DE102019211644A1

DE102019211644A1 - Lenksystem mit Lenkgefühlsvermittlungseinheit

Info

Publication number: DE102019211644A1
Application number: DE102019211644.2A
Authority: DE
Inventors: Kristijan Tarandek; Hans-Jörg Fleigel; Josko Kurbasa
Original assignee: Mando Corp
Current assignee: HL Mando Corp
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2021-02-04
Also published as: WO2021025345A1; KR20220027223A; US20220324506A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem (1) für ein Fahrzeug, wobei das Lenksystem (1) umfasst:
- eine Lenkeinheit (2), die ein Lenkrad (3) umfasst;
- eine Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) zur Erzeugung einer Lenkreaktionskraft, wenn das Lenkrad (3) gedreht wird, wobei die Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) umfasst:
mindestens eine Feder (11, 12, 13, 14), die mit dem Lenkrad (3) gekoppelt ist, und einen Stellantrieb (6) zum Ändern einer Federbelastung und/oder einer Federsteifigkeit der mindestens einen Feder.
Das Lenksystem (1) umfasst ferner:
- einen Positionssensor (7) zum Messen einer Winkelposition des Lenkrads (3) und/oder einen Geschwindigkeitssensor (8) zum Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit; und
- eine Steuereinheit (10) zum Steuern des Stellantriebs (6), wobei die Steuereinheit (10) funktionsmäßig mit dem Stellantrieb (6) und mit dem Positionssensor (7) und/oder dem Geschwindigkeitssensor (8) gekoppelt ist, wobei der Stellantrieb (6) dafür ausgelegt ist, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit abhängig von der Winkelposition des Lenkrads (3) und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug mit einer Lenkgefühlsvermittlungseinheit. Insbesondere kann das Lenksystem Teil eines Steer-by-Wire-Systems sein.
In herkömmlichen Lenksystemen für ein Fahrzeug, wie etwa manuellen oder Servo-Lenksystemen, ist das Lenkrad durch einen bestimmten Mechanismus, wie etwa ein Zahnstange-Ritzel-Subsystem, mechanisch mit den Laufrädern gekoppelt. Diese Systeme können inhärente Nachteile aufweisen, wie etwa die Komplexität und das Gewicht der mechanischen Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Laufrädern und die begrenzte Abstimmbarkeit der Lenkungsrückmeldung.
Die Lenkungsrückmeldung ist ein erwartetes Attribut eines Fahrzeugs, basierend auf dem Vorhandensein einer Lenkungsrückmeldung in jedem Fahrzeug, in dem eine herkömmliche mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Laufrädern verwendet wird. Eine unzureichende Lenkungsrückmeldung kann dem Fahrer des Fahrzeugs das Gefühl geben, keine Verbindung mit der Straße zu haben, was in der Regel ein negatives Attribut ist.
Verschiedene Steer-by-Wire-Systeme, welche die mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Laufrädern weglassen, sind in der Technik ebenfalls bekannt. Aufgrund des Fehlens der mechanischen Kopplung fehlt diesen Systemen von Natur aus eine Lenkungsrückmeldung und sie sollten daher zusätzliche Untersysteme aufweisen, um eine ausreichende Lenkungsrückmeldung bereitzustellen. Auch wenn verschiedene Lenkungsrückmeldungslösungen für Steer-by-Wire-Systeme in der Technik bekannt sind, besteht nach wie vor ein Bedarf an einer Verbesserung der Lenkungsrückmeldung an den Fahrer des Fahrzeugs in Steer-by-Wire-Systemen. Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Lenksystems wäre es von Vorteil, wenn die Lenkungsrückmeldung auf robuste und unkomplizierte Weise bereitgestellt werden könnte. Es wäre auch von Vorteil, eine zusätzliche Lenkungsrückmeldung in herkömmlichen Lenksystemen bereitzustellen oder die Lenkungsrückmeldung in herkömmlichen Lenksystemen zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung soll zumindest eines der oben genannten Probleme lösen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, das umfasst:

eine Lenkeinheit, die ein Lenkrad umfasst; und
eine Lenkgefühlsvermittlungseinheit zur Erzeugung einer Lenkreaktionskraft, wenn das Lenkrad gedreht wird. Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit umfasst:
- mindestens eine Feder, die mit dem Lenkrad gekoppelt ist, und
- einen Stellantrieb zum Ändern einer Federbelastung und/oder einer Federsteifigkeit der mindestens einen Feder.

Das Lenksystem weist ferner auf:

einen Positionssensor zum Messen einer Winkelposition des Lenkrads und/oder einen Geschwindigkeitssensor zum Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit; und
eine Steuereinheit zum Steuern des Stellantriebs, wobei die Steuereinheit funktionsmäßig mit dem Stellantrieb und mit dem Positionssensor und/oder dem Geschwindigkeitssensor gekoppelt ist. Der Stellantrieb ist dafür ausgelegt, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit abhängig von der Winkelposition des Lenkrads und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern.

Durch Ändern der Federbelastung und/oder der Federsteifigkeit gemäß Anspruch 1 kann die Lenkreaktionskraft auf Basis einer tatsächlichen Winkelposition des Lenkrads und/oder der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt werden. Somit kann der Widerstand der Federn gegenüber einer Lenkbetätigung durch die Steuereinheit und den Stellantrieb dynamisch variiert werden. Darüber hinaus weist die Lenkgefühlsvermittlungseinheit nach Anspruch 1 ein relativ unkompliziertes Design auf und kann auf relativ robuste Weise hergestellt werden.
