ist, und im vollständig geöffneten Zustand die fahrerseitige Lenkwelle gegenüber der radseitigen Lenkwelle frei drehbar ist, wobei das Lenksystem derart ausgebildet ist, dass in einem funktionsgemäßen Einbauzustand des Lenksystems in einem Fahrzeug mittels einer auf die radseitige Lenkwelle aufgebrachten Lenkeingabe und/oder mittels des Lenkaktuators eine Lenkbewegung wenigstens eines mit der Lenkanordnung gekoppelten lenkbaren Rades bewirkbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem weist dabei eine erfindungsgemäße Kupplung auf, wobei der erste Verbindungsabschnitt der Kupplung drehfest mit der fahrerseitigen Lenkwelle gekoppelt, insbesondere verbunden ist, und der zweite Verbindungsabschnitt drehfest mit der radseitigen, Lenkwelle gekoppelt, insbesondere verbunden ist.
Ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem kann dabei grundsätzlich sowohl für ein einspuriges Kraftfahrzeug ausgebildet sein als auch für ein zweispuriges Kraftfahrzeug. Je nachdem, für was für ein Fahrzeug das Lenksystem vorgesehen sein soll, ist eine entsprechend geeignete Lenkanordnung zu wählen.
Vorzugsweise weist bei einem erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystem der erste Verbindungsabschnitt eine Teleskopstange auf, oder bildet ein Teil einer Teleskopstange oder ist durch eine Teleskopstange gebildet, insbesondere fahrerseitig. Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise ein Ein- und/oder Ausfahren einer Lenkeingabevorrichtung realisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lenkeingabevorrichtung aber auch über eine zusätzliche Teleskopstange mit der fahrerseitigen Lenkwelle gekoppelt sein zum Ein- und/oder Ausfahren der Lenkeingabevorrichtung.
Die Lenkeingabevorrichtung kann auf verschiedene Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise ein Lenkrad sein oder aber auch ein oder mehrere Lenkhörner oder dergleichen umfassen. Sie sollte lediglich für eine Lenkeingabe durch einen Fahrer geeignet sein.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Kupplung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems als sogenannte „Normally-Closed“-Kupplung ausgebildet, d.h. eine Kupplung, welche im Fehlerfall, insbesondere bei Unterbrechung der Energieversorgung, schließt.
Die Lenkanordnung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems kann insbesondere ein Lenkgetriebe und/oder Spurstangen und gegebenenfalls weitere Übertragungselemente, wie beispielsweise weitere Lenker, Getriebekomponenten oder dergleichen, umfassen.
Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems selbst zur Ermittlung einer Lenkanforderung ausgebildet. Die Lenkanforderung kann aber auch von einer anderen Steuerungseinrichtung empfangen werden.
Ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Lenkeingabe eines Fahrers eine entsprechende Lenkanforderung zu ermitteln.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems ist das Lenksystem jedoch, insbesondere zusätzlich, dazu ausgebildet eine Lenkanforderung automatisch zu ermitteln, und vorzugsweise dazu ausgebildet, ein autonomes Fahren zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Lenksystems dabei zum Erfassen eines Fahrerwunsches hinsichtlich eines Fahrmodus ausgebildet und/oder zum Erkennen eines Fehlerzustandes, wobei der Fahrer insbesondere zwischen einem Steer-by-Wire-Betriebsmodus, einem Automatik-Modus und vorzugsweise außerdem einem manuellen Betriebsmodus wählen kann, wobei die Steuerungseinrichtung insbesondere dazu ausgebildet und eingerichtet ist, je nach erfasstem Fahrerwunsch die Aktuatoreinrichtung der Kupplung entsprechend anzusteuern, insbesondere je nach ausgewähltem Betriebsmodus die Kupplung entsprechend zu öffnen oder zu schließen.
In einer besonderes bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Systems ist das Lenksystem insbesondere dazu ausgebildet in einem Automatik-Betriebsmodus eine Lenkeingabevorrichtung einzufahren, insbesondere in einer Instrumententafel oder dergleichen im Armaturenbrett vorzugsweise zu versenken, und, vorzugsweise, wenn ein Steer-by-Wire -Betriebsmodus oder ein manueller Betriebsmodus ausgewählt worden ist oder ein Fehlerzustand erkannt worden ist, die Lenkeingabevorrichtung in eine Lenkposition auszufahren.
Zusätzlich zu dem wenigstens einen Lenkaktuator kann ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem ein oder mehrere weitere Lenkaktuatoren aufweisen, beispielsweise zur Lenkkraftunterstützung und/oder zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks und/oder für eine Lenkradrückstellung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Steer-by-Wire-Lenksystems mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug zum Lenken, insbesondere Verschwenken, wenigstens eines mit dem Lenksystem in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einem Fahrzeug verbundenen, lenkbaren Rades des Fahrzeugs, wobei das Lenksystem eine Lenkeingabevorrichtung, insbesondere ein Lenkrad, zur Lenkeingabe durch einen Fahrer, eine drehfest mit der Lenkeingabevorrichtung verbindbare oder verbundene, um eine Rotationsachse drehbare, fahrerseitige Lenkwelle, eine radseitige, um eine Rotationsachse drehbare Lenkwelle, eine drehfest mit der radseitigen Lenkwelle gekoppelte und mit wenigstens einem lenkbaren Rad eines Fahrzeugs verbindbare Lenkanordnung, wenigstens einen Lenkaktuator, eine Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Lenkanforderung den Lenkaktuator entsprechend anzusteuern, und eine schaltbare Kupplung zum Herstellen und Lösen einer Drehverbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle und der radseitigen Lenkwelle aufweist, wobei die Kupplung derart ausgebildet ist, dass im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung eine von einem Fahrer über die Lenkeingabevorrichtung auf die fahrerseitige Lenkwelle aufgebrachte Lenkbewegung mittels der Kupplung auf die radseitige Lenkwelle übertragbar ist, und im vollständig geöffneten Zustand die fahrerseitige Lenkwelle gegenüber der radseitigen Lenkwelle frei drehbar ist, und wobei das Lenksystem derart ausgebildet ist, dass in einem funktionsgemäßen Einbauzustand des Lenksystems in einem Fahrzeug mittels einer auf die radseitige Lenkwelle aufgebrachten Lenkeingabe und/oder mittels des Lenkaktuators eine Lenkbewegung wenigstens eines mit der Lenkanordnung gekoppelten lenkbaren Rades bewirkbar ist, ist gekennzeichnet durch die Schritte:

- Erfassen eines Zustands des Lenksystems,
- Bestimmen eines Betriebsmodus des Lenksystems in Abhängigkeit von dem erfassten Zustand des Lenksystems, und
- Ansteuern der schaltbaren Kupplung in Abhängigkeit von dem bestimmten Betriebsmodus,

Im Steer-by-Wire-Modus ist die Kupplung vollständig geöffnet, sodass eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil getrennt ist und ein über die Lenkeingabevorrichtung auf die fahrerseitige Lenkwelle aufgebrachtes Drehmoment nicht an die radseitige Lenkwelle übertragen werden kann. Es kann jedoch vorzugsweise die vom Fahrer aufgebrachte Lenkbewegung erfasst werden und aus dieser eine entsprechende Lenkanforderung generiert werden, welche mittels des Lenkaktuators und der Lenkanordnung umgesetzt werden kann.
Im Automatik-Modus, welcher ein autonomes Fahren ermöglicht (d.h. der Fahrer braucht nicht mehr selbst lenken, sondern die Lenkanforderungen werden automatisch ermittelt), ist die mechanische Kopplung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle sowie der radseitigen Lenkwelle, wie im Steer-by-Wire-Modus, ebenfalls unterbrochen, was ebenfalls durch ein vollständiges Öffnen der erfindungsgemäßen Kupplung erreicht wird. In diesem Fall wird die Lenkanforderung, mittels welcher der Lenkaktuator gesteuert und/oder geregelt wird, jedoch nicht in Abhängigkeit von einer Lenkeingabe eines Fahrers ermittelt, sondern bevorzugt in Abhängigkeit von anderen Größen, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Navigationsroute und/oder von Umfeldsensordaten.
