DE10357729A1

DE10357729A1 - Lenkungsstellantrieb eines "Steer-by-Wire-Systems"

Info

Publication number: DE10357729A1
Application number: DE10357729A
Authority: DE
Inventors: Jung-Rak Yun
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: US20040242356A1; JP3817677B2; US7178625B2; CN1572622A; US6991573B2; CN1319798C; JP2004359210A; US20060113142A1; DE10357729B4

Abstract

Lenkungsstellantrieb eines "Steer-by-Wire-Systems". Der Lenkungsstellantrieb hat ein am Fahrzeugkörper fixiertes Gehäuse, ein innerhalb des Gehäuses fixiertes Hohlzahnrad und einen mit dem Hohlzahnrad verbundenen Stator eines Ultraschallmotors. Am Rotor des Ultraschallmotors sind mittels Stiften Planetenräder befestigt. Die Planetenräder sind einerseits mit der Innenumfangsfläche des Hohlzahnrades und andererseits mit der Außenumfangsfläche eines Sonnenrades im Eingriff. Eine Innenumfangsfläche des Sonnenrades ist als Schneckenrad ausgebildet und das Schneckenrad greift in eine Linearzahnreihe ein, die auf einer Lenkstange ausgebildet ist. Die Lenkstange ist an seinem einen aus dem Gehäuse ragenden Ende mit einer Spurstange verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein „Steer-by-Wire-System" und insbesondere einen Lenkungsstellantrieb zur Ausführung eines „Steer-by-Wire-Systems" unabhängigen Typs.
Fahrzeuglenkungs-Antriebssysteme (wie Servolenkungen) haben sich von hydraulischen Systemen zu elektro-hydraulischen Systemen entwickelt, und gegenwärtig werden elektrische Lenkungs-Antriebssysteme weitgehend verwendet. In der nahen Zukunft werden „Steer-by-Wire-Systeme", die sich einer sehr fortschrittlichen elektronischen Steuerungsweise bedienen, in praktische Anwendung kommen.

Solche „Steer-by-Wire-Systeme" sind derartig aufgebaut, dass die Lenksäule aus den existierenden elektrischen Lenkungs-Antriebssystemen entfernt wird und ein Torsionssensor und ein Lenkungswinkelsensor am Lenkrad angebracht werden, um die Lenkungsabsichten des Fahrers zu erkennen und entsprechend einen getrennt eingebauten Stellantrieb zu betätigen, wie z.B. einen Motor, wodurch eine Lenkkraft erzeugt wird.

Wie oben festgestellt, da bei „Steer-by-Wire-Systemen" keine direkte Übertragung der Lenkkraft über die Lenksäule erfolgt, ist es unnötig, Lenkungseinheiten, die an beiden Fahrzeugrädern angebracht sind, mechanisch durch eine Verbindung zu verbinden.

Als Folge der Entwicklung von solchen unabhängigen „Steer-by-Wire-Systemen", bei denen beide Lenkungseinheiten, die an beiden Fahrzeugrädern angebracht sind, voneinander getrennt sind, ist es möglich, eine Vergrößerung des verfügbaren Raums innerhalb des Motorraums sicherzustellen. Um unabhängige „Steer-by-Wire-Systeme" zu erhalten, ist es notwendig, einen Lenkungsstellantrieb zu schaffen, der angepasst ist, um individuell eine Lenkkraft an beide, getrennte Lenkungseinheiten, die sich an beiden Fahrzeugrädern befinden, aufzubringen. Der Lenkungsstellantrieb muss weiterhin dahingehend verschiedene Anforderungen erfüllen, dass er eine kleine Größe und ein leichtes Gewicht haben muss, dass er sich nicht bei von den Fahrzeugrädern übertragenen Kräften bewegen darf, und dass er für die Sicherheit eine fehlerfreie Kontrolle haben muss, und dergleichen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Lenkungsstellantrieb zu schaffen, der sicher seine Lenkaufgabe erfüllt und der platzsparend aufgebaut ist.

