DE60303081T2

DE60303081T2 - Handradstellglied

Info

Publication number: DE60303081T2
Application number: DE60303081T
Authority: DE
Inventors: Ratko Frankenmuth Menjak; Steven M. Saginaw Thomas; James Myrl Lighthouse Point Card; Jens Haupt
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-01-18
Also published as: EP1332946B1; EP1332946A3; US6799654B2; EP1332946A2; DE60303081D1; US20030146037A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Handradstellglied für eine elektronische Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einem Paar vorderer Straßenräder ausgestattet, die gelenkt werden, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug nach links und rechts abbiegt fährt, während es auf dem Boden manövriert. Es ist auch bekannt, Stellglieder zum Lenken von hinteren Straßenrädern bei Kraftfahrzeugen vorzusehen. In der Vergangenheit haben Fahrzeuglenksysteme üblicherweise eine mechanische Verbindung zwischen dem lenkerbetätigten Handrad und den vorderen Straßenrädern eines Automobils verwendet. Wenn der Fahrer das Handrad gedreht hat, betätigte eine mechanische Verbindung durch die Fahrzeuglenkstangen die Straßenräder, manchmal mit der Unterstützung eines Servomotors oder eines Hydraulikkolbens.
In jüngster Vergangenheit wurden elektronische Lenkungen in Kraftfahrzeuge eingeführt, um eine Straßenrad-Lenkfunktion bereitzustellen. In einer typischen elektronischen Lenkung sind ein Handradstellglied zum Überwachen der Winkelposition des Lenkrads sowie Straßenrad-Motorstellglieder, die durch Steuerungen in Ansprechen auf ein Nachfolgen der erfassten Winkelverschiebung des Handrads von einer Mittelposition enthalten. Im Gegensatz zu bisherigen Lenksystemen verwendet die elektronische Lenkung keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den einzelnen Straßenrädern. Beispielhaft für solche bekannte elektronische Lenkungen ist das gemeinschaftlich übertragene US-Patent 6 176 341 vom 23. Januar 2001 an Ansari und die DE 10 051 187 .
Da es keine mechanische Verbindung zwischen dem Handrad und den Straßenrädern in einer elektronischen Lenkung gibt, werden Lenkverbesserungen wie z. B. eine dynamische Lenkübersetzung einfach implementiert, um das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu verbessern. Wenn jedoch eine dynamische Lenkübersetzung implementiert ist, entsprechen die äußerst linke und die äußert rechte Lenkbegrenzung nicht beständig der äußerst linken und äußerst rechten Begrenzung der Straßenräder. Wenn z. B. das Hand-zu-Straßenrad-Drehverhältnis zum Fahren mit geringen Geschwindigkeiten, z. B. in einer Parksituation, verringert ist, muss der/die Fahrer/in das Handrad nicht so weit drehen, wie er oder sie es tun würde, wenn keine dynamische Lenkübersetzung implementiert wäre. In diesem Fall werden die Straßenräder die Grenze ihres Lenkvermögens erreichen, bevor das Handrad dies tut, da der feste Wegendanschlag derart befestigt ist, dass er dem höchsten Handrad-zu-Straßenrad-Drehverhältnis entspricht. Es wäre daher wünschenswert, eine Rückkopplung für den Fahrer bereitzustellen, wenn die Straßenräder ihre Lenkbegrenzung erreicht haben. Idealerweise würde solch ein Mechanismus zulassen, dass die dynamische Lenkübersetzung die Bewegung des Handrads an jedem beliebigen Punkt stoppt, wo die Straßenräder ihre Lenkbegrenzung erreicht haben.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben erläuterten und weitere Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik werden durch Vorsehen eines Handradstellgliedes zum Bereitstellen einer Kraftrückkopplung für einen Fahrer überwunden oder verringert. Das Stellglied umfasst: eine Lenkwelle, die durch Lager gehalten ist, und ein Ende aufweist, das zum Anbringen eines Handrads daran geeignet ist; einen Positionssensor, der die Winkelverschiebung der Lenkwelle von einer Mittelposition detektiert und ein Signal erzeugt, das bezeichnend für solch eine Winkelverschiebung ist; einen Elektromotor und ein Getriebe, die ein Drehmoment auf die Lenkwelle aufbringen, um eine Kraftrückkopplung für einen Fahrer bereitzustellen; und einen variablen Anschlag, der derart ausgebildet ist, dass er eine Drehung der Lenkwelle an einer beliebigen Position stoppt. Die oben erläuterten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen einsehbar und verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Übersicht einer elektronischen Lenkung zeigt;
