DE102022110326A1

DE102022110326A1 - Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer

Info

Publication number: DE102022110326A1
Application number: DE102022110326.9A
Authority: DE
Inventors: Joseph Gissler; Sebastian Müller; Benjamin Severin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit (1) zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs (2) durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System (3), umfassend ein mit einer ersten drehbar gelagerten Welle (4) wirkverbundenes Lenkmittel (5), wobei eine eine Lenkrichtung repräsentierende Aktuierung des Lenkmittels (5) eine Drehung der Welle (4) bewirkt, sowie einen Force-Feedback-Aktuator (6), welcher mit der ersten Welle (4) so gekoppelt ist, dass die erste Welle (4) durch den Force-Feedback-Aktuator (6) mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist, wobei die erste Welle (4) mit einem ersten Hydraulikzylinder (7) gekoppelt ist, der wenigstens einen ersten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (9) aufweist, und der Force-Feedback-Aktuator (6) mit einer zweiten Welle (11) verbunden ist, welche ihrerseits mit einem zweiten Hydraulikzylinder (12) gekoppelt ist, der wenigstens einen zweiten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (23) aufweist, wobei der erste Hydraulikraum (9) des ersten Hydraulikzylinders (7) mit dem zweiten Hydraulikraum (23) des zweiten Hydraulikzylinders (12) hydraulisch verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System, umfassend ein mit einer ersten drehbar gelagerten Welle wirkverbundenes Lenkmittel, wobei eine eine Lenkrichtung repräsentierende Aktuierung des Lenkmittels eine Drehung der Welle bewirkt, sowie einen Force-Feedback-Aktuator, welcher mit der ersten Welle so gekoppelt ist, dass die erste Welle durch den Force-Feedback-Aktuator mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist.
Elektrische Lenkvorrichtungen dienen - unter anderem in Kraftfahrzeugen - dazu, einen Richtungswunsch eines Fahrers entgegenzunehmen und in entsprechende Bewegungen eines oder mehrerer Räder umzusetzen. Gegenüber rein mechanischen Lenkvorrichtungen unterscheidet man bei elektrischen Lenkvorrichtungen zwischen elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen sowie vollständig elektrischen Lenkvorrichtungen, sogenannten „Steer-by-Wire“-Lenkvorrichtungen. Insbesondere diese Steer-by-Wire-Lenkvorrichtungen haben den Vorteil, dass die Bedieneinheit unabhängig von mechanischen Verbindungskomponenten relativ frei innerhalb des Fahrzeuges positioniert werden kann, was neben einer Kostenersparnis bei der Unterscheidung von z.B. rechts- und linksgelenkten Fahrzeugen zudem zu einem verbesserten Unfallverhalten durch Fehlen einer Lenksäule führt. Weiterhin kann die Bedieneinheit in eine Verstauposition gebracht werden, welche z.B. auch bei vollständig automatischem Lenken genutzt wird.
Unter einem Steer-By-Wire-Lenksystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Lenkungssystem zu verstehen, welches im Wesentlichen aus einem sogenannten Hand Wheel Aktuator (HWA), beispielsweise der Aktuatorik um das befehlsgebende Fahrzeug-Lenkrad herum, und einem Road Wheel Aktuator (RWA), also der auf die mit den Fahrzeugrädern verbundene Lenkmechanik wirkenden Aktuatorik, besteht. Per Leitung („by wire“) wird dabei das Lenksignal vom HWA zum RWA übertragen.
Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart die DE 10 2015 224 602 A1 eine verstellbare Lenksäule für eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Stelleinheit, die eine in einer Manteleinheit um eine Längsachse drehbar gelagerte Lenkspindel umfasst, wobei die Manteleinheit ein erstes Mantelrohr aufweist, in dem zumindest ein zweites Mantelrohr bezüglich der Längsachse drehfest angeordnet und teleskopierend axial verschiebbar gelagert ist, wobei mit dem ersten und dem zweiten Mantelrohr ein Stellantrieb verbunden ist, von dem das zweite Mantelrohr relativ zum ersten Mantelrohr axial ein- und ausfahrbar ist, und der einen Spindeltrieb umfasst mit einer parallel zur Längsachse angeordneten, von einem elektrischen Stellmotor drehend antreibbaren Gewindespindel die sich an einem Mantelrohr abstützt und die in eine Spindelmutter eingeschraubt ist, die drehfest an dem anderen Mantelrohr angebracht ist, wobei die Gewindespindel sich innerhalb des ersten Mantelrohrs erstreckt, und die Spindelmutter an dem zweiten Mantelrohr angebracht ist
Der DE 10 2018 212 696 B3 ist weiterhin ein Verstellantrieb für eine motorisch verstellbare Lenksäule für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine motorische Antriebseinheit und eine Außen-Gewindespindel, die ein Außengewinde und ein koaxiales Innengewinde aufweist, in das eine Innen-Gewindespindel eingreift, wobei die Außen-Gewindespindel und die Innen-Gewindespindel von der Antriebseinheit relativ zueinander um eine Achse drehend antreibbar sind. Um einen Verstellantrieb zur Verfügung zu stellen, der ein geringeres Antriebsmoment erfordert und einen optimierten freien Verstellweg bietet, schlägt die DE 10 2018 212 696 B3 vor, dass die Außen-Gewindespindel mit ihrem Außengewinde in eine Antriebsmutter eingreift, wobei die Antriebsmutter oder die Innen-Gewindespindel von der Antriebseinheit drehend antreibbar ist und in Richtung der Achse relativ zur Antriebseinheit abgestützt ist.