Dies wird gemäß der Erfindung durch einen Lenkungsstellantrieb eines „Steer-by-Wire-Systems" unabhängigen Typs erzielt, mit einem Gehäuse, das am Fahrzeugkörper fixiert ist, einem Ultraschallmotor, der einen innen im Gehäuse befestigten Stator und einen Rotor aufweist, der sobald elektrischer Strom anliegt, relativ zum Stator rotiert, einer Lenkstange, die den Zentrumsabschnitt des Ultraschallmotors durchdring, wobei ein Ende der Lenkstange, das aus dem Gehäuse herausragt, mit einer Spurstange verbunden ist, und einem Bewegungsumwandlungsmittel zum Umwandeln von einer Rotationsbewegung des Ultraschallmotors in eine lineare Bewegung der Lenkstange.

Vorzugsweise hat das Bewegungsumwandlungsmittel ein innen am Gehäuse fixiertes Hohlzahnrad, Planetenräder, die jeweils mittels Stiften am Rotor des Ultraschallmotors angebracht sind, wobei die Planetenräder mit der Innenumfangsfläche des Hohlzahnrades im Eingriff sind, ein Sonnenrad, das an seiner Außenumfangsfläche mit den Planetenrädern im Eingriff ist, wobei das Sonnenrad als Hohlrad ausgebildet ist und an seiner Innenumfangsfläche mit einer Schneckenverzahnung ausgebildet ist, und eine Linearzahnreihe, die an der Lenkstange so geformt ist, dass sie mit der Schneckenverzahnung des Sonnenrades im Eingriff ist.

