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Die Erfindung betrifft einen Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung, welche eine translatorisch verlagerbare Spindel mit einem Spindelgewinde sowie eine Spindelmutter mit einem Muttergewinde aufweist, welche elektromotorisch antreibbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Steer-by-wire-Lenkung unter Verwendung des Aktuators.
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Aktuatoren mit einem Spindeltrieb zur axialen Verlagerung einer Spindel zwecks Lenkung von Rädern eines Kraftfahrzeugs sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Mit der
W012059511 A2 ist ein gattungsbildender Stand der Technik bekannt, welche einen Aktuator einer Hinterachslenkung mit einem Spindeltrieb offenbart. Der Spindeltrieb weist eine ortsfest im Gehäuse gelagerte Spindelmutter auf, welche mittels eines Elektromotors angetrieben wird und somit eine Spindel translatorisch verlagern kann. Durch die Verlagerung der Spindel kann bei Kopplung mit einem Radträger einer Fahrzeugachse eine Lenkbewegung erzeugt werden. Mittels einer Sperre kann die Spindelmutter an der Drehung gehindert und die Lenkbewegung angehalten werden.
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In den bekannten Aktuatoren werden üblicher Weise bürstenlose Gleichstrom-Elektromotoren eingesetzt, welche einen langlebigen Einsatz ermöglichen. Jedoch werden für derartige Elektromotoren Permanentmagnete benötigt, welche aus dem Werkstoff Seltene Erden gefertigt werden. Des Weiteren sind bürstenlose Vernier-Elektromotoren bekannt, welche im Vergleich zu herkömmlichen bürstenlosen Elektromotoren mit einem verminderten Anteil an Seltene Erden auskommen. Unterschiedliche Anwendungen sind in der
DE 60204965 T2 offenbart.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik, verfolgt die Erfindung das Ziel einer weiteren Verbesserung eines Aktuators und einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeuges.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen einen Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung, insbesondere für eine Hinterachslenkung, als Stelleinrichtung mit einer translatorisch verlagerbaren Schubstange auszubilden, welche ein Gehäuse mit einem Spindeltrieb mit einer Spindel mit Außengewinde und eine ortsfest im Gehäuse drehbar gelagerte Spindelmutter mit Innengewinde aufweist. Das Innengewinde der Spindelmutter und das Außengewinde der Spindel sind miteinander in Eingriff und bilden ein Bewegungsgewinde aus. Die Spindelmutter ist mittels eines Elektromotors zumindest mittelbar antreibbar, wodurch die Spindel translatorisch entlang ihrer Längsachse verlagerbar ist. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Elektromotor, welcher als Reluktanz-Motor ausgebildet ist und als Antriebsmotor der Spindelmutter ausgebildet ist.
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Bei einer Fahrzeugachse sind zumeist an deren Enden Räder angeordnet, welche zum Lenken des Fahrzeugs zumindest an einer Achse mit einer Radlenkwinkeländerung beaufschlagt werden. Bei der Geradeausfahrt beträgt der Radlenkwinkel in Abhängigkeit von der konstruktiv vorgesehenen bzw. der eingestellten Vor- oder Nachspur annähernd 0 Grad. Je nach beabsichtigter Fahrt in einer Kurve oder beim Abbiegen oder Parkieren des Fahrzeugs werden mittels der Lenkung die Radlenkwinkel der Räder geändert, so dass das Fahrzeug in die vorgesehene Richtung fahren kann. Dabei ist es möglich, dass der Radlenkwinkel an der Vorderachse oder an der Hinterachse oder aber an beiden Achsen oder weiteren Achsen verändert wird. Durch den elektromotorischen Drehantrieb wird eine ortsfeste Spindelmutter in Drehung versetzt, wodurch die Spindel entlang ihrer Längsachse translatorisch verlagert wird - je nach Drehrichtung der Spindelmutter wird die Spindel axial in die eine oder andere Richtung verlagert. Ein mit der Spindel zumindest mittelbar gekoppelter Radträger, an welchem zumindest ein Rad drehbar gelagert ist, lässt sich durch die translatorische Verlagerung der Spindel um seine Hochachse schwenken - somit wird eine Lenkbewegung des Radträgers bzw. des Rades oder mit anderen Worten eine Radlenkwinkeländerung des Rades bewirkt.