In Hinsicht auf die Weiterentwicklung in Richtung autonomes Fahren, möchte man dem Fahrer des Fahrzeugs die Möglichkeit eröffnen das Lenkrad im autonomen Fahrbetrieb nahezu vollständig in Richtung der Armaturentafel einzufahren, um einen verbesserten Komfortbereich ohne ein möglicherweise als störend empfundenes Lenkrad zu erzielen, was auch vollständig neue Gestaltungskonzepte der Fahrgastzelle erlaubt.
Bei derartigen, neuen Gestaltungen der Fahrgastzelle in autonom fahrenden Kraftfahrzeugen ergeben sich häufig besondere Anforderungen an das einzufahrende Lenkrad, insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Verfahrweges, welcher in der Regel wesentlich größer ist, als der Verfahrweg für eine ausfahrbare Lenksäule bei einem nicht-autonom fahrenden Automobil.
Größere Verfahrwege über längere Spindeln mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen umzusetzen, sind hinsichtlich Bauraum und Stabilität kritisch. Beispielsweise müsste bei den konventionellen Konzepten die Spindel länger als die Lenksäule ausgeführt werden müssen, was beim Einfahren zu einer Kollision mit dem Lenkrad führt. Außerdem wird die passive Fahrzeugsicherheit deutlich verschlechtert, da so ein Penetrator in Fahrer-Richtung vorhanden ist.
Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik ferner bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungs-Signal zu bilden, welches in einen Force-Feedback-Aktuator eingespeist wird. Der Force-Feedback-Aktuator ist in die Eingabeeinheit integriert und weist eine Aktuatoreinheit auf, die einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb umfasst, und die abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückkopplungsmoment (Feedbackmoment) über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige „Force-feedback“-Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
Aus der DE 102008036730 A1 ist ein Steer-by-wire-Lenksystem mit einer Eingabeeinheit bekannt, die eine von einem Elektromotor angetriebene Aktuatoreinheit aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkwelle gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkwelle eingekoppelten Handmoment. Dabei ist der Elektromotor bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkwelle verbunden. Eine gleichartig aufgebaute Aktuatoreinheit ist in der EP 2414211 B1 dargestellt. In der darin beschriebenen Ausführung bildet die Lenkwelle selbst die Motorwelle des Elektromotors, sodass ein kompakterer Aufbau realisiert werden kann.
Vor diesem Hintergrund Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine, gegenüber dem Stand der Technik, verbesserte Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System, umfassend ein mit einer ersten drehbar gelagerten Welle wirkverbundenes Lenkmittel, wobei eine eine Lenkrichtung repräsentierende Aktuierung des Lenkmittels eine Drehung der Welle bewirkt, sowie einen Force-Feedback-Aktuator, welcher mit der ersten Welle so gekoppelt ist, dass die erste Welle durch den Force-Feedback-Aktuator mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist, wobei die erste Welle mit einem ersten Hydraulikzylinder gekoppelt ist, der wenigstens einen ersten mit einem Hydraulikfluid befüllten Hydraulikraum aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im ersten Hydraulikzylinder versetzbaren ersten Hydraulikkolben veränderbar ist, wobei der erste Hydraulikkolben derart mit der ersten Welle gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle einen translatorischen Versatz des Hydraulikkolbens in dem ersten Hydraulikzylinder bewirkt, und der Force-Feedback-Aktuator mit einer zweiten Welle verbunden ist, welche ihrerseits mit einem zweiten Hydraulikzylinder gekoppelt ist, der wenigstens einen zweiten mit einem Hydraulikfluid befüllten Hydraulikraum aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder versetzbaren zweiten Hydraulikkolben veränderbar ist, wobei der zweite Hydraulikkolben derart mit der zweiten Welle gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle einen translatorischen Versatz des zweiten Hydraulikkolbens in dem zweiten Hydraulikzylinder bewirkt, wobei der erste Hydraulikraum des ersten Hydraulikzylinders mit dem zweiten Hydraulikraum des zweiten Hydraulikzylinders hydraulisch verbunden ist.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass durch die bauliche Trennung des Force-Feedback-Aktuators und dem Lenkmittel besonders kompakt bauende Konfigurationen einer Bedieneinheit ermöglicht werden, da insbesondere der zweite Hydraulikzylinder mit dem Force-Feedback-Aktuator beliebig zu dem ersten Hydraulikzylinder angeordnet werden kann, wodurch eine gegebene Bauraumsituation im Bereich der Bedieneinheit eines Fahrzeugs besser und flexibler ausgenutzt werden kann.
