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Die Erfindung betrifft den Bereich der Lenkung von Fahrzeugen, insbesondere von Nutzfahrzeugen, wie Lastkraftwagen, Bussen und dergleichen. Bei derartigen Fahrzeugen sind Räder einer Vorderachse üblicherweise über ein Lenkgetriebe mit einer Lenksäule und einem Lenkrad gekoppelt, um in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Lenkrades durch einen Fahrer gelenkt zu werden.
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Gemäß dem Stand der Technik sind Lenksysteme bekannt, bei denen eine Drehbewegung der Lenksäule durch hydraulische Verstärkung unterstützt wird. Die Drehbewegung wird üblicherweise durch einen Fahrer mittels Lenkrad ausgeführt, wobei die Ausführung der Drehbewegung dank der Unterstützung für den Fahrer erleichtert wird. Bei diesen Lenksystemen werden mechanisch durch die Drehbewegung hydraulische Ventile geöffnet und geschlossen, um mit Hilfe eines druckbeaufschlagten Fluids eine zusätzliche Kraft zur Einstellung eines Radlenkwinkels der Räder bereitzustellen. Insgesamt wird so der Komfort des Fahrers erhöht. Ein derartiges Lenksystem kann auch als hydraulisches Lenksystem bezeichnet werden.
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Durch eine zunehmende Automatisierung im Bereich der Fahrzeugsteuerung und einer damit einhergehenden gewünschten automatisierten Aktuierung auch von Lenksystemen steigt der Wunsch nach einer elektrischen Schnittstelle zum Ansteuern der Lenksysteme. Daher sind bereits Lösungen bekannt, bei denen die zuvor genannten hydraulischen Ventile nicht in mechanischer Abhängigkeit von der Drehbewegung einer Lenksäule, sondern in Abhängigkeit von elektromechanischen Stellgliedern aktuiert werden. Die elektromechanischen Stellglieder können einerseits über Sensoren, die an der Lenksäule angeordnet sind und eine Drehbewegung detektieren, angesteuert werden und somit auf funktionell ähnliche Weise die Hydraulikventile schalten. Gleichzeitig ist es bei der Verwendung elektromechanischer Stellglieder auch möglich, unabhängig von einer Drehbewegung der Lenksäule, die elektromechanischen Stellglieder durch elektronische Komponenten, wie beispielsweise ein Steuergerät anzusteuern. Das Steuergerät erzeugt beispielsweise einen Lenkwunsch durch ein Fahrerassistenzsystem. Ferner können die genannten elektromechanischen Stellglieder derart ausgeprägt sein, dass, z.B. bei einem Ausfall des hydraulischen Kreises, zusätzlich zur Aktuierung der Ventile ein elektromechanischer Antrieb des Lenkgetriebes möglich ist. Derartige Lösungen sind jedoch sehr komplex aufgebaut und daher nur unter Berücksichtigung hoher Kosten zu realisieren.
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Aus diesem Grund ist es weiter bekannt, Lenksysteme nicht mehr durch hydraulische Lenkaktuatoren zu unterstützen, sondern rein elektromechanische Lenkaktuatoren zu verwenden. Eine Kombination aus Hydraulik und Elektrik entfällt hierbei. Dennoch finden derartige elektrische Lenksysteme bislang kaum Einsatz, da diese schwer in bestehende Systeme integrierbar sind. Grund hierfür ist, dass Bauräume und Baulängen im Fahrzeug stark begrenzt sind aber in der Regel ein elektromechanischer Lenkaktuator eines elektrischen Lenksystems vergleichsweise langgestreckt gegenüber einem Aktuator eines hydraulischen Lenksystems ausgeführt ist.
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Insbesondere ist bei bisherigen Lösungen, bei denen ein elektrischer Lenkaktuator eingesetzt wird, eine Lenkstange daher deutlich verkürzt, um die Bauräume und Baulängen einzuhalten und eine ausreichende Aktuierungsbewegung für den elektrischen Lenkaktuator bereitzustellen. Dies gilt insbesondere, wenn ein elektrisches Lenksystem in einem Fahrzeug verwendet werden soll, das für ein hydraulisches Lenksystem dimensioniert und ausgelegt ist.
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Die Länge der Lenkstange stellt jedoch einen wesentlichen Parameter innerhalb der Lenkkinematik dar. Grund hierfür ist, dass die Räder der lenkbaren Achse sich relativ zum Fahrzeugrahmen ebenfalls in einem Feder-Dämpfer-System bewegen. Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs werden somit bei verkürzter Lenkstange stärker in Lenkbewegungen umgesetzt und so als Störungen in das Lenkverhalten eingekoppelt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisches Lenksystem zu finden, bei dem die Probleme des Standes der Technik behoben oder minimiert werden. Insbesondere soll die Einkopplung von Bewegungen, insbesondere Wank- und Nickbewegungen, des Fahrzeugs in Lenkbewegungen minimiert oder zumindest reduziert werden. Jedenfalls soll ein alternatives Lenksystem zu bisher bekannten Lenksystemen gefunden werden.
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Hierzu betrifft die Erfindung ein Lenksystem nach Anspruch 1, ein Fahrzeug mit einem derartigen Lenksystem nach Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Ausrüsten eines Fahrzeugs mit einem Lenksystem nach Anspruch 14.
