DE102023105982A1

DE102023105982A1 - Steering device

Info

Publication number: DE102023105982A1
Application number: DE102023105982.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Vornehm; Tobias Zaum; Sebastian Müller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2024-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung (1) umfassend eine Lenkwelle (4), die mit einem Lenkmittel (5) koppelbar ist, wobei die Lenkwelle (4) mit einer Getriebeanordnung (6) gekoppelt ist, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle (4) in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements (7) der Getriebeanordnung (6) wandelbar ist, wobei die Getriebeanordnung (6) mit einer Hydraulikvorrichtung (8) gekoppelt ist, die eine erste Hydraulikkammer (9) und eine zweite Hydraulikkammer (10) aufweist, welche durch eine Federmembran (11) voneinander getrennt sind und ein Hydraulikfluid (12) bevorraten, wobei die erste Hydraulikkammer (9) und die zweite Hydraulikkammer (10) durch eine Hydraulikleitung (13) unter Zwischenschaltung einer hydraulischen Drosselvorrichtung (14) miteinander hydraulisch verbunden sind, und wobei das translatorisch versetzbare Getriebeelement (7) von der Federmembran (11) mit einer Axialkraftkomponente beaufschlagbar ist, indem die Federmembran (11) einerseits an das translatorisch versetzbare Getriebeelement (7) der Getriebeanordnung (6) gekoppelt und anderseits gegenüber dem translatorisch versetzbaren Getriebeelement (7) an einer Anbindungsstruktur (15) festgelegt ist, und wobei die Getriebeanordnung (6) so mit der Hydraulikvorrichtung (8) gekoppelt ist, dass die translatorische Bewegung des Getriebeelements (7) eine Vergrößerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer (9) und eine Verkleinerung des Volumens der zweiten Hydraulikkammer (10) und/oder umgekehrt bewirkt.The invention relates to a steering device (1) comprising a steering shaft (4) which can be coupled to a steering means (5), wherein the steering shaft (4) is coupled to a gear arrangement (6) by means of which a rotary movement of the steering shaft (4) can be converted into a purely translational movement of a gear element (7) of the gear arrangement (6), wherein the gear arrangement (6) is coupled to a hydraulic device (8) which has a first hydraulic chamber (9) and a second hydraulic chamber (10) which are separated from one another by a spring membrane (11) and store a hydraulic fluid (12), wherein the first hydraulic chamber (9) and the second hydraulic chamber (10) are hydraulically connected to one another by a hydraulic line (13) with the interposition of a hydraulic throttle device (14), and wherein the translationally displaceable gear element (7) can be subjected to an axial force component by the spring membrane (11) in that the spring membrane (11) is connected on the one hand to the translationally displaceable gear element (7) of the gear arrangement (6) and, on the other hand, is fixed to a connection structure (15) relative to the translationally displaceable gear element (7), and wherein the gear arrangement (6) is coupled to the hydraulic device (8) in such a way that the translational movement of the gear element (7) causes an increase in the volume of the first hydraulic chamber (9) and a reduction in the volume of the second hydraulic chamber (10) and/or vice versa.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung, insbesondere für ein Steer-by-wire-System eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Lenkwelle, die mit einem Lenkmittel koppelbar ist, wobei die Lenkwelle mit einer Getriebeanordnung gekoppelt ist, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements der Getriebeanordnung wandelbar ist.The present invention relates to a steering device, in particular for a steer-by-wire system of a motor vehicle, comprising a steering shaft which can be coupled to a steering means, wherein the steering shaft is coupled to a gear arrangement by means of which a rotary movement of the steering shaft can be converted into a purely translatory movement of a gear element of the gear arrangement.

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.Electric steering devices are used - among other things in motor vehicles - to receive a driver's directional request and translate it into the corresponding movements of one or more wheels. In contrast to purely mechanical steering devices, a distinction is made between electrically assisted steering devices and fully electric steering devices, so-called "steer-by-wire" steering devices. These steer-by-wire steering devices in particular have the advantage that the control unit can be positioned relatively freely within the vehicle, independent of mechanical connecting components, which, in addition to saving costs when distinguishing between, for example, right- and left-hand drive vehicles, also leads to improved accident behavior due to the lack of a steering column. Furthermore, the control unit can be put into a stowed position, which is also used, for example, for fully automatic steering.

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.A steer-by-wire steering system in the sense of the present invention is a steering system which essentially consists of a so-called hand wheel actuator (HWA), for example the actuators around the commanding vehicle steering wheel, and a road wheel actuator (RWA), i.e. the actuators acting on the steering mechanism connected to the vehicle wheels. The steering signal is transmitted from the HWA to the RWA by wire.

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. In order to generate a realistic driving experience, it is also known in the prior art to record parameters such as vehicle speed, steering angle, steering reaction torque and the like from an actual current driving situation or to calculate them in a simulation and to form a feedback signal from these, which is fed into a force feedback actuator.

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. Es werden hierunter beide Wirkrichtungen verstanden, d.h. auch dass der Feedback-Aktor sich als einstellbare Last vom Fahrer drehen lässt. Derartige „Force-feedback“-Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.The force feedback actuator is integrated into the input unit and has an actuator unit that includes an actuator that serves as a manual torque or steering wheel actuator and that, depending on the feedback signal, couples a feedback torque corresponding to the real reaction torque into the steering wheel via the steering shaft. This includes both directions of action, i.e. the feedback actuator can be turned by the driver as an adjustable load. Such "force feedback" systems give the driver the impression of a real driving situation, as with conventional steering, which facilitates an intuitive reaction.

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.From the EN 102008036730 A1 A steer-by-wire steering system with an input unit is known, which has an actuator unit driven by an electric motor. The electric motor can be controlled by an electronic control unit, which adjusts the motor current depending on measured values that characterize the respective driving situation. The motor shaft is directly coupled to the steering shaft, so the motor torque is identical to the manual torque coupled into the steering shaft. The electric motor is axially flanged to the casing unit with respect to the longitudinal axis and the motor shaft is connected to the steering shaft mounted in the casing unit via a coupling. An actuator unit with a similar structure is available in the EP2414211B1 In the design described therein, the steering shaft itself forms the motor shaft of the electric motor, so that a more compact design can be realized.

Es ist in diesem Zusammenhang ferner bekannt, elektromotorisch betriebene Force-Feedback-Aktuatoren mit einem Getriebe zur verbesserten Anpassung von Drehzahlen- bzw. Drehmomenten zu versehen. So sind beispielsweise elektrische Motoren mit Schneckentrieb am Lenksäulenende bekannt, welche mittels einer Welle mit dem Lenkrad verbunden sind. Ein Beispiel für diese Ausführungsform findet sich in DE102018101528B4 . Mit diesen Getrieben können vergleichsweise hohe Übersetzungen und damit hohe Momente erreicht bzw. gehalten werden, allerdings ist der relativ große Bauraumbedarf und die abgewinkelte Bauform oft nachteilig. Ferner müssen derartige mit einem Schneckentrieb gekoppelte Force-Feedback-Aktuatoren in der Regel mit hohem Aufwand an Präzision und Materialwahl hinsichtlich Reibung (i.d.R. zu hoch) und Gleichmäßigkeit der Reibung (i.d.R. zu ungleichmäßig) optimiert werden.In this context, it is also known to provide electric motor-driven force feedback actuators with a gear for improved adaptation of speeds or torques. For example, electric motors with a worm drive at the end of the steering column are known, which are connected to the steering wheel by means of a shaft. An example of this embodiment can be found in DE102018101528B4 With these gears, comparatively high gear ratios and thus high torques can be achieved or maintained, but the relatively large installation space requirement and the angled design are often disadvantageous. Furthermore, such force feedback actuators coupled with a worm drive usually have to be optimized with a high level of precision and material selection in terms of friction (usually too high) and uniformity of friction (usually too uneven).

