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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung. Solche Feedback-Aktuatoren werden insbesondere bei steer-by-wire-Lenksystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt.
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Hintergrund der Erfindung
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Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers wie konventionelle mechanische Lenkungen durch Drehung eines Lenkrades einer Eingabeeinheit entgegen. Dadurch wird die Drehung einer Lenkwelle bewirkt, die jedoch nicht mechanisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist, sondern mit Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren zusammenwirkt, die den eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag der Räder einstellt.
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Bei steer-by-wire-Systemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw. Rückstellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände zum Lenkrad zurückgemeldet werden. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer, aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
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Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungs-Signal zu bilden, welches in einen Feedback-Aktuator eingespeist wird. Der Feedback-Aktuator ist in die Eingabeeinheit integriert und weist eine Aktuatoreinheit auf, die einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb umfasst, und die abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment (Feedbackmoment) über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige „Force-feedback“-Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
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Aus der
DE 10 2008 036 730 A1 ist ein steer-by-wire-Lenksystem mit einer Eingabeeinheit bekannt, die eine von einem Elektromotor angetriebene Aktuatoreinheit aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkwelle gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkwelle eingekoppelten Handmoment. Dabei ist der Elektromotor bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkwelle verbunden. Eine gleichartig aufgebaute Aktuatoreinheit ist in der
EP 2 414 211 B1 dargestellt. In der darin beschriebenen Ausführung bildet die Lenkwelle selbst die Motorwelle des Elektromotors, sodass ein kompakterer Aufbau realisiert werden kann.
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Zur Beaufschlagung eines definierten Rückstellmoments im Lenkrad muss bei den vorangehend beschriebenen bekannten Ausführungen das Motordrehmoment wegen der direkten Kupplung der Motorwelle mit der Lenkwelle entsprechend genau vorgegeben werden, was eine aufwendige, schnelle und präzise Regelung des Motorstroms in der Steuereinheit erfordert. Hinzu kommt, dass zur Realisierung größerer Rückstellmomente relativ hohe Steuerströme bereitgestellt werden müssen. Diese Anforderungen bedingen einen hohen Steuerungsaufwand, sodass die Steuereinheit entsprechend aufwendig ausgelegt werden muss. Außerdem haben zur Beaufschlagung mit realistischen Rückstellmomenten geeignete Elektromotoren mit ausreichend hohen Motordrehmomenten relativ große Abmessungen, was einem kompakten Aufbau entgegensteht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feedback-Aktuator für eine kompakte Lenkeinrichtung mit einem realistisch nachgebildeten Lenkgefühl zu entwickeln, die möglichst spielfrei ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment, mit einer äußeren Gehäuseanordnung, umfassend
- - eine Lenkspindel zur Kopplung mit einem Lenkrad, wobei die Lenkspindel um ihre Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist,
- - mindestens einen ersten Motor zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments in einem eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs,
- - ein Winkelsensorsystem zur Ermittlung der Rotorlage für die Regelung eines Motors und
- - mindestens eine Reibvorrichtung, welche mindestens zwei Lager aufweist, welche an einem Wellenanbindungselement angeordnet sind, wobei mindestens eines der beiden Lager derart axial an dem Wellenanbindungselement vorgespannt ist, dass bei einer Drehung des mindestens einen Lagers ein Drehreibwiderstand vorhanden ist, wobei die beiden Lager als Reiblager mit Wälzkörpern ausgebildet sind, wobei die Wälzkörper jeweils eine Haupterstreckungsachse aufweisen, wobei die Haupterstreckungsachse der Wälzkörper windschief zur Längsachse verlaufen.
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Mittels des Reiblagers wird eine Grundreibung erzeugt, die der Reibung beispielsweise des Lenkrads, der Lenkspindel, den Lagerungen, den Manschetten, den Gelenken und den Reifen kumuliert entspricht. Der Kraftfahrzeugfahrer bekommt somit ein gewohnt realistisches Fahrgefühl. Der Drehreibwiderstand, beziehungsweise das Reibungsmoment kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft eingestellt werden, sofern eines der beiden Lager als Axialwälzlager mit Wälzkörpern ausgebildet ist, wobei die Wälzkörper jeweils eine Haupterstreckungsachse aufweisen, wobei die Haupterstreckungsachsen windschief zur Längsachse verlaufen.
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Die Schrägstellung der Wälzkörper hat die Folge, dass die Wälzkörper bei der Drehung des Axialwälzlagers eine Reibung aus Gleit- und Rollreibung erzeugen. Diese Reibung beziehungsweise das Reibungsmoment kann insbesondere über das Schrägstellen der Wälzkörper und/oder die axiale Vorspannkraft auf das Axialwälzlager beeinflusst werden.
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Ein möglichst gleichmäßiger Lenkwiderstand lässt sich dadurch einstellen, dass die Haupterstreckungsachsen aller Wälzkörper windschief zur Längsachse verlaufen. Somit wird das Reibungsmoment lückenlos über sämtliche Wälzkörper übertragen. Dies wird vom Kraftfahrzeugfahrer insbesondere als gleichmäßige Grundreibung wahrgenom m en.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, werden die Lager mittels eines Federelementes und eines Vorspannelementes vorgespannt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement axial zwischen zwei Druckscheiben angeordnet, wobei eine erste Druckscheibe an einem der Reiblager anliegt und eine zweite Druckscheibe in Kontakt mit dem Vorspannelement ist.
