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Die
Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Eine
gattungsgemäße Lenkvorrichtung
ist der
DE 43 26 355
A1 bekannt. Dabei sind die Bauteile einer aufgetrennten
Lenksäule über ein
mechanisches Planetengetriebe wirkschlüssig miteinander verbunden,
wobei das Getriebegehäuse
rotationsbeweglich um die Lenksäule
gelagert ist. Durch Antreiben des Gehäuses über einen Elektromotor kann
ein Lenkmoment auf die Lenksäule
aufgebracht werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Lenkvorrichtung anzugeben, die einen geringeren Bauraum im Fahrzeug
beansprucht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Grundlegender
Gedanke der Erfindung ist, die Lenkbewegung, welche die von einem
Fahrer über
eine Lenkhandhabe aufgebrachte Lenkbewegung überlagert, durch einen Wanderwellenmotor
mit Rotor und Stator zu erzeugen. Ein Piezo-Wanderwellenmotor baut flach und ist
sehr kompakt, erzielt hohe Stellmomente und sehr hohe Haltemomente.
Das abgegebene Drehmoment unterliegt nur geringen Schwankungen (sogenannter
Torque-Ribble), wodurch dem Fahrer ein realistisches Lenkgefühl vermittelt
werden kann. Auch die elektromagnetische Emission ist gering.
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Ein
auch als Ultraschallmotor bezeichneter Wanderwellenmotor wird mit
Schwingungen im Bereich von ca. 20 bis 100 kHz betrieben. Dabei
werden im Stator Wellen mit einer Amplitude von ca. 1 μm ausgebildet.
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Die
Lenksäule
der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung
kann aufgetrennt und mehrteilig ausgebildet sein, wobei der Rotor
und der Stator jeweils mit einem Teil der Lenksäule kraftschlüssig verbunden
ist. Dadurch kann der Wanderwellenmotor an einer beliebigen Stelle
der Lenksäule
angeordnet sein. Somit kann eine bauraumgünstige Lage des Wanderwellenmotors
in der Lenksäule
gewählt
werden.
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Der
Rotor und der Stator des Wanderwellenmotors sind reibschlüssig miteinander
verbunden. Dabei wird der Reibschluss durch ein vorgespanntes Federelement
verstärkt,
welches den Rotor und den Stator gegeneinander presst. Dadurch wird
gewährleistet,
dass immer eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Lenkhandhabe und den gelenkten Fahrzeugrädern besteht,
unabhängig
davon, ob der Wanderwellenmotor betrieben wird oder nicht.
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Sobald
der Wanderwellenmotor angesteuert wird, wird eine Relativbewegung
zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt. Je nach Richtung der
Ansteuerung wird somit eine Lenkbewegung erzeugt, die die von einem
Fahrer über
die Lenkhandhabe in die Lenksäule
eingeleitete Lenkbewegung verstärkt oder
reduziert.
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Über Signale
von Sensoren im Fahrzeug kann eine aktuelle Fahrsituation des Fahrzeugs,
beispielsweise ein unter- oder übersteuerndes
Fahrzeugverhalten, von einer Steuer- und Auswerteeinheit ermittelt
werden. Sodann kann der Wanderwellenmotor entsprechend angesteuert
werden, um über eine
Lenkkorrektur das Fahrzeug zu stabilisieren.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Wanderwellenmotor zwischen
einem Servoventil, das in der Lenksäule angeordnet ist, und den
lenkbaren Fahrzeugrädern
anzuordnen. Dadurch könnte der
Wanderwellenmotor in einer kompakten Baueinheit zusammen mit dem
Servoventil und einem Lenkgetriebe verbaut werden.