Für eine ganze Reihe von Anwendungsszenarien, die insbesondere auf eine Anwendung in Fahrzeugen außerhalb des Sport- oder Premiumfahrzeugsegments, abzielen, sind derartige Lenkvorrichtungen für Steer-By-Wire-Systeme in den bekannten Konfigurationen noch zu kostspielig.For a whole range of application scenarios, which are particularly aimed at use in vehicles outside the sports or premium vehicle segment, such steering devices for steer-by-wire systems in the known configurations are still too expensive.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, die Kosten sowie den Bauraum deutlich gegenüber den bekannten Lenkvorrichtungen mit einem Force-Feedback-Aktuator zu reduzieren.It is therefore the object of the invention to reduce costs and installation space significantly compared to known steering devices with a force feedback actuator.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lenkvorrichtung, insbesondere für ein Steer-by-wire-System eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Lenkwelle, die mit einem Lenkmittel koppelbar ist, wobei die Lenkwelle mit einer Getriebeanordnung gekoppelt ist, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements der Getriebeanordnung wandelbar ist, wobei die Getriebeanordnung mit einer Hydraulikvorrichtung gekoppelt ist, die eine erste Hydraulikkammer und eine zweite Hydraulikkammer aufweist, welche durch eine Federmembran voneinander getrennt sind und ein Hydraulikfluid bevorraten, wobei die erste Hydraulikkammer und die zweite Hydraulikkammer durch eine Hydraulikleitung unter Zwischenschaltung einer hydraulischen Drosselvorrichtung miteinander hydraulisch verbunden sind,
und wobei das translatorisch versetzbare Getriebeelement von der Federmembran mit einer Axialkraftkomponente beaufschlagbar ist, indem die Federmembran einerseits an das translatorisch versetzbare Getriebeelement der Getriebeanordnung gekoppelt und anderseits gegenüber dem translatorisch versetzbaren Getriebeelement an einer Anbindungsstruktur festgelegt ist, und
wobei die Getriebeanordnung so mit der Hydraulikvorrichtung gekoppelt ist, dass die translatorische Bewegung des Getriebeelements eine Vergrößerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer und eine Verkleinerung des Volumens der zweiten Hydraulikkammer und/oder umgekehrt bewirkt.This object is achieved by a steering device, in particular for a steer-by-wire system of a motor vehicle, comprising a steering shaft which can be coupled to a steering means, wherein the steering shaft is coupled to a gear arrangement by means of which a rotary movement of the steering shaft can be converted into a purely translatory movement of a gear element of the gear arrangement, wherein the gear arrangement is coupled to a hydraulic device which has a first hydraulic chamber and a second hydraulic chamber which are separated from one another by a spring membrane and store a hydraulic fluid, wherein the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber are hydraulically connected to one another by a hydraulic line with the interposition of a hydraulic throttle device,
and wherein the translationally displaceable gear element can be subjected to an axial force component by the spring membrane, in that the spring membrane is coupled on the one hand to the translationally displaceable gear element of the gear arrangement and on the other hand is fixed to a connection structure relative to the translationally displaceable gear element, and
wherein the gear arrangement is coupled to the hydraulic device such that the translational movement of the gear element causes an increase in the volume of the first hydraulic chamber and a reduction in the volume of the second hydraulic chamber and/or vice versa.

Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass auf einen aktiven Force-Feedback-Aktuator in Form eines elektrischen Motors verzichtet werden kann. Hierdurch kann die Lenkvorrichtung deutlich preisgünstiger und leichtbauender realisiert werden. Der an sich aus dem Stand der Technik bekannte elektromotorische Force-Feedback-Aktuator wird in der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung durch mehrere steuerbare passive Komponenten wie die Hydraulikvorrichtung und die Federmembran ersetzt. Mittels des durch die Erfindung realisierbaren hohen Integrationsgrads kann die Lenkvorrichtung axial äußert kompakt bauend ausgeführt werden. Dies ermöglicht, den Einsatz sowohl lenkradnah als auch lenkradfern zu erleichtern.This has the advantage that an active force feedback actuator in the form of an electric motor is not required. This means that the steering device can be made significantly cheaper and lighter. The electromotive force feedback actuator known from the prior art is replaced in the steering device according to the invention by several controllable passive components such as the hydraulic device and the spring membrane. Thanks to the high degree of integration that can be achieved with the invention, the steering device can be made extremely compact axially. This makes it easier to use both near and far from the steering wheel.

Die Getriebeanordnung ist mit einer Membranfeder gekoppelt, mittels derer vergleichsweise kleine, nicht steuerbare Rückstellmomente erzeugt werden, die das Lenkmittel wieder zurück in eine vordefinierte Neutralstellung (Geradeausfahrt) drehen.The gear arrangement is coupled to a diaphragm spring, by means of which comparatively small, uncontrollable restoring moments are generated, which turn the steering mechanism back to a predefined neutral position (straight ahead).

Die Membranfeder ist bevorzugt scheibenförmig, insbesondere ringscheibenförmig, ausgebildet und somit axial besonders kurzbauend ausgeführt. Auch eine Tellerfeder stellt im Sinne dieser Anmeldung eine Membranfeder dar. Die Membranfeder besitzt vorteilhafterweise eine axiale Federsteifigkeit zwischen 100N/mm und 1kN/mm. Ebenfalls bevorzugt ist die Fläche der Membranfeder zwischen 100cm2 und 1000cm2 gewählt. Auch ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Membranfeder zwischen 0.2mm und 2mm gewählt ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Membranfeder aus einem metallischen Material geformt ist.The diaphragm spring is preferably disk-shaped, in particular annular disk-shaped, and thus has a particularly short axial design. A disc spring also represents a diaphragm spring in the sense of this application. The diaphragm spring advantageously has an axial spring stiffness between 100N/mm and 1kN/mm. The surface area of the diaphragm spring is also preferably selected to be between 100cm2 and 1000cm2. It is also advantageous that the thickness of the diaphragm spring is selected to be between 0.2mm and 2mm. It is also preferred that the diaphragm spring is formed from a metallic material.

Innerhalb der Hydraulikvorrichtung wirkt die Membranfeder zusätzlich wie eine Pumpenmembran, um bei Verschiebung das Hydraulikfluid aus der ersten Hydraulikkammer oder zweiten Hydraulikkammer zu bewegen. Die Membranfeder erfüllt somit zudem die Funktion einer (beidseitigen) Pumpmembran. Derartige Pumpenmembranen können auch aus gummiertem Blech oder als Verbund einer Metallmembran mit angrenzenden Gummiflächen (z.B. äußere Ringfläche) gebildet sein.Within the hydraulic device, the diaphragm spring also acts like a pump diaphragm to move the hydraulic fluid from the first hydraulic chamber or second hydraulic chamber when it is displaced. The diaphragm spring therefore also fulfils the function of a (double-sided) pump diaphragm. Such pump diaphragms can also be made of rubberized sheet metal or as a composite of a metal diaphragm with adjacent rubber surfaces (e.g. outer ring surface).

Das Hydraulikfluid wird somit beim Lenken zwischen der ersten und zweiten Hydraulikkammer gepumpt und durchläuft dabei eine hydraulische Drosselvorrichtung, wodurch ein überlagertes reibungsartiges Lenk-Feedbackmoment entsteht. Bevorzugt ist die Drosselvorrichtung steuerbar, z.B. ein steuerbares Drosselventil. The hydraulic fluid is thus pumped between the first and second hydraulic chambers during steering and passes through a hydraulic throttle device, which creates a superimposed friction-like steering feedback torque. The throttle device is preferably controllable, e.g. a controllable throttle valve.

