-
Die Erfindung betrifft ein Eingabemodul für ein Steer-by-Wire-System mit einem Bedienelement und einem mit dem Bedienelement gekoppelten Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steer-by-Wire-System für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug.
-
Aus
DE 10 2011 110 701 A1 ist eine Verstelleinrichtung für eine Lenksäule eines Kraftfahrzeuges zur axialen und/oder vertikalen Positionierung eines mit der Lenksäule verbundenen Bedienelements in Form eines Lenkrades bekannt. Dieser Verstelleinrichtung ist eine mittels eines elektrischen Schalters betätigbare Arretiervorrichtung zugeordnet. Die Verstellung der Lenksäule und damit der Position des Bedienelements erfolgt manuell.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Eingabemodul für ein Steer-by-Wire-System zur Verfügung zu stellen, welches eine komfortable Verstellmöglichkeit des Bedienelements ermöglicht und kostengünstig realisierbar ist.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Ein erfindungsgemäßes Eingabemodul für ein Steer-by-Wire-System umfasst ein Bedienelement und einen mit dem Bedienelement gekoppelten Aktuator. Der Aktuator weist ein Antriebselement zur Bereitstellung einer Haptikfunktion zur bedarfsweisen Übertragung einer am Bedienelement spürbaren Kraft oder eines am Bedienelement spürbaren Moments auf. Ferner ist eine Verstellfunktion zum Verstellen der Position des Bedienelements vorgesehen. Dabei ist der Aktuator derart ausgebildet, dass das Antriebselement des Aktuators auch für die Realisierung der Verstellfunktion zum Verstellen des Bedienelements nutzbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind bei dem erfindungsgemäßen Eingabemodul beide Funktionen, d.h. die Verstellfunktion und die Haptikfunktion, bedarfsweise mit dem gleichen Aktuator aktuierbar. Das Antriebselement wird insoweit bei dem erfindungsgemäßen Eingabemodul sowohl für die Haptikfunktion als auch für die Verstellfunktion genutzt, wodurch sich nicht nur ein hoher Komfort aufgrund der Einstellbarkeit des Bedienelements (z.B. eines als Bedienelement vorgesehenen Lenkrades) mit Hilfe des Antriebselements ergibt, sondern auch eine kostengünstige Realisierung - insbesondere an Fahrzeugen - ermöglicht ist, weil das Antriebselement für verschiedene Funktionen eingesetzt und genutzt wird.
-
Unter einer Haptikfunktion im Sinne der Erfindung werden insbesondere Funktionen verstanden, die neben einer Lenkwinkelvorgabe für den Lenkwinkelsteller zur Realisierung einer Force-Feedback-Funktion geeignet sind, d.h. zur Rückmeldung von Kräften und/oder Momenten an den Fahrer, insbesondere solchen, die mit Ereignissen korrespondieren, die tatsächlich im Lenkgetriebe, insbesondere auf die gelenkten Räder eines Kraftfahrzeuges, einwirken. Derartige Force-Feedback-Funktionen sind insbesondere in Verbindung mit sogenannten Steer-by-Wire-Lenkungen von besonderer Bedeutung, weil es bei derartigen Lenkungen keine direkte mechanische Verbindung zwischen den mit der Fahrbahn in Kontakt tretenden Rädern des Kraftfahrzeuges und dem Bedienelement gibt. Um dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges dennoch eine Rückmeldung über derartige Kräfte, die relevant für erforderliche Lenkhandlungen sein können, zu geben, sind entsprechende Haptikfunktionen vorgesehen. Derartige Eingabemodule können auch im Bereich der Robotik und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Die Verstellfunktion im Sinne der Erfindung ermöglicht es, die Lage eines Bedienelements, insbesondere eines Lenkrades, in einem Fahrzeug oder einer sonstigen Vorrichtung zu verändern, insbesondere eine Verschiebung des Bedienelements in einer Längsrichtung, z.B. entlang der Achse einer Lenksäule, d.h. ein axiales Verstellen eines Bedienelements.
