DE19926534A1 - Kupplung für mechanische Notlauffunktion einer Kraftfahrzeuglenkung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer Bedienperson zu betätigenden Handhabungseinrichtung, beispielsweise einem Lenkrad 1, mit einer Steuerung 20 und mit Stellelementen für einen Radwinkelstellantrieb 14; 14', wobei die Stellelemente dazu eingerichtet sind, in bekannter Weise Lenkfunktionen bereitzustellen und bei Bedarf in Abhängigkeit von der Steuerung 20 autonom und unabhängig von einer Bedienperson einen Lenkvorgang auszuführen, sowie mit einer von der Steuerung ansteuerbaren Kupplung 5, die eine mechanische Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem Radwinkelstellantrieb 14, 14' bewirkt, wobei die Kupplung 5 eine mit dem Lenkrad 1 in Kraftschluß stehende Antriebsseite und eine mit dem Radwinkelstellantrieb 14, 14' in Kraftschluß stehende Abtriebseite aufweist und daß entweder die Abtriebseite über eine Seilzugverbindung 9 mit dem Radwinkelstellantrieb 14, 14' gekoppelt ist oder die Antriebsseite über eine Seilzugverbindung 9 mit der Handhabungseinrichtung gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglen­ kung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Kraftfahrzeuglenkung ist in der nicht vor­ veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 02 554.1, die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, beschrieben. Bei derartigen Kraftfahrzeuglenkungen, die eine Handha­ bungseinrichtung in Gestalt eines Lenkrades mit einem Drehmomentsensor und einem Lenkwinkelsensor sowie Handmo­ mentensteller zur Simulation eines Rückstellmomentes auf­ weisen und weiter als Radwinkelstellelemente Radwinkel­ sensoren sowie Aktuatoren aufweisen, die den Radwinkel in Abhängigkeit von dem am Lenkrad eingeleiteten Drehwinkel einstellen, ist für einen teilweisen oder vollständigen Ausfall der Radwinkelstellelemente oder der Handmomenten­ steller eine Kupplung vorgesehen, die eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Radwinkelstellan­ trieben oder einem Lenkgetriebe herstellt, so daß das Kraftfahrzeug ähnlich einer konventionellen Lenkung mit starrem Durchtrieb vom Lenkrad zum Lenkgetriebe sicher in eine Werkstatt gefahren werden kann oder zumindest sicher zum Stillstand gebracht werden kann.

An derartige Lenkungen, insbesondere an die mechanische Verbindung zu dem Lenkgetriebe, an die Kupplungen und ih­ re Ansteuerung sind besondere Anforderungen zu richten. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkung und Vorrichtungen zur Ansteuerung von Kupplungen bereit­ zustellen, die diese Anforderungen erfüllen.

Weil die Kupplung eine mit dem Lenkrad in Kraftschluß stehende Antriebsseite und eine mit den Radwinkelstell­ elementen in Kraftschluß stehende Abtriebseite aufweist und entweder die Abtriebseite über eine Seilzugverbindung mit den Radwinkelstellelementen gekoppelt ist oder die Antriebsseite über eine Seilzugverbindung mit der Handha­ bungseinrichtung gekoppelt ist, ist eine flexible räumli­ che Anordnung der Komponenten relativ zueinander möglich. Bei der Fahrzeugkonstruktion muß keine annähernd gerade Verbindungslinie zwischen der Lenksäule und dem Radwin­ kelstellantrieb vorgesehen sein. Weiter kann für rechts­ gelenkte und linksgelenkte Fahrzeuge der gleiche Radwin­ kelstellantrieb und damit das gleiche Lenkgetriebe ver­ wendet werden. Lediglich die Verlegung der Seilzugverbin­ dung muß angepaßt werden. Schließlich ist bei einer der­ artigen Lenkung wegen der wegfallenden starren Verbindung zwischen dem Lenkgetriebe und dem Lenkrad bei einem Frontaufprall die Gefahr der Intrusion des Lenkrades in den Innenraum des Fahrzeuges wesentlich geringer.

