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Die Erfindung betrifft ein elektrisches
Lenksystem für
ein Fahrzeug mit einer von einem Fahrer betätigbaren Lenkhandhabe, welche
mittels einer elektronischen Steuereinheit mit zumindest einem lenkbaren
Rad wirkungsmäßig verbunden
ist, mit einem eine Bewegung oder Betätigung der Lenkhandhabe erfassenden
ersten Sensor und einer der Lenkhandhabe zugeordneten ersten Stelleinrichtung,
sowie einem eine Radstellung erfassenden zweiten Sensor und einer
dem lenkbaren Rad zugeordneten zweiten Stelleinrichtung, wobei mittels
der elektronischen Steuereinheit die Signale der Sensoren vergleichbar
und die Stelleinrichtungen ansteuerbar sind.
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Ein elektrisches Lenksystem der eingangs genannten
Art ist in der Praxis durch offenkundige Vorbenutzung bekannt und
zählt dadurch
zum Stand der Technik. Fahrzeuge, die mit einer derartigen Lenkung
ausgestattet sind, werden auch als "Drive-by-Wire"-Fahrzeuge bezeichnet. Das elektrische Lenksystem
ist ein Teilsystem dieses "Drive-by-Wire"-Konzepts und wird
auch als "Steer-by-Wire"-Lenkung bezeichnet.
Die grundlegende Eigenschaft einer "Steerby-Wire"-Lenkung besteht darin, dass zwischen
der als Lenkrad ausgebildeten Lenkhandhabe und dem mit der Lenkhandhabe
gekoppelten lenkbaren Rad bzw. Rädern
keine direkte mechanische oder hydraulische Verbindung existiert.
Die von einem Fahrer ausgeübten
Bewegungen oder Betätigungen
der Lenkhandhabe werden also nicht auf mechanischem Wege umgesetzt,
sondern die Übermittlung
der Lenkbefehle erfolgt elektrisch über dafür vorgesehene Kabel. Dazu wird
die Bewegung der Lenkhandhabe und die Radstellung des lenkbaren
Rades jeweils mittels eines Sensors erfasst und diese Signale werden
an eine elektronische Steuereinheit weitergeleitet. Dort erfolgt
eine Auswertung der Signale und eine Berechnung der Abweichung zwischen
der Soll-Radstellung, aufgrund der Bewegung der Lenkhandhabe, und
der Ist-Radstellung des lenkbaren Rades. Eine dem lenkbaren Rad
zugeord nete Stelleinrichtung wird von der elektronischen Steuereinheit entsprechend
dieser berechneten Abweichung angesteuert. Dabei bewirkt die Ansteuerung
der Stelleinrichtung eine Lenkung des Rades und damit eine Richtungsänderung
des Fahrzeugs. Die Ist-Radstellung wird, wie bereits beschrieben,
durch einen dem lenkbaren Rad zugeordneten Sensor erfasst und der elektronischen
Steuereinheit zurückgemeldet.
Daraufhin wird eine der Lenkhandhabe zugeordnete Stelleinrichtung
von der elektronischen Steuereinheit angesteuert, die ein von einer
konventionellen Lenkung her bekanntes Lenkgefühl an der Lenkhandhabe, in
Form eines entsprechenden Lenkhandhabenmomentes, erzeugt. Dieses
System ist in der Praxis auch als "Force-feedback"-System bekannt.
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Dabei hat es sich als nachteilig
erwiesen, dass beim Abschalten des Motors bzw. des Fahrzeugs die
Versorgungsspannung für
die Sensoren, die Stelleinrichtungen und die elektronische Steuereinheit
des elektrischen Lenksystems abgeschaltet wird. Durch die fehlende
mechanische Kopplung zwischen der Lenkhandhabe und dem gelenkten
Rad lässt
sich die Lenkhandhabe nunmehr frei bewegen, ohne dass sich das gelenkte
Rad mitbewegt. Der Zusammenhang zwischen der Lenkhandhabe und dem gelenkten
Rad, als wichtige Voraussetzung für die eindeutige Lenkbarkeit
des Fahrzeug, ist nunmehr nicht mehr gewährleistet.
