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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/944,700 , eingereicht am 6. Dezember 2019, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin vollständig enthalten ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mit dem technologischen Fortschritt in der Fahrzeugindustrie werden direkte mechanische Verbindungen zwischen dem Lenkrad und den Reifen durch Steer-by-Wire- (SbW-) Baugruppen ersetzt. SbW-Baugruppen können einen Handradaktor (HWA) und einen Straßenradaktor (RWA) umfassen, die über elektrische Kommunikation (z. B. Drähte, Sensoren und eine zentrale Verarbeitungseinheit) miteinander zusammenarbeiten, um die Lenkung des Automobils zu steuern. Genauer gesagt wird die erfasste Bewegung von und zwischen Handrad und/oder Reifen durch elektrische Kommunikation zwischen dem HWA und dem RWA umgesetzt. Die jeweiligen HWA und RWA bewirken bzw. begrenzen ihrerseits die Lenkbewegung des jeweiligen Handrads und/oder der Reifen. Einige HWAs und RWAs können eine Schnecken-/Schneckenrad-Untersetzungsbaugruppe enthalten, die die Bewegung des jeweiligen Handrads und/oder der Reifen verursacht oder einschränkt. In bestimmten Fällen kann die Schnecken-/Schneckenrad-Untersetzungsbaugruppe eine einseitig gelagerte Schnecke enthalten.
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Buchsen oder Lager mit niedrigem Reibungskoeffizienten sind in erster Linie für den Einsatz in elektronischen Servolenksystemen (EPS) nach dem Stand der Technik vorgesehen, bei denen ein Unterstützungsdrehmoment aufgebracht wird.
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In EPS-Systemen ist eine reibungsarme Buchse oder ein reibungsarmes Lager von Vorteil, da es den Wirkungsgrad im EPS-System erhöht. Die reibungsarmen Buchsen oder Lager sind jedoch in SbW-Systemen, in denen typischerweise ein Gegendrehmoment verwendet wird, nicht vorteilhaft. SbW-Systeme, die solche reibungsarmen Buchsen verwenden, benötigen einen größeren Motor, um ein Gegendrehmoment aufzubringen und der Drehung eines Handrads und/oder der Reifen Widerstand entgegenzusetzen. Derzeit benötigen diese SbW-Systeme mehr Leistung und Bauraum in einem Fahrzeug. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein SbW-System, das weniger Leistung und Bauraum in einem Fahrzeug beansprucht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Lenkbaugruppe einen Elektromotor. Eine Motorwelle ist mit dem Elektromotor gekoppelt und erstreckt sich von diesem bis zu einem Ende. Die Motorwelle ist durch den Motor um eine Motorwellenachse drehbar. Ein Reibbelag ist am Ende der Motorwelle positioniert, und der Reibbelag hat einen Reibungskoeffizienten, der so konfiguriert ist, dass er einer Drehung der Motorwelle Widerstand entgegensetzt.
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Lenkbaugruppe ein Gehäuse und einen Elektromotor, der mit dem Gehäuse gekoppelt und darin angeordnet ist. Die Motorwelle ist durch den Motor um eine Motorwellenachse drehbar. Ein Reibbelag ist am Ende der Motorwelle positioniert, und der Reibbelag hat einen Reibungskoeffizienten, der so konfiguriert ist, dass er einer Drehung der Motorwelle Widerstand entgegensetzt.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung genommen mit den Zeichnungen deutlicher werden.
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Figurenliste
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Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders herausgestellt und im Einzelnen beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden, in denen:
- 1 eine Perspektivansicht eines Abschnitts einer Steer-by-Wire- (SbW-) Baugruppe ist;
- 2 eine Draufsicht auf eine Schnecken-/Schneckenrad-Baugruppe der SbW-Baugruppe ist;
- 3 ein Diagramm ist, das den Wirkungsgrad, basierend auf einem Eingangsdrehmoment, das auf eine Lenkwelle aufgebracht wird, und einem Widerstandsdrehmoment, das von einem Motor ausgegeben wird, einer SbW-Baugruppe, die eine Buchse mit einem hohen Reibungskoeffizienten verwendet, zeigt; und
- 4 ein Diagramm ist, das den Wirkungsgrad, basierend auf einem Eingangsdrehmoment, das auf eine Lenkwelle aufgebracht wird, und einem Widerstandsdrehmoment, das von einem Motor ausgegeben wird, einer SbW-Baugruppe, die eine Buchse mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten verwendet, zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Figuren wird die Erfindung nun anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben, ohne diese einzuschränken. Es ist zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich veranschaulichend für die vorliegende Offenbarung sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Verschiedene Elemente der offenbarten Ausführungsformen können kombiniert oder weggelassen werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische bauliche und funktionale Details, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und Abwandlungen davon anzuwenden.