Dem kupplungsseitigen Teil der Seilzugverbindung wird be­ vorzugt ein Drehwinkelsensor zugeordnet, der dem Drehwin­ kelsensor an dem Lenkrad entsprechen kann, aber auch von einfacherer Bauweise sein kann. Auch ein Wegsensor für die lineare Bewegung des Zugseils, die einer Drehwinkel­ änderung entspricht, ist möglich. So wird auch bei ge­ öffneter Kupplung eine permanente Funktionsüberwachung der Seilzugverbindung möglich. Die Kupplung soll einen Ruhezustand und einen von der Steuerung einstellbaren Ar­ beitszustand aufweisen, wobei die Kupplung im Ruhezustand eingerückt ist. Der Arbeitszustand wird dabei vorteilhaft mittels einer permanenten oder intervallartigen externen Energiezufuhr aufrechterhalten, beispielsweise durch elektrischen Strom oder Druckluft, wobei der Ruhezustand bei Wegfall der Energiezufuhr selbsttätig eingenommen wird. So ist gewährleistet, daß die Kupplung bei einem plötzlichen, völligen Ausfall sämtlicher Energieversor­ gungssysteme in dem Kraftfahrzeug geschlossen wird. Vor­ teilhaft wird der Arbeitszustand entgegen einer in die Ruheposition wirkenden Federkraft von einem Haltemagneten gesichert. Dieser Haltemagnet kann dann elektrisch betä­ tigt und ausgelöst werden. Die aufzubringende Haltekraft kann beispielsweise über ein Getriebe derart übersetzt werden, daß sie im geöffneten Zustand der Kupplung mini­ miert wird.

Der Arbeitszustand kann auch entgegen einer in die Ruhe­ position wirkenden Federkraft von einem hydraulischen oder pneumatischen Aktuator gesichert sein. Diese Aktua­ toren zeichnen sich durch ein besonders günstiges Gewicht aus. Hierbei ist ein sicheres Einrücken der Kupplung ge­ währleistet, während der Aktuator über ein im Ruhezustand offenes Ventil druckentlastbar ist.

Ein bei Bedarf allmähliches und an beliebiger Winkelposi­ tion mögliches Einrücken der Kupplung ist gewährleistet, wenn die Kupplung eine reibschlüssige, insbesondere eine Einscheibenkupplung oder eine Mehrscheibenkupplung ist. Andererseits wird eine besonders kompakte und leichte Bauweise möglich, wenn die Kupplung eine formschlüssige Kupplung, insbesondere eine Klauenkupplung ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Lenkung in einer Prinzipdarstellung; sowie

Fig. 2 eine Mehrscheibenlamellenkupplung mit Fe­ derspeicher und einer symbolischen Be­ schaltung.

In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Kraftfahrzeuglenkung in einer schematischen Dar­ stellung als Blockschaltbild dargestellt. Ein Lenkrad 1 ist an einer kurzen Lenksäule 2 drehfest befestigt. Die Lenksäule 2 trägt einen Sensor 3 zur Ermittlung des Dreh­ winkels und des eingeleiteten Drehmoments sowie einen elektromotorischen Handmomentensteller 4 zur Erzeugung einer Rückstellkraft am Lenkrad 1. Weiter trägt die Lenk­ säule 2 eine Lamellenkupplung 5, mit deren antriebsseiti­ gem Ende sie drehfest verbunden ist. Der Abtrieb der La­ mellenkupplung 5 führt zu einer Zwischenwelle 6, die ei­ nen Drehwinkelsensor 7 und ein erstes Seilrad 8 trägt.

Das Seilrad 8 ist Teil einer doppelt wirkenden Seilzug­ verbindung, die insgesamt mit 9 bezeichnet ist. Die Seil­ zugverbindung 9 umfaßt das erste Seilrad 8, ein zweites Seilrad 10 sowie für jede Drehrichtung einen Seilzug 11, 12.

Das zweite Seilrad 10 steht über eine Welle 13 in drehfe­ ster Verbindung mit einem Radwinkelstellantrieb 14, der einen Elektromotor 15 und ein Untersetzungsgetriebe 16 umfaßt. Ein zweiter Radwinkelstellantrieb 14' ist zur redundanten Auslegung mit einem Elektromotor 15' und ei­ nem Getriebe 16' neben dem Radwinkelstellantrieb vorgese­ hen und steht nicht in unmittelbarer Verbindung mit der Seilzugverbindung 9. Die Ausgänge der Getriebe 16, 16' wirken über jeweils eine nicht dargestellte Ritzelwelle auf eine in einem Gehäuse 17 laufende Zahnstange 18, die durch Drehung der Elektromotoren 15, 15' in der Querrich­ tung gemäß Fig. 1 verschieblich ist und über Spurstangen die gelenkten Räder der Kraftfahrzeugachse verschwenkt.

Der Sensor 3, der Handmomentensteller 4, die Kupplung 5 und der Winkelsensor 7 stehen ebenso wie die Elektromoto­ ren 15, 15' mit einem elektronischen Steuergerät 20 in Verbindung.

