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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine passive Vorrichtung
zur Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad für
ein Kraftfahrzeuglenksystem vom Steer-by-Wire-Typ.
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Die
Hauptfunktion dieser Vorrichtung ist es, eine Kraftrückmeldung
an das Lenkrad zu liefern, so dass der Fahrer Fahreindrücke wieder
findet, die denen ähneln,
die bei einem Kraftfahrzeuglenksystem vom mechanischen Typ angetroffen
werden.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
Kraftfahrzeuglenksystemen vom mechanischen Typ, d.h. solchen, die
eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern des Fahrzeugs
einschließen,
wird die Kraftrückmeldung an
das Lenkrad durch die Geometrie der Frontachse dieses Fahrzeugs
vorgegeben. In dieser Hinsicht kann eine elektrische Unterstützung hinzugefügt werden,
um diese Kraft zu verringern, die für den Fahrer schwer zu stemmen
sein kann.
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Bei
Kraftfahrzeuglenksystemen vom Steer-by-Wire-Typ, d.h. solchen, die
nicht länger
eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern des
Fahrzeugs enthalten, erlaubt es andererseits die Frontachse nicht
mehr, das Gefühl einer
Kraft an den Fahrer zu übertragen,
was jedoch notwendig ist, um ein Minimum an Fahrkomfort zu erhalten.
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Um
dieser Notwendigkeit nachzukommen, ist es üblich, auf eine aktive Vorrichtung
zur Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad zurück
zu greifen, die z.B. die Form eines Getriebemotors annimmt, welcher
sich an der Stelle der elektrischen Unterstützung befindet, die in Kraftfahrzeuglenksystemen
vom mechanischen Typ verwendet wird.
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Jedoch
stellt man fest, dass diese Lösung den
erheblichen Nachteil hat, dass im Falle eines Ausfalls oder eines
Stillstands des Elektromotors des Getriebemotors sich das Lenkrad
frei drehen lässt, was
natürlich
das Fahren extrem unangenehm und gefährlich macht.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ziel
der Erfindung ist es folglich, eine passive Vorrichtung zur Wiedergabe
von Kräften
an das Lenkrad für
ein Kraftfahrzeuglenksystem vom Steer-by-Wire-Typ vorzuschlagen,
wobei deren passive Eigenschaft ihr so einen Betrieb ohne elektrische Energie
erlaubt.
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Um
dies zu erreichen, ist Gegenstand der Erfindung eine passive Vorrichtung
zur Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad für
ein Kraftfahrzeuglenksystem vom Steer-by-Wire-Typ mit einem reversiblen
Untersetzungsgetriebe, das dazu bestimmt ist, mit einem Lenkrad
des Lenksystems mechanisch verbunden zu werden, um so in der Lage
zu sein, ein Rad um eine Radachse zu drehen, wenn sich dieses Lenkrad
dreht, wobei die Vorrichtung außerdem
zwei elastische Rückstelleinheiten
mit identischer Steifigkeit und Vorlast umfasst, wobei jede Einheit
sich entlang einer Achse einer elastischen Rückstelleinheit erstreckt, und
zwei Enden hat, wovon ein erstes Ende schwenkbar auf dem Rad montiert
ist, und ein zweites Ende schwenkbar an einem festen Punkt der Vorrichtung
montiert ist, wobei die zwei elastischen Rückstelleinheiten so angeordnet
sind, dass in Projektion entlang einer zur Radachse orthogonalen Projektionsebene,
in einer Gleichgewichtsposition des Rades, die zwei Achsen einer
elastischen Rückstelleinheit
eine axiale Symmetrie aufweisen.
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Diese
passive Vorrichtung gemäß der Erfindung
hat den Vorteil, dass sie von einfachem und preiswertem Design ist,
das in der Lage ist, ein Fahrgefühl
zu liefern, das für
den Fahrer stets zufriedenstellend ist, selbst im Falle irgendeines
Ausfalls der Elektrik in dem Fahrzeug, das mit einer solchen Vorrichtung
ausgestattet ist.
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Seine
raffinierte Funktionsweise besteht darin, vorzusehen, dass, wenn
der Fahrer das Lenkrad dreht, er mechanisch das reversible Untersetzungsgetriebe
mitnimmt, welches selber eine Drehung des Rades erzeugt. Während dieser
letzteren Drehung drückt
sich eine der zwei elastischen Rückstelleinheiten
zusammen, was folglich eine Kraftwiedergabe an das Lenkrad verursacht,
während
sich die andere Einheit entspannt. Dann, wenn der Fahrer das Lenkrad
loslässt,
kehrt das Rad in seine Gleichgewichtsposition zurück, mittels
der zusammengedrückteren elastischen
Einheit, die im Ergebnis einen Druck auf dieses frei drehende Rad
ausübt,
bis die zwei elastischen Rückstelleinheiten
in natürlicher
Weise ihr Gleichgewicht wieder finden. Natürlich verursacht die Rückkehr des
Rades in seine Position eine Drehung des Lenkrades, die wegen der
Umkehrbarkeit des verwendeten Untersetzungsgetriebes erlaubt ist.