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Die vorliegende Offenbarung bietet ein Steer-by-Wire (SbW), das weniger Leistung und Bauraum in einem Fahrzeug benötigt. SbW-Systeme, wie das hier offenbarte, stellen ein Widerstandsdrehmoment bereit, um einer Drehung z.B. einer Motorwelle eines HWAs Widerstand entgegenzusetzen. Die SbW-Baugruppe der vorliegenden Offenbarung bietet einen Vorteil gegenüber aktuellen SbW-Systemen, indem eine Buchse oder ein Lager mit einem hohen Reibungskoeffizienten oder einem Reibungskoeffizienten verwendet wird, der groß genug ist, um den Wirkungsgrad des SbW-Systems an der Buchse oder dem Lager zu verringern. Wie hier verwendet und sofern nicht anders definiert, wird der Wirkungsgrad des SbW-Systems auf der Grundlage eines Eingangsdrehmoments, das auf eine Handrad-/Handradwelle aufgebracht wird, und eines Ausgangsdrehmoments (oder Widerstandsdrehmoments), das von einem Motor auf eine Motorwelle aufgebracht wird, berechnet. Diese Verringerung des Wirkungsgrads reduziert die erforderliche Ausgangsleistung (d.h. die Leistungsaufnahme und das Drehmoment) des Motors des SbW-Systems der vorliegenden Offenbarung (siehe z.B. 3) im Vergleich zu Motoren aktueller SbW-Systeme, die Buchsen oder Lager mit niedrigem Reibungskoeffizienten verwenden (siehe z.B. 4). Durch das reduzierte Motordrehmoment und die geringere Leistungsaufnahme werden einige Komponenten des SbW-Systems weniger beansprucht. Darüber hinaus sind die kleineren Motoren, die in dem hier offengelegten SbW-System verwendet werden, vorteilhaft für die Reduzierung der Kosten und des Packraums des SbW-Systems.
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Nun unter Bezugnahme auf 1 ist ein Abschnitt einer Steer-by-Wire-(SbW-) Baugruppe oder Systems der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Konkret ist eine Lenksäulenbaugruppe der SbW-Baugruppe dargestellt und allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Lenksäulenbaugruppe 10 umfasst eine Lenkwelle 12, die an einem Ende mit einer Lenkeingabevorrichtung, wie z.B. einem Lenkrad, funktional gekoppelt ist. Die Lenksäulenbaugruppe 10 koppelt auch an einem gegenüberliegenden Ende und an eine oder mehrere Zwischenkomponenten, wie z.B. eine Handradaktor-(HWA-)Baugruppe 20 (siehe 2), die so konfiguriert sind, dass sie elektronisch mit einem Straßenradaktor (RWA) kommunizieren, um eine Bewegung der Reifen (oder Straßenräder) zu bewirken oder zu begrenzen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Lenkwelle 12 zumindest teilweise von einem oberen Mantel 14 umgeben, der sich innerhalb eines unteren Mantels 16 erstreckt. Ein Fachmann wird jedoch leicht erkennen, dass die Lenkwelle 12 jede andere Lenkwelle sein kann, die in der Technik bekannt ist oder entwickelt werden soll.
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Unter Bezugnahme auf 2 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist eine HWA-Baugruppe 20 vorgesehen, um mit Lenkeingaben von einem Bediener des Fahrzeugs zusammenzuarbeiten und somit die Fahrt des Fahrzeugs zu steuern. Insbesondere werden Lenkmanöver oder die Drehung eines Handrads durch den Bediener über die Lenksäulenbaugruppe 10 auf die HWA-Baugruppe 20 übertragen, die mit dem RWA zusammenarbeitet, um die Fahrt oder Lenkung des Fahrzeugs zu steuern. Die HWA-Baugruppe 20 umfasst eine Schnecke / ein Schneckenrad 22, die zumindest teilweise innerhalb eines ersten Gehäuses 24 angeordnet sind (1). In der dargestellten Ausführungsform ist ein Abschnitt des unteren Mantels 16 das erste Gehäuse 24, da sie ein einstückig gebildetes Teil sind. Die HWA-Baugruppe 20 umfasst auch eine Schnecke 26, die zumindest teilweise innerhalb eines zweiten Gehäuses 28 angeordnet ist, in dem auch ein elektrischer Aktor, wie z.B. ein Elektromotor 30, untergebracht ist. Obwohl die Schnecke 26 und das Schneckenrad 22 oben beschrieben und in den Figuren so dargestellt sind, dass sie sich in verschiedenen Gehäusen befinden, ist es zu verstehen, dass ein einziges Gehäuse verwendet werden kann, um in einigen Ausführungsformen sowohl die Schnecke 26 als auch das Schneckenrad 22 zumindest teilweise aufzunehmen.