Das insoweit beschriebene Lenksystem arbeitet in der Pra­ xis im Normalbetrieb als sogenannte steer-by-wire-Lenkung (SBW). Dabei ist die Lamellenkupplung 5 im Betrieb ge­ trennt, und ein Fahrer betätigt die Lenkung über das Lenkrad 1. Die dort eingeleitete Drehbewegung, die zur Erzeugung einer Lenkbewegung des Kraftfahrzeugs führen soll, wird über den Sensor 3 detektiert. Der Sensor 3 gibt ein Drehwinkelsignal als Sollsignal an die Steuerung 20, die wiederum ein Steuersignal an die Motoren 15, 15' abgibt, um den gewünschten Ist-Zustand des Radwinkels einzustellen. Die Ritzelwelle am Ausgang des Getriebes 16 steht dabei in drehfester Verbindung mit dem zweiten Seilzugrad 10, das wiederum über den jeweils in Zugrich­ tung verlaufenden Seilzug 11, 12 das erste Seilzugrad 8 dreht. Dieses dreht seinerseits die Welle 6 mit der Ab­ triebsseite der Kupplung 5 und dem Winkelsensor 7, was von der elektronischen Steuerung 20 überprüft wird. Die Information des Winkelsensors 7 gibt dabei zum einen die Information, ob das erste Seilrad 8 die Bewegung des zweiten Seilrades 10 mitmacht und die Seilzugverbindung 9 folglich intakt ist oder nicht. Zum anderen kann über ei­ ne Hysterese zwischen den Radwinkelstellantrieben 14, 14' und dem im Winkelsensor 7 erzeugten Signal der Zustand der Seilzugverbindung 9 im Hinblick auf Verschleiß und nicht selbsttätig ausgleichbare Längenänderungen der Seilzüge 11, 12 festgestellt werden.

Bei Ausfall der Radwinkelstellantriebe 14, 14' ist zum sicheren Anhalten und gegebenenfalls Weiterfahren in eine Werkstatt erforderlich, daß eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 1 und der Zahnstange 18 erzeugt wird. Dies erfolgt durch Schließen der Kupplung 5, so daß sich die Lenksäule 2 mit der Welle 6 und über die Seil­ zugverbindung 9 mit der Welle 13 dreht. Eine Drehung an dem Lenkrad 1 würde folglich zu einer Bewegung der Zahn­ stange 18 in Querrichtung und damit zur rein-mechani­ schen Bewegung der gelenkten Räder führen. Bei einer SBW- Lenkung kann die mechanische Verbindung über einen Seil­ zug 9 erfolgen, da die dort übertragenen Kräfte nur im Notlauf bei geschlossener Kupplung 5 nennenswert sind. Im Normalbetrieb ist die Seilzugverbindung 9 nur gering be­ lastet und unterliegt deshalb keinem großen Verschleiß. Außerdem wird eine gewisse Elastizität innerhalb der Seilzugverbindung 9 bei einer SBW-Lenkung vertretbar sein, da das damit auftretende ungewohnte Lenkgefühl nur im Notfall zum Tragen kommt. Andererseits bietet die Seilzugverbindung 9 wesentliche konstruktive Freiheiten, indem nämlich anders als bei herkömmlichen Lenkungen bei der Konstruktion des Kraftfahrzeugs kein nahezu gerader, durchgehend mit relativ großem Querschnitt versehener freier Bauraum zwischen dem Lenkrad und der Ritzelwelle einer Zahnstangenlenkung erforderlich ist. Vielmehr kann die Seilzugverbindung 9 weitgehend beliebig angeordnet werden, so daß auch mit ein und demselben Radwinkelstell­ antrieb linksgelenkte und rechtsgelenkte Kraftfahrzeuge realisiert werden können. Bei einem Frontalaufprall wird weiter das Risiko des Fahrers durch Eindringen der Lenk­ säule in den Innenraum minimiert, da die Lenksäule 2 kurz gehalten werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Kupplung 5 nicht zwischen der Lenksäule 2 und der Seilzugverbindung 9 angeordnet ist, sondern vielmehr den Kraftschluß zwischen der Seilzugverbindung 9 und der Wel­ le 13 trennt. In diesem Falle wird zur Überprüfung der Seilzugverbindung 9 auch der Winkelsensor 7 zwischen dem zweiten Seilrad 10 und der Kupplung 5 angeordnet. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil, daß bei getrennter Kupplung 5 im Normalbetrieb der Fahrer le­ diglich das Lenkrad 1, die Lenksäule 2, den Sensor 3, den Handmomentensteller 4 und die Eingangs- oder Antriebssei­ te der Kupplung 5 drehen muß und am Lenkrad entsprechend auch nur Störkräfte und Vibrationen zu spüren sind, die in diese Komponenten eingeleitet werden. Die zweite, be­ schriebene und nicht in der Figur dargestellte Ausfüh­ rungsform erfordert, daß auch die Seilzugverbindung 9 permanent mit der Lenksäule 2 in Verbindung steht und dort entstehende Vibrationen in das Lenkrad 1 eingeleitet werden. Andererseits ist nicht erforderlich, daß der Elektromotor 15 bei jeder Lenkbewegung die zur Betätigung der Seilzugverbindung 9 erforderliche Kraft zusätzlich aufbringt.