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug. Das Lenksystem umfasst einen elektromechanischen Lenkaktuator und eine in Abhängigkeit von dem Lenkaktuator bewegbares Lenkgestänge. Das Lenkgestänge weist eine Lenkstange auf. Die Lenkstange ist eingerichtet, um zur Bewegung mindestens eines Achsschenkels des Fahrzeugs mit dem Achsschenkel oder einem Anlenkhebel des Achsschenkels gelenkig verbunden zu werden. Ferner weist das Lenkgestänge einen Umlenkhebel auf, der in einer Längsrichtung des Umlenkhebels gegenüberliegend zwei Endbereiche umfasst. In einem ersten Endbereich ist der Umlenkhebel gelenkig mit der Lenkstange verbunden, wobei der Umlenkhebel in einem zweiten Endbereich eingerichtet ist, mit dem Fahrzeugrahmen oder dem Lenkaktuator gelenkig verbunden zu werden. Eine Verbindung des zweiten Endbereichs des Umlenkhebels mit dem Lenkaktuator umfasst insbesondere auch eine Verbindung des zweiten Endbereichs des Umlenkhebels mit einem Gehäuse des Lenkaktuators. Ein Gelenk zur gelenkigen Verbindung des Umlenkhebels mit dem Lenkaktuator ist demnach bevorzugt in ein oder an einem Gehäuse des Lenkaktuators integriert.
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Die Lenkstange weist demnach ebenfalls in ihrer Längsrichtung zwei gegenüberliegende Endbereiche auf, wobei einer der Endbereich mit dem Umlenkhebel verbunden und der andere Endbereich eingerichtet ist, mit dem Achsschenkel oder dem Anlenkhebel gelenkig verbunden zu werden. Ferner liegt ein Angriffspunkt des Lenkaktuators an oder auf dem Lenkgestänge, insbesondere zur Übertragung einer Kraft des Lenkaktuators auf das Lenkgestänge, beabstandet zum zweiten Endbereich des Umlenkhebels. Der Angriffspunkt bezeichnet vorzugsweise einen Punkt oder Bereich, in dem der Lenkaktuator mit dem Lenkgestänge zur Kraftübertragung verbunden ist. Dieser kann auch als Koppelpunkt, Verbindungspunt oder Anlenkpunkt bezeichnet werden. Beabstandet bezeichnet hier einen vorbestimmten Abstand, der jedenfalls größer Null ist. Vorzugsweise liegt der Angriffspunkt des Lenkaktuators mindestens um eine Umlenkhebellänge des Umlenkhebels in Längsrichtung des Umlenkhebels von dem Bereich oder Punkt des Umlenkhebels entfernt, mit dem der Umlenkhebel am Fahrzeug verbunden oder verbindbar ist.
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Durch das Vorsehen eines Umlenkhebels, der zwischen Fahrzeugrahmen und Lenkstange verbunden ist, wird die Lenkstange weiterhin im Falle von Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs durch den Umlenkhebel mitgeführt, diesen Bewegungen muss ein Lenkaktuator somit nur teilweise folgen, da sich diese Bewegungen zwischen Umlenkhebel und Lenkaktuator aufteilen können. Somit ist der Lenkaktuator im Wesentlichen frei im Fahrzeug positionierbar und muss lediglich so angeordnet werden, dass er zu einer Bewegung der Lenkstange bei einem Lenkwunsch führt. Hierdurch kann eine Länge einer Lenkstange beibehalten werden, die für das Fahrzeug dimensioniert ist, wenn es mit einem herkömmlichen hydraulischen Lenksystem ausgestattet würde.
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Ein elektromechanischer Lenkaktuator ist somit einsetzbar, ohne dass Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs zu signifikanten Störeinflüssen bei der Lenkung führen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Lenkaktuator mit der Lenkstange gelenkig verbunden. Vorzugsweise ist diese Verbindung zwischen Lenkaktuator und Lenkstange in einem mittleren Bereich der Lenkstange vorgesehen. Wird die Lenkstange in ihrer Längsrichtung beispielsweise in drei gleich lange Teile aufgeteilt, so entspricht der mittlere Bereich dem in der Mitte liegenden der drei Teile.