Der Begriff „Lenkreaktionskraft“ kann ein Lenkgefühl oder eine Lenkungsrückmeldung für den Fahrer des Fahrzeugs bezeichnen. Anstelle von Lenkreaktionskraft kann auch der Begriff Lenkreaktionsdrehmoment verwendet werden. Das beanspruchte Lenksystem kann Teil eines Steer-by-Wire-Systems sein. Jedoch kann das Lenksystem nach Anspruch 1 auch in herkömmlichen manuellen oder Servo-Lenksystemen implementiert werden, die eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Laufrädern verwenden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Stellantrieb so ausgelegt, dass der Stellantrieb die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit so ändert, dass die Lenkreaktionskraft zunimmt, wenn der Lenkwinkel zunimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Stellantrieb so ausgelegt, dass der Stellantrieb die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit so ändert, dass die Lenkreaktionskraft abnimmt, wenn der Lenkwinkel abnimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Zum Beispiel kann der Stellantrieb dafür ausgelegt sein, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit während und/oder vor und/oder nach einer Lenkungsaktion zu ändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Lenksystem mindestens einen zusätzlichen Sensor zum Abtasten einer weiteren Lenkbedingung und/oder einer Fahrzeugbedingung und/oder einer Straßenbedingung. Der Sensor kann funktionsmäßig mit der Steuereinheit gekoppelt sein. Der Stellantrieb kann dafür ausgelegt sein, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit abhängig von Signalen des zusätzlichen Sensors zu ändern. Der zusätzliche Sensor kann beispielsweise ein Lenkungssensor, wie etwa ein Drehmomentsensor, ein Fahrzeugsensor oder ein Straßensensor sein.
Die Lenkeinheit kann über einen Kopplungsmechanismus mechanisch mit der Lenkgefühlsvermittlungseinheit gekoppelt sein. In manchen Fällen umfasst die Lenkeinheit eine Lenkwelle, die mit dem Lenkrad gekoppelt ist. In diesem Fall kann der Positionssensor dafür ausgelegt sein, eine Winkelposition der Eingangswelle zu messen. Die Lenkeinheit kann mechanisch mit dem Kopplungsmechanismus gekoppelt sein, so dass eine Drehbewegung des Lenkrads in eine Translationsbewegung des Kopplungsmechanismus oder eine Drehbewegung des Kopplungsmechanismus umgewandelt wird.
Das Lenksystem kann ein erstes Kraftübertragungselement und/oder ein erstes Drehmomentübertragungselement zum Koppeln des Lenkrads mit der mindestens einen Feder umfassen. Somit ermöglicht das erste Kraft- oder Drehmomentübertragungselement eine Übertragung einer Federkraft oder eines Drehmoments auf das Lenkrad und umgekehrt. Das Lenksystem kann außerdem ein zweites Kraftübertragungselement und/oder ein zweites Drehmomentübertragungselement zum Koppeln des Stellantriebes mit der mindestens einen Feder umfassen. Somit ermöglicht das zweite Kraft- oder Drehmomentübertragungselement eine Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments vom Stellantrieb auf die Feder und umgekehrt. Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Feder zwischen zwei bewegbaren Kraftübertragungselementen oder Drehmomentübertragungselementen angeordnet ist. Das erste Kraft- oder Drehmomentübertragungselement kann durch Betätigung des Lenkrads bewegbar sein. Ferner kann das zweite Kraft- oder Drehmomentübertragungselement durch Betätigung des Stellantriebs bewegbar sein. Abhängig von der Beschaffenheit der gekoppelten Feder kann das Kraft- oder Drehmomentübertragungselement durch Verschieben oder Drehen bewegbar sein.
In manchen Ausführungsformen weist die mindestens eine Feder eine nicht-lineare Federrate auf. Dies kann die Bereitstellung einer Lenkreaktionskraft, die mit einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit oder des Lenkwinkels zunimmt, oder die Bereitstellung einer Lenkreaktionskraft, die mit einer Abnahme der Fahrzeuggeschwindigkeit oder des Lenkwinkels abnimmt, unterstützen. Zum Beispiel kann abhängig von der Ausgestaltung des Systems die Federrate der mindestens einen Feder progressiv oder degressiv sein. Alternativ kann die Federrate der mindestens einen Feder zumindest im Betriebsbereich der jeweiligen Feder linear sein. Mindestens zwei Federn können unterschiedliche Federraten aufweisen. Die mindestens eine Feder kann für verschiedene Arten von Belastungen entworfen sein, wie etwa eine Zugbelastung und/oder für eine Druckbelastung und/oder eine Torsionsbelastung und/oder eine Scherbelastung und/oder eine Biegebelastung. Die mindestens eine Feder kann eine Schraubenfeder (Sprungfeder), eine Tellerfeder, eine Torsionsfeder, eine Spiralfeder oder eine andere geeignete Feder sein.
Vorzugsweise spannt die mindestens eine Feder das Lenkrad in dessen mittlere Position vor, in der die Winkelposition des Lenkrads null ist. Optional wird die mindestens eine Feder in der mittleren Position des Lenkrads vorbelastet.
