DE10220123A1 - Overlay steering device has first sector connected to steering wheel and second to steering transmission or vice versa - Google Patents
Overlay steering device has first sector connected to steering wheel and second to steering transmission or vice versaInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung für eine Überlagerung einer Rotationsbewegung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe mit einem weiteren Winkel.The invention relates to an overlay steering system for a Superposition of a rotational movement between the steering wheel and Steering gear with another angle.
Heutige Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, sind in der Regel mit hydraulischen oder elektrohydraulischen Servolenkungen ausgestattet, bei denen ein Lenkrad mechanisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern zwangsgekoppelt ist. Die Servounterstützung ist derart aufgebaut, dass im Mittelbereich des Lenkmechanismus Aktuatoren, z. B. Hydraulikzylinder, angeordnet sind. Durch eine von den Aktuatoren erzeugte Kraft wird die Betätigung des Lenkmechanismus in Reaktion auf die Drehung des Lenkrads unterstützt. Dadurch ist der Kraftaufwand des Fahrers beim Lenkvorgang verringert.Today's motor vehicles, especially passenger cars, are usually hydraulic or electrohydraulic power steering, where a steering wheel mechanically with the steerable vehicle wheels is forcibly coupled. The servo support is like this built that in the middle of the steering mechanism Actuators, e.g. B. hydraulic cylinders are arranged. By a force generated by the actuators becomes the actuation of the steering mechanism in response to the rotation of the Steering wheel supported. This is the effort of the Driver reduced when steering.
Überlagerungslenkungen sind bekannt. Sie sind dadurch charakterisiert, dass dem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel bei Bedarf ein weiterer Winkel durch einen Aktuator überlagert werden kann. Der zusätzliche Winkel wird durch einen elektronischen Regler gesteuert und dient beispielsweise zur Erhöhung der Stabilität und Agilität des Fahrzeugs. Es werden hydraulische oder elektrische Aktuatoren verwendet. Zur Erzeugung eines Zusatzlenkwinkels ist es beispielsweise aus "Automobil-Entwicklung, September 2001, Seiten 24-25" bekannt, ein am Fahrzeugrahmen befestigtes Planetengetriebe zu verwenden, das von einem separaten Elektromotor angetrieben wird, dessen Antriebsachse rechtwinklig zur Lenksäulenwelle angeordnet ist. Zum Antrieb sind mehrere Zahneingriffe erforderlich. Dadurch ergibt sich ein Getriebespiel, das sich in einem unerwünschten Lenkungsspiel niederschlägt. Das Überlagerungsgetriebe mit Elektromotor ist zudem technisch relativ aufwendig und teuer.Overlay steering is known. You are through it characterizes that entered by the driver Steering angle, if necessary, another angle through a Actuator can be superimposed. The additional angle is controlled and served by an electronic controller for example to increase the stability and agility of the Vehicle. There are hydraulic or electrical Actuators used. To generate an additional steering angle it is, for example, from "Automobile Development, September 2001, pages 24-25 "known, one on the vehicle frame attached planetary gear to use that from a separate electric motor is driven, the Drive axle arranged at right angles to the steering column shaft is. Several gear meshes are required for the drive. This results in a gear play that is in one undesirable steering play. The Superimposition gearbox with electric motor is also technical relatively complex and expensive.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Überlagerungslenkung zu schaffen, mit welcher dem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel ein weiterer Winkel auf sichere und zuverlässige Weise überlagert werden kann. Dabei soll der Antrieb für die Überlagerungslenkung insbesondere einfach in das Lenksystem zu integrieren sein und nur einen geringen Bauraum beanspruchen.The object of the invention is a superimposed steering with which the driver entered Steering angle another angle on safe and reliable Way can be overlaid. The drive for the overlay steering in particular simply in that Steering system to be integrated and only a small one Take up space.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of patent claim 1 solved. Special embodiments of the invention are in the Subclaims specified.