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Vorzugsweise
umfasst jede elastische Rückstelleinheit
zwei Gleitelemente, die ineinander eingepasst sind, und jeweils
das erste und das zweite Ende der Einheit tragen, und eine Feder,
die sich an jedem der zwei Gleitelemente abstützt.
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Vorzugsweise
sind die zwei zweiten Enden auf einer gleichen festen Schwenkachse
der Vorrichtung schwenkbar montiert, die parallel zur Radachse ausgerichtet
ist, was bedeutet, dass die zwei elastischen Rückstelleinheiten dann gemeinsam
die Form eines V haben.
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Wiederum
vorzugsweise ist festzuhalten, dass das reversible Untersetzungsgetriebe
alternativ eine Schnecke umfassen kann, die mit einem auf dem Rad
ausgebildeten gezahnten Abschnitt in Eingriff steht, oder ein Planetengetriebe,
das mit einem auf diesem gleichen Rad ausgebildeten gezahnten Abschnitt
in Eingriff steht.
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Gegenstand
der Erfindung ist ebenso ein Kraftfahrzeuglenksystem vom Steer-by-Wire-Typ mit einer
passiven Vorrichtung zur Wiedergabe von Kräften an das Lenkrad, wie sie
etwa oben beschrieben wurde.
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Beispielhaft
kann dieses System ebenso eine aktive Vorrichtung zur Wiedergabe
von Kräften an
das Lenkrad umfassen. In solch einem Fall kann alternativ vorgesehen
sein, dass die passive Vorrichtung nur im Falle eines Ausfalls oder
eines Stillstands der aktiven Vorrichtung wirkt, oder das beide
Vorrichtungen in der Lage sind, gleichzeitig zu wirken.
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Andere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten
nicht beschränkenden
folgenden Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
Beschreibung bezieht sich auf die angefügten Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeuglenksystems vom Steerby-Wire-Typ darstellt,
wobei dieses System die Form einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat;
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2 eine
vergrößerte Seitenansicht
der passiven Vorrichtung zur Wiedergabe von Kräften an das Lenkrad des in
der 1 gezeigten Systems darstellt, wobei das Rad der
Vorrichtung in seiner Gleichgewichtslage ist;
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3a und 3b schematische
Teilansichten der in der 2 gezeigten Vorrichtung darstellen,
wobei diese Ansichten durch eine Projektion entlang einer zur Radachse
orthogonalen Projektionsebene erhalten werden, welche Ansichten
das Funktionsprinzip der Erfindung veranschaulichen; und
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeuglenksystems vom Steerby-Wire-Typ darstellt,
wobei dieses System die Form einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf die 1 ist ein Kraftfahrzeuglenksystem 1 vom
Steer-by-Wire-Typ
gemäß der Erfindung
dargestellt, wobei dieses System mit einer passiven Vorrichtung 2 zur
Wiedergabe von Kräften an
das Lenkrad gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
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Allgemein
umfasst das System 1 ein Lenkrad 4, eine Lenksäule 6 und
ein Modul 8, das an einem Frontende der Säule 6 befestigt
ist, und es erlaubt, die "steer-by-wire" Funktion bereitzustellen.
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Zusätzlich umfasst
folglich das System 1 ebenso die passive Vorrichtung 2 zur
Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad, sowie eventuell eine aktive Vorrichtung 10 zur
Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad. In diesem letzteren Fall hat z.B. die Vorrichtung 10 die
Form eines Getriebemotors, der sich an der Stelle der elektrischen
Unterstützung
befindet, die bei den Systemen zur Lenkung eines Kraftfahrzeugs
vom mechanischen Typ eingesetzt wird.
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Eine
der Besonderheiten der Erfindung liegt also bei der passiven Vorrichtung 2,
die nun in detaillierter Weise mit gemeinsamem Bezug auf die 1 und 2 beschrieben
wird.
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In
der Tat, wie es in der 2 am besten zu sehen ist, welche
die Vorrichtung 2 in einem Zustand zeigt, in welchem das
Lenkrad sich in einer neutralen Position befindet, d.h. bei den
Vorderrädern
des Fahrzeugs keinerlei Neigung erzeugt, umfasst diese Vorrichtung 2 als
erstes ein reversibles Untersetzungsgetriebe, welches die Form einer
Schnecke 12 hat, die mechanisch mit der Lenksäule 6 verbunden ist,
wobei diese Schnecke 12 mit einem gezahnten Abschnitt 14 eines
Rads 16 in Eingriff steht.