Dadurch kann das überlagerte reibungsartige Lenk-Feedbackmoment situationsabhängig so groß eingestellt werden, insbesondere größer als das durch die Membranfeder erzeugte Federmoment, dass die Lenkung bzw. die Lenkwelle hierdurch nicht oder nur verlangsamt „zurückdreht“. Auch ist es situationsabhängig möglich, dass überlagerte reibungsartige Lenk-Feedbackmoment situationsabhängig so klein einzustellen, dass die Membranfeder die Lenkwelle in die neutrale Geradeaus-Stellung zurückdreht.This means that the superimposed friction-like steering feedback torque can be set so large, depending on the situation, in particular larger than the spring torque generated by the diaphragm spring, that the steering or the steering shaft does not "turn back" or only turns back at a slower rate. It is also possible, depending on the situation, to set the superimposed friction-like steering feedback torque so small, depending on the situation, that the diaphragm spring turns the steering shaft back to the neutral, straight-ahead position.

Somit erlaubt die Lenkvorrichtung in einer bevorzugten Weise eine Steuerung und Gestaltung einer auf die Lenkwelle einwirkenden Kraft, die eine für den Benutzer reduzierte Reibung bzw. einen reduzierten Lenkwiderstand in der Mittelstellung der Lenkwelle realisiert. Grundsätzlich erlaubt die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung also ein vom Lenkwinkel abhängiges Gegenmoment zu erzeugen, dass bei einer Geradeausfahrt, also bei Mittelstellung der Lenkwelle, verschwindet. Allgemein erlaubt die Lenkvorrichtung sogar ein vom Lenkradwinkel und der Lenkrad-Winkeländerung abhängiges Drehmoment zu erzeugen, dass bei einer stationären Geradeausfahrt, also bei Mittelstellung der Lenkwelle, verschwindet.The steering device thus allows, in a preferred manner, control and design of a force acting on the steering shaft, which results in reduced friction for the user or reduced steering resistance in the middle position of the steering shaft. In principle, the steering device according to the invention therefore allows a counter torque to be generated that depends on the steering angle and that disappears when driving straight ahead, i.e. when the steering shaft is in the middle position. In general, the steering device even allows a torque to be generated that depends on the steering wheel angle and the steering wheel angle change and that disappears when driving straight ahead in a stationary manner, i.e. when the steering shaft is in the middle position.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung besteht darin, dass die Rotation der Lenkwelle zunächst in eine Axialbewegung eines Getriebeelements umgesetzt wird. Dadurch wird beispielsweise insbesondere auch ein Einsatz einer vereinfachten, nicht-rotierenden Dichtung ermöglicht, um die Hydraulikkammern gegenüber ihrer Umgebung abzudichten. Bei Verwendung elastischer Dichtungen ist sogar die translatorische Verschiebung vermeidbar, wodurch die Robustheit weiter erhöht wird.A further advantage of the steering device according to the invention is that the rotation the steering shaft is first converted into an axial movement of a gear element. This also enables the use of a simplified, non-rotating seal to seal the hydraulic chambers from their surroundings. When elastic seals are used, even the translational displacement can be avoided, which further increases robustness.

Bevorzugt weist die Getriebeanordnung, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements der Getriebeanordnung wandelbar ist, eine Ganghöhe liegt zwischen 1mm/U und 10mm/U auf.Preferably, the gear arrangement, by means of which a rotary movement of the steering shaft can be converted into a purely translatory movement of a gear element of the gear arrangement, has a pitch between 1 mm/rev and 10 mm/rev.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung besteht also darin, dass diese ohne einen elektromotorisch betriebenen Force-Feedback-Aktuator auskommen kann, was erhebliche Kosten- und Bauraumvorteile bereitstellen kann.A significant advantage of the steering device according to the invention is that it can operate without an electric motor-operated force feedback actuator, which can provide considerable cost and installation space advantages.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung besteht des Weiteren auch darin, dass diese auch ohne eine rotierende Dichtung betrieben werden kann, was hinsichtlich der Verschleißfestigkeit der Lenkvorrichtung ebenfalls spürbare Vorteile realisieren kann.A further advantage of the steering device according to the invention is that it can also be operated without a rotating seal, which can also provide noticeable advantages with regard to the wear resistance of the steering device.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Getriebeanordnung einen Spindeltrieb mit einer Spindel und einer mit der Spindel in Eingriff stehenden Spindelmutter umfasst, wodurch ein besonders kostengünstiger und betriebssicherer Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegungen in translatorische Bewegungen und umgekehrt verwendet werden kann. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb als Kugelgewindespindeltrieb oder Trapezgewindespindeltrieb ausgebildet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the gear arrangement comprises a spindle drive with a spindle and a spindle nut engaging with the spindle, whereby a particularly cost-effective and reliable mechanism can be used for converting rotary movements into translatory movements and vice versa. According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the spindle drive is designed as a ball screw spindle drive or trapezoidal screw spindle drive.

Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Spindelmutter des Spindeltriebs das translatorisch versetzbare, drehfeste Getriebeelement der Getriebeanordnung bildet. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die Membran dann direkt radial um die Spindelmutter und Spindel angeordnet werden kann, anstatt unter Inanspruchnahme axialen Bauraums dahinter.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the spindle nut of the spindle drive forms the translationally displaceable, rotationally fixed gear element of the gear arrangement. The advantageous effect of this embodiment is based on the fact that the membrane can then be arranged directly radially around the spindle nut and spindle, instead of behind them, taking up axial installation space.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Drosselvorrichtung durch ein Hydraulikfluid mit magneto-rheologischen Eigenschaften und ein auf das Hydraulikfluid einwirkendes Magnetelement gebildet ist. Hierdurch lässt sich eine sehr kompakt bauende und hochintegrierte steuerbare Drosslung realisieren. Insbesondere kann eine auf Magnetismus basierende Drosselvorrichtung komplett geschlossen (ohne Dichtungen etc.) ausgeführt werden, da das Magnetfeld eine geeignete Drosselwand durchdringt. Bevorzugt ist das magneto-rheologische Hydraulikfluid so ausgeführt, dass das Magnetfeld des Magnetelements eine Viskositätssteigerung des Hydraulikfluids zumindest innerhalb des Magnetfelds bewirkt. Üblich sind hierfür beispielsweise Suspensionen aus Ölen und feinen Carbonyleisen-Partikeln.According to another particularly preferred embodiment of the invention, the throttle device can be formed by a hydraulic fluid with magneto-rheological properties and a magnetic element acting on the hydraulic fluid. This makes it possible to realize a very compact and highly integrated controllable throttle. In particular, a throttle device based on magnetism can be designed to be completely closed (without seals, etc.) because the magnetic field penetrates a suitable throttle wall. The magneto-rheological hydraulic fluid is preferably designed in such a way that the magnetic field of the magnetic element causes an increase in the viscosity of the hydraulic fluid, at least within the magnetic field. Suspensions made of oils and fine carbonyl iron particles are common for this purpose, for example.

So wäre es beispielsweise denkbar, dass die Hydraulikvorrlichtung und/oder die Membranfeder eine von Hydraulikfluid durchströmbare Öffnung, Spalt und/oder Kanal aufweisen/aufweist, wobei das Magnetelement in räumlicher Näher zu der Öffnung, dem Spalt oder dem Kanal angeordnet wird, was zu einer lokalen Veränderung der rheologischen Eigenschaften des Hydraulikfluids führt.For example, it would be conceivable that the hydraulic device and/or the diaphragm spring have an opening, gap and/or channel through which hydraulic fluid can flow, wherein the magnetic element is arranged in spatial proximity to the opening, gap or channel, which leads to a local change in the rheological properties of the hydraulic fluid.