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Damit das Fahrzeug dem vorgesehenen Fahrweg, auch Trajektorie genannt, folgen kann, muss der Radlenkwinkel nach dessen Änderung gehalten werden. Das Rad muss mit anderen Worten geführt werden. Zum Beibehalten einer Trajektorie müssen die Räder grundsätzlich geführt werden, damit diese den beabsichtigten Radlenkwinkel beibehalten. Die Räder, welche mittels Radträgern an der Karosserie um ihre Hochachse angelenkt sind, werden mittels der Lenkung entweder unmittelbar oder mittelbar mittels zwischen Lenkung und Radträgern gelenkig verbundenen Lenkern geführt. Wird nun bei der Lenkung die Schubstange, auch Lenkstange genannt, ausgebildet als Spindel axial, d. h. entlang ihrer Längsachse verlagert, so bedingt dieses die Änderung des Radlenkwinkels des jeweiligen Rades. Aufgrund bzw. nach der Änderung des Radlenkwinkels wird durch die Führung der Räder die Beibehaltung des geänderten Radlenkwinkels bewirkt.
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Bei einem Kraftfahrzeug wirken je nach Fahrweg Seitenkräfte auf die jeweiligen Räder. Bei der Geradeausfahrt sind Seitenkräfte vergleichsweise eher gering und durch dynamische Einflüsse aufgrund der Oberfläche bzw. dem Zustand der Fahrbahn oder auch Seitenwind gegeben. Bei einer Kurvenfahrt hingegen werden beispielsweise bei einer Linkskurve die Räder nach links gelenkt, wodurch sich hohe Querkräfte als Seitenkräfte ergeben, die auf das Rad und den Radträger wirken. Ohne Führung würden sich die Radlenkwinkel unkontrolliert ändern. Zur Führung der Räder müssen diese Seitenkräfte von den Lenkern bzw. der Lenkstange der Lenkung aufgenommen werden können. Der Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung und die zur Lenkung gehörigen Bauteile müssen für diese Anforderungen ausgelegt sein. Zur Abstützung der Lenkung ist diese über einen Hilfsrahmen bzw. unmittelbar dem Fahrzeugaufbau verbunden.
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Zum Stand der Technik wurde oben bereits ausgeführt, dass bei elektromotorisch betriebenen Steer-by-wire-Lenkungen in der Regel bürstenlose Gleichstrommotoren eingesetzt werden. Für diese Art von Motoren werden zum einen Permanentmagnete benötigt, für dessen Herstellung der Rohstoff seltene Erden notwendig ist. Für den sich drehenden Rotor werden Spulen zum Beispiel aus Kupfer benötigt, welches kostspielig ist. Des Weiteren können sich durch den Einsatz von bürstenlosen Elektromotoren herkömmlicher Bauart in einem Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung thermische Probleme aufgrund von Lastwechseln durch häufige Lenkwinkeländerungen innerhalb einer kurzen Zeit, also Lenkwinkeländerungen mit einer hohen Frequenz ergeben. In diesem Fall ist es bekannt, dass Aktuatoren einer steer-by-wire-Lenkung mit einer Schutzschaltung versehen sind, sodass bei einer zu hohen Temperatur die Stellgeschwindigkeit und/oder der Betrag der Lenkwinkeländerung reduziert werden müssen.
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Die Erfindung macht sich hier die Vorteile eines Reluktanz-Motors zu Nutze. Bei dieser Art von Elektromotoren entstehen strombedingte Verluste praktisch nur im außen liegenden Stator, welcher den nicht drehenden Teil darstellt. Der außenliegende Stator lässt sich jedoch von außen gut und auf einfache Weise kühlen, beispielsweise durch das Gehäuse des Elektromotors. Reluktanz-Motoren weisen zudem einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf. Der Rotor kommt ohne elektrische Wicklungen, auch Spulen genannt, und ohne Permanentmagnete aus. Prinzipbedingt entfallen auch jede Art von verschleißanfälligen Schleifringen und Bürsten. Der Rotor kann kostengünstig hergestellt werden, weil dieser aus einem einfachen Elektroblech hergestellt werden kann, sodass die beim Rotor des Reluktanz-Motors erforderlichen ausgeprägten Pole aus einem kostengünstigen hochpermeablen und weichmagnetischen Material gebildet werden können. Das reduziert deutlich die Gesamtkosten für den Aktuator. Der Rotor kann somit robust und tolerant gegen Überdrehzahl ausgeführt werden. Letzteres ist von Vorteil, weil eine Ansteuerung mit einem hohen Fehlerstrom sich weniger belastend auf den Reluktanz-Motor auswirkt als im Vergleich zu einem herkömmlichen bürstenlosen Elektromotor. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seiner Robustheit eignet sich der Reluktanz-Motor besonders für den Einsatz in der rauen Umgebung im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, da auch der Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung in dem Fahrwerk, speziell der jeweiligen Fahrzeugachse angeordnet ist.