-
In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls weist der Aktuator als Antriebselement einen Stellmotor mit mindestens einer Motorwelle auf. Der Antrieb eines derartigen Antriebselements kann auf beliebige Art und Weise erfolgen, insbesondere elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektromechanisch.
-
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls weist der Aktuator mindestens ein Schaltelement zum bedarfsweisen Aktivieren und Deaktivieren eines funktional mit dem Antriebselement gekoppelten Übertragungselements auf. Dabei kann es sich bei dem Schaltelement insbesondere um ein Schaltelement mit einem Elektromagneten handeln, das durch Bestromung aktiviert wird und durch Abschalten der Bestromung deaktiviert wird. Ein derartiges Schaltelement ist einfach und kostengünstig realisierbar. Wenn in dem stromlosen Zustand des Eingabemoduls ein betriebssicherer Modus aktiviert ist, ergibt sich eine hohe Funktionssicherheit. Vorteilhaft in Verbindung mit solchen erfindungsgemäßen Eingabemodulen ist insbesondere auch, dass man mit Hilfe eines zusätzlichen Schaltelementes, insbesondere eines Schaltelements mit einem Elektromagneten die Möglichkeit schafft, mit nur einem Stellmotor zwei verschiedene Funktionen zu realisieren. Außerdem bildet das Übertragungselement ein Getriebe und ermöglicht die Verwendung eines in seinen Abmaßen kleineren und günstigeren Stellmotor mit niedrigem Nennstrom. Durch den niedrigeren Nennstrom kann auch eine günstigere Leistungselektronik eingesetzt werden. Wenn in Verbindung mit einem Schaltelement auch ein Sperrelement aktivierbar ist, mit welchem eine Bedienelementsperrfunktion realisierbar ist, können bei Bedarf Lenkanschläge und/oder hohe Abstützkräfte im Stillstand des Fahrzeuges am Bedienelement (insbesondere Lenkrad) ohne Einsatz des Stellmotors mit hohem Nenndrehmoment kostengünstig und energieoptimal realisiert werden.
-
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls ist der Aktuator Teil einer Lenksäule, die ein äußeres Gleitrohr mit einem Innengewinde und eine zumindest teilweise darin angeordnete Spindel aufweist, wobei das Gleitrohr und die Spindel durch relative Rotation zueinander teleskopartig ein- und ausfahrbar sind. Mit einer derartigen Gestaltung eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls kann eine besonders einfache Realisierung einer axialen Verstellbarkeit eines Bedienelements realisiert werden.
-
Als besonders funktionssichere und zugleich kostengünstig verfügbare Übertragungselemente, die auch zur Übertragung hoher Kräfte und Momente geeignet sind, wird auf einen Aktuator verwiesen, der als Übertragungselement mindestens ein Zahnrad aufweist.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Eingabemodul, die eine besonders hohe Variabilität hinsichtlich des benötigten Bauraumes aufweist, ist der Aktuator Teil einer Lenksäule, wobei das Antriebselement mindestens eine parallel zu der Erstreckungsrichtung der Lenksäule angeordnete Motorwelle umfasst. Dabei können die Position und der Abstand der Motorwelle zu der Lenksäule nahezu beliebig variiert werden, indem die funktionale Kopplung zwischen der Motorwelle und der Lenksäule durch Auswahl geeigneter Elemente erfolgt, insbesondere durch Auswahl von Zahnrädern mit einem geeigneten Durchmesser.
-
Es hat sich als funktional vorteilhaft erwiesen, wenn der Aktuator ein drehfest mit einem Gleitrohr verbundenes, aber in Axialrichtung gegenüber dem Gleitrohr verschiebbar gelagertes Übertragungselement aufweist, das von dem Antriebselement antreibbar ist. Diesbezüglich wird insbesondere auf die Figurenbeschreibung verwiesen, in welcher entsprechende Anordnungen in verschiedenen Ausführungsformen im Detail beschrieben sind.