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Genauer
gesagt umfasst die Vorrichtung 2 effektiv ein Rad 16,
das dazu geeignet ist, durch die Schnecke 12 drehend mitgenommen
zu werden, gemäß einer
Radachse 18, die vorzugsweise orthogonal zu einer senkrechten
und longitudinalen Mittelebene des Fahrzeugs ist, wobei die Schnecke 12 selber
durch die Drehbewegung des Lenkrads mit genommen wird, die durch
den Fahrer ausgeführt
wird.
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Die
Vorrichtung 2 umfasst außerdem zwei elastische Rückstelleinheiten 20a, 20b mit
einer identischen Steifigkeit und Vorlast, wobei jede zwei Gleitelemente 22, 24 umfasst,
die ineinandergefügt sind
und jeweils ein erstes 26 und zweites 28 Ende tragen.
Jede Einheit umfasst ebenfalls eine Feder 30, vorzugsweise
eine Kompressionsfeder, dessen eines Ende sich auf einer Schulter 32 des
Gleitelements 22 abstützt
und dessen anderes Ende sich auf einer Schulter 34 des
Gleitelements 24 abstützt.
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Wie
es in der 2 zu sehen ist, ist das erste Ende 26 der
Einheit 20a an einem Punkt P1 des Rades 16 auf
dem Rad 16 in schwenkbarer Weise montiert, während ihr
zweites Ende 28 an einem festen Punkt P2 der Vorrichtung
in schwenkbarer Weise montiert ist, z.B. auf einem Gehäuse 36 dieser
letzteren. In analoger Weise ist das erste Ende 26 der
Einheit 20b an einem Punkt P3 des Rades 16, der
sich von P1 unterscheidet, auf dem Rad 16 in schwenkbarer
Weise montiert, während
ihr zweites Ende 28 an einem festen Punkt P4 der Vorrichtung
in schwenkbarer Weise montiert ist, z.B. auf einem Gehäuse 36 dieser
letzteren.
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Bei
dieser ersten bevorzugten Ausführungsform
ist festzuhalten, dass die beiden zweiten Enden 28 der
Einheiten 20a, 20b auf einer selben festen Schwenkachse 40 der
Vorrichtung in schwenkbarer Weise montiert sind, die parallel zur
Achse 18 ausgerichtet ist. Um dies zu erreichen, sind die
zwei Einheiten 20a, 20b folglich in Richtung dieser
Achse 18 im Verhältnis
zueinander versetzt, wie es aus der 1 klar ersichtlich
ist. Im Übrigen
ist es folglich normal, dass die Punkte P2 und P4 in der Seitenansicht
der 2 zusammenfallen.
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Allgemein
sind die zwei Einheiten 20a, 20b, die sich jeweils
entlang von Achsen 42a, 42b einer elastischen
Rückstelleinheit
erstrecken, folglich als V und symmetrisch angeordnet, vorzugsweise
im Verhältnis
zu einer senkrechten Achse 44.
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Genauer
gesagt, und wie es in der 3a veranschaulicht
ist, sind die zwei elastischen Rückstelleinheiten 20a, 20b derart
angeordnet, dass in einer Projektion entlang einer Projektionsebene
P, die orthogonal zur Radachse 18 ist, in der gezeigten Gleichgewichtsposition
des Rads 16, wo der Abstand zwischen den Punkten P1 und
P2 einerseits und P3 und P4 andererseits gleich d1 ist, die zwei
Achsen 42a, 42b eine Achsensymmetrie entlang der
senkrechten Achse 44 aufweisen, die über einem Durchmesser des Rads 16 liegt.
Weiterhin gemäß dieser selben
Projektion kann man feststellen, dass sich die Drehachse 18 allgemein
vorzugsweise zwischen der Gruppe an Punkten P1 und P3, die auf einem
oberen Teil des Rads 16 positioniert sind, und der Gruppe
an Punkten P2 und P4 befindet.
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Auf
diese Weise treibt der Fahrer, wenn er das Lenkrad 4 dreht,
mechanisch die reversible Schnecke 12 an, die wiederum
eine Drehung des Rads 16 verursacht, wie man es in der 3b sehen kann.
Bei dieser letzten Drehung drückt
sich die Einheit 20b zusammen, wodurch folglich eine Kraftwiedergabe
an das Lenkrad bewirkt wird, wohingegen sich die andere Einheit 20a ausdehnt.
Dies äußert sich
dann in der Tatsache, dass der Abstand zwischen den Punkten P3 und
P4 einen Wert d2 erreicht, der geringer als d1 ist, und ebenso geringer als
ein Wert d3, welcher dem Abstand entspricht, der zwischen den Punkten
P1 und P2 der sich ausdehnenden Einheit 20a erreicht wird.
