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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 einen aktuierbaren Teleskopauszug an dessen in Auszugsrichtung liegendem Ende ein Lenkrad drehbar gelagert ist, wobei der Teleskopauszug mit einem ersten elektromotorischen Antrieb zum Einfahren und Ausfahren des Teleskopauszugs gekoppelt ist und/oder die Bedieneinheit mit einem zweiten elektromotorischen Antrieb zur Höhenverstellung des Lenkrads gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Steer-by-Wire-System.
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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.
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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.
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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
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Da insbesondere elektrisch betriebene Fahrzeuge sehr leise fahren, steigen in diesem Zusammenhang auch stetig die akustischen Anforderungen an andere Systeme innerhalb eines elektrischen Fahrzeugs, so beispielsweise auch bei der elektromotorischen Verstellung eines Lenkrads.
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Bei sich außen an der Lenksäule befindlichen elektromotorischen Antrieben führt eine beidseitige Spindellagerung einer sich mit dem Lenkrad translatorisch mitbewegenden Spindel zu einem großen benötigten Bauraum und einem vergleichsweise komplexen Aufbau. Sowohl die Spindel als auch die Mutter müssen dabei an der gleichen Seite abgestützt werden. In Folge muss zwischen der beidseitigen Abstützung der Spindel genügend Platz für die Bewegung der Mutter und ihrer dazugehörigen Abstützung sein. Damit muss für mindestens eine Abstützung um den Bewegungsraum der anderen Abstützung gegriffen werden. Weiterhin sind bei einer beidseitigen Spindellagerung aufgrund der statischen Überbestimmung deutlich gesteigerte Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit vorhanden. In
DE102020203682 werden beidseitige Lagerungen der Spindel für koaxial in die Lenkradwelle integrierten elektromotorische Antriebe zur Längsverstellung aufgezeigt. Wird ein elektromotorischer Antrieb zur Höhenverstellung benötigt, so kann er sich funktionsbedingt nicht koaxial zur Lenkradwelle befinden
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Derartige elektromotorisch verstellbare Bedieneinheiten haben heute oftmals das Problem aufgrund ihres Aufbaus, die akustischen Vorgaben nicht mehr erfüllen zu können, die insbesondere bei einer Verwendung innerhalb von elektrischen Fahrzeugen gestellt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System, zu realisieren, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme verhindert oder zumindest reduziert und eine Bedieneinheit bereitstellt, die kostengünstig herstellbar, kompakt im Aufbau und akustisch unauffällig im Betrieb ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Steer-by-Wire-System bereitzustellen.
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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 einen aktuierbaren Teleskopauszug an dessen in Auszugsrichtung liegendem Ende ein Lenkrad drehbar gelagert ist, wobei der Teleskopauszug mit einem ersten elektromotorischen Antrieb zum Einfahren und Ausfahren des Teleskopauszugs gekoppelt ist und/oder die Bedieneinheit mit einem zweiten elektromotorischen Antrieb zur Höhenverstellung des Lenkrads gekoppelt ist, wobei der erste elektromotorische Antrieb und/oder der zweite elektromotorische Antrieb jeweils als ein Hohlwellenmotor mit einem hohlzylindrischen Rotor ausgebildet ist, welcher von einer Spindel eines Spindeltriebs koaxial durchgriffen wird und der hohlzylindrische Rotor drehfest mit einer Spindelmutter des Spindeltriebs gekoppelt ist, welche getrieblich mit der Spindel im Eingriff steht, so dass eine motorisch angetriebene Drehung der Spindelmutter einen translatorischen Versatz der Spindel gegenüber der Spindelmutter bewirkt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass auf ein separates Getriebe verzichtet werden kann, was die akustischen Eigenschaften der Bedieneinheit deutlich verbessert. Die Bedieneinheit wird also lediglich durch einen Spindeltrieb aktuiert, der von einem Hohlwellenmotor angetrieben ist.