2 einige wichtige Komponenten des den meisten Ausführungsformen gemeinsamen Handradstellglieds zeigt;
3 eine erste Ausführungsform zeigt, die einen Anschlag mit einem magnetorheologischen Fluid an der Lenkwelle verwendet;
4 eine zweite Ausführungsform zeigt, die einen Anschlag mit einem magnetorheologischen Fluid an der Rückkopplungs-Motorwelle verwendet;
5 eine dritte Ausführungsform zeigt, in der ein verzahnter fester Wegendanschlag verwendet wird;
6 eine Draufsicht eines Zahnrads der dritten Ausführungsform zeigt;
7 eine vierte Ausführungsform mit einem mechanischen variablen Anschlag-Positionierelement, das an einer zweiten Kugelmutter montiert ist, zeigt;
8 eine fünfte Ausführungsform mit einem mechanischen variablen Anschlag-Positionierelement, das an einer Zahnstange montiert ist und durch einen Motor mit einem an seiner Ausgangswelle montierten Ritzel neu positioniert wird, zeigt;
9 eine sechste Ausführungsform zeigt, in der das variable Anschlag-Positionierelement direkt an einem Drehstellglied montiert ist;
10 eine siebte Ausführungsform ähnlich der vierten Ausführungsform, jedoch mit einem verschiedenen Aufbau, zeigt;
11 eine achte Ausführungsform ähnlich der vierten Ausführungsform zeigt, wobei jedoch die zweite Kugelmutter rechtwinklig zu der Lenkwelle montiert ist;
12 eine neunte Ausführungsform zeigt, die einen variablen Anschlag zeigt, der eine Verzahnung verwendet;
13 einen Querschnitt des Mechanismus von 12 entlang einer Linie A–A davon zeigt;
14 eine zehnte Ausführungsform zeigt, die einen Anschlag mit einer Sperrklinke und einem Zahnsegment verwendet;
15 einen Querschnitt von 14 entlang von Linien A–A davon zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Übersicht einer beispielhaften elektronischen Lenkung für ein Fahrzeug. Eine Fahrereingabe erfolgt an ein Handrad 12, das durch eine obere Welle 13 mit einem Handradstellglied 10 verbunden ist. Das Handradstellglied 10 umfasst redundante Positionssensoren zum Detektieren der Winkelverschiebung des Handrads 12. Der Positionssensorausgang wird zu einer elektronischen Steuereinheit 20 geleitet, die einen Mikroprozessor und weitere zusammengestellte elektronische Komponenten verwendet, die auf dem Gebiet der elektronischen Steuerung zum Bereitstellen von Speicher-, Eingangs-/Ausgangs- und Verarbeitungsfunktionen gut bekannt sind. Die elektronische Steuereinheit 20 empfängt Signale von Handrad-Positionssensoren in dem Handradstellglied 10 und bestimmt, welche Signale, falls überhaupt, an das Straßenradstellglied 17 gesendet werden sollen, so dass die Position der Straßenräder 19 (nur eines gezeigt) der Position des Handrads 12 entspricht. Das Straßenradstellglied 17 steuert die Lenkposition der Straßenräder 19 mit Hilfe einer Lenkstange 18.
Das Straßenradstellglied 17 umfasst Drehmoment- oder Verformungssensoren, um eine von dem Straßenradstellglied 17 benötigte Kraft zum Drehen und Erhalten der Straßenräder 19 in ihrer gewünschten Position zu messen. Ein Ausgang von den Straßenrad-Drehmomentsensoren (nicht gezeigt) wird an eine elektronische Steuereinheit 20 übertragen, die dann Fahrerrückkopplungsinformation an das Handradstellglied 10 überträgt. Das Handradstellglied 10 umfasst einen Elektromotor oder ein anderes Stellglied, um eine Kraftrückkopplung an dem Lenkrad 12 bereitzustellen, und liefert so die Fahrerrückkopplung über die Straßenzustände. Das Handradstellglied 10 kann auch einen Drehmomentsensor zum Bereitstel len eines Signals an die elektronische Steuereinheit umfassen, um sicherzustellen, dass der Fahrer den richtigen Betrag an Fahrerrückkopplung empfängt.