Gemäß einer Implementierungsform weist die Lenkgefühlsvermittlungseinheit mindestens zwei Federn auf.
In manchen Fällen sind mindestens zwei Federn einander entgegenwirkende Federn, die auf einander entgegengesetzten Seiten des ersten Kraftübertragungselements oder des ersten Drehmomentübertragungselements angeordnet sind.
Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit kann eine erste Vielzahl von Federn und eine zweite Vielzahl von Federn umfassen. Die erste Vielzahl von Federn kann die gewünschte Lenkreaktionskraft im Wesentlichen bereitstellen, wenn das Lenkrad nach links gedreht wird, während die zweite Vielzahl von Federn die gewünschte Lenkreaktionskraft im Wesentlichen bereitstellen kann, wenn das Lenkrad nach rechts gedreht wird. Zum Beispiel kann die erste Vielzahl von Federn auf einer ersten Seite des ersten Kraft- oder Drehmomentübertragungselements angeordnet sein und kann die zweite Vielzahl von Federn auf einer zweiten Seite des ersten Kraft- oder Drehmomentübertragungselements angeordnet sein. Die Ausgestaltung der Federn (z.B. die Zahl der Federn, die Federraten, die Materialien) kann auf beiden Seiten des ersten Kraftübertragungselements oder des ersten Drehmomentübertragungselements symmetrisch sein.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Federn in Reihe auf derselben Seite des ersten Kraftübertragungselements oder des ersten Drehmomentübertragungselements angeordnet. Zum Beispiel sind mindestens zwei Federn in Reihe zwischen dem ersten Kraft- oder Drehmomentübertragungselement und dem zweiten Kraft- oder Drehmomentübertragungselement angeordnet. Die Federn, die in Reihe auf derselben Seite des ersten Kraft- oder Drehmomentübertragungselements angeordnet sind, können unterschiedliche Federraten aufweisen. Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit kann einen Anschlag aufweisen, der zwischen den Federn angeordnet ist, die in Reihe angeordnet sind, um die Federbelastung von mindestens einer von den Federn zu begrenzen. Durch Begrenzen der Last von mindestens einer der Federn, die in Reihe verbunden sind, kann die effektive Federrate des Systems abgestimmt werden. Der Anschlag kann bewegbar, z.B. verschiebbar an einer Welle angeordnet sein. Die Welle kann die oben genannte Lenkwelle oder eine andere Welle sein. Eine axiale Bewegung des Anschlags kann durch ein an der Welle angeordnetes Anstoßelement begrenzt werden.
In verschiedenen Implementierungen umfasst die Lenkgefühlsvermittlungseinheit mindestens einen Dämpfer zum Dämpfen der Bewegung des Lenkrads. Der Dämpfer kann ein strömungsmechanischer oder ein elektromechanischer Dämpfer sein. Der Dämpfer kann so ausgelegt sein, dass Dämpfungskräfte mit einem zunehmenden Lenkradwinkel zunehmen.
Das Lenksystem kann ferner einen Versetzungsmechanismus zum Versetzen der Lenkgefühlsvermittlungseinheit und/oder der Lenkeinheit umfassen.
Verschiedene Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen klar werden, wenn diese vor dem Hintergrund der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
Gezeigt sind in

1 eine schematische Skizze eines Lenksystems;
2 mehrere Beziehungen zwischen Fahrzeuggeschwindigkeiten und Lenkradwinkel;
3 mehrere Beziehungen zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkradwinkel und Lenkraddrehmoment;
4 eine schematische Skizze eines weiteren Lenksystems.

Im Folgenden werden sich wiederholende und ähnliche Merkmale in dieser und in den folgenden Abbildungen mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
1 zeigt eine schematische Skizze eines Beispiels für ein Lenksystem 1 zur Verwendung in einem Straßenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Lenksystem 1 umfasst eine Lenkeinheit 2 mit einem Lenkrad 3 und einer Lenkwelle 4, die drehfähig am Lenkrad 3 fixiert ist.
Das Lenksystem 1 kann Teil eines Steer-by-Wire-Lenksystems sein, in dem das Lenkrad 3 mechanisch von den Laufrädern entkoppelt ist. Das Lenksystem kann auch eine Laufradbetätigungseinheit (nicht gezeigt) zum Abstimmen mindestens eines Laufrads umfassen. Das Lenksystem 1 kann ein mechanisches Sicherungssystem für den Fall sein, dass das Steer-by-Wire-System einen Defekt hat. Das mechanische Sicherungssystem kann eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad 3 und den Laufrädern umfassen, das im Falle eines Defekts des Steer-by-Wire-Systems aktiviert wird. Ein typisches mechanisches Sicherungssystem kann eine Zahnstange umfassen und findet sich im US-Patent Nr. 9,764,760 B2 .
Alternativ dazu kann das Lenksystem 1 Teil eines herkömmlichen Lenksystems sein, in dem das Lenkrad 3 mechanisch mit den Laufrädern (nicht gezeigt) gekoppelt ist.
