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Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug,
mit einer elektrische Lenkkraftunterstützungseinrichtung, umfassend
ein mit einer Lenkspindel verbundenes Lenkrad, einen Drehmomentsensor
zum Erfassen des von einem Benutzer auf das Lenkrad ausgeübten Drehmomentes
sowie einen die Lenkspindel antreibenden Elektromotor.
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Lenkeinrichtungen von Kraftfahrzeugen
werden mitunter vielfach mit einer elektrischen Lenkkraftunterstützung (EPS-System)
ausgerüstet.
Eine solche elektrische Lenkkraftunterstützungseinrichtung umfasst einen
Drehmomentsensor zum Erfassen des von einem Benutzer auf das Lenkrad
ausgeübten
Drehmomentes. In Abhängigkeit
von dem erfassten Drehmoment wird ein Elektromotor zum zusätzlichen
Antreiben der Lenkspindel angesteuert, um auf diese Weise das zum
Lenken der Räder
notwendige und über
das Lenkrad aufzubringende Drehmoment zu reduzieren. Bei einer solchen
Lenkkraftunterstützungseinrichtung
wird das über
das Lenkrad in die Lenkspindel eingebrachte Drehmoment unmittelbar
auf das Lenkgetriebe übertragen. Derartige
Einrichtungen lassen sich mit einfachen Mitteln realisieren und
platzsparend in einem Kraftfahrzeug unterbringen. Bei einer solchen
Lenkunterstützungseinrichtung
ist jedoch eine Überlagerungslenkung
nicht möglich.
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Neben diesen direkt lenkenden Systemen sind
Lenkeinrichtungen be kannt, die nach dem sogenannten Steer-by-Wire-Konzept
arbeitend ausgelegt sind. Eine solche Lenkeinrichtung ist beispielsweise in
EP 0 447 626 A2 beschrieben.
Die in diesem Dokument beschriebene kybernetische Lenkung umfasst
eine erste Welle, an deren freien Ende das Lenkrad angeordnet ist.
Auf diese Welle wirkt ein erster Elektromotor. Ferner umfasst diese
Lenkung eine zweite Welle, die durch einen weiteren Elektromotor angetrieben
ist und das Lenkgetriebe antreibt. Zwischen den beiden Wellen und
entsprechend zwischen den beiden Elektromotoren ist eine Kupplung angeordnet,
die bei einem Defekt, etwa einem Systemausfall sperrt und dann eine
direkte Kraftübertragung
mit dem Lenkrad auf die Lenkspindel erlaubt. Diese Kupplung ist
elektromagnetisch ausgelegt und wird bei einem Betrieb der Lenkeinrichtung
durch den Elektromagneten in Trennstellung gehalten. Der auf die
erste Welle einwirkende Elektromotor dient dem Zweck der Bereitstellung
einer Lenkhaptik, um dem Fahrer das ihm vertraute, sich bei einer
Direktlenkung einstellende Lenkgefühl der gelenkten Räder zu vermitteln.
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Auch wenn derartige Steer-by-Wire-Systeme mit
einer Notfallsperrung zum Ermöglichen
einer direkten Lenkung bei einem Systemausfall zufriedenstellend
arbeiten, ist die Realisierung einer solchen Lenkeinrichtung aufwendig
und benötigt überdies insbesondere
in axialer Richtung einen nicht unbeträchtlichen Einbauraum, der nicht
in jedem Kraftfahrzeug zur Verfügung
steht. Vorteilhaft ist bei einer solchen Lenkeinrichtung jedoch,
dass ein Überlagerungslenken
möglich
ist und Lenkkorrekturen vorgenommen werden können, ohne dass diese eine Drehwinkeländerung
des Lenkrades zur Folge hätten.
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Ausgehend von einer eingangs genannten gattungsgemäßen Lenkeinrichtung
liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, diese dergestalt weiterzubilden,
dass mit einer solchen auch eine Überlagerungslenkung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Lenkspindel geteilt ist und eine das Lenkrad tragende Antriebswelle
sowie eine durch den Elektromotor antreibbare Abtriebswelle aufweist
und beide Wellen durch eine ruhebetätigte, ansteuerbare Kupplungseinrichtung
miteinander kinematisch verbunden sind.