Einige wichtige Komponenten des allen bevorzugten Ausführungsformen gemeinsamen Handradstellglieds 10 sind in 2 gezeigt. Das Handradstellglied 10 umfasst ein Gehäuse 30, das eine obere Welle 13 und eine untere Welle über Rollenlager 32 hält. Die obere Welle 13 und die untere Welle 48 sind in Bezug zueinander fixiert und bilden eine Lenkwelle. Redundante Positionssensoren 36 und 38 übertragen Signale, die eine Winkelverschiebung des Handrads darstellen, an die Steuereinheit 20 (1). Ein nicht nachgiebiger Drehmomentsensor 34 detektiert das Drehmoment in der oberen Welle 13 zwischen einem ersten Ende 35, das mit dem Handrad 12 verbunden ist (1) und einem zweiten Ende 37, das mit einer Riemenscheibe 46 verbunden ist, die an einer unteren Welle 48, die an der oberen Welle 13 befestigt ist, montiert ist. Als eine Alternative zu dem nicht nachgiebigen Drehmomentsensor 34 kann auch ein herkömmlicher Drehmomentsensor mit einem Torsionsstab wie in 14 gezeigt verwendet werden. Der Motor 40 empfängt elektrische Leistung von einer elektrischen Steuereinheit 20 (1), die den Motor 40 in Ansprechen auf einen Handradstellglied- und Straßenradstellglied-Sensoreingang ansteuert. Der Motor 40 umfasst eine Ausgangswelle 41, die eine kleine Riemenscheibe 42 antreibt. Ein Riemen 44 verbindet die kleine Riemenscheibe 42 mit der Riemenscheibe 46. Während hier ein Riemenantriebsgetriebe gezeigt ist, sollte einzusehen sein, dass ein beliebiger anderer Typ von Kraftübertragung wie z. B. ein Kettenantrieb, eine Verzahnung oder dergleichen einfach implementiert werden kann.
3 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Handradstellglieds mit einem Mittel zum Variieren der Handradbewegungsbegrenzun gen mit einem festen Wegendanschlag 50 und einem variablen Anschlag 70. Der feste Wegendanschlag 50 umfasst ein Kugelgewinde 54, das mit der unteren Welle 48 durch einen Stift 39 verbunden ist. Eine Kugelmutter 58 steht mit dem Kugelgewinde 54 in Eingriff und bewegt sich linear entlang der Achse des Kugelgewindes 54. Eine Drehung der Kugelmutter 58 wird durch Positionierschrauben 60 verhindert, die in Schlitzen 56, die in dem Gehäuse 52 gebildet sind, gleiten. Puffer 62 sind in den Schlitzen 56 vorgesehen, um einen schnell erhöhten Widerstand an den festen Wegendbegrenzungen bereitzustellen, was für ein verbessertes Gefühl für den Fahrer sorgt.
In Betrieb wird die obere Welle 13 gedreht, wenn der Fahrer das Handrad 12 dreht (1). Drehmoment- und Positionssensoren (2) erzeugen einen Sensorausgang, der an die elektronische Steuereinheit 20 geliefert wird, die den Elektromotor 40 speist. Der Motor 40 dreht die untere Welle 48 über eine mechanische Kraftübertragung 45 wie z. B. einen Riemen 44 (2), um so eine Kraftrückkopplung für den Fahrer bereitzustellen. Wenn die untere Welle 48 gedreht wird, dreht sich das Kugelgewinde 54, was bewirkt, dass die Kugelmutter 58 sich linear nach links und rechts bewegt, wie in 3 zu sehen. Positionierschrauben 60 und Schlitze 56 wirken zusammen, um die linke und rechte Bewegung der Kugelmutter 58 zu begrenzen, und stellen somit einen festen Anschlag für die obere Welle 13 bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform begrenzt der feste Wegendanschlag 50 eine Drehung der oberen Welle 13 auf plus oder minus 540° oder eineinhalb Umdrehungen aus der gezeigten Mittelposition.
Der variable Anschlag 70 umfasst einen Dämpfer mit einem magnetorheologisches Fluid (MRF), der einen Rotor 72, einen Stator 74, eine Verdrahtung 76 und ein Gehäuse 78 umfasst. Der Rotor 72 ist an der Kugelgewindeverlängerung 64 des Kugelgewindes 54 befestigt und bewegt sich mit diesem. Lager 77 halten den Stator 74 und das Gehäuse 78 des variablen Anschlags. In dem kreisringförmigen Raum zwischen dem Rotor 72 und dem Stator 74 befindet sich ein rheologisches Fluid 80. Das rheologische Fluid 80 kann z. B. aus einem magnetorheologischen Fluid mit in Öl suspendierten Eisenpartikeln oder -feilspänen bestehen. Dichtungen 82, die an jedem Ende des rheologischen Fluids 80 angeordnet sind, verhindern einen Austritt. Wenn ein Strom an die Verdrahtung 76 angelegt wird, richten sich die Partikeln in dem rheologischen Fluid 80 parallel aus und bringen eine Reibung zwischen dem Rotor 72 und dem Stator 74 auf, die eine Drehung des Rotors 72 wirksam stoppt.
