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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem, beispielsweise für schwere Nutzfahrzeuge wie landwirtschaftliche Fahrzeuge, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, die geeignet sind, sich mit geringer Geschwindigkeit (typischerweise mit weniger als 60 km/h) zu bewegen, wie beispielsweise Ackerschlepper oder Erdbaumaschinen. Insbesondere erlaubt ein derartiges Lenksystem, das Verhältnis zwischen einem von einem Benutzer eingegebenen Lenkbefehl und dem tatsächlich ausgeführten Lenkbefehl zu ändern.
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STAND DER TECHNIK
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Bekannt sind Lenksysteme für schwere Nutzfahrzeuge wie beispielsweise Ackerschlepper oder Erdbaumaschinen, die eine hydrostatische Lenkvorrichtung mit einem Verteiler, beispielsweise einem Drehverteiler umfassen, der ausgebildet ist, um ein unter Druck stehendes Arbeitsfluid selektiv einem oder mehreren Aktuatoren zuzuführen, die mit wenigstens einem Paar gelenkter Räder des Fahrzeugs verbunden sind, um die Lenkung des Fahrzeugs auszuführen.
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Eine besondere Art dieser Lenksysteme sieht eine Modulatoreinrichtung vor, die ausgebildet ist, um einen Lenkbefehl selektiv auf den Verteiler zu übertragen, der in Bezug auf den von einem Fahrer des Fahrzeugs, beispielsweise mittels eines Lenkrads erteilten Lenkbefehl geändert wird. Insbesondere ist eine derartige Modulatoreinrichtung im Allgemeinen ausgebildet, um den tatsächlich auf den Drehverteiler übertragenen Drehwinkel in Bezug auf den Drehwinkel des Lenkrads selektiv zu erhöhen, damit der Kraftaufwand und die Zeit vermindert werden, die der Benutzer aufwenden muss, um das Lenkrad zu betätigen.
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Ein Problem der vorhandenen Lösungen besteht darin, dass derartige Systeme nicht in der Lage sind, dem Benutzer ein ausreichendes Lenkgefühl zu vermitteln, dass sie also nicht in der Lage sind, dem Benutzer ein Gefühl oder eine Rückkopplung für die Kontrolle über das Fahrzeug während der Lenkphase zu vermitteln und dadurch das Fahren von Fahrzeugen mit solchen Lenksystemen erschweren.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, das zuvor beschriebene Problem des bekannten Standes der Technik im Rahmen einer einfachen, sinnvollen und kostengünstigen Lösung zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch aufgeführten Merkmale gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte und/oder besonders bevorzugte Aspekte der Erfindung dargelegt.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Insbesondere stellt die Erfindung ein Lenksystem bereit, welches Folgendes umfasst:
- - eine mit einem hydraulischen Verteiler ausgestattete, hydrostatische Lenkvorrichtung,
- - eine Eingangswelle, die geeignet ist, der hydrostatischen Lenkvorrichtung einen Lenkbefehl zu erteilen und mit dem hydraulischen Verteiler verbunden ist,
- - eine Lenkunterstützungseinrichtung vom elektrischen Typ mit einem Motor, der ausgebildet ist, um ein Drehmoment zu erzeugen und auf die Eingangswelle aufzubringen, und
- - eine Modulatoreinrichtung, die zwischen der Eingangswelle und dem hydraulischen Verteiler angeordnet und ausgebildet ist, um selektiv den auf den hydraulischen Verteiler übertragenen Lenkbefehl in Bezug auf den von der Eingangswelle erteilten Lenkbefehl zu ändern.
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Dank dieser Lösung wird ein mit einer hydrostatischen Lenkvorrichtung und einer Modulatoreinrichtung ausgestattetes Lenksystem bereitgestellt, das in der Lage ist, dem Fahrer ein Feedback über den von ihm auf das Lenksystem aufgebrachten Lenkeinschlag zu geben und dadurch das Lenken des Fahrzeugs zu erleichtern. Darüber hinaus ermöglicht ein derartiges Lenksystem einen Lenkeinschlag vorzunehmen, ohne dass der Benutzer - beispielsweise mittels Lenkrad - direkt auf die Eingangswelle einwirken muss.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt umfasst der Motor der Lenkunterstützungseinrichtung einen Stator und einen Rotor, der axial hohl und in die Eingangswelle eingesteckt sein kann.
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Auf diese Weise ist die vorgestellte Lösung besonders kompakt.
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Vorzugsweise kann die Modulatoreinrichtung ein zwischen der Eingangswelle und der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers angeordnetes Räderwerk und einen Elektromotor umfassen, der ausgebildet ist, um auf das Räderwerk derart einzuwirken, dass dem hydraulischen Verteiler selektiv ein in Bezug auf den von der Eingangswelle erteilten Lenkbefehl geänderter Lenkbefehl übertragen wird.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt sieht vor, dass der Motor der Modulatoreinrichtung einen Stator und einen Rotor umfasst, die koaxial zur Eingangswelle sind und einen axialen Anteil derselben umschließen.
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Eine derartige Ausformung und Positionierung des Motors trägt dazu bei, die Ausmaße des Systems zu verringern.
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Ein weiterer Aspekt sieht außerdem vor, dass das Räderwerk ein harmonisches Untersetzungsgetriebe sein kann.