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Eine solche elektrische Lenkkraftunterstützungseinrichtung
vereint in sich die Vorteile einer Direktlenkung mit einer Lenkkraftunterstützung mit
den Vorteilen eines Steer-by-Wire-Systems, jedoch ohne die zuvor
aufgezeigten Nachteile hinnehmen zu müssen. Insbesondere benötigt diese
Lenkeinrichtung zum Erzeugen einer Lenkhaptik grundsätzlich keine weiteren
Aktoren, da die haptische Rückmeldung
von den gelenkten Rädern über die
Lenkspindel auf das Lenkrad übertragen
wird. Lediglich im Falle einer Überlagerungslenkung,
etwa zum Korrigieren der gewünschten
Fahrtrichtung, beispielsweise zum Korrigieren einer Seitenwindsituation,
bei der die Kupplungseinrichtung kurzzeitig getrennt wird, erfolgt grundsätzlich keine
lenkhaptische Rückmeldung
in der zuvor beschriebenen Art und Weise.
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Bei der Kupplungseinrichtung handelt
es sich um eine ruhebetätigte,
ansteuerbare, beispielsweise elektromagnetisch betätigbare
Kupplungseinrichtung. Somit befindet sich im Grund- bzw. Normalzustand
dieser Lenkeinrichtung die Antriebswelle und die Abtriebswelle der
Lenkspindel in drehmomentschlüssiger
Verbindung miteinander. Durch diese Kupplungseinrichtung verfügt die Lenkeinrichtung neben
dem Elektromotor jedoch über
ein weiteres aktives Element, wodurch die Funktionalität herkömmlicher
Lenkkraftunterstützungseinrichtungen
nicht unerheblich erweitert wird. Durch die Kupplungseinrichtung
kann insbesondere eine Überlagerungslenkungsfunktion
realisiert werden. Die Kupplungseinrichtung kann auch genutzt werden,
um durch rasches Trennen und Öffnen
derselben dem Fahrer bei Gefahrensituation eine haptische Information
zu vermitteln, wobei in einem solchen Fall eine derartige Kupplungseinrichtungsbetätigung zu
einer Vibration des Lenkrades führen
würde.
Ebenfalls kann eine schleifende Drehmitnahme realisiert werden,
so dass in einem solchen Falle die Kupplungseinrichtung nach Art
einer Bremse wirkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
wird als Elektromotor zum Antreiben der Abtriebswelle der Lenkspindel
ein Direktantrieb, vorzugsweise ein bürstenloser Permanentmagnetmotor,
etwa ein drei-phasiger Synchronmotor mit Permanenterregung eingesetzt.
Der Einsatz eines solchen Antriebes hat zum Vorteil, dass zusätzliche
Aggregate, beispielsweise Getriebe oder dergleichen grundsätzlich nicht
benötigt
sind. Daher ist auch der zum Einbau eines solchen Direktantriebes
benötigte
Einbauraum relativ klein. Bei einem solchen Direktantrieb sind Rotor
und Stator konzentrisch zur Achse der Lenkspindel und zwar mit einem
gewissen Abstand zwischen der Mantelfläche der Lenkspindel und der
Innenseite des Rotors angeordnet. Der von dem Rotor eingeschlossene
Raum wird zweckmäßigerweise
genutzt, um darin die Kupplungseinrichtung unterzubringen. Die Kupplungseinrichtung
selbst ist zweckmäßigerweise
elektromagnetisch arbeitend ausgelegt und vertilgt über einen
Ringmagneten der gemäß einem Ausführungsbeispiel
drehmomentschlüssig
mit dem Rotor des Direktantriebes verbunden ist. Drehmomentschlüssig ist
mit der von dem Lenkrad angetriebenen Welle der Lenkspindel ein
erstes Kupplungselement verbunden. Zwischen diesem Kupplungselement
und dem Ringmagneten befindet sich in axialer Richtung bewegbar
und unter Vorspannung an dem ersten Kupplungsring anliegend ein
zweites Kupplungselement, das das Stellglied darstellt. Die Vorspannung,
mit dem das zweite Kupplungselement als Stellglied an dem ersten
Kupplungsring anliegt, kann beispielsweise durch Druckfedern oder
auch durch einen Permanentmagneten realisiert sein. Somit benötigt eine
solche Einrichtung keinen zusätzlichen Einbauraum,
der nicht auch ohnehin von dem Direktantrieb benötigt wird.
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Die beiden miteinander zusammenwirkenden
Kupplungsringe können
an ihren zueinanderweisenden Oberflächen glatt ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der drehmomentschlüssig mit
der Welle verbundene Kupplungsring mit seiner von dem als Stellglied
dienenden Kupplungsring wegweisenden Seite an einer von einer Drehbewegung
der Welle entkoppelten Schreibe, beispielsweise als Teil einer Gehäuseschale
bei geschlossener Kupplungseinrichtung anliegt, damit auf diese
Weise eine Kraftübertragung
auf einer größeren Fläche erfolgen
kann.