In Betrieb kann das Lenkrad, wenn die Straßenräder 19 (1) die Begrenzung ihres Drehvermögens erreichen und das Handrad nicht, z. B. während einer Lenkbetätigung mit einer dynamischen Lenkübersetzung, durch die elektronische Steuereinheit 20 gestoppt werden, indem ein Strom durch die Verdrahtung 76 geleitet wird. Wenn der Drehmomentsensor 34 detektiert, dass der Lenker das Rad zurück in Richtung Mitte dreht, spricht die elektronische Steuereinheit 20 an, indem sie die Leistung an die Verdrahtung 76 in dem variablen Anschlag 70 unterbricht. Die Steuereinheit 20 kann auch programmiert werden, um den variablen Anschlag 70 in anderen Situationen vorteilhaft zu verwenden. Zum Beispiel kann das Handrad 13 während eines Ansprechens auf ein/e übermäßiges Gierbewegung, Querbeschleunigung, Untersteuern, Übersteuern etc. vorteilhafterweise gestoppt werden. Der variable Anschlag kann Schutz vor einem Überschlagen des Fahrzeugs bieten, indem er eine zusätzliche Drehung des Lenkrads bei hohen Geschwindigkeiten, wo die Räder beginnen, Traktion zu verlieren, verhindert, oder verhindert, dass das Fahrzeug sich überschlägt.
Ein Widerstand, der durch das rheologische Fluid 80 erzeugt wird, kann derart gewählt werden, dass er von dem Fahrer überwunden werden kann oder nicht. Des Weiteren kann eine MRF-Vorrichtung mit variablem Widerstand verwendet werden, um den Widerstand abhängig von den Umständen zu variieren. Zum Beispiel kann ein hoher Widerstand aufgebracht werden, wenn der Fahrer sich an der Grenze der Straßenradbewegung befindet, aber ein geringerer Widerstand kann in anderen Situationen aufgebracht werden, wie z. B. während einer Notübersteuerungskorrektur durch die elektronische Steuereinheit 20 in Ansprechen auf Gierbewegungs- und Querbeschleunigungseingänge. Es ist bekannt, dass rheologische Fluiddämpfer einen starken Widerstand in sehr kurzen Zeitperioden z. B. etwa einer Zehntelsekunde bereitstellen, obwohl schnellere Reaktionen möglich sind.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform, wobei das Handradstellglied 10 gleich der in 3 gezeigten Ausführungsform ist, außer, dass der variable Anschlag 70 über einer Motorwelle 22 anstelle einer Kugelgewindeverlängerung 64 angeordnet ist. In 4 ist der variable Anschlag 70 mit einem Elektromotor 40 integriert. Aufgrund des erhöhten Drehverhältnisses, das aus der Kraftübertragung 45 (siehe 2) resultiert, kann ein kleinerer variabler Anschlag als in der vorhergehenden Ausführungsform verwendet werden, um den gleichen Betrag an Anschlagdrehmoment, das an dem Handrad 12 (1) gefühlt wird, bereitzustellen.
Als ein weiterer Vorteil des Anordnens des variablen Anschlags 70 an der Motorwelle 22 kann die lineare Bewegung einer Kugelmutter 58 in einer mechanischen Mittenrückverstellvorrichtung 90 verwendet werden. Für gewöhnlich wird der Motor 40 zur Bereitstellung einer Mittenrückstellfunktion verwendet, die dem Fahrer ein spürbares Gefühl gibt, wo die Mitte ist, wie auch den Zug zur Mitte zu modellieren, der normalerweise an den Reifen zu spüren ist. Diese wichtige fühlbare Information kann jedoch auch durch eine zuverlässige mechanische Vorrichtung bereitgestellt werden.
