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Die Erfindung betrifft einen Verstellantrieb für eine zumindest in einer axialen Längsrichtung motorisch verstellbare Lenksäuleneinheit eines Kraftfahrzeugs, mit einem in axialer Längsrichtung wirksamen Linearantrieb. Die Lenksäuleneinheit ist insbesondere Teil eines Steer-by-Wire-Lenksystems, bei dem prinzipbedingt eine mechanische Kopplung zwischen den Rädern des Fahrzeugs und einem Lenkrad nicht existiert.
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Bei herkömmlichen Lenksystemen kann über den Verstellantrieb eine Verstellung in Längsrichtung und auch ein vertikales Verschwenken des Lenkrads erreicht werden. Der Längsverstellweg beträgt hierbei regelmäßig in einem Bereich um die 60mm und in besonderen Anwendungsfällen bis zu 11 0mm. Die Verfahrgeschwindigkeit während einer Verstellung in Längsrichtung liegt etwa bei 10 bis 12mm/s. Verstellantriebe für herkömmliche Lenksystem zeigen beispielsweise die Dokumente
DE 10 2017 206 551 A1 und
DE 10 2019 201 611 A1 .
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Für ein teilautonomes oder ein autonomes Fahren werden Lenksäuleneinheiten benötigt, deren Verstellantrieb einen größeren Verstellweg, insbesondere in Längsrichtung, und eine höhere Verfahrgeschwindigkeit ermöglichen. Ein höherer Verstellweg ist erforderlich, da bei teilautonom oder autonom fahrenden Fahrzeugen das Lenkrad im Armaturenbrett verstaut werden soll. Hierbei ist die Richtung in der in das Armaturenbrett verstaut wird im Wesentlichen gleich die axiale Längsrichtung, die durch die Lenkraddrehachse beschrieben wird. Der Verstellantrieb hat folglich in erster Linie eine lineare Verstellung auszuführen, so dass der axiale Bauraum im Armaturenbrett ausreichend dimensioniert sein muss, zumal aus Gründen der Crashsicherheit ein Sicherheitsabstand zur Spritzwand eingehalten werden muss und das Lenkrad aber auch vollständig in dem Armaturenbrett versenkt sein muss. Zudem kann auch gefordert sein, dass die Lenksäuleneinheit eine größere vertikale Höhenverstellung des Lenkrades bereitstellt, um beispielsweise Kollisionen des Lenkrades mit den unteren Extremitäten einer Bedienperson zu vermeiden. Als weitere Rahmenbedingung gilt hierbei insbesondere, dass die Lenksäuleneinheit bzw. der Verstellantrieb sich in einen unveränderten Bauraum in dem Armaturenbrett einfügen müssen. Es besteht hiervon ausgehend ein Bedürfnis einen Verstellantrieb hin zu einem größeren Verstellweg und einer höheren Verfahrgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Bauraum auszulegen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die es ermöglichen einen Verstellantrieb mit größerem Verstellweg und höherer Verfahrgeschwindigkeit bereitzustellen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Verstellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Eine Ausführungsform betrifft einen Verstellantrieb für eine zumindest in einer axialen Längsrichtung A motorisch verstellbare Lenksäuleneinheit eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten einen elektromotorisch angetriebenen Trapezgewindetrieb umfassenden und in axialer Längsrichtung wirksamen Linearantrieb, einem zweiten zumindest einen ersten Anlenkhebel umfassenden Linearantrieb, wobei der zumindest eine Anlenkhebel des zweiten Linearantriebs über eines der Hebelenden mit einem linearverschieblichen Übertragungselement des Trapezgewindetriebs gelenkig verbunden ist und über ein anderes der Hebelenden zumindest mittelbar mit einer linearverschieblichen Führung der Lenksäuleneinheit verbunden ist und zwischen den beiden Hebelenden zumindest mittelbar ortsfest gelenkig angebunden ist.