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Durch diese Verbindung kann der Lenkaktuator eine Kraft auf die Lenkstange ausüben und so den Achsschenkel und das damit verbundene Rad einlenken, wobei die Lenkstange weiterhin durch den Umlenkhebel mitgeführt wird. Durch die gelenkige Verbindung zwischen Lenkaktuator und Lenkstange kann sich so die Lenkstange relativ zum Lenkaktuator im Falle von auftretenden Bewegungen des Fahrzeugs, beispielsweise Wankbewegungen, bewegen. Diese relativen Bewegungen werden zumindest in den Freiheitsgraden, in denen die gelenkige Verbindung schwenkbar ist, nicht an den Lenkaktuator übertragen, so dass dieser auch zumindest teilweise entkoppelt wird. Weiter ist auch ein langgestreckter Lenkaktuator einsetzbar, da in einer Längsrichtung des Fahrzeugs Lenkaktuator und Lenkstange bis zu einem Koppelpunkt zwischen Lenkaktuator und Lenkstange zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein können. So kann eine ausreichende Länge einer Bewegung in einer Aktuierungsrichtung des Lenkaktuators vorgesehen sein, die es ermöglicht, die Achse ausreichend weit einzuschlagen, um einen vorgesehenen Wendekreis des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Umlenkhebel ein erster Umlenkhebel. Ferner umfasst das Lenksystem eine Koppelstange und einen zweiten Umlenkhebel. Der zweite Umlenkhebel ist, insbesondere in einem Endbereich des zweiten Umlenkhebels oder einem mittleren Bereich des zweiten Umlenkhebels, eingerichtet, mit dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs, gelenkig verbunden zu werden. Der zweite Umlenkhebel ist weiter gelenkig mit einem ersten Endbereich der Koppelstange und die Koppelstange mit ihrem zweiten Endbereich gelenkig mit dem ersten Umlenkhebel verbunden. Weiter ist der Lenkaktuator mit der Koppelstange oder einem der Umlenkhebel, insbesondere dem zweiten Umlenkhebel, gelenkig verbunden.
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Demnach sind also zwei Umlenkhebel mit dem Fahrzeugrahmen gelenkig verbunden und diese wiederum, insbesondere mit einem Abstand zum Fahrzeugrahmen, mit einer Koppelstange miteinander verbunden. Die Koppelstange ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu einer durch den Fahrzeugrahmen gebildeten Ebene angeordnet. Die beiden Umlenkhebel sind durch die Koppelstange vorzugsweise so verbunden, dass eine Bewegung des einen Umlenkhebels über die Koppelstange in eine Bewegung des anderen Umlenkhebels übersetzt wird. Wird demnach der Lenkaktuator mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden, wird eine durch den Lenkaktuator ausgeführte Bewegung über die Koppelstange an den ersten Umlenkhebel übertragen, der dann die Lenkstange zum Lenken des Achsschenkels bewegt. Somit können im Wesentlichen Lenkaktuator und Lenkstange überschneidend oder im gleichen Längsabschnitt eines Fahrzeugs angeordnet werden, sodass ein besonders sparsamer Bauraum möglich ist. Gleichzeitig findet eine zufriedenstellende, dem Stand der Technik entsprechende, Entkopplung der Wank- und Nickbewegungen des Lenkgestänges statt.
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Gemäß einer ersten speziellen Ausführungsform der vorhergehenden Ausführungsform ist der zweite Umlenkhebel eingerichtet in einem ersten Endbereich des zweiten Umlenkhebels mit dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen, gelenkig verbunden zu werden. In einem gegenüberliegenden zweiten Endbereich des zweiten Umlenkhebels ist dann der Lenkaktuator gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden. Die Koppelstange ist mit dem zweiten Umlenkhebel ebenfalls im zweiten Endbereich oder in einem mittleren Bereich des zweiten Umlenkhebels gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden.
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Gemäß einer zweiten speziellen Ausführungsform ist der zweite Umlenkhebel wiederum eingerichtet, in einem ersten Endbereich des zweiten Umlenkhebels mit dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen, gelenkig verbunden zu werden. In dem mittleren Bereich des zweiten Umlenkhebels ist dann der Lenkaktuator gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden. Die Koppelstange ist mit dem zweiten Umlenkhebel ebenfalls in dem mittleren Bereich oder im zweiten Endbereich des Umlenkhebels gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden.
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Gemäß einer dritten speziellen Ausführungsform ist der zweite Umlenkhebel eingerichtet, in dem mittleren Bereich des zweiten Umlenkhebels mit dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen, verbunden zu werden. In dem ersten Endbereich des zweiten Umlenkhebels ist dann der Lenkaktuator gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden. Die Koppelstange ist mit dem zweiten Umlenkhebel dann im zweiten Endbereich des Umlenkhebels gelenkig mit dem zweiten Umlenkhebel verbunden.
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Gemäß dieser dritten speziellen Ausführungsform ist das Lenksystem vorzugsweise so ausgestaltet, dass der erste Endbereich des zweiten Umlenkhebels nach einer Verbindung des zweiten Umlenkhebels mit dem Fahrzeugrahmen auf Höhe der oder oberhalb des Fahrzeugrahmens liegt, wohingegen der zweite Endbereich unterhalb des Fahrzeugrahmens liegt. Insbesondere ist auch der Lenkaktuator in diesem zuletzt genannten Fall derart eingerichtet, um auf Höhe oder oberhalb des Fahrzeugrahmens mit dem Fahrzeugrahmen verbunden zu werden.