Bevorzugt ist das Magnetelement so konfiguriert, dass die auf das Hydraulikfluid einwirkende Magnetfeldstärke und/oder Magnetfeldgröße einstellbar ist, wodurch eine steuerbare Drosselvorrichtung realisiert werden kann.Preferably, the magnetic element is configured such that the magnetic field strength and/or magnetic field size acting on the hydraulic fluid is adjustable, whereby a controllable throttle device can be realized.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Magnetelement einen Elektromagneten mit einer bestrombaren Spule umfasst, wodurch eine besonders gut steuerbare und kostengünstig herstellbares Magnetelement bereitgestellt werden kann. Der Elektromagnet kann bevorzugt ein Magnetjoch aufweisen, dass den Magnetfluss zur Erzielung der Drosselung leitet, wodurch eine gezielte Ausrichtung und Leitung des Magnetfelds in Richtung des Hydraulikfluids ermöglicht werden kann.Furthermore, the invention can also be further developed in such a way that the magnetic element comprises an electromagnet with a coil that can be energized, whereby a magnetic element that is particularly easy to control and inexpensive to produce can be provided. The electromagnet can preferably have a magnetic yoke that directs the magnetic flux to achieve the throttling, whereby a targeted alignment and conduction of the magnetic field in the direction of the hydraulic fluid can be made possible.

Bevorzugt wird die bestrombare Spule so angesteuert, dass bei der Rückstellung der Lenkwelle in Richtung ihrer Neutralposition der Strom reduziert wird, wenn sich die Lenkwelle der Mittenstellung nähert.Preferably, the energizable coil is controlled in such a way that when the steering shaft is returned towards its neutral position, the current is reduced when the steering shaft approaches the center position.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die bestrombare Spule um die Spindelmutter gewickelt ist oder an der Anbindungsstruktur angeordnet ist, was ein integriertes Design und damit einen sehr kompakten Aufbau fördern kann.In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that the energizable coil is wound around the spindle nut or is arranged on the connection structure, which can promote an integrated design and thus a very compact structure.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Lenkvorrichtung eine Sensoranordnung zur Ermittlung der absoluten Drehwinkelstellung der Lenkwelle aufweist, welche ein die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierendes Signal zur Verfügung stellt.It may also be advantageous to further develop the invention in such a way that the steering device has a sensor arrangement for determining the absolute rotational angle position of the steering shaft, which provides a signal representing the absolute rotational angle position of the steering shaft.

Bevorzugt umfasst die Sensoranordnung eine multiturn-fähiges Sensorsystem.Preferably, the sensor arrangement comprises a multi-turn capable sensor system.

Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Sensoranordnung einen Drehwinkelsensor und einen Linearsensor umfasst, wobei der Drehwinkelsensor ein die Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierendes Winkelsignal und der Linearsensor ein die translatorische Position des versetzbaren Getriebeelements repräsentierendes Positionssignal bereitstellt, aus denen das die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierende Signal ermittelt wird. Hierdurch lässt sich insbesondere ein sicheres und präzises multiturn-Sensorsystem realisieren.It is also preferred that the sensor arrangement comprises a rotation angle sensor and a linear sensor, wherein the rotation angle sensor provides an angle signal representing the rotation angle position of the steering shaft and the linear sensor provides a position signal representing the translational position of the displaceable gear element, from which the signal representing the absolute rotation angle position of the steering shaft is determined. This makes it possible in particular to implement a safe and precise multi-turn sensor system.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung so mit der Drosselvorrichtung gekoppelt ist, dass eine Drosslung des Volumenstroms an Hydraulikfluid zwischen der ersten Hydraulikkammer und der zweiten Hydraulikkammer durch die Drosselvorrichtung in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierenden Signals bewirkbar ist.According to a further preferred embodiment of the subject matter of the invention, it can be provided that the sensor arrangement is coupled to the throttle device in such a way that a throttling of the volume flow of hydraulic fluid between the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber can be effected by the throttle device as a function of the signal representing the absolute rotational angle position of the steering shaft.

Ferner kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Sensoranordnung so mit der bestrombaren Spule des Elektromagneten gekoppelt ist, dass eine Bestromung der Spule in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierenden Signals bewirkbar ist. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Steuerung der Rückstell- bzw. Widerstandskräfte für die Lenkwelle bzw. das Lenkmittel realisieren.Furthermore, the invention can also be advantageously designed such that the sensor arrangement is coupled to the energizable coil of the electromagnet in such a way that the coil can be energized depending on the signal representing the absolute angle of rotation of the steering shaft. This allows particularly good control of the restoring or resistance forces for the steering shaft or the steering means to be achieved.

Bevorzugt ist die Federmembran ringscheibenartig mit einem inneren Durchmesser und einem äußeren Durchmesser ausgeführt, wobei der innere Durchmesser der Federmembran mit der Spindelmutter gekoppelt ist, was zu einem kompakten Aufbau der Hydraulikvorrichtung beitragen kann.Preferably, the spring membrane is designed like an annular disk with an inner diameter and an outer diameter, wherein the inner diameter of the spring membrane is coupled to the spindle nut, which can contribute to a compact design of the hydraulic device.

Die Federmembran kann des Weiteren eine Öffnung aufweisen, welche die erste Hydraulikkammer mit der zweiten Hydraulikkammer hydraulisch verbindet, was zu einer kostengünstig herstellbaren sowie gut steuerbaren Drosselvorrichtung beitragen kann. Diese integrierte Drosselvorrichtung erlaubt auch den Wegfall externer Hydraulik-Verrohrungen, mit entsprechenden Kosten- und Ausfallsaspekten.The spring membrane can also have an opening that hydraulically connects the first hydraulic chamber to the second hydraulic chamber, which can contribute to a throttle device that is inexpensive to manufacture and easy to control. This integrated throttle device also eliminates the need for external hydraulic piping, with the associated cost and failure aspects.

Bevorzugt weist die erste Hydraulikkammer einen der Federmembran gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden ersten flexiblen Wandabschnitt auf, der einerseits an der Anbindungsstruktur festgelegt und anderseits mit dem translatorisch bewegbaren Getriebeelement gekoppelt ist
und/oder die zweite Hydraulikkammer besitzt einen der Federmembran gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden zweiten flexiblen Wandabschnitt, der einerseits an der Anbindungsstruktur festgelegt und anderseits mit dem translatorisch bewegbaren Getriebeelement gekoppelt ist. Der erste Wandabschnitt
und/oder der zweite Wandabschnitt können insbesondere als ein elastischer Balg oder eine elastische Membran ausgeführt werden.Preferably, the first hydraulic chamber has a first flexible wall section opposite the spring membrane, extending in the radial direction, which is fixed on the one hand to the connection structure and on the other hand is coupled to the translationally movable gear element
and/or the second hydraulic chamber has a second flexible wall section which is opposite the spring membrane and extends in the radial direction and which is fixed on the one hand to the connection structure and on the other hand is coupled to the translationally movable gear element. The first wall section
and/or the second wall section can in particular be designed as an elastic bellows or an elastic membrane.

Durch die flexiblen Wandabschnitte kann zusätzlich eine Dichtwirkung zur hydraulischen Abdichtung der Hydraulikkammern gegenüber der Umgebung erreicht werden, so dass auf zusätzliche Dichtungen verzichtet werden kann.The flexible wall sections also provide a sealing effect for hydraulically sealing the hydraulic chambers from the environment, so that additional seals are not necessary.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkvorrichtung umfassend,

• eine Lenkwelle, die mit einem Lenkmittel koppelbar ist, wobei die Lenkwelle mit einer Getriebeanordnung gekoppelt ist, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements der Getriebeanordnung wandelbar ist,
• die Getriebeanordnung mit einer Hydraulikvorrichtung gekoppelt ist, die eine erste Hydraulikkammer und eine zweite Hydraulikkammer aufweist, welche durch eine Federmembran voneinander getrennt sind und ein Hydraulikfluid bevorraten,
• wobei die erste Hydraulikkammer und die zweite Hydraulikkammer durch eine Hydraulikleitung unter Zwischenschaltung einer hydraulischen Drosselvorrichtung miteinander hydraulisch verbunden sind,
• wobei die Getriebeanordnung so mit der Hydraulikvorrichtung gekoppelt ist, dass die translatorische Bewegung des Getriebeelements eine Vergrößerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer und eine Verkleinerung des Volumens der zweiten Hydraulikkammer und/oder umgekehrt bewirkt und
• die Lenkvorrichtung eine Sensoranordnung zur Ermittlung der absoluten Drehwinkelstellung der Lenkwelle aufweist, welche ein die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierendes Signal zur Verfügung stellt.
• die Sensoranordnung so mit der Drosselvorrichtung gekoppelt ist, dass eine Drosslung des Volumenstroms an Hydraulikfluid zwischen der ersten Hydraulikkammer und der zweiten Hydraulikkammer durch die Drosselvorrichtung in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle repräsentierenden Signals bewirkbar ist.