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Auf diese Weise ist die Modulatoreinrichtung besonders kompakt und garantiert gleichzeitig hohe Untersetzungsverhältnisse, wodurch es möglich ist, den auf den Drehverteiler effektiv übertragenen Drehwinkel in kurzer Zeit selektiv zu erhöhen, da die vom Motor geforderte Drehung zur Erzeugung des Drehwinkels klein ist.
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Insbesondere kann das Räderwerk ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung, das drehfest mit der Eingangswelle ist, ein starres Zahnrad mit Innenverzahnung, das mit dem flexiblen Zahnrad verbunden und drehfest mit der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers ist, und ein Verformungselement umfassen, das ausgebildet ist, um das flexible Zahnrad zu verformen und mit dem Motor der Modulatoreinrichtung verbunden ist.
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Diese Lösung ermöglicht es, den Lenkbefehl von der Eingangswelle auf die Steuerwelle mit einem Übersetzungsverhältnis zu übertragen, das, wenn der Motor der Modulatoreinrichtung nicht aktiviert wird, im Wesentlichen gleich 1 ist, und all dies mit einer besonders kompakten Vorrichtung zu erzielen.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kann das Lenksystem eine Sperrvorrichtung umfassen, die geeignet ist, auf das Verformungselement einzuwirken und zwischen einer ersten Position, in der die Position des Verformungselements gesperrt ist, und einer zweiten Position, in der die Bewegung des Verformungselements möglich ist, beweglich ist.
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Auf diese Weise ist der korrekte Betrieb des Lenksystems garantiert, wenn keine Änderung des Drehwinkels der Steuerwelle des Verteilers in Bezug auf den mittels Lenkbefehl erteilten Drehwinkel verlangt wird, da unbeabsichtigte Bewegungen des Verformungselements verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kann das Lenksystem eine Bremse umfassen, die geeignet ist, auf die Eingangswelle einzuwirken und zwischen einer ersten Position, in der sie ein Bremsmoment auf die Eingangswelle erzeugt, und einer zweiten Position, in der sie kein Drehmoment auf die Eingangswelle erzeugt, beweglich ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, den Motor der Modulatoreinrichtung einzusetzen, um den Lenkbefehl auf den Verteiler zu übertragen und dadurch eine Sicherheitsredundanz im Falle eines Motorschadens der Lenkunterstützungseinrichtung zu gewährleisten, wenn das Lenksystem - beispielsweise im Fernsteuerzustand - mit dem Motor dieser Vorrichtung betätigt wird. Der Grund hierfür ist, dass wenn die Eingangswelle gesperrt gehalten und das Verformungselement in Drehung versetzt wird, das Verformungselement während seiner Drehung die Zähne des flexiblen Zahnrads nacheinander zwischen die Zähne des starren Zahnrads schiebt. Da in derartigen Räderwerken das starre Zahnrad ein oder zwei Zähne mehr als das flexible Zahnrad hat, hat das starre Zahnrad nicht für jeden Zahn des flexiblen Zahnrads eine Lücke, weshalb der Druck des Verformungselements zu einer relativen Verschiebung der Zahnflanken des starren Zahnrads in Bezug auf die Zahnflanken des flexiblen Zahnrads führt, und angesichts der Tatsache, dass das flexible Zahnrad von der Bremse gesperrt wird, sich nur das starre Zahnrad dreht und auf diese Weise einen Lenkbefehl auf die Steuerwelle des Verteilers überträgt.
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Darüber hinaus ermöglicht es diese Funktionsausgestaltung in Kombination mit den Merkmalen des Räderwerks, insbesondere mit dem von dem Räderwerk bereitgestellten hohen Untersetzungsverhältnis von üblicherweise 1:30÷1:50, einen kleinen und kompakten Elektromotor für die Modulatoreinrichtung einzusetzen, der beispielsweise in der Lage ist, 5÷10 Nm zu erzeugen. Ein derartiges Drehmoment ist dank des Untersetzungsverhältnisses ausreichend, um eine Notfallpumpe (Gerotor) der hydrostatischen Vorrichtung zu betätigen, die mit der Steuerwelle des Verteilers verbunden ist und im Allgemeinen wenigstens 120 Nm benötigt, um aktiviert zu werden. Des Weiteren ermöglicht all dies, auch bei Fahrzeugen mit großen Ausmaßen einen kompakten Verteiler mit einem einzigen Gerotor anstelle von Verteilern mit zwei Gerotoren zu verwenden. Derartige Verteiler mit zwei Gerotoren sehen einen Hauptgerotor mit großen Ausmaßen und einen parallel zum ersten geschalteten Gerotor mit kleineren Ausmaßen vor, der notwendig ist, um eine Notlenkung vorzunehmen, da der Hauptgerotor zu seiner Aktivierung ein höheres Drehmoment benötigt als vom Fahrer manuell aufgebracht werden kann. Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt sieht vor, dass die Bremse, wenn sie sich in der ersten Position befindet, ein Bremsmoment zwischen 1,5 Nm und 10 Nm auf die Eingangswelle erzeugen kann.