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Wie oben gesagt sind hohe Seitenkräfte im Fahrwerk z.B. bei Kurvenfahrten zu erwarten. Als geschalteter Reluktanz-Motor (englisch: switched reluctance motor), welcher ein vergleichsweise hohes Anlaufdrehmoment aufweist, kann dieser Elektromotor vorteilhaft als Antriebsmotor in einem Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung eingesetzt werden, wenn hohe Seitenkräfte auf die Spindel bzw. die Schubstange ein entsprechendes Losbrechmoment erfordern. Ein durch den Einsatz von Reluktanz-Motoren im Vergleich zu bislang im Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung eingesetzten bürstenlosen Gleichstrommotoren höheres Anlaufmoment bei gleicher elektrischer Leistung oder auch ein im Vergleich zum bürstenlosen Elektromotor gleiches Anlaufmoment bei geringer elektrischer Leistung sind auch hier von Vorteil. Im letzteren Fall lässt sich so das Bordnetz entlasten oder gegebenenfalls Bauraum einsparen, wenn aufgrund der höheren Effektivität der Reluktanz-Motor einen geringeren Bauraum benötigt als die bislang eingesetzten bürstenlose Gleichstrommotoren. Es kann somit für den Aktuator einer steer-by-wire-Lenkung eine insgesamt sehr kompakt bauende Einheit dargestellt werden welche einen vergleichsweise geringeren Leistungsbedarf aufweist.
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In einer ersten Ausführungsform ist der Reluktanz-Motor mit seiner Längsachse, welche der Rotorachse entspricht, parallel zur gemeinsamen Längsachse der Spindel und der Spindelmutter angeordnet. Der entsprechend dimensionierte Reluktanz-Motor wird in bekannter Weise an das Gehäuse angeflanscht. Hinsichtlich der Skalierbarkeit des Aktuators für eine steer-by-wire-Lenkung kann folgende vorteilhafte Ausführungsform zum Einsatz kommen. Für unterschiedliche Fahrzeuge können unterschiedliche Lenkkräfte und Seitenkräfte vorliegen und somit unterschiedliche Kräfte zur Verlagerung oder zum Halten der Spindel in Ihrer jeweiligen Position zum Führen des jeweiligen Rades erforderlich sein. Ein und derselbe Aktuator kann auf einfache Weise für den jeweiligen Fahrzeugtyp skaliert werden, indem lediglich die Antriebseinheit, also der Reluktanz-Motor, entsprechend der benötigten Lenkkräfte und Seitenführungskräfte dimensioniert wird. Der Reluktanz-Motor muss bzgl. der benötigten Leistung und des Drehmoments lediglich hinsichtlich der für das jeweilige Fahrzeug benötigten Lenkkräfte und Seitenführungskräfte bestimmt werden. Das Gehäuse des Aktuators, welches in der Regel aus einer Leichtmetall-Druckguss-Legierung besteht, kann beibehalten werden. Somit lässt sich der Aktuator für die jeweilige steer-by-wire-Lenkung auf kostengünstige Weise skalieren, da für unterschiedlich starke Varianten des Aktuators jeweils keine neue und kostspielige Druckgussform für dessen Gehäuse notwendig ist. Dieses ergibt einen enormen Kostenvorteil.