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Ein in den Figuren nicht dargestellter Controller kann mit dem Motor 30 zusammenarbeiten, um den Betrieb des Motors 30 zu bewirken. Genauer gesagt können der Controller und der Motor 30 in elektrischer Kommunikation miteinander stehen, d.h. über Drähte usw. verbunden sein, wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er dem Motor 30 einen elektrischen Strom zuführt, der proportional zur Ausgangsleistung des Motors 30 ist.
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Der Elektromotor 30 umfasst eine Motorwelle, die sich während des Betriebs des Elektromotors 30 dreht. Die Motorwelle ist mit der Schnecke 26 zu einer einzigen, einheitlichen Komponente (d.h. Welle) integriert, die sich als drehbares Ausgangselement des Elektromotors 30 erstreckt. Daher können die Schnecke 26 und die Motorwelle hier auch als eine Welle bezeichnet und mit der Ziffer 26 bezeichnet sein. In bestimmten alternativen Ausführungsformen können die Schnecke 26 und die Motorwelle jedoch miteinander gekoppelt, d.h. nicht einstückig sein. Gewindegänge der Schnecke 26 sind so angeordnet, dass sie in das Schneckenrad 22 eingreifen, so dass eine Drehung der Schnecke 26 eine Drehung des Schneckenrads 22 bewirkt. Das Schneckenrad 22 ist funktional mit der Lenkwelle 12 gekoppelt, um ein Drehmoment auf die Lenkwelle 12 und damit auf das Handrad auszuüben, um dessen Drehung zu unterstützen oder zu begrenzen.
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Die Welle erstreckt sich in axialer Richtung von einem ersten Ende 34 zu einem zweiten Ende 36. Der Motorwellenabschnitt der Welle 26 befindet sich näher am ersten Ende 34 als am zweiten Ende 36. Der Schneckenabschnitt der Welle 26 befindet sich näher am zweiten Ende 36 der Welle 26. Ein erstes Lager 38 befindet sich in der Nähe des Motorwellenabschnitts der Welle 26, um die Welle 26 abzustützen. Mit anderen Worten, das erste Lager 38 ist näher am ersten Ende 34 der Welle angeordnet als das zweite Ende 36. Ein zweites Lager 40 ist axial vom ersten Lager 38 beabstandet und befindet sich weiter entfernt von dem ersten Ende 34 der Welle, verglichen mit dem Abstand zwischen der Position des ersten Lagers 38 und dem ersten Ende 34. Das zweite Lager 40 trägt einseitig das Schneckenteilstück (d.h. den Abschnitt der Welle 26 mit Gewindegängen) der Welle 26.
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Aufgrund der einseitigen Lagerung des Schneckenteilstücks der Welle 26 kann sich das zweite Ende 36 der Welle 26 als Reaktion auf die Drehung der Lenkwelle 12 oder anderer mechanischer Kräfte, die auf die HWA-Baugruppe 20 oder die Welle 26 wirken können, auslenken. Um die Auslenkung der Welle 26 zu begrenzen, ist ein Reibbelag in der Nähe oder am zweiten Ende 36 positioniert. Der Reibbelag hat einen Reibungskoeffizienten, der so konfiguriert ist, dass er einer Drehung der Welle 26 Widerstand entgegensetzt oder sie stoppt. In bestimmten Ausführungsformen und wie in den Figuren dargestellt ist, kann der Reibbelag eine Buchse 50 sein, die einen Abschnitt der Welle 26 in der Nähe des zweiten Endes 36 umgibt. Der Reibbelag kann auch ein Lager oder ein Schmiermittel mit hohem Reibungskoeffizienten sein. Zwischen der Buchse 50 und der Welle 26 kann ein Spiel vorhanden sein, um eine Überbeanspruchung der Baugruppe zu vermeiden. Das Spiel ist jedoch so abgestimmt, dass ein Kontakt zwischen der Begrenzerbuchse 50 und der Welle 26 unter normalen Betriebsbedingungen vermieden wird, jedoch ein Kontakt unter extremen Betriebsbedingungen möglich ist, um sicherzustellen, dass die Schneckenwelle 26 bei einer starken Auslenkung nicht bricht.