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Betrieben wird eine solche Lenkeinrichtung ausgehend
von einer geschlossenen Kupplungseinrichtung. Ein der Lenkeinrichtung
zugeordneter Drehmomentsensor dient zum Erfassen des auf das Lenkrad
von einem Benutzer ausgeübten
Drehmomentes. Überschreitet
dieses Drehmoment eine vorgegebene Größe, wird der zweckmäßigerweise
als Direktantrieb ausgelegte Elektromotor angesteuert, damit dieser
zusammen mit dem über
das Lenkrad eingebrachten Drehmoment die mit dem Lenkgetriebe verbundene
Abtriebswelle antreibt. In dieser Anordnung arbeitet die Lenkeinrichtung
mit geschlossener Kupplungseinrichtung der Lenkspindel ent sprechend
einem EPS-System. Sollte eine Überlagerungslenkung gewünscht sein
oder aufgrund anderweitig erfasster Daten notwendig werden, wird
die Kupplung geöffnet und
somit ein Kraftfluss von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle
unterbunden und es erfolgt eine den erfassten Umständen entsprechende
Lenkkorrektur über
den Elektromotor. Nach Beendigung einer solchen Überlagerungslenkung wird die
Kupplung wieder geschlossen und der Grundzustand ist wiederhergestellt.
Gleichwohl können
mit dieser Lenkeinrichtung auch Situationen mit einer länger anhaltenden
Kupplungsöffnung
vorgesehen sein, etwa beim Rangieren. Ein solcher Fall kann beispielsweise dann
eintreten, wenn ein Lenkradeinschlag begrenzt ist, etwa auf 90 Grad
in jede Richtung, sich aber über das
Lenkgetriebe die gewünschte
Radwinkelstellung mit diesem Lenkradeinschlag nicht realisieren
lässt. In
diesem Fall öffnet
die Kupplungseinrichtung zum Trennen der beiden Kupplungselemente
und über den
Elektromotor wird die gewünschte
weitere Lenkbewegung ausgeübt.
Ein solches Trennen der Kupplungseinrichtung und das entsprechende
Ansteuern des Elektromotors kann beispielsweise Drehmomentsensor
gesteuert erfolgen, etwa dann, wenn ein bestimmtes Drehmoment überschritten
wird, wie durch Anschlagen der Lenkraddrehbewegung an einen Anschlag.
Bei der Rückstellung
der gelenkten Räder
in ihre Geradeausstellung kann die Kupplungseinrichtung auf eine
schleifende Mitnahme eingestellt werden, so dass auch eine Mitnahme
des Lenkrades in seine Geradeausstellung mit geringerer Drehwinkelgeschwindigkeit
erfolgt.
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Um auch bei geöffneter Kupplungseinrichtung
dem Lenkrad ein bestimmtes Gegenmoment entgegenzustellen, kann vorgesehen
sein, dass die das Lenkrad tragende Welle in einem Zellenlager gelagert
ist. Infolge der vorgesehenen Lenkradunterstützung wirkt sich dies nicht
nachteilig auf die zum Lenken notwendige Kraft aus.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine schematisierte Schnittdarstellung einer Lenkeinrichtung mit
einer ruhebetätigten ansteuerbaren
Kupplungseinrichtung,
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2:
die Lenkeinrichtung der 1 mit dem
Kraftverlauf bei ge schlossener Kupplungseinrichtung und
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3:
eine Darstellung entsprechend 2 mit
dem sich darstellendem Kraftfluss bei geöffneter Kupplungseinrichtung.
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Eine Lenkeinrichtung 1 umfasst
ein Lenkrad 2, das unter Zwischenschaltung eines Drehmomentsensors 3 an
einer Antriebswelle 4 als Teil einer zweiteiligen Lenkspindel 5 befestigt
ist. Die Lenkspindel 5 umfasst eine weitere, im folgenden
als Abtriebswelle 6 bezeichnete Welle, die an ein Lenkgetriebe 7 angeschlossen
ist.
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Die Lenkeinrichtung 1 umfasst
eine in einem Gehäuse 8 angeordnete
Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9.
Teil der Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 ist
ein als Direktantrieb dienender drei-phasiger Synchronmotor 10 mit
Permanenterregung, dessen Stator 11 drehschlüssig mit
dem Gehäuse 8 verbunden
ist. Das Gehäuse
8 wiederum stützt
sich über Lager 12, 12' auf der Lenkspindel 5 ab.