Ein Positionssensor 7 misst eine Winkelposition des Lenkrads während des Betriebs des Lenksystems. Zum Beispiel kann ein Umfangsabschnitt der Welle 4 einen magnetisierten Abschnitt mit einem Nordpol und einem Südpol umfassen. Der Winkelpositionssensor 7 kann das Magnetfeld messen, um die Winkelposition der Welle 4 und somit die des Lenkrads 3 zu bestimmen. Die Auflösung des Sensors 7 kann 2° oder 1° oder sogar noch genauer sein.
Ferner ist ein Geschwindigkeitssensor 8 zum Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen. Zum Beispiel misst der Geschwindigkeitssensor 8 die Zahl der Umdrehungen der Laufräder pro Zeiteinheit. Ein herkömmlicher Geschwindigkeitssensor 8 kann zum Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden.
Sowohl der Positionssensor 7 als auch der Geschwindigkeitssensor 8 sind funktionsmäßig mit einer Steuereinheit 10 gekoppelt. Die Steuereinheit 10 empfängt Signale oder Daten von den Sensoren 7, 8 und ist dafür ausgelegt, diese zu verarbeiten, zu interpretieren, zu analysieren und/oder zu speichern. Die Steuereinheit 10 kann eine Lenksystemsteuereinheit sein, die dedizierte Software und Hardware aufweist, um das Lenksystem 1 und etwaige Untersysteme davon zu steuern. In anderen Ausführungsformen ist die Steuereinheit 10 Teil der ECU des Fahrzeugs. Die Steuereinheit 10 ist außerdem funktionsmäßig mit der Laufradbetätigungseinheit verbunden.
Auf Basis der Signale dieses Positionssensors 7 berechnet die Steuereinheit 10 eine Laufrad-Solllenkposition und sendet ein entsprechendes Signal an die Laufradbetätigungseinheit zum Drehen (Lenken) der Laufräder. Die Änderungsrate der Laufradlenkposition in Bezug auf die Änderungsrate der Lenkrad-Sollposition kann ein virtuelles Übersetzungsverhältnis definieren. Das virtuelle Übersetzungsverhältnis kann mit der vom Geschwindigkeitssensor 8 gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit variabel sein. Das virtuelle Übersetzungsverhältnis kann so angewendet werden, dass das Lenkrad 3 für eine volle Drehung der Laufräder in einer Richtung um weniger als 180 Grad oder weniger als 90 Grad gedreht werden muss. Dies ermöglicht die Verwendung eines einfachen und kompakten Positionssensors 7, der nicht für Lenkraddrehungen von mehr als insgesamt 360 Grad oder 180 gestaltet ist. Anders ausgedrückt musst die Zahl der Umdrehungen der Welle 4 nicht bestimmt werden.
Wegen des Fehlens der mechanischen Kopplung zwischen den Laufrädern und dem Lenkrad ist eine Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 vorgesehen, um eine Lenkreaktionskraft (eine Lenkungsrückmeldung) zu erzeugen, wenn das Lenkrad 3 gedreht wird.
Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 umfasst eine Vielzahl von Federn 11, 12, 13, 14, die mechanisch mit dem Lenkrad 3 gekoppelt sind. Vorzugsweise spannen die Federn 11, 12, 13, 14 das Lenkrad 3 zu dessen mittlerer Position vor, in der die Winkelposition des Lenkrads null ist. In der mittleren Position des Lenkrads fährt das Fahrzeug entlang einer geraden Linie. Ferner kann die Laufradbetätigungseinheit eine Ruhestellung einnehmen, wenn das Lenkrad seine mittlere Position einnimmt. Die Federn 11, 12, 13, 14 stellen eine Lenkungsrückmeldung an den Fahrer des Fahrzeugs bereit, wenn das Lenkrad 3 von seiner mittleren Position zu einer Winkelposition gedreht wird, die größer ist als null.
Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 weist ferner einen Stellantrieb 6 auf, der funktionsmäßig mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Die Steuereinheit 10 steuert und aktiviert den Stellantrieb 6 auf Basis der Signale oder Daten der Sensoren 7, 8. Der Stellantrieb 6 ist dafür ausgelegt, eine tatsächliche Federbelastung und/oder eine tatsächliche Federsteifigkeit der Federn 11, 12, 13, 14 abhängig von der Winkelposition des Lenkrads 3, die vom Positionssensor 7 gemessen wird, und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit, die vom Geschwindigkeitssensor 8 gemessen wird, zu ändern. Der Stellantrieb 6 kann einen Sensor umfassen, der mit der Steuereinheit 10 verbunden ist, um einen Betriebszustand des Stellantriebs zu erfassen.
Genauer ist der Stellantrieb 6 so ausgelegt, dass der Stellantrieb 6 die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit der Federn 11, 12, 13, 14 so ändert, dass die Lenkreaktionskraft steigt, wenn der Lenkwinkel α zunimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Ferner ändert der Stellantrieb 6 die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit so, dass die Lenkreaktionskraft abnimmt, wenn der Lenkwinkel α abnimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt.
Die Federn 11, 12, 13, 14 können für eine Zugbelastung und/oder für eine Druckbelastung und/oder eine Torsionsbelastung und/oder eine Scherbelastung und/oder eine Biegebelastung entworfen sein. In der gezeigten Ausführungsform sind die Federn 11, 12, 13, 14 für eine Druckbelastung und eine Zugbelastung entworfen. Die Federn 11, 12, 13, 14 könne nicht-lineare Federraten (manchmal als Federcharakteristik bezeichnet) aufweisen. In dem gezeigten Beispiel weisen die Federn 11, 12, 13, 14 progressive Federraten auf. In alternativen Ausführungsformen weisen die Federn degressive Federraten oder lineare Federraten auf. Optional wird jede von den Federn 11, 12, 13, 14 in der mittleren Position des Lenkrads 3 vorbelastet.