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Ein größerer axialer Verstellweg des Lenkrads wird dadurch erreicht, dass zwei Linearantriebe miteinander gekoppelt werden und das bei einem vergleichbaren benötigten axialen Bauraum wie bei herkömmlichen Verstellantrieben. Strukturell betrachtet koppelt der erste Linearantrieb eine Linearbewegung in den zweiten Linearantrieb ein und der zweite Linearantrieb vergrößert die eingekoppelte Linearbewegung um einen gewissen Faktor. Es kann beispielsweise durch den zweiten Linearantrieb eine Verdoppelung der eingekoppelten Bewegung dargestellt werden. Es ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Lenksäule bzw. das Lenkrad zumindest mittelbar mit der Linearbewegung des zweiten Linearantriebs beaufschlagt wird, so dass die Lenksäule bzw. das Lenkrad wie gefordert verfährt. Für den elektromotorischen Antrieb des Trapezgewindetriebs kann ein Elektromotor vorgesehen sein. Der Trapezgewindetrieb kann beispielsweise einen linearen Verfahrweg von 60mm aufweisen. Der Trapezgewindetrieb kann mit für die noise-vibration-harshness-Problematik unkritischen niedrigen Drehzahlen verfahren werden, wobei sich das Gesamtsystem, also insbesondere das Lenkrad, schneller bewegt. Es ist zweckmäßig, wenn der erste Linearantrieb, also die Bauteile Elektromotor und Trapezgewindetrieb, auf ein höheres benötigtes Drehmoment und resultierende Axialkräfte ausgelegt wird.
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Das Hebelende des Anlenkhebels, das linearverschieblich mit dem Übertragungselement des Trapezgewindetriebs verbunden ist, kann als erstes Hebelende bezeichnet werden. Das Hebelende des Anlenkhebels, das zumindest mittelbar mit einer linearverschieblichen Führung der Lenksäuleneinheit verbunden ist, kann als zweites Hebelende bezeichnet werden.
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Die motorisch verstellbare Lenksäuleneinheit kann einen Force-Feedback-Aktuator umfassen, um hierüber ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Gegenmoment am Lenkrad zu erzeugen. Der gesamte axiale Verstellweg kann eine Mittelstellung bzw. Grundstellung haben. Die Grundstellung braucht nicht zwingend in der geometrischen Mitte zwischen den jeweiligen Endstellungen liegen. Die Lenksäuleneinheit kann elektrisch bzw. steuerungstechnisch mit einem Lenkungsaktuator verbunden sein, der seinerseits in einem Radmodul des Kraftfahrzeugs aufgenommen sein kann. Der über die Lenksäuleneinheit, insbesondere über eine mit dem Lenkrad mittelbar verbundene Eingabeeinheit, sensierte Lenkbefehl kann über den Lenkungsaktuator in ein Lenkmoment zum winkligen Stellen des Radmoduls einschließlich des Rades übersetzt werden. Der Verstellantrieb kann eine linearverschiebliche Führung der Lenksäuleneinheit umfassen beziehungsweise der Verstellantrieb kann mit der Lenksäuleneinheit sich als gemeinsames Bauteil eine linearverschiebliche Führung teilen, so dass der Kraftfluss zum Längsverstellen des Lenkrades von dem zweiten Linearantrieb auf die linearverschiebliche Führung und weiter zum Lenkrad geleitet werden kann.
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Der zweite Linearantrieb kann über den zumindest einen Anlenkhebel eine einfache Hebelkinematik bereitstellen. Hierbei sind verschiedene Formen für den Anlenkhebel denkbar. Beispielsweise kann der Anlenkhebel gerade oder auch L-förmig ausgeformt sein. Der Elektromotor kann im Hinblick auf das benötigte Antriebsmoment dahingehend ausgelegt werden, dass die Verhältnisse der Hebelarmlängen zueinander berücksichtigt werden. Dabei kann ein erster Hebelarm zwischen dem einen Hebelende und der zwischen den beiden Hebelenden liegenden ortsfesten Anbindung verlaufen und ein zweiter Hebelarm kann zwischen dieser ortsfesten Anbindung und dem anderen Hebelende verlaufen. Eine mögliche Auslegung kann dahingehend erfolgen, dass der erste Hebelarm kürzer als der zweite Hebelarm ist und der erste Hebelarm an dem linearverschieblichen Übertragungselement des Trapezgewindetriebs angebunden ist. In diesem Fall kann es erforderlich sein, dass der Elektromotor ein erhöhtes verfügbares Antriebsmoment bereitstellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Anlenkhebel über das eine der Hebelenden mit einer Gewindemutter des Trapezgewindetriebs verbunden. Hierbei läuft die Gewindemutter linearverschieblich in axialer Längsrichtung. Von Vorteil ist, dass eine Trapezspindel des Gewindetriebs über einen Antriebsmotor gedreht werden kann und die Gewindemutter lediglich axial geführt werden muss. Hierbei kann es ausreichend sein, wenn die Gewindemutter mittelbar über den zumindest einen Anlenkhebel gegen Drehung gehalten wird. Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn für die Gewindemutter eine Axialführung vorgesehen ist, die die Gewindemutter verdrehfest gegenüber der in Längsrichtung verlaufenden Drehachse der Trapezspindel hält.