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Wie oben beschrieben, wird in vielen SbW-Systemen eine Buchse mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten verwendet. Bei diesen SbW-Systemen, und mit Bezug auf 4, erreicht der Wirkungsgrad des SbW-Systems einen Spitzenzustand. Insbesondere die Buchse mit niedrigem Reibungskoeffizienten hat die Funktion, die Verringerung des Wirkungsgrads der Motorwelle zu begrenzen. Im Gegenzug steigt die Arbeit des Motors proportional mit dem Eingangsdrehmoment, das auf die Handradwelle aufgebracht wird. Darüber hinaus sinkt der Wirkungsgrad des Motors 30 aufgrund der erhöhten Arbeit, was dazu führt, dass das SbW-System eine größere Leistungsaufnahme aus dem elektrischen System des Fahrzeugs benötigt und größere Motoren erforderlich sind. Um den Motor 30 bei der Begrenzung der Drehung der Lenkwelle 12 zu unterstützen und den Wirkungsgrad des Motors 30 zu erhöhen, kann der Wirkungsgrad der SbW-Baugruppe verringert werden. Insbesondere kann der Reibbelag eine Buchse 50 mit einem hohen Reibungskoeffizienten sein, die der Welle 26 einen zusätzlichen Widerstand bietet (d. h. ein zusätzliches Widerstandsmoment aufbringt), wenn sie sich auslenkt und den Reibbelag berührt. Der Reibbelag wiederum verringert den Wirkungsgrad des SbW-Systems, gemessen durch ein Eingangsdrehmoment, das auf ein Handrad aufgebracht wird, und ein Widerstandsdrehmoment, das von dem Motor auf die Motorwelle aufgebracht wird. Die Reibung kann auch ein Material mit hoher Reibung umfassen, wie z.B. ein Fett mit hoher Reibung, einen Belag oder eine andere Flüssigkeit oder ein anderes Material.
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Der Reibbelag, wie etwa die Buchse 50, kann außerdem so konfiguriert sein, dass er als Bremse, um eine Drehung zu verlangsamen oder ihr Widerstand entgegenzusetzen, oder als Anschlag wirkt. In einer solchen Ausführungsform kann der Reibungskoeffizient zwischen der Buchse 50 und der Lenkwelle 12 so konfiguriert sein, dass die relative Drehung der Lenkwelle 12 und damit des Handrads gestoppt wird, wenn die Lenkwelle 12 um eine gewünschte Strecke ausgelenkt wird. Auch hier reduziert eine solche Konstruktion die Leistung des Motors 20 und kann sogar die Leistung des Motors 20 eliminieren. Weiterhin kann der Abstand zwischen der Buchse 50 und der Schnecke der Welle 26 so konfiguriert sein, dass ein Kontakt zwischen der Buchse 50 und der Welle 26 entsteht, wenn die Welle 26 sich um eine bestimmte Strecke auslenkt. Insbesondere kann die Positionierung der Buchse 50 im Gehäuse 28, 24 variiert werden, um einen gewünschten Abstand zwischen der Buchse 50 und der Schnecke der Welle 26 zu erreichen.
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Das Hinzufügen der Buchse 50 mit einem hohen Reibungskoeffizienten ermöglicht eine größere Reduzierung der Größe des Motors 30 und der HWA-Baugruppe 20. Die Baugrößenreduzierung wird dadurch erreicht, dass die Ausgangsleistung des Motors 30 bei hohen Drehmomenten reduziert wird, was den Einsatz kleiner dimensionierter Motoren 30 ermöglicht. Die reduzierte Größe des Motors 30 führt auch zu einer Kostenreduzierung bei der Herstellung des Motors 30 und des Fahrzeugs. Außerdem bedeutet die reduzierte Größe einen geringeren Bauraum für den Motor 30 und die HWA-Baugruppe 20 im Fahrzeug.
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Obwohl das kontrollierte Spiel für die Welle 26 oben als durch die Buchse 50 erleichtert beschrieben wird, ist es zu verstehen, dass eine alternative Ausführungsform keine Buchse 50 enthält und sich stattdessen auf die Struktur des umgebenden Gehäuses und die Reibung zwischen dem Gehäuse und der Welle 26 verlässt, um denselben Effekt wie die Buchse 50 zu erzielen.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen können mit einer linearen Gleitfähigkeit der HWA-Baugruppe
20 kombiniert werden. Lineares Gleiten in der mit der Ziffer
60 bezeichneten Richtung kann die Reibung der HWA
20 weiter variieren, wie in der
US-Patentanmeldung Nr. 16/598,827 beschrieben ist, die am 10. Oktober 2019 eingereicht wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin in vollem Umfang enthalten ist.
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Obgleich die Erfindung ausführlich mit nur einer begrenzten Zahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist leicht zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist. Vielmehr kann die Erfindung abgewandelt werden, um jede Zahl von Veränderungen, Abänderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bislang nicht beschrieben wurden, die aber in den Gedanken und Umfang der Erfindung fallen, einzuarbeiten. Obgleich zusätzlich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist es zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62944700 [0001]
- US 16598827 [0021]