The object of the invention is further achieved by a method for controlling a steering device comprising

• a steering shaft which can be coupled to a steering means, wherein the steering shaft is coupled to a gear arrangement by which a rotary movement of the steering shaft can be converted into a purely translational movement of a gear element of the gear arrangement,
• the transmission arrangement is coupled to a hydraulic device having a first hydraulic chamber and a second hydraulic chamber which are separated from each other by a spring membrane and store a hydraulic fluid,
• wherein the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber are hydraulically connected to one another by a hydraulic line with the interposition of a hydraulic throttle device,
• wherein the gear arrangement is coupled to the hydraulic device such that the translational movement of the gear element causes an increase in the volume of the first hydraulic chamber and a reduction in the volume of the second hydraulic chamber and/or vice versa and
• the steering device has a sensor arrangement for determining the absolute angular position of the steering shaft, which provides a signal representing the absolute angular position of the steering shaft.
• the sensor arrangement is coupled to the throttle device in such a way that a throttling of the volume flow of hydraulic fluid between the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber can be effected by the throttle device depending on the signal representing the absolute rotational angle position of the steering shaft.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst mittels einer Steuereinheit zur Steuerung einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinheit einen Prozessor und einen Speicher umfasst, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 15 zu veranlassen.The object of the invention is also achieved by means of a control unit for controlling a steering device of a motor vehicle, wherein the control unit comprises a processor and a memory which contains a computer program code, wherein the memory and the computer program code are configured, with the processor, to cause the control unit to carry out a method according to claim 15.

Des Weiteren lässt sich die Aufgabe der Erfindung lösen durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung eines Verfahrens Anspruch 15.Furthermore, the object of the invention can be achieved by a computer program product stored on a machine-readable carrier, or computer data signal embodied by an electromagnetic wave, with a computer program code suitable for carrying out a method claim 15.

Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch ein Steer-by-wire-System eines Kraftfahrzeugs umfassend eine Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4.Finally, the object of the invention is also achieved by a steer-by-wire system of a motor vehicle comprising a steering device according to one of claims 1-4.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without limiting the general inventive concept.

Es zeigt:

1 eine schematische Blockschaltdarstellung einer Lenkvorrichtung,
2 eine erste Ausführungsform einer Lenkvorrichtung in einer perspektivischen Axialschnittansicht,
3 eine erste Ausführungsform der Hydraulikvorrichtung in zwei verschiedenen Betriebszuständen in jeweils einer Axialschnittansicht,
4 eine erste Ausführungsform der Lenkvorrichtung mit einem Drehwinkelsensor in einer perspektivischen Ansicht,
5 eine erste Ausführungsform der Lenkvorrichtung mit einer freigestellten Federmembran und einem Linearsensor in einer perspektivischen Ansicht,
6 eine erste Ausführungsform der Lenkvorrichtung mit einer von einer Spule umwickelten Spindelmutter in einer axialen Teilschnittdarstellung,
7 eine von einer Spule umwickelte Spindelmutter in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung,
8 eine zweite Ausführungsform einer Lenkvorrichtung in einer perspektivischen Axialschnittansicht,
9 eine zweite Ausführungsform einer Lenkvorrichtung mit einer freigestellten Federmembran in einer perspektivischen Ansicht,
10 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-by-wire-System in einer schematischen Blockschaltdarstellung.

It shows:

1 a schematic block diagram of a steering device,
2 a first embodiment of a steering device in a perspective axial sectional view,
3 a first embodiment of the hydraulic device in two different operating states, each in an axial sectional view,
4 a first embodiment of the steering device with a rotation angle sensor in a perspective view,
5 a first embodiment of the steering device with an exposed spring membrane and a linear sensor in a perspective view,
6 a first embodiment of the steering device with a spindle nut wound by a coil in an axial partial sectional view,
7 a spindle nut wound by a coil in a perspective axial section view,
8 a second embodiment of a steering device in a perspective axial sectional view,
9 a second embodiment of a steering device with an exposed spring membrane in a perspective view,
10 a motor vehicle with a steer-by-wire system in a schematic block diagram.

Die 1 zeigt eine Lenkvorrichtung 1, insbesondere für ein Steer-by-wire-System 2 eines Kraftfahrzeugs 3, wie es auch in der 10 skizziert ist. Hierbei überträgt die Lenkvorrichtung 1 ein elektrisches Steuersignal an einen RWA 45 (Road-Wheel-Aktuator), der das Steuersignal dann in eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder umsetzt.The 1 shows a steering device 1, in particular for a steer-by-wire system 2 of a motor vehicle 3, as is also shown in the 10 is outlined. The steering device 1 transmits an electrical control signal to an RWA 45 (road wheel actuator), which then converts the control signal into a steering movement of the vehicle wheels.

Die Lenkvorrichtung 1 umfasst eine Lenkwelle 4, die mit einem Lenkmittel 5 koppelbar ist, wobei die Lenkwelle 4 mit einer Getriebeanordnung 6 gekoppelt ist, durch die eine Drehbewegung der Lenkwelle 4 in eine rein translatorische Bewegung eines Getriebeelements 7 der Getriebeanordnung 6 wandelbar ist.The steering device 1 comprises a steering shaft 4 which can be coupled to a steering means 5, wherein the steering shaft 4 is coupled to a gear arrangement 6, by means of which a rotational movement of the steering shaft 4 can be converted into a purely translational movement of a gear element 7 of the gear arrangement 6.

Die Getriebeanordnung 6 ist mit einer Hydraulikvorrichtung 8 gekoppelt, die eine erste Hydraulikkammer 9 und eine zweite Hydraulikkammer 10 aufweist, welche durch eine Federmembran 11 voneinander getrennt sind und ein Hydraulikfluid 12 bevorraten.The gear arrangement 6 is coupled to a hydraulic device 8 which has a first hydraulic chamber 9 and a second hydraulic chamber 10 which are separated from each other by a spring membrane 11 and store a hydraulic fluid 12.

Die erste Hydraulikkammer 9 und die zweite Hydraulikkammer 10 sind durch eine Hydraulikleitung 13 unter Zwischenschaltung einer steuerbaren hydraulischen Drosselvorrichtung 14 miteinander hydraulisch verbunden.The first hydraulic chamber 9 and the second hydraulic chamber 10 are hydraulically connected to one another by a hydraulic line 13 with the interposition of a controllable hydraulic throttle device 14.