Alternativ vorzugsweise hat das Bewegungsumwandlungsmittel ein Rotorhohlzahnrad, das integral im Rotor des Ultraschallmotor ausgebildet ist, eine Vielzahl von Ritzeln, die mit dem Rotorhohlzahnrad zum Rotieren im Eingriff sind, wobei deren Rotationsachsen am Gehäuse fixiert sind, Schneckenräder, die jeweils integral mit den Ritzeln verbunden sind, und eine Vielzahl von Linearzahnreihen, die auf der Lenkstange ausgebildet sind und mit den jeweiligen Schneckenrädern im Eingriff stehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Draufsicht, die ein unabhängiges „Steer-by-Wire-System" veranschaulicht,
2 eine Schnittansicht, die einen Lenkungsstellantrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt,
3 eine Schnittansicht von rechts von 2, bei der ein Hohlzahnrad und ein Stator ausgespart sind, und
4 und 5 eine Schnittansicht bzw. eine rechtsseitige Schnittansicht von 4 sind, die einen Lenkungsstellantrieb gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
Bezugnehmend auf 1, die eine schematisch Darstellung eines unabhängigen „Steer-by-Wire-Systems" zeigt, wird angemerkt, dass die an beiden Fahrzeugrädern angebrachten Lenkungseinheiten unabhängig voneinander eingebaut sind, ohne miteinander verbunden zu sein. Jede Lenkungseinheit hat einen mit dem Fahrzeugrad verbundenen Achsschenkel 1 und eine Spurstange 2 zur Betätigung des Achsschenkels 1.
Durch die Wirkung der unabhängigen Struktur der beiden Lenkungseinheiten besteht kein Bedarf an einer konventionellen Zahnstange und anderen Verbindungen, die den Motorraum kreuzen, sodass eine Vergrößerung des verfügbaren Raums innerhalb des Motorraums sichergestellt wird. In 1 bezeichnen die Bezugszeichen 3 und 4 ein Lenkrad bzw. eine Lenkungs-Steuersignal-Erzeugungseinheit. Die Lenkungs-Steuersignal-Erzeugungseinheit hat einen Torsionssensor und einen Lenkungswinkelsensor.
Um eine Lenkkraft an beiden unabhängigen Lenkungseinheiten anzulegen, die an einem jeweils zugeordneten der beiden Fahrzeugrädern angebracht sind, ist wie in 1 gezeigt ein Lenkungsstellantrieb 10 für die Eingabe der Lenkkraft über die Spurstange 2 vorgesehen. Der Lenkungsstellantrieb 10 hat gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung ein Gehäuse 11, das am Fahrzeugkörper fest angebracht ist, einen Ultraschallmotor 13 mit einem innen im Gehäuse 11 fest angebrachten Stator 13a und einem relativ zum Stator 13a drehbaren Rotor 13b, der durch Anlegen von elektrischem Strom dreht, eine Lenkstange 17, die den Zentrumsbereich des Ultraschallmotors durchdringt sowie an ihrem einen Ende, das aus dem Gehäuse 11 herausragt, mit der Spurstange 2 gelenkig verbunden ist, und einem Bewegungsumwandlungsmittel, d.h. einem Getriebe, zum Umwandeln der Rotationsbewegung des Ultraschallmotors 13 in eine lineare Bewegung der Lenkstange 17.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist der Lenkungsstellantrieb 10 grundlegend so konstruiert, dass die Rotationsbewegung des Ultraschallmotors 13, der in das Gehäuse 11 eingebaut ist, durch eine Planetengetriebevorrichtung auf die Lenkstange 17 übertragen wird.
Das Gehäuse 11 ist an einer angemessenen Position des Fahrzeugkörpers (oder Rahmens) nahe zur zugeordneten Spurstange 2 befestigt, um einfach mit der zugeordneten Spurstange 2 der zugeordneten unabhängigen Lenkungseinheit verbunden werden zu können.
Das Gehäuse 11 ist an seiner Innenumfangsfläche integral mit einem Hohlzahnrad 12 und dem Stator 13a als einem grundlegenden Bauteil des Ultraschallmotors 13 verbunden, um Drehungen zu verhindern.
Ein seitlich am Stator 13a positionierter Rotor 13b agiert als das andere grundlegende Bauteil des Ultraschallmotors 13, und der Rotor 13b ist seinerseits mittels Stiften 14 drehbar mit Planetenrädern 15 verbunden.
Die Planetenräder 15 sind simultan im Eingriff mit Radzähnen, die an der Innenumfangsfläche des Hohlzahnrades 12 ausgebildet sind, und mit Radzähnen, die an der Außenumfangsfläche des relativ zu den Planetenrädern 15 innen gelegenen Sonnenrades 16 ausgebildet sind.
Das Sonnenrad 16 bildet an seiner Innenumfangsfläche ein Schneckenrad 16a, und das Schneckenrad 16a ist mit einer auf der oberen Fläche der Lenkstange 17 gebildeten Linearzahnreihe 17a, die relativ zu dem Sonnenrad 16 innerhalb liegt, im Eingriff.
Beide Enden der Lenkstange 17 ragen aus dem Gehäuse 11 heraus, wobei sie drehbar mit der zugeordneten Spurstange 2 als ein Eingabeende der Lenkungseinheit verbunden sind.
