DE102021206473A1 - Independent wheel steering for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Einzelradlenkung für ein Kraftfahrzeug mit zwei Lenkaktuatoren (2, 3) pro lenkbarer Achse, welche jeweils ein Rad verschwenken können, wobei an jedem Lenkaktuator (2, 3) mindestens eine Feder (4, 5, 6) angebracht ist, wobei beim Fahren am Rad entstehende Kräfte, welche auf den Lenkaktuator (2, 3) wirken, über die Feder (4, 5, 6) abgeleitet werden.Single-wheel steering for a motor vehicle with two steering actuators (2, 3) per steerable axle, which can each swivel one wheel, with at least one spring (4, 5, 6) being attached to each steering actuator (2, 3), with the wheel when driving Any forces that act on the steering actuator (2, 3) are dissipated via the spring (4, 5, 6).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Einzelradlenkung für ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to an electric single-wheel steering system for a motor vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Bei konventionellen Lenksystemen wird der gewünschte Lenkwinkel vom Lenkrad über eine mechanische Verbindung auf die beiden Vorderräder übertragen. Das Lenkmoment wird durch ein Servogetriebe verstärkt, damit ein einfaches Lenken möglich ist.With conventional steering systems, the desired steering angle is transmitted from the steering wheel to the two front wheels via a mechanical connection. The steering torque is amplified by a servo gear so that easy steering is possible.
Bei zukünftigen Steer-by-Wire Lenksystemen entfällt die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern. Der am Lenkrad eingestellte Lenkwinkel wird durch einen Sensor erfasst und elektronisch auf den Lenkaktuator übertragen, welcher dann die Vorderräder entsprechend verstellt.In future steer-by-wire steering systems, there will be no mechanical connection between the steering wheel and the steered wheels. The steering angle set on the steering wheel is recorded by a sensor and transmitted electronically to the steering actuator, which then adjusts the front wheels accordingly.
Das Lenksystem kann zentral wirken, das heißt, der Lenkaktuator steuert gleichzeitig beide Räder gemeinsam an. In üblicher Weise wird dabei die translatorische Bewegung einer Zahnstange auf die Spurstangen übertragen, welche die Räder verschwenken. Allerdings ist durch die Kinematik der maximale Lenkwinkel an den Vorderrädern begrenzt.The steering system can act centrally, that is, the steering actuator controls both wheels together at the same time. In the usual way, the translational movement of a toothed rack is transmitted to the tie rods, which pivot the wheels. However, the maximum steering angle on the front wheels is limited by the kinematics.
Bei Lenksystemen, welche dezentral wirken, ist jedem gelenkten Rad ein eigener Lenkaktuator zugeordnet, wodurch jedes Rad individuell angesteuert werden kann. Dadurch ist eine Vergrößerung des maximalen Lenkwinkels möglich. Da der zentrale Lenkaktuator in der Mitte des Fahrzeugs wegfällt, können sich Baumraumvorteile für den Fahrzeughersteller ergeben. Zudem ermöglichen dezentrale Lenksysteme neue Funktionen wie z.B. eine Parkbremsfunktion durch entgegengesetzt eingeschlagene Räder.In steering systems that act decentrally, each steered wheel is assigned its own steering actuator, which means that each wheel can be controlled individually. This makes it possible to increase the maximum steering angle. Since there is no central steering actuator in the middle of the vehicle, there can be tree space advantages for the vehicle manufacturer. In addition, decentralized steering systems enable new functions such as a parking brake function by turning the wheels in opposite directions.
Radaufhängungen sind derzeit auf die Kopplung der Lenkbewegung beider Räder einer Achse ausgelegt. Typischerweise werden die gelenkten Räder eines Fahrzeugs mit einem statischen Vorspurwinkel und anderen von Null verschiedenen Kenngrößen wie dem Lenkrollradius oder dem Spreizungswinkel verbaut. Diese Kenngrößen sorgen bei einer Einzelradlenkung dafür, dass bei statischer Geradeausfahrt der Lenkaktuator Kräfte aufbringen muss, um die Räder in Geradeausstellung zu halten. Bei einer Lenkung mit einem zentralen Aktor wirken diese Kräfte zwischen den beiden Rädern dieser Achse, ohne dass das Lenksystem aktiv werden muss.Wheel suspensions are currently designed to couple the steering movement of both wheels on an axle. Typically, the steered wheels of a vehicle are installed with a static toe-in angle and other non-zero parameters such as the scrub radius or the kingpin angle. With single-wheel steering, these parameters ensure that the steering actuator has to apply forces when driving straight ahead in order to keep the wheels in the straight-ahead position. In the case of steering with a central actuator, these forces act between the two wheels of this axle without the steering system having to become active.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Einzelradlenkung bereitzustellen, bei der die Aktorkräfte im Lenksystem deutlich reduziert sind.It is the object of the invention to provide an individual wheel steering in which the actuator forces in the steering system are significantly reduced.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is solved by the subject matter of
Durch die Verwendung von Federelementen werden die unsymmetrischen Belastungen, welche beim Fahren an den Rädern entstehen, aufgenommen. Dadurch muss der Lenkaktuator weniger Kräfte aufbringen. Die entstehenden Kräfte und Momente hängen von der jeweiligen Fahrsituation, wie Lenk-winkel, Gaspedalstellung und Bremswunsch ab. Deshalb ist eine vollständige Kompensation durch ein passives System nicht erreichbar.The use of spring elements absorbs the asymmetrical loads that occur on the wheels when driving. As a result, the steering actuator has to apply less force. The resulting forces and moments depend on the respective driving situation, such as the steering angle, accelerator pedal position and brake request. Therefore, complete compensation cannot be achieved with a passive system.