Ferner ist es durch diese bauliche Trennung auch möglich, größere Verstellwege eines Teleskopauszugs zu realisieren, da der entsprechend „freiwerdende“ Bauraum für den Force-Feedback-Aktuator hierfür genutzt werden kann.
Des Weiteren kann das NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) der Bedieneinheit stark verbessert werden, da das Hydraulikfluid diesbezüglich eine dämpfende Wirkung besitzt, sowie eine starke Reduktion der mechanischen Verbindungsstellen realisiert werden kann, welche in der Regel ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Geräuschentwicklung beim Betrieb der Bedieneinheit aufweisen.
Auch kann eine im Vergleich zu einem rein mechanischen System durch die Verwendung eines hydraulischen Systems, wie es erfindungsgemäß in der Bedieneinheit realisiert ist, eine Bauteilreduzierung realisiert werden, was auch zu einer entsprechenden Kostenreduzierung beitragen kann.
Erfindungsgemäß wird in der Bedieneinheit über die Drehbewegung am Lenkmittel, beispielsweise eines Lenkrads, eine axiale Verschiebung des ersten Hydraulikkolbens innerhalb eines mit Hydraulikflluid befüllten ersten Hydraulikzylinders erzeugt. Der erste Hydraulikzylinder ist mit einem zweiten Hydraulikzylinder, der individuell je nach Bauraumverhältnissen platziert werden kann, verbunden. Der zweite Hydraulikzylinder ist mit dem Force-Feedback-Aktuator verbunden, über dessen Rotationsbewegung wird ebenfalls eine translatorische Bewegung im zweiten Hydraulikzylinder erzeugt. Durch die hydraulische Kopplung der beiden Hydraulikzylinder kann mit dem Force-Feedback-Aktuator die notwendige Gegenkraft an dem Lenkmittel bereitgestellt werden. Auch ist es hiermit grundsätzlich auch möglich, das Lenkmittel ohne Einflussnahme durch den Fahrer zu aktuieren, so dass die Bedieneinheit insbesondere auch für eine Verwendung in autonom fahrenden Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Das Lenkmittel kann bevorzugt als Lenkrad ausgeführt sein. Grundsätzlich wäre es auch möglich, das Lenkmittels beispielsweise auch als Joystick auszubilden.
Der Force-Feedback-Aktuator kann insbesondere als elektrischer Motor ausgebildet sein. Der Motor kann als Axialflussmotor oder Radialflussmotor ausgeführt sein. Ferner ist es möglich einen als Radialflussmotor konfigurierten Motor als Innenläufer oder Außenläufer auszuführen.
Bevorzugt ist der Motor ist über eine Rotorwelle mit einer Aktormechanik gekoppelt, die einen Spindeltrieb umfasst. Ebenfalls bevorzugt ist das Lenkmittel über eine Welle mit einer Aktormechanik gekoppelt, die einen Spindeltrieb umfasst. Ein Spindeltrieb wandelt mithilfe einer Spindel und einer Spindelmutter, welche miteinander getrieblich gekoppelt sind, eine Rotationsbewegung der Spindel in eine Linearbewegung der Spindelmutter um. Ein Spindeltrieb kann in seiner einfachsten Form aus der Spindel und der Spindelmutter gebildet sein, wobei das Gewinde der Gewindespindel direkt in einem korrespondierenden Innengewinde der Gewindespindelmutter kämmt. Um diese Reibungsverluste zu minimieren, kann der Spindeltrieb auch als Rollengewindespindeltrieb ausgeführt sei, bei denen zwischen der Spindel und der Spindelmutter Rollen oder Kugeln angeordnet sind, so dass an den kämmenden Gewindeflanken eine Roll-bzw. Wälzbewegung realisiert wird, was zu signifikant besseren Wirkungsgraden der Spindeltriebmechanik führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es somit auch vorgesehen sein, dass die erste Welle einen erste Spindelabschnitt aufweist, der mit einer ersten Spindelmutter derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle einen translatorischen Versatz der ersten Spindelmutter bewirkt, wobei die erste Spindelmutter mit dem ersten Hydraulikkolben wirkverbunden ist, und/oder die zweite Welle einen zweiten Spindelabschnitt aufweist, der mit einer zweiten Spindelmutter derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle einen translatorischen Versatz der zweiten Spindelmutter bewirkt, wobei die zweite Spindelmutter mit dem zweiten Hydraulikkolben wirkverbunden ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierdurch ein kostengünstiger und betriebssicherer Spindeltrieb zur Verfügung gestellt werden kann.