In der vorliegenden Ausführungsform bilden das Hohlzahnrad 12, die Planetenräder 15, das Sonnenrad 16 und die auf der Lenkstange 17 ausgebildete Linearzahnreihe 17a das Bewegungsumwandlungsmittel für das Umwandeln der Rotationsbewegung des Ultraschallmotors 13 in die lineare Bewegung der Lenkstange 17.
Der Arbeitsablauf der Erfindung wird nun erklärt. Von der oben beschriebenen Lenkungs-Steuersignal-Erzeugungseinheit 4 ausgegebene Sensorsignale werden in eine separate Steuereinheit eingegeben, somit einen Berechnungsweg durchlaufend, wobei sie letztendlich zum Steuern des elektrischen Stroms, der an den Ultraschallmotor 13 angelegt wird, verwendet werden.
Ein Ultraschallmotor (USM) ist eine gut bekannte Vorrichtung, die einen Stator und einen Rotor hat, die in einem, durch eine piezoelektrische Keramik erhaltenen Andrück- Zustand zueinander angebracht sind. Wenn elektrische Signale an der piezoelektrischen Keramik angelegt werden, oszilliert der Stator entlang eines elliptischen Bahn (gemäß einer Ultraschall-Oszillationsfrequenz von mehr als 20 kHz), und diese Oszillation bewirkt das Schieben des eng am Stator anliegenden Rotors. Das ergibt gemäß dem vorausgehenden Prinzip eine Antrieb im Rotor, und die Rotationsrichtung des Ultraschallmotors kann frei, in einer befriedigenden Art durch die elektrischen Signale, die an der piezoelektrischen Keramik angelegt werden, gewechselt werden. Konsequenterweise kann der Ultraschallmotor als ein Lenkungsstellantrieb genutzt werden.
Somit rotiert der Rotor 13b des Ultraschallmotors 13, sobald kontrolliert elektrischer Strom an den Stator 13a angelegt wird, und als Folge der Rotation des Rotors 13b rotieren oder stoppen die Planetenräder 15 entlang der Innenumfangsfläche des fixierten Hohlzahnrades 12, wobei das Rotieren des mit den Planetenrädern in Eingriff befindliche Sonnenrades 16 verursacht wird. Das heißt, der Rotor 13b dient als Träger für eine generelle Planetengetriebe-Zusammenstellung, und die Betätigung des Rotors 13b ist die gleiche wie die einer generellen Planetengetriebe-Zusammenstellung.
Wenn das Sonnenrad 16 wie oben festgestellt rotiert, bewegt sich durch die Wirkung des Zusammenspiels zwischen dem Schneckenrad 16a, das auf der Innenumfangsfläche des Sonnenrades 16 ausgebildet ist, und der Linearzahnreihe 17a, die auf der oberen Fläche der Lenkstange ausgebildet ist, die Lenkstange 17 abhängig von der Rotationsrichtung des Sonnenrades 16 vorwärts und rückwärts, wobei die Spurstange 2, die mit dem zugeordneten Ende der Lenkstange 17 verbunden ist, geschoben oder gezogen wird, was wiederum die Fahrtrichtung der Fahrzeugräder steuert.
Unterdessen hat der Ultraschallmotor 13 unterschiedliche, vorteilhafte Merkmale wie folgt.
Erstens hat der Ultraschallmotor im Vergleich mit einem generellen Motor mit hohen Drehzahl- und niedrigen Torsionsmerkmalen im Gegenteil geringe Drehzahl- und hohe Torsionsmerkmale, und braucht keine separaten Drehzahlreduzierungsmechanismen, da er seinerseits bei einer niedrigen Drehzahl von 10 bis 100 rpm arbeiten kann. Zweitens hat der Ultraschallmotor eine Selbstfixierungsmöglichkeit. Der Rotor des Ultraschallmotors behält einen Fest-Fixier-Zustand bei, solange kein elektrisches Signal am Ultraschallmotor anliegt, womit der Ultraschallmotor mit einer Bremsfunktion ausgestattet ist und die Verwendung einer separaten Bremse eliminiert. Drittens hat der Ultraschallmotor ein hohes Reaktivitätsmerkmal, in Folge seiner kleinen Massenträgheit und seiner großen Bremsleistung, und ein hohes Einstellbarkeitsmerkmal, weil er eine extrem kurze Zeitverzögerung von nicht mehr als 1/1000 Sekunde hat, womit eine hoch präzise Positions- und Geschwindigkeitssteuerung ermöglicht werden. Viertens erzeugt der Ultraschallmotor kein magnetisches Feld und wird nicht durch magnetische Felder beeinflusst, weil er keinerlei magnetische Elemente verwendet. Schließlich hat der Ultraschallmotor eine kleine Größe und ein leichtes Gewicht und er erzeugt keinerlei Geräusch. Weil er keine Spulen hat, ist der Ultraschallmotor in seiner Struktur vereinfacht, ist leicht im Gewicht, ermöglicht Miniaturisierung und hilft, die allgemeinen Fahrgeräusche zu reduzieren. Zusammengefasst hat der Ultraschallmotor optimale Vorraussetzungen, um die unterschiedliche grundlegende Anforderungen eines Lenkungsstellantrieb eines unabhängigen „Steer-by-Wire-Systems" vollständig zu erfüllen, in dem er eine kleine Größe und ein leichtes Gewicht hat, er nicht durch Kräfte betätigt wird, die von den Fahrzeugrädern übertragen werden, und präzise steuerbar ist.