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Auf diese Weise erhöht sich die Sicherheit und die Kontrollierbarkeit des Lenksystems im Falle von Störungen, da bei Störungen des Motors der Lenkunterstützungseinrichtung und vor allem bei gleichzeitiger Störung des Motors der Modulatoreinrichtung der Fahrer die Bremse beherrschen und der Eingangswelle einen Lenkbefehl erteilen kann, da das von der Bremse aufgebrachte Drehmoment klein genug ist, um ohne jegliches Hilfsmittel manuell vom Fahrer überwunden werden zu können.
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Des Weiteren kann das Lenksystem eine elektronische Steuer- und Bedieneinheit umfassen, die ausgebildet ist, um den Motor der Lenkunterstützungseinrichtung zu betätigen, und eine mit der elektronischen Steuer- und Bedieneinheit verbundene Fernbedienungsvorrichtung.
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Dank dieser Lösung ist es möglich, die Lenkung des Fahrzeugs, in dem das Lenksystem installiert ist, fernzubedienen.
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Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren bereit, um eine Notlenkung mittels eines Lenksystems nach den Ansprüchen 1, 3 und 6 bei Ausfall des Motors der Lenkunterstützungseinrichtung während des Betriebs des Lenksystems bei fernbedientem Fahren mithilfe des Motors der Lenkunterstützungseinrichtung vorzunehmen, welches folgende Phasen umfasst:
- - die Drehung der Eingangswelle sperren
- - den Motor der Modulatoreinrichtung in Drehung versetzen, um den Verteiler zu betätigen.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Fahrzeug bereit, das mit einem gelenkten Rad und einem Lenksystem versehen ist, umfassend:
- - eine hydrostatische Lenkvorrichtung, die mit einem an dem gelenkten Rad angelenkten, hydraulischen Aktuator versehen ist, um es in Bezug auf eine geradlinige Vorschubrichtung des Fahrzeugs auszurichten, und einen mit dem hydraulischen Aktuator verbundenen hydraulischen Verteiler,
- - eine Eingangswelle, die geeignet ist, der hydrostatischen Lenkvorrichtung einen Lenkbefehl zu erteilen und mit dem hydraulischen Verteiler verbunden ist,
- - eine Lenkunterstützungseinrichtung vom elektrischen Typ mit einem Motor, der ausgebildet ist, um ein Drehmoment zu erzeugen und auf die Eingangswelle aufzubringen, und
- - eine Modulatoreinrichtung, die zwischen der Eingangswelle und dem hydraulischen Verteiler angeordnet und ausgebildet ist, um selektiv den auf den hydraulischen Verteiler übertragenen Lenkbefehl in Bezug auf den von der Eingangswelle erteilten Lenkbefehl zu ändern.
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Figurenliste
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Weitere erfindungsgemäße Eigenschaften und Vorteile lassen sich der nachstehenden Beschreibung entnehmen, die ausschließlich beispielhaft ist und keinerlei einschränkende Wirkung besitzt, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug zu nehmen ist.
- 1 ist eine Seitenansicht eines Anteils eines erfindungsgemäßen Lenksystems, umfassend eine Lenkunterstützungseinrichtung und eine Modulatoreinrichtung.
- 2 zeigt eine Schnittdarstellung aus 1 entlang der Ebene II-II.
- 3 zeigt eine Schnittdarstellung aus 2 entlang der Ebene III-III.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter besonderer Bezugnahme auf diese Figuren ist mit Ziffer 1 das Lenksystem für mit gelenkten Rädern ausgestattete Fahrzeuge, beispielsweise schwere Nutzfahrzeuge wie landwirtschaftliche Fahrzeuge, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, die geeignet sind, sich mit geringer Geschwindigkeit (typischerweise mit weniger als 60 km/h) zu bewegen, wie beispielsweise Ackerschlepper oder Erdbaumaschinen, in seiner Gesamtheit gekennzeichnet.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine hydrostatische Lenkvorrichtung 10, die mit wenigstens einem hydraulischen Aktuator 15, beispielsweise einem Hydraulikzylinder, ausgestattet ist, der ausgebildet ist, um auf wenigstens ein gelenktes Rad 20 des Fahrzeugs einzuwirken.
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Die hydrostatische Lenkvorrichtung 10 umfasst einen Tank 25 mit einem Arbeitsfluid, eine Pumpe 30, die geeignet ist, das Arbeitsfluid mit Druck zu beaufschlagen, und einen hydraulischen Verteiler 35, beispielsweise ein hydraulisches Drehventil, das hydraulisch mit der Pumpe 30 verbunden und ausgebildet ist, um dem hydraulischen Aktuator 15 druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid zuzuführen, um die Lenkung des Fahrzeugs vorzunehmen.
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Der hydraulische Verteiler 35 ist vom Drehtyp, der beispielsweise einen ersten Körper umfasst, der einen axialen inneren zylinderförmigen Hohlraum aufweist und mit Öffnungen versehen ist, die geeignet sind, ihn mit dem hydraulischen Aktuator 15, dem Tank und der Pumpe 30 in Verbindung zu setzen. Der hydraulische Verteiler 35 umfasst einen zweiten zylindrischen Körper, der drehbar in den axialen Hohlraum des ersten Körpers eingesetzt und ausgebildet ist, um die miteinander in Verbindung zu setzenden Öffnungen des ersten Körpers auszuwählen.
