DE10221242A1

DE10221242A1 - Lenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10221242A1
Application number: DE2002121242
Authority: DE
Inventors: Tobias Bruegge
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: DE10221242B4

Abstract

Eine Lenkeinrichtung für ein mittels eines Steer-by-Wire-Konzeptes zu lenkendes Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad 2 und mit einer Einrichtung 4 zum Erzeugen einer auf das Lenkrad 2 wirkenden Lenkhaptik, ist dadurch bestimmt, daß die Einrichtung 4 zum Erzeugen einer auf das Lenkrad 2 wirkenden Lenkhaptik einen direkt das Lenkrad 2 antreibenden, bürstenlosen Permanentmagnetmotor umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung für ein mittels eines Steer-by- Wire-Konzeptes zu lenkendes Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad und mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer auf das Lenkrad wirkenden Lenkhaptik.
Es sind Lenkeinrichtungen zum Lenken von Kraftfahrzeugen bekannt, bei denen im Gegensatz zu herkömmlichen Lenkeinrichtungen eine mechanische Zwangskopplung zwischen einer Bewegung des von einem Fahrer bewegten Lenkrads und den gelenkten Rädern des Kraftfahrzeuges einem sogenannten Steer-by-Wire-Konzept gewichen ist. Bei diesen Steer- by-Wire-Lenkkonzepten wird mittels einem oder mehrerer Lenkwinkelsensoren die aktuelle Drehwinkelstellung des Lenkrades erfaßt. In Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Lenkrades werden Aktoren, beispielsweise Elektromotoren oder ein hydraulisches System angesteuert, um entsprechend dem erfaßten Lenkwinkel bzw. der durchgeführten Lenkradbewegung die gelenkten Räder des Kraftfahrzeuges in die entsprechende Stellung zu bringen. Diese Lenkeinrichtungen verfügen ferner über eine Einrichtung zum Erzeugen einer Lenkhaptik. Diese auf das Lenkrad einwirkende Einrichtung dient dem Zweck, dem Fahrer bei einer Betätigung des Lenkrades das ihm von herkömmlichen Lenkeinrichtungen, deren Lenkräder mechanisch zwangsgekoppelt mit den gelenkten Rädern des Kraftfahrzeuges verbunden sind, zu vermitteln. Eine solche Lenkhaptikeinrichtung ist aus EP 0 447 626 A2 bekannt. Als aktiv ansteuerbares Element zum Bereitstellen der jeweils benötigten lenkhaptischen Rückmeldung dient beim Gegenstand dieses Dokumentes ein herkömmlicher Gleichstrommotor, der mittels eines Schneckengetriebes auf eine dem Lenkrad zugeordnete Lenkspindel einwirkt. Der Elektromotor und das Getriebe erstrecken sich radial zur Lenkspindel und sind daher unterhalb des Armaturenbrettes des Kraftfahrzeuges angeordnet. Mit dem Elektromotor kann zum Erzeugen der benötigten Lenkhaptik die Lenkspindel mit einem der Lenkbewegung entgegenwirkenden Gegenmoment beaufschlagt oder auch aktiv, etwa zum Unterstützen einer Rückdrehbewegung des Lenkrades in die Geradeausstellung, angetrieben werden.
Aus DE 195 39 101 C1 ist eine weitere Lenkeinrichtung bekannt geworden, die neben dem getrieblich auf die Lenkspindel einwirkenden Elektromotor eine Rückstelleinrichtung umfaßt, mit der das Lenkrad den Gegebenheiten der gelenkten Räder entsprechend nach einer Kurvenfahrt in seine Geradeausstellung zurückgebracht wird. Diese Rückstelleinrichtung verwendet eine Druckfeder, die beim Durchführen der Lenkbewegung durch ein auf einem Kulissenstein mit einer schiefen Ebene geführtes Widerlagerelement gespannt wird und deren gespeicherte Energie zum Rückstellen des Lenkrades wieder freigesetzt wird. Bei der Rückstellfeder handelt es sich um eine Spiralfeder, die die Lenkspindel konzentrisch umgibt. Die aus diesem Dokument bekannte Lenkeinrichtung ist ebenfalls unterhalb des Armaturenbrettes eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Bei dieser vorbekannten Lenkeinrichtung dient der Einsatz der separaten Rückstelleinrichtung, um eine verbesserte, das Lenkrad rückstellende Lenkhaptik zu erzeugen, verglichen mit solchen Lenkeinrichtungen, bei denen die das Lenkrad rückstellende Lenkhaptik durch einen getrieblich untersetzten Elektromotor bereitgestellt wird.