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In einer zudem bevorzugten Ausgestaltung ist das andere der Hebelenden mittelbar über die Führung der Lenksäuleneinheit in axialer Längsrichtung A linearverschieblich. Hierüber ist gewährleistet, dass der zweite Linearantrieb sicher in axialer Längsrichtung geführt ist. Je nach Ausgestaltung kann auf eine weitere Längsführung im Bereich der Linearantriebe verzichtet werden.
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Bei einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Bewegungsbahn des Übertragungselement des Trapezgewindetriebs parallel zu einer Bewegungsbahn des zweiten Hebelendes verläuft. Hierdurch kann die geometrische Ausdehnung des Verstellantriebs in einer Richtung quer zur Längsausdehnung insgesamt kompakt gehalten werden.
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In einer konkreten ersten Ausgestaltung ist das zweite der Hebelenden über einen weiteren Anlenkhebel mit der Führung der Lenksäuleneinheit verbunden. Dieser weitere Anlenkhebel kann als zweiter Anlenkhebel bezeichnet werden. Dies lässt sich durch verhältnismäßig einfache Mechanik realisieren, wobei es möglich ist auf weitere Schiebeführungen zu verzichten und lediglich Drehgelenke vorzusehen.
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Für die erste konkrete Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass eine effektiv wirksame Lage des zweiten Hebelendes auf dem ersten Anlenkhebel verschieblich ausgeführt ist. Hierdurch ist es möglich den zweiten Anlenkhebel baulich mit der linearverschieblichen Führung der Lenksäuleneinheit zu integrieren.
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In einer konkreten zweiten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste Anlenkhebel zwischen den beiden Hebelenden über eine zumindest zwei weitere Anlenkhebel umfassende Hebelanordnung ortsfest gelenkig angebunden ist. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Kinematik des Verstellantriebs zu stabilisieren. Hierbei kann über die ortsfeste Anbindung der Hebelanordnung ebenfalls der Elektromotor zum Antrieb des Trapezgewindetriebs gehalten sein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest eine orthogonal zu der Längsrichtung A wirksame Führung vorgesehen, in der das zweite der Hebelenden des ersten Anlenkhebels verschieblich geführt ist. Über die Führung wird ein Pendant zur ebenfalls in Längsrichtung beweglichen Gewindemutter bereitgestellt, so dass der erste Anlenkhebel und an diesem gegebenenfalls angebrachten weitere Anlenkhebel beidseitig in einer Ebene geführt werden können.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung, bei der eine zweite parallel zu der ersten Führung verlaufende Führung und ein weiterer Anlenkhebel vorgesehen sind, wobei der weitere Anlenkhebel über ein erstes der Hebelenden mit einem linearverschieblichen Übertragungselement des Trapezgewindetriebs gelenkig verbunden ist und über ein zweites der Hebelenden in der zweiten Führung verschieblich geführt ist. Es ist zweckmäßig, wenn die zweite Führung ebenfalls in der Ebene der ersten Führung und der längsbeweglichen Gewindemutter liegt, so dass sich eine stabile, in dieser Ebene geführte Bewegung einstellt.
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Bevorzugt ist zudem eine Ausgestaltung, bei der die mehreren Anlenkhebel eine doppelte Scherenhebelanordnung ausbilden, wobei jede der beiden Scherenanordnungen über das erste der Hebelenden des ersten Anlenkhebels mit dem linearverschieblichen Übertragungselement des Trapezgewindetriebs gelenkig verbunden ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung eines Verstellantriebs in eingefahrenem Zustand;
- 2: eine schematische Darstellung des Verstellantriebs gemäß 1 in ausgefahrenem Zustand;
- 3: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Verstellantriebs in eingefahrenem Zustand;
- 4: eine schematische Darstellung des Verstellantriebs gemäß 3 in ausgefahrenem Zustand;
- 5: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Verstellantriebs in eingefahrenem Zustand;
- 6: eine schematische Darstellung des Verstellantriebs gemäß 5 in ausgefahrenem Zustand und
- 7: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Verstellantriebs in eingefahrenem Zustand.