Demnach ist es für die Erfindung wesentlich, dass in eine Lenksäulenwelle, die ein Lenkrad mit einem Lenkgetriebe verbindet, ein elektromotorischer Antrieb integriert ist, der ein Gehäuse aufweist, das mit einem ersten Abschnitt der Lenksäulenwelle verbunden ist, und eine Antriebswelle aufweist, die mit einem zweiten Abschnitt der Lenksäulenwelle verbunden ist, wobei der erste Abschnitt mit dem Lenkrad und der zweite Abschnitt mit dem Lenkgetriebe oder der erste Abschnitt mit dem Lenkgetriebe und der zweite Abschnitt mit dem Lenkrad verbunden ist. Durch den Antrieb ist die Antriebswelle relativ zum Gehäuse verdrehbar, zwecks Erzeugung eines Überlagerungswinkels. Mit dieser Überlagerungslenkung wird eine Rotationsbewegung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe mit einem weiteren Winkel überlagert. Dass bedeutet es wird ein Lenkradwinkel mit einem weiteren Winkel überlagert zur Beaufschlagung eines Lenkgetriebes mit der Summe dieser Winkel.It is therefore essential for the invention that in a Steering column shaft, which is a steering wheel with a steering gear connects, an electric motor drive is integrated, which has a housing with a first section the steering column shaft is connected, and a drive shaft having a second section of the Steering column shaft is connected, the first section with the steering wheel and the second section with the Steering gear or the first section with the steering gear and the second section is connected to the steering wheel. Due to the drive, the drive shaft is relative to the housing rotatable for the purpose of generating an overlay angle. With this superposition steering there is a rotational movement between the steering wheel and steering gear with a further angle superimposed. That means it will have a steering wheel angle another angle superimposed to act on a Steering gear with the sum of these angles.
Für den erfindungsgemäßen Antrieb ist kein Überlagerungsgetriebe nötig. Der Antrieb verdreht aufgrund einer Drehbewegung zwischen Antriebswelle und Gehäuse direkt den ersten Abschnitt der Lenksäulenwelle relativ zum zweiten Abschnitt der Lenksäulenwelle. Der Vorteil dieser Erfindung ist auch der geringe Bedarf an Bauraum zur Realisierung einer Überlagerungsfunktion.There is none for the drive according to the invention Superposition gear necessary. The drive twists due to a rotational movement between the drive shaft and the housing directly the first section of the steering column shaft relative to second section of the steering column shaft. The advantage of this Invention is also the small space requirement for Realization of an overlay function.
Der Antrieb ist zur Einstellung eines Überlagerungswinkels einer hydraulischen Servolenkung vorgesehen, die dem vom Fahrer am Lenkrad vorgegebenen Lenkmoment ein dazu fahrgeschwindigkeitabhängig proportionales Unterstützungsmoment überlagert. Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Antrieb aber auch zur Einstellung eines Überlagerungswinkels einer elektrohydraulischen Servolenkung vorgesehen, die einen elektronisch ansteuerbaren Unterstützungsmotor, insbesondere einen Elektromotor, aufweist, mit dem ein hydraulischer Druck erzeugt wird, mit dem ein vom Fahrer am Lenkrad aufgebrachtes Lenkmoment mit einem geregelten Moment überlagert und insbesondere verstärkt werden kann. Ebenso kann der Antrieb zur Einstellung eines Überlagerungswinkels einer elektromechanischen Servolenkung dienen, die einen elektronisch ansteuerbaren Unterstützungsmotor, insbesondere einen Elektromotor, aufweist, zwecks Verstärkung eines vom Fahrer am Lenkrad aufgebrachten Lenkmoments mit einem Zusatzlenkmoment.The drive is used to set a superimposition angle a hydraulic power steering provided by the Driver on the steering wheel predetermined steering torque to do this proportional proportional to driving speed Support moment superimposed. Can be particularly advantageous the drive according to the invention but also for adjustment a superposition angle of an electrohydraulic Power steering provided an electronically controllable support motor, in particular a Electric motor, with which a hydraulic pressure is generated by the driver on the steering wheel applied steering torque with a regulated torque can be overlaid and in particular reinforced. As well the drive can be used to set a superimposition angle serve an electromechanical power steering, the one electronically controllable support motor, in particular an electric motor, for the purpose Reinforcement of a driver's steering wheel Steering torque with an additional steering torque.