Der Rotor 13 des Synchronmotors 10 ist unter Ausbildung
einer Hohlwelle 14 drehmomentschlüssig mit der Abtriebswelle 6 der
Lenkspindel 5 verbunden.
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Zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung
zwischen der Antriebswelle 4 und der Abtriebswelle 6 ohne
Zwischenschaltung des Elektromotors 10 dient eine insgesamt
mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnete Kupplungseinrichtung.
Die Kupplungseinrichtung 15 ist elektromagnetisch arbeitend
ausgelegt und umfasst einen konzentrisch zur Lenkspindel 5 angeordneten
Ringmagneten 16, der drehmomentschlüssig mit dem Rotor 13 des
Synchronmotors 10 verbunden ist. Die Kupplungseinrichtung 15 verfügt ferner über eine
drehmomentschlüssig
mit der Antriebswelle 4 verbundene Kupplungsscheibe 17,
die an ihrem äußeren Rand
in axialer Richtung beidseitig einen Belag 18, 18' trägt. Diese Beläge 18, 18' sind ringförmig konzipiert,
so dass von seiner Wirkung her die Kupplungsscheibe 17 ein Kupplungsring
ist. Zwischen der Kupplungsscheibe 17 und dem Ringmagneten 16 ist
als bewegliches Stellglied ein Kupplungsring 19 als weiteres
Kupplungselement angeordnet. Dieser steht unter Federvorspannung
und liegt unter Federvorspannung stehend an dem Belag 18 der
Kupplungsscheibe 17 reibschlüssig an, so dass über diese
Verbindung ein Drehmoment von der Kupplungsscheibe 17 auf
den Kupplungsring 19 übertragen
wird. Der Kupplungsring 19 ist drehmomentschlüssig schlüssig gegenüber dem
Ringmagneten 16 gehalten, so dass das auf den Kupplungsring 19 übertragene
Drehmoment auf den Ringmagneten 16 und auf den Rotor 12 des
Synchronmotors 10 übertragen
wird, um über
die Hohlwelle 14 auf die Abtriebswelle 6 und letztendlich
dem Lenkgetriebe 7 zugeführt zu werden. Dieser Kraftfluss
ist in 2 schematisiert durch die Blockpfeile wiedergegeben.
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Bei einer Betätigung des Ringmagneten 16 wird
der Kupplungsring 19 entgegen der Kraft der auf den Kupplungsring 19 einwirkenden
Federelemente von dem Belag 18 der Kupplungsscheibe 17 gelöst, so dass
dann eine Kraftübertragung
von dem Lenkrad 2 über
die Antriebswelle 4 und die Kupplungseinrichtung 15 auf
die Abtriebswelle 6 getrennt ist.
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Mit einer eine solche Kupplungseinrichtung 15 aufweisenden
Lenkeinrichtung 1 ist nicht nur eine direkte Lenkung mit
einer Lenkkraftunterstützung
bei entsprechender Ansteuerung des Synchronmotors 10 möglich, sondern
insbesondere kann der direkte Kraftfluss vom Lenkrad 2 zum
Lenkgetriebe 7 durch Öffnen
der Kupplungseinrichtung 15 unterbrochen werden, so dass
dann über
den Synchronmotor 10 eine Überlagerungslenkung erfolgen
kann. Zur Vereinfachung der in den Figuren gewählten Darstellung der Lenkeinrichtung 1 sind
weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Lenkwinkelsensor zum
Erfassen der Drehwinkelstellung des Lenkrades sowie ein Drehwinkelsensor
zum Erfassen der Drehwinkelstellung der Abtriebswelle nicht dargestellt.
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Die Drehmomenterfassung in dem Drehmomentsensor 3 dient
dem Zweck, dass von einem Benutzer auf das Lenkrad 2 einwirkende
Drehmoment zu erfassen, um in Abhängigkeit von dem erfassten Drehmoment
den Synchronmotor für
die gewünschte Lenkkraftunterstützung und/oder
für eine Überlagerungslenkung
anzusteuern.
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- 1
- Lenkeinrichtung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Drehmomentsensor
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Lenkspindel
- 6
- Abtriebswelle
- 7
- Lenkgetriebe
- 8
- Gehäuse
- 9
- Lenkkraftunterstützungseinrichtung
- 10
- Synchronmotor
- 11
- Stator
- 12,
12'
- Lager
- 13
- Rotor
- 14
- Hohlwelle
- 15
- Kupplungseinrichtung
- 16
- Ringmagnet
- 17
- Kupplungsscheibe
- 18,
18'
- Kupplungsbelag
- 19
- Kupplungsring