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Zur Definition und Abgrenzung der Bereiche des zweiten Umlenkhebels wird beispielsweise eine Länge des zweiten Umlenkhebels in Längsrichtung angenommen und der zweite Umlenkhebel entlang dieser Länge in drei gleichlange Teile unterteilt. Hierbei grenzen zwei der drei Teile jeweils an ein Ende des zweiten Umlenkhebels. Eines dieser beiden Teile wird als erster Endbereich und das andere dieser Teile als zweiter Endbereich definiert. Das dazwischenliegende Teil entspricht dann dem mittleren Bereich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lenkaktuator eingerichtet, gelenkig, insbesondere mittels eines ersten Drehgelenks, mit dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen, verbunden zu werden. Der Lenkaktuator ist somit schwenkbar und kann einer Bewegung, die beispielsweise durch die beiden Umlenkhebel und die Koppelstange vorgegeben werden und nicht der Aktuierungsrichtung entsprechen, folgen. Ein Drehgelenk beschreibt ein Gelenk, das nur in einem Freiheitsgrad eine Bewegung ermöglicht. Die Bewegung oder Drehbewegung entlang dieses Freiheitsgrads kann auch als Schwenkbewegung bezeichnet werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfasst das Gelenk, insbesondere Drehgelenk, mit dem der Lenkaktuator mit dem Fahrzeug verbindbar ist eine Drehachse, um die auch ein Gelenk drehbar ist, mit dem der erste Umlenkhebel mit dem Fahrzeug verbindbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Umlenkhebel und der zweite Umlenkhebel jeweils eingerichtet, um mittels eines zweiten Drehgelenks bzw. eines dritten Drehgelenks gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen verbunden zu werden. Auch die Koppelstange ist in ihrem ersten Endbereich mit dem zweiten Umlenkhebel über ein viertes Drehgelenk und in ihrem zweiten Endbereich über ein fünftes Drehgelenk mit dem ersten Umlenkhebel verbunden. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Lenkaktuator ebenfalls nur in einem Freiheitsgrad schwenken muss und alle anderen Freiheitsgrade gesperrt sein können, beispielsweise durch das zuvor genannte erste Drehgelenk zwischen Lenkaktuator und Fahrzeug. Eine robuste Anordnung des Lenkaktuators am Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeugrahmen, ist somit möglich.
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Diese robustere Anordnung ergibt sich durch den Umstand, dass ein Kugelgelenk anstatt eines Drehgelenks, wenn hierdurch eine Verbindung zwischen Lenkaktuator und Fahrzeug hergestellt wird, in einem Freiheitsgrad gesperrt sein muss, um ein Verdrehen des Lenkaktuators um seine Längsachse auszuschließen. Eine derartige Sperrung eines Freiheitsgrades ist jedoch nur durch eine aufwändige Konstruktion realisierbar, da ansonsten Reibungen bei der Bewegung des Kugelgelenks im Bereich der Sperrung entstehen können, die zum Verschleiß der Sperrung oder des Gelenks führen können. Wird eine Sperrung nicht vorgenommen, besteht die Gefahr, dass die genannte Verdrehung des Lenkaktuators auf eine mit dem Lenkaktuator verbundene Lenksäule übertragen wird und so Querkräfte auf die Verbindung ausgeübt werden, die zur Beschädigung und zum erhöhten Verschleiß dieser Verbindung beitragen.
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Insbesondere eine Bewegung der Lenkstange oder der Achsschenkel gegenüber dem Fahrzeugrahmen wird somit vollständig vom Lenkaktuator entkoppelt und ein Schwenken des Lenkaktuators ist lediglich noch dann nötig, wenn dieser selbst entlang einer Aktuierungsrichtung verfährt bzw. eine Bewegung ausführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Lenkstange mit dem ersten Umlenkhebel über ein erstes Kugelgelenk gelenkig verbunden. Die Lenkstange ist außerdem mit dem Achsschenkel oder einem Anlenkhebel des Achsschenkels über ein zweites Kugelgelenk gelenkig verbindbar. Relative Bewegungen des Achsschenkels gegenüber dem Fahrzeugrahmen werden somit nicht durch den ersten Umlenkhebel in Lenkbewegungen umgesetzt, sodass Störungen durch Wank- und Nickbewegungen in der Lenkung vermieden oder reduziert werden. Der Begriff Kugelgelenk wird hier Synonym für ein Gelenk verwendet, dass in mindestens zwei Freiheitsgraden beweglich ist. Der Begriff Kugelgelenk ist nicht auf die Verwendung eines allgemein unter dem Begriff zu verstehenden Kugelgelenks beschränkt, sondern es kann ein Kugelgelenk nach dieser Definition auch beispielsweise durch zwei senkrecht zueinander angeordnete Drehgelenke realisiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Lenkstange eine Länge auf, die mindestens doppelt so lang, bevorzugt mindestens dreimal oder besonders bevorzugt mindestens viermal so lang, wie eine Umlenkhebellänge des ersten Umlenkhebels ist.
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Vorzugsweise weist der Umlenkhebel eine Länge auf, die im Wesentlichen der Länge entspricht, die ein Lenkstockhebel einer herkömmlichen hydraulischen Lenkung, die für das Fahrzeug dimensioniert ist, an dem das elektrische Lenksystem eingesetzt werden soll, aufweist. Demnach ist für übliche Fahrzeuge im Falle einer herkömmlichen hydraulischen Lenkung eine Länge eines Lenkstockhebels vorgesehen und im Falle, dass für dieses Fahrzeug das erfindungsgemäße Lenksystem verwendet werden soll, entspricht die Länge des Umlenkhebels vorzugsweise der Länge dieses Lenkstockhebels. Vorzugsweise entspricht auch die Lenkstange einer Länge einer für das Fahrzeug mit einer herkömmlichen hydraulischen Lenkung dimensionierten Lenkstange.