In der Fig. 2 ist als Blockschaltbild eine Ansteuerung der Kupplung 5 mit pneumatischer Betätigung veranschau­ licht. Die Kupplung 5 ist als Mehrscheiben- Lamellenkupplung ausgeführt und wird von einem pneumati­ schen Federspeicher 30 betätigt. Der Federspeicher 30 wird wiederum über eine Druckluftleitung 31 und ein Drei­ wegeventil 32 sowie ein Zweiwegeventil 33 aus einer Pumpe 34 gespeist. Zwischen den Ventilen 32 und 33 ist ein Druckspeicher 35 vorgesehen. Weiter trägt die Druckluft­ leitung 31 einen Drucksensor 36. Der Federspeicher 30 um­ faßt einen Arbeitskolben 37 und eine Druckfeder 38.

Im Normalbetrieb der Lenkung gemäß Fig. 1 ist die Kupp­ lung 5 getrennt. Dies wird dadurch erreicht, daß die pneumatische Pumpe 34 in Betrieb gesetzt wird und über das in der dargestellten Schaltstellung befindliche Zwei­ wege-Rückschlagventil 33 den Druckspeicher 35 füllt. Die­ se Elemente können Teil einer vorhandenen Druckluftanlage (Luftfederung oder Druckluftbremse) sein oder auch spezi­ fisch für die vorliegende Lenkung vorgesehen sein.

Gleichzeitig wird über das Dreiwegeventil 32, das in der Fig. 2 in der Arbeitsstellung entgegen der Federvorspan­ nung bei einer Druckfeder 39 dargestellt ist, der Luft­ druck über die Leitung 31 an den Arbeitsraum des Pneuma­ tikkolbens 37 in den Federspeicher 30 geleitet. Die Druckfeder 38 des Federspeichers 30 wird zusammengedrückt und bei dieser Bewegung die Kupplung 5 getrennt. Sobald der Drucksensor 36 einen für eine sichere Trennung der Kupplung 5 ausreichend hohen Arbeitsdruck anzeigt, wird die Pumpe 34 abgeschaltet und das Ventil 33 geschlossen. Der Druckspeicher 35 erhält den benötigten Arbeitsdruck aufrecht. Fällt der Druck im Druckspeicher 35 nach Anzei­ ge des Drucksensors 36 unter einen zulässigen Minimal­ wert, so wird die Pumpe 34 erneut in Betrieb genommen und das Ventil 33 in die aktive Schaltstellung gemäß der Dar­ stellung in Fig. 2 gebracht. Das integrierte Kugelrück­ schlagventil gewährleistet, daß eine mit dem Druckspei­ cher 35 kommunizierende Verbindung nur dann entsteht, wenn der Druck in der Pumpe 34 oberhalb des im Druckspei­ cher 35 anstehenden Drucks liegt.

Bei einem Fehler im Lenksystem gemäß Fig. 1 wird entwe­ der auf ein Steuersignal der elektronischen Steuerung 20 oder bei einem Totalausfall durch selbsttätiges Rückstel­ len des Ventils 32 infolge der Federkraft der Feder 39 die Leitung 31 und damit der Federspeicher 30 entlüftet. Die Druckfeder 38 des Federspeichers 30 fährt dann auto­ matisch die Kupplung 5 in die eingerückte Stellung. Damit ist der starre Durchtrieb vom Lenkrad 1 über die Seilzug­ verbindung 9 zu der Zahnstange 18 hergestellt. Das Ventil 32 trennt dabei den Druckspeicher 35 von dem Federspei­ cher 30, so daß das Einrücken der Kupplung 5 nicht erst nach Entlüftung des Druckspeichers 35, sondern wesentlich schneller erfolgt.