Zusätzlich kann, insbesondere in einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems, die Lenkeingabevorrichtung im Automatik-Betriebsmodus eingefahren und/oder arretiert werden. Hierdurch können unbeabsichtigte Lenkeingaben durch den Fahrer vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines erfindunggemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems das Lenksystem derart ausgebildet und eingerichtet, dass, insbesondere unbeabsichtigte, Lenkeingaben eines Fahrers im Automatik-Modus nicht zur Steuerung der Lenkbewegung verwendet werden, d.h. insbesondere nicht einem entsprechenden Regelkreis zugeführt werden oder von einem entsprechenden Regelkreis nicht berücksichtigt werden.
Im manuellen Betriebsmodus hingegen ist die Kupplung vollständig geschlossen, wobei der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil dabei in Umfangsrichtung formschlüssig ineinander eingreifen, sodass ein vom Fahrer über die Lenkeingabevorrichtung auf die fahrerseitige Lenkwelle aufgebrachtes Lenkmoment, und damit eine Lenkeingabe, auf die radseitige Lenkwelle übertragen werden kann und somit über die Lenkanordnung weiter auf die lenkbaren Räder und eine gewünschte Lenkbewegung der Räder bewirkt werden kann. In diesem Modus kann der Lenkaktuator bevorzugt in einer vorteilhaften Art und Weise zur Lenkraftunterstützung dienen und ein zusätzliches Lenkmoment auf die Lenkanordnung und/oder, insbesondere je nach Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems, auf die radseitige Lenkwelle aufbringen.
Im Fehlermodus, d.h. im Fail-Safe-Betriebsmodus, ist die Kupplung ebenfalls geschlossen und dadurch ebenfalls eine mechanische Kopplung der fahrerseitigen Lenkwelle mit der radseitigen Lenkwelle hergestellt, sodass eine über die Lenkeingabevorrichtung aufgebrachte Lenkbewegung rein mechanisch auf die Lenkanordnung und damit die lenkbaren Räder übertragen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäß ausgebildete Kupplung und/oder ein erfindungsgemäß ausgebildetes Steer-by-Wire-Lenksystem verwendet.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit mechanischer Rückfallebene auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-Wire-Lenksystem eine erfindungsgemäße Kupplung und/oder ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem aufweist und/oder zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kupplung vorgestellten, vorteilhaften Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem sowie für ein erfindungsgemäßes Verfahren und für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug und umgekehrt.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung auch aus den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich genommen schutzfähige Ausführungen darstellen können, sofern diese technisch sinnvoll sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert, wobei die Erfindung dazu in den beigefügten Figuren schematisch dargestellt ist und funktionsgleiche Bauteile oder Baugruppen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems mit einer erfindungsgemäßen Kupplung. 2 zeigt die erfindungsgemäße Kupplung aus 1 in einer vereinfachten, stark schematisierten Darstellung in Seitenansicht, 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und 4 ein drittes Ausführungsbeispiel. 5a bis 5d zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung in verschiedenen Zuständen während eines Schließvorgangs, wobei 5a die Kupplung in einem vollständig geöffneten Zustand zeigt und 5d in einem vollständig geschlossenen Zustand. 6a zeigt eine stirnseitige Ansicht des zweiten Kupplungsteils und 6b eine stirnseitige Ansicht des ersten Kupplungsteils. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltschemas für eine Hydraulikeinrichtung zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Kupplung mit einer Hydraulikeinrichtung und 8 ein Flussdiagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
1 zeigt in Prinzipdarstellung exemplarisch einen Aufbau einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100. Dieses beispielhaft gezeigte Steer-by-Wire-Lenksystem 100 weist dabei eine Lenkeingabevorrichtung 20 in Form eines Lenkrads 20 auf, welches drehfest mit einer fahrerseitigen Lenkwelle 40 verbunden ist, wobei die fahrerseitige Lenkwelle 14 drehbar am Fahrzeugaufbau gelagert ist und an ihrem vom Lenkrad 20 abgewandten Ende mit einem ersten Kupplungsteil 11 einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kupplung 10 drehfest gekoppelt ist, insbesondere über einen hier nicht erkennbar dargestellten ersten Verbindungsabschnitt der Kupplung 10.
Im Bereich der fahrerseitigen Lenkwelle 40, insbesondere in der Nähe des Lenkrads 20, befindet sich eine Sensoreinrichtung 21, mittels welcher ein vom Fahrer auf die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebrachtes Lenkmoment sowie ein Drehwinkel des Lenkrads 20 um eine Rotationsachse R, um welche sowohl das Lenkrad 20, als auch die fahrerseitige Lenkwelle 40 drehbar sind, erfasst werden kann.
Des Weiteren ist im Bereich der fahrerseitigen Lenkwelle 40 ein Feedbackaktuator 30 vorgesehen, mittels welchem ein Rückstellmoment auf die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebracht werden kann und somit eine haptische Rückmeldung, insbesondere ein haptisches Feedback, an den Fahrer erzeugt werden kann, wodurch insbesondere ein Lenkgefühl beeinflusst werden kann, vor allem vorteilhaft.
Dieses Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100 weist ferner eine radseitige Lenkwelle 50 auf, welche an ihrem einen Ende, insbesondere an dem der Lenkeingabevorrichtung 20 zugewandten Ende, drehfest mit einem zweiten Kupplungsteil 12 der erfindungsgemäßen Kupplung 10 gekoppelt ist, insbesondere über einen hier nicht erkennbar dargestellten zweiten Verbindungsabschnitt der Kupplung 10. An ihrem anderen Ende, in diesem Fall dem radseitigen Ende, ist die radseitige Lenkwelle 50 drehfest mit einer Lenkanordnung 80 verbunden, welche ein Lenkgetriebe mit einer Zahnstange 81 sowie eine linke Spurstange 82 und eine rechte Spurstange 82 umfasst, über welche jeweils lenkbare Räder 83 eines Fahrzeugs mit der Lenkanordnung 80 verbunden werden können, wie in 1 beispielhalber gezeigt.
Das Steer-by-Wire-Lenksystem 100 weist ferner einen Lenkaktuator 70 auf, mittels dem eine Lenkbewegung der lenkbaren Räder 83, insbesondere ein Verschwenken der lenkbaren Räder 83 bewirkt werden kann, insbesondere alleine, d. h. ohne ein aktives Lenken des Fahrers, insbesondere ohne ein vom einem Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment auf die fahrerseitige Lenkwelle 50, sowie auch unterstützend, d. h. zusätzlich zu einem von einem Fahrer auf die radseitige Lenkwelle 50 aufgebrachten Lenkmoment, wie bei einem unter dem Begriff „Servolenkung“ bekannten, herkömmlichen, mechanischen Lenksystem.
Im Bereich der radseitigen Lenkwelle 50 ist eine weitere Sensoreinrichtung 60 vorgesehen, mit welcher ein Drehwinkel der radseitigen Lenkwelle 50 um eine zugehörige Rotationsachse R erfasst werden kann, welche bei diesem Steer-by-Wire-Lenksystem 100 mit der Rotationsachse R der fahrerseitigen Lenkwelle 40 und der Rotationsachse R des Lenkrads 20 zusammenfällt, d.h. koaxial zu dieser verläuft. Darüber hinaus kann mittels der Sensoreinrichtung 60 dazu ausgebildet, ein auf die radseitige Lenkwelle 50 aufgebrachtes Drehmoment, insbesondere ein von einem Fahrer aufgebrachtes und von der fahrerseitigen Lenkwelle 40 an die radseitige Lenkwelle 50 übertragenes Drehmoment, erfasst werden.
Des Weiteren weist das Steer-by-Wire-Lenksystem 100 eine Steuerungseinrichtung 90 auf, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die von den Sensoreinrichtungen 21 und 60 erzeugten Sensorsignale auszuwerten und zumindest in Abhängigkeit von diesen den Lenkaktuator 70, den Feedbackaktuator 30 und die erfindungsgemäße Kupplung 10, insbesondere eine hier nicht erkennbar dargestellte Aktuatoreinrichtung der Kupplung 10, anzusteuern.