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Eine
alternative Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, den Wanderwellenmotor
in unmittelbarer Nähe
der Lenkhandhabe anzuordnen und den Stator mit der Lenkhandhabe
zu verbinden. Damit kann der Wanderwellenmotor im Lenkradtopf eines
Lenkhandrades angeordnet werden. Aufgrund des lediglich geringen
Bauraums für
den Wanderwellenmotor kann dieser derart angeordnet werden, dass
trotzdem beispielsweise ein Airbag im Lenkradtopf mit vorgesehen
werden kann. Mit dieser Ausgestaltungsform der Erfindung wird eine
Positionierung des Wanderwellenmotors außerhalb des Fahrzeugmotorraums
und somit entfernt von einer durch hohen Temperaturen gekennzeichneten
Umgebung vorgenommen. Dies ermöglich
eine noch kompaktere Bauweise, da z.B. keine Abschirmung gegen eine auf
den Wanderwellenmotor einwirkende Hitzequelle vorgesehen werden
muss.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigen:
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1 eine schaltplanartig schematisierte Darstellung
einer Lenkvorrichtung mit einer hydraulischen Servounterstützung und
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2 eine schematisierte Darstellung
eines Schnitts durch einen Lenkradtopf eines Lenkhandrads.
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Gemäß 1 weist ein nicht näher dargestelltes
Kraftfahrzeug eine Lenkvorrichtung 1 mit hydraulischer
Servounterstützung 10 auf.
Dabei sind gelenkte Fahrzeugräder 2 über Spurstangen 3 mit
einer Zahnstange 4 verbunden, welche gleichach sig in die
Kolbenstange 20 eines als Servomotor angeordneten doppeltwirkenden
Kolben-Zylinder-Aggregates 19 übergeht bzw. mit der Kolbenstange 20 verbunden ist.
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Die
Zahnstange 4 kämmt
mit einem Ritzel 6, welches über eine Lenksäule 7 mit
einem Lenkhandrad 30 antriebsmäßig verbunden ist. In der Lenksäule 7 ist
ein drehelastisches Element 11 angeordnet, so dass zwischen
Ritzel 6 und Lenkhandrad 30 eine begrenzte Relativdrehung
auftreten kann, deren Maß von
den zwischen Ritzel 6 und Lenkhandrad 30 übertragenen
Kräften
und Momenten abhängig
ist.
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Diese
Relativdrehung steuert ein Servoventil 12, welches einerseits über Motorleitungen 17, 18 mit den
beiden Kammern des Kolben-Zylinder-Aggregates 19 und andererseits
mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe 14 sowie einem
relativ drucklosen Hydraulikreservoir 13 verbunden ist,
an das die Saugseite der Pumpe 14 angeschlossen ist.
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In
der dargestellten Mittellage des Servoventils 12 sind die
beiden Kammern des Kolben-Zylinder-Aggregates 19 miteinander
sowie mit dem Reservoir 13 verbunden. Außerdem kann
eine Verbindung zur Druckseite der Pumpe 14 bestehen, welche dann
ständig
laufen kann.
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Statt
dessen ist es auch möglich,
dass in der Mittelstellung des Servoventils 12 der Ventilanschluss
zur Druckseite der Pumpe 14 abgesperrt ist, welche in diesem
Falle über
ein Rückschlagventil 15 einen
Druckspeicher 16 laden kann und in Abhängigkeit vom Ladedruck gesteuert
bzw. bei hohem Ladedruck ausgeschaltet wird.
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Sobald
zwischen Ritzel 6 und Lenkhandrad 30 Kräfte bzw.
Drehmomente wirksam sind, wird das Servoventil 12 in der
einen oder anderen Richtung aus seiner Mittellage verschoben, mit
der Folge, dass zwischen den Motorleitungen 17, 18 eine
mehr oder weniger große
Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung und damit eine
mehr oder weniger große
Servokraft des Kolben-Zylinder-Aggregates 19 in der einen
oder anderen Richtung erzeugt und die jeweils am Lenkhandrad 30 für ein Lenkmanöver aufzubringende
Kraft entsprechend vermindert wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine hydraulische Servounterstützung 10 beschränkt. Vielmehr
kann die Hilfskraft auch von einer z.B. elektrisch bzw. elektromagnetischen
Hilfskrafteinrichtung aufgebracht werden. Diese kann dabei auf die
Zahnstange 4, auf ein Lenkgetriebe 5 oder auf
die Lenksäule 7 wirken.