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In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform ist der Reluktanz-Motor koaxial zur Spindel angeordnet. Bevorzugt weist der Reluktanz-Motor einen gegenüber dem Gehäuse drehfest angeordneten Stator auf, wobei ein konzentrisch innerhalb des Stators drehbar gelagerter Rotor mit der Spindelmutter gekoppelt ist. Spindelmutter und Rotor umgreifen dabei die Spindel. Im Gegensatz zur vorgenannten achsparallelen Anordnung kann durch eine koaxiale Bauweise eine noch kompaktere Bauform des Aktuators bzw. der Steer-by-wire-Lenkung dargestellt werden. Dieses Prinzip ist von herkömmlichen Hohlwellenmotoren bei Lenkungen zwar schon bekannt. Allerdings wird auch hier durch den Reluktanz-Motor eine Bauraumreduzierung ermöglicht, so dass sich eine sehr schlanke Bauform des gesamten Aktuators ergibt.
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Bevorzugt ist der Reluktanz-Motor mit seinem drehbar gelagerten Rotor zumindest mittelbar mit der Spindelmutter gekoppelt. Der Antrieb der Spindelmutter mittels des Reluktanz-Motors erfolgt vorzugsweise mittels eines zwischengeschalteten Getriebes. Im Falle der achsparallelen Anordnung ist das Getriebe vorzugsweise als Zugmittelgetriebe ausgestaltet, insbesondere mit einem Antriebsriemen, vorzugsweise ausgebildet als Zahnriemen. Durch einen Zahnriemen lässt sich ein schlupffreies Getriebe darstellen. Alternativ kann als Getriebe ein Rädergetriebe, insbesondere Planetengetriebe eingesetzt werden. Letzteres eignet sich ebenfalls für die koaxiale Anordnung des Reluktanz-Motors zur Spindel, ist aber auch für die achsparallele Ausbildung denkbar. Durch die über das Getriebe mögliche Übersetzung lässt sich ein breiter Anwendungsraum mit einem kompakten Aktuator für eine Steer-by-wire-Lenkung abdecken.
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Für den Fehlerfall, d. h. wenn die Stromversorgung oder die Signalversorgung zum Elektromotor z.B. unterbrochen oder ausgefallen ist, müssen Sicherheiten vorgesehen werden, so dass eine axiale Verlagerung der Lenkstange aufgrund von Seitenkräften limitiert oder ganz verhindert wird. Mit anderen Worten ist bei einer anliegenden Seitenkraft aufgrund einer Kurvenfahrt vorzusehen, dass die Spindel sich eigenständig axial nicht verlagert oder nur im zulässigen, d.h. je nach Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs toleriertem Rahmen sich gering verlagern darf, so dass das Fahrzeug kontrollierbar bleibt. Wird die Verlagerung der Spindel nicht wenigstens gehemmt oder gar blockiert, so kann sich ein unkontrollierbarer Fahrzustand aufgrund einer willkürlichen Änderung der Radlenkwinkel der Räder ergeben. Das kann beispielsweise bei einer Schlechtwegstrecke der Fall sein, da hier die Räder von der unebenen Fahrbahn stark und in unregelmäßigen Abständen bewegt werden und dieses als dynamische Schläge auf die Spindel einwirkt. Dieses ist speziell bei einem Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung zutreffend, welcher ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad ist beispielsweise bei einem Kugelgewindetrieb vorhanden. Dieses weist eine zumindest geringe oder keine Selbsthemmung auf. Jedoch kann ein Wandern der Spindel bzw. Schubstange auch bei einem selbsthemmenden Bewegungsgewinde in dem Spindelantrieb eines Aktuators einer Steer-by-wire-Lenkung auftreten. Ein Bewegungsgewinde mit mechanischer Selbsthemmung hat in der Regel einen relativ geringen Wirkungsgrad. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn das Bewegungsgewinde mit einem Schneckentrieb oder einem Trapezgewinde ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels Bestromung eines Statorpolpaares des Reluktanz-Motors in dem Aktuator für eine steer-by-wire-Lenkung ein Haltemoment erzeugbar ist, so dass der Rotor gegenüber dem Stator verharrt, welches eine Hemmung in dem Bewegungsgewinde des Spindelantrieb bewirkt. Hiermit sind radial gegenüberliegende Statorpole gemeint. Die Drehbewegung der Spindelmutter wird gehemmt, so dass die Spindelmutter aus der Drehbewegung zum Stillstand gebracht wird oder im Stillstand verbleibt. Die translatorische Verlagerung der Spindel wird damit wirkungsvoll gehemmt oder unterbrochen. Sowohl bei selbsthemmenden Aktuatoren als auch bei Aktuatoren mit geringer oder