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Welle den ersten Hydraulikzylinder durchgreift und die erste Spindelmutter innerhalb des ersten Hydraulikzylinders angeordnet ist, und/oder die zweite Welle den zweiten Hydraulikzylinder durchgreift und die zweite Spindelmutter innerhalb des zweiten Hydraulikzylinders angeordnet ist, was zu einer entsprechend kompakten Bauform der Bedieneinheit und einer möglichst geringen Anzahl an notwendigen Bauteilen beiträgt.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Spindelmutter und der erste Hydraulikkolben einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind, und/oder die zweite Spindelmutter und der zweite Hydraulikkolben einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind. Hierdurch kann insbesondere die Bauteilkomplexität der Bedieneinheit sowie deren Herstellkosten weiter reduziert werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Lenkmittel und der erste Hydraulikzylinder eine erste bauliche Einheit bilden, und/oder der Force-Feedback-Aktuator und der zweite Hydraulikzylinder eine zweite bauliche Einheit bilden, wodurch deren individuelle Anordnung zueinander vereinfacht werden kann. Ferner kann durch diese Vorkonfiguration die Montage der modulartigen baulichen Einheiten erleichtert werden.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der erste Hydraulikzylinder einen dritten mit einem Hydraulikfluid befüllten Hydraulikraum aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im ersten Hydraulikzylinder versetzbaren ersten Hydraulikkolben veränderbar ist, und der zweite Hydraulikzylinder einen vierten mit einem Hydraulikfluid befüllten Hydraulikraum aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder versetzbaren zweiten Hydraulikkolben veränderbar ist, und der dritte Hydraulikraum des ersten Hydraulikzylinders mit dem vierten Hydraulikraum des zweiten Hydraulikzylinders hydraulisch verbunden ist,
wobei der erste Hydraulikraum und der dritte Hydraulikraum des ersten Hydraulikzylinders durch den Versatz des ersten Hydraulikkolbens gegenläufige Volumenveränderungen erfahren und der zweite Hydraulikraum und der vierte Hydraulikraum des zweiten Hydraulikzylinders durch den Versatz des zweiten Hydraulikkolbens eine gegenläufige Volumenveränderung erfahren.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass zum Versatz der Hydraulikkolben kein Aufbau von Druck und Unterdruck, wie beim Vorhandensein lediglich eines Druckraums, notwendig ist, sondern lediglich ein Aufbau von Druck, was sowohl den Betrieb dieser Ausführungsform, deren Steuerung sowie Abdichtung erleichtert.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Hydraulikraum des ersten Hydraulikzylinders und dem zweiten Hydraulikraum des zweiten Hydraulikzylinders durch eine erste flexible Hydraulikleitung hergestellt ist und/oder die hydraulische Verbindung zwischen dem dritten Hydraulikraum des ersten Hydraulikzylinders und dem vierten Hydraulikraum des zweiten Hydraulikzylinders durch eine zweite flexible Hydraulikleitung hergestellt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die beiden Hydraulikzylinder in einer beliebigen Anordnung zueinander positionierbar sind. Ferner erleichtert die Flexibilität der Hydraulikleitung deren Montage in einem beengten Bauraum.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Hydraulikzylinder innerhalb eines inneren Führungsrohres eines Teleskopauszugs der Bedieneinheit angeordnet ist, wodurch sich eine besonders kompakte Ausführung der Bedieneinheit erreichen lässt.
Es ist daher auch bevorzugt, dass der erste Hydraulikzylinder eine zylindrische Form aufweist, die der inneren Mantelkontur des inneren Führungsrohres angepasst ist. Die Querschnittskontur des ersten Hydraulikzylinders kann eine von der Kreisform abweichende Außenkontur aufweisen, insbesondere dann, wenn die innere Mantelkontur des inneren Führungsrohres eine von der Kreisform abweichende Mantelkontur aufweist. Beispielsweise kann die Querschnittskontur des ersten Hydraulikzylinders und die innere Mantelkontur des inneren Führungsrohres polygonartig, insbesondere achteckig, ausgeführt sein.