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Zwischen
dem drehelastischen Element 11 und dem Lenkhandrad 30 ist
ein Wanderwellenmotor 40 angeordnet. Dieser wird von einer
Auswerte- und Steuereinheit 50 angesteuert und ist über Signal- bzw.
Stromleitungen 51 mit dem Ausgang 54 der Auswerte-
und Steuereinheit 50 verbunden. Die Steuerung 50 weist
mehrere Eingänge 53 auf, über die
die Steuerung 50 mit verschiedenen nicht weiter dargestellten
Sensoren in Verbindung steht. Diese Sensoren ermitteln beispielsweise
den Radstellungswinkel, den Lenkwinkel am Handlenkrad, die Querbeschleunigung,
die Giergeschwindigkeit und/oder die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit. Anhand
der Signale dieser Sensoren ermittelt die Steuerung 50 den aktuellen
Fahrzustand des Fahrzeugs und steuert sodann entsprechend den Wanderwellenmotor 40 an.
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Der
Wanderwellenmotor 40 kann anstelle der Anordnung zwischen
dem Lenkhandrad 30 und dem elastischen Element 11 auch,
wie in 1 durch gestrichelte
Linien angedeutet, zwischen dem elastischen Element 11 und
dem Lenkgetriebe 5 angeordnet sein.
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In 2 ist ein Schnitt durch
einen Lenkradtopf eines Lenkhandrads dargestellt. Dabei sind jedoch
nicht alle Bauteile im Schnitt wiedergegeben.
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Das
Lenkhandrad 30 weist einen ringförmigen Lenkradkranz 31 auf,
der eine Mittelplatte 32 umschließt und mit dieser verbunden
ist. Mit der Mittelplatte 32 ist ein Lenkradtopf 33 verbunden.
Dieser ist bodenseitig über
ein Lager 47 axial fest aber drehbeweglich an der Lenksäule 7 gelagert.
Bei dem Lager 47 kann es sich beispielsweise um ein einfaches
Kugellager, ein Nadellager oder auch ein leichgängiges Gleitlager handeln.
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Mit
dem Lenkhandrad 30 ist ebenfalls der Wanderwellenmotor 40 wirkschlüssig, beispielsweise über Schrauben
verbunden. Dabei kann zwischen einem Stator 41 des Wanderwellenmotors 40 und
der Mittelplatte 32 ein Dämpfungselement 45 angeordnet sein,
welches eventuelle, durch den Wanderwellenmotor 40 hervorgerufene
Schwingungen gegenüber dem
Lenkhandrad 30 dämpft.
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Der
Stator 41 weist eine ringförmige Grundform auf und ist
konzentrisch zur Längsachse 8 der Lenksäule 7 angeordnet.
Gegenüber
der der Lenksäule 7 zugewandten
Stirnseite des Stators 41 ist ein Rotor 42 über ein
Verzahnung 46 längsverschieblich an
dem oberen Ende der Lenksäule 7 gelagert.
Zwischen einem axialen Anschlag 48 der Lenksäule 7 und
dem Rotor 42 ist eine Tellerfeder 49 angeordnet, die
den Rotor 42 unter Vorspannung in Richtung des Stators 41 drückt.
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An
der dem Lenkhandrad 30 zugewandten Stirnseite weist der
Stator 41 eine Piezokeramikschicht 43 auf, die
zur Erregung der Wanderwellen im Stator 41 dient. Die an
dem Rotor 42 anliegende Stirnseite des Stators 41 ist
biegeweich ausgeführt, wobei
die Biegeweichheit durch am Umfang der Statorstirnseite angeordnete,
radial verlaufende, beispielsweise v-förmige Einkerbungen erzielt
wird.