Mittels der Aktuatoreinrichtung kann die erfindungsgemäße Kupplung 10, insbesondere je nach gewünschtem Betriebsmodus, entsprechend geöffnet oder geschlossen werden, wobei die erfindungsgemäße Kupplung 10 dabei derart ausgebildet ist und derart in das Lenksystem 100 integriert ist, dass in einem vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung 10 die fahrerseitige Lenkwelle 40 und die radseitige Lenkwelle 50 drehfest miteinander gekoppelt sind, sodass ein vom Fahrer über das Lenkrad 20 auf die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebrachtes Lenkmoment und damit eine Lenkeingabe bzw. ein Lenkwunsch, mittels der Kupplung 10 auf die radseitige Lenkwelle 50 übertragen werden kann.
Im vollständig geöffneten Zustand der Kupplung 10 hingegen ist eine Drehverbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle 40 und der radseitigen Lenkwelle 50 mechanisch getrennt, d.h. unterbrochen, und die fahrerseitige Lenkwelle 40 und das mit dieser drehfest verbundene Lenkrad 20 grundsätzlich frei gegenüber der radseitigen Lenkwelle 50, der Lenkanordnung 80 und den lenkbaren Rädern 83 drehbar.
Die Steuerungseinrichtung 90 ist ferner dazu ausgebildet ein Fahrerwunschsignal W zu empfangen, welches charakterisiert, in welchem Betriebsmodus der Fahrer fahren möchte, und/oder ein entsprechendes Signal von einem übergeordneten Fahrzeugregler, um beispielsweise in bestimmten Situationen nur bestimmte Betriebsmodi zuzulassen oder einen bestimmten Betriebsmodus in der Art eines Veto vorgeben zu können.
Dieses Fahrerwunschsignal ist in 1 der Einfachheit halber symbolisch als ein vom Lenkrad 20 erfasstes Signal W dargestellt, welches beispielsweise mithilfe einer entsprechenden, im Lenkrad 20 integrierten Eingabevorrichtung, beispielsweise eines Fahrmodus-Wahlschalters, erfasst werden kann.
Das erfindungsgemäße Steer-by-Wire-Lenksystem 100 ist bei diesem Ausführungsbeispiel dabei dazu ausgebildet, in wenigstens vier verschiedenen Betriebsmodi betrieben zu werden: in einem Steer-by-Wire-Modus, in einem Automatik-Modus, welcher ein autonomes Fahren ermöglicht, in einem manuellen Modus sowie in einem Fehlermodus (im Folgenden auch als „Fail-Safe-Modus“ bezeichnet), wobei der Fahrer zwischen dem Steer-by-Wire-Modus, dem Automatik-Modus und dem manuellen Modus auswählen kann. In den Fail-Safe-Modus wechselt das Lenksystem 100 nur, wenn ein Fehler erkannt worden ist. Der Fail-Safe-Modus kann vom Fahrer nicht gewählt werden.
Ein alternatives, aber ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Steer-by-Wire-Lenksystem kann aber auch nur in zwei der vier Betriebsmodi, dem Steer-by-Wire-Betriebsmodus und dem Fail-Safe-Modus betreibbar sein oder in drei von den vier Betriebsmodi. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem jedoch in wenigstens den vorgenannten zwei Betriebsmodi „Steer-by-Wire“ und „Fail-safe“ betreibbar.
Im Steer-by-Wire-Modus ist die Kupplung 10 vollständig geöffnet, sodass eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Kupplungsteil 11 und dem zweiten Kupplungsteil 12 getrennt ist und ein über das Lenkrad 20 auf die Lenkwelle 40 aufgebrachtes Drehmoment nicht an die radseitige Lenkwelle 50 übertragen werden kann. Um jedoch ein Lenken der Räder 83 gemäß dem vom Fahrer auf das Lenkrad 20 und damit die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebrachten Lenkwunsch zu bewirken, kann im Steer-by-Wire-Modus mittels der Sensoreinrichtung 21 der Lenkwunsch des Fahrers erfasst werden und mithilfe der Steuerungseinrichtung 90 in Abhängigkeit von der erfassten Lenkbewegung des Fahrers eine entsprechende Lenkanforderung ermittelt werden, wobei der Lenkaktuator 70 basierend auf dieser ermittelten Lenkanforderung derart angesteuert wird, dass mithilfe der Lenkanordnung 80 eine dem Lenkwunsch des Fahrers entsprechende Lenkbewegung der Räder 83 bewirkt wird. Mithilfe der Sensoreinrichtung 60 kann erfasst werden, ob die vom Lenkaktuator 70 auf die Lenkanordnung 80 aufgebrachte Lenkbewegung auch tatsächlich der gewünschten Lenkanforderung entspricht oder nicht und gegebenenfalls entsprechend mithilfe der Steuereinrichtung 90 korrigiert werden.
Im Automatik-Modus, welcher ein autonomes Fahren ermöglicht (d.h. der Fahrer braucht nicht mehr selbst lenken, sondern die Lenkanforderungen werden automatisch ermittelt), ist die mechanische Kopplung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle 40 sowie der radseitigen Lenkwelle 50 wie im Steer-by-Wire-Modus ebenfalls unterbrochen, was ebenfalls durch ein vollständiges Öffnen der erfindungsgemäßen Kupplung 10 erreicht wird.
Der Automatik-Modus ermöglicht ein autonomes Fahren, wobei in diesem Fall die Steuereinrichtung 90 statt von der Sensoreinrichtung 21 von einer anderen Stelle, beispielsweise wie in 1 exemplarisch dargestellt von einer weiteren Steuerungseinrichtung 91, einen entsprechenden Lenkwunsch oder eine entsprechende Lenkanforderung erhält und in Abhängigkeit von dieser Lenkanforderung den Lenkaktuator 70 entsprechend, wie es im Steer-by-Wire-Betriebsmodus zur Umsetzung der Lenkanforderung in eine Lenkbewegung der lenkbaren Räder 83 der Fall ist, ansteuert.
Zusätzlich kann, insbesondere in einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindunggemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100, das Lenkrad 20 im Automatik-Betriebsmodus eingefahren und/oder arretiert werden, wobei das Lenkrad 20 insbesondere in Richtung der Instrumententafel eingefahren werden kann. Hierdurch kann dem Fahrer während der Dauer dies Betriebsmodus mehr Platz im Innenraum zur Verfügung gestellt werden, was sich vorteilhaft auf den Reisekomfort auswirkt. Durch das Einfahren und/oder Arretieren kann eine möglicherweise zu einer unerwünschten Lenkreaktion oder Fahrzeugreaktion führende, unbeabsichtigte Lenkeingabe durch den Fahrer vermieden werden.
Um das Lenkrad 20 bzw. eine entsprechende Lenkeingabevorrichtung 20 im Automatik-Modus einzufahren und bei Bedarf, beispielsweise für den manuellen Modus, den Steer-by-Wire-Modus und den Fail-Safe-Modus wieder leicht und schnell ausfahren zu können, ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100 oder einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung 10 zwischen dem ersten Kupplungsteil 11 und dem Lenkrad 20 bevorzugt eine hier nicht dargestellte Teleskopstange angeordnet, mittels welcher das Lenkrad 20 entsprechend, insbesondere in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse R der fahrerseitigen Lenkwelle 40, in Richtung der Instrumententafel eingefahren oder in Richtung des Fahrers ausgefahren werden kann für einen der anderen Betriebsmodi des Steer-by-Wire-Lenksystems 100.
Im manuellen Betriebsmodus hingegen ist die Kupplung 10 vollständig geschlossen, wobei der erste Kupplungsteil 11 und der zweite Kupplungsteil 12 dabei in Umfangsrichtung formschlüssig ineinander eingreifen, sodass ein vom Fahrer über das Lenkrad 20 auf die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebrachtes Lenkmoment, und damit eine Lenkeingabe, auf die radseitige Lenkwelle 50 übertragen werden kann und somit über die Lenkanordnung 80 weiter auf die lenkbaren Räder 83 und eine gewünschte Lenkbewegung der Räder 83 bewirkt werden kann.
In diesem Modus kann der Lenkaktuator 70 zur Lenkraftunterstützung dienen und ein zusätzliches Lenkmoment auf die Lenkanordnung 80 und/oder, insbesondere je nach Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100, auf die radseitige Lenkwelle 50 aufbringen.