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Der hydraulische Verteiler 35 umfasst eine mit dem zweiten Körper drehfeste Steuerwelle.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Abhandlung unter „fest verbunden“ eine Verbindung ohne Freiheitsgrade in Bezug auf das verbundene Element zu verstehen ist. Unter „drehfest“ ist zu verstehen, direkt von dem drehfest verbundenen Element in Drehung versetzt zu werden.
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Der hydraulische Verteiler 35 umfasst auch eine volumetrische Dosiereinrichtung 60 oder einen Gerotor, der zwischen der Pumpe 30, dem Tank 25 und den jeweiligen im ersten Körper herausgearbeiteten Öffnungen angeordnet und ausgebildet ist, um die Menge des Fluides, das den hydraulischen Verteiler 35 durchströmt, zu dosieren und bei Ausfall der Pumpe 30 als Pumpe für die hydrostatische Lenkvorrichtung zu dienen.
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Die volumetrische Dosiereinrichtung 60 umfasst ein Getriebe, das mit einem mit dem zweiten Körper um eine bezogen auf eine Drehachse des zweiten Körpers exzentrische Drehachse drehfesten Zahnrad mit Außenverzahnung und einem Zahnrad mit Innenverzahnung versehen ist, das geeignet ist, in das Zahnrad mit Außenverzahnung einzugreifen und sich um eine Drehachse koaxial zur Drehachse des zweiten Körpers zu drehen.
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In der bevorzugten Form der Erfindung umfasst der Verteiler eine einzige volumetrische Dosiereinrichtung 60.
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Die volumetrische Dosiereinrichtung 60 weist einen Hubraum zwischen 30 cm3 und 600 cm3 auf.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine Eingangswelle 65, die ausgebildet ist, um sich in Bezug auf ihre eigene Mittelachse zu drehen und mit der es möglich ist, der hydrostatischen Lenkvorrichtung 10 einen Lenkbefehl zu erteilen. Beispielsweise entspricht der Lenkbefehl dem Drehwinkel, der von einem Punkt der Eingangswelle 65 um eine Drehachse der Eingangswelle selbst in Bezug auf einen unbeweglichen Nullpunkt in Bezug auf die Drehung der Eingangswelle im Uhrzeiger- und im Gegenuhrzeigersinn zurückgelegt wird.
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Dieser Lenkungswinkel zeigt einen gewünschten Lenkungswinkel des Fahrzeugs bzw. einen Lenkungswinkel des gelenkten Rades des Fahrzeugs an.
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Wenn der Lenkungswinkel gleich null ist, führt das Lenksystem kein Lenkmanöver bei dem Fahrzeug aus und das Fahrzeug fährt auf einer geradlinigen Trajektorie weiter.
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Der Lenkbefehl wird mittels eines Lenkorgans, beispielsweise eines Lenkrads 70 erteilt.
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Das Lenkrad kann mit der Eingangswelle 65 direkt oder mittels einer Lenksäule drehverbunden sein. Ferner kann die Eingangswelle 65 ein Anteil der Lenksäule distal vom Lenkrad sein.
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Das Lenksystem 1 ist derart ausgebildet, dass der Drehwinkel der Eingangswelle 65 gleich dem Drehwinkel ist, der vom Lenkrad 70 in Bezug auf eine Anschlagachse des Lenkrads an einem entsprechenden Halterungsorgan des Lenkrads zurückgelegt wird.
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Die Eingangswelle 65 ist mit dem hydraulischen Verteiler 35 drehverbunden, d.h. die Eingangswelle 65 ist mit der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 drehverbunden. Vorzugsweise sind die Eingangswelle 65 und die Steuerwelle koaxial.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine Lenkunterstützungseinrichtung 75, die ausgebildet ist, um ein Drehmoment zu erzeugen und auf die Eingangswelle 65 zu übertragen, beispielsweise derart, dass dem Fahrer ein Feedback über den von ihm vorgenommenen Lenkeinschlag gegeben und die Betätigung der Eingangswelle 65 ermöglicht wird, ohne auf das Lenkorgan einzuwirken.
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Die Lenkunterstützungseinrichtung 75 umfasst einen Motor 80 vom elektrischen Typ, der ausgebildet ist, um ein Drehmoment zu erzeugen und auf die Eingangswelle 65 aufzubringen. Der Motor 80 ist mit einem Stator 85 und einem Rotor 90 ausgestattet, der die Eingangswelle 65 direkt in Drehung mitnimmt. Insbesondere ist der Rotor 90 axial hohl und auf die Eingangswelle 65 derart aufgesteckt, dass keinerlei Freiheitsgrade in Bezug auf die Eingangswelle selbst vorhanden sind. In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform weist die Eingangswelle 65 einen erweiterten Anteil auf, auf den der Rotor 90 aufgepresst ist.
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Die Lenkunterstützungseinrichtung 75 umfasst einen Drehmomentmesser, der ausgebildet ist, um das auf die Eingangswelle 65 wirkende Drehmoment zu messen.