Ein anderer Lenkungsstellantrieb gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden erklärt.
Wie in 4 und 5 dargestellt, hat der Lenkungsstellantrieb ein Gehäuse 31, das an dem Fahrzeugkörper fixiert ist, einen Ultraschallmotor 32 mit einem Stator 32a, der innerhalb des Gehäuses 31 befestigt ist, und einem Rotor 32b, der relativ zum Stator 32a rotieren kann, falls elektrischer Strom an diesem anliegt, eine Vielzahl von Ritzeln 33, Schneckenräder 34, die jeweils zugehörig integral mit den Ritzeln 33 verbunden sind, und eine Lenkstange 35, die eine Vielzahl von Linearzahnreihen 35a jeweils zugeordnet im Eingriff mit den Schneckenrädern 34 sind. Die Ritzel 33 sind im Eingriff mit einem Rotorhohlzahnrad 32c, das am Rotor 32b integral ausgebildet ist, sodass es mit diesem mitdreht, wobei die Rotationsachsen der Ritzel am Gehäuse 31 fixiert sind.
In der vorliegenden Ausführungsform bilden das Rotorhohlzahnrad 32c, die Vielzahl von Ritzeln 33, die Schneckenräder 34 und die Vielzahl von Linearzahnreihen 35a, die an der Lenkstange 35 ausgebildet sind, das Bewegungsumwandlungsmittel, womit die Rotationsbewegung des Ultraschallmotors 32 in Linearbewegung der Lenkstange 35 gewandelt wird.
Die Ritzel 33 und die Schneckenräder 34 sind in ihrer axialen Bewegung entlang ihrer Rotationsachsen beschränkt, und sind angepasst, um auf sie wirkende Axialdrücke und Radiallasten durch Kegellager und derartiger Techniken abzustützen.
Vorzugsweise sind zumindest drei Ritzel 33 und Schneckenräder 34 gleichmäßig entlang der Umfangsrichtung innerhalb des Rotors 32b beim Umkreisen der Lenkstange 35 eingebaut.
In der vorliegenden Ausführungsform sind drei Ritzel 33 und drei Schneckenräder 34 gleichmäßig mit einem Winkelabstand von 120° entlang der Umfangsrichtung innerhalb des Rotors 32b eingebaut, und die Lenkstange 35 hat in ihrem mit den Linearzahnreihen 35a ausgestatteten Bereich einen hexagonalen Querschnitt, wobei die Linearzahnreihen 35a, die mit den Schneckenräder 34 im Eingriff stehen, an drei mit einem Winkelabstand von 120° voneinander angeordneten Flächen des hexagonalen Querschnittes ausgebildet sind. Zwischen den mit Zahnreihen ausgestatteten Flächen sind die Flächen nicht gezahnt.
Somit ist die Lenkstange 35 umgeben und begrenzt von den drei Schneckenrädern 34.
Der Lenkungsstellantrieb der vorliegenden Ausführungsform ist angetrieben durch elektrischen Strom, der in den Ultraschallmotor 32 eingespeist wird, in Übereinstimmung zu dem Sensorsignal, das von der Lenkungs-Steuersignal-Erzeugungseinheit 4 in der gleichen Art wie in der vorherigen Ausführungsform ausgegeben wird.
Das heißt, der Rotor 32b des Ultraschallmotors 32 rotiert, falls gesteuerter, elektrischer Strom an dem Stator anliegt, und die Rotationskraft des Rotors 32b wird verwendet, um die Schneckenräder 34 nach Durchlaufen durch das Hohlzahnrad 32c und der Ritzel 33 zu drehen, wobei die Rotationskraft der Schneckenrädern 34 ihrerseits über die Linearzahnreihen 35a die Lenkstange 35 linear bewegt, wodurch die Betätigung der mit der Lenkstange 35 verbundenen Spurstange bewirkt wird.
Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform drehen hier die Ritzel 33 und die Schneckenräder 34 kontinuierlich relativ zum Gehäuse 31 ohne anzuhalten, wobei sie der Lenkstange 35 nur eine lineare Bewegung erlauben.
Damit kann die vorliegende Ausführungsform einen unabhängigen Typ „Steer-by-Wire-System" mit einer einfacheren Konstruktion verwirklichen.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich, schafft die vorliegende Erfindung einen Lenkungsstellantrieb eines unabhängigen Typs „Steer-by-Wire-System", das nicht durch Kraftübertragung von den Fahrzeugrädern betätigt wird, das präzise steuerbar ist, und das insbesondere eine kompakte Gestaltung durch die Wirkung einer Lenkstange zum Antreiben einer ihr zugeordneten Spurstange erreicht, wobei die Lenkstange an der gleichen oder einer benachbarten Position wie die Rotationsachse angeordnet ist, die in einem als Antriebsmotor davon dienenden Ultraschallmotor vorgesehen ist, wodurch eine Vergrößerung des verfügbaren Raums innerhalb des Motorraums sichergestellt wird.