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Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Bedieneinheit einen äußerst kompakten Aufbau, insbesondere in axialer Erstreckung zur Spindel, da diese von dem Hohlwellenmotor umgriffen wird, was axialen Bauraum einspart oder es können auch bei gleichbleibendem Bauraum (bezogen auf aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungen) größere Verstellwege ermöglicht werden. Da die Spindel durch den Hohlwellenmotor fahren kann, geht im Vergleich zu bisherigen Lösungen kein axialer Bauraum durch ein zusätzliches Getriebe und einen konventionellen Motor am Ende der Spindel verloren.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass ein Hohlwellenmotor mit einem zugeordneten Spindeltrieb zur Einstellung der Längsverstellung und/oder Höhenverstellung der Bedieneinheit verwendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Hohlwellenmotor für die Längsverstellung und die die Höhenverstellung im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt ist. Ferner kann es vorteilhaft sein, den Spindeltrieb für die Höhenverstellung und die Längsverstellung der Bedieneinheit im Wesentlichen gleichteilig auszuführen. Dies führt durch die hohe Gleichteiligkeit zu einer kostenoptimierten Ausführung der Bedieneinheit. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, für die Höhenverstellung und die Längsverstellung unterschiedlich lange Spindeln einzusetzen, wobei bevorzugt die Länge der Spindel für die Längsverstellung größer ist als die Länge der Spindel für die Höhenverstellung.
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Ein Spindeltrieb kann in seiner einfachsten Form aus einer Gewindespindel und einer Gewindespindelmutter gebildet sein, wobei das Gewinde der Gewindespindel direkt in einem korrespondierenden Innengewinde der Gewindespindelmutter kämmt. Die hohlzylindrisch ausgebildete Gewindespindelmutter weist an ihrer Innenmantelfläche ein Spindelmutterinnengewinde auf. Die Gewindespindelmutter kann einteilig oder zweiteilig ausgestaltet sein, wobei im letzteren Fall die Gewindespindelmutter eine erste Gewindespindelmutterhälfte und eine zweite Gewindespindelmutterhälfte umfasst.
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Die Kopplung, beispielsweise eines elektromotorischen oder manuellen Aktorantriebes an die Gewindespindelmutter kann beispielsweise über eine Passfederverbindung am Außendurchmesser der Gewindespindelmutter realisiert werden.
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Das Spindelmutterinnengewinde der Gewindespindelmutter entspricht steigungs- und größenmäßig dem Spindelgewinde der Spindel sowie - soweit Planetenwälzkörper vorhanden sind - dem Planetenwälzkörpergewinde der Planetenwälzkörper. Die Gewindespindelmutter kann als zylindrische Gewindespindelmutter oder als Flanschmutter ausgestaltet sein. Die axiale Fixierung der Spindelmutter kann zum Beispiel durch einen klassischen Lagerdeckel oder durch einen Lagerdeckel mit Gewindering erfolgen. Der Gewindering ermöglicht dabei eine einfachere und exaktere Einstellung der Vorspannung. Die Spindelmutter kann einteilig oder zweiteilig ausgeführt sein. Bevorzugt sind die erste Spindelmutterhälfte und die zweite Spindelmutterhälfte im Wesentlichen identisch ausgebildet.
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Bei dem direkten Kämmen der Spindelmutter an der Gewindespindel kommt es entlang der miteinander im kämmenden Eingriff stehenden Gewindeflanken zu einer Gleitreibung und folglich zu vergleichsweise hohen Reibungsverlusten. Um diese Reibungsverluste zu minimieren, wurden Spindeltriebaktoren entwickelt, bei denen zwischen der Gewindespindel und der Gewindespindelmutter 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.
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So ist es beispielsweise möglich, den Spindeltrieb als einen Rollengewindespindeltrieb oder als Planetenwälzgewindetrieb auszuführen, bei dem eine rotative in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird, wobei die Gewindespindel nicht direkt mit der Gewindemutter in getrieblichen Eingriff steht und kämmt, sondern dass der Kraftfluss von der Gewindespindel auf die Gewindemutter unter getrieblicher Zwischenschaltung von drehbaren Planetenwälzkörpern, die zwischen der Gewindespindel und Gewindemutter angeordnet und mit diesen getrieblich gekoppelt sind. Hierdurch gleiten die Zahnflanken der Gewindespindel und der Gewindemutter nicht aneinander ab, sondern die Planenwälzkörperprofilflanken wälzen an den Zahnflanken der Gewindespindel und der Gewindemutter, wodurch sich signifikant bessere Wirkungsgrade eines Spindeltriebs erzielen lassen.