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Insbesondere umfasst die Eingangswelle 65 in der dargestellten Ausführungsform einen ersten Abschnitt 65a, der mit dem Lenkorgan drehverbunden ist, und einen zweiten Abschnitt 65b, der koaxial und an den ersten Abschnitt angrenzend ist, mit dem er an dem Stator 85 des Motors 80 verbunden ist, und der Drehmomentmesser ist ausgebildet, um die Winkelverschiebung zwischen dem ersten Abschnitt 65a und dem zweiten Abschnitt 65b zu messen.
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Der Drehmomentmesser ist mit einem Winkelsensor 95 ausgestattet, der geeignet ist, den Wert der Verschiebung zwischen dem ersten Abschnitt 65a und dem zweiten Abschnitt 65b zu messen.
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Der Drehmomentmesser umfasst auch einen Drehstab 100, der an einem Endabschnitt drehfest mit dem ersten Abschnitt 65a und am gegenüberliegenden Endabschnitt drehfest mit dem zweiten Abschnitt 65b ist.
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Insbesondere wird der Drehstab 100 teilweise in einem im ersten Abschnitt 65a hergestellten axialen Hohlraum und teilweise in einem im zweiten Abschnitt 65b hergestellten axialen Hohlraum aufgenommen.
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Der Drehstab 100 weist eine derartige Elastizität auf, dass eine messbare Winkelverschiebung zwischen dem ersten Abschnitt 65a und dem zweiten Abschnitt 65b ermöglicht wird, die unter bestimmten Drehmomentbedingungen im Widerstand gegen den zweiten Abschnitt 65b erfolgt.
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Die Lenkunterstützungseinrichtung 75 umfasst einen Resolver 105, der ausgebildet ist, um die Eckposition des zweiten Abschnitts 65b zu messen und die Versorgung des Motors 80 zu steuern.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine elektronische Steuer- und Bedieneinheit 110, die mit der Lenkunterstützungseinrichtung 75 verbunden und ausgebildet ist, um den Motor 90 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 zu betätigen.
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Die elektronische Steuer- und Bedieneinheit 110 ist mit dem Drehmomentmesser verbunden und ausgebildet, um den Motor 80 auf der Grundlage eines vom Drehmomentmesser bereitgestellten, beispielsweise auch auf der Grundlage eines vom Resolver 105 bereitgestellten, Signals zu steuern, das das auf die Eingangswelle 65 wirkende Drehmoment anzeigt.
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Die elektronische Steuer- und Bedieneinheit 110 kann mit einer Fernbedienungsvorrichtung 115 zur Fernsteuerung des Fahrzeugs mittels Betätigung des Motors 80 verbunden sein.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine Modulatoreinrichtung 120, die beispielsweise direkt zwischen der Eingangswelle 65 und der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 angeordnet ist. Die Modulatoreinrichtung 120 ist ausgebildet, um den auf den hydraulischen Verteiler 35 bzw. auf die Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 übertragenen Lenkbefehl selektiv in Bezug auf den von der Eingangswelle 65 erteilten Lenkbefehl zu ändern.
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Die Modulatoreinrichtung 120 ist mit einem Räderwerk 125 versehen, das direkt zwischen der Eingangswelle 65, bzw. dem zweiten Abschnitt 65 der Eingangswelle und der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 angeordnet ist.
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Die Modulatoreinrichtung 120 umfasst auch einen Motor 130 vom elektrischen Typ, der ausgebildet ist, um auf das Räderwerk 125 zu wirken, um auf die Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 einen Lenkbefehl selektiv zu übertragen, der in Bezug auf den von der Eingangswelle 65 erteilten Lenkbefehl geändert ist.
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Der Motor 130 ist mit einem Stator 135 und einem Rotor 140 ausgestattet, welcher Rotor 140 axial hohl, koaxial mit der Eingangswelle 65, bzw. koaxial mit dem zweiten Abschnitt 65b der Eingangswelle 65 ist und einen Anteil der Eingangswelle 65 umschließt.
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Insbesondere umschließt der Rotor 140 die Eingangswelle 65 mit ausreichend Spiel, d. h. zwischen dem Rotor 140 und der Eingangswelle 65 befindet sich ein ringförmiger Zwischenraum.
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Darüber hinaus umschließt der Rotor 140 einen Anteil der Eingangswelle 65 zwischen dem Motor 80 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 und dem Räderwerk 125.
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Der Stator 135 ist axial hohl und umfasst den Rotor 140.
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In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist das Räderwerk 125, auf das der Motor 130 wirkt, ein harmonisches Untersetzungsgetriebe.
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Dieses harmonische Untersetzungsgetriebe weist ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:30 und 1:50 auf.
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Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass in einer alternativen Ausführungsform ein Schneckengetriebe eingesetzt werden kann.
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Das Räderwerk 125 umfasst ein flexibles Zahnrad 145 mit einer Außenverzahnung, das mit der Eingangswelle 65, beispielsweise mit einem Endabschnitt der Eingangswelle 65 distal vom Motor 80 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 drehfest ist.
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Das flexible Zahnrad 145 ist koaxial zur Eingangswelle 65 und weist beispielsweise ein axiales Loch auf, in das die Eingangswelle 65 wenigstens teilweise eingesteckt ist.
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Das Räderwerk 125 umfasst ferner ein starres Zahnrad 155, das mit einer mit der Außenverzahnung des flexiblen Zahnrads 145 verbundenen Innenverzahnung versehen und geeignet ist, die Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 direkt in Drehung mitzunehmen.