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Es ist bereits daran gedacht worden,
den für die
Lenkbarkeit des Fahrzeugs wichtigen Zusammenhang zwischen der Lenkhandhabe
und dem gelenkten Rad durch eine entsprechende Memory-Funktion der
Sensoren zu erreichen. Bei einem erneuten Anlassen des Motors und
damit bei einer erneut anliegenden Versorgungsspannung, wird die Lenkhandhabe
automatisch in die durch die Radstellung der gelenkten Räder vordefinierte
Position gedreht. Das automatische Drehen der Lenkhandhabe birgt
jedoch ein erhebliches und nicht zu akzeptierendes Verletzungsrisiko
für den
Fahrer des Fahrzeugs.
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Vor diesem Hintergrund liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den
Zusammenhang zwischen Lenkhandhabe und den gelenkten Rädern auch
bei nichtanliegender Versorgungsspannung zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem
elektrischen Lenksystem gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein elektrisches Lenksystem
vorgesehen, bei welchem das Lenksystem eine mechanische Verriegelungseinrichtung
aufweist, mittels derer die Lenkhandhabe bei einer abgeschalteten
Versorgungsspannung des elektrischen Lenksystems fixierbar ist.
Hierdurch wird eine Möglichkeit
geschaffen, den Zusammenhang zwischen der Lenkhandhabe und dem gelenkten
Rad, bzw. den gelenkten Rädern
zu gewährleisten.
Die Lenkhandhabe lässt
sich nunmehr also nicht mehr frei bewegen, sondern wird beim Abschalten
der Versorgungsspannung des elektrischen Lenksystems in der Stellung
fixiert, die der Radstellung des lenkbaren Rades entspricht. Bei
einem erneuten Starten des Fahrzeugs, bzw. des Motors und damit
bei anliegender Versorgungsspannung, befindet sich die Lenkhandhabe
also in einer der Radstellung entsprechenden, definierten Position.
Das nach dem Stand der Technik hohe Verletzungsrisiko durch das
automatische Drehen der Lenkhandhabe kann durch das erfindungsgemäße Lenksystem
mit der mechanischen Verriegelung ausgeschlossen werden.
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Die Betätigung der Verriegelungseinrichtung könnte manuell
durch den Fahrer erfolgen. Besonders vorteilhaft erweist sich jedoch
eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei der die mechanische Verriegelungseinrichtung
bei Abschaltung der Versorgungsspannung automatisch verriegelbar
und bei Anlegen der Versorgungsspannung automatisch entriegelbar
ist. Dabei wird die mechanische Verriegelungseinrichtung sowohl
zur Ver- als auch zur Entriegelung elektrisch angesteuert. Hierdurch
wird erreicht, dass die Fixierung der Lenkhandhabe besonders benutzerfreundlich
erfolgt. Der Fahrer des Fahrzeugs kann die Betätigung der Verriegelungseinrichtung
also nicht vergessen und somit ist der Zusammenhang zwischen der
Lenkhandhabe und dem gelenkten Rad jederzeit gewährleistet.
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Dabei hat es sich als besonders praxisnah erwiesen,
dass die Verriegelungseinrichtung zur formschlüssigen Fixierung ausgebildet
ist. Hierdurch wird eine besonders einfache und doch überaus effektive
Möglichkeit
der Fixierung der Lenkhandhabe geschaffen.
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Eine weitere, besonders erfolgversprechende,
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die
Verriegelungseinrichtung eine koaxial zu einer Lenksäule angeordnete
Verriegelungsscheibe mit mehreren Öffnungen zur Aufnahme von zumindest
einem Sperrelement aufweist, wobei die Öffnungen konzentrisch zu der Lenksäule angeordnet
sind. Hierbei wird eine sehr einfache formschlüssige Verriegelung geschaffen, die
einfach aufgebaut ist und kaum konstruktive Veränderungen an dem Lenksystem
ertordert. Auch eine Nachrüstung
von älteren
Fahrzeugen, die mit dem elektrischen Lenksystem ausgestattet sind,
ist problemlos möglich.