Für diese Erfindung können translatorische oder rotatorische Lenkaktuatoren für eine Einzelradlenkung verwendet werden. Bei translatorischen Lenkaktuatoren werden meist Zahnstangengetriebe oder Kugelmuttergetriebe eingesetzt. Bei rotatorischen Lenkaktuatoren werden meist Zahnrad- oder Riemengetriebe eingesetzt.For this invention, translational or rotary steering actuators can be used for single wheel steering. Rack and pinion gears or ball nut gears are usually used for translational steering actuators. In the case of rotary steering actuators, gear or belt drives are usually used.
In einer ersten Ausführungsform werden die Lenkaktuatoren auf beiden Seiten durch eine Feder gekoppelt. Die Feder wird ohne Vorspannung verbaut. Demnach führt ein paralleler Lenkeinschlag, wie er bei einer Kurvenfahrt auftritt, zu keinen oder nur sehr kleinen Kräften in der Feder.In a first embodiment, the steering actuators are coupled on both sides by a spring. The spring is installed without preload. Accordingly, a parallel steering angle, as occurs when cornering, leads to no or only very small forces in the spring.
In einer zweiten Ausführungsform werden die Lenkaktuatoren über die Federn mit dem Gehäuse verbunden. Da hier ein deutlich größerer Weg ermöglicht werden muss, müssen diese Federn deutlich weicher sein. Sie unterstützen jedoch die bereits beschriebene Funktionsweise. Im Falle eines Ausfalls wirken sie stabilisierend auf das Rad und in statischen Situationen verringern sie die benötigte Haltekraft des Aktors.In a second embodiment, the steering actuators are connected to the housing via the springs. Since a significantly greater path must be made possible here, these springs must be significantly softer. However, they support the functionality already described. In the event of a failure, they have a stabilizing effect on the wheel and in static situations they reduce the required holding force of the actuator.
Im Fehlerfall ist durch diese Federn jedoch maximal ein Notbetrieb möglich, da die Kräfte für den vollen Funktionsumfang nicht ausreichen werden. Die gegenüber dem Gehäuse abgestützten Federn unterstützen so die Rückführungseigenschaften wie bei einer konventionellen Lenkungskonfiguration. Die Federsteifigkeiten könnten entsprechend gewählt werden, sodass eine Veränderung von Fahrwerksparametern wie Nachlauf durch die Feder kompensiert werden kann. Dies kann Freiheiten bei dem Fahrwerksentwurf für Einzelradsteller ermöglichen.In the event of a fault, however, these springs allow emergency operation at most, since the forces will not be sufficient for the full range of functions. The springs supported against the housing support the feedback properties as in a conventional steering configuration. The spring stiffness could be selected accordingly, so that a change in chassis parameters such as caster can be compensated by the spring. This can allow freedom in the chassis design for individual wheel actuators.