Auch wäre es denkbar, dass der erste Hydraulikzylinder das innere Führungsrohr bildet.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die erste Hydraulikleitung zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, axial durch den Teleskopauszug verläuft, wodurch die Hydraulikleitung zum einen innerhalb des Führungsrohres vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt ist und sich zum anderen eine besonders betriebssichere Anbindung des ersten Hydraulikzylinders realisieren lässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Hydraulikzylinder und der zweite Hydraulikzylinder im Wesentlichen baugleich ausgeführt, was ebenfalls zu einer Reduzierung der Bauteilkomplexität der Bedieneinheit beiträgt.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, dass ein erster Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels an oder in dem ersten Hydraulikzylinder und/oder ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels in oder an dem zweiten Hydraulikzylinder und/oder ein dritter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels in oder an dem Force-Feedback-Aktuator angeordnet ist. Hierdurch kann insbesondere eine redundante Absicherung der Lenkung bereitgestellt werden.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der erste Hydraulikkolben einen ersten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag und/oder einen zweiten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag aufweist, und/oder der zweite Hydraulikkolben einen dritten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag und/oder einen vierten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag aufweist. Hierdurch können die durch die Bedieneinheit erlaubten Lenkbewegungen mechanisch sicher begrenzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine erste Ausführungsform einer Bedieneinheit in einer schematischen Schnittdarstellung,
2 eine zweite Ausführungsform einer Bedieneinheit in einer schematischen Schnittdarstellung,
3 eine dritte Ausführungsform einer Bedieneinheit in einer schematischen Schnittdarstellung,
4 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-by-Wire-System in einer schematischen Blockschaltansicht.

Die 1 zeigt eine Bedieneinheit 1 zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs 2 durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System 3, wie es exemplarisch auch in der 4 skizziert ist. Man erkennt dort, dass das Steer-By-Wire-System 3 die über den Teleskopauszug 27 längenverstellbare Bedieneinheit 1 sowie einen Lenkaktuator 32 besitzt, der die Lenkbefehle in eine entsprechende Radstellung des Kraftfahrzeugs 2 umwandelt. Die Übertragung der Lenkbefehle von der Bedieneinheit 1 zum Lenkaktuator 32 erfolgt kabelgebunden oder kabellos, was durch die gepunktete Linie angedeutet ist. Die Bedieneinheit 1 besitzt ein Lenkmittel 5 in Form eines Lenkrads, dass von einem Benutzer gedreht werden kann.
Die Bedieneinheit 1 umfasst - wie in der 1 gezeigt - ein mit einer ersten drehbar gelagerten Welle 4 wirkverbundenes Lenkmittel 5, wobei eine eine Lenkrichtung repräsentierende Aktuierung des Lenkmittels 5 eine Drehung der Welle 4 bewirkt. In dem gezeigten Beispiel ist das Lenkmittel 5 hierzu direkt auf der Welle 4 angeordnet. Die Bedieneinheit 1 besitzt ferner einen Force-Feedback-Aktuator 6, welcher mit der ersten Welle 4 so gekoppelt ist, dass die erste Welle 4 durch den Force-Feedback-Aktuator 6 mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist. Dies wird nachstehend näher erläutert.
Die erste Welle 4 ist mit einem ersten Hydraulikzylinder 7 gekoppelt, der wenigstens einen ersten mit einem Hydraulikfluid 8 befüllten Hydraulikraum 9 aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im ersten Hydraulikzylinder 7 versetzbaren ersten Hydraulikkolben 10 veränderbar ist, wobei der erste Hydraulikkolben 10 derart mit der ersten Welle 4 gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle 4 einen translatorischen Versatz des Hydraulikkolbens 10 in dem ersten Hydraulikzylinder 7 bewirkt.
Der Force-Feedback-Aktuator 6 ist mit einer zweiten Welle 11 verbunden, welche ihrerseits mit einem zweiten Hydraulikzylinder 12 gekoppelt ist, der wenigstens einen zweiten mit einem Hydraulikfluid 8 befüllten Hydraulikraum 23 aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder 12 versetzbaren zweiten Hydraulikkolben 13 veränderbar ist, wobei der zweite Hydraulikkolben 13 derart mit der zweiten Welle 11 gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle 11 einen translatorischen Versatz des zweiten Hydraulikkolbens 13 in dem zweiten Hydraulikzylinder 12 bewirkt.
Der erste Hydraulikraum 9 des ersten Hydraulikzylinders 7 ist mit dem zweiten Hydraulikraum 23 des zweiten Hydraulikzylinders 12 hydraulisch verbunden. Hierdurch wird bei einer Verkleinerung des ersten Hydraulikraums 9 durch eine Lenkbewegung ein hydraulischer Druck aufgebaut, welcher durch die hydraulische Kopplung dann auch in dem zweiten Hydraulikraum 23 anliegt. Die Größe dieses hydraulischen Drucks kann dann durch die Größe des zweiten Hydraulikraums 23 gesteuert werden, wodurch folglich auch das Widerstandsmoment am Lenkmittel 5 eingestellt werden kann.
Durch eine entsprechend geschickte und abgestimmte Steuerung des hydraulischen Drucks in dem ersten Hydraulikraum 9 und des zweiten Hydraulikraums 23 kann dann das von dem Fahrer am Lenkmittel 5 wahrgenommene Lenkgefühl exakt eingestellt werden.