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Das starre Zahnrad 155 weist eine höhere Zahl an Zähnen als das flexible Zahnrad 145, beispielsweise zwischen 1 und 3 Zähnen mehr als das flexible Zahnrad 145 auf. Vorzugsweise umfasst das starre Zahnrad 155 zwischen 100 und 300 Zähnen, während das flexible Zahnrad 145 zwischen 1 und 3 Zähnen weniger aufweist.
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Das starre Zahnrad 155 ist als ein becherförmiger Körper gestaltet, der das flexible Zahnrad 145 umfasst und aus dessen Bodenwand eine Achse aufragt, die geeignet ist, die Steuerwelle direkt in Drehung mitzunehmen.
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Ein Endabschnitt der Eingangswelle 65 distal von der Welle des Steuerorgans ist vollständig in einem vom starren Zahnrad 155 definierten, geschlossenen Hohlraum enthalten. Praktisch gesehen, wird das starre Zahnrad 155 nicht von der Eingangswelle 65 durchquert.
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Das Räderwerk 125 umfasst ein Verformungselement, das geeignet ist, das flexible Zahnrad 145 derart zu verformen, dass ein Anteil der Zähne des flexiblen Zahnrads 145 zwischen die Zähne des starren Zahnrads geschoben wird.
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Das Verformungselement ist ausgebildet, um beispielsweise durch Einfügung eines flexiblen Lagers 150 auf eine ringförmige Oberfläche 160 des flexiblen Zahnrads 145 einzuwirken, das dem Anteil des Zahnrads, das die Außenverzahnung trägt, gegenüberliegt. Die ringförmige Oberfläche ist glatt und koaxial zur Drehachse der Eingangswelle 65.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Verformungselement einen elliptischen Körper 165, der mit einer elliptischen Seitenfläche 170 koaxial zur Achse der Eingangswelle 65 ausgestattet ist. Das heißt, der elliptische Körper 165 weist eine Seitenfläche 170 auf, die koaxial zur Eingangswelle 65 und von der Verschiebung entlang der Drehachse der Eingangswelle 65 durch eine Ellipse definiert ist, deren Achsen sich auf der Drehachse schneiden. Oder anders gesagt, ist der elliptische Körper 165 als Prisma mit elliptischer Basis, koaxial zur Eingangswelle 65 gestaltet.
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Die seitliche Oberfläche 170 liegt beispielsweise durch Einfügung des flexiblen Lagers 150 auf der ringförmigen Oberfläche 160 des flexiblen Zahnrads 145 an. Insbesondere liegen an der ringförmigen Oberfläche 160 des flexiblen Zahnrads 145 Anteile der seitlichen Oberfläche 170 nahe den Endabschnitten der längeren Achse der Ellipse an, die die seitliche Oberfläche definiert.
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Der elliptische Körper 165 ist axial hohl und wird beispielsweise mit radialem Spiel von der Eingangswelle 65 durchquert.
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Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass eine alternative Ausführungsform das Verformungselements, auch bekannt als Wellenerzeuger oder Wave-Generator, wenigstens ein kreisförmiges Rad umfassen kann, dessen Durchmesser kleiner als der Radius des flexibles Zahnrad ist, das in Bezug auf seine eigene Achse an einem Träger angeschlagen ist, der geeignet ist, sich um die Drehachse der Eingangswelle zu drehen.
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Der elliptische Körper 165 ist drehfest mit dem Rotor 140 des Motors 130, beispielsweise in Bezug auf eine Drehachse koaxial zur Drehachse der Eingangswelle 65 verbunden.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der elliptische Körper 165 direkt drehfest mit dem Rotor 140 über eine axial hohle Welle 175 verbunden, die axial von der Eingangswelle 65 durchquert ist.
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Die Welle 175 ist drehfest mit dem Rotor 140, beispielsweise ist der Rotor 140 ohne Freiheitsgrade auf die Welle 175 aufgepresst. Die Welle 175 nimmt den Zwischenraum zwischen dem Rotor 140 und der Eingangswelle 65 teilweise ein.
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Der elliptische Körper 165 ist fest mit einem Endabschnitt der Welle 175 distal vom Motor 130 verbunden.
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Das Lenksystem 1 umfasst ein Gehäuse 180, das beispielsweise rohrförmig ist und in dem der Motor 80 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 und der Motor 130 der Modulatoreinrichtung 120 vorzugsweise vollständig aufgenommen sind. Auch das Räderwerk 125 ist in dem Gehäuse 180 enthalten. Das starre Zahnrad 155 des Räderwerks 125 ist mittels Lagern drehbar mit dem Gehäuse verbunden. Insbesondere ist das Räderwerk 125 wenigstens teilweise in einem unteren Deckel enthalten, der geeignet ist, einen unteren Endabschnitt des rohrförmigen Gehäuses 180 zu schließen.
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In dem Gehäuse 180 sind auch der Winkelsensor 95 des Drehmomentmessers und der Resolver enthalten. Insbesondere sind der Winkelsensor und der Resolver in einem oberen Deckel enthalten, der geeignet ist, einen Endabschnitt des rohrförmigen Gehäuses 180, beispielsweise einen Endabschnitt zu schließen, der demjenigen, in dem das Räderwerk 125 untergebracht ist, gegenüberliegt.