Das translatorisch versetzbare Getriebeelement 7 ist von der Federmembran 11 mit einer Axialkraftkomponente beaufschlagbar, indem die Federmembran 11 einerseits an das translatorisch versetzbare Getriebeelement 7 der Getriebeanordnung 6 gekoppelt und anderseits gegenüber dem translatorisch versetzbaren Getriebeelement 7 an einer Anbindungsstruktur 15 festgelegt ist. Dabei ist die Getriebeanordnung 6 so mit der Hydraulikvorrichtung 8 gekoppelt, dass die translatorische Bewegung des Getriebeelements 7 eine Vergrößerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer 9 und eine Verkleinerung des Volumens der zweiten Hydraulikkammer 10 und/oder umgekehrt bewirkt.The translationally displaceable gear element 7 can be subjected to an axial force component by the spring membrane 11, in that the spring membrane 11 is coupled on the one hand to the translationally displaceable gear element 7 of the gear arrangement 6 and on the other hand is fixed to a connection structure 15 opposite the translationally displaceable gear element 7. The gear arrangement 6 is coupled to the hydraulic device 8 in such a way that the translational movement of the gear element 7 causes an increase in the volume of the first hydraulic chamber 9 and a reduction in the volume of the second hydraulic chamber 10 and/or vice versa.

Die Lenkraddrehung wird somit durch die Getriebeanordnung 6, die beispielsweise als ein Kugel-Gewindetrieb ausgeführt ist, in eine Linearbewegung umgewandelt und an das Getriebeelement 7 übertragen. Die Federmembran 11 erzeugt hierzu eine Gegenkraft, die am Lenkrad als federartiges Rückstellmoment wirkt.The steering wheel rotation is thus converted into a linear movement by the gear arrangement 6, which is designed, for example, as a ball screw drive, and transmitted to the gear element 7. The spring membrane 11 generates a counterforce which acts on the steering wheel as a spring-like restoring moment.

Die Federmembran 11 erfüllt zudem die Funktion einer (beidseitigen) Pumpmembran für das Hydraulikfluid 12, welches beim Lenken zwischen der ersten und zweiten Hydraulikkammer 9,10 hin und her gepumpt wird , und dabei die Drosselvorrichtung 14 durchläuft, wodurch ein überlagertes reibungsartiges Lenk-Feedbackmoment entsteht.The spring membrane 11 also fulfils the function of a (double-sided) pump membrane for the hydraulic fluid 12, which is pumped between the first and second hydraulic chambers 9,10 during steering. and is pumped back and forth, passing through the throttle device 14, whereby a superimposed friction-like steering feedback torque is generated.

Die Lenkvorrichtung 1 verfügt ferner über eine Sensoranordnung 22 zur Ermittlung der absoluten Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4, welche ein die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierendes Signal 23 zur Verfügung stellt. Die Sensoranordnung 22 weist einen Drehwinkelsensor 29 und einen Linearsensor 30 auf, wobei der Drehwinkelsensor 29 ein die Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierendes Winkelsignal 31 und der Linearsensor 30 ein die translatorische Position des versetzbaren Getriebeelements 7 repräsentierendes Positionssignal 32 bereitstellt, aus denen in der Sensorelektronik 36 das die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierende Signal 23 ermittelt wird.The steering device 1 also has a sensor arrangement 22 for determining the absolute angular position of the steering shaft 4, which provides a signal 23 representing the absolute angular position of the steering shaft 4. The sensor arrangement 22 has a angular position sensor 29 and a linear sensor 30, wherein the angular position sensor 29 provides an angle signal 31 representing the angular position of the steering shaft 4 and the linear sensor 30 provides a position signal 32 representing the translational position of the displaceable gear element 7, from which the signal 23 representing the absolute angular position of the steering shaft 4 is determined in the sensor electronics 36.

Insbesondere kann die Sensoranordnung 22 so mit der Drosselvorrichtung 14 gekoppelt werden, dass eine Drosslung des Volumenstroms an Hydraulikfluid 12 zwischen der ersten Hydraulikkammer 9 und der zweiten Hydraulikkammer 10 durch die Drosselvorrichtung 14 in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierenden Signals 23 bewirkbar ist.In particular, the sensor arrangement 22 can be coupled to the throttle device 14 in such a way that a throttling of the volume flow of hydraulic fluid 12 between the first hydraulic chamber 9 and the second hydraulic chamber 10 can be effected by the throttle device 14 as a function of the signal 23 representing the absolute rotational angle position of the steering shaft 4.

Des Weiteren ist eine Steuereinheit 33 zur Steuerung der Lenkvorrichtung 1 vorgesehen, wobei die Steuereinheit 33 einen Prozessor 34 und einen Speicher 35 umfasst, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 35 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 34, die Steuereinheit 33 zur Durchführung eines nachfolgend noch näher beschriebenen Steuerungsverfahrens zu veranlassen.Furthermore, a control unit 33 is provided for controlling the steering device 1, wherein the control unit 33 comprises a processor 34 and a memory 35 which contains a computer program code, wherein the memory 35 and the computer program code are configured, with the processor 34, to cause the control unit 33 to carry out a control method described in more detail below.

In den 2-7 ist eine erste Ausführungsform einer Lenkvorrichtung gezeigt, bei der die Getriebeanordnung 6 einen Spindeltrieb 16 mit einer Spindel 17 und einer mit der Spindel 17 in Eingriff stehenden Spindelmutter 18 umfasst. Der Spindeltrieb 16 ist in der gezeigten Ausführungsform als Kugelgewindespindeltrieb ausgebildet. Hierbei bildet die Spindelmutter 18 des Spindeltriebs 16 das translatorisch versetzbare, drehfeste Getriebeelement 7 der Getriebeanordnung 6.In the 2-7 a first embodiment of a steering device is shown, in which the gear arrangement 6 comprises a spindle drive 16 with a spindle 17 and a spindle nut 18 engaging with the spindle 17. In the embodiment shown, the spindle drive 16 is designed as a ball screw drive. The spindle nut 18 of the spindle drive 16 forms the translationally displaceable, rotationally fixed gear element 7 of the gear arrangement 6.

Die Anbindungsstruktur 15 ist gehäuseartig aus den beiden Gehäusehälften 37,38 gebildet. Die erste Gehäusehälfte 37 besitzt eine verschließbare Öffnung 41 zur Befüllung der Hydraulikammern 9,10 bei Erstmontage oder im Service. Analog hierzu verfügt ggf. auch die zweite Gehäusehälfte 38 über eine verschließbare Öffnung zur Befüllung oder Entlüftung bei Erstmontage oder im Service.. Die Öffnungen 40 und 41 können auch zur Installation einer externen Drosselung des Fluidflußes zwischen den Hydraulikkammern 9 ,10 herangezogen werden.The connection structure 15 is formed in the manner of a housing from the two housing halves 37, 38. The first housing half 37 has a closable opening 41 for filling the hydraulic chambers 9, 10 during initial assembly or during servicing. Similarly, the second housing half 38 may also have a closable opening for filling or venting during initial assembly or during servicing. The openings 40 and 41 can also be used to install an external throttling of the fluid flow between the hydraulic chambers 9, 10.

Die Drosselvorrichtung 14 ist durch ein Hydraulikfluid 12 mit magneto-rheologischen Eigenschaften und ein auf das Hydraulikfluid 12 einwirkendes Magnetelement 19 gebildet. Das Magnetelement 19 kann wie dargestellt eine kompakte Baueinheit mit der Spindelmutter 18 bilden. Hierdurch kann die Bewegung des Hydraulikfluids 12 steuerbar gedrosselt werden, wodurch ein von der Lenkgeschwindigkeit abhängiges Gegenmoment (viskos oder reibungsartig) entsteht.The throttle device 14 is formed by a hydraulic fluid 12 with magneto-rheological properties and a magnetic element 19 acting on the hydraulic fluid 12. The magnetic element 19 can form a compact structural unit with the spindle nut 18 as shown. This allows the movement of the hydraulic fluid 12 to be throttled in a controllable manner, creating a counter torque (viscous or frictional) that depends on the steering speed.

Das Hydraulikfluid 12 weist also magneto-rheologische Eigenschaften auf, wobei die Drosselung dann durch die Viskositätszunahme durch das Magnetfeld der Spule 21 erzeugt wird.The hydraulic fluid 12 therefore has magneto-rheological properties, whereby the throttling is then generated by the increase in viscosity due to the magnetic field of the coil 21.