keiner Selbsthemmung in deren Bewegungsgewinde des Spindelantriebs kann die Hemmung vorteilhaft eingesetzt werden. Werden lediglich die Wicklungen eines Statorpolpaares bestromt, so verharrt bei dem eingesetzten Reluktanz-Motor der Rotor gegenüber dem Stator. Dieses liegt darin begründet, das sich der Rotor aufgrund des Wirkprinzip des Reluktanz-Motors mit radial gegenüberliegenden Rotorpolen an dem bestromten Statorpolpaar ausrichtet, weil diese Rotorpole von dem sich an den Polen des Statorpolpaares ausbildenden Magnetfeldern maximal angezogen werden. Für die Drehbewegung des Rotors bzw. des erzeugten Drehmoments bei einem Reluktanz-Motor ist ansonsten prinzipbedingt ein sich drehendes Magnetfeld verantwortlich. Es versteht sich, dass zum Bewirken des Haltemoments das Magnetfeld in dem Stator verharrt - sich also nicht dreht. Es werden mit anderen Worten gegenüberliegende Wicklungen in dem Stator derart bestromt, dass zwei gegenüberliegende Rotorpole maximal angezogen werden. Der Rotor verharrt in der Wirkung gegenüber dem Stator.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass mit diesem elektrisch schaltbaren Haltemoment eine etwaige mechanische Sperre zur Unterbrechung der Drehbewegung der Spindelmutter entfallen kann. Mittels Bestromung eines Statorpolpaares des Rotors des Reluktanz-Motors in dem Aktuator für eine steer-by-wire-Lenkung kann somit kostengünstig eine Sperre für die Spindelmutter realisiert werden.
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Die Erfindung bezieht sich vor allem auf den normalen Gebrauch der Lenkung. Das heißt, dass die beabsichtigte Hemmung keine Missbrauchslasten umfasst. Beispielsweise bei einer harten Auffahrt auf eine Bordsteinkante (Bordsteinrempler) entstehen für den Normalbetrieb unüblich hohe Seitenkräfte, die auch als Sonderereignislasten bezeichnet werden. Bei diesen hohen Lasten ist eine Hemmung eher kontraproduktiv, da aufgrund einer Hemmung ein größerer Schaden an radführenden Fahrwerksbauteilen (z.B. Spurstange oder Lenker) entstünde. Derart hohe Lasten bewirken Seitenkräfte, die z.B. mehr als doppelt so groß sind wie maximal zu erwartende Seitenkräfte im Normalbetrieb des Fahrzeuges und der Lenkung.
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In einer bevorzugten Ausführung wird der Reluktanz-Motor über ein Steuergerät angesteuert, welches derart beschaffen ist, dass über das Steuergerät bei einem Fehler in der Spannungs- und/oder Signalversorgung die vorgenannte Bestromung eine Statorpolpaares vorgenommen wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Steuergerät auch bei Motorstillstand eine solche Bestromung vornimmt. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einem Fehler, welcher erst nach Wiederinbetriebnahme der Lenkung auftritt, die Verlagerung der Spindel zumindest gehemmt wird. Der vorgenannte Fehler kann sowohl in der Steuerung oder dem Steuergerät als auch durch Ausfall oder mangelnde Signal- und/oder Spannungsversorgung vorliegen. Der Fehler kann ebenfalls durch Ausfall elektrischer Bauteile im Elektromotor oder dem Steuergerät oder einem Bussystem wie z. B. dem CAN-Bus auftreten.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät zum Betreiben eines Aktuators einer Steer-by-wire-Lenkung nach den vorgenannten Ausführungen. Das vorgenannte Steuergerät kann Teil des Aktuators sein. Alternativ kann der Aktuator mittels eines in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Steuergeräts betrieben werden. Das Verfahren kann mittels Programmcode auf einer Recheneinheit ausgeführt werden. Die Recheneinheit kann Teil des Steuergerätes sein. Die vorgenannten Kräfte können mittels des Steuergerätes mittels geeigneter Sensorik ermittelt und gespeichert werden. Die ermittelten Daten können von der Recheneinheit mittels des Programmcodes bei der Schaltung der Bestromung der Statorwicklungen berücksichtigt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steer-by-wire-Lenkung mit einem Aktuator, wie in den vorgenannten Ausführungen beschrieben, vorgesehen. Die Steer-by-wire-Lenkung ist bevorzugt als eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges ausgeführt. Dabei ist die translatorisch verlagerbare Spindel zumindest mittelbar mit zumindest einem Radträger gekoppelt, um zumindest ein Rad einer Fahrzeugachse zu lenken.