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Demnach ist auch für ein Fahrzeug, für das bislang eine herkömmliche hydraulische Lenkung dimensioniert ist, das erfindungsgemäße Lenksystem einsetzbar, ohne dass sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs ändert. Fahrerassistenzsysteme können somit ohne Anpassung weiterbetrieben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Umlenkhebel eingerichtet, die gelenkige Verbindung mit dem Fahrzeugrahmen über das zweite Drehgelenk herzustellen. Insbesondere in dem Fall, dass der Lenkaktuator direkt mit der Koppelstange oder dem Umlenkhebel verbunden ist, ist so ein Lenkverhalten des Fahrzeugs identisch mit dem Lenkverhalten eines Fahrzeugs, das eine herkömmliche hydraulische Lenkung aufweist. Der Umlenkhebel, der nämlich vorzugsweise den bei einer herkömmlichen hydraulischen Lenkung vorhandenen Lenkstockhebel ersetzt, ist nämlich ähnlich dem Lenkstockhebel nur in einem Freiheitsgrad, also um eine Achse schwenkbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der elektromechanische Lenkaktuator ein elektromechanischer Linearaktuator, insbesondere mit einem Spindelantrieb. Ein derartiger Lenkaktuator ist bevorzugt einsetzbar, insbesondere mit der Kombination aus mit der Lenkstange verbundenem Umlenkhebel, um einerseits eine ausreichende Kraft zur Bewegung der Achsen und andererseits eine ausreichende Weglänge oder Länge der Bewegung entlang einer Aktuierungsrichtung bereitzustellen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Lenksystem nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Hierbei ist die Lenkstange mit mindestens einem Achsschenkel oder einem Anlenkhebel des Achsschenkels des Fahrzeugs verbunden. Weiterhin ist der erste Umlenkhebel mit dem Fahrzeug, insbesondere einem Fahrzeugrahmen, gelenkig verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeug einen Fahrzeugrahmen auf, wobei der Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs eine Anbauposition für ein Lenkgetriebe oder einen Lenkstockhebel einer hydraulischen Lenkung aufweist. Der erste Umlenkhebel ist ferner am Fahrzeug am oder im Bereich dieser Anbauposition des Fahrzeugrahmens mit dem Fahrzeugrahmen gelenkig verbunden. Das heißt, dass der Fahrzeugrahmen eine Anbauposition vorsieht, die für das Fahrzeug und ein späteres gewünschtes Fahrverhalten definiert ist. An dieser Anbauposition ist eine Anordnung des Lenkgetriebes oder eines mit dem Lenkgetriebe verbundenen Lenkstockhebels einer hydraulischen Lenkung vorgesehen. Anstatt einer hydraulischen Lenkung ist erfindungsgemäß jedoch an dieser Position der erste Umlenkhebel mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Lenksystem in das Fahrzeug so integriert werden, dass das Fahrverhalten gegenüber einem herkömmlichen Lenksystem unverändert bleibt und gleichzeitig die Vorteile eines rein elektrischen Lenksystems ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lenkaktuator mittels des ersten Drehgelenks mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Demnach kann der Lenkaktuator um eine Achse, also in einem Freiheitsgrad schwenken. Insbesondere im Falle, dass der Lenkaktuator ein Linearaktuator ist, kann der Lenkaktuator so einer Führung, die einer Antriebsstange oder einem Kolben des Lenkaktuators durch den bewegten Umlenkhebel, die Koppelstange oder die Lenkstange vorgegeben wird, folgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Fahrzeugrahmen die Anbauposition für ein Lenkgetriebe oder einen Lenkstockhebel einer hydraulischen Lenkung auf, wobei der Lenkaktuator in Längsrichtung des Fahrzeugrahmens an einer Position, die weiter in Richtung einer Fahrzeugvorderseite als die Anbauposition liegt, angeordnet ist. Eine ausreichende Bewegungsfreiheit für den Lenkaktuator wird so geschaffen.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausrüsten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs mit einem Lenksystem nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Hierbei wird zunächst eine Anbauposition, insbesondere für ein Lenkgetriebe oder einen Lenkstockhebel einer hydraulischen Lenkung, identifiziert und an der Anbauposition oder im Bereich der Anbauposition der erste Umlenkhebel gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen verbunden.
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Trotz eines Einsatzes eines Lenksystems mit einem elektromechanischen Lenkaktuator kann so ein Verhalten des Fahrzeugs, insbesondere bezogen auf das Lenkverhalten, gegenüber dem Einsatz einer herkömmlichen hydraulischen Lenkung beibehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird der Lenkaktuator in Längsrichtung des Fahrzeugrahmens weiter in Richtung einer Fahrzeugvorderseite als die Anbauposition gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Der Lenkaktuator wird außerdem, insbesondere mittels eines sechsten Drehgelenks, mit dem zweiten Umlenkhebel oder der Koppelstange gelenkig verbunden. Alternativ wird der Lenkaktuator gelenkig, insbesondere mit einem dritten Kugelgelenk, mit der Lenkstange verbunden.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des in ein Fahrzeug integrierten Lenksystems,
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lenksystems,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lenksystems,
- 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Lenksystems,
- 5 ein hydraulisches Lenksystem gemäß dem Stand der Technik,
- 6 das Lenksystem aus 5 in der Draufsicht und
- 7 die Schritte des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein Fahrzeug 10 in einer Seitenansicht, das ein Lenksystem 11 und einen Fahrzeugrahmen 12 aufweist, an dem neben den dargestellten Komponenten weitere Komponenten des Fahrzeugs aufgehängt sind und das das Grundgerüst des Fahrzeugs darstellt. Der Fahrzeugrahmen 12 wird auch als Chassis bezeichnet. Der Fahrzeugrahmen 12 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung 13 des Fahrzeugs 10.