Das Hydraulikfluid 12 ist durch nichtrotierende elastische Wandabschnitte 27,28, die als Lippendichtung oder Balgdichtungen ausgeführt sein können, in die zwei Hydraulikkammern 9,10 eingeschlossen. Die Federmembran 11 stellt eine drehfeste aber axial bewegliche Verbindung zwischen der gehäuseartigen Anbindungsstruktur 15, die aus den beiden Gehäusehälften 37,38 gebildet ist, und der Spindelmutter 18 her.The hydraulic fluid 12 is enclosed in the two hydraulic chambers 9, 10 by non-rotating elastic wall sections 27, 28, which can be designed as lip seals or bellows seals. The spring membrane 11 establishes a rotationally fixed but axially movable connection between the housing-like connection structure 15, which is formed from the two housing halves 37, 38, and the spindle nut 18.

Die Spule 21 und magnetflussführende Teile, in den Ausführungsbeispielen das Magnetjoch 39, sind an der der Spindelmutter 18 befestigt. An der Spindelmutter 18 befindet sich ferner ein Sensortarget eines Linearsensors 30, dessen axiale Bewegung durch einen stehenden Sensor erfasst wird, und dessen Positionssignal 32 verwendet wird, um die Lenkradumdrehungszahl zu ermitteln, was gut aus der 5 zu erkennen ist.The coil 21 and magnetic flux-carrying parts, in the embodiments the magnetic yoke 39, are attached to the spindle nut 18. The spindle nut 18 also has a sensor target of a linear sensor 30, whose axial movement is detected by a stationary sensor, and whose position signal 32 is used to determine the steering wheel rotation speed, which can be clearly seen from the 5 can be recognized.

Das Magnetelement 19 umfasst einen Elektromagneten 20 mit einer bestrombaren Spule 21. Die bestrombare Spule 21 ist um die Spindelmutter 18 gewickelt. Wie in der zweiten Ausführungsform in den 8-9 gezeigt, ist es auch möglich, dass die Spule 21 an der Anbindungsstruktur 15 angeordnet ist.The magnetic element 19 comprises an electromagnet 20 with an energizable coil 21. The energizable coil 21 is wound around the spindle nut 18. As in the second embodiment in the 8-9 shown, it is also possible that the coil 21 is arranged on the connection structure 15.

Wie man anhand der 4 und 6 erkennt, ist die Lenkwelle 4 und die Spindel 17 einstückig ausgebildet und mittels dem Lenkwellenlager 42 gegenüber einer nicht dargestellten Anbindungsstruktur drehbar gelagert.How to use the 4 and 6 recognizes, the steering shaft 4 and the spindle 17 are formed in one piece and are rotatably mounted by means of the steering shaft bearing 42 relative to a connection structure, not shown.

In der in den 2-7 abgebildeten ersten Variante, ist die Spule 21 in etwa auf der Spindelmutter 18 radial innerhalb der ringscheibenartigen Federmembran 11 angeordnet, so dass die Spule 21 axial mit der Spindelmutter 18 mitbewegt wird und über einen flexiblen und/oder beweglichen elektrischen Leiter 44 bestrombar ist. Dabei ist dann die Sensoranordnung 22 so mit der bestrombaren Spule 21 des Elektromagneten 20 gekoppelt, dass eine Bestromung der Spule 21 in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierenden Signals 23 bewirkbar ist.In the in the 2-7 In the first variant shown, the coil 21 is arranged approximately on the spindle nut 18 radially inside the ring-disk-like spring membrane 11, so that the coil 21 is moved axially with the spindle nut 18 and can be supplied with current via a flexible and/or movable electrical conductor 44. In this case, the Sensor arrangement 22 is coupled to the energizable coil 21 of the electromagnet 20 in such a way that the coil 21 can be energized depending on the signal 23 representing the absolute rotational angle position of the steering shaft 4.

Wie man aus der Abbildung a der 3 gut erkennen kann, besitzt die Federmembran 11 in der neutralen Position der Lenkwelle 4 einen radial verlaufenden, ringförmigen Abschnitt, der an seinem äußeren Durchmesser an der Anbindungsstruktur 15 fixiert ist. Radial innen schließt sich ein trichterartig verlaufender Ringabschnitt an dem radial verlaufenden Abschnitt an. Von dem trichterartigen Ringabschnitt der Federmembran 11 erstreckt sich ein weiterer radial verlaufender Ringabschnitt nach radial innen. Die Hydraulikleitung 13 wird in diesem Beispiel durch einen Ringspalt gebildet, der sich zwischen dem Magnetjoch 39 und dem trichterartigen Ringabschnitt der Federmembran 11 erstreckt.As can be seen from Figure a of the 3 As can be clearly seen, the spring membrane 11 in the neutral position of the steering shaft 4 has a radially extending, annular section which is fixed at its outer diameter to the connection structure 15. Radially inward, a funnel-shaped annular section adjoins the radially extending section. From the funnel-shaped annular section of the spring membrane 11, another radially extending annular section extends radially inward. In this example, the hydraulic line 13 is formed by an annular gap which extends between the magnetic yoke 39 and the funnel-shaped annular section of the spring membrane 11.

Die Federmembran 11 weist im Bereich des trichterartigen Ringabschnitts eine Mehrzahl von Öffnung 26 auf, welche die erste Hydraulikkammer 9 mit der zweiten Hydraulikkammer 10 hydraulisch verbinden. Diese zur Drosselung vorgesehenen Öffnungen 26 weisen eine Mehrzahl von umfänglich äquidistant verteilt auf einem Durchmesser angeordnete Öffnungen 26 auf. Diese Öffnungen 26 sind so in räumlicher Nähe zu der Spule 21 positioniert. Die Federmembran 11 ist ringscheibenartig mit einem inneren Durchmesser 24 und einem äußeren Durchmesser 25 ausgeführt und der innere Durchmesser 24 der Federmembran 11 ist mit der Spindelmutter 18 gekoppelt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Federmembran 11 an einer Stirnseite der Spindelmutter 18 über den radial verlaufenden, inneren Ringabschnitt mittels einer Schraubverbindung 43 fixiert.The spring membrane 11 has a plurality of openings 26 in the area of the funnel-shaped ring section, which hydraulically connect the first hydraulic chamber 9 to the second hydraulic chamber 10. These openings 26 provided for throttling have a plurality of openings 26 arranged equidistantly distributed over a diameter. These openings 26 are thus positioned in spatial proximity to the coil 21. The spring membrane 11 is designed like a ring disk with an inner diameter 24 and an outer diameter 25, and the inner diameter 24 of the spring membrane 11 is coupled to the spindle nut 18. In the exemplary embodiment shown, the spring membrane 11 is fixed to an end face of the spindle nut 18 via the radially extending, inner ring section by means of a screw connection 43.

Die erste Hydraulikkammer 9 weist einen der Federmembran 11 gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden ersten flexiblen Wandabschnitt 27 auf, der einerseits an der Anbindungsstruktur 15 festgelegt und anderseits mit dem translatorisch bewegbaren Getriebeelement 7 gekoppelt ist. Analog hierzu besitzt auch die zweite Hydraulikkammer 10 einen der Federmembran 11 gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden zweiten flexiblen Wandabschnitt 28, der einerseits an der Anbindungsstruktur 15 festgelegt und anderseits mit dem translatorisch bewegbaren Getriebeelement 7 gekoppelt ist.The first hydraulic chamber 9 has a first flexible wall section 27 which is opposite the spring membrane 11 and extends in the radial direction, which is fixed on the one hand to the connection structure 15 and on the other hand is coupled to the translationally movable gear element 7. Analogously, the second hydraulic chamber 10 also has a second flexible wall section 28 which is opposite the spring membrane 11 and extends in the radial direction, which is fixed on the one hand to the connection structure 15 and on the other hand is coupled to the translationally movable gear element 7.