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Rollengewindelspindeltrieben ist gemein, dass sie aus einer Rollengewindespindel, einer Rollengewindespindelmutter und zwischen diesen über den Umfang angeordneten Planetenwälzkörpern gebildet sind. Hierbei weisen die Rollengewindespindel, Rollengewindespindelmutter und die Planetenwälzkörper Profilierungen auf, um eine Drehbewegung zwischen Rollengewindespindel und Rollengewindespindelmutter zu übertragen, wobei eine der Komponenten - Rollengewindespindel oder Rollengewindespindelmutter - drehangetrieben und die andere Komponente bei drehfester Anordnung längs der Längsachse der Rollengewindespindel um einen der eingestellten Übersetzung entsprechenden Axialweg verlagert wird.
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Aufgrund der kleinen Steigung ist es möglich, mit geringen Antriebsmomenten eines Aktorantriebs und ohne Getriebe sehr hohe, axiale Kräfte zu realisieren. Mit Rollengewindespindeltrieben lassen sich daher nicht nur elektromotorische Aktoren mit hoher Leistungsdichte, langer Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand realisieren, sondern gleichzeitig kostengünstige Motoren einsetzen.
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Es existieren grundsätzlich zwei Ausführungsformen von Rollengewindespindeltrieben, nämlich Planetenwälzgewindetriebe, Planetenrollengewindetrieb sowie Rollengewindetriebe mit und ohne Rollenrückführung.
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Der Unterschied zwischen einem Planetenwälzgewindetrieb und einem Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung liegt im Wesentlichen in der Profilierung der Planetenwälzkörper und deren Führung in der Rollengewindespindelmutter begründet. Während bei einem Planetenwälzgewindetrieb die Planetenwälzkörper über ein Planetenwälzkörpergewinde und eine axiale Fixierung in den Planetenwälzkörperführungsringen verfügen, weisen die Planetenwälzkörper eines Rollengewindetriebs mit Rollenrückführung eine Planetenwälzkörperrillung und einen Planetenwälzkörperkäfig auf in dem die Planetenwälzkörper axial verschiebbar geführt sind. Diese grundsätzlichen konstruktiven Unterschiede bewirken bei einem Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung eine gegenüber dem Planetenwälzgewindetrieb noch höheren Positionier- und Wiederholgenauigkeit, während die Planetenwälzgewindetriebe höhere Drehgeschwindigkeiten als ein Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung erlauben.
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Um die Steifigkeit und Positioniergenauigkeit unter Last zu verbessern, kann ein Planetenwälzgewindetrieb vorgespannt sein. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, indem man die Spindelmutter zweiteilig ausbildet und die beiden Gewindespindelmutternhälften gegeneinander verspannt sind. Ferner kann eine Gewindespindelmutter darüber hinaus die Funktion besitzen, dass Planetenwälzgewindetriebe spielfrei einzustellen. Dazu befindet sich ein Gewindespindelmutterdistanzring abgestimmter Dicke zwischen den beiden S pi ndelm utternhälften.
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Als Hohlwellenmotor können besonders bevorzugt BLDC Motoren verwendet werden. Alternativ ist auch eine Verwendung von DC Motoren. Bevorzugt weist der Hohlwellenmotor eine maximale Drehzahl von 4.000-6.000 U/min auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb selbsthemmend ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Bedieneinheit ohne die sonst üblichen Umschalt- oder Blockadeelemente ausgeführt werden kann. Hierdurch kann eine Sicherstellung der Beibehaltung der Lenkradposition unter äußeren Kräften auch bei ausgeschaltetem Motor realisiert werden.