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Am Fahrzeugrahmen 12 ist eine Achse 14 an ihrem einen Ende über ein nicht dargestelltes Gelenk mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Das hier in der Seitenansicht sichtbare Ende 15 der Achse 14 ist somit in einer senkrechten Richtung 16 beweglich gegenüber dem Fahrzeugrahmen 12 gelagert. Das dargestellte Ende 15 der Achse 14 ist hierzu gegenüber dem 12 mit einer Blattfeder 18 oder einer Luftfeder 20 abgestützt. An der Achse 14 ist ein Achsschenkel 22 mit einem Drehlager gelagert verbunden, der um eine Achse, die in der senkrechten Richtung 16 verläuft, drehbar ist. Am Achsschenkel 22 ist ein nicht dargestelltes Rad einer Vorderachse des Fahrzeugs 10 befestigbar. Fest mit dem Achsschenkel 22 ist ein Anlenkhebel 24 verbunden.
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Der Anlenkhebel 24 ist über ein Gelenk 26, das ein zweites Kugelgelenk 28 ist, mit einem Endbereich 29 einer Lenkstange 30 verbunden. Die Lenkstange 30 ist in ihrem gegenüberliegenden Endbereich 32 über ein weiteres Gelenk 34, das ein erstes Kugelgelenk 36 ist, mit einem ersten Umlenkhebel 38 gelenkig verbunden. Die Lenkstange 30 weist eine Länge L auf, die mehr als doppelt so lang wie eine Umlenkhebellänge I des Umlenkhebels 38 ist. Lenkstange 30 und erster Umlenkhebel 38 sind Bestandteil eines Lenkgestänges 37.
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Der erste Umlenkhebel 38 ist gegenüberliegend dem Endbereich 39 des Umlenkhebels, der auch als erster Endbereich 39 des Umlenkhebels 38 bezeichnet wird und an dem der Umlenkhebel 38 mit der Lenkstange 30 verbunden ist, in einem weiteren Endbereich 40 des Umlenkhebels 38, der auch als zweiter Endbereich 40 des Umlenkhebels 38 bezeichnet wird, über ein weiteres Gelenk 42, das ein zweites Drehgelenk 44 ist, mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Die Position an der der Umlenkhebel 38 mit dem Fahrzeugrahmen gelenkig verbunden ist, entspricht einer Anbauposition 45 für ein Lenkgetriebe oder einen Lenkstockhebel eines hydraulischen Lenksystems, das jedoch gerade hier nicht verwendet wird.
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Weiter ist ein elektromechanischer Lenkaktuator 46 vorgesehen, der ein Linearaktuator 48, insbesondere ein Spindelantrieb 50 ist. Der Lenkaktuator 46 umfasst einen elektrischen Motor 52, der eine Spindel 54 antreibt, die mit einem Kolben 56 verbunden ist und diesen entlang einer Aktuierungsrichtung 58 bewegt. An der Lenkstange 30 ist in einem mittleren Bereich 60 ein Koppelpunkt 62 vorgesehen, mit dem der Kolben 56 über ein drittes Kugelgelenk 57 verbunden ist. Der Koppelpunkt 62 entspricht einem Angriffspunkt 63 des Lenkaktuators 46 auf die Lenkstange 30 des Lenkgestänges 37. Also einem Punkt, in dem der Lenkaktuator 46 eine Kraft auf das Lenkgestänge 37 überträgt. Der Angriffspunkt 63 ist demnach beabstandet zum zweiten Endbereich 40 des Umlenkhebels 38. Weiterhin ist der Lenkaktuator 46 am anderen Ende über ein Gelenk 64, das ein viertes Kugelgelenk 65 ist, mit einer Anbauplatte 66 am Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Die Anbauplatte 66 befindet sich weiter in Richtung Fahrzeugvorderseite 67 als die Anbauposition 45.
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Weiterhin ist eine Lenksäule 68 und ein Lenkrad 70 vorgesehen. Eine Drehbewegung des Lenkrads 70 wird über die Lenksäule 68 an den Aktuator 46 übertragen und diese Drehbewegung in eine Bewegung in der Aktuierungsrichtung 58 umgesetzt. Hierdurch wird die Lenkstange 30 bewegt, sodass ein Lenken des Achsschenkels 22 ermöglicht wird.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Lenkaktuator 46 nicht direkt mit der Lenkstange 30 verbunden ist. Vielmehr ist zusätzlich neben dem ersten Umlenkhebel 38 eine Koppelstange 74 und ein zweiter Umlenkhebel 76 vorgesehen. Der zweite Umlenkhebel 76 sowie die Koppelstange 74 sind ebenfalls Bestandteil des Lenkgestänges 37. Der elektrische Antrieb 46 ist hier mit dem zweiten Umlenkhebel 76 verbunden.