-
Vorzugsweise bilden ein mit dem Antriebselement gekoppeltes Zahnrad des Aktuators, das mit einem mit der Spindel funktional gekoppelten Zahnrad kämmt, ein erstes Zahnradpaar, wobei ein zweites Zahnradpaar durch ein mit dem Antriebselement gekoppeltes Zahnrad des Aktuators mit einem mit dem Gleitrohr verbundenen Zahnrad gebildet ist, die ebenfalls miteinander kämmen. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn das erste Zahnradpaar und das zweite Zahnradpaar das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweisen, weil dann keine weiteren Elemente erforderlich sind, wenn die Zahnradpaarungen derart aufeinander abgestimmt sein sollen, dass bei Aktivierung beider Zahnradpaarungen sich gegeneinander aufhebende axiale Bewegungen zwischen einem Gleitrohr und einer Spindel erzeugt werden sollen.
-
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls ist eine Blockier-Vorrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, zur Aktivierung der Verstellfunktion eine Rotation des Bedienelements bedarfsweise zu blockieren, d.h. zu verhindern. Diese Funktion ist insbesondere in Verbindung mit der Realisierung einer Verstellfunktion in Verbindung mit einem Gleitrohr und einer Spindel von besonderer Bedeutung. Ein Gleitrohr kann so blockiert und eine Drehbewegung desselben verhindert werden. Eine Drehung einer in einem Gleitrohr gelagerten Spindel kann dann dazu genutzt werden, Gleitrohr und Spindel relativ zueinander in Axialrichtung zu verfahren, um ein Bedienelement in Axialrichtung aus- oder einzufahren.
-
Abhängig von dem verfügbaren Bauraum kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Eingabemodul das Antriebselement in Verlängerung einer Lenksäule des Bedienelements angeordnet ist oder das Antriebselement und eine sich parallel zu einer als Lenkelement dienenden Lenksäule erstreckenden Verbindungswelle auf gegenüberliegenden Seiten der Lenksäule angeordnet sind.
-
Die Erfindung betrifft auch Fahrzeuge, insbesondere Kraft-, Luft- und Raumfahrzeuge , sowie Roboter mit vorstehend beschriebenen Steer-by-Wire-Systemen.
-
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls mit einem Motor mit beidseitigem Wellenausgang in einem ersten Betriebsmodus,
- 2 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem zweiten Betriebsmodus,
- 3 eine Schnittdarstellung durch ein Gleitrohr und ein drehfest, aber verschiebebeweglich auf dem Gleitrohr gelagertes Zahnrad des Ausführungsbeispiels gemäß der Linie III-III in 1,
- 4 eine alternative Gestaltung eines Gleitrohres analog zu der Darstellung in 3,
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls mit nur einer Motorwelle,
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls mit einem in Verlängerung einer Lenksäule angeordneten Antriebselement und
- 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eingabemoduls mit einem Antriebselement, das auf einer der Verbindungswelle gegenüberliegenden Seite einer Lenksäule angeordnet ist.
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Eingabemodul 10 eines Steer-by-Wire-Systems für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Das Eingabemodul 10 weist ein Bedienelement 12 (hier in Form eines Lenkrades) und einen mit dem Bedienelement 12 gekoppelten Aktuator 14 in Form einer Lenksäule 16 auf. Die Lenksäule 16 umfasst unter anderem ein nur durch einen gestrichelten Rahmen dargestelltes, fahrzeugfestes Mantelrohr 18. Das Mantelrohr 18 dient zur Lagerung einer Lenkstange des Bedienelementes 12 und ermöglicht es, das Bedienelement 12 mit Hilfe einer Verstellfunktion in axialer Richtung gemäß dem Doppelpfeil A zu verstellen. Mit Hilfe einer Haptikfunktion können ferner zur Realisierung einer Force-Feedback-Funktion durch eine Verdrehung des Bedienelementes 12 gemäß dem Doppelfpfeil B Kräfte und/oder Momente in das Lenksystem eingeleitet werden.