In den 8-9 ist eine Ausführungsform einer Lenkvorrichtung 1 gezeigt, bei der die die Spule 21 und magnetflussführende Teile an dem äußeren Durchmesser der Anbindungsstruktur 15 befestigt sind. Die Drosselung befindet sich hierbei an der Anbindungsstruktur 15 oder an der Federmembran 11 nahe deren Außendurchmesser.In the 8-9 an embodiment of a steering device 1 is shown in which the coil 21 and magnetic flux-conducting parts are attached to the outer diameter of the connection structure 15. The throttling is located on the connection structure 15 or on the spring membrane 11 close to its outer diameter.

Die Spule 21 ist in dieser Variante, anders als bei deren Anordnung auf der Spindelmutter 18, stehend ausgebildet. Die Drosselung erfolgt durch die durch die radial verlaufenden schlitzartigen Öffnungen 26 in der Federmembran 11 an deren äußeren Durchmesser, die die beiden Hydraulikkammern 9,10 miteinander verbinden. Das Hydraulikfluid 12 wird durch eine enge, radial verlaufende, spaltartige Hydraulikleitung 13 den Öffnungen 26 der Federmembran 11 zugeführt.In this variant, the coil 21 is designed to be upright, unlike when it is arranged on the spindle nut 18. The throttling takes place through the radially extending slot-like openings 26 in the spring membrane 11 on its outer diameter, which connect the two hydraulic chambers 9, 10 to one another. The hydraulic fluid 12 is fed to the openings 26 of the spring membrane 11 through a narrow, radially extending, slot-like hydraulic line 13.

Es ist durch die Erfindung insbesondere auch möglich, ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkvorrichtung 1 vorzusehen, bei dem die Sensoranordnung 22 so mit der Drosselvorrichtung 14 gekoppelt ist, dass eine Drosslung des Volumenstroms an Hydraulikfluid 12 zwischen der ersten Hydraulikkammer 9 und der zweiten Hydraulikkammer 10 durch die Drosselvorrichtung 14 in Abhängigkeit des die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 4 repräsentierenden Signals 23 bewirkbar ist.In particular, the invention also makes it possible to provide a method for controlling a steering device 1, in which the sensor arrangement 22 is coupled to the throttle device 14 in such a way that a throttling of the volume flow of hydraulic fluid 12 between the first hydraulic chamber 9 and the second hydraulic chamber 10 can be effected by the throttle device 14 as a function of the signal 23 representing the absolute angle of rotation position of the steering shaft 4.

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.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The above description is therefore not to be regarded as restrictive, but as explanatory. The following patent claims are to be understood in such a way that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' features, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: LenkvorrichtungSteering device
22: Steer-by-wire-SystemSteer-by-wire system
33: KraftfahrzeugMotor vehicle
44: LenkwelleSteering shaft
55: LenkmittelSteering means
66: GetriebeanordnungGear arrangement
77: GetriebeelementGear element
88: HydraulikvorrichtungHydraulic device
99: HydraulikkammerHydraulic chamber
1010: HydraulikkammerHydraulic chamber
1111: FedermembranSpring membrane
1212: HydraulikfluidHydraulic fluid
1313: HydraulikleitungHydraulic line
1414: DrosselvorrichtungThrottle device
1515: AnbindungsstrukturConnection structure
1616: SpindeltriebSpindle drive
1717: Spindelspindle
1818: SpindelmutterSpindle nut
1919: MagnetelementMagnetic element
2020: ElektromagnetenElectromagnets
2121: SpuleSink
2222: SensoranordnungSensor arrangement
2323: Signalsignal
2424: Durchmesserdiameter
2525: Durchmesserdiameter
2626: Öffnungopening
2727: WandabschnittWall section
2828: WandabschnittWall section
2929: DrehwinkelsensorAngle sensor
3030: LinearsensorLinear sensor
3131: WinkelsignalAngle signal
3232: PositionssignalPosition signal
3333: SteuereinheitControl unit
3434: Prozessorprocessor
3535: Speichermemory
3636: SensorelektronikSensor electronics
3737: GehäusehälfteHousing half
3838: GehäusehälfteHousing half
3939: MagnetjochMagnetic yoke
4040: Öffnungopening
4141: Öffnungopening
4242: LenkwellenlagerSteering shaft bearing
4343: SchraubverbindungScrew connection
4444: LeitungLine
4545: RWARWA

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008036730 A1 [0006]
EP 2414211 B1 [0006]
DE 102018101528 B4 [0007]

Claims

Steering device (1), in particular for a steer-by-wire system (2) of a motor vehicle (3), comprising a steering shaft (4) which can be coupled to a steering means (5), wherein the steering shaft (4) is coupled to a gear arrangement (6) by means of which a rotary movement of the steering shaft (4) can be converted into a purely translational movement of a gear element (7) of the gear arrangement (6), characterized in that the gear arrangement (6) is coupled to a hydraulic device (8) which has a first hydraulic chamber (9) and a second hydraulic chamber (10) which are separated from one another by a spring membrane (11) and store a hydraulic fluid (12), wherein the first hydraulic chamber (9) and the second hydraulic chamber (10) are hydraulically connected to one another by a hydraulic line (13) with the interposition of a hydraulic throttle device (14), and wherein the translationally displaceable gear element (7) can be acted upon by the spring membrane (11) with an axial force component. is in that the spring membrane (11) is on the one hand coupled to the translationally displaceable gear element (7) of the gear arrangement (6) and on the other hand is fixed to a connection structure (15) opposite the translationally displaceable gear element (7), and wherein the gear arrangement (6) is coupled to the hydraulic device (8) such that the translational movement of the gear element (7) causes an increase in the volume of the first hydraulic chamber (9) and a reduction in the volume of the second hydraulic chamber (10) and/or vice versa.

Steering device (1) according to Claim 1 , characterized in that the gear arrangement (6) comprises a spindle drive (16) with a spindle (17) and a spindle nut (18) engaging with the spindle (17).

Steering device (1) according to Claim 2 , characterized in that the spindle nut (18) of the spindle drive (16) forms the translationally displaceable, rotationally fixed gear element (7) of the gear arrangement (6).

Steering device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle device (14) is formed by a hydraulic fluid (12) with magneto-rheological properties and a magnetic element (19) acting on the hydraulic fluid (12).

Steering device (1) according to Claim 4 , characterized in that the magnetic element (19) comprises an electromagnet (20) with an energizable coil (21).

Steering device (1) according to Claim 5 , characterized in that the energizable coil (21) is wound around the spindle nut (18) or is arranged on the connecting structure (15).

Steering device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the steering device (1) has a sensor arrangement (22) for determining the absolute rotational angle position of the steering shaft (4), which provides a signal (23) representing the absolute rotational angle position of the steering shaft (4).

Steering device (1) according to Claim 7 , characterized in that the sensor arrangement (22) is coupled to the throttle device (14) in such a way that a throttling of the volume flow of hydraulic fluid (12) between the first hydraulic chamber (9) and the second hydraulic chamber (10) can be effected by the throttle device (14) as a function of the signal (23) representing the absolute rotational angle position of the steering shaft (4).

Steering device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring membrane (11) has an opening (26) which hydraulically connects the first hydraulic chamber (9) to the second hydraulic chamber (10)

Steering device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first hydraulic chamber (9) has a first flexible wall section (27) opposite the spring membrane (11), extending in the radial direction, which is fixed on the one hand to the connection structure (15) and on the other hand coupled to the translationally movable gear element (7) and/or the second hydraulic chamber (10) has a second flexible wall section (28) opposite the spring membrane (11), extending in the radial direction, which is fixed on the one hand to the connection structure (15) and on the other hand coupled to the translationally movable gear element (7).