Im vierten, möglichen Betriebsmodus dieses Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100, dem Fail-Safe-Betriebsmodus, ist die Kupplung 10 ebenfalls geschlossen und dadurch ebenfalls eine mechanische Kopplung der fahrerseitigen Lenkwelle 40 mit der radseitigen Lenkwelle 50 hergestellt, sodass eine über das Lenkrad 20 aufgebrachte Lenkbewegung rein mechanisch auf die Lenkanordnung 80 und damit die lenkbaren Räder 83 übertragen werden kann.
Allerdings sind in diesem Zustand, d.h. in diesem Betriebsmodus, insbesondere sowohl der Feedbackaktuator 30 als auch der Lenkaktuator 70 außer Betrieb, d.h. deaktiviert, sodass insbesondere nur ein rein mechanisches Lenken möglich ist, d.h. ohne Servounterstützung. Je nach Fehlerursache ist grundsätzlich aber auch denkbar, eine Teilfunktionalität des manuellen Modus weiterhin aktiv zu belassen, z.B. eine Lenkraftunterstützung, und beispielsweise nur den Feedbackaktuator 30 zu deaktivieren.
Um sicherzustellen, dass die Kupplung 10 im Fehlerfall stets schließt, insbesondere auch bei einem Energieausfall oder dergleichen, ist die erfindungsgemäße Kupplung 10, insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel und vorzugsweise generell, in vorteilhafter Weise als sogenannte „Normally-Closed“-Kupplung 10 ausgebildet, d. h. als eine Kupplung 10, welche nur unter Energiezufuhr offengehalten werden kann und welche bei Unterbrechung der Energieversorgung aufgrund eines vorhandenen Rückstellmechanismus, der beispsielsweise durch eine oder mehrere Rückstellfedern realisiert sein kann, stets schließt.
2 zeigt in stark schematisierter Darstellung in Seitenansicht die erfindungsgemäße Kupplung 10 aus 1, wobei in der Darstellung in 2 gut die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kupplung 10 erkennbar ist. Die erfindungsgemäße Kupplung 10 weist dabei, wie vorstehend anhand von 1 erläutert worden ist, einen ersten Kupplungsteil 11 sowie einen zweiten Kupplungsteil 12 auf, wobei die beiden Kupplungsteile 11 und 12 durch vollständiges Schließen der Kupplung 10, insbesondere durch eine Axialverschiebung des ersten Kupplungsteils 11 in Richtung des zweiten Kupplungsteils 12, miteinander in Eingriff gebracht werden können, insbesondere formschlüssig in Umfangsrichtung (bezogen auf die Rotationsachse R). Durch vollständiges Öffnen der Kupplung 10, insbesondere durch eine Axialverschiebung des ersten Kupplungsteils 11 weg von dem zweiten Kupplungsteil 12, können die beiden Kupplungsteile 11 und 12 außer Eingriff gebracht werden.
Der erste Kupplungsteil 11 weist bei diesem Ausführungsbeispiel 10 einen Kupplungsabschnitt 4 sowie einen Anschlussabschnitt 3 auf, welcher mit einem ersten Verbindungsabschnitt 13 drehfest aber in axialer Richtung beweglich zu diesem verbunden ist, wobei der erste Verbindungsabschnitt 13 der Kupplung 10 wiederum drehfest mit der fahrerseitigen Lenkwelle 40 verbunden ist
Der zweite Kupplungsteil 12 weist einen entsprechenden Kupplungsabschnitt 2 auf sowie einen Anschlussabschnitt 1, wobei bei der in 2 gezeigten Kupplung 10 der Anschlussabschnitt 1 des zweiten Kupplungsteils 12 bei dem in 1 gezeigten Beispiel eines Steer-by-Wire-Lenksystem 100 gleichzeitig einen zweiten Verbindungsabschnitt 14 der Kupplung 10 bildet, welcher mit der radseitigen Lenkwelle 50 drehfest verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Kupplung 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel dabei in besonders vorteilhafter Weise mittels einer Hydraulikeinrichtung 15 betätigbar. D.h. die Aktuatoreinrichtung der Kupplung 10 ist eine Hydraulikeinrichtung 15, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung 10 der erste Kupplungsteil 11 durch einen Hydraulikkolben 5 gebildet ist, welcher in einem Hydraulikzylinder 7 entlang der Rotationsachse R axial verschiebbar gelagert ist. Der zweite Kupplungsteil 12 ist durch einen in dem als Differentialzylinder bzw. doppeltwirkenden Hydraulikzylinder 7 ausgebildeten Hydraulikzylinder 7 axial festgelegten Einsatz 6 gebildet, wobei ein erstes Ende des Einsatzes 6 dabei den Kupplungsabschnitt 2 des zweiten Kupplungsteils 12 bildet und ein zweites, vom Kupplungsabschnitt 2 abgewandtes Ende, welches aus dem Hydraulikzylinder 7 herausgeführt ist, den Verbindungsabschnitt 14. Der Verbindungsabschnitt 14 ist dabei als massiver Zylinder ausgebildet, während der Kupplungsabschnitt 2 hülsenförrmig ausgebildet ist.
Der durch den Hydraulikkolben 5 der Hydraulikeinrichtung 15 bzw. der Aktuatoreinrichtung der Kupplung 10 gebildete erste Kupplungsteil 11 weist einen durch eine Kolbenstange 3 gebildeten Anschlussabschnitt 3 sowie einen durch den eigentlichen Kolben gebildeten Kupplungsabschnitt 4 auf, wobei der Kupplungsabschnitt 4 des ersten Kupplungsteils 11 eine Außenkontur 16 mit einem einzigen, exzentrisch zur Rotationsachse R angeordneten, und sich in axialer Richtung, d.h. parallel zur Rotationsachse R, erstreckenden Vorsprung 18 aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung 10 in eine komplementär ausgebildete Vertiefung 19 in einer Außenkontur 17 des hülsenförmigen Kupplungsabschnitt 2 des zweiten Kupplungsteils 12 einzugreifen. Die den Anschlussabschnitt 3 des Hydraulikkolbens 5 bildenden Kolbenstange 3 des Hydraulikkolbens 5 ist ebenfalls aus dem Hydraulikzylinder 7 herausgeführt.
Der Hydraulikzylinder 7 ist dabei als ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder ausgebildet, wobei durch eine Beaufschlagung mit einem Hydraulikdruck auf der vom zweiten Kupplungsteil 12 abgewandten Seite des Hydraulikkolbens 5 eine Axialverschiebung des Hydraulikkolbens 5 und damit des ersten Kupplungsteils 11 in Richtung des axial festgelegten, zweiten Kupplungsteils 12 bewirkt werden kann, und durch ein entsprechendes Beaufschlagen mit einem Druck auf der dem zweiten Kupplungsteil 12 zugewandten Seite des Hydraulikkolbens 5 eine Axialverschiebung in Richtung des Verbindungsabschnitts 13, d.h. bezogen auf die Darstellung in 2 nach rechts.
Der Anschlussabschnitt 3 des Hydraulikkolbens 5 ist dabei nicht zylindrisch ausgebildet, sondern weist einen viereckigen Querschnitt auf, sodass dieser zwar axial verschieblich entlang der Rotationsachse R im Verbindungsabschnitt 13 gelagert ist, aber drehfest mit diesem gekoppelt, insbesondere verbunden, ist, sodass ein auf den Verbindungsabschnitt 13 über die fahrerseitige Lenkwelle 40 aufgebrachtes Drehmoment auf den Hydraulikkolben 5 übertragbar ist und somit im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung 10 weiter auf den Einsatz 6 und über den Verbindungsabschnitt 14 weiter auf die radseitige Lenkwelle 50. Grundsätzlich können zum Bewirken einer Drehmomentübertragung statt eines Vierkant-Anschlussabschnitts 3, der in einer entsprechend ausgestalteten Führung axial verschiebbar im Verbindungsabschnitt 13 aufgenommen ist, aber auch andere Verdrehsicherungsprinzipien bzw. -mechanismen eingesetzt werden.