Neben dieser Modellierung des Lenkgefühls am Lenkmittel 5 ist es durch das gezeigte hydraulische System auch möglich, mittels einer Druckerhöhung durch eine Reduzierung des zweiten Hydraulikraums 23 eine Druckerhöhung im ersten Hydraulikraum 9 zu erzeugen, welche auf den ersten Hydraulikkolben 10 einwirkt und so groß sein kann, dass der Hydraulikkolben 10 linear versetzt wird, was über den zwischen der ersten Welle 4 und dem ersten Hydraulikkolben ausgebildeten Spindeltrieb dann in eine Drehbewegung der ersten Welle 4 umgewandelt wird. Insofern weist der Spindeltrieb der ersten Welle 4, bestehend aus dem ersten Spindelabschnitt 14 und der ersten Spindelmutter 15, die auch den ersten Hydraulikkolben 10 bildet, keine Selbsthemmung auf. Hierdurch kann die Bedieneinheit 1 auch selbstständig Lenkbewegungen ausführen, was insbesondere für ein autonom fahrendes Kraftfahrzeug von Bedeutung ist.
Die Lenkbewegung des Lenkmittels 5 in einer ersten Richtung kann beispielsweise durch einen Druckaufbau durch eine Verkleinerung des zweiten Hydraulikraums 23 bewirkt werden, während ein Unterdruck durch eine Vergrößerung des zweiten Hydraulikraums 23 eine Lenkbewegung des Lenkmittels 5 in eine zweite Richtung erzeugt.
Die erste Welle 4 weist einen ersten Spindelabschnitt 14 auf, der mit einer ersten Spindelmutter 15 derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle 4 einen translatorischen Versatz der ersten Spindelmutter 15 bewirkt, wobei die erste Spindelmutter 15 mit dem ersten Hydraulikkolben 10 wirkverbunden ist.
Analog hierzu besitzt die zweite Welle 11 einen zweiten Spindelabschnitt 16, der mit einer zweiten Spindelmutter 17 derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle 11 einen translatorischen Versatz der zweiten Spindelmutter 17 bewirkt, wobei die zweite Spindelmutter 17 mit dem zweiten Hydraulikkolben 13 wirkverbunden ist.
Die erste Welle 4 durchgreift den ersten Hydraulikzylinder 7 und die erste Spindelmutter 15 ist innerhalb des ersten Hydraulikzylinders 7 angeordnet. Auch die zweite Welle 11 durchgreift den zweiten Hydraulikzylinder 12 und die zweite Spindelmutter 17 ist auch hier innerhalb des zweiten Hydraulikzylinders 12 angeordnet.
Die erste Spindelmutter 15 und der erste Hydraulikkolben 10 sind einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet. Auch die zweite Spindelmutter 17 und der zweite Hydraulikkolben 13 sind einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeformt.
Der erste Hydraulikkolben 10 besitzt einen ersten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag 28 und einen zweiten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag 29. Auch der zweite Hydraulikkolben 13 weist einen dritten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag 30 und einen vierten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag 31 auf.
Man erkennt hieran, dass der erste Hydraulikzylinder 7 und der zweite Hydraulikzylinder 12 im Wesentlichen funktionsidentisch ausgeführt sind. Es wäre grundsätzlich auch möglich - anders als in den Figuren gezeigt - die Hydraulikzylinder 7,12 im Wesentlichen identisch auszuführen, was die Bauteilkomplexität und damit auch die Kosten der Bedieneinheit 1 senken kann.
Das Lenkmittel 5 und der erste Hydraulikzylinder 7 bilden eine erste bauliche Einheit 18. Der Force-Feedback-Aktuator 6 und der zweite Hydraulikzylinder 12 bilden eine zweite bauliche Einheit 19, was durch die gestrichelten Bereiche in der 1 und 2 angedeutet ist. Man erkennt anhand dieser Darstellung gut, dass sich diese baulichen Einheiten 18,19 dann gut separat voneinander in einem gegebenen Bauraum anordnen lassen. Die hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Hydraulikraum 9 des ersten Hydraulikzylinders 7 und dem zweiten Hydraulikraum 23 des zweiten Hydraulikzylinders 12 ist dabei durch eine erste flexible Hydraulikleitung 24 hergestellt, beispielsweise einen Hydraulikschlauch.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der der erste Hydraulikzylinder 7 einen dritten mit einem Hydraulikfluid 8 befüllten Hydraulikraum 20 aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im ersten Hydraulikzylinder 7 versetzbaren ersten Hydraulikkolben 10 veränderbar ist, und der zweite Hydraulikzylinder 12 einen vierten mit einem Hydraulikfluid 8 befüllten Hydraulikraum 21 aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder 12 versetzbaren zweiten Hydraulikkolben 13 veränderbar ist. Der dritte Hydraulikraum 20 des ersten Hydraulikzylinders 7 ist dabei mit dem vierten Hydraulikraum 23 des zweiten Hydraulikzylinders 12 hydraulisch verbunden, wobei der erste Hydraulikraum 9 und der dritte Hydraulikraum 20 des ersten Hydraulikzylinders 7 durch den Versatz des ersten Hydraulikkolbens 10 gegenläufige Volumenveränderungen erfahren und der zweite Hydraulikraum 23 und der vierte Hydraulikraum 21 des zweiten Hydraulikzylinders 12 durch den Versatz des zweiten Hydraulikkolbens 13 eine gegenläufige Volumenveränderung erfahren.