Verschiedene Ausführungsformen werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform der Erfindung -
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung -
3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung
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1 a first embodiment of the invention -
2 a second embodiment of the invention -
3 a third embodiment of the invention
In der
In der
In der
In den meisten Fahrsituationen ist der Differenzwinkel zwischen den beiden Rädern voraussichtlich klein, wodurch eine relativ steife Feder 6 verbaut werden kann. Es lässt sich zudem durch Wahl einiger Kenngrößen erreichen, dass die Feder 6 in der statischen Geradeausfahrt stets in dieselbe Richtung belastet wird. Das bedeutet, man könnte das System so auslegen, dass ein großer Differenzwinkel in eine Richtung problemlos bei kleinen Kräften erreicht werden kann. In diesem Fall muss die Feder lediglich einseitig wirken.In most driving situations, the differential angle between the two wheels is likely to be small, which means that a relatively
Für die Federn 4 und 5 kann die Achsauslegung ebenfalls derart erfolgen, dass die Krafteinwirkung der Federn nur in eine Richtung nötig ist. Diese sind in diesem Beispiel (Positionierung der Lenkung im Fahrzeug in Fahrtrichtung hinter der Achse) nur dann aktiv, wenn der Aktor von der Mittellage gesehen ausfährt. Da die größten Aktorkräfte entstehen, wenn der Aktor maximal einfährt, erhöht sich die maximal erforderliche Aktorkraft durch diese Ausführung der Federn nicht.For the
Weiterhin können Federn mit nichtlinearer Kennlinie verwendet werden. Dadurch kann z.B. für Feder 6 erreicht werden, dass die benötigte Aktorkraft ab einem bestimmten Differenzwinkel zwischen den beiden Aktorpositionen nicht weiter ansteigt. Für Feder 4 und 5 ist es besonders vorteilhaft, wenn die Federkraft um die Mittellage der Aktoren aktiv ist und in Richtung Endpositionen nicht zu weit ansteigt.Furthermore, springs with a non-linear characteristic can be used. In this way it can be achieved, e.g. It is particularly advantageous for
Durch das Verbinden der Lenkaktuatoren auf beiden Seiten mit Federelementen bleibt beim Ausfall eines Lenkaktors eine Restfunktionalität erhalten. In diesem Fall ist das Rad mit dem ausgefallenen Aktor immer noch über das Federelement mit dem anderen Aktor verbunden. Dies ermöglicht es, in einem gewissen Rahmen, Lenkkräfte auf das Rad mit dem ausgefallenen Aktor zu übertragen und so eine Restfunktionalität zu gewährleisten.By connecting the steering actuators on both sides with spring elements, residual functionality is retained if one steering actuator fails. In this case, the wheel with the failed actuator is still connected to the other actuator via the spring element. This makes it possible, to a certain extent, to transfer steering forces to the wheel with the failed actuator and thus to ensure residual functionality.
Die Federn können nicht nur eine positionsabhängige Kraft erzeugen, sondern auch je nach Ausführung eine Dämpfungswirkung. Die Dämpfung des Systems sollte nicht zu groß werden, um dynamische Manöver zu behindern. Eine gewisse Dämpfung kann jedoch durchaus vorteilhaft sein um Störungen und somit Kraftspitzen vom Aktor fernzuhalten. In konventionellen Lenkungen basierte das Ausfallkonzept der Lenkunterstützung auf einer geringen Dämpfung und Reibung, damit das Fahrzeug lenkbar bleibt. Dies kann bei hohen äußeren Kräften und schnellen Lenkmanövern Schwierigkeiten bereiten. Durch eine geschickte Wahl der Federelemente oder eine Kombination mit speziellen Dämpfungselementen kann eine Verbesserung des Systemverhaltens erzielt werden. Dämpfungselemente, mit richtungsabhängig unterschiedlichem Verhalten sind schon lange Stand der Technik. Hiermit wäre es auch denkbar, ein dynamisches Zurücklenken zur Geradeausstellung schwächer zu dämpfen als das Einlenken.The springs can not only generate a position-dependent force, but also a damping effect depending on the design. The damping of the system should not be too great in order to impede dynamic manoeuvres. A certain amount of damping can, however, be advantageous in order to keep disturbances and thus force peaks away from the actuator. In conventional steering systems, the steering assistance failure concept is based on low damping and friction so that the vehicle remains steerable. This can cause difficulties with high external forces and fast steering manoeuvres. A clever choice of spring elements or a combination with special damping elements can improve the system behavior. Dampening elements that behave differently depending on the direction have long been state of the art. It would also be conceivable to dampen a dynamic return to the straight-ahead position to a lesser extent than turning in.
Claims (8)
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DE102021206473.6A DE102021206473A1 (en) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | Independent wheel steering for a motor vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102021206473.6A DE102021206473A1 (en) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | Independent wheel steering for a motor vehicle |
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DE102021206473A1 true DE102021206473A1 (en) | 2022-12-29 |
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Family Applications (1)
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DE102021206473.6A Pending DE102021206473A1 (en) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | Independent wheel steering for a motor vehicle |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016204560A1 (en) | 2016-03-18 | 2017-09-21 | Ford Global Technologies, Llc | Steering system for a steerable vehicle |
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2021
- 2021-06-23 DE DE102021206473.6A patent/DE102021206473A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016204560A1 (en) | 2016-03-18 | 2017-09-21 | Ford Global Technologies, Llc | Steering system for a steerable vehicle |
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