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Über nicht
dargestellte Anschlüsse
kann eine von der Steuerung 50 geregelte Spannung an der
Piezokeramikschicht 43 angelegt werden. Diese bewirkt resonante
Schwingungen im Stator 41, die sich zu fortlaufenden Wellen
im biegeweichen stirnseitigen Statorbereich 44 überlagern.
Infolge des Reibschlusses mit dem Rotor 42 kann somit eine
Relativbewegung zwischen dem Stator 41 und dem Rotor 42 erzielt
werden.
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Mit
dieser Relativbewegung ist die Richtung der gelenkten Fahrzeugräder 2 beeinflussbar.
So kann einer Lenkbewegung eines das Lenkhandrad 30 betätigenden
Fahrers sowohl eine verstärkende als
auch ein reduzierende Lenkbewegung durch den Wanderwellenmotor 40 überlagert
werden.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der Lenkvorrichtung 1 an einem
Beispiel erläutert:
Sensoren
in einem nicht näher
dargestellten, an der Hinterachse angetriebenen Fahrzeug ermitteln
kontinuierlich den Fahrzustand des Fahrzeugs. Beispielsweise kann
die Gierbeschleunigung sensiert oder über Messen anderer Größen wie
z.B. Längs-
und Querbeschleunigung ermittelt werden. Ebenso wird die Radstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 2 sensiert.
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In
diesem Beispiel befahre das Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung 1 eine Linkskurve.
Das bedeutet, ein Fahrer des Fahrzeugs hat das Lenkhandrad 30 entgegen
des Uhrzeigersinns eingeschlagen und durchfährt die Kurve.
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Aufgrund
der Fahrgeschwindigkeit und einem lokalen reduzierten Reibwert des
Straßenbelags verlieren
die Hinterräder
des Fahrzeugs für
kurze Zeit die Haftung. Dadurch dreht sich das Fahrzeug entgegen
des Uhrzeigersinns um seine Hochachse weiter in die Kurve hinein,
es übersteuert.
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Der
gemessene und/oder berechnete Wert der Gierbeschleunigung überschreitet
dabei einen von dem Lenkwinkel bzw. von der Lenkwinkelgeschwindigkeit
sowie von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Grenzwert. Dies wird
von der Auswerte- und Steuereinheit 50 festgestellt. Deshalb steuert
die Auswerte- und
Steuereinheit 50 den Wanderwellenmotor 40 so an,
dass die Piezokeramikschicht 43 des Stators 41 eine
wandernde Welle im biegeweichen Stirnbereich 44 des Stators 41 erzeugt.
Dadurch wird der Rotor 42 relativ zum Stator 41 in
Lenksäulenrichtung
nach rechts bewegt. Über die
Verzahnung 46 mit der Lenksäule 7 wird die rotatorische
Bewegung des Stators 41 über das Ritzel 6 des
Lenkgetriebes 5 auf die Zahnstange 4 übertragen.
Dabei findet eine Relativverdrehung zwischen Lenksäule 7 und
Lenkradtopf 33 statt, die durch das Lager 47 abgestützt wird.
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Die
translatorische Verschiebung der Zahnstange 4 bewirkt wiederum über die
Verschiebung der Spurstange 3 ein Verschwenken der gelenkten Räder 2,
so dass der Lenkeinschlag der Räder 2 verringert
oder sogar über
eine Neutrallage hinaus in die anderer Lenkrichtung verstellt wird.
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Durch
die Korrektur der Radstellung der gelenkten Räder 2 wird erreicht,
dass das Fahrzeug wieder in eine stabile Fahrsituation gelangt und
die Kurve weiter sicher durchfahren wird.
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Nach
Ausführung
der Lenkkorrektur steuert die Auswerte- und Steuereinheit 50 den
Stator 41 in umgekehrter Richtung an, so dass der Rotor 42 wieder
in die Ausgangslage relativ zum Stator 41 gelangt und so
auch die Radstellung der gelenkten Rä der 2 wieder mit einer
Ausgangsstellung des Lenkhandrades 30 korrespondiert.