Durch die konzentrisch angeordneten Öffnungen in der Verriegelungsscheibe
erfolgt eine Fixierung in gleichmäßigen Winkelschritten, wobei
die Größe der Winkelschritte
von der Anzahl der Öffnungen
in der Verriegelungsscheibe abhängen.
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Besonders vorteilhaft ist dabei auch
eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Lenksystems, bei dem die
Verriegelungsscheibe eine Stirnverzahnung aufweist. Hierdurch sind
kleinere Winkelschritte bei der Fixierung der Lenkhandhabe realisierbar.
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Ein weitere besonders zweckmäßige Ausführungsform
der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Verriegelungseinrichtung
zur kraftschlüssigen
Fixierung ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, eine
stufenlose Fixierung der Lenkhandhabe zu realisieren.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine
Prinzipdarstellung eines elektrischen Lenksystems;
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2 eine
Verriegelungseinrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines elektrischen Lenksystems 1.
Dieses elektrische Lenksystem 1, eine sogenannte "Steer-by-Wire"-Lenkung, ist Bestandteil
eines "Drive-by-Wire"-Fahrzeugs. Die "Steer-by-Wire"-Lenkung weist eine
von einem Fahrer betätigbare
Lenkhandhabe 2 mit einer Lenksäule 3 auf. Die Lenkhandhabe 2 ist
mit zumindest einem, nicht dargestellten, lenkbaren Rad gekoppelt.
Dabei werden Betätigungen
oder Bewegungen der Lenkhandhabe 2, beispielsweise durch einen
Fahrer, mittels eines ersten Sensors 4 erfasst. Diese Signale
werden an eine elektronische Steuereinheit 5 übermittelt,
was in der 1 durch den durchgezogenen
Pfeil 6 angedeutet ist. Die Radstellung des gelenkten Rades
wird mittels eines zweiten Sensors 7 erfasst. Die Übermittlung
der Signale des Sensors 7 an die Steuereinheit 5 ist
durch einen gestrichelten Pfeil 8 dargestellt. Die Übermittlung
der Signale der Sensoren 4, 7 an die Steuereinheit 5 erfolgt elektrisch über dafür vorgesehene
Kabel. Innerhalb der elektronischen Steuereinheit 5 erfolgt
eine Auswertung der Sollwert-Istwert-Abweichung zwischen der Lenkhandhabe 2 und
dem lenkbaren Rad. Aufgrund der ermittelten Sollwert-Istwert-Abweichung wird
eine dem zumindest einen lenkbaren Rad zugeordneten Stelleinrichtung 9 angesteuert,
was durch den durchgezogen dargestellten Pfeil 10 angedeutet ist.
Die Ansteuerung der Stelleinrichtung 9 bewirkt eine Lenkung
des zumindest einen Rades und damit eine Richtungsänderung
des Fahrzeugs. Diese Ist-Radstellung
wird wie bereits beschrieben der elektronischen Steuereinheit 5 zurückgemeldet,
welche dann eine der Lenkhandhabe 2 zugeordnete Stelleinrichtung 11 ansteuert.
Hierdurch wird an der Lenkhandhabe 2 ein von einer konventionellen
Lenkung her bekanntes Lenkgefühl,
in Form eines entsprechenden Lenkhandhabenmomentes, erzeugt. Dieses
Teilsystem 13 des elektrischen Lenksystems 1 wird
auch als "Force-feedback"-System bezeichnet.
Die Ansteuerung der Stelleinrichtungen 9, 11 mittels
der Steuereinheit 5 erfolgt ebenfalls elektrisch über dafür vorgesehene
Kabel. Bei einer Abschaltung des Motors bzw. des Fahrzeugs wird
auch die Versorgungsspannung für
die Sensoren 4, 7, die Stelleinrichtungen 9, 11 und
die elektronische Steuereinheit 5 des elektrischen Lenksystems 1 abgeschaltet.
Die Lenkhandhabe 2 kann sich bei abgeschalteter Versorgungsspannung
demnach frei drehen, ohne dass sich das zumindest eine lenkbare Rad
mitbewegt. Um den Zusammenhang zwischen der Lenkhandhabe 2 und
dem lenkbaren Rad auch bei nichtanliegender Versorgungsspannung
zu gewährleisten,
ist der Lenkhandhabe 2 eine mechanische Verriegelungseinrichtung 14 zugeordnet.