Auch durch das von dem elektronisch ansteuerbaren Unterstützungsmotor erzeugte Lenkmoment kann mittels einer entsprechenden Regelung die Aktion des Fahrers situativ moduliert werden, um die Lenktätigkeit des Fahrers mehr oder weniger stark zu unterstützen. Damit können vorteilhaft zusätzlich fahrdynamische Zustandsgrößen mitberücksichtigt werden. Beispielsweise werden eine geschwindigkeitsabhängige Servounterstützung, ein aktiver Lenkungsrücklauf, Bedämpfungen von Lenkrad- und Fahrzeugschwingungen und/oder im Sinne einer Fahrerassistenz situativ angepasste Lenkradmomente erzeugt. Also by the electronically controllable Support torque generated by means of a support motor appropriate regulation the driver's action situational be modulated to increase the driver's steering activity or less support. So that can advantageous additional dynamic state variables be taken into account. For example, a speed-dependent servo support, an active one Steering return, damping of steering wheel and Vehicle vibrations and / or in the sense of a Driver assistance generates situation-adjusted steering wheel torques.
Im Sinne der Erfindung ist dabei eine Anwendung für elektronisch ansteuerbare Servolenkungen, die anstelle der auf die Lenkwelle ausgeübten Zusatzlenkmomente auf die Lenkstange ausgeübte Zusatzlenkkräfte einsetzen, mitumfasst.For the purposes of the invention, this is an application for electronically controllable power steering, which instead of additional steering moments exerted on the steering shaft on the Use additional steering forces exerted on the handlebar, encompassed.
Der Antrieb ist vorzugsweise konzentrisch um die Antriebswelle angeordnet, wodurch ein besonders geringer Bauraum ermöglicht wird.The drive is preferably concentric around the Drive shaft arranged, making a particularly low Space is made possible.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebswelle eine Getriebe- oder Motorachse des elektromotorischen Antriebs ist, die mit zweiten Abschnitt der Lenksäulenwelle direkt verbunden ist oder als ein Teilabschnitt der Lenksäulenwelle ausgebildet ist.It is provided according to the invention that the Drive shaft a gear or motor axis of the is electromotive drive that with second section the steering column shaft is directly connected or as a Section of the steering column shaft is formed.
Nach der Erfindung ist das Gehäuse des elektromotorischen Antriebs als ein Teilabschnitt der Lenksäulenwelle ausgebildet.According to the invention, the housing of the electromotive Drive as a section of the steering column shaft educated.
Es ist vorgesehen, dass für den Fall einer Störung oder eines Ausfalls der elektronisch gesteuerten Vorgabe des Überlagerungswinkels eine Lenkwinkeleinstellung nur nach Maßgabe des durch den Fahrer eingegebenen Lenkwinkels erfolgt. In diesem Fall besteht eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe (Rückfallebene). Auch bei einem Ausfall der Überlagerungsfunktion bleibt die, "Normallenkfunktion" und ggf. die Servolenkfunktion erhalten.It is provided that in the event of a malfunction or a failure of the electronically controlled specification of the A steering angle adjustment only after superimposition angle In accordance with the steering angle entered by the driver he follows. In this case there is a direct mechanical Connection between the steering wheel and the steering gear (Fallback level). Even if the The overlay function remains the "normal steering function" and if necessary, get the power steering function.
Erfindungsgemäß weist der Antrieb eine mechanisch selbsthemmende Getriebeuntersetzung auf. Ein für diesen Zweck geeignetes Getriebe kann im Vergleich zu dem im Stand der Technik vorgesehenen Überlagerungsgetriebe, wie Planetenradgetriebe, relativ einfach aufgebaut werden. Das für das Lenkungsspiel relevante Getriebespiel zwischen Gehäuse und Abtrieb, dem zweiten Abschnitt der Lenksäulenwelle, kann mit geringem Aufwand minimiert werden. Ein Blockieren des Getriebes führt nicht zum Ausfall der manuellen Lenkung. Vorzugsweise wird als mechanisch selbsthemmende Getriebeuntersetzung ein Schneckengetriebe verwendet.According to the invention, the drive has a mechanical self-locking gear reduction. One for this Suitable gear can be compared to that in the state the technology provided superposition gears, such as Planetary gear, can be constructed relatively easily. The gear play relevant for the steering play between Housing and output, the second section of the Steering column shaft, can be minimized with little effort become. Blocking the gearbox does not lead to Manual steering failure. Preferably, as mechanically self-locking gear reduction Worm gear used.