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Eine steer-by-wire-Lenkung ist als eine mechanisch entkoppelte Lenkvorrichtung zu verstehen, bei der die Änderung der Radlenkwinkel nicht durch eine mechanische Verbindung zur Lenkhandhabe, z.B. einem Lenkrad, bewirkt wird. Die Stellbewegung des Lenkrades wird in ein elektrisches Stellsignal gewandelt und beispielsweise einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät steuert dann die eigentliche Systemkomponente, d. h. im vorliegenden Fall den Aktuator elektrisch an. Die Lenkbewegung wird letztlich ohne mechanische Verbindung, eben „by-wire“, also mittels eines Kabels oder ggfs. auch drahtlos übertragen. Die Lenkbewegung eines Steer-by-wire-Lenksystems kann auch ohne Einfluss des Fahrers bzw. der Lenkhandhabe erfolgen. Beispielsweise bei zumindest teilautonom fahrenden Fahrzeugen kann die Lenkung rein über ein oder mehrere Steuergeräte in Abhängigkeit von Daten und Parametern erfolgen, welche innerhalb oder außerhalb des Fahrzeuges ermittelt wurden bzw. vorliegen. Hier können Umgebungsdaten z.B. mittels car-to-car (c2c) und/oder car-to-X (c2x) und/oder cloudbasierter Daten genutzt werden, welche von einem Steuergerät des Fahrzeugs verarbeitet werden.
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Es folgen Figurenbeschreibungen zu Ausführungen der Erfindung. Aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen können sich weitere Merkmale sowie Merkmalskombinationen ergeben.
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1 zeigt in einem teilweisen Längsschnitt den Aufbau eines zweifach, d.h. auf zwei Räder einer Fahrzeugachse gleichzeitig wirkenden, elektromotorisch antreibbaren Aktuator 1 (auch Stelleinrichtung genannt) für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges. Der Aktuator 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 2 auf, in welchem ein Spindelantrieb 3, welcher eine Spindelmutter 5 und eine mit der Spindelmutter 5 in Eingriff stehende, axial verschiebbare Spindel 4 umfasst, angeordnet ist. Die Spindel 4 weist ein Außengewinde und die Spindelmutter 5 ein Innengewinde auf, welche als Bewegungsgewinde, beispielsweise in Form eines Trapezgewindes ausgebildet sind. Die Spindelmutter 5, welche über ein Wälzlager 8 drehbar und ortsfest gegenüber dem Gehäuse 2 abgestützt ist, wird über ein Getriebe ausgebildet als Riementrieb 6 von einem Elektromotor 7 angetrieben. Die Spindel 5 weist je ein stirnseitiges Ende 4.1, 4.2 auf, welche dreh- und schubfest mit je einem Lagerzapfen 9, 10 verbunden ist. Die Lagerzapfen 9, 10 weisen jeweils einen Gleitlagerabschnitt (ohne Bezugszahl) auf, der in jeweils einem Gleitlager 13, 14 geführt ist. Die Gleitlager 13, 14 sind jeweils in Form einer Buchse stirnseitig an den Enden des Gehäuses 2 ortsfest eingepresst. Das jeweils aus dem linken und rechten Ende des Gehäuses 2 herausragende Ende der Lagerzapfen 9, 10 ist mit Gelenken 11, 12 gekoppelt, welche über ein nicht dargestellte Lenkgestänge, z. B. Lenkern oder Spurstangen oder auch unmittelbar mit einem lenkbaren Radträger eines Hinterrades des Kraftfahrzeuges verbunden sein kann. Der Radträger ist am Fahrzeugaufbau um seine Hochachse schwenkbar gelagert. Die Gleitlager 13, 14 und die in diesen verschiebbaren Gleitlagerabschnitte der Lagerzapfen 9, 10 weisen eine Verdrehsicherung auf, die hier nicht dargestellt ist. Hierdurch wird eine Verdrehung der Spindel 4 aufgrund der Drehbewegung der Spindelmutter 5 verhindert, wenn diese von dem Elektromotor angetrieben wird. Es ist aus der Zeichnung der angeflanschte Antriebsmotor 7 in Form eines Reluktanz-Motors ersichtlich, welcher mittels einer Schraubverbindung auf einfache Weise an dem Gehäuse befestigt ist. Dadurch wird insgesamt eine kompakte Bauform des Aktuators 1 erreicht. Es ist ersichtlich, dass unterschiedliche, in ihrer Leistung dimensionierte Elektromotoren 7 auf einfache Weise ohne Änderung des Gehäuses 2 montiert werden können.