Der feste Wegendanschlag 50 ist der gleiche, wie zuvor in Bezug auf die in 3 gezeigte Ausführungsform beschrieben, außer, dass in diesem Fall Positionierelemente 61 die Stelle der Positionierschrauben 60 einnehmen, und eine Feder 45 mit der Kugelmutter 58 durch ein Federanschlussstück 92 verbunden ist. Die Feder 95 ist zwischen Federscheiben 93 und 94 eingespannt. Die Federscheibe 93 ist durch entweder eine Schulter 91 des Federanschlussstücks 92 oder eine Schulter 53 des Gehäuses 52 in einer Bewegung nach rechts begrenzt, wie in 4 zu sehen. Die Federscheibe 94 ist durch entweder eine Mutter 96, die an einem Ende des Federanschlussstücks 92 befestigt ist, oder eine Lippe 99 des Deckels 98 in einer Bewegung nach links begrenzt, wie in 4 zu sehen. Wenn die Kugelmutter 58 sich aus der in 4 gezeigten Mittelposition nach rechts bewegt, bewegen sich die Mutter 96 und die Federscheibe 94 mit ihr, während die Federscheibe 93 gegen die Schulter 53 des Gehäuses 52 fixiert bleibt. Die Feder wird zusammengedrückt, was einen erhöhten Widerstand bewirkt, je weiter die Kugelmutter 58 von der Mitte bewegt wird. Andererseits wird die Federscheibe 93, wenn die Kugelmutter 58 sich aus der in 4 gezeigten Mittelposition nach links bewegt, durch die Schulter 91 des Federanschlussstücks 92 nach links geschoben, während die Federscheibe 94 gegen die Lippe 99 des Deckels 98 fixiert bleibt. Die Feder wird wieder zusammengedrückt, was einen erhöhten Widerstand bewirkt, je weiter die Kugelmutter 58 von der Mitte bewegt wird. Eine mechanische Mittenrückstellvorrichtung 90 wie beschrieben wird eine gewisse Rückkopplung für einen Fahrer bereitstellen, selbst bei einem Ausfall entweder des Motors 40 oder der Kraftübertragung 45. Eine weiche Mitte kann durch Hinzufügen von Puffern oder Gummiunterlegescheiben (nicht gezeigt) bereitgestellt sein.
Die 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform, wobei der feste Wegendanschlag 50 als ein Zahnradanschlag und nicht als ein Kugelmutteranschlag ausgebildet ist. Hier ist ein Ritzel 151 mit einer unteren Welle 48 einteilig gebildet oder an dieser befestigt. Das Ritzel 151 steht mit einem Zahnrad 153 in Wechselwirkung, das drehbar an einer Welle 155 montiert ist, die durch ein mit dem Gehäuse 30 gebildeten oder an diesem angebrachten Gehäuse 152 gehalten ist.
Das Zahnrad 153 umfasst zumindest einen Anschlagzahn 154 (6), der eine Drehung des Ritzels 151 an den Begrenzungen der Bewegung des Ritzels 151 und der unteren Welle 48 stoppt. Dies stellt die feste Wegendanschlagfunktion bereit. Vorzugsweise sind das Ritzel 151 und das Zahnrad 153 derart dimensioniert und ausgebildet, dass zugelassen wird, dass die untere Welle 48 sich plus oder minus 540° (eineinhalb Umdrehungen) dreht, bevor sie die Bewegungsbegrenzung erreicht.
7 zeigt eine vierte Ausführungsform, wobei der variable Anschlag 70 ein mechanischer variabler Anschlag ist. In dieser Ausführungsform sind der feste Wegendanschlag 50 und die mechanische Mittenrückstellvorrichtung 90 wie in 4 gezeigt und in Bezug darauf beschrieben. In dieser Ausführungsform ist jedoch einer der Schlitze 56 durch einen verlängerten Schlitz 160 ersetzt, in dem ein variables Anschlag-Positionierelement 180 angeordnet ist. Das Positionierelement 177, das identisch mit dem Positionierelement 61 der vorhergehenden Ausführungsformen ist, ist innerhalb von Anschlägen 178, die an dem variablen Anschlag-Positionierelement 180 gebildet oder angeordnet sind, positioniert. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 ist durch eine Schraubverbindung 187 an einer Anschlagkugelmutter 186 befestigt, könnte aber auch einteilig mit dieser gebildet sein. In Ansprechen auf ein Signal von der elektronischen Steuereinheit 20 (1) dreht ein Motor 185 das Anschlagkugelgewinde, was bewirkt, dass die Anschlagkugelmutter 186 sich linear nach links und rechts bewegt. Das Anschlagkugelgewinde 184 ist durch Lager 182 gehalten.
In Betrieb berechnet oder andernfalls bestimmt die elektronische Steuereinheit 20, wenn eine dynamische Lenkübersetzung aktiviert ist, auf Grundlage des sich ändernden Verhältnisses zwischen dem Handrad 12 und den Straßenrädern 19 die Position des Handrads 12, wenn die Straßenräder 19 ihre Lenkbegrenzung erreichen. Die elektronische Steuereinheit 20 bewegt dann das variable Anschlag-Positionierelement 180 zu dieser Position und verhindert somit, dass das Handrad 12 sich über eine Position hinaus dreht, die der Drehbegrenzung der Straßenräder 19 entspricht. Puffer 176 und 179 sind zwischen dem Positionierelement 177 und dem variablen Anschlag-Positionierelement 180 sowie dem variablen Anschlag-Positionierelement 180 und dem variablen Anschlag-Positionierelement-Gehäuse 181 vorgesehen.