Dadurch, dass der Antriebsmotor die Lenksäulenwelle umfasst, ist sein Massenträgheitsmoment im Vergleich zum Massenträgheitsmoment des Lenkrads vernachlässigbar, zumindest solange der Elektromotor nicht angetrieben wird. Sobald der Elektromotor beschleunigt angetrieben wird, muss seine Drehimpulsänderung durch ein entsprechendes Gegendrehmoment am Lenkrad abgefangen werden. Für bestimmte Anwendungsfälle, wenn dies den Fahrer eines Fahrzeugs nicht stört oder möglicherweise sogar als Information über das Arbeiten des Lenksystems willkommen ist, wird dieses Drehmoment nicht kompensiert.The fact that the drive motor drives the steering column shaft includes its mass moment of inertia compared to Mass moment of inertia of the steering wheel negligible, at least as long as the electric motor is not driven. As soon as the electric motor is accelerated, must its angular momentum change by a corresponding one Counter torque can be absorbed on the steering wheel. For certain Use cases when this is not the driver of a vehicle disturbing or possibly even as information about that Working the steering system is welcome, this will Torque not compensated.
In anderen Anwendungsfällen, wenn das Drehmoment stört, ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass Mittel vorgesehen sind, um den Antrieb bezüglich der durch Antriebswinkelgeschwindigkeitsänderungen verursachten dynamischen Momente zumindest teilweise auszugleichen. Als Mittel zum Ausgleich sind vorzugsweise wenigstens ein zur Drehrichtung des Elektromotors gegenläufig angekoppelter Rotor oder eine gegenläufige Kopplung zweier Antriebsmotoren vorgesehen. Durch Ankopplung gegenläufiger Rotoren als Schwungmassen kann der Gesamtdrehimpuls annähernd oder ganz zu Null gebracht werden. Bei der Verwendung zweier gleicher aber gegenläufiger Antriebsmotoren erhält man ein besonders dynamisches drehimpulsausgeglichenes Antriebssystem, wohingegen ein passiver Ausgleichsrotor im wesentlichen nur Ballast ist, der mit beschleunigt werden muss. In other applications, when the torque is disturbing it is provided according to the invention that means are provided are to drive through with respect to Drive angle speed changes caused to compensate for dynamic moments at least partially. As Compensation means are preferably at least one for Direction of rotation of the electric motor coupled in opposite directions Rotor or an opposing coupling of two Drive motors provided. By coupling in opposite directions The total angular momentum can be used as a flywheel be brought close to or completely to zero. In the Using two of the same but opposite Drive motors you get a particularly dynamic angular momentum-balanced drive system, whereas a passive balancing rotor is essentially just ballast, that has to be accelerated with.
Die Stromzuführung und ggf. Zuführung von Steuerungssignalen zu dem Elektroantrieb wird nach der Erfindung vorzugsweise durch ein um die Welle und/oder um das Gehäuse gewickeltes Kabel realisiert. Es können dabei die Ausgestaltungen vorteilhaft zur Anwendung kommen, die für Lenkradbedienelemente, wie Hupe, Airbag, bekannt sind. So erfolgt eine elektrische Versorgung des elektromotorischen Antriebs über Versorgungsleitungen auf einfache und kostengünstige Weise.The power supply and possibly the supply of Control signals to the electric drive is after the Invention preferably by a around the shaft and / or around the housing wrapped cable realized. You can do it the configurations are advantageously used, the for steering wheel controls, such as horn, airbag, are known. This is how the electrical supply to the electromotive drive via supply lines simple and inexpensive way.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass mindestens zwei Drehwinkelsensoren vorgesehen sind, die mindestens zwei der drei Drehwinkel von Lenkrad, Lenkgetriebe und Antrieb erfassen.It is provided according to the invention that at least two Rotation angle sensors are provided, the at least two of the three angles of rotation of the steering wheel, steering gear and drive to capture.