Mittels dieser Verriegelungseinrichtung 14 wird die Lenkhandhabe 2 bis
zum erneuten Anliegen der Versorgungsspannung, beispielsweise bei
der nächsten
Inbetriebnahme des Fahrzeugs, in der Position fixiert, in der sie
sich zum Zeitpunkt der Abschaltung der Versorgungsspannung gerade
befindet. Somit ist der Zusammenhang zwischen der Lenkhandhabe 2 und dem
gelenkten Rad, als wichtige Voraussetzung für die eindeutige Lenkbarkeit
des Fahrzeugs jederzeit gegeben.
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2 zeigt
eine Verriegelungseinrichtung 14 in einer perspektivischen
Ansicht. Diese Verriegelungseinrichtung 14 weist eine Verriegelungsscheibe 15 auf,
die koaxial zu der Lenksäule 3 angeordnet
ist. Hierzu wird die Verriegelungsscheibe 15 mittels einer zentralen
Durchbrechung 16 auf der Lenksäule 3 verdrehsicher
gelagert. Auf einer Kreisbahn um diese Durchbrechung 16,
und damit um die Lenksäule 3, sind
in der Verriegelungsscheibe 15 mehrere Öffnungen 17, zur Aufnahme
eines als Bolzen ausgebildeten Sperrelementes 18, angeordnet.
Das Sperrelement 18 wird elektrisch oder manuell von einer
Entriegelungsstellung in eine Verriegelungsstellung verfahren. In
der Verriegelungsstellung greift das Sperrelement 18 formschlüssig in
eine der in der Verriegelungsscheibe 15 angeordneten Öffnungen 17. Hierzu
wird das Sperrelement 18 in einer, als Magnet ausgebildeten
Führung 19,
die starr an einem fahrzeugfesten Bauteil befestigt ist, geführt. Bei
einem in eine Öffnung 17 eingefahrenen
Sicherheitselement 18 ist die Lenkhandhabe 2 in
der augenblicklichen Position fixiert. Für die konstruktive Umsetzung
der Verriegelungseinrichtung 14 sind auch andere Lösungen denkbar.
Beispielsweise könnte
die Verriegelungsscheibe eine Stirnverzahnung aufweisen. Ebenso
kann die Verriegelungseinrichtung 14 kraftschlüssig ausgebildet
sein.
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Ebenfalls denkbar ist die Verwendung
der mechanischen Verriegelungseinrichtung 14 in Kombination
mit einem Differenzausgleich zwischen Lenkhandhabe 2 und
dem gelenkten Rad. Dabei ist die Verriegelung auf größere Winkelschrittweiten, beispielsweise
45°, ausgelegt.
Die Fixierung der Lenkhandhabe 2 erfolgt nach dem Abstellen
des Motors bzw. des Fahrzeugs. Bei erneuter Aktivierung des Fahrzeugs
wird die Abweichung zwischen der Ist- und der Soll -Stellung der Lenkhandhabe 2,
sowie des gelenkten Rades durch entsprechende Drehung der Lenkhandhabe 2 und
des Rades ausgeglichen. Die Bewegung der Lenkhandhabe 2 ist
dabei möglichst
langsam und in kleinen Winkelwerten zu realisieren, um ein Verletzungsrisiko
für den
Fahrer auszuschließen.
Hierzu kann die Drehung der Lenkhandhabe 2 mittels einer
elektronischen Dämpfung gedämpft werden,
so dass der Hauptausgleich über das
bzw. die gelenkten Räder
erfolgt.
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkhandhabe
- 3
- Lenksäule
- 4
- Sensor
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Pfeil
- 7
- Sensor
- 8
- Pfeil
- 9
- Stelleinrichtung
- 10
- Pfeil
- 11
- Stelleinrichtung
- 12
- Pfeil
- 13
- Teilsystem
- 14
- Verriegelungseinrichtung
- 15
- Veriegelungsscheibe
- 16
- Durchbrechung
- 17
- Öffnung
- 18
- Sperrelement
- 19
- Führung