8 zeigt eine fünfte Ausführungsform ähnlich der in 7 gezeigten, jedoch mit einem unterschiedlichen Kraftübertragungsmittel zwischen dem Motor 185 und dem variablen Anschlag-Positionierelement 180. In dieser Ausführungsform umfasst der Motor 185 ein an seiner Ausgangswelle montiertes Ritzel 272. Das Ritzel 272 steht mit einer einteilig mit dem variablen Anschlag-Positionierelement 180 geformten oder sonst wie an dieser befestigten Zahnstange 274 in Wechselwirkung. Das variable Anschlag-Positionierelement ist für eine begrenzte Bewegung montiert, die zulässt, dass es sich auf einem Lager 276, das an der Welle 278 montiert ist, hin- und herbewegt. Somit wird das variable Anschlag-Positionier element 180, wenn das Ritzel 272 unter dem Einfluss des Motors 185 dreht, nach rechts oder links neu positioniert. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist der gleiche wie der oben unter Bezug auf 7 beschriebene.
9 zeigt eine sechste Ausführungsform, die ein Drehstellglied umfasst. In diesem Fall ist der feste Weganschlag 50 der gleiche wie zuvor in Bezug auf die in 3 gezeigte Ausführungsform beschrieben und umfasst ein Kugelgewinde 54 und eine Kugelmutter 58. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 ist jedoch als ein an der Ausgangswelle eines elektrischen Drehstellglieds 183 montierter Hebel gebildet. Die Kugelmutter 58 weist eine erste Positionierschraube 60 auf, die auf eine Weise ähnlich der unter Bezug auf die in 3 beschriebene Ausführungsform innerhalb eines Schlitzes 56 angeordnet ist. Eine zweite Positionierschraube 161 ist innerhalb eines zweiten Schlitzes 156 angeordnet, weist aber einen verlängerten Kopf auf, so dass sie sich aus dem zweiten Schlitz 156 heraus erstreckt. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 umfasst eine erste Fläche 173 und eine zweite Fläche 175, die auf jeder Seite der zweiten Positionierschraube 161 angeordnet sind. Bei einer Neupositionierung durch das Drehstellglied 183 wird eine der Flächen 173, 175 an einem Punkt positioniert werden, der einer Lenkbegrenzung der Straßenräder 19 entspricht, der in Abhängigkeit von der dynamischen Lenkübersetzung variieren wird. Wenn keine dynamische Lenkübersetzung verwendet wird, wird das Drehstellglied 183 ausgeschaltet und die Federn 196 werden das variable Anschlag-Positionierelement 180 in die in 9 gezeigte Mittelposition zurückstellen.
10 zeigt eine siebte Ausführungsform, in der Schlitze 56, anstatt dass sie in einem Gehäuse 52 gebildet sind, wie in 3 gezeigt, in einem variablen Anschlag-Positionierelement 180 gebildet sind. Das variable An schlag-Positionierelement 180 ist als ein Zylinder gebildet, der sich um eine Kugelmutter 58 herum erstreckt und Schlitze 56 trägt, um die festen Wegendpositionen zu definieren, wenn er mittig angeordnet ist, wie in 10 gezeigt. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 ist jedoch durch eine Halterung 194 gehalten, die durch eine Anschlagkugelmutter 186 getragen ist. In dieser Ausführungsform dreht ein Motor 185 ein Anschlagkugelgewinde 184 auf seiner Achse, was bewirkt, dass die Anschlagkugelmutter 186 sich nach links und rechts verschiebt. Die Anschlagkugelmutter 186 trägt eine Halterung 194, die das variable Anschlag-Positionierelement 180 hält. Somit bewegen sich die Anschlagkugelmutter 186, die Halterung 194 und das variable Anschlag-Positionierelement 180 als eine Einheit. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 weist darin gebildete Schlitze 56 auf, die eine Bewegung von Positionierelementen 61, die durch die Kugelmutter 58 getragen sind, begrenzen. Wenn eine obere Welle 13 durch einen Fahrer gedreht wird, werden die Begrenzungen ihrer Drehung durch die Position des variablen Anschlag-Positionierelements 180, das in Ansprechen auf die dynamische Lenkübersetzung zwischen dem Handrad 12 und den Straßenrädern 19 positioniert wird, wie auch durch die Position des Handrads 12 durch die elektronische Steuereinheit 20 bestimmt.
Die Funktion einer mechanischen Mittenrückstellvorrichtung 90 ist die gleiche wie die oben in Bezug auf die in 4 gezeigte Ausführungsform beschriebene. Es wird einzusehen sein, dass die mechanische Mittenrückverstellvorrichtung 90 durch einen variablen Anschlag 70 ersetzt werden kann. In diesem Fall wird der Motor 185 koaxial mit der oberen Welle 13 sein.