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Die 1 und 2 zeigen in verschiedenen Darstellungen eine erste mögliche Ausgestaltung eines Verstellantriebs 10 für eine in axialer Längsrichtung A motorisch verstellbare Lenksäuleneinheit. Eine Lenksäuleneinheit an sich ist vorliegend nicht dargestellt, sondern es ist lediglich eine mit dem Bezugszeichen 38 versehene Führung einer Lenksäuleneinheit gezeigt, die als gemeinsames Bauteil der Lenksäuleneinheit und des betrachteten Verstellantriebs 10 fungieren kann. Die 1 zeigt den Verstellantrieb 10 in einem eingefahrenen Zustand. Die 2 zeigt den Verstellantrieb 10 in einem linear ausgefahrenen Zustand. Mit dem strichlinierten Doppelpfeil ist eine axiale Längsrichtung A bezeichnet, auf die insbesondere bei der nachfolgenden Beschreibung der Kinematik des Verstellantriebs 10 Bezug genommen wird.
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Der Verstellantrieb 10 umfasst einen Elektromotor 18 und einen ersten Linearantrieb 12, der vorliegend durch einen von dem Elektromotor 18 angetriebenen und in axialer Längsrichtung A stellbaren Trapezgewindetrieb 16 gebildet wird. Eine in axialer Längsrichtung A gerichtete Trapezspindel 22 ist mit dem Elektromotor 18 bevorzugt über eine kardanische Kupplung 24 verbunden, um einen während der Drehbewegung auftretenden Versatz auszugleichen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Elektromotor 18 über eine kardanische Kupplung 24 an einem ortsfestes Rahmenelement der Lenksäuleneinheit gehalten ist. Auf der Trapezspindel 22 sitzt ein als Gewindemutter ausgeführtes Übertragungselement 20, dass bei angetriebener Drehung der Trapezspindel 22 in axialer Längsrichtung A verfährt. Das Übertragungselement 20 ist gegen eine Drehung um die Längsachse der Trapezspindel 22 gehalten. Das Übertragungselement 20 steht in einer Wirkverbindung mit einem zweiten Linearantrieb 30. Der zweite Linearantrieb 30 umfasst in der in 1 und 2 gezeigten Ausführung des Verstellantriebs 10 einen ersten Anlenkhebel 32 und einen zweiten Anlenkhebel 40. Der erste Anlenkhebel 32 ist mit einem seiner beiden Hebelenden 34 mit dem linearverschieblichen Übertragungselement 20 des Trapezgewindetriebs 16 gelenkig verbunden. Der erste Anlenkhebel 32 ist mit dem anderen Hebelende 36 gelenkig mit dem zweiten Anlenkhebel 40 verbunden, wobei der zweite Anlenkhebel 40 gelenkig mit der linearverschieblichen Führung 38 der Lenksäuleneinheit verbunden ist. Der erste Anlenkhebel 32 ist zwischen den beiden Hebelenden 34, 36 zumindest mittelbar ortsfest gelenkig angebunden, was mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet ist. Sowohl der Elektro motor 18 als auch die Anbindung 26 können über ein ortsfestes Rahmenelement der Lenksäuleneinheit gehalten sein. Wie beschrieben, kann alternativ zwischen dem Elektromotor 18 und dem ortsfesten Rahmenelement die kardanische Kupplung 24 vorgesehen sein. Auch die Führung 38 kann relativ zu dem Rahmenelement verschiebbar gehalten sein. An der Führung 38 kann zumindest mittelbar das Lenkrad der Lenksäuleneinheit gehalten sein, so dass eine der Führung 38 über den zweiten Linearantrieb 30 aufgeprägte lineare Bewegung in Längsrichtung A eine Stellbewegung des Lenkrads bewirkt.