Die Kupplung 10 kann bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dabei nur entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 8 geöffnet werden, sodass sichergestellt ist, falls ein entsprechender Hydraulikdruck auf der dem zweiten Kupplungsteil 12 zugewandten Seite des Hydraulikkolbens 5 nicht mehr aufgebracht oder aufrechterhalten werden kann, dass die Kupplung 10 in jedem Fall, vor allem im Fehlerfall, sicher und zuverlässig vollständig schließt und der erste Kupplungsteil 11 formschlüssig mit dem zweiten Kupplungsteil 12 zum Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle und der radseitigen Lenkwelle in Eingriff gebracht wird.
Erfindungsgemäß ist die Kupplung 10 dabei derart ausgebildet, dass sie nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils 11 relativ zum zweiten Kupplungsteil 12 vollständig geschlossen werden kann. Dies wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Vorsprung 18 sowie die zugehörige Vertiefung 19 erreicht und sichergestellt.
Damit der Vorsprung 18 auch in die Vertiefung 19 eingreift und die Kupplung 10 geschlossen werden kann, auch wenn bei Beginn eines Schließvorgangs der Kupplung 10 der erste Kupplungsteil 11 und der zweite Kupplungsteil 12 relativ zueinander um die Rotationsachse R verdreht sind, sodass der Vorsprung 18 nicht mit der Vertiefung 19 in axialer Richtung fluchtet, weist der zweite Kupplungsteil 12 Rampen 9 auf, mit welchen der Vorsprung 18, der in diesem Fall auch als Nocken 18 wirkt, in die Vertiefung 19 geführt werden kann.
Durch axiales Aufeinanderzubewegen der beiden Kupplungsteile 11 und 12 aus der vollständig geöffneten Stellung der Kupplung 10 heraus, bzw. vorliegend durch axiales Verschieben des ersten Kupplungsteils 11 in Richtung des zweiten Kupplungsteils 12, kann der Vorsprung 18 bzw. der Nocken 18 in Eingriff mit einer der Rampen 9 gebracht werden.
Liegt der Vorsprung bzw. Nocken 18 auf der Rampe 9 auf, kann durch eine weitere Axialverschiebung des ersten Kupplungsteils 11 in Richtung des zweiten Kupplungsteils 12 ein Abgleiten des Vorsprungs 18 auf der Rampe 9 bewirkt werden, welches zu einer Drehung des ersten Kupplungsteils 11, insbesondere des gesamten Hydraulikkolbens 5, um die Rotationsachse R führt. Es ist einem zuständigen Fachmann dabei klar, dass die Rampe 9 hierfür entsprechend ausgestaltet sein muss, ähnlich eines Gewindegangs bei einer Schraube, insbesondere helixförmig, was hier in den Figuren nicht realitätsgetreu wiedergegeben ist (welche den Eindruck einer gerade Rampe vermitteln), sondern lediglich schematisch angedeutet ist.
Durch die drehfeste Verbindung des Hydraulikkolbens 5, insbesondere des Anschlussabschnitts 3 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 13, welcher wiederum drehfest mit der fahrerseitigen Lenkwelle 40 verbunden ist und über diese somit auch drehfest mit dem Lenkrad 20 gekoppelt ist, kann somit auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass das Lenkrad 20 stets nur bei genau einer definierten Drehwinkelposition mit den lenkbaren Rädern 83 gekoppelt werden kann.
Diese definierte relative Drehwinkelposition, in der ein vollständiges Schließen der Kupplung 10 möglich ist, ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass sich, wenn die Kupplung 10 geschlossen ist, sowohl die lenkbaren Räder 83 in Geradeausstellung befinden, als auch die Lenkeingabevorrichtung 20 ausgerichtet ist und insbesondere gerade steht bzw. eine neutrale Mittenposition einnimmt.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer weiteren möglichen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung 10', welche vom Prinzip her ähnlich aufgebaut ist wie die in 2 abgebildete Kupplung 10, sich jedoch hinsichtlich ihrer Geometrie des ersten Kupplungsteils 11' und des zweiten Kupplungsteils 12' unterscheidet. Die Kupplung 10' aus 3 weist insbesondere zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel jeweils unterschiedliche Außenkonturen 16' und 17' auf, insbesondere einen geometrisch anders ausgestalteten Vorsprung 18', eine entsprechend geometrisch anders ausgestaltete Vertiefung 19' sowie anders ausgestaltete Rampen 9'.
Die in 3 gezeigte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kupplung 10 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei sich insbesondere die Ausgestaltung der sich jeweils über einen Umfangswinkel von 180° erstreckenden und gegenüber der Vertiefung 19' an ihren Enden zusammenlaufenden Rampen 9' als vorteilhaft erwiesen hat.
Der Vorsprung 18' ist dabei vorzugsweise entsprechend geeignet ausgebildet, insbesondere derart lang, dass er beim vollständigen Schließen der Kupplung weit genug in die Vertiefung 19' hineingreift.
Für ein besonders gutes Abgleiten des Vorsprungs 18' auf der Rampe 9' kann der Vorsprung 18' an seinem dem zweiten Kupplungsteil 12' zugewandten Ende insbesondere entsprechend abgeschrägt oder angefast sein. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine reibungsreduzierende Beschichtung vorzusehen, insbesondere sowohl auf der Rampe 9', als auch auf dem Vorsprung bzw. Nocken 18'.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kupplung 10", wobei diese sich ebenfalls in der Geometrie der Außenkonturen 16" und 17" von den beiden, anhand der 2 und 3 zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele 10 und 10' unterscheidet. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 18" wesentlich massiver ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung über einen wesentlich größeren Bereich. Entsprechend ist die komplementär zu diesem ausgebildete Vertiefung 19" ebenfalls erheblich größer. Dies kann in einigen Fällen vorteilhaft sein, insbesondere bei größeren, zu übertragenden Drehmomenten.
Vom Funktionsprinzip her unterscheiden sich die in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch grundsätzlich nicht.
Anhand der 5a bis 5d, welche die einzelnen Phasen eines Schließvorgangs eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kupplung 10'" zeigen, wird deutlich, was zuvor anhand von 2 erläutert worden ist.
Die 5a bis 5d machen dabei insbesondere das infolge einer Axialverschiebung des Hydraulikkolbens 5 bzw. des ersten Kupplungsteils 11'" bewirkte Abgleiten des Vorsprungs 18'" auf der Rampe 9'" und das durch das Abgleiten des Vorsprungs 18'" bzw. des Nockens 18'" auf der Rampe 9'" bewirkte Drehen des zweite Kupplungsteils 11'", insbesondere des Hydraulikkolbens 5 um die Rotationsachse R und das daraus resultierende Ausrichten des Vorsprungs 18"'in Flucht mit der Vertiefung 19'", deutlich, sodass die Kupplung 10'" vollständig geschlossen werden kann und dies erfindungsgemäß nur bei einer einzigen definierten relativen Drehwinkelposition der beiden Kupplungsteile 11'" und 12'" zueinander.
5a zeigt dabei die erfindungsgemäße Kupplung 10'" in einem vollständig geöffneten Zustand. 5b zeigt die Kupplung 10'" nachdem der Vorsprung 18'" mit der Rampe 9'" durch eine Axialverschiebung des ersten Kupplungsteils 11'" in Eingriff gebracht worden ist. 5c zeigt die Kupplung 10'" in einem Zustand, nach einer weiteren Axialverschiebung des ersten Kupplungsteils 11'" in Richtung des zweiten Kupplungsteils 12'", wobei die weitere Axialverschiebung ein Abgleiten des Nockens/Vorsprungs 18'" auf der Rampe 9'" bewirkt hat, was wiederum eine Rotation des ersten Kupplungsteils 11'" und damit des gesamten Hydraulikkolbens 5 bewirkt hat und infolge der Drehverbindung des Anschlussabschnitts 3 des Hydraulikkolbens 5 mit dem Verbindungsabschnitt 13 auch eine Drehung von diesem (und somit eine Ausrichtung des mit diesem drehfest gekoppelten Lenkrads 20). 5d zeigt die Kupplung 10'" in einem vollständig geschlossenen Zustand, in welchem der Vorsprung 18'" in die Vertiefung 19'" formschlüssig eingreift, so dass zwischen dem ersten Kupplungsteil 11'" und dem zweiten Kupplungsteil 12'" ein Drehmoment in Umfangsrichtung, d.h. um die Rotationsachse R, übertragbar ist.