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Vorzugsweise kann eines der Lager gegen axiales Verschieben entlang der Längsachse in eine Richtung durch eine an dem Wellenanbindungselement ausgebildete Anschlagschulter gesichert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper als Nadellager ausgebildet. Nadellager sind Wälzlager mit besonders niedriger Bauform. Die Wälzkörper ähneln Nadeln, daher die Bezeichnung Nadellager. Bei den Wälzkörpern handelt es sich insbesondere um dünne und sehr lange Zylinderrollen. Wegen ihrer langen und gleichzeitig niedrigen Form, kann möglichst viel Reibungsmoment in wenig Bauraum erzeugt werden. Weiterhin können sie relativ großen Belastungen ausgesetzt werden und weisen eine relativ lange Lebensdauer auf. Somit eignen sie sich wegen ihrer relativ geringen Verschleißanfälligkeit besonders für eine Reibvorrichtung.
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Insbesondere kann die Grundreibung zumindest passiv sein, sodass unabhängig vom eingeschalteten oder ausgeschalteten Kraftfahrzeug eine Grundreibung vom Kraftfahrzeugfahrer wahrgenommen werden kann, wenn er das Lenkrad dreht. Beispielsweise bei einer elektromagnetischen Ausführung der Reibvorrichtung kann bei einem eingeschalteten Kraftfahrzeug zusätzlich ein aktives, also echtzeitgeregeltes Reibungsmoment hinzukommen.
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Eine besonders realistisch wahrnehmbare Grundreibung kann sich ergeben, wenn ein Reibungsmoment durch die Grundreibung der Reibvorrichtung mindestens einschließlich 0,35 Newtonmeter und höchstens einschließlich 2 Newtonmeter, vorzugsweise 0,4 Newtonmeter beträgt. Beispielsweise kann das Reibungsmoment durch Roll- und Gleitreibung beziehungsweise durch die entsprechend dimensionierten und angeordneten Wälzkörper aufgebracht werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sperrvorrichtung für Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment eines Motors erfordern, vorgesehen.
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Bevorzugterweise ist ein Getriebe zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments am Lenkrad aufweist, vorgesehen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von drei Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Feedback-Aktuators gemäß der Erfindung,
- 2 eine Schnittansicht der Reibvorrichtung entlang einer Längsachse einer Welle, und
- 3 eine schematisierte Schnittansicht eines alternativen Axial-Nadellagers quer zur Längsachse der Welle.
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1 zeigt somit einen Feedback-Aktuator 1 für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment L, mit einer äußeren Gehäuseanordnung 2, umfassend eine Lenkspindel 3 zur Kopplung mit einem Lenkrad 4, wobei die Lenkspindel 3 um ihre Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 2 gelagert ist, ein Lager 5 zur Lagerung der Lenkspindel 3, ein entlang der Längsachse L angeordnetes Reibvorrichtung 6 zur Erzeugung einer Grundreibung des Feedback-Aktuators 1. Der Reibvorrichtung 6 ist optional ein weiteres Lager 7 vorgeschaltet. An das Reibelement 6 anschließend ist ein Getriebe 8 vorgesehen. Dieses Getriebe 8 dient zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments L am Lenkrad 4, wobei das Motorlenkmoment M des mindestens einen Motors 9 kleiner ist als das definierte Lenkmoment L zur Wahrnehmung durch einen Kraftfahrzeugfahrer.
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Angrenzend an das Getriebe 8 ist ein Winkelsensorsystem 10 zur Ermittlung der Rotorlage für die Regelung des Motors 9 vorgesehen. DAs Winkelsensorsystem 10 ist mittels einer ersten Motorwellenschnittstelle 9a an den Motor 9 angebunden. Der mindestens eine Motor 9 dient zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments M in einem eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs. Ferner ist eine Sperrvorrichtung 11 vorgesehen. Die Sperrvorrichtung 11 übernimmt Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment L eines Motors 9 erfordern.
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2 zeigt eine genauere Ansicht einer der Reibvorrichtung 6. Somit zeigt die 2 eine Reibvorrichtung 6 für einen Feedback-Aktuator 1 einer Lenkeinrichtung, mit einer Längsachse A, die zumindest teilweise von einem zur Längsachse A koaxial angeordneten Gehäusekörper 12 umgeben ist, wobei der Gehäusekörper 12 über mindestens zwei Lager 13, 14 drehend an einem Wellenanbindungselement 15 gelagert ist, wobei mindestens eines der beiden Lager 12, 14 derart axial an dem Wellenanbindungselement 15 vorgespannt ist, dass bei einer Drehung des mindestens einen Lagers 13, 14 ein Drehreibwiderstand vorhanden ist, wobei das mindestens eine Lager 13, 14 hinsichtlich seines Drehreibwiderstandes einen Lenkwiderstand eines drehenden Lenkrads mit einer Lenksäule simuliert. Somit wird eine Grundreibung erzeugt, die der Reibung beispielsweise des Lenkrads, der Lenkspindel, den Lagerungen, den Manschetten, den Gelenken und den Reifen kumuliert entspricht. Der Kraftfahrzeugfahrer bekommt somit ein gewohnt realistisches Fahrgefühl.