11 zeigt eine achte Ausführungsform mit einem variablen Anschlag-Positionierelement 180 ähnlich dem oben in Bezug auf die in 10 ge zeigte Ausführungsform beschriebenen. In dieser Ausführungsform ist der Motor 185 jedoch auf einer Achse rechtwinklig zu der Achse der oberen Welle 13 angeordnet. Ein Anschlagkugelgewinde 184 ist an der Ausgangswelle des Motors 185 angebracht und eine Anschlagkugelmutter 186 ist hierauf angeordnet und derart ausgebildet, dass sie sich linear auf und ab entlang des Anschlagkugelgewindes 184 bewegt, wie in 11 zu sehen. Ein Verbindungselement 202 erstreckt sich von einem Stift 205, der an der Anschlagkugelmutter 186 gehalten ist, zu einem Stift 208, der durch ein variables Anschlag-Positionierelement 180 gehalten ist, um eine lineare Bewegung von der Anschlagkugelmutter 186 zu dem variablen Anschlag-Positionierelement 180 zu übertragen. Auf diese Weise wird das variable Anschlag-Positionierelement 180 wie oben in vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben neu positioniert. Eine Kugelmutter 58 trägt eine Positionierschraube 161 mit einem verlängerten Kopf, um mit Anschlägen 204 in Wechselwirkung zu stehen, die in Position fixiert sind, um einen festen Anschlag an diesen Positionen sicherzustellen, die vorzugsweise einer Drehung von plus und minus 540° oder eineinhalb Umdrehungen von der Mitte entsprechen.
Die 12 und 13 zeigen eine neunte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform trägt eine untere Welle 48 ein Planetenrad 218, das mit einem Zahnrad 216 in Wechselwirkung steht. Das Zahnrad 216 dreht sich weniger als eine Umdrehung für drei Umdrehungen des Planetenrads 218 und umfasst einen Schlitz 215, der sich koaxial um eine Fläche des Zahnrads 216 herum erstreckt, um die festen Begrenzungen einer Drehung zu definieren, wenn das Zahnrad 216 mittig angeordnet ist, wie in 13 gezeigt. Ein variables Anschlag-Positionierelement 180 umfasst eine Stange, die sich in den Schlitz 215 hinein erstreckt. Wenn es mittig innerhalb des Schlitzes 215 angeordnet ist, wie in 13 zu sehen, kann das Planetenrad 218 sich plus oder minus 540° oder eineinhalb Umdre hungen in jede Richtung drehen. Das variable Anschlag-Positionierelement 180 ist an einem Arm 214 angeordnet, der an der Ausgangswelle eines Motors 185 befestigt ist. Während eines Lenkens mit einer dynamischen Lenkübersetzung schaltet die Steuereinheit 20 (1) den Motor 185 ein, der bewirkt, dass der Arm 214 und das variable Anschlag-Positionierelement 180 gemäß der Lenkrichtung und dem gewählten und variierenden Drehverhältnis zwischen Handrad 12 und Straßenrad 19 (1) neu positioniert würde. Dies ermöglicht es, dass die Steuereinheit 20 ein Übersteuern selbst während einer dynamischen Lenkübersetzung wie vorstehend beschrieben verhindert.
Die 14 und 15 zeigen eine zehnte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist ein Motor 40 koaxial mit einer oberen Welle 13 und überträgt Kraft durch eine Kraftübertragung 45 mit einem Planetenradsatz. Ein nicht nachgiebiger Drehmomentsensor 34, zuvor unter Bezug auf 2 beschrieben, ist durch einen herkömmlichen Drehmomentsensor 31 ersetzt, der einen Torsionsstab 131 verwendet, um eine Verformung zu messen.
An der unteren Welle 48 montiert sind Zahnsegmente 132, 134, die identisch sind, außer dass die Zähne eines jeden in eine verschiedene Richtung gewandt sind, wie in 15 zu sehen, in der ein Teil eines Zahnsegments entfernt ist. Spenklinken 136, 138 sind an der Ausgangswelle eines Drehstellglieds 183 montiert, wobei jede der Spenklinken 136, 138 mit einem entsprechenden der Zahnsegmente 132, 134 ausgerichtet ist. In Betrieb schaltet die elektronische Steuereinheit 20 (1), wenn sie bestimmt, dass die Straßenräder 19 (1) eine Begrenzung ihres Drehvermögens erreicht haben, das Drehstellglied 183 ein, das bewirkt, dass eine der Spenklinken mit einem der Zähne in Eingriff tritt, wodurch eine weitere Drehung in dieser Richtung verhindert, eine Drehung von der Dreh begrenzung weg aber zugelassen wird. Wenn die elektronische Steuereinheit das Drehstellglied 183 ausschaltet, kehren die Sperrklinken 136, 138 unter dem Einfluss von Rückstellfedern 140 in eine ausgerückte Position zurück. Während die Sperrklinken 136 und 138 jeweils an ein einziges Drehstellglied montiert gezeigt sind, könnten sie einfacherweise auch einzeln mit getrennten Stellgliedern, die drehend sein können oder nicht, in Eingriff stehen. Auf diese Weise kann die Lenkwelle gegen jede Bewegung nach links oder rechts, z. B. als eine Diebstahlsicherung, verriegelt werden.