Die Fehlerbedingungen für das Schließen der Kupplung 5 können verschieden sein. So wird der Ausfall eines der Stellmotoren 15, 15' Anlaß geben, die Kupplung 5 zu schließen, damit der Antrieb des Lenksystems redundant bleibt. So wird gewährleistet, daß auch bei Ausfall des zweiten elektrischen Stellmotors 15, 15' das Kraftfahr­ zeug nicht völlig lenkungslos bleibt. Da bei einem sol­ chen zweiten Ausfall die Kupplung 5 bereits geschlossen ist, wird auch kein schlagartiges Eingreifen der Kupplung mit einer entsprechend plötzlichen Lenkbewegung auftre­ ten.

Die Kupplung 5 kann aber auch geschlossen werden, wenn im Bereich des Handmomentenstellers 4 ein Fehler auftritt. Dieser Handmomentensteller 4 suggeriert dem Fahrer eines Fahrzeugs mit 55 W-Lenkung den erforderlichen "Fahrbahn­ kontakt" über ein synthetisiertes Rückstellmoment am Lenkrad 1. Das sichere Führen eines Kraftfahrzeugs ohne dieses Rückstellmoment ist sehr schwierig und für den un­ vorbereiteten Fahrer nahezu unmöglich. Sollte also ein Fehler im Handmomentensteller 4 auftreten, so bietet sich an, die Kupplung 5 ebenfalls einzurücken und somit eine tatsächliche mechanische Kupplung zu bewirken. Schließ­ lich kann die Kupplung 5 auch dann geschlossen werden, wenn im Bereich des Sensors 3 ein Fehler auftritt. Der starre Durchtrieb bei geschlossener Kupplung 5 ermöglicht es, den Sensor 7 als Drehwinkelsensor zu benutzen. Dieses kann wichtig werden, wenn beispielsweise für elektroni­ sche Stabilitätssysteme die Information über den Lenkwin­ kel zwingend notwendig ist.

Claims (9)

1. Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer Bedienper­ son zu betätigenden Handhabungseinrichtung, bei­ spielsweise einem Lenkrad (1), mit einer Steuerung und mit Stellelementen für einen Radwinkelstellan­ trieb (14, 14'), wobei die Stellelemente dazu einge­ richtet sind, in bekannter Weise Lenkfunktionen be­ reitzustellen und bei Bedarf in Abhängigkeit von der Steuerung (20) autonom und unabhängig von einer Be­ dienperson einen Lenkvorgang auszuführen, sowie mit einer von der Steuerung (20) ansteuerbaren Kupplung (5), die eine mechanische Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem Radwinkelstellantrieb (14, 14') bewirkt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupplung (5) eine mit dem Lenkrad (1) in Kraftschluß stehende Antriebsseite und eine mit dem Radwinkelstellantrieb (14, 14') in Kraftschluß stehende Abtriebseite aufweist und daß entweder die Abtriebseite über eine Seilzugverbin­ dung (9) mit dem Radwinkelstellantrieb gekoppelt ist oder die Antriebsseite über eine Seilzugverbindung (9) mit der Handhabungseinrichtung gekoppelt ist.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem kupplungsseiti­ gen Teil der Seilzugverbindung (9) ein Drehwinkel­ sensor (7) oder ein Wegsensor zugeordnet ist.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplung (5) einen Ruhezustand und einen von der Steuerung (20) einstellbaren Arbeits­ zustand aufweist, wobei die Kupplung (5) im Ruhezu­ stand eingerückt ist.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Arbeitszustand mittels einer perma­ nenten oder intervallartigen externen Energiezufuhr aufrechterhalten bleibt und der Ruhezustand bei Weg­ fall der Energiezufuhr selbsttätig eingenommen wird.

5. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Arbeitszustand entgegen einer in die Ruheposition wirkenden Federkraft von einem Haltema­ gneten gesichert ist.

6. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Arbeitszustand entgegen einer in die Ruheposition wirkenden Federkraft von einem hydrau­ lischen oder pneumatischen Aktuator (30) gesichert ist.

7. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (30) zum Einrücken der Kupplung (5) über ein im Ruhezu­ stand offenes Ventil (32) druckentlastet wird.

8. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplung (5) eine reibschlüssige Kupplung, insbesondere eine Einscheibenkupplung oder eine Mehrscheibenkupplung ist.

9. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplung (5) eine formschlüssige Kupplung ist.