Dem aus den beiden zitierten Dokumenten vorbekannten Stand der Technik ist gemein, daß diese nicht unbeträchtlichen Einbauraum benötigen. Auch wenn dieser grundsätzlich bei herkömmlichen Kraftfahrzeugkonstruktionen unter dem Armaturenbrett zur Verfügung steht, besteht dennoch der Wunsch, nach einer Lenkhaptikeinrichtung, die einen geringeren Einbauraum benötigt.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte, gattungsgemäße Lenkeinrichtung dergestalt weiterzubilden, daß diese gegenüber den Einrichtungen des vorbekannten Stands der Technik grundsätzlich kleiner bauend ausgelegt werden kann, damit ein Einbau der Lenkeinrichtungen und insbesondere der Einrichtung zum Erzeugen einer lenkhaptischen Rückmeldung nicht auf einen Platz unterhalb des Armaturenbrettes beschränkt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Erzeugen einer auf das Lenkrad wirkenden Lenkhaptik einen direkt das Lenkrad antreibenden, bürstenlosen Permanentmagnetmotor umfaßt.
Die vorgeschlagene Lenkeinrichtung setzt als Aktor zum Bereitstellen der gewünschten und benötigten Lenkhaptik einen Direktantrieb ein. Durch Einsatz eines solchen Antriebes ist es zum einen möglich, diesen unmittelbar auf das Lenkrad einwirkend anzuordnen. Daher sind zusätzliche Aggregate, beispielsweise Getriebe grundsätzlich nicht benötigt. Bei einer solchen, das Lenkrad direkt antreibenden Konfiguration ist die Lenkhaptik besonders wirkungsvoll, insbesondere da die Kopplung zwischen dem Direktantrieb und dem Lenkrad spielfrei realisiert sein kann. Die konzentrische Anordnung eines solchen Direktantriebes zur Drehachse des Lenkrades unterstützt ferner die Forderung, nur einen möglichst geringen Einbauraum zum Unterbringen der Lenkeinrichtung zu benötigen. Ein solcher Direktantrieb läßt sich in das Lenkrad integrieren, dergestalt, daß beispielsweise der Stator des Direktantriebes kraftfahrzeugseitig festgelegt ist, etwa an der Frontseite des Armaturenbrettes. Durch den Rotor des Direktantriebes ist das Lenkrad unmittelbar angetrieben.
Der Rotor des Direktantriebes sitzt zweckmäßigerweise auf einer Hohlwelle. Diese Anordnung hat zum einen zum Vorteil, daß aufgrund des dadurch bedingten radialen Abstandes der Komponenten des Direktantriebes - Rotor und Stator - zur Drehachse ein hohes Drehmoment auf das Lenkrad einwirken bzw. auch ein hohes Gegenmoment bei sehr flacher Bauweise realisiert werden kann. Ferner kann der durch den Direktantrieb eingeschlossene Raum genutzt werden, um in diesem Raum ein oder mehrere weitere Module der Lenkeinrichtung, beispielsweise einen Lenkwinkelsensor anzuordnen.
Als bürstenloser Permanentmagnetmotor wird zweckmäßigerweise ein drei-phasiger Synchronmotor mit Permanenterregung eingesetzt.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Lenkeinrichtung ferner eine verschleißfreie Bremse umfaßt, durch die ein einer Lenkbewegung entgegenwirkendes Widerstandsmoment aufgebracht werden kann. Diese Bremseinrichtung kann ebenfalls innerhalb des durch den Direktantrieb eingeschlossenen Raumes angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung liegt letztendlich darin, daß mit geringerem Strombedarf ein wirkungsvolles Gegenmoment darstellbar ist. Als verschleißfreie Bremsen können beispielsweise hydraulische oder auch rheologische Bremsen eingesetzt sein.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Lenkeinrichtung für ein mittels eines Steer-by-Wire-Konzeptes zu lenkenden Kraftfahrzeuges. Die Lenkeinrichtung 1 umfaßt ein Lenkrad 2, das drehfest auf einer Stellwelle 3 angeordnet ist. Eine Drehbewegung des Lenkrades 2 hat somit eine entsprechende Drehbewegung der Stellwelle 3 zur Folge. Die Lenkeinrichtung 1 verfügt über eine Einrichtung 4 zum Erzeugen einer Lenkhaptik, um durch diese Einrichtung einem Fahrer bei einer Betätigung des Lenkrades eine herkömmlichen Lenkeinrichtungen entsprechende haptische Rückmeldung des durchgeführten Lenkvorganges zu vermitteln. Die Lenkhaptikeinrichtung 4 umfaßt einen Direktantrieb 5, aufgebaut als dreiphasiger Synchronmotor mit Permanenterregung. Der Stator S des Direktantriebes 5 ist an einer Statorplatte 6 befestigt. Die Statorplatte 6 ist - wie durch die symbolisiert dargestellten Schrauben 7, 7' dargestellt - an der Frontseite eines nicht näher dargestellten Armaturenbrettes festgelegt. Der Rotor R des Direktantriebes 5 ist drehfest über eine Hohlwelle 8 mit der Stellwelle 3 verbunden. Aus der beschriebenen Anordnung des Direktantriebes 5 wird deutlich, daß bei einer Bestromung des Direktantriebes 5 unmittelbar ein Moment auf die Stellwelle 3 und somit auf das Lenkrad 2 ausübbar ist.
An die Drehbewegung der Hohlwelle 8 gekoppelt ist ferner das Geberelement 9 eines Lenkwinkelsensors. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind aus Informationsredundanzgründen zwei Lenkwinkelsensoren eingesetzt.
Angeordnet in dem durch den Rotor R des Direktantriebes 5 eingeschlossenen Raum ist eine Bremseinrichtung 10, durch die einer aktiven Lenkbewegung ein Gegenmoment entsprechend der benötigten lenkhaptischen Rückmeldung entgegengesetzt werden kann. Bei der Bremseinrichtung 10 handelt es sich um eine verschleißfreie rheologische Bremse mit einem elektrisch ansteuerbaren Ringmagneten 11, der - eingesetzt in ein Gehäuse 12 - statorseitig festgelegt ist. In einen U-förmig ausgebildeten, konzentrisch radial innenseitig zu dem Ringmagneten 11 angeordnet, befindet sich ein Flüssigkeitsspalt 13, in dem eine rheologische Flüssigkeit eingebracht ist. Die rheologische Flüssigkeit ändert in Abhängigkeit von der Bestromung des Ringmagneten 11 ihre Viskosität. In die rheologische Flüssigkeit eintauchend ist ferner eine Bremsscheibe 14 vorgesehen, auf die die Reibung der rheologischen Flüssigkeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Viskosität einwirkt.
Mit dem Direktantrieb 5 ist mit hoher Präzision und insbesondere hohem Drehmoment spielfrei ein aktives Drehmoment auf das Lenkrad 2 ausübbar, wie es beispielsweise zum Rückstellen des Lenkrades 2 nach einer Kurvenfahrt gewünscht wird. Gewünscht ist eine solche Lenkhaptik ebenfalls bei Fahrten auf unebenem Untergrund, bei denen bei herkömmlichen Lenkeinrichtungen mit einer Zwangskopplung zwischen einer Drehbewegung des Lenkrades und der Stellung der gelenkten Räder ein Drehmoment von den Rädern auf das Lenkrad ausgeübt wird. Zum Aufbringen eines aktiven Gegenmomentes einer durch den Fahrer ausgeübten aktiven Lenkbewegung dient die Bremseinrichtung 10, die mit sehr geringem Stromverbrauch und insbesondere ohne eine übermäßige Erwärmung ein sehr hohes Gegenmoment bereitstellen kann.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lenkeinrichtung 1 Teil des Lenkrades 2, da das Lenkrad 2 zusammen mit der Lenkhaptikeinrichtung 1 und mit dem Lenkwinkelsensor insgesamt am Armaturenbrett befestigbar und ebenfalls auch von diesem entfernbar ist.
Der Übersicht halber sind die notwendigen elektrischen Verbindungen und weiteren Komponenten zum Realisieren des Steer-by-Wire-Konzeptes in Fig. 1 nicht dargestellt.
Die beschriebene Lenkeinrichtung eignet sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise grundsätzlich auch zur Anordnung an anderen Elementen und nicht notwendigerweise am Armaturenbrett. Ein solches anderes Element kann beispielsweise ein etwa von der Fahrertür her ausschwenkbarer Arm sein. In diesem Fall kann der Raum unter dem Armaturenbrett - falls überhaupt vor dem Fahrer vorhanden - auch verglast sein, ohne daß dieser Raum wie beim vorbekannten Stand der Technik durch notwendige Einrichtungen der Lenkeinrichtung verbaut wäre. Bezugszeichenliste 1 Lenkeinrichtung
2 Lenkrad
3 Stellwelle
4 Lenkhaptikeinrichtung
5 Direktantrieb
6 Statorplatte
7, 7' Schraube
8 Hohlwelle
9 Geberelement
10 Bremseinrichtung
11 Ringmagnet
12 Gehäuse
13 Flüssigkeitsspalt
14 Bremsscheibe
R Rotor
S Stator

Claims

1. Lenkeinrichtung für ein mittels eines Steer-by-Wire-Konzeptes zu lenkendes Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad (2) und mit einer Einrichtung (4) zum Erzeugen einer auf das Lenkrad (2) wirkenden Lenkhaptik, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zum Erzeugen einer auf das Lenkrad (2) wirkenden Lenkhaptik einen direkt das Lenkrad (2) antreibenden, bürstenlosen Permanentmagnetmotor umfaßt.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bürstenlose Permanentmagnetmotor ein drei-phasiger Synchronmotor (5) mit Permanenterregung ist.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (R) des Permanentmagnetmotors auf einer Hohlwelle (8) sitzt.

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetmotor prinzipiell Teil des Lenkrades (2) ist und das Lenkrad (2) über eine den Stator (S) des Permanentmagnetmotors tragende Statorplatte (6) kraftfahrzeugseitig befestigt ist.

5. Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von dem Rotor (R) bzw. seiner Hohlwelle (8) eingeschlossenen Raum zumindest ein weiteres, der Lenkeinrichtung (1) zugehöriges Modul, etwa ein Lenkwinkelsensor oder eine Bremseinrichtung (10) angeordnet ist.