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Im Detail ist der zweite Umlenkhebel 76 an einem ersten Endbereich 77 über ein Gelenk 78, das ein drittes Drehgelenk 80 ist, mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Weiterhin ist die Koppelstange 74 in einem ersten Endbereich 82 der Koppelstange 74 über ein Gelenk 84, das ein viertes Drehgelenk 86 ist, mit dem zweiten Umlenkhebel 76 im zweiten Endbereich 85 des zweiten Umlenkhebels 76 verbunden. Andererseits ist die Koppelstange 74 in einem zweiten Endbereich 88 der Koppelstange 74 über ein Gelenk 90, das ein fünftes Drehgelenk 92 ist, mit dem ersten Umlenkhebel 38 verbunden. Die übrigen Verbindungen zwischen dem ersten Umlenkhebel 38 und der Lenkstange 30 sowie der Lenkstange 30 mit dem Anlenkhebel 24 sind identisch zur 1.
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Der Lenkaktuator 46 ist nun jedoch hier über ein Gelenk 94, das ein sechstes Drehgelenk 96 ist, mit dem zweiten Endbereich 85 des zweiten Umlenkhebels 76 verbunden. Hierdurch sind Bewegungen der Achse 14 vom Aktuator 46 so weit entkoppelt, dass das Gelenk 64, mit dem der Aktuator 46 mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden ist, hier als erstes Drehgelenk 98 ausgebildet ist. Im Wesentlichen bewegt sich somit der Kolben 56 entlang der Aktuierungsrichtung 58 nahezu parallel zum Fahrzeugrahmen 12.
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3 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Lenkaktuator 46 ebenfalls nicht direkt wie beim Ausführungsbeispiel der 1 mit der Lenkstange 30 verbunden ist. Das Lenkgestänge 37 umfasst hier, wie in 2, den ersten Umlenkhebel 38, den zweiten Umlenkhebel 76, die Koppelstange 74 und die Lenkstange 30. Der elektrische Antrieb 46 ist mit dem zweiten Umlenkhebel 76 verbunden. Demnach ist das Ausführungsbeispiel in der 3 ähnlich zum Ausführungsbeispiel der 2.
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Im Gegensatz zur 2 ist jedoch in 3 der zweite Umlenkhebel 76 in einem mittleren Bereich 79 des zweiten Umlenkhebels 76 über ein Gelenk 78, das dem dritten Drehgelenk 80 entspricht, mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Außerdem ist in 3 der Lenkaktuator 46 nun mit dem ersten Endbereich 77 des zweiten Umlenkhebels 76 über ein Gelenk 94, das dem sechstes Drehgelenk 96 entspricht, verbunden.
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Lenkaktuator 46 sowie der erste Endbereich 77 des zweiten Umlenkhebel 46 liegen nun in oder oberhalb einer durch den Fahrzeugrahmen 12 beschriebenen Ebene. Der zweite Umlenkhebel 76 übt nun in Abhängigkeit einer von dem Lenkaktuator 46 über den Angriffspunkt 63 auf den zweiten Umlenkhebel ein Kraft aus, sodass sich der zweite Umlenkhebel um den Drehpunkt des dritten Drehgelenks 80 dreht und seine Bewegung über die Koppelstage 74 auf den ersten Umlenkhebel 38 und dann auf die Lenkstange 30 überträgt. Auch hier ist der Angriffspunkt 63 demnach beabstandet zum zweiten Endbereich 40 des ersten Umlenkhebels 38.
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Wie in 2 ist auch in 3 die Koppelstange 74 in dem ersten Endbereich 82 der Koppelstange 74 über ein Gelenk 84, das dem vierte Drehgelenk 86 entspricht, mit dem zweiten Umlenkhebel 76 im zweiten Endbereich 85 des zweiten Umlenkhebels 76 verbunden. Weiter die Koppelstange 74 in dem Endbereich 88 der Koppelstange 74 über ein Gelenk 90, das ein fünftes Drehgelenk 92 ist, mit dem ersten Umlenkhebel 38 verbunden. Die übrigen Verbindungen zwischen dem ersten Umlenkhebel 38 und der Lenkstange 30 sowie der Lenkstange 30 und dem Anlenkhebel 24 sind identisch zu den 1 und 2.
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4 zeigt eine Draufsicht auf das Fahrzeug 10 mit dem Lenksystem 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1. Gleiche Bezugszeichen entsprechen gleichen Merkmalen. Demnach ist der Lenkaktuator 46 erkennbar, der mit der Lenkstange 30 in einem mittleren Bereich 60 der Lenkstange 30 in einem Kopplungspunkt 62 verbunden ist. Weiter ist die Lenkstange 30 über den ersten Umlenkhebel 38 gelenkig und beabstandet zum Fahrzeugrahmen 12 verbunden. Die Lenkstange 30 ist mit einem Anlenkhebel 24 verbunden, um ein Rad 100 einzulenken, die Lenkbewegung des einen Rades 100 wird über Spurhebel 102 und eine Spurstange 104 auf ein weiteres Rad 100 der gleichen Achse übertragen.