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Besonders bevorzugt ist es ferner, dass die Steigung des Spindeltriebs zwischen 0,75-2mm, bevorzugt zwischen 1-1,5 mm höchst bevorzugt 1,25mm beträgt. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass der Spindeltrieb nicht als Trapezgewindetrieb ausgeführt ist. Ferner beträgt der Spindeldurchmesser der Spindel vorzugsweise 5-15 mm, besonders bevorzugt 12 mm.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb als Planetenwälzgewindetrieb konfiguriert ist. Mittels eines Planetenwälzgewindetriebs (PWG) können auch Steigungen ≤1,25mm realisiert werden. Derartige Planetenwälzgewindetriebe mit niedriger haben in der Regel einen Wirkungsgrad geringfügig über 50%. Für eine sichere Selbsthemmung müssen daher nur geringfügige Verluste in den entsprechenden Lagern oder im Planetenwälzgewindetrieb eingebaut werden, um den Gesamtwirkungsgrad unter 50% und damit in die Selbsthemmung zu bringen. Dies kann beispielsweise durch Reiblager oder eine Erhöhung der Vorspannung im Planetenwälzgewindetrieb erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist die Spindelmutter des Planetenwälzgewindetriebs einteilig ausgeführt und wird mit zwei Lagern - z.B. Gleitlagern - gegenüber dem Gehäuse gelagert. Es kann besonders bevorzugt auch eine angestellte Wälzlagerung zur Lagerung der Spindelmutter vorgesehen sein. Es kann auch vorgesehen werden, dass die Wälzlagerung der Spindelmutter des Planetenwälzgewindetriebs über ein Federelement vorgespannt ist, um ein Umschaltklackern über die Lebensdauer zu vermeiden.
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Ein Planetenwälzgewindetrieb besitzt im Vergleich zu einem synchronisierten Planetenwälzgewindetrieb (SPWG) eine höhere Übersetzung und ist deutlich einfacher aufgebaut. Damit ist ein Planetenwälzgewindetrieb grundsätzlich für die hier aufgezeigte Anwendung deutlich besser geeignet.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb als synchronisierter Planetenwälzgewindetrieb konfiguriert ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass zwischen Antrieb und Abtrieb kein Schlupf auftritt, denn es werden die Planetenträger anstatt der Muttern gegen die Spindel gedreht.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Spindel im vollständig eingefahrenen Zustand mit ihrem in Einfahrrichtung liegenden Ende in einer ersten Spindellagerung gehalten ist und/oder die Spindel im vollständig ausgefahrenen Zustand mit ihrem in Ausfahrrichtung liegenden Ende in einer zweiten Spindellagerung gehalten ist. Die stark gesteigerten Verstellwege bedingen lange Spindeln. Grundsätzlich ist ein Spindeltrieb statisch eindeutig gelagert, wenn eine Seite der Spindel und die Spindelmutter des Spindeltriebs gelagert sind. In den Extremlagen der Verstellung befindet sich dabei die Spindelmutter einmal an der Seite der Spindellagerung und in der anderen Extremstellung an der gegenüberliegenden Seite der Spindellagerung. In dem erstgenannten Fall wird die Spindel nur an einer Seite gehalten und kann deshalb an der anderen Seite stark schwingen. Durch die Verwendung der Spindellagerungen kann man diese Schwingung verhindern, indem die Spindel in einer gewünschten Positionen durch die Spindellagerung gesichert ist. Eine Klemmung nur in einzelnen, gewünschten Positionen ist möglich, da während einer laufenden Verstellung Geräusche durch eine schwingende Verstellung in der Regel erlaubt sind - aber im Stillstand der Bedieneinheit nicht. Bei den geforderten stark vergrößerten Verstellwegen teilt sich dieser üblicherweise in einen Verstaubereich und einen sich anschließenden Komfortverstellbereich auf. Im vergleichsweise kleinen Komfortverstellbereich muss die Bedieneinheit im Stillstand, in beliebigen Positionen innerhalb dieses Bereiches, akustisch nicht wahrnehmbar sein. Vom Verstaubereich werden im Normalbetrieb der Lenksäule nur die beiden Extremlagen angefahren. Es reicht daher aufgrund der Hebelverhältnisse und der angefahrenen Positionen für die Akustik aus, die Spindel in nur einer Lage zu klemmen.