Wird durch die Hydraulikeinrichtung 15, insbesondere durch Aufbringen eines zusätzlichen Hydraulikdrucks, eine zusätzliche axiale Klemmkraft FA aufgebracht, was durch den zweiten, parallel zur Rotationsachse R verlaufenden Pfeil in 5d angedeutet ist, kann zusätzlich zu der fomschlüssigen Verbindung der beiden Kupplungsteile 11'" und 12'" in Umfangsrichtung noch eine kraftschlüssige Verbindung, d.h. eine reibschlüssige Verbindung, zwischen den beiden Kupplungsteilen 11"', 12'" bewirkt werden. Dies erhöht die Verbindungsfestigkeit. Insbesondere lässt sich auf diese Weise ein Spiel zwischen den beiden Kupplungsteilen 11'" und 12'" im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung 10'" reduzieren, wodurch das Lenkgefühl erheblich verbessert werden kann. Eine weitere Erhöhung der Verbindungsfestigkeit innerhalb der Kupplung 10'" lässt sich erreichen, wenn zusätzlich noch eine radiale Klemmkraft FR auf die beiden miteinander in Eingriff befindlichen Kupplungsteile 11'" und 12'" aufgebracht wird, was in 5d durch den sich senkrecht zur Rotationsachse R erstreckenden, mit „FR“ bezeichneten Pfeil symbolisch angedeutet ist.
Die 6a an 6b zeigen zum besseren Verständnis jeweils eine Ansicht auf die Stirnseite der beiden Kupplungsteile 11'" und 12'", wobei in 6a die Ansicht auf das zweite Kupplungsteil 12'" vom ersten Kupplungsteil 11'" aus dargestellt ist und in 6b die Ansicht auf die Stirnseite des erste Kupplungsteils 11'" von dem zweiten Kupplungsteil 12'" aus gesehen. Anhand dieser beiden Abbildungen lässt sich insbesondere gut die Anordnung der Vertiefung 19'" im hülsenförmigen Kupplungsabschnitt des zweiten Kupplungsteils 12'" sowie die exzentrische Anordnung des Vorsprungs 18'" erkennen, der sich in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse R von der Kolbenunterseite des Hydraulikkolbens 5 in Richtung des zweiten Kupplungsteils 12'" erstreckt.
7 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines möglichen Hydraulik-Schaltschemas zum Ansteuern des Hydraulikzylinders 7 der beispielhalber beschriebenen, erfindungsgemäßen Kupplung 10, wobei mittels eines Hydraulikventils 104 ein Hydraulikmediumzu- und -abfluss über die Hydraulikleitungen L2 und L3 in die jeweiligen Hydraulikkammern des Hydraulikzylinders 7 gesteuert werden kann und somit eine Axialverschiebung des Hydraulikkolbens 5 und damit des ersten Kupplungsteils 11 und infolgedessen ein Öffnen und Schließen der Kupplung 10.
Das Hydraulikventil 104 ist bevorzugt, wie hier beispielhalber abgebildet, insbesondere ein 4/3-Wegeventil, welches in einem ersten Schaltzustand (linkes Kästchen des Hydraulikventils 104) ein Beaufschlagen des Hydraulikzylinders 7 über die Hydraulikleitungen L1 und L3 mittels einer Hydraulikpumpe 103 ermöglicht, wobei in diesem Schaltzustand mittels einer Hydraulikpumpe 103 Hydraulikmedium aus einem Hydraulikmediumreservoir 101 durch einen Filter 102 hindurch angesaugt werden kann und über das Hydraulikventil 104 dem Hydraulikzylinder mit einem von der Pumpe 103 erzeugten Druck zugeführt werden kann, während über die Hydraulikleitungen L2 und L4 in diesem Schaltzustand Hydraulikmedium in einen Tank abgeführt werden kann und somit ein Druck rechtsseits vom ersten Kupplungsteil 11 (bezogen auf die Darstellung in 7) abgebaut werden kann, wodurch die Kupplung 10 entgegen der hier nicht abgebildeten Rückstellfeder 8 geöffnet wird.
In einem zweiten Schaltzustand (Kästchen ganz rechts) kann hingegen über die Hydraulikleitungen L1 und L2 Hydraulikmedium unter Druck in den Hydraulikraum rechts vom ersten Kupplungsteil 11 in den Hydraulikzylinder 7 gefördert werden und über die Leitungen L3 und L4 in den Tank abgeführt werden, wodurch ein Schließen der Kupplung 10 bewirkt wird.
Um Energie zu sparen, insbesondere um nicht permanent mittels der Hydraulikpumpe 103 einen entsprechenden Arbeitsdruck im Hydraulikzylinder 7 aufrechterhalten zu müssen, ist es vorteilhaft, wenn das Hydraulikventil 104, wie in 7 gezeigt, ferner eine dritte Schaltstellung ermöglicht, in welcher sowohl ein Hydraulikmediumzufluss als auch ein Hydraulikmediumabfluss gesperrt werden können und somit die Kupplung 10, insbesondere die Hydraulikeinrichtung 15, insbesondere der Hydraulikkolben 5 im Hydraulikzylinder 7, im jeweiligen Zustand arretiert werden kann.
Um im Fehlerfall auch ein entsprechendes Schließen der Kupplung 10 sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn das Hydraulikventil 104 dabei ebenfalls derart ausgebildet ist, dass es im Fehlerfall, insbesondere bei Unterbrechung einer Energieversorgung des Hydraulikventils 104, in denjenigen Zustand umschaltet, in welchem die Kupplung 10 schließt, auch wenn mittels der Hydraulikpumpe 103 keinerlei Hydraulikdruck aufgebaut werden kann. Für diesen Anwendungsfall entsprechend geeignete Hydraulikventile sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen diesbezüglich verzichtet wird.
8 zeigt ein Flussdiagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems 100, wobei in einem ersten Schritt S1 ein Zustand des Steer-by-Wire-Lenksystems 100 erfasst wird, in einem zweiten Schritt S2 ein Betriebsmodus des Steer-by-Wire-Lenksystems in Abhängigkeit von dem erfassten Zustand des Steer-by-Wire-Lenksystems 100 bestimmt wird, wobei insbesondere geprüft wird, ob ein Fehlerfall vorliegt und somit zwingend in den Fail-Safe-Modus umgeschaltet werden muss, oder ob kein Fehlerfall vorliegt und somit in einen von einem Fahrer gewählten Betriebsmodus umgeschaltet werden kann, wobei in einem dritten Schritt S3 die schaltbare Kupplung 10 gemäß dem bestimmten Betriebsmodus (Fail-Safe-Modus, Steer-by-Wire-Betriebsmodus, manueller Betriebsmodus, oder Automatik-Modus) angesteuert wird, wobei wenn der Betriebsmodus, der bestimmt worden ist, ein Steer-by-Wire-Modus oder ein Automatik-modus ist, in einem weiteren Schritt S4a die Kupplung vollständig geöffnet wird, oder wenn der Betriebsmodus der bestimmt worden ist, der Manuell-Modus oder der Fehlermodus ist, in einem weiteren Schritt S4b die Kupplung vollständig geschlossen wird, wobei die Kupplung erfindungsgemäß stets bei ein und derselben definierten relativen Drehwinkelposition der fahrerseitigen Lenkwelle 40 relativ zur radseitigen Lenkwelle 50 geschlossen wird.
Um auf besonders einfache Art und Weise, insbesondere mechanisch sicherzustellen, dass die Kupplung 10 stets bei ein und derselben definierten, relativen Drehwinkelposition der fahrerseitigen Lenkwelle 40 relativ zur radseitigen Lenkwelle 50 geschlossen wird, wird bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt eine erfindungsgemäße Kupplung 10, 10', 10", 10'" und/oder ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem 100 verwendet.