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Der Drehreibwiderstand, beziehungsweise das Reibungsmoment kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft eingestellt werden, sofern beide Lager 13, 14 als Axialwälzlager mit Wälzkörpern 16 ausgebildet sind, wobei die Wälzkörper 16 jeweils eine Haupterstreckungsachse H aufweisen, wobei die Haupterstreckungsachsen H der Wälzkörper 16 windschief zur Längsachse A verlaufen. Die Wälzkörper 16 sind dabei als Nadeln ausgebildet.
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Dies ist insbesondere der 3 mit einem schematisierten Axial-Nadellager dargestellt. Demnach ist jeweils ein beispielhafter Querschnitt zur Längsachse A dargestellt. Beispielhaft verlaufen die Haupterstreckungsachsen H der Wälzkörper 24 zwar entlang des Querschnitts senkrecht zur Längsachse A.
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Die Schrägstellung der Wälzkörper 16 hat zur Folge, dass die Wälzkörper 16 bei der Drehung des Axialwälzlagers 16 eine Reibung aus Gleit- und Rollreibung erzeugen. Diese Reibung kann insbesondere über das Schrägstellen der Wälzkörper 16 und/oder die axiale Vorspannkraft auf das Axialwälzlager 16 beeinflusst werden.
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Ein möglichst gleichmäßiger Lenkwiderstand lässt sich dadurch einstellen, dass die Haupterstreckungsachsen H aller Wälzkörper 16 windschief zur Längsachse A der verlaufen. Somit wird das Reibungsmoment lückenlos über sämtliche Wälzkörper 16 übertragen. Dies wird vom Kraftfahrzeugfahrer insbesondere als gleichmäßige Grundreibung wahrgenommen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert des Reibungsmoments durch die Dimensionierung und/oder Anordnung der Wälzkörper 16 einstellbar. Somit können zwischen unterschiedlichen Kraftfahrzeugmodellen variierende Erfordernisse berücksichtigt werden. Je weiter die jeweilige Haupterstreckungsachse H eines Wälzkörpers 16 in einem Querschnitt zur Längsachse L von der Längsachse L entfernt ist, desto höher ist das sich einstellende und vom Kraftfahrzeugfahrer wahrnehmbare Reibungsmoment, um ihm ein realistisches Fahrgefühl zu vermitteln.
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Eine besonders realistisch wahrnehmbare Grundreibung kann sich ergeben, wenn ein Reibungsmoment durch die Grundreibung der Reibvorrichtung 6 mindestens einschließlich 0,35 Newtonmeter und höchstens einschließlich 2 Newtonmeter, vorzugsweise 0,4 Newtonmeter beträgt. Beispielsweise kann das Reibungsmoment durch Roll- und Gleitreibung beziehungsweise durch die entsprechend dimensionierten und angeordneten Wälzkörper 16 aufgebracht werden.
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Weiterhin ist aus 2 zu erkennen, dass die Reibvorrichtung 6 derart ausgestaltet sein, dass eines der Lager 13 gegen axiales Verschieben entlang der Längsachse A in eine Richtung durch eine an dem Wellenanbindungselement 15 ausgebildete Anschlagschulter 17 gesichert ist. Die Lager 13, 14 werden mittels eines Federelementes 18 und eines Vorspannelementes 19 vorgespannt. Das Vorspannelement 19 kann dabei als eine Mutter ausgebildet sein. Das Federelement 18 ist axial zwischen zwei Druckscheiben 20, 21 angeordnet, wobei eine erste Druckscheibe 21 an einem der Lager 14 anliegt und eine zweite Druckscheibe 20 in Kontakt mit dem Vorspannelement 19 ist.
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Die Erfindung ermöglicht somit insbesondere eine Reibvorrichtung 6 für einen Feedback-Aktuator 1 einer Lenkeinrichtung mit einem realistisch nachgebildeten Lenkgefühl.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feedback-Aktuator
- 2
- Gehäuseanordnung
- 3
- Lenkspindel
- 4
- Lenkrad
- 5
- Lager
- 6
- Reibvorrichtung
- 7
- Lager
- 8
- Getriebe
- 9
- Motor
- 10
- Winkelsensorsystem
- 11
- Sperrvorrichtung
- 12
- Gehäusekörper
- 13
- Lager
- 14
- Lager
- 15
- Wellenanbindungselement
- 16
- Wälzkörper
- 17
- Anschlagschulter
- 18
- Federelement
- 19
- Vorspannelement
- 20
- Druckscheibe
- 21
- Druckscheibe
- L
- Lenkmoment
- A
- Längsachse
- H
- Haupterstreckungsachse der Wälzkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036730 A1 [0005]
- EP 2414211 B1 [0005]