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bevorzugt, dass die Spindel über eine Spindellagerung im vollständig eingefahrenen Zustand der Bedieneinheit geklemmt wird, um Schwingungen der Spindel und etwaige unerwünschte Geräusche zu vermeiden. Es kann für eine vorteilhafte Akustik besonders bevorzugt sein, dass die Spindellagerung aus einem schwingungsdämpfenden Material geformt ist, z.B. aus einem Elastomer. Sofern die Spindellagerung aus härterem Materia gebildet ist, wie beispielsweise einem Stahl, kann sie - als definierten Endanschlag - auch zur Kalibrierung des Encoders verwendet werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Spindelmutter einteilig ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist der weniger komplexe Aufbau und die geringeren Kosten.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Spindelmutter mittels einer Wälzlageranordnung gegenüber einem hohlzylindrischen Stator und/oder einer Anbindungsstruktur der Bedieneinheit gelagert ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass Querkräfte zur Spindel nicht auf den Spindeltrieb übertragen werden.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Bedieneinheit einen Encoder aufweist, mittels dessen die Position der translatorisch versetzbaren Spindel ermittelbar ist.
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Der Encoder kann besonders bevorzugt als ein Drehwinkelsensor konfiguriert sein. Ein Drehwinkelsensor ist im Sinne dieser Anmeldung ist ein Sensor, der einen Drehwinkel erfasst und in eine elektrische Größe umwandelt. Ein Drehwinkelsensor übersetzt also eine mechanische Winkelposition in ein elektrisches Signal. Ein Drehwinkelsensor kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe der Hall-Sensoren, der induktiven Sensoren, potentiometrischer Sensoren, oder auf anderen geeigneten elektrisch-mechanischen Effekten basierende Sensoren.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildete Spindeltrieb eine Mehrzahl von jeweils um ihre Drehachse drehbaren Planeten aufweist, welche in zwei axial voneinander beabstandeten ringförmigen, drehbar und koaxial zur Spindel gelagerten Planetenscheiben, aufgenommen sind, wobei die Planetenscheiben, über jeweils ein Planetenscheibenlager, gegenüber der Spindelmutter gelagert sind.
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Hierdurch wird es möglich, auch schlupfbehaftete Planetenwälzgewindetriebe zu verwenden, ohne dass der Schlupf die Messung der gewünschten Bewegung verfälscht. Sowohl Planetenwälzgewindetrieb als auch SPWGs sind in den Kontakten zwischen den Spindelmuttern und den Planeten in der Regel schlupfbehaftet. Nachdem beim SPWG an den Planetenscheiben und nicht an den Muttern wie beim Planetenwälzgewindetrieb angetrieben wird, wirkt sich bei diesem allerdings nicht der Schlupf auf den Encoder aus. Ist der Encoder beim Planetenwälzgewindetrieb an eine der Planetenscheiben angebunden und damit nicht direkt am Motor so wirkt sich der Schlupf nicht auf den Encoder aus. Nachdem über den Encoder geregelt wird, hat damit der Schlupf des Planetenwälzgewindetriebs keine Auswirkungen auf die Stellgenauigkeit der Bedieneinheit.
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In diesem Zusammenhang kann es auch vorteilhaft sein, die Planetenscheibe, an der der Encoder die Drehung des Planetenwälzgewindetrieb abgreift, gelagert werden. Möglich sind hier bspw. Gleitlager. Dies minimiert die radiale Oszillation der Planetenscheibe um die Spindelachse und verbessert damit die Signalgüte des Encoders.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Steer-By-Wire-System zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, umfassend eine Bedieneinheit nach einem der Ansprüche 1-9.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Bedieneinheit in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 einen Hohlwellenmotor und eine erste Ausführungsform eines Spindeltriebs in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 3 einen Hohlwellenmotor und eine zweite Ausführungsform eines Spindeltriebs in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 4 drei verschiedene Betriebszustände eines Spindeltriebs entlang seiner Einzugsrichtung in einer schematischen Darstellung,
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-by-Wire-System in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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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 auch in der 5 skizziert ist.