Selbstverständlich ist eine Vielzahl an Abwandlungen, insbesondere von konstruktiven Abwandlungen, zu dem erläuterten Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: erfindungsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem
10, 10', 10", 10'": erfindungsgemäße Kupplung
1: Anschlussabschnitt des Einsatzes
2: Kupplungsabschnitt des Einsatzes (des zweiten Kupplungsteils)
3: Anschlussabschnitt des Hydraulikkolbens
4: Kupplungsabschnitt des Hydraulikkolbens (des ersten Kupplungsteils)
5: Hydraulikkolben
6: Einsatz
7: Hydraulikzylinder
8: Rückstellfeder
9, 9', 9": Rampe
11, 11', 11", 11'": erster Kupplungsteil
12, 12', 12", 12'": zweiter Kupplungsteil
13: erster Verbindungsabschnitt
14: zweiter Verbindungsabschnitt
15: Hydraulikeinrichtung
16, 16', 16": erste Außenkontur
17, 17', 17": zweite Außenkontur
18, 18', 18", 18'": Vorsprung, Nocken
19, 19', 19", 19'": Vertiefung
20: Lenkeingabevorrichtung
21: Sensoreinrichtung
30: Feedbackaktuator
40: fahrerseitige Lenkwelle
50: radseitige Lenkwelle
60: Sensoreinrichtung
70: Lenkaktuator
80: Lenkanordnung
81: Zahnstange
82: Spurstange
83: lenkbares Rad
90: Steuerungseinrichtung
91: weitere Steuerungseinrichtung
101: Hydraulikmediumreservoir
102: Filter
103: Hydraulikpumpe
104: Hydraulikventil
FA: durch Hydraulikeinrichtung zusätzlich aufgebrachte, axiale Klemmkraft
FR: zusätzliche, radiale Klemmkraft
L1-L4: Hydraulikleitungen
R: Rotationsachse der Lenkwelle
S1-S4b: Verfahrensschritte
W: Fahrerwunschsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015225522 A1 [0004]
DE 19926534 A1 [0004, 0006]
EP 2330012 A1 [0006]
US 6580989 B1 [0007]

Claims

Schaltbare Kupplung (10, 10', 10", 10"') für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (100) mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug, wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10'") aufweist: - einen ersten Verbindungsabschnitt (13), der drehfest mit einer ersten, insbesondere fahrerseitigen, um eine Rotationsachse (R) drehbaren Lenkwelle (40) eines Steer-by-Wire-Systems (100) koppelbar ist, -einen zweiten Verbindungsabschnitt (14), der drehfest mit einer zweiten, insbesondere radseitigen, um eine Rotationsachse (R) drehbaren Lenkwelle (50) des Steer-by-Wire-Systems (100) koppelbar ist, -einen ersten Kupplungsteil (11, 11', 11", 11'"), der drehfest mit dem ersten Verbindungsabschnitt (13) gekoppelt ist, -einen zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'"), der drehfest mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (14) gekoppelt ist, und - eine Aktuatoreinrichtung (70), wobei der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") mittels der Aktuatoreinrichtung (70) miteinander in Eingriff und/oder außer Eingriff bringbar sind, wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10''') derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Schaltzustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander in Eingriff sind, sodass zwischen dem ersten Kupplungsteil (11, 11', 11", 11'") und dem zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12"') ein Drehmoment übertragbar ist, wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10"') derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Schaltzustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") derart außer Eingriff sind, dass der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') gegenüber dem zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") frei drehbar ist, und wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10''') derart ausgebildet ist, dass die Kupplung (10, 10', 10", 10"') nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils (11, 11', 11", 11'") relativ zum zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") vollständig schließbar ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Art einer Klauenkupplung oder einer Axialverzahnungskupplung ausgebildet ist oder als Klauenkupplung oder Axialverzahnungskupplung, wobei der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') eine erste Außenkontur (16, 16', 16") aufweist und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") eine zweite Außenkontur (17, 17', 17"), wobei die erste Außenkontur (16, 16', 16") des ersten Kupplungsteils (11, 11', 11", 11'") derart komplementär zur zweiten Außenkontur (17, 17, 17") des zweiten Kupplungsteils (12, 12', 12", 12'") ausgebildet ist, dass die erste Außenkontur (16, 16', 16") des ersten Kupplungsteils (11, 11', 11", 11'") nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils (11, 11', 11", 11"') relativ zum zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") in Umfangsrichtung formschlüssig mit der zweiten Außenkontur (17, 17', 17") des zweiten Kupplungsteils (12, 12', 12", 12'") in Eingriff bringbar ist, so dass die Kupplung (10, 10', 10", 10"') nur bei genau einer definierten relativen Drehwinkelposition des ersten Kupplungsteils (11, 11', 11", 11"') relativ zum zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") vollständig schließbar ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden ersten und zweiten Kupplungsteile (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12'") einen sich in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse (R) der ersten Lenkwelle (40) und/oder zur Rotationsachse (R) der zweiten Lenkwelle (50) erstreckenden und exzentrisch zur Rotationsachse (R) angeordneten Vorsprung (18, 18', 18", 18''') aufweist und der andere der beiden Kupplungsteile (12, 12', 12", 12'"; 11, 11', 11", 11"') eine entsprechend komplementär ausgebildete und angeordnete Vertiefung (19, 19', 19", 19'"), in welche der Vorsprung (18, 18', 18", 18''') im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung (10, 10', 10", 10'") formschlüssig eingreift.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden ersten und zweiten Kupplungsteile (11, 11', 11", 11"; 12, 12', 12", 12'") wenigstens eine gewindegangähnliche, zumindest über einen Teil des Umfangs mit definierter Steigung verlaufende Rampe (9, 9', 9") aufweist und der andere Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'"; 11, 11', 11", 11"') wenigstens einen sich in axialer Richtung und parallel zur Rotationsachse (R) der ersten Lenkwelle (40) und/oder zur Rotationsachse (R) der zweiten Lenkwelle (50) erstreckenden Nocken (18, 18', 18", 18'"), wobei der Nocken (18, 18', 18", 18''') durch eine Relativverschiebung der ersten und zweiten Kupplungsteile (11, 11', 11", 11"; 12, 12', 12", 12'") in axialer Richtung aufeinander zu mit der Rampe (9, 9', 9") in Eingriff bringbar ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Nocken (18, 18', 18", 18''') durch einen der axialen Vorsprünge (18, 18', 18", 18"`) gebildet ist, insbesondere durch den einzigen axialen Vorsprung (18, 18', 18", 18"`).
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10, 10', 10", 10'"), insbesondere der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") derart ausgebildet sind, dass wenn der Nocken (18, 18', 18", 18"`) mit der Rampe (9, 9', 9") in Eingriff ist, durch eine Relativverschiebung der ersten und zweiten Kupplungsteile (11, 11', 11", 11"'; 12, 12', 12", 12'") in axialer Richtung aufeinander zu ein Abgleiten des Nockens (18, 18', 18", 18"') auf der Rampe (9, 9', 9") bewirkbar ist und infolgedessen eine Relativdrehung zwischen dem ersten Kupplungsteil (11, 11', 11 ",11"') und dem zweiten Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'"), insbesondere bis die genau eine definierte, relative Drehwinkelposition erreicht ist, in welcher die Kupplung (10, 10', 10", 10"') vollständig schließbar ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10''') nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Vertiefung (19, 19', 19", 19"`) in Umfangsrichtung jeweils beidseitig eine Rampe (9, 9', 9") angrenzt, wobei die beiden, in Umfangsrichtung jeweils an die Vertiefung (19, 19', 19", 19"`) angrenzenden Rampen (9, 9', 9") insbesondere jeweils entgegengesetzte Steigungen aufweisen.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung eine Hydraulikeinrichtung (15) mit einem Hydraulikzylinder (7), vorzugsweise einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder (7), und einem im Hydraulikzylinder (7) axial verschiebbaren Hydraulikkolben (5) aufweist, wobei vorzugsweise der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11'") und der zweite Kupplungsteil (12, 12', 12", 12"') innerhalb des Hydraulikzylinders (7) angeordnet sind.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Kupplungsteile (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12'"), vorzugsweise der erste Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"'), insbesondere der fahrerseitige Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"'), durch den Hydraulikkolben (5) gebildet ist und innerhalb des Hydraulikzylinders (7) axial verschiebbar ist, wobei der andere Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") vorzugsweise durch einen Einsatz (6) im Hydraulikzylinder (7) gebildet ist, der axial im Hydraulikzylinder (7) festgelegt ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikkolben (5) einen Kupplungsabschnitt (4), der den zugehörigen Kupplungsteil (11, 11', 11", 11"') umfasst, und einen Anschlussabschnitt (3) umfasst, welcher sich auf der von den Kupplungsteilen (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12'") abgewandten Seite befindet, wobei der Anschlussabschnitt (3) des Hydraulikkolbens (5) mit dem ersten Verbindungsabschnitt (13) der Kupplung (10, 10', 10", 10"') drehfest verbunden ist oder diesen bildet.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (6) einen Kupplungsabschnitt (2), der den zugehörigen Kupplungsteil (12, 12', 12", 12'") umfasst, und einen Anschlussabschnitt (1) umfasst, welcher sich auf der von den Kupplungsteilen (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12'") abgewandten Seite befindet, wobei der Anschlussabschnitt (1) des Einsatzes (6) mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (14) der Kupplung (10, 10', 10", 10"') drehfest verbunden ist oder diesen bildet.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Verbindungsabschnitte (13, 14), vorzugsweise der erste Verbindungsabschnitt (13), insbesondere derjenige, der zur Verbindung mit der fahrerseitigen Lenkwelle (40) vorgesehen ist, eine Teleskopstange aufweist, einen Teil einer Teleskopstange (3, 13A, 13B) bildet oder als Teleskopstange ausgebildet ist.
Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10, 10', 10", 10"') ferner dazu ausgebildet ist, insbesondere zusätzlich, eine definierte Klemmkraft (FA, FR), vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung, derart auf einen oder beide Kupplungsteile (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12"`) aufzubringen, dass zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung in Umfangsrichtung zwischen den beiden Kupplungsteilen (11, 11', 11", 11'"; 12, 12', 12", 12'") im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen (11, 11', 11",11'"; 12, 12', 12",12'") entsteht.
Steer-by-Wire-Lenksystem (100) mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Lenken wenigstens eines mit dem Lenksystem (100) in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einem Fahrzeug verbundenen, lenkbaren Rades (83) des Fahrzeugs, wobei das Lenksystem (100) aufweist: - eine Lenkeingabevorrichtung (20), insbesondere ein Lenkrad (20), zur Lenkeingabe durch einen Fahrer, - eine drehfest mit der Lenkeingabevorrichtung (20) verbindbare oder verbundene, um eine Rotationsachse (R) drehbare, fahrerseitige Lenkwelle (40), - eine radseitige, um eine Rotationsachse (R) drehbare Lenkwelle (50), - eine drehfest mit der radseitigen Lenkwelle (40) gekoppelte und mit wenigstens einem lenkbaren Rad (83) eines Fahrzeugs verbindbare Lenkanordnung (80), - wenigstens einen Lenkaktuator (70), - eine Steuerungseinrichtung (90), welche dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Lenkanforderung den Lenkaktuator (70) entsprechend anzusteuern, und - eine schaltbare Kupplung (10, 10', 10", 10"') zum Herstellen und Lösen einer Drehverbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle (40) und der radseitigen Lenkwelle (50), wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10''') derart ausgebildet ist, dass im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') eine von einem Fahrer über die Lenkeingabevorrichtung (20) auf die fahrerseitige Lenkwelle (40) aufgebrachte Lenkbewegung mittels der Kupplung (10, 10', 10", 10"') auf die radseitige Lenkwelle (50) übertragbar ist, und im vollständig geöffneten Zustand die fahrerseitige Lenkwelle (40) gegenüber der radseitigen Lenkwelle (50) frei drehbar ist, wobei das Lenksystem (100) derart ausgebildet ist, dass in einem funktionsgemäßen Einbauzustand des Lenksystems (100) in einem Fahrzeug mittels einer auf die radseitige Lenkwelle (50) aufgebrachten Lenkeingabe und/oder mittels des Lenkaktuators (70) eine Lenkbewegung wenigstens eines mit der Lenkanordnung (80) gekoppelten lenkbaren Rades (83) bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, wobei der erste Verbindungsabschnitt (13) der Kupplung (10, 10', 10", 10"') drehfest mit der fahrerseitigen Lenkwelle (40) gekoppelt ist, und der zweite Verbindungsabschnitt (14) drehfest mit der radseitigen Lenkwelle (50) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines Steer-by-wire-Lenksystems (100) mit einer mechanischen Rückfallebene für ein Fahrzeug zum Lenken wenigstens eines mit dem Lenksystem (100) in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einem Fahrzeug verbundenen, lenkbaren Rades (83) des Fahrzeugs, wobei das Lenksystem (100) aufweist: - eine Lenkeingabevorrichtung (20), insbesondere ein Lenkrad (20), zur Lenkeingabe durch einen Fahrer, - eine drehfest mit der Lenkeingabevorrichtung (20) verbindbare oder verbundene, um eine Rotationsachse (R) drehbare, fahrerseitige Lenkwelle (40), - eine radseitige, um eine Rotationsachse (R) drehbare Lenkwelle (50), - eine drehfest mit der radseitigen Lenkwelle (50) gekoppelte und mit wenigstens einem lenkbaren Rad (83) eines Fahrzeugs verbindbare Lenkanordnung (80), - wenigstens einen Lenkaktuator (70), - eine Steuerungseinrichtung (91), welche dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Lenkanforderung den Lenkaktuator (70) entsprechend anzusteuern, und - eine schaltbare Kupplung (10, 10', 10", 10"') zum Herstellen und Lösen einer Drehverbindung zwischen der fahrerseitigen Lenkwelle (40) und der radseitigen Lenkwelle (50), wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10''') derart ausgebildet ist, dass im vollständig geschlossenen Zustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') eine von einem Fahrer über die Lenkeingabevorrichtung (20) auf die fahrerseitige Lenkwelle (40) aufgebrachte Lenkbewegung mittels der Kupplung (10, 10', 10", 10"') auf die radseitige Lenkwelle (50) übertragbar ist, und im vollständig geöffneten Zustand der Kupplung (10, 10', 10", 10"') die fahrerseitige Lenkwelle (40) gegenüber der radseitigen Lenkwelle (50) frei drehbar ist, wobei das Lenksystem (100) derart ausgebildet ist, dass in einem funktionsgemäßen Einbauzustand des Lenksystems (100) in einem Fahrzeug mittels einer auf die radseitige Lenkwelle (50) aufgebrachten Lenkeingabe und/oder mittels des Lenkaktuators (70) eine Lenkbewegung wenigstens eines mit der Lenkanordnung (80) gekoppelten lenkbaren Rades (83) bewirkbar ist, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erfassen (S1) eines Zustands des Lenksystems (100), - Bestimmen (S2) eines Betriebsmodus des Lenksystems (100) in Abhängigkeit von dem erfassten Zustand des Lenksystems (100), und - Ansteuern (S3) der schaltbaren Kupplung (10, 10', 10", 10"') in Abhängigkeit von dem bestimmten Betriebsmodus, wobei wenn der Betriebsmodus, der bestimmt worden ist, ein Steer-by-Wire-Modus oder ein Automatik-Modus ist, in einem weiteren Schritt (S4a) die Kupplung (10, 10', 10", 10"') vollständig geöffnet wird, oder wenn der Betriebsmodus, der bestimmt worden ist, ein Manuell-Modus oder ein Fehlermodus ist, in einem weiteren Schritt (S4b) die Kupplung (10, 10', 10", 10"') vollständig geschlossen wird, wobei die Kupplung (10, 10', 10", 10"') stets bei ein und derselben definierten, relativen Drehwinkelposition der fahrerseitigen Lenkwelle (40) relativ zur radseitigen Lenkwelle (50) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Verfahrens eine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildete Kupplung (10, 10', 10", 10"') und/oder ein nach Anspruch 14 ausgebildetes Steer-by-Wire-Lenksystem (100) verwendet wird.
Fahrzeug, inbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Steer-by-Wire-Lenksystem (100) mit mechanischer Rückfallebene, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-Wire-Lenksystem (100) eine Kupplung (10, 10', 10", 10"') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist und/oder nach Anspruch 14 ausgebildet ist und/oder zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 15 oder 16 ausgebildet ist.