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2 zeigt einen einfach wirkenden Aktuator 101 in teilweise geschnittener Darstellung. Funktionsgleiche Bauteile sind mit Bezugszeichen versehen, welche im Vergleich zur 1 um 100 erhöht wurden. Es ist ersichtlich, dass ein gehäuseseitiges Gelenk 111 vorgesehen ist, welches zur Abstützung des Aktuators 101 an dem Fahrzeugaufbau bzw. Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs dient. Bei Drehbewegung der Spindelmutter 105 mittels Antrieb durch den Elektromotor 107 wird die Spindel 104 gegenüber dem Gehäuse 102 translatorisch verlagert. Mit anderen Worten wird der am Ende der Spindel dreh- und schubfest angeordnete Lagerzapfen 110 gegenüber dem Gehäuse 102 verlagert. Auch bei dieser Ausführung ist der als Reluktanz-Motor ausgeführte Elektromotor 107 mit dem Gehäuse 102 des Aktuators 101 im Sinne eines Flansches verschraubt. Eine Schnittlinie III-III weist auf die Schnittdarstellung gemäß 3 hin.
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3 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines Reluktanz-Motors 70 gem. Schnittlinie III-III durch den Elektromotor 107 in 2. Der Schnitt könnte gleichermaßen auch durch den Elektromotor 7 in 1 verlaufen. Der Reluktanz-Motor 70 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 71, einem in dem Gehäuse 71 dreh- und schubfest angeordneten Stator 72 sowie einem in dem Gehäuse 71 und gegenüber dem Stator 72 drehbar gelagertem Rotor 73. Zu erkennen ist die spezielle Formgebung des Rotors 73, welcher ausgeprägte Pole P1, P2, P3, P4 aufweist. Der Rotor 73 ist aus einfachem und kostengünstigen Elektroblech gefertigt, welches ein hochpermeables und weichmagnetisches Material ist. Je zwei gegenüberliegende Rotorpole bilden hier ein Rotorpolpaar P1; P3 und P2, P4. Mittels dieser Pole P1, P2, P3, P4 wird dem Rotor 70 eine stark bevorzugte Ausrichtung zum jeweiligen magnetischen Feld eingeprägt, welches sich um die Statorpole 74, 75, 76, 77, 78, 79 ausbildet, wenn diese jeweils paarweise bestromt werden. Dabei wird die Drehbewegung durch ein um die Statorachse rotierendes magnetisches Feld erzeugt, welches mittels einer abwechselnden elektrischen Beschaltung der Wicklungen um die jeweiligen Statorpole erfolgt. Die Beschaltung kann beispielsweise mittels eines Umrichters (nicht gezeigt) erfolgen. Beispielhaft sind hier aus Gründen der übersichtlichen Darstellung nur ein Statorpolpaar mit den Bezugszeichen zu den Wicklungen 74s, 77s versehen. Wicklungen sind jedoch um jeden Statorpol eingezeichnet. Der Rotor 73 folgt diesem wechselnden magnetischen Feld an den Statorpolen und es wird so ein Drehmoment erzeugt. Bei bekannten Asynchronmotoren oder durch Permanentmagnete erregte Synchronmotoren wird das Drehmoment durch die Wechselwirkung eines Magnetfelds mit einem durch einen Leiter der Spule am jeweiligen Rotorpol fließenden Strom bzw. die Wechselwirkung mit den Permanentmagneten erzeugt. Im Gegensatz zu diesen vorgenannten elektrischen Motoren aus dem Stand der Technik erfolgt die Drehmomenterzeugung in einem Reluktanz-Motor aufgrund der Maxwellschen Kraft, welche auf einen weichmagnetischen Stoff eines Rotors in einem Magnetfeld wirkt. Durch diese Kraft strebt das magnetische System den Zustand des geringsten magnetischen Widerstands an. Dieser wird auch als Reluktanz bezeichnet. Durch das Ausrichten des jeweiligen Rotorpols an einem durch die jeweilige Statorwicklung bzw. deren jeweiligen Paare erzeugten Magnetfelds bzw. Magnetfeldern kommt die Drehbewegung zustande. Mittels eines geeigneten dreiphasigen Umrichters (nicht gezeigt) und die induktive Kopplung der Statorwicklungen wird ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt. Für die bevorzugte Ausrichtung innerhalb des Magnetfelds muss der Rotor ausgeprägte Pole aufweisen. Die Drehrichtung im und gegen den Uhrzeigersinn kann durch den Umrichter in einfacher Weise geschaltet werden.