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Die in der 1 gezeigte Bedieneinheit ist dabei grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und umfasst einen aktuierbaren Teleskopauszug 4 an dessen in Auszugsrichtung liegendem Ende 28 ein Lenkrad 6 drehbar gelagert ist, was aus der Zusammenschau mit 5 erkennbar ist.
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Der Teleskopauszug 4 ist mit einem ersten elektromotorischen Antrieb 5 zum Einfahren und Ausfahren des Teleskopauszugs 4 gekoppelt. Auch wenn es aus der 1 nicht ersichtlich ist, kann die Bedieneinheit 1 mit einem zweiten elektromotorischen Antrieb 7 zur Höhenverstellung des Lenkrads 6 gekoppelt sein.
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Das in der Ausführungsform der 1 noch vorhandene separate Getriebe entfällt und der elektromotorische Antrieb 7 dreht an der Spindelmutter 10 statt an der Spindel 9, wie es in der 1 noch der Fall ist. Dies ist bauraumtechnisch wie auch akustisch deutlich vorteilhafter als bei der in der 1 gezeigten Ausgestaltung aus dem Stand der Technik. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Lösung, kann die erfindungsgemäße Bedieneinheit 1 in Längserstreckung des Teleskopauszugs 4 kürzer bauend ausgeführt werden oder es kann bei gleichbleibender Baugröße ein größerer Verstellweg des Teleskopauszugs realisiert werden. Die Spindel 9 kann durch den Hohlwellenmotor fahren und am Ende der Spindel 9 ist kein großes Getriebe angeordnet. Eine rotative Lagerung der Spindel 9 kann durch ihren translatorischen Versatz ebenfalls entfallen.
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Dies wird nun anhand der 2-3 nun näher erläutert. Der der erste elektromotorische Antrieb 5 und/oder der zweite elektromotorische Antrieb 7 sind/ist jeweils als ein Hohlwellenmotor mit einem hohlzylindrischen Rotor 8 ausgebildet, welcher von einer Spindel 9 eines Spindeltriebs 11 koaxial durchgriffen wird. Der hohlzylindrische Rotor 8 ist drehfest mit einer Spindelmutter 10 des Spindeltriebs 11 gekoppelt, welche getrieblich mit der Spindel 9 im Eingriff steht, so dass eine motorisch angetriebene Drehung der Spindelmutter 10 einen translatorischen Versatz der Spindel 9 gegenüber der Spindelmutter 10 bewirkt. Der Spindeltrieb 11 ist selbsthemmend ausgebildet, so dass keine zusätzlichen Umschalt- oder Blockadeelemente benötigt werden.
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Die Spindelmutter 10 ist einteilig ausgebildet und mittels einer Wälzlageranordnung 17 gegenüber einem hohlzylindrischen Stator 18 und/oder einer Anbindungsstruktur 19 der Bedieneinheit 1 gelagert. Die Wälzlageranordnung 17 wird durch die Tellerfeder 26 in axialer Richtung vorgespannt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform steht die Spindelmutter 10 in direktem Eingriff mit der Spindel 9.
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Wie man anhand der 3 auch erkennen kann, ist es ferner möglich, dass der Spindeltrieb 11 als Planetenwälzgewindetrieb konfiguriert ist, so dass die Spindelmutter 10 unter Zwischenschaltung der Planeten 20 mit der Spindel 9 getrieblich gekoppelt ist. Die Verwendung eines Planetenwälzgewindetrieb ermöglicht die zu verfügbaren Hohlwellenmotoren passende Gesamtübersetzung.
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Der als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildete Spindeltrieb 11 weist eine Mehrzahl von jeweils um ihre Drehachse 23 drehbare Planeten 20 auf, welche in zwei axial voneinander beabstandeten ringförmigen, drehbar und koaxial zur Spindel 9 gelagerten Planetenscheiben 21,22 aufgenommen sind, wobei die Planetenscheiben 21,22 über jeweils ein Planetenscheibenlager24,25 gegenüber der Spindelmutter 10 gelagert sind.