-
In der gezeigten Ausführungsform sind die Verstellfunktion und die Haptikfunktion unter anderem funktional über einen als Antriebselement 20 dienenden Stellmotor 22 gekoppelt, welcher eine erste Motorwelle 24 und eine zweite Motorwelle 26 antreibt. Die erste Motorwelle 24 ist drehfest verbunden mit einem ersten Antriebszahnrad 28, das mit einem ersten Abtriebszahnrad 30 kämmt. Das erste Abtriebszahnrad 30 treibt eine Spindel 32 an, welche mit einem in einem Gleitrohr 34 ausgebildeten Innengewinde 36 zusammenwirkt (vgl. 2).
-
Die zweite Motorwelle 26 ist drehfest mit einem zweiten Antriebszahnrad 42 und mit einem Sperrelement 44 gekoppelt. Wie sich aus einer Zusammenschau der 1 und 2 ergibt, kann das zweite Antriebszahnrad 42 mit dem Sperrelement 44 auf der Motorwelle 26 oder die zweite Motorwelle 26 selbst mit Hilfe des Schaltelements 48 in Richtung des Doppelpfeils V in axialer Richtung verstellt werden. Dabei erfolgt die Verstellung derart, dass entweder das zweite Antriebszahnrad 42 mit einem zweiten Abtriebszahnrad 46 kämmt, wie in 2 gezeigt, oder derart, dass das Sperrelement 44 mit dem zweiten Abtriebszahnrad 46 in Eingriff gelangt, wie in 1 gezeigt.
-
Wenn das Gleitrohr 34 - wie in 1 dargestellt - gegen Verdrehen gesichert ist, kann durch Rotation der Spindel 32 das Gleitrohr 34, welches in dem Mantelrohr 18 aufgenommen und gelagert ist, in axialer Richtung gemäß dem Doppelpfeil A bewegt werden, wodurch das Bedienelement 12 in axialer Richtung verstellbar ist.
-
1 zeigt das Bedienelement 12 in der maximal eingefahrenen Position. 2 zeigt das Bedienelement 12 in einer ausgefahrenen Position.
-
Das Schaltelement 48 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Elektromagneten (nicht gezeigt) und kann die zweite Motorwelle 26 zwischen den in 1 und 2 gezeigten Stellungen verfahren.
-
In der in 2 gezeigten Konfiguration ist der Elektromagnet nicht bestromt. In dieser Stellung ist das zweite Antriebszahnrad 42 mit dem zweiten Abtriebszahnrad 46 in Eingriff, und es kann eine Drehbewegung des Bedienelementes 12 erzeugt werden und mit Hilfe der Haptikfunktion einem Fahrer eine haptische Rückmeldung zu einer bestimmten Fahrsituation gegeben werden. In dieser Stellung führt ein als Antriebselement 20 dienender Stellmotor 22 im aktuierten Zustand dazu, dass die erste Motorwelle 24 und die zweite Motorwelle 26 synchron rotieren. Über die erste Motorwelle 24 wird die Spindel 32 angetrieben. Über die zweite Motorwelle 26 wird das Gleitrohr 34 angetrieben, wobei der Antrieb von Spindel 32 und Gleitrohr 34 derart erfolgt, dass ihre Relativposition in Axialrichtung zueinander erhalten bleibt. In dieser Stellung des Schaltelementes 48 ist daher die Verstellfunktion nicht verfügbar, d.h. deaktiviert.
-
Der Vollständigkeit halber wird noch darauf verwiesen, dass zwischen dem Gleitrohr 34 und dem Bedienelement 12 innerhalb des Mantelrohrs 18 noch ein Drehmomentsensor 38 angeordnet ist.
-
Ferner wird darauf verwiesen, dass der Stellmotor 22 auch einen nur schematisch dargestellten Rotorlagegeber 50 umfasst. Mit dem Rotorlagegeber 50 kann die Rotorlage des Stellmotors 22 erfasst werden, und mit dem Drehmomentsensor 38 können am Bedienelement 12 wirkende Handkräfte bzw. Handmomente gemessen werden. Anhand der Informationen des Rotorlagegebers 50 lassen sich dann sowohl der Lenkradwinkel als auch die axiale Position des Bedienelementes 12 rekonstruieren. Diese Kenntnis zusammen mit der Kenntnis der Handkräfte bildet die Grundlage für die korrekte Ansteuerung des Stellmotors 22, um die Längenverstellung des Bedienelementes 12 und Kraftrückmeldungen am Bedienelement 12 zu gewährleisten.