Erfindungsgemäß ist ein elektronischer Lenkungsregler vorgesehen, der in Abhängigkeit von den erfassten Drehwinkelsignalen und von weiteren externen Signalen, wie einem Fahrgeschwindigkeitssignal, den Antrieb steuert.According to the invention is an electronic steering controller provided that depending on the detected Angle of rotation signals and other external signals, such as a driving speed signal that controls the drive.
Auch ein autonomes Fahren, d. h. ein Lenken des Fahrzeugs ohne Zutun des Fahrers, wird ermöglicht, indem das Lenkrad mit Hilfe einer dafür vorgesehenen Lenkradbremse festgehalten wird und/oder mit einem Lenkradschloss zusammenwirkt. Bei einer elektrisch aktivierbaren Lenkradbremse, die im aktivierten Zustand nur ein begrenztes Lenkradmoment halten kann, wird das Haltemoment der Lenkradbremse auf einen Wert begrenzt, den der Fahrer durch einen erhöhten Krafteinsatz überwinden kann. So hat der Fahrer noch die Möglichkeit, in den automatischen Lenkvorgang einzugreifen.Autonomous driving, i.e. H. steering the vehicle without the driver's intervention, is made possible by the steering wheel with the help of a provided steering wheel brake is held and / or with a steering wheel lock interacts. With an electrically activated Steering wheel brake, which in the activated state only one can hold limited steering wheel torque, the holding torque the steering wheel brake is limited to a value that the driver can overcome by using more force. So had the driver still has the option of automatic Intervention.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und durch einer Abbildung (Figur) beispielhaft näher erläutert. The invention is now based on an embodiment and by way of example by means of a figure explained.
In der Figur sind wesentliche Bauteile der Überlagerungslenkung schematisch gezeigt.In the figure, essential components of the Superposition steering shown schematically.
Die in der Figur gezeigte Überlagerungslenkung weist eine das Lenkrad 1 und Lenkgetriebe 2 einer Servolenkung verbindende Lenksäulenwelle 3 auf, in die hier ein Gelenk 4 und ein elektromotorischer Antrieb 5 integriert sind. Der Antrieb 5 weist ein Gehäuse 6 auf, das mit einem ersten Abschnitt 7 der Lenksäulenwelle 3 verbunden ist, und der Antrieb weist eine Antriebswelle 8 auf, die mit einem zweiten Abschnitt 9 der Lenksäulenwelle 3 verbunden ist. Durch den Antrieb ist die Antriebswelle 8 relativ zum Gehäuse 6 verdrehbar, wodurch der mit dem Lenkrad 1 verbundene zweite Abschnitt 9 und der mit dem Lenkgetriebe 2 verbundene erste Abschnitt 7 gegeneinander verdrehbar sind. Die Drehachse des Antriebs fällt hier mit des Achse Lenksäulenwellenabschnitts 9 zusammen.The superimposed steering shown in the figure has a steering column shaft 3 connecting the steering wheel 1 and steering gear 2 of a power steering, into which a joint 4 and an electric motor drive 5 are integrated here. The drive 5 has a housing 6 which is connected to a first section 7 of the steering column shaft 3 , and the drive has a drive shaft 8 which is connected to a second section 9 of the steering column shaft 3 . The drive shaft 8 can be rotated relative to the housing 6 by the drive, as a result of which the second section 9 connected to the steering wheel 1 and the first section 7 connected to the steering gear 2 can be rotated relative to one another. The axis of rotation of the drive coincides here with the axis of the steering column shaft section 9 .