Die Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 kann ein erstes Kraftübertragungselement 15 umfassen. Auf beiden Seiten des ersten Übertragungselements 15 sind ein zweites Kraftübertragungselement 19 und ein mechanischer Anschlag 16 bereitgestellt. Die Federn 11, 12, 13, 14, das erste und das zweite Kraftübertragungselement 15, 19 und die Anschläge 16 sind bewegbar, z.B. verschiebbar, an der Welle 4 angeordnet. Die Federn 11, 12 und die Federn 13, 14 sind einander entgegenwirkende Federn, die auf einander entgegengesetzten Seiten des ersten Kraftübertragungselements 15 angeordnet sind. Das heißt, wenn die Federn 11, 12 komprimiert werden, werden die Federn 13, 14 gedehnt und umgekehrt. Zum Beispiel können die Federn 11 und 13 ein erstes Paar einander entgegenwirkender Federn bilden und die Federn 12 und 14 können ein zweites Paar einander entgegenwirkender Federn bilden.
Zum Beispiel kann der Stellantrieb 6 ein elektrischer Stellantrieb sein und kann einen Bürstenmotor M1 und ein Schneckengetriebe umfassen. Das Schneckengetriebe kann eine axial bewegbare Welle 20 mit einem Gewindeabschnitt 21 und einem geflanschten Endabschnitt 22 umfassen. Die Welle 20 ist mit dem Kraftübertragungselement 19 verbunden und erstreckt sich durch eine Öffnung desselben. Somit wird eine Drehbewegung des Motors M1 in eine lineare Bewegung eines Kraftübertragungselements 19 umgewandelt (siehe unten). Falls ein Drehmomentübertragungselement anstelle des Kraftübertragungselements 19 verwendet wird, könnte eine Drehbewegung des Motors M1 direkt mit dem Drehmomentübertragungselement gekoppelt sein.
In dem gezeigten Beispiel sind zwei Wellen 20 und zwei zweite Kraftübertragungselemente 19 vorgesehen. Durch Bewegen der zweiten Kraftübertragungselemente 19 in Richtung auf das erste Kraftübertragungselement 15 können eine Belastung, eine Vorbelastung und die Steifigkeit der Federn 11, 12, 13, 14 vom Stellantrieb 6 aktiv angepasst werden.
Das Kraftübertragungselement 15 ist Teil eines Kopplungsmechanismus 17 zum mechanischen Koppeln des Lenkrads 3 mit der Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5. In 1 ist ein Rotations-Translations-Kopplungsmechanismus 17 gezeigt. Zum Beispiel kann die Lenkwelle 4 einen Gewindeabschnitt 28 umfassen, der mechanisch mit dem ersten Kraftübertragungselement 15 gekoppelt ist. Zu diesem Zweck kann das erste Kraftübertragungselement 15 einen komplementären Gewindeabschnitt umfassen, der in den Gewindeabschnitt 28 der Lenkwelle 4 eingreift. Wenn gemäß 1 das Lenkrad 3 nach links gedreht wird (siehe den „links/rechts“-Pfeil am Lenkrad 3), wird das erste Kraftübertragungselement 15 nach links bewegt (siehe den „links/rechts“-Pfeil am ersten Kraftübertragungselement 15). Andere mechanische Kopplungen, wie etwa eine Rotations-Rotations-Kopplung zwischen der Lenkeinheit und dem ersten Kraftübertragungselement 15 oder der Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5, kommen ebenfalls in Betracht. Anstelle des Kraftübertragungselements 15 kann ein Drehmomentübertragungselement vorgesehen werden, zum Beispiel wenn Torsionsfedern in der Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 verwendet werden.
In vielen praktischen Anwendungen ist es bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten von Vorteil, eine geringere Lenkungsrückmeldung bereitzustellen als bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten. Im Gegensatz dazu kann es bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten vorteilhaft sein, eine höhere Lenkreaktionskraft bereitzustellen als bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten. In 1 sind zwei Beispiele für Fahrzeuggeschwindigkeiten, v1 und v2, angegeben, wobei v1 eine erste Fahrzeuggeschwindigkeit ist (z.B. 0-20 km/h) ist und v2 eine zweite Fahrzeuggeschwindigkeit ist (z.B. 100-200 km/m), die höher ist als die erste Fahrzeuggeschwindigkeit v1.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Beschreibung der rechte Teil von 1 beschrieben. Wenn der Geschwindigkeitssensor 8 die hohe Fahrzeuggeschwindigkeit v2 misst, wird der Motor M1 nach rechts gedreht. Dies hat die Wirkung, dass sich das zweite Kraftübertragungselement 19 zum ersten Übertragungselement 15 bewegt, wodurch die Federn 11 und 12 komprimiert werden und ihre Federbelastungen und ihre Federsteifigkeit erhöht werden. Auf ähnliche Weise werden die Federn 13 und 14 durch Bewegen des linken Kraftübertragungselements 19 zum ersten Kraftübertragungselement 15 komprimiert.
Falls der Fahrer entscheidet, das Lenkrad 3 nach rechts zu bewegen, wird das erste Kraftübertragungselement 15 zum zweiten Kraftübertragungselement 19 bewegt. Wenn die Federbelastung und die Federsteifigkeit der kombinierten Federn 11, 12 erhöht werden, nimmt der Fahrer bei der höheren Fahrzeuggeschwindigkeit v2 eine höhere Lenkreaktionskraft wahr.
Falls dagegen der Geschwindigkeitssensor 8 die niedrige Fahrzeuggeschwindigkeit v1 misst, wird der Motor M1 nach links gedreht. Dies hat die Wirkung, dass die zweiten Kraftübertragungselemente 19 vom ersten Übertragungselement 15 weg bewegt werden, wodurch die Federn 11, 12 und 13, 14 in Längsrichtung gedehnt werden und ihre Federbelastungen und ihre Federsteifigkeit verringert werden. Falls der Fahrer entscheidet, das Lenkrad 3 nach rechts zu bewegen (siehe den Pfeil am Lenkrad 3), wird das erste Kraftübertragungselement 15 zum zweiten Kraftübertragungselement 19 bewegt (siehe den Pfeil am ersten Kraftübertragungselement 15). Wenn die Federbelastung und die Federsteifigkeit der kombinierten Federn 11, 12 gesenkt werden, nimmt der Fahrer bei der höheren Fahrzeuggeschwindigkeit v1 eine geringere Lenkreaktionskraft wahr als bei der Fahrzeuggeschwindigkeit v2.
3 zeigt mehrere bevorzugte Beziehungen zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel α und Lenkreaktionskraft, wobei die Lenkreaktionskraft in Nm (Lenkreaktionsdrehmoment) angegeben wird. In 2 sind drei Beziehungen zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkradwinkel gezeigt. 2 gibt an, dass der Lenkwinkel α durch die Verwendung einer kleineren Lenkreaktionskraft bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten mittels des Lenksystems von 1 verkleinert werden kann.
In anderen Beispielen können pneumatische und/oder hydraulische Stellantriebe verwendet werden. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Stellantrieb oder Betätigungsmechanismus begrenzt ist, solange der Stellantrieb die Belastung, die Vorbelastung und die Steifigkeit mindestens einer Feder, wie der Federn 11, 12, 13, 14, aktiv verändern kann.
Das Kraftübertragungselement 19 koppelt den Stellantrieb 6 an die Federn 12, 14. Abhängig vom Stellantrieb und den Federn kann in alternativen Ausführungsformen ein Drehmomentübertragungselement anstelle des Kraftübertragungselements 19 verwendet werden.
Die Anschläge 16 sind bewegbar an der Welle 4 angeordnet. Eine axiale Bewegung der Anschläge 16 kann von einem ersten Flansch 18 beschränkt werden, der sich radial von einem Umfang der Welle 4 aus erstreckt. Ferner wird eine axiale Bewegung des zweiten Kraftübertragungselements 19 von einem zweiten Flansch 26 beschränkt, der sich radial von einem Umfang der Welle 4 aus erstreckt.
Jede von den Federn 11, 13 ist zwischen dem ersten Kraftübertragungselement 15 und einem der mechanischen Anschläge 16 angeordnet, um eine Belastung der Federn 11, 13 zu begrenzen. Die Federn 11, 13 stoßen sowohl am Kraftübertragungselement 15 als auch am Anschlag 16 an. Jede von den Federn 12, 14 ist zwischen dem zweiten Kraftübertragungselement 19 und einem der mechanischen Anschläge 16 angeordnet. Die Federn 12, 14 stoßen sowohl am Kraftübertragungselement 19 als auch am Anschlag 16 an.
Wie gezeigt, sind die Federn 11, 12 und die Federn 13, 14 in Reihe auf beiden Seiten des ersten Kraftübertragungselements 15 angeordnet. Im Allgemeinen weisen die Federn 11, 13 die gleiche Federrate auf, die als erste Federrate k₁ gekennzeichnet ist. Ferner können die Federn 12, 14 die gleiche Federrate aufweisen, die als zweite Federrate k₂ abgebildet ist. Zum Beispiel kann die äquivalente Federrate k_eq auf der rechten Seite des Kraftübertragungselements 15 mittels der Gleichung 1/k_eq = 1/k₁ + 1/k₂ bestimmt werden, wobei k₁ und k₂ die erste bzw. die zweite Federrate sind. Man beachte, dass die äquivalente Federrate des Gesamtsystems eine komplexere Form aufweist. Die erste Federrate und die zweite Federrate weichen voneinander ab. Vorzugsweise ist bei einer bestimmten ausgeübten Kraft die erste Federrate k₁ kleiner als die zweite Federrate k₂. Aus diesem Grund werden bei einer Lenkaktion die Federn 11, 13 in einem größeren Maß komprimiert als die Federn 12, 14. Dies hat die Wirkung, dass das erste Kraftübertragungselement 15 während einer Lenkaktion und bei einem bestimmten Lenkwinkel des ersten Kraftübertragungselements 15 am mechanischen Anschlag 16 anstößt. Somit wird eine weitere Kompression der Federn 11, 13 vom Anschlag 16 begrenzt. Infolgedessen kann die äquivalente Federrate auf einer Seite des ersten Kraftübertragungselements 15 k_eq bei diesem bestimmten Lenkwinkel und bei höheren Lenkwinkeln allein durch die Feder 12 (oder die Feder 14) annähernd bestimmt werden. Im Allgemeinen kann dies zu einer höheren Lenkreaktionskraft bei größeren Lenkwinkeln beitragen.
Zusätzlich zu Sensoren 7, 8 kann das Lenksystem 1 mindestens einen zusätzlichen Sensor 9 zum Erfassen einer Lenkbedingung und/oder einer Fahrzeugbedingung und/oder einer Straßenbedingung umfassen. Der Sensor 9 ist funktionsmäßig mit der Steuereinheit 10 gekoppelt. Sensorsignale oder Sensordaten des Sensors 9 können verwendet werden, um den Stellantrieb zu steuern, um die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit anzupassen.
Somit kann der Stellantrieb 6 für eine mit einer Lenkungsbedingung in Beziehung stehende Rückmeldung, für eine mit einer Straßenbedingung (z.B. einer Straßenoberfläche) in Beziehung stehende Lenkungsrückmeldung oder für eine mit einer Fahrzeugbedingung in Beziehung stehende Lenkungsrückmeldung auf eine solche Weise verwendet werden, dass plötzliche Kraftänderungen, die vom Sensor 9 gemessen werden, auf Lenkungsrückmeldungsänderungen am Lenkrad 3 übertragen werden.
Beispiele für den mindestens einen weiteren Sensor 9 enthalten einen Drehmomentsensor, der an der Lenkwelle 4 angeordnet ist, einen Fahrzeug-Lateralbeschleunigungssensor und einen Fahrzeug-Gierratensensor, der vorzugsweise ein Lenkungsdrehmoment, eine Fahrzeug-Lateralbeschleunigung bzw. eine Fahrzeug-Gierrate erfasst. Die Fahrzeug-Lateralbeschleunigung und die Fahrzeug-Gierrate sind bevorzugte Messungen, die den aktuellen dynamischen Zustand des Fahrzeugs angeben. Der zusätzliche Sensor 9 kann auch einen Zündmodussensor, der den Zündmodus des Fahrzeugs erfasst, und einen Fahrzeugrollsensor und einen Fahrzeugnicksensor, die das Fahrzeugrollen und das Fahrzeugnicken des Fahrzeugs erfassen, enthalten.
4 zeigt eine schematische Skizze eines Beispiels für en Lenksystem 1' gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber ist das Lenkrad 3 in 4 nicht gezeigt. Die in 4 gezeigte Ausführungsform weicht von der in 1 gezeigten Ausführungsform dahingehend ab, dass eine Drehbewegung des Lenkrads 3 in eine Drehbewegung des Kopplungsmechanismus 23 umgewandelt wird. Dies kann ein kompakteres Lenksystem 1' zum Ergebnis haben. Ferner sind die Elemente 11, 12, 13, 14, 15, 16 verschiebbar an einer Welle 24 angeordnet, die von der Lenkwelle 4 verschieden ist. Man beachte, dass das Lenkrad 3 nicht drehfähig an der Welle 24 fixiert ist. Das Funktionsprinzip von zumindest den Elementen 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21, 22 des Lenksystems 1' ist den entsprechenden Elementen des oben ausführlichen Lenksystems 1 ähnlich oder gleich.
Beide Lenksysteme 1, 1' können auch mindestens einen Dämpfer 25 zum Dämpfen einer Bewegung des Lenkrads 3 enthalten. Zum Beispiel können die Dämpfer 25 strömungsmechanische oder elektromechanische Dämpfer sein. Die Dämpfer 25 können so ausgelegt sein, dass Dämpfungskräfte mit einem zunehmenden Lenkradwinkel α zunehmen.
Die Lenksysteme 1, 1' können ferner einen Versetzungsmechanismus 27 mit einem Motor M2 zum Versetzen oder Verlagern der Lenkgefühlsvermittlungseinheit 5 und/oder der Lenkeinheit (vgl. 1) umfassen. Der Versetzungsmechanismus 27 kann mechanisch oder elektromechanisch realisiert werden. Durch die Verwendung des Versetzungsmechanismus 27 kann das Lenkrad 3 in das Armaturenbrett des Fahrzeugs eingefahren oder aus diesem herausgefahren werden. Der Versetzungsmechanismus 27 kann optional für die Anpassung des Lenkrads 3 an eine Sitzposition des Fahrers verwendet werden. Der elektromechanische Versetzungsmechanismus 27 kann optional verwendet werden, um die Federbelastung/Federsteifigkeit der Federn 11, 12, 13, 14 elektromechanisch zu ändern.
In manchen Ausführungsformen kann das Lenkrad 3 in bestimmten Situationen gegen ein Drehen blockiert werden, beispielsweise um den Fahrer während des Aussteigens aus dem Fahrzeug zu unterstützen. In manchen Fällen kann der Versetzungsmechanismus 27 verwendet werden, um das Lenkrad 3 gegen ein Drehen zu blockieren.
Alle in den 1-4 gezeigten Merkmale können miteinander kombiniert werden oder können separat beansprucht werden.