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Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Verstellantriebs 10, ebenfalls in einem eingefahrenen Zustand und einem ausgefahrenen Zustand. Der erste Anlenkhebel 32 ist hierbei mit einer Führungsschiene 28 ausgestattet, in der das zweite Hebelende 36 des Anlenkhebels 32 verschieblich geführt ist, so dass eine effektiv wirksame Lage des zweiten Hebelendes 36 auf dem ersten Anlenkhebel 32 verschoben werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass eine Bewegungsbahn des Übertragungselement 20 des Trapezgewindetriebs 16 parallel zu einer Bewegungsbahn des zweiten Hebelendes 36 verlaufen kann, wobei es sich bei den Bewegungsbahnen um geradlinige Verläufe handelt. Bei dieser Anordnung des zweiten Hebelendes 36 in einer Führungsschiene 28 des Anlenkhebels 32 ist es möglich, dass der zweite Anlenkhebel 40 während der Bewegung von dem eingefahrenen in den ausgefahrenen Zustand keine Schwenkbewegung ausführt, sondern in axialer Längsrichtung A ausgerichtet bleibt. Weiterhin ist infolge der Führungsschiene 28 eine Abwandlung der in den 3 und 4 gezeigten Ausgestaltung möglich. Bei dieser Anwandlung, welche nicht separat dargestellt ist, wird auf den zweiten Anlenkhebel 40 verzichtet und die Führung 38 ist unvermittelt gelenkig an dem zweiten Hebelende 36 des ersten Anlenkhebels 32 angebunden. Der Nachteil der sich während der Bewegung zwischen dem eingefahrenen und dem ausgefahrenen Zustand sich ändernden Übersetzung kann durch eine drehzahladaptive Ansteuerung des Elektromotors 18 kompensiert werden.
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Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Verstellantriebs 10, ebenfalls in einem eingefahrenen Zustand und einem ausgefahrenen Zustand. Dargestellt ist eine doppelte Scherenhebelanordnung 56, durch die ein Kopplungsgetriebe gebildet wird. Doppelte Scherenhebelanordnung 56 bedeutet, dass zwei einzelne Scherenhebelanordnungen miteinander gekoppelt sind. Der erste Anlenkhebel 32 ist zwischen seinen beiden Hebelenden 34, 36 über zwei weitere Anlenkhebel 42, 44 ortsfest gelenkig über die Anbindung 26 gehalten. Es ist eine orthogonal zu der Längsrichtung A wirksame Führung 46 vorgesehen, in der das zweite Hebelenden 36 des ersten Anlenkhebels 32 verschieblich geführt ist. Die Führung 46 an sich kann sich in axialer Längsrichtung A verschieben und zwar ohne dabei eine Dreh- oder Schwenkbewegung auszuführen. Zudem ist eine zweite parallel zu der ersten Führung 46 verlaufende Führung 48 und ein weiterer Anlenkhebel 50 vorgesehen, wobei der weitere Anlenkhebel 50 über sein erstes Hebelenden 52 mit der Gewindemutter 20 des Trapezgewindetriebs 16 gelenkig verbunden ist und über sein zweites Hebelende 54 in der zweiten Führung 48 verschieblich geführt ist. Auch die zweite Führung 48 ist nur in axialer Längsrichtung A verschiebbar, ohne dabei eine Dreh- oder Schwenkbewegung ausführen zu können. Die durch die Gewindemutter 20 in die Scherenhebelanordnung 56 eingebrachte Bewegung wird durch die Scherenhebelanordnung 56 bezüglich des Stellweges und der Stellgeschwindigkeit verdoppelt. In Abwandlung der dargestellten doppelten Scherenhebelanordnung kann auch eine weitere dritten Scherenhebelanordnung vorgesehen sein, so dass sich eine Verdreifachung des Stellweges und der Stellgeschwindigkeit ergibt.
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Die 8 zeigt eine gegenüber der Ausgestaltung der 6 und 7 eine vereinfachte Variante des Verstellantriebs. Es ist lediglich der eingefahrene Zustand gezeigt. Bei der Variante der 8 ist auf die erste Führung 46 verzichtet worden. Auch ist der Anlenkhebel 32 verkürzt und reicht nur bis zu dem Anlenkhebel 42.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verstellantrieb
- 12
- Linearantrieb
- 16
- Trapezgewindetrieb
- 18
- Elektromotor
- 20
- Übertragungselement
- 22
- Trapezspindel
- 24
- kardanische Kupplung
- 26
- Anbindung
- 28
- Führungsschiene
- 30
- Linearantrieb
- 32
- Anlenkhebel
- 34
- Hebelende
- 36
- Hebelende
- 38
- Führung
- 40
- Anlenkhebel
- 42
- Anlenkhebel
- 44
- Anlenkhebel
- 46
- Führung
- 48
- Führung
- 50
- Anlenkhebel
- 52
- Hebelende
- 54
- Hebelende
- 56
- Scherenhebelanordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017206551 A1 [0002]
- DE 102019201611 A1 [0002]