Während das offen gelegte Handradstellglied zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet ist, die mit einer elektronischen Lenkung ausgerüstet sind, kann es auch in anderen Umgebungen wie z. B. Fahrsimulatoren, Computer- oder Arkadenspielaktuatoren etc. implementiert werden. Demgemäß sollte einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung nur veranschaulichend und nicht einschränkend beschrieben wurde.

Claims

Handradstellglied (10) zum Bereitstellen einer Kraftrückkopplung an einen Benutzer, wobei das Stellglied umfasst: eine Lenkwelle, die an dem Handrad (12) befestigt und durch Lager gehalten ist, so dass sie um ihre eigene Achse herum drehbar ist; einen Positionssensor, der eine Winkelverschiebung der Lenkwelle von einem gewählten Ursprung detektiert und ein Signal erzeugt, das bezeichnend für die Winkelverschiebung ist; einen Elektromotor (40, 185); ein Getriebemittel (45), das eine Ausgangswelle (41) des Elektromotors (40, 185) mit der Lenkwelle wirksam verbindet; und einen variablen Anschlag (70), der eine Drehung der Lenkwelle an einer beliebigen Position stoppt.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, wobei der variable Anschlag (70) eine Vorrichtung mit einem magnetorheologischen Fluid (80) umfasst, die mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung mit einem magnetorheologischen Fluid (80) an der Ausgangswelle (41) des Elektromotors (40, 185) angeordnet ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine federbelastete mechanische Mittenrückstellvorrichtung (90) zum Bereitstellen eines Widerstands gegen ein Drehen der Lenkwelle weg von der Mittelposition, wobei die mechanische Mittenrückstellvorrichtung (90) mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 4, wobei die mechanische Mittenrückstellvorrichtung (90) umfasst: ein Kugelgewinde (54), das an der Lenkwelle befestigt ist, eine Kugelmutter (58), die mit dem Kugelgewinde (54) in Eingriff steht, wobei die Kugelmutter (58) auf eine lineare Bewegung entlang einer Achse des Kugelgewindes (54) beschränkt ist, und eine Druckfeder, die um eine Verlängerung (64) der Kugelmutter (58) herum angeordnet ist, wobei die Verlängerung (64) und ein Gehäuse (30) zusammenwirken, um zu bewirken, dass die Druckfeder mit erhöhter Winkelverschiebung von der Mittelposition zusammendrückt wird.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 4, wobei der variable Anschlag (70) eine Vorrichtung mit einem magnetorheologischen Fluid (80) umfasst, die an der Ausgangswelle (41) des Elektromotors (40, 185) angeordnet ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen festen Wegendanschlag (50), der eine Winkelverschiebung der Lenkwelle auf eine gewählte Begrenzung begrenzt.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 7, wobei die gewählte Begrenzung 540° ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 7, wobei der feste Wegendanschlag (50) umfasst: ein Kugelgewinde (54), das mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist, eine Kugelmutter (58), die mit dem Kugelgewinde (54) in Eingriff steht, wobei die Kugelmutter (58) zumindest ein Positionierelement umfasst, das sich quer von einer Achse des Kugelgewindes (54) erstreckt, wobei das Positionierelement sich in einen Schlitz (56, 160) mit einer gewählten Länge, der in einem um das Kugelgewinde (54) herum angeordneten Gehäuse (30) gebildet ist, hinein erstreckt, wobei der Schlitz (56, 160) und das Positionierelement zusammenwirken, um eine Bewegung der Kugelmutter (58) einzuschränken und damit die Winkelverschiebung zu begrenzen.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 9, ferner umfassend: eine federbelastete mechanische Mittenrückstellvorrichtung (90), die einen Widerstand gegen ein Drehen der Lenkwelle weg von der Mittelposition bereitstellt, wobei die mechanische Mittenrückstellvorrichtung (90) eine Druckfeder umfasst, die um eine Verlängerung (64) