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Die Erfindung betrifft einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie eine steer-by-wire-Lenkung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Durch die
DE 10 2014 206 934 A1 wurde ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Aktuator ist als sogenannter Zentralsteller, d. h. auf beide Räder einer Achse wirkend, mittig im Fahrzeug angeordnet und als Teil der Lenkung ausgebildet. Der Aktuator weist ein fahrzeugseitig und unmittelbar an einem Achsträger befestigtes Gehäuse auf, in welchem ein beidseitig wirkender Spindelantrieb angeordnet ist. Der Spindelantrieb umfasst eine längsbewegliche Spindel und eine über einen Zugmitteltrieb durch einen Elektromotor antreibbare Spindelmutter. An den aus dem Gehäuse ragenden Enden der Spindel sind Gelenkgabeln angeordnet, welche mit Lenkern, auch Spurlenkern genannt, verbunden sind. Die Spurlenker sind gelenkig mittels Radträgern mit den Hinterrädern gekoppelt. Bei längsbeweglicher, mit anderen Worten linearer Verlagerung der Spindel können die Radträger um ihre Hochachse verschwenkt und somit die Hinterräder gelenkt werden. Der Aktuator weist gehäuseseitig Befestigungspunkte auf und ist über diese unmittelbar mit einem Achsträger verschraubt. Dabei sind durch Seitenkräfte im Fahrwerk auftretende hohe Querkräfte auf die Lenkung zu berücksichtigen, welche in Längsrichtung auf die Spindel des Aktuators wirken.
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Bei bestimmten Einbausituationen ist es jedoch erforderlich, den Aktuator mittelbar mittels eines geeigneten Bauteils, z.B. eines Befestigungselements, am Fahrzeugaufbau oder am Fahrwerk, z.B. am Hinterachsträger zu befestigen. Das ist z.B. der Fall, wenn in eine bestehende Achskonstruktion ein Aktuator in den vorhandenen Bauraum integriert werden muss. In Abhängigkeit von der Richtung der auftretenden Querkräfte können dabei auf die Befestigungselemente bzw. den Aktuator derart hohe Kräfte wirken, dass es zu Relativbewegungen zwischen Aktuator und den Befestigungselementen kommen kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Befestigungssituation für einen Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung zu verbessern, wenn eine mittelbare Kopplung mit dem Fahrzeug beabsichtigt ist.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeuges mittelbar über zumindest ein Befestigungselement mit dem Fahrzeugaufbau und/oder einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs gekoppelt. Mit anderen Worten ist der Aktuator nicht unmittelbar mit dem Fahrzeugaufbau und/oder dem Fahrwerk verbunden. Vielmehr ist zum einen das Befestigungselement mit dem Fahrzeugaufbau bzw. dem Fahrwerk des Fahrzeuges verbunden. Der Aktuator wiederum ist mittels an dessen Gehäuse vorliegenden Befestigungspunkten mit dem Befestigungselement bevorzugt kraftschlüssig verbunden. Die Kopplung zwischen Aktuator und Fahrzeug wird somit durch zumindest ein zwischengeschaltetes Befestigungselement bewerkstelligt. Durch diese Art der Kopplung ist der Aktuator gegenüber dem Fahrzeugaufbau und/oder dem Fahrwerk des Kraftfahrzeugs mittelbar abgestützt. Der Aktuator weist ein Gehäuse auf, in welchem ein beidseitig wirkender Spindelantrieb angeordnet ist. Ein Rotations-Translations-Getriebe umfasst einen Spindeltrieb mit einer ortsfest in einem Gehäuse des Aktuators gelagerten Spindelmutter, welche durch einen Elektromotor antreibbar ist, und mit einer Spindel in Eingriff ist. An den Enden der Spindel sind Gelenkgabeln angeordnet, welche unmittelbar oder mittelbar mittels Lenkern mit Radträgern verbunden sind und welche in der Regel außerhalb des Gehäuses des Aktuators angeordnet sind. Bei linearer Verlagerung der Spindel werden mittels der Lenker gleichzeitig Radträger um ihre Hochachse verschwenkt und somit die Hinterräder gelenkt.
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Grundsätzlich muss jedes Rad bei einem Kraftfahrzeug geführt werden. Dieses ist sowohl für ungelenkte als auch für gelenkte Räder der Fall. Die Beibehaltung eines Verfahrweges - sei es eine Geradeausfahrt oder auch eine Kurvenfahrt - ist nur möglich, wenn sämtliche Räder ihren konstruktiv festgelegten bzw. durch eine Lenkung eingestellten Radlenkwinkel beibehalten. Die an einer oder mehreren gelenkten Achsen eingestellten Radlenkwinkel dürfen sich aufgrund von Seitenkräften nicht bzw. lediglich im für die jeweilige Achse vorgesehenen bzw. im konstruktiv festgelegten Umfang ändern. Lenkungen, also auch eine steer-by-wire-Lenkung und somit auch deren Aktuator, müssen daher radführend ausgebildet sein. Der Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung ist aus diesem Grund am Fahrzeugaufbau und/oder am Fahrwerk ortsfest abgestützt, sodass dieser auch bei auftretenden Seitenkräften seine Position nicht ändert. Eine Folge wäre, dass die steer-by-wire-Lenkung die beabsichtigten Radlenkwinkel nicht mehr korrekt halten bzw. einstellen kann.
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Treten nun hohe Seitenkräfte auf, welche zudem nicht in Verlängerung der Längsachse des Aktuators, sondern in einem spitzen Winkel und quer zur Fahrrichtung bzw. quer zur Verbindung der vorgenannten Bauteile angreifen, so kann bei Verwendung von Befestigungselementen als Zwischenglied zwischen Aktuator und Fahrzeugaufbau bzw. Fahrwerk eine übliche kraftschlüssige Kopplung des Aktuators gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. dem Fahrwerk problematisch sein. Durch die besondere Wirkrichtung auf die Gelenkgabeln des Aktuators kann sich bei hohen Kräften um zum Beispiel den in der Nähe der Gelenkgabel befindlichen Befestigungspunkt ein derart hohes Drehmoment ergeben, dass es zu einer Relativbewegung zwischen Aktuator und Befestigungselement kommt. Des Weiteren kann es zu einer bleibenden bzw. dauerhaften Positionsänderung des Aktuators gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. dem Fahrwerk kommen. Die besondere Wirkrichtung der Seitenkräfte auf die Gelenkgabeln kann sich bei hoher Beladung des Fahrzeuges ergeben. Eine weitere Möglichkeit dieser besonderen Wirkrichtung kann sich ergeben, wenn das Fahrzeug in Konstruktionslage zwar derart ausgelegt ist, dass die Seitenkräfte im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Aktuators wirken, das Fahrzeug jedoch über ein verstellbares Fahrwerk verfügt. Beispielsweise kann das Fahrzeug eine sogenannte Niveauregulierung z.B. mit verstellbaren Schwingungsdämpfern aufweisen, sodass das Fahrzeug gegenüber der Konstruktionslage stark in Richtung der Fahrbahn abgesenkt oder aber über die Konstruktionslage hinaus angehoben werden kann. Es ist offensichtlich, dass es dann zu der zuvor beschriebenen besonderen Wirkrichtung der Seitenkräfte kommen kann.
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Erfindungsgemäß ist zumindest ein Stützelement vorgesehen, welches einerseits an dem zumindest einen Befestigungselement angeordnet ist, und welches andererseits mit dem Aktuator und/oder mit dem Fahrzeugaufbau und/oder dem Fahrwerk verbunden ist. Das zusätzlich zu dem Befestigungselement eingesetzte Stützelement wirkt dem vorgenannten Drehmoment entgegen und entlastet die kraftschlüssige Verbindung des Befestigungselementes mit dem Fahrzeugaufbau bzw. Fahrwerk und somit der Kopplung des Aktuators gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. dem Fahrwerk. Eine Relativbewegung des Aktuators gegenüber dem zumindest einen Befestigungselement wird somit wirkungsvoll minimiert und eine dauerhafte Positionsänderung des Aktuators gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. dem Fahrwerk verhindert.
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Als Fahrzeugaufbau wird mit anderen Worten auch eine Karosserie verstanden. Dieser zuzurechnen ist auch ein Hilfsrahmen, welcher auch als Achsträger oder Fahrschemel bezeichnet wird. Teil des Fahrwerks kann zum Beispiel auch ein Querträger sein, an welchem der Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung mittelbar mit zumindest einem Befestigungselement gekoppelt sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Stützelement mit einem ersten Ende mit dem Befestigungselement kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist das zumindest eine Stützelement mit einem zweiten Ende kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit dem Aktuator, vorzugsweise dessen Gehäuse, und/oder dem Fahrzeugaufbau und/oder dem Fahrwerk gekoppelt. Das Stützelement kann mit dem Befestigungselement mittels einer Schraubverbindung verbunden sein. Ein zusätzlicher Formschluss zwischen Befestigungselement und Stützelement kann einer Verwindung oder einem Verdrehen der Bauteile gegeneinander entgegenwirken. Auch kann das Stützelement mittels Kleben oder Schweißen oder einer Kombination aus den vorgenannten Verfahren mit dem Befestigungselement verbunden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Stützelement mit seinem zweiten Ende mit einem gehäuseseitigen Befestigungspunkt des Aktuators gekoppelt. Die Kopplung ist bevorzugt kraftschlüssig, insbesondere als Verschraubung ausgeführt. Das Gehäuse kann aus mehreren Teilen bestehen, wobei die Teile miteinander verschraubt sind. Als Befestigungspunkt kann somit auch eine Schraubverbindung dienen, welche zum Verbinden von Gehäuseteilen des Aktuators vorgesehen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest eine Befestigungselement mit einem Stützelement einstückig ausgebildet. Vorzugsweise ist das Befestigungselement mit dem Stützelement als umgeformtes, bevorzugt tiefgezogenes Metallblechbauteil ausgebildet. Das Befestigungselement und das Stützelement können beispielsweise zunächst aus einer Blechplatine aus Stahlblech ausgestanzt und in einem weiteren Bearbeitungsschritt umgeformt werden, sodass sich daraus ein etwa U-förmiges Befestigungselement mit einer Grundplatte und orthogonal abragenden Flanschen und von zumindest einem Flansch abragenden Stützelement ergibt. Das Stützelement ragt schräg, insbesondere in einem spitzen Winkel von dem Befestigungselement ab. Die Metallblechbauteile sind bevorzugt mit einem galvanischen Überzug als Korrosionsschutz versehen, vorzugsweise aus Eisen (Fe) und Zink (Zn), bevorzugt Zink und Nickel (ZnNi). Diese Beschichtung verhindert insbesondere eine Spaltkorrosion zwischen Aktuator und den Befestigungselementen und dem Achsträger, welche bevorzugt bei der Montage gegeneinander kraftschlüssig verspannt werden. Alternativ kann eine Beschichtung aus einem kathodisch abscheidbaren Elektrotauchlack vorgesehen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator über zwei Befestigungselemente mit einem Achsträger eines Fahrwerks gekoppelt. Hierbei sind zwei Befestigungselemente über ein Stützelement miteinander verbunden. Bevorzugt bilden das Stützelement und die zwei Befestigungselemente eine Einheit und sind einstückig miteinander ausgebildet.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet. Bei einer steer-by-wire-Lenkung handelt es sich um eine Lenkung, welche mechanisch von der Lenkhandhabe, zum Beispiel einem Lenkrad, entkoppelt ist. In Abhängigkeit zumindest von Parameter wie Eingaben des Fahrers, der Fahrgeschwindigkeit, vorhandenen Längs- und Querbeschleunigungen, der Gierwinkelgeschwindigkeit und weiteren Parametern wird der einzustellende Lenkwinkel z.B. mittels eines Steuergerätes berechnet, welches dann ein Signal an den Aktuator der steer-by-wire-Lenkung abgibt, zum Beispiel über ein Bussystem, wie beispielsweise einem CAN-Bus oder Flexray, welcher letztlich die Einstellung des Radlenkwinkels vornimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Aktuator nach dem bekannten Stand der Technik,
- 2 eine weiterer Darstellung eines Aktuators nach 1
- 3 einen Aktuator mit erfindungsgemäßem Stützelement
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1 zeigt schematisch eine steer-by-wire-Lenkung 10 mit einem Aktuator 11 gemäß der
DE 10 2014 206 934 A1 , welcher an einem Achsträger 20 eines Kraftfahrzeuges befestigt ist. Die Darstellung zeigt teilweise eine Hinterachse eines Kraftzeugs in Heckansicht sowie in Fahrtrichtung. Aufgrund einer bestehenden Einbausituation im Fahrzeug ist hier kein Bauraum vorhanden, um den Aktuator 11 unmittelbar mit dem Fahrzeugaufbau oder dem Fahrwerk zu koppeln. Vorliegend ist der Aktuator 11 daher mittelbar mittels der Befestigungselemente 30, 33 mit dem Achsträger 20 gekoppelt. Die Befestigungselemente 30, 33 sind mit dem Achsträger 20 wie dargestellt mittels Schraubenverbindungen 23, 25 sowie 24, 26 verbunden. Mit seinen Befestigungspunkten 11c, 11d ist der Aktuator 11 mittels der Flansche 32, 35 jeweils kraftschlüssig mittels Verschraubung verbunden. Des Weiteren ist ein Halter 40 vorgesehen der an den Befestigungspunkten 11a, 11b mit dem Aktuator 11 verbunden ist. Der Halter 40 ist über den Befestigungspunkt 42 mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Der Aktuator 11 ist als Zentralsteller ausgebildet und verlagert axial beide Gelenkgabeln 12, 13 gleichzeitig in dieselbe Richtung, z.B. in Richtung einer (nicht dargestellten) linken Fahrzeugseite. Die mit den Gelenkgabeln 12, 13 mittels der Gelenke 12g, 13g verbundenen Lenker 14, 15 folgen dieser Bewegung und geben diese an die Gelenkgabeln 16, 17 weiter, welche jeweils über die Gelenke 16g, 17g miteinander verbunden sind. Die Gelenkgabeln 16, 17 sind wiederum mit nicht dargestellten Radträgern, verbunden, welche um ihre Hochachse drehbar am Fahrwerk gelagert sind. Dadurch sind die Räder lenkbar, welche an den Radträgern einer Achse drehbar gelagert sind (Radträger und Räder sind hier nicht dargestellt). In Richtung der Längsachse a des Aktuators 11 greifen Querkräfte F
q aufgrund der Seitenkräfte im Fahrwerk an den Aktuator 11 an. Verlaufen die Querkräfte F
q wie hier dargestellt parallel zur Längsachse des Aktuators 11, so kann die dargestellte Kopplung des Aktuators 11 mit dem Achsträger 20 in der dargestellten Form ausreichend sein, sodass durch die Seitenkräfte keine Verlagerung des Aktuators gegenüber den Befestigungselementen 30, 35 oder dem Achsträger erfolgt.
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2 zeigt im Vergleich zur 1 eine Situation, in der Querkräfte Fe nicht parallel, sondern schräg zur Längsachse a des Aktuators 11 und quer zur Fahrrichtung verlaufen. Dieses kann beispielsweise beim Beladen des Fahrzeugs durch Einfedern oder durch Absenken des Fahrzeugs aufgrund verstellbarer Schwingungsdämpfer erfolgen. Die Kraft Fe wirkt nun schräg über das Gelenk 12g, 13g auf die Gelenkgabeln 12, 13 und somit auf den Aktuator 11. Es wird nachfolgend beispielhaft nur die Wirkung für die linke Seite des gezeigten Fahrwerksbereichs erläutert. Es ergibt sich aufgrund der linken Kraft Fe ein bezüglich des Befestigungspunktes 11c anliegendes Drehmoment Me (siehe Pfeil) auf den Aktuator 11. Trotz der Kopplung des Aktuators 11 mit dem Achsträger 20 mittels des Befestigungselements 30 und des Halters 40 kann es zumindest zu einer Relativbewegung des Befestigungselementes 30 gegenüber dem Aktuator 11 kommen, weil die kraftschlüssige Verbindung in dem Befestigungspunkt 11c der linksseitigen Kraft Fe bzw. dem sich daraus ergebenden Moment Me ggfs. nicht standhalten kann. Der Aktuator bleibt damit gegenüber dem Achsträger 20 und auch gegenüber der Befestigungselemente 30, 33 dauerhaft nicht in seiner Position.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit 2 Stützelementen 38, 39. Die Stützelemente sind jeweils mit den Befestigungselementen 30, 33 verbunden. Das Stützelement 38, linksseitig dargestellt, ist zum einen mit dem Befestigungselement 30 einstückig verbunden. Zum anderen ist das Stützelement 38 mit seinem Ende mit dem Befestigungspunkt 11a kraftschlüssig verbunden. Analog verhält es sich mit dem Stützelement 39 (rechtsseitig dargestellt), welches zum einen mit dem Befestigungselement 33 und mit seinem Ende mit dem Befestigungspunkt 11b verbunden ist. Die Abstützung durch die Stützelemente 38, 39 erfolgt letztlich fahrzeugaufbauseitig, da hier der Halter 40 mit dem Fahrzeugaufbau mittels des Befestigungspunktes 42 verbunden ist. Die Stützelemente 38, 39 wirken dem zu 2 aufgezeigten Drehmoment Me entgegen, wodurch die kraftschlüssige Verbindung in den Befestigungspunkten 11c, 11d entlastet wird. Somit wird wirksam eine Relativbewegung und schlussendlich eine dauerhafte Änderung der Lage zwischen Aktuator 11 und Befestigungselementen 30, 33 verhindert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Steer-by-wire-Lenkung
- 11
- Aktuator
- 11a
- Befestigungspunkt
- 11b
- Befestigungspunkt
- 11c
- Befestigungspunkt
- 11d
- Befestigungspunkt
- 12
- Gelenkgabel
- 12g
- Gelenk
- 13
- Gelenkgabel
- 13g
- Gelenk
- 14
- Lenker
- 15
- Lenker
- 16
- Gelenkgabel
- 16g
- Gelenk
- 17
- Gelenkgabel
- 17g
- Gelenk
- 20
- Achsträger
- 21
- Aufnahme
- 22
- Aufnahme
- 23
- Schraubverbindung
- 24
- Schraubverbindung
- 25
- Schraubverbindung
- 26
- Schraubverbindung
- 30
- Befestigungselement
- 32
- Flansch
- 33
- Befestigungselement
- 35
- Flansch
- 38
- Stützelement
- 39
- Stützelement
- 40
- Halter
- 42
- Befestigungspunkt
- a
- Längsachse
- Fq
- Querkraft
- Fe
- Querkraft
- Me
- Drehmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206934 A1 [0002, 0017]