Bezugszeichenliste

1: Lenkungssystem
1': Lenkungssystem
2: Lenkeinheit
3: Lenkrad
4: Lenkwelle
5: Lenkgefühlsvermittlungseinheit
6: Stellantrieb
7: Positionssensor
8: Geschwindigkeitssensor
9: Sensor
10: Steuereinheit
11: Feder
12: Feder
13: Feder
14: Feder
15: erstes Kraftübertragungselement
16: Anschlag
17: Kopplungsmechanismus
18: erster Flansch
19: zweites Kraftübertragungselement
20: Welle
21: Wellenabschnitt mit Gewinde
22: Endabschnitt mit Flansch
23: Kopplungsmechanismus
24: Welle
25: Dämpfer
26: zweiter Flansch
27: Versetzungsmechanismus
28: Abschnitt mit Gewinde
M1: Motor
M2: Motor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9764760 B2 [0026]

Claims

Lenksystem (1) für ein Fahrzeug, wobei das Lenksystem (1) umfasst: - eine Lenkeinheit (2), die ein Lenkrad (3) umfasst; - eine Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) zur Erzeugung einer Lenkreaktionskraft, wenn das Lenkrad (3) gedreht wird, wobei die Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) umfasst: ◯ mindestens eine Feder (11, 12, 13, 14), die mit dem Lenkrad (3) gekoppelt ist, und ◯ einen Stellantrieb (6) zum Ändern einer Federbelastung und/oder einer Federsteifigkeit der mindestens einen Feder; - einen Positionssensor (7) zum Messen einer Winkelposition des Lenkrads (3) und/oder einen Geschwindigkeitssensor (8) zum Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit; - eine Steuereinheit (10) zum Steuern des Stellantriebs (6), wobei die Steuereinheit (10) funktionsmäßig mit dem Stellantrieb (6) und mit dem Positionssensor (7) und/oder dem Geschwindigkeitssensor (8) gekoppelt ist, wobei der Stellantrieb (6) dafür ausgelegt ist, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit abhängig von der Winkelposition des Lenkrads (3) und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern.
Lenksystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Stellantrieb (6) so ausgelegt ist, dass der Stellantrieb (6) die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit so ändert, dass die Lenkreaktionskraft zunimmt, wenn der Lenkwinkel (α) zunimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt, und der Stellantrieb (6) die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit so ändert, dass die Lenkreaktionskraft abnimmt, wenn der Lenkwinkel (α) abnimmt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: - ein erstes Kraftübertragungselement (15) und/oder ein erstes Drehmomentübertragungselement zum Koppeln des Lenkrads (3) mit der mindestens einen Feder und/oder - ein zweites Kraftübertragungselement (19) und/oder Drehmomentübertragungselement zum Koppeln des Lenkrads (6) mit der mindestens einen Feder.
Lenksystem (1) nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei Federn (11, 13) einander entgegenwirkende Federn sind, die auf einander entgegengesetzten Seiten des ersten Kraftübertragungselements (15) oder des ersten Drehmomentübertragungselements angeordnet sind.
Lenksystem (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei mindestens zwei Federn (11, 12) in Reihe zwischen dem ersten Kraftübertragungselement (15) und dem zweiten Kraftübertragungselement (19) angeordnet sind.
Lenksystem (1) nach Anspruch 5, wobei die Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) einen Anschlag (16) aufweist, der zwischen den Federn (11, 12) angeordnet ist, die in Reihe angeordnet sind, um die Federbelastung von mindestens einer von den Federn zu begrenzen.
Lenksystem (1) nach Anspruch 6, wobei der Anschlag bewegbar an einer Welle (4) angeordnet ist und die axiale Bewegung des Anschlags (16) durch ein Anstoßelement (18), das an der Welle (4) angeordnet ist, begrenzt wird.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lenkeinheit (2) über einen Kopplungsmechanismus mechanisch mit der Lenkgefühlsvermittlungseinheit (5) gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Lenkrads (3) in eine Translationsbewegung des Kopplungsmechanismus (15) oder eine Drehbewegung des Kopplungsmechanismus umgewandelt wird.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Federn unterschiedliche Federraten aufweisen.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Feder das Lenkrad (3) zu seiner mittleren Position vorspannt, in der die Winkelposition des Lenkrads (3) null ist, und die mindestens eine Feder in der mittlere Position des Lenkrads (3) vorbelastet wird.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Feder zwischen zwei bewegbaren Kraft- oder Drehmomentübertragungselementen (15, 19) angeordnet ist, wobei das erste Kraft- oder Drehmomentübertragungselement (15) durch Betätigen des Lenkrads (3) bewegbar ist, das zweite Kraft- oder Drehmomentübertragungselement (19) durch Betätigen des Stellantriebs (6) bewegbar ist.
Lenksystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Lenksystem (1) mindestens einen zusätzlichen Sensor (9) zum Abtasten einer Fahrzeugbedingung und/oder einer Straßenbedingung umfasst, wobei der Sensor (9) funktionsmäßig mit der Steuereinheit (10) gekoppelt ist, wobei der Stellantrieb (6) dafür ausgelegt ist, die Federbelastung und/oder die Federsteifigkeit abhängig von Signalen des zusätzlichen Sensors (9) zu ändern.