Die hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Hydraulikraum 9 des ersten Hydraulikzylinders 7 und dem zweiten Hydraulikraum 23 des zweiten Hydraulikzylinders 12 ist durch eine erste flexible Hydraulikleitung 24 hergestellt und die hydraulische Verbindung zwischen dem dritten Hydraulikraum 20 des ersten Hydraulikzylinders 7 und dem vierten Hydraulikraum 21 des zweiten Hydraulikzylinders 12 ist durch eine zweite flexible Hydraulikleitung 25 hergestellt.
Die 3 zeigt eine Ausführungsform der Bedieneinheit 1, in welcher der erste Hydraulikzylinder 7 innerhalb eines inneren Führungsrohres 26 eines Teleskopauszugs 27 der Bedieneinheit 1 angeordnet ist. Die erste Hydraulikleitung 24 verläuft dabei zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, axial durch den Teleskopauszug 27. Man erkennt gut, dass sich der erste Hydraulikzylinder 7 auf einfache Weise in einen derartigen Teleskopauszug 27, wie er grundsätzlich aus dem Stand der Technik vorbekannt ist, integrieren lässt, so dass es keiner größeren konstruktiven Anpassungen für eine derartige Integration bedarf.
Um eine korrekte Funktionsweise der gezeigten Bedieneinheit 1 zu gewährleisten kann ein erster Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels 5 an oder in dem ersten Hydraulikzylinder 7 und/oder ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels 5 in oder an dem zweiten Hydraulikzylinder 12 und/oder ein dritter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels 5 in oder an dem Force-Feedback-Aktuator 6 angeordnet werden. Insbesondere lässt sich hiermit auch eine Redundanz in der sensorischen Erfassung der Lenkstellung des Lenkmittels 5 realisieren.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Bedieneinheit
2: Kraftfahrzeug
3: Steer-By-Wire-System
4: Welle
5: Lenkmittel
6: Force-Feedback-Aktuator
7: Hydraulikzylinder
8: Hydraulikfluid
9: Hydraulikraum
10: Hydraulikkolben
11: Welle
12: Hydraulikzylinder
13: Hydraulikkolben
14: Spindelabschnitt
15: Spindelmutter
16: Spindelabschnitt
17: Spindelmutter
18: Einheit
19: Einheit
20: Hydraulikraum
21: Hydraulikraum
23: Hydraulikraum
24: Hydraulikleitung
25: Hydraulikleitung
26: Führungsrohres
27: Teleskopauszug
28: Anschlag
29: Anschlag
30: Anschlag
31: Anschlag
32: Lenkaktuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015224602 A1 [0004]
DE 102018212696 B3 [0005]
DE 102008036730 A1 [0010]
EP 2414211 B1 [0010]

Claims

Bedieneinheit (1) zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs (2) durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System (3), umfassend • ein mit einer ersten drehbar gelagerten Welle (4) wirkverbundenes Lenkmittel (5), wobei eine eine Lenkrichtung repräsentierende Aktuierung des Lenkmittels (5) eine Drehung der Welle (4) bewirkt, sowie • einen Force-Feedback-Aktuator (6), welcher mit der ersten Welle (4) so gekoppelt ist, dass die erste Welle (4) durch den Force-Feedback-Aktuator (6) mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (4) mit einem ersten Hydraulikzylinder (7) gekoppelt ist, der wenigstens einen ersten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (9) aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im ersten Hydraulikzylinder (7) versetzbaren ersten Hydraulikkolben (10) veränderbar ist, wobei der erste Hydraulikkolben (10) derart mit der ersten Welle (4) gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle (4) einen translatorischen Versatz des Hydraulikkolbens (10) in dem ersten Hydraulikzylinder (7) bewirkt, und der Force-Feedback-Aktuator (6) mit einer zweiten Welle (11) verbunden ist, welche ihrerseits mit einem zweiten Hydraulikzylinder (12) gekoppelt ist, der wenigstens einen zweiten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (23) aufweist, dessen Volumen durch einen translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder (12) versetzbaren zweiten Hydraulikkolben (13) veränderbar ist, wobei der zweite Hydraulikkolben (13) derart mit der zweiten Welle (11) gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle (11) einen translatorischen Versatz des zweiten Hydraulikkolbens (13) in dem zweiten Hydraulikzylinder (12) bewirkt, wobei der erste Hydraulikraum (9) des ersten Hydraulikzylinders (7) mit dem zweiten Hydraulikraum (23) des zweiten Hydraulikzylinders (12) hydraulisch verbunden ist.
Bedieneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (4) einen erste Spindelabschnitt (14) aufweist, der mit einer ersten Spindelmutter (15) derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der ersten Welle (4) einen translatorischen Versatz der ersten Spindelmutter (15) bewirkt, wobei die erste Spindelmutter (15) mit dem ersten Hydraulikkolben (10) wirkverbunden ist, und/oder die zweite Welle (11) einen zweiten Spindelabschnitt (16) aufweist, der mit einer zweiten Spindelmutter (17) derart gekoppelt ist, dass eine Drehung der zweiten Welle (11) einen translatorischen Versatz der zweiten Spindelmutter (17) bewirkt, wobei die zweite Spindelmutter (17) mit dem zweiten Hydraulikkolben (13) wirkverbunden ist.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (4) den ersten Hydraulikzylinder (7) durchgreift und die erste Spindelmutter (15) innerhalb des ersten Hydraulikzylinders (7) angeordnet ist, und/oder die zweite Welle (11) den zweiten Hydraulikzylinder (12) durchgreift und die zweite Spindelmutter (17) innerhalb des zweiten Hydraulikzylinders (12) angeordnet ist.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spindelmutter (15) und der erste Hydraulikkolben (10) einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind, und/oder die zweite Spindelmutter (17) und der zweite Hydraulikkolben (13) einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkmittel (5) und der erste Hydraulikzylinder (7) eine erste bauliche Einheit (18) bilden, und/oder der Force-Feedback-Aktuator (6) und der zweite Hydraulikzylinder (12) eine zweite bauliche Einheit (19) bilden.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydraulikzylinder (7) einen dritten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (20) aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im ersten Hydraulikzylinder (7) versetzbaren ersten Hydraulikkolben (10) veränderbar ist, und der zweite Hydraulikzylinder (12) einen vierten mit einem Hydraulikfluid (8) befüllten Hydraulikraum (21) aufweist, dessen Volumen durch den translatorisch im zweiten Hydraulikzylinder (12) versetzbaren zweiten Hydraulikkolben (13) veränderbar ist, und der dritte Hydraulikraum (20) des ersten Hydraulikzylinders (7) mit dem vierten Hydraulikraum (23) des zweiten Hydraulikzylinders (12) hydraulisch verbunden ist, wobei der erste Hydraulikraum (9) und der dritte Hydraulikraum (20) des ersten Hydraulikzylinders (7) durch den Versatz des ersten Hydraulikkolbens (10) gegenläufige Volumenveränderungen erfahren und der zweite Hydraulikraum (23) und der vierte Hydraulikraum (21) des zweiten Hydraulikzylinders (12) durch den Versatz des zweiten Hydraulikkolbens (13) eine gegenläufige Volumenveränderung erfahren.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Hydraulikraum (9) des ersten Hydraulikzylinders (7) und dem zweiten Hydraulikraum (23) des zweiten Hydraulikzylinders (12) durch eine erste flexible Hydraulikleitung (24) hergestellt ist und/oder die hydraulische Verbindung zwischen dem dritten Hydraulikraum (20) des ersten Hydraulikzylinders (7) und dem vierten Hydraulikraum (21) des zweiten Hydraulikzylinders (12) durch eine zweite flexible Hydraulikleitung (25) hergestellt ist.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydraulikzylinder (7) innerhalb eines inneren Führungsrohres (26) eines Teleskopauszugs (27) der Bedieneinheit (1) angeordnet ist.
Bedieneinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hydraulikleitung (24) zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, axial durch den Teleskopauszug (27) verläuft.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydraulikkolben (10) einen ersten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag (28) und/oder einen zweiten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag (29) aufweist, und/oder der zweite Hydraulikkolben (13) einen dritten seinen translatorischen Versatz in einer ersten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag (30) und/oder einen vierten seinen translatorischen Versatz in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung mechanisch begrenzenden Anschlag (31) aufweist.
Bedieneinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels (5) an oder in dem ersten Hydraulikzylinder (7) und/oder ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels (5) in oder an dem zweiten Hydraulikzylinder (12) und/oder ein dritter Sensor zur Ermittlung der Drehwinkelstellung des Lenkmittels (5) in oder an dem Force-Feedback-Aktuator (6) angeordnet ist.