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Die 5 und 6 zeigen den Stand der Technik jeweils mit einem Fahrzeug 150, das ein hydraulisches Lenksystem 152 aufweist. An einer Achse 14 des Fahrzeugs 150 ist ein Achsschenkel 22 mit einem Drehlager gelagert verbunden, der um eine Achse, die in der senkrechten Richtung 16 verläuft, drehbar ist. Fest mit dem Achsschenkel 22 ist ein Anlenkhebel 24 verbunden. Das hydraulische Lenksystem 152 weist ein Lenkgestänge 154 auf, das eine Lenkstange 30 umfasst. Der Anlenkhebel 24 ist über ein Gelenk 26 mit der Lenkstange 30 verbunden. Die Lenkstange 30 ist wiederrum mit einem Lenkstockhebel 156 verbunden, der mit einem Lenkaktuator 158 verbunden ist. Der Lenkaktuator 158 umfasst ein Lenkgetriebe 160, wobei das Lenkgetriebe 160 an einer Anbauposition 45 mit dem Fahrzeugrahmen 12 des Fahrzeugs 150 verbunden ist. Eine Drehbewegung des Lenkrads 70 wird über die Lenksäule 68 an den Lenkaktuator 158 übertragen und diese Drehbewegung in eine Drehbewegung um eine senkrecht zur Bildebene verlaufende Achse 162 umgesetzt. Eine Kraft des Lenkaktuators 158 wird somit in oder an einem Angriffspunkt 164 auf das Lenkgestänge 154 übertragen, wobei der Angriffspunkt 164 am Ende 166 des Lenkstockhebels 156 liegt, sodass dieser durch die Kraft des Lenkaktuators 158 um die Achse 162 schwenkt und so die Lenkstange 30 bewegt.
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7 zeigt die Schritte des Verfahrens zum Ausrüsten eines Fahrzeugs 10 mit dem Lenksystem 11. In einem Schritt 200 wird eine Anbauposition 45 für ein Lenkgetriebe oder einen Lenkstockhebel am Fahrzeugrahmen 12 identifiziert. Im Schritt 202 wird dann an der Anbauposition 45 oder im Bereich der Anbauposition 45 der erste Umlenkhebel 38 gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden.
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Im Schritt 204 wird ein Lenkaktuator 46 gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise weiter in Richtung einer Fahrzeugvorderseite 67 als die Anbauposition 45 erfolgt. In einem Schritt 206 wird dann der Lenkaktuator 46 gelenkig, insbesondere mittels eines sechsten Drehgelenks 96, mit dem zweiten Umlenkhebel 76 oder der Koppelstange 74 oder gelenkig, insbesondere mit einem dritten Kugelgelenk 57, mit der Lenkstange 30 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 11
- Lenksystem
- 12
- Fahrzeugrahmen
- 13
- Längsrichtung
- 14
- Achse
- 15
- Ende der Achse
- 16
- senkrechte Richtung
- 18
- Blattfeder
- 20
- Luftfeder
- 22
- Achsschenkel
- 24
- Anlenkhebel
- 26
- Gelenk
- 28
- zweites Kugelgelenk
- 29
- Endbereich
- 30
- Lenkstange
- 32
- Endbereich
- 34
- weiteres Gelenk
- 36
- erstes Kugelgelenk
- 37
- Lenkgestänge
- 38
- erster Umlenkhebel
- 39
- Endbereich
- 40
- Endbereich
- 42
- weiteres Gelenk
- 44
- zweites Drehgelenk
- 45
- Anbauposition
- 46
- elektromechanischer Lenkaktuator
- 48
- Linearaktuator
- 50
- Spindelantrieb
- 52
- Motor
- 54
- Spindel
- 56
- Kolben
- 57
- drittes Kugelgelenk
- 58
- Aktuierungsrichtung
- 60
- mittlerer Bereich
- 62
- Koppelpunkt
- 63
- Angriffspunkt
- 64
- Gelenk
- 65
- viertes Kugelgelenk
- 66
- Anbauplatte
- 67
- Fahrzeugvorderseite
- 68
- Lenksäule
- 70
- Lenkrad
- 74
- Koppelstange
- 76
- zweiter Umlenkhebel
- 77
- erster Endbereich
- 78
- Gelenk
- 79
- mittleren Bereich
- 80
- drittes Drehgelenk
- 82
- erster Endbereich
- 84
- Gelenk
- 85
- zweiter Endbereich
- 86
- viertes Drehgelenk
- 88
- zweites Ende
- 90
- Gelenk
- 92
- fünftes Drehgelenk
- 94
- Gelenk
- 96
- sechstes Drehgelenk
- 98
- erstes Drehgelenk
- 100
- Rad
- 102
- Spurhebel
- 104
- Spurstange
- 150
- Fahrzeug
- 152
- hydraulisches Lenksystem
- 154
- Lenkgestänge
- 156
- Lenkstockhebel
- 158
- Lenkaktuator
- 160
- Lenkgetriebe
- 162
- Achse
- 164
- Angriffspunkt
- 166
- Ende des Lenkstockhebels
- 200
- Schritt
- 202
- Schritt
- 204
- Schritt
- 206
- Schritt