Bei einer direkten Lenkung durch den Fahrer wird der Antriebsmotor nicht bestromt und das Gehäuse 6 und die Antriebswelle 8 behalten ihre relative Position zueinander. Wird das Lenkrad 1 und somit die Antriebswelle 8 gedreht, so dreht sich das Gehäuse rein mechanisch aufgrund der bezüglich des Gehäuses selbsthemmend ausgelegten Anbindung der Antriebswelle 8 an den Antriebsmotor. Daher entsteht am Eingang des Lenkgetriebes 2 ebenfalls eine Drehbewegung, die eine Stellbewegung der Lenkstange 10 und ein entsprechendes Verschwenken von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, wobei durch die Servolenkung ein vom Fahrer am Lenkrad 1 aufgebrachtes Lenkmoment mit einem unterstützenden Drehmoment überlagert und insbesondere verstärkt wird. Alternativ kann die Lenkunterstützung auch als Kraft in die Lenkstange 10 eingeleitet sein. With direct steering by the driver, the drive motor is not energized and the housing 6 and the drive shaft 8 maintain their relative position to one another. If the steering wheel 1 and thus the drive shaft 8 are rotated, the housing rotates purely mechanically on account of the connection of the drive shaft 8 to the drive motor which is designed to be self-locking with respect to the housing. Therefore, at the input of the steering gear 2 there is also a rotary movement, which causes an actuating movement of the steering rod 10 and a corresponding pivoting of steerable vehicle wheels, with a steering torque applied by the driver to the steering wheel 1 being superimposed and, in particular, amplified by the power steering. Alternatively, the steering support can also be introduced as a force into the handlebar 10 .
Bei der Normal-Lenkfunktion wird durch eine Betätigung des Lenkrads über den Abschnitt 9 der Lenkradwelle 3 ein Drehwinkel eingestellt, der mit einem Drehwinkelsensor gemessen werden kann. Auch das Drehmoment kann mit einem Drehmomentsensor gemessen werden und zur Ansteuerung/Regelung einer Lenkmoment-Verstärkung dienen.In the normal steering function, an actuation of the steering wheel via section 9 of the steering wheel shaft 3 sets an angle of rotation which can be measured with an angle of rotation sensor. The torque can also be measured with a torque sensor and used to control / regulate a steering torque gain.
Da bei der direkten Lenkung durch den Fahrer das Gehäuse 6 in Bezug zu der Antriebswelle 8 fixiert, d. h. fest gekoppelt ist, wird die Funktion einer konventionellen Servolenkung auch bei einem Ausfall des elektromotorischen Antriebs 5 erreicht.Since the housing 6 is fixed, ie firmly coupled, in relation to the drive shaft 8 during direct steering by the driver, the function of a conventional power steering is achieved even if the electric motor drive 5 fails.
Die Einstellung eines Überlagerungslenkwinkels oder Differenzwinkels wird erreicht, indem der Antrieb, über ein einfaches Untersetzungsgetriebe die Lenksäulenwellenabschnitte 7 und 9 gegeneinander verdreht. Eine elektrische Versorgung des elektromotorischen Antriebs 5 und ggf. die Zuführung der Ansteuersignale für diesen Antrieb 5 erfolgt über Versorgungsleitungen 11, die zumindest teilweise um einen Abschnitt der Lenksäulenwelle 3 bzw. um das Gehäuse 6 gewickelt sind.The setting of a superimposed steering angle or differential angle is achieved in that the drive rotates the steering column shaft sections 7 and 9 against one another via a simple reduction gear. Electrical supply to the electromotive drive 5 and, if appropriate, the control signals for this drive 5 are supplied via supply lines 11 which are at least partially wound around a section of the steering column shaft 3 or around the housing 6 .
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die kompakte Bauform durch die Integration des Antriebs in die Lenksäulenwelle 3 besonders vorteilhaft, wobei die Realisierung einer Überlagerungslenkfunktion ohne Verwendung eines aufwendigen und sicherheitskritischen Überlagerungsgetriebes möglich ist.In the embodiment shown, the compact design is particularly advantageous due to the integration of the drive in the steering column shaft 3 , it being possible to implement a superimposed steering function without using a complex and safety-critical superimposed gear.
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