Der gesuchte Effekt besteht also in der Tat darin, beim Drehen des
Lenkrads 4 durch den Fahrer des Fahrzeugs die vorher zitierte
Symmetrie zu brechen.
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Anschließend, wenn
der Fahrer das Lenkrad 4 loslässt, kehrt das Rad in seine
Gleichgewichtsposition zurück,
mittels der komprimierteren elastischen Einheit 20b, die
auf dieses frei drehende Rad 16 einen Druck ausübt, bis
die zwei Einheiten 20a, 20b in natürlicher
Weise ihr Gleichgewicht wieder finden, und folglich ihre in der 3a dargestellte
symmetrische Position.
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In
dem Fall, wo das System 1 in der Tat mit einer passiven
Vorrichtung 2 und einer aktiven Vorrichtung 10 versehen
ist, um die Wiedergabe von Kräften
an das Lenkrad sicherzustellen, können sich dann zwei Lösungen anbieten.
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Die
erste dieser Lösungen
besteht darin, die passive Vorrichtung 2 permanent mit
der Lenksäule 6 und
folglich mit dem Lenkrad 4 zu verbinden, so dass dann diese
Vorrichtung 2 dem Lenkrad 4 folgt, unabhängig vom
elektrischen Zustand des Systems 1. Mit anderen Worten
wirken die Vorrichtung 2 und 10 gleichzeitig,
was insbesondere mit sich bringt, eine überdimensionierte aktive Vorrichtung 10 vorzusehen,
um so die zusätzlichen
zu liefernden Kräfte
zu berücksichtigen,
die mit den Bewegungen der elastischen Einheiten 20a, 20b zusammenhängen und
natürlich
gleichfalls Regeln zur Steuerung der Wiedergabe vorzusehen, welche
die Anwesenheit der passiven Vorrichtung 2 berücksichtigen.
Es ist festzuhalten, dass diese Lösung den Vorteil bietet, von
relativ einfacher Konzeption zu sein.
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Bei
einer zweiten möglichen
Lösung
kann man vorsehen, dass die passive Vorrichtung 2 die aktive
Vorrichtung 10 bei einem elektrischen Versagen oder einem
Stillstand des Motors dieser gleichen Vorrichtung 10 ersetzt.
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Um
dies zu erreichen, ist es möglich,
zwischen den Vorrichtungen 2 und 10 eine elektrisch
betätigte
Kupplung zu integrieren. Aus Gründen
der Betriebssicherheit wird die Kupplung vorzugsweise aktiviert,
wenn sie nicht elektrisch versorgt wird, und erlaubt es folglich,
nur dann die passive Vorrichtung 2 mechanisch mit dem Lenkrad 4 zu
verbinden, wenn die aktive Vorrichtung 10 nicht mehr elektrisch
versorgt wird.
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Mit
Bezug auf die 4 ist ein Kraftfahrzeuglenksystem 1 vom
Steer-by-Wire-Typ
gemäß der Erfindung
dargestellt, wobei dieses System mit einer passiven Vorrichtung 2 zur
Wiedergabe von Kräften an
das Lenkrad gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
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Bei
dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform
besteht der einzige Unterschied zur ersten in der Tatsache, dass
das reversible Untersetzungsgetriebe die Form eines Planetengetriebes 112 hat, das
mit dem gezahnten Abschnitt des Rads 16 der Vorrichtung 2 zusammenwirkt.
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Wohl
gemerkt können
durch den Fachmann an den passiven Vorrichtungen zur Wiedergabe
von Kräften
an das Lenkrad und an den Kraftfahrzeuglenksystemen, die soeben
ausschließlich
in Form von nicht beschränkenden
Beispielen beschrieben wurden, diverse Veränderungen vorgenommen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung betrifft eine passive Vorrichtung (2) zur Wiedergabe
von Kräften
an das Lenkrad für
ein Kraftfahrzeuglenksystem vom Steer-by-Wire-Typ, mit einem reversiblen
Untersetzungsgetriebe (12), das dazu bestimmt ist, mechanisch
mit einem Lenkrad (4) verbunden zu sein, wobei die Vorrichtung außerdem zwei
elastische Rückstelleinheiten
(20a, 20b) umfasst, die sich jeweils entlang einer
Achse (42a, 42b) erstrecken und über ein
erstes Ende (26) verfügen,
das in schwenkbarer Weise auf einem Rad (16) montiert ist,
sowie über
ein zweites Ende (28), das in schwenkbarer Weise an einem
festen Punkt (40) der Vorrichtung montiert ist, wobei die
zwei Einheiten derart angeordnet sind, dass in Projektion entlang
einer zur Achse (18) orthogonalen Projektionsebene, in
einer Gleichgewichtsposition des Rads (16), die zwei Achsen
(42a, 42b) eine axiale Symmetrie aufweisen.