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Das Gehäuse 180 weist ein Paar von Öffnungen auf, die in den dem Gehäuse gegenüberliegenden, axialen Endabschnitten herausgearbeitet sind und aus denen jeweils ein Anteil des Eingangswelle 65 proximal zum Lenkorgan und ein Anteil des starren Zahnrads 155 proximal zur Steuerwelle herausragen. Das Gehäuse 180 ist wenigstens teilweise von der Eingangswelle 65 durchquert, die mittels Lagern drehbar mit dem Gehäuse verbunden ist, beispielsweise mittels eines Lagers, das an der Öffnung angeordnet ist, aus der die Eingangswelle 65 herausragt, und eines Lagers, das zwischen dem Winkelsensor 95 des Drehmomentmessers und dem Motor 80 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 positioniert ist.
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Auch die Welle 175 der Modulatoreinrichtung 120 ist vollständig in dem Gehäuse 180 enthalten und mittels Lagern, beispielsweise mittels an den Seiten des Motors 130 angeordneten Lagern, drehbar mit ihm verbunden.
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Die Modulatoreinrichtung 120 umfasst eine Sperrvorrichtung 185, die auf den elliptischen Körper 165 einwirkt und zwischen einer ersten Position, in der sie die Drehung des elliptischen Körpers 165 mechanisch sperrt, und einer zweiten Position beweglich ist, in der sie nicht auf den elliptischen Körper 165 einwirkt, d.h. dessen Drehung erlaubt.
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Die Sperrvorrichtung 185 umfasst eine Scheibe 190, die auf die Welle 175 der Modulatoreinrichtung 120 aufgepresst ist und eine Mehrzahl von Rillen 195 aufweist, die auf einem radial äußeren Anteil angefertigt sind.
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Die Sperrvorrichtung 185 umfasst einen Stab 200, der zwischen einer ersten Position, in der er in eine auf der Scheibe 190 angefertigte Rille 195 eingefügt ist und die Drehung des elliptischen Körpers 165 sperrt, und einer zweiten Position beweglich ist, in der er die Scheibe 190 nicht in Eingriff nimmt und eine freie Drehung erlaubt.
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Die Sperrvorrichtung 185 umfasst auch eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Stabs 200, der fest mit dem Gehäuse 180, beispielsweise mit dem unteren Deckel verbunden ist. Beispielsweise umfasst eine derartige Betätigungsvorrichtung einen Zylinder, in den der Stab 200 verschiebbar eingefügt ist, und ein Solenoid, das ausgebildet ist, um die Gleitbewegung des Stabs 200 in Bezug auf den Zylinder zu steuern.
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Die Sperrvorrichtung 185 ist mit der elektronischen Steuer- und Bedieneinheit verbunden.
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Das Lenksystem 1 umfasst eine Bremse 205, die ausgebildet ist, um auf die Eingangswelle, beispielsweise auf den zweiten Abschnitt 65b der Eingangswelle 65, zu wirken.
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Die Bremse 205 ist zwischen einer ersten Position, in der sie ein Bremsmoment auf die Eingangswelle 65 erzeugt, und einer zweiten Position, in der sie kein Drehmoment auf die Eingangswelle 65 erzeugt, beweglich.
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In der ersten Position erzeugt die Bremse 205 ein Bremsmoment auf die Eingangswelle 65, derart, dass sie von einem Benutzer des Fahrzeugs überwunden werden kann, beispielsweise zwischen 1,5 Nm und 10 Nm.
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Die Bremse 205 umfasst eine auf die Eingangswelle 65 aufgepresste Scheibe 210 und einen Stab 215, der geeignet ist, einen radial äußeren Anteil der Scheibe 210 zu berühren. Wenigstens ein Anteil des Stabs 215, der die Scheibe 210 berührt, oder der radial äußere Anteil der Scheibe 210 ist aus einem Material mit einem hohen Reibungskoeffizienten hergestellt oder damit beschichtet.
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Die Bremse 205 umfasst auch eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Stabs 215, die fest mit dem Gehäuse 180 verbunden ist. Beispielsweise umfasst eine derartige Betätigungsvorrichtung einen Zylinder, in den der Stab 215 verschiebbar eingefügt ist, und ein Solenoid, das ausgebildet ist, um die Gleitbewegung des Stabs 215 in Bezug auf den Zylinder zu steuern.
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Die Bremse 205 ist mit der elektronischen Steuer- und Bedieneinheit verbunden.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lenksystems 1 ist die Folgende.
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In einer ersten Funktionsausgestaltung überträgt das Lenksystem 1 den mittels Eingangswelle 65 erteilen Lenkbefehl ohne wesentliche Änderungen auf den hydraulischen Verteiler 35. Das heißt, in der ersten Funktionsausgestaltung entspricht der Drehwinkel der Steuerwelle des hydraulischen Verteilers 35 im Wesentlichen dem Drehwinkel der Eingangswelle 65, mit einer Änderung von beispielsweise weniger als 3 %. In der ersten Funktionsausgestaltung liegt das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel der Eingangswelle 65 und dem Drehwinkel der Steuerwelle zwischen 0,97 und 1,03.
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Der Drehwinkel der Eingangswelle 65 kann vom Fahrer des Fahrzeugs mittels des mit der Eingangswelle 65 verbundenen Lenkorgans aufgebracht werden oder durch fernbediente Betätigung des Motors 80 der Lenkunterstützungseinrichtung 75 seitens der elektronischen Steuer- und Bedieneinheit 110 aufgebracht werden, womit das Fahrzeug autonom gefahren wird. Die erste Ausgestaltung wird erzielt, indem die Sperrvorrichtung 185 in die erste Position und die Bremse 205 in die zweite Position gebracht wird.
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Bei der Drehung um ihre eigene Achse nimmt die Eingangswelle 65 das flexible Zahnrad 145 in Drehung mit, welches seinerseits das starre Zahnrad 155 und folglich die Steuerwelle in Drehung versetzt.
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Da der elliptische Körper 165 durch die Sperrvorrichtung gesperrt ist, ändert sich in dieser Phase das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel des flexiblen Zahnrads 145 und dem Drehwinkel des starren Zahnrads 155 nicht.
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In einer zweiten Funktionsausgestaltung ermöglicht das Lenksystem 1, den Lenkbefehl durch Erhöhen oder Vermindern des Drehwinkels der Steuerwelle in Bezug auf den Drehwinkel der Eingangswelle 65 zu ändern und folglich den effektiven Lenkungswinkel in Bezug auf den durch die Drehung der Eingangswelle 65 eingestellten Lenkungswinkel zu erhöhen oder zu vermindern.
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Die elektronische Steuer- und Bedieneinheit 110 ist ausgebildet, um das Lenksystem und folglich die Modulatoreinrichtung 120 und die Sperrvorrichtung 185 bei Erreichen eines vorgegebenen Drehwerts der Eingangswelle 65 zu betätigen.
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In der zweiten Ausgestaltung dreht sich die Eingangswelle 65 und überträgt dabei einen Lenkbefehl, während die Bremse 205 sowie die Sperrvorrichtung 185 sich in der zweiten Position befinden. Anschließend betätigt der Motor 130 der Modulatoreinrichtung 120 den elliptischen Körper 165, indem er ihn um die Drehachse derart in Drehung versetzt, dass die Endabschnitte des elliptischen Körpers 165 an der längeren Achse einen Anteil der Zähne des flexiblen Zahnrads 145 zwischen die Zähne des inneren Zahnrads schieben. Da die Anzahl der Zähne des starren Zahnrads 155 größer als die Anzahl der Zähne des flexiblen Zahnrads 145 sind, sind die Zähne des starren Zahnrads 155 gezwungen, entlang der Zahnflanken des flexiblen Zahnrads 145 zu gleiten und dadurch dem starren Zahnrad 155 ein zusätzliches Drehintervall zu dem hinzuzufügen, das von der Drehung des flexiblen Zahnrads 145 erbracht wird, da es von der Eingangswelle 65 in Drehung mitgenommen wird. In der zweiten Funktionsausgestaltung liegt das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel der Eingangswelle 65 und dem Drehwinkel der Steuerwelle zwischen 1,10 und 0,90.
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Da die Modulatoreinrichtung 120 zwischen der Eingangswelle 65 und der Steuerwelle angeordnet ist, führt das Lenkorgan, beispielsweise das Lenkrad, in der zweiten Funktionsausgestaltung keine weiteren Bewegungen außer den vom Fahrer erteilten Bewegungen aus, weil eine Erhöhung oder Verminderung des Drehwinkels sich nicht auf die Eingangswelle 65 auswirkt.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem 1 ermöglicht auch eine dritte Funktionsausgestaltung, die beispielsweise aktivierbar ist, wenn die elektronische Steuer- und Bedieneinheit 110 eine Funktionsstörung des Motors 80 der Lenkunterstützungseinrichtung feststellt, wenn der Motor eingesetzt wird, um Lenkbefehle in Situationen des autonomen (ferngesteuerten) Fahrens erteilen zu können.
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In diesen Bedingungen wird die Bremse 205 in die erste Position und die Sperrvorrichtung 185 in die zweite Position gebracht. Anschließend wird der Motor 130 der Sperrvorrichtung 185 in Drehung versetzt. Da die Drehung des flexiblen Zahnrads 145 unterbunden ist, drückt der Endabschnitt des elliptischen Körpers 165 entlang seiner kreisförmigen Strecke in Bezug auf die Drehachse des elliptischen Körpers 165 die Zähne des flexiblen Zahnrads 145 zwischen die Zähne des starren Zahnrads 155 und verursacht dadurch ein Gleiten der Zähne des starren Zahnrads 155 entlang der Zahnflanken des (drehgesperrten) flexiblen Zahnrads 145 und löst dadurch die Drehung der Steuerwelle aus.
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Die so konzipierte Erfindung kann zahlreiche Änderungen erfahren und Varianten umfassen, die allesamt in den Rahmen des Erfindungskonzepts fallen.
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Darüber hinaus können alle Einzelheiten durch andere, technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden.
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Die verwendeten Materialien sowie die zufälligen Formen und Größen können praktisch je nach Anforderungen beliebig gewählt werden, ohne den Schutzbereich der folgenden Ansprüche zu überschreiten.