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Um eine Sperrwirkung zu erzielen, so dass der Rotor 73 im Stillstand verharrt, werden zwei gegenüberliegende Statorspulen bzw. wicklungen 74s, 77,s des Statorpolpaares 74, 77 bestromt, wie hier in 3 gezeigt. Der Rotor 73 richtet sich mit seinen gegenüberliegenden Polen P1, P3 aufgrund des o.g. technischen Zusammenhangs nach diesem Statorpolpaar 74, 77 bzw. den -wicklungen 74s, 77s aus. Dadurch verharrt der Rotor 73 in dieser Position. Die mit dem Rotor 73 gekoppelte Spindelmutter 5,105 wird dadurch an ihrer Drehung gehindert. Die Spindel 4, 104 wird somit nicht mehr verlagert. Dadurch lässt sich eine Sperrwirkungen des Spindelantriebes in dem Aktuator 1, 101 bewerkstelligen, ohne dass eine zusätzliche Sperre eingesetzt werden müsste. Dieses Vorgehen spart erheblich Kosten für den Aktuator ein. Durch den Reluktanz-Motor 70 lässt sich somit auf einfache Weise eine Sperre für den Spindelantrieb 3, 103 darstellen, welche die Spindelmutter 5, 105 in Position hält, wenn eine Seitenkraft z.B. während einer Kurvenfahrt auf die Spindel 4,104 wirkt, insbesondere wenn diese dynamisch auftritt. Auch lässt sich im Fehlerfall eine Arretierung der Spindel in ihrer aktuellen Position oder nach Rückführung in eine bestimmte, bevorzugt Mittenposition vornehmen, bei der der Radlenkwinkel 0 grad beträgt.
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Die o.g. Sperrwirkung kann mit jeder, insbesondere einer gegenüberliegenden Rotor-/Stator-Polpaarung erzielt werden. Die im vorherigen Absatz dargestellte Polpaarung ist lediglich beispielhaft und nicht auf diese beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101
- Aktuator
- 2, 102
- Gehäuse
- 3, 103
- Spindelantrieb
- 4, 104
- Spindelmutter
- 4.1, 4.2, 104.2
- Spindelende, stirnseitiges Ende
- 5, 105
- Spindel
- 6, 106
- Antriebsriemen
- 7, 107
- Elektromotor, Antriebsmotor
- 8, 108
- Wälzlager
- 9, 109
- Lagerzapfen
- 10, 110
- Lagerzapfen
- 11, 111
- Gelenk
- 12, 112
- Gelenk
- 13
- Gleitlager
- 14, 114
- Gleitlager
- 70
- Reluktanz-Motor
- 71
- Gehäuse
- 72
- Stator
- 73
- Rotor
- 74
- Statorpol
- 75
- Statorpol
- 76
- Statorpol
- 77
- Statorpol
- 78
- Statorpol
- 79
- Statorpol
- 74s
- Spule, Wicklung
- 77s
- Spule, Wicklung
- P1
- Rotorpol
- P2
- Rotorpol
- P3
- Rotorpol
- P4
- Rotorpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 12059511 A2 [0002]
- DE 60204965 T2 [0003]