-
3 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie III-III in 1, wobei nur das zweite Abtriebszahnrad 46 und das Gleitrohr 34 dargestellt sind. Die drehfeste Verbindung erfolgt in dieser Ausführungsform mit Hilfe von ausgebildeten oder eingelegten Federn 52 nach Art einer Nut-Feder-Verbindung, so dass einerseits eine axiale Verschiebbarkeit und andererseits eine Erhaltung der drehfesten Verbindung sichergestellt ist.
-
Dies ist auch über alternative, nicht kreisförmige Querschnittsgestaltungen möglich, insbesondere mit über den gewünschten Verstellbereich gleichbleibenden Querschnittsgestaltungen. Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 ein Gleitrohr 34 dargestellt, das eine Außensechskantgeometrie aufweist, die komplementär zu einer Innensechskantgestaltung des zweiten Abtriebszahnrades 46 gestaltet ist.
-
In den 5 bis 7 sind weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Eingabemodule 10 dargestellt, wobei im Folgenden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 bis 4 verwendet werden. Soweit nicht anders beschrieben, funktionieren die einzelnen Elemente dieser Eingabemodule 10 so wie vorstehend beschrieben.
-
Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist der Stellmotor 22 an einer anderen Position angeordnet, so dass nur eine erste Motorwelle 24 erforderlich ist, auf welcher sowohl das erste Antriebszahnrad 28 als auch das zweite Antriebszahnrad 42 angeordnet sind. Dementsprechend ist nur ein Ausgang an dem Stellmotor 22 erforderlich.
-
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der Stellmotor 22 in Verlängerung der Spindel 32 angeordnet. Dadurch ist ebenfalls nur eine erste Motorwelle 24 erforderlich, die starr mit der Spindel 32 gekoppelt ist. Mittels einer Verbindungswelle 40 sind das erste Antriebszahnrad 28 und das zweite Antriebszahnrad 42 miteinander gekoppelt. Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang noch, dass das erste Antriebszahnrad 28 in dieser Ausführungsform ein Abtriebszahnrad ist, welches von dem zuvor als erstes Abtriebszahnrad 30 bezeichneten Zahnrad angetrieben wird.
-
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform ist der Stellmotor 22 auf der gegenüberliegenden Seite der Verbindungswelle 40 angeordnet.
-
Die in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen haben den Vorteil, dass je nach verfügbarem Bauraum die Anordnung jeweils so erfolgen kann, dass der verfügbare Bauraum optimal ausgenutzt wird. In allen in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen ist jeweils nur ein Ausgang, d.h. nur eine Motorwelle 24, an dem Stellmotor 22 erforderlich.
-
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Anordnung des Stellmotors 22 gemäß den 1 und 2 eine baurauminimierende Anordnung insoweit darstellt, als die benötigte Leistung des Stellmotors 22 aufgrund der Übersetzungen nur gering sein muss und der Stellmotor 22 daher selbst einen nur geringen Bauraum benötigt.
-
Bei der Anordnung gemäß 6 mit direktem Antrieb der Spindel 32 ist ein Stellmotor 22 erforderlich, der größere Drehmomente abgeben kann und daher mehr Bauraum erfordert.
-
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Eingabemodul
- 12
- Bedienelement
- 14
- Aktuator
- 16
- Lenksäule
- 18
- Mantelrohr
- 20
- Antriebselement
- 22
- Stellmotor
- 24
- erste Motorwelle
- 26
- zweite Motorwelle
- 28
- erstes Antriebszahnrad
- 30
- erstes Abtriebszahnrad
- 32
- Spindel
- 34
- Gleitrohr
- 36
- Innengewinde
- 38
- Drehmomentsensor
- 40
- Verbindungswelle
- 42
- zweites Antriebszahnrad
- 44
- Sperrelement
- 46
- zweites Abtriebszahnrad
- 48
- Schaltelement
- 50
- Rotorlagegeber
- 52
- Feder
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011110701 A1 [0002]