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Auch ist in der 3 gezeigt, dass die Bedieneinheit 1 einen Encoder 16 aufweist, mittels dessen die Position der translatorisch versetzbaren Spindel 9 ermittelbar ist. Die Anbindung des Encoders 16 an einer Planetenscheibe 22 anstatt dem elektromechanischen Antrieb 7, so wie in der 2 gezeigt, ermöglicht eine schlupffreie Messung der gewünschten zu überwachenden Bewegung. Alternativ zu einem Encoder 16 ist es möglich die translatorische Position zwischen Spindel 9 und Spindelmutter 10 über einen senkrecht zu den Windungen der Spindel 9 (radial montierten) Hallsensor zu bestimmen, was aber in der 2 nicht gezeigt ist. Der Hallsensor misst dabei die Änderung der magnetischen Flussdichte durch die sich unter ihm durchbewegende Windungen der Spindel 9. Dazu wird neben oder hinter dem Hallsensor ein Magnet montiert.
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Der 4 kann entnommen werden, dass die Spindel 9 im vollständig eingefahrenen Zustand mit ihrem in Einfahrrichtung liegenden Ende 12 in einer ersten Spindellagerung 13 gehalten ist oder die Spindel 9 im vollständig ausgefahrenen Zustand mit ihrem in Ausfahrrichtung liegenden Ende 14 in einer zweiten Spindellagerung 15 gehalten ist. Grundsätzlich ist ein Ende der Spindel 9 mit dem Teleskopauszug 4 gekoppelt, so dass eine Aktuierung der Spindel 9 in Ausfahrrichtung einen entsprechenden Auszug des Teleskopauszugs 4 bewirkt. Natürlich kann ein Ende der Spindel 9 auch mit einer Mechanik zu Höhenverstellung der Bedieneinheit 1 gekoppelt sein.
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Die Spindellagerungen 13,15 besitzen einen konusartigen Einführbereich, der eine gewisse Zentrierung der Spindel 9 beim Einfahren in die entsprechende Spindellagerung 13,15 bewirkt. Ferner stützt sich die Spindel 9 an diesem konusartigen Einführbereich ab und ist dort entsprechend gelagert, wenn die Spindel 9 in ihrer Endposition in der entsprechenden Spindellagerung 13,15 positioniert ist. Ansonsten ist aus der 4 auch gut zu erkennen, dass eine einseitige Lagerung der Spindel 9 stets durch die Spindelmutter 10 gegeben ist, wenn sich die Spindel 9 nicht in ihrer entsprechenden Endposition befndet.
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Schließlich zeigt die 5 ein Steer-By-Wire-System 3 zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs 2 durch einen Benutzer, umfassend eine Bedieneinheit 1, wie sie insbesondere aus den 1-4 bekannt ist. Die Bedieneinheit 1 übermittelt die Lenkbewegungen des Benutzers über das Lenkrad 6 elektrisch an einen RWA 27 (Road Wheel Aktor), welcher diese dann in eine Stellbewegung für die Fahrzeugräder umsetzt.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bedieneinheit
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Steer-By-Wire-System
- 4
- Teleskopauszug
- 5
- Antrieb
- 6
- Lenkrad
- 7
- Antrieb
- 8
- Rotor
- 9
- Spindel
- 10
- Spindelmutter
- 11
- Spindeltrieb
- 12
- Ende
- 13
- Spindellagerung
- 14
- Ende
- 15
- Spindellagerung
- 16
- Encoder
- 17
- Wälzlageranordnung
- 18
- Stator
- 19
- Anbindungsstruktur
- 20
- Planeten
- 21
- Planetenscheiben
- 22
- Planetenscheiben
- 23
- Drehachse
- 24
- Planetenscheibenlager
- 25
- Planetenscheibenlager
- 26
- Tellerfeder
- 27
- RWA
- 28
- Ende
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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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- DE 102015224602 A1 [0004]
- DE 102020203682 [0006]