Claims

Lenkungsstellantrieb eines Steer-by-Wire-Systems mit: einem am Fahrzeugkörper fixierten Gehäuse (10), einem Ultraschallmotor (13) mit einem innerhalb des Gehäuses fixierten Stator (13a) und einem relativ zum Stator, falls elektrischer Strom anliegt, drehenden Rotor (13b), einer Lenkstange (17), die den Zentralbereich des Ultraschallmotors durchdringt, wobei ein aus dem Gehäuse herausragendes Ende der Lenkstange mit einer Spurstange (2) verbunden ist, und einem Bewegungsumwandlungsmittel zum Umwandeln von einer Rotationsbewegung des Ultraschallmotors in eine Linearbewegung der Lenkstange.
Stellantrieb gemäß Anspruch 1, wobei das Bewegungsumwandlungsmittel aufweist: ein innerhalb des Gehäuses fixiertes Hohlzahnrad (12), Planetenräder (15), die mittels Stiften (14) jeweils am Rotor des Ultraschallmotors angebracht sind, wobei die Planetenräder mit der Innenumfangsfläche des Hohlzahnrades im Eingriff sind, ein Sonnenrad (16), das mit seiner Außenumfangsfläche mit den Planetenräder im Eingriff ist, wobei das Sonnenrad an einer Innenumfangsfläche als Schneckenrad ausgebildet ist, und eine Linearzahnreihe (17a), die auf der Lenkstange (17) ausgebildet ist und mit dem Schneckenrad des Sonnenrades in Eingriff steht.
Stellantrieb gemäß Anspruch 1, wobei das Bewegungsumwandlungsmittel aufweist: ein Rotorhohlzahnrad (32c), das innen am Rotor (32b) des Ultraschallmotors (32) integral mit dem Rotor ausgebildet ist, eine Vielzahl von Ritzeln (33), die mit dem Rotorhohlzahnrad in Eingriff sind, um zu rotieren, wobei die Rotationsachsen der Ritzel am Gehäuse (31) fixiert sind, Schneckenräder (34), die mit den jeweiligen Ritzeln integral verbunden sind, und eine Vielzahl von Linearzahnreihen (35a), die auf der Lenkstange (35) ausgebildet sind und mit den jeweiligen Schneckenräder im Eingriff sind.
Stellantrieb gemäß Anspruch 3, wobei wenigstens drei Ritzel (33) und drei Schneckenräder (34) vorgesehen sind, die gleichmäßig entlang der Umfangsrichtung innerhalb des Rotors eingebaut sind.
Stellantrieb gemäß Anspruch 4, wobei die drei Ritzel und die drei Schneckenräder gleichmäßig in einem Winkelabstand von 120° entlang der Umfangsrichtung innerhalb des Rotors eingebaut sind, und wobei die Lenkstange in jenem Abschnitt, in dem die Linearzahnreihen geformt sind, einen hexagonalen Querschnitt hat, wobei die Linearzahnreihen auf drei Flächen des hexagonalen Querschnittes gebildet sind, die in einem Winkelabstand von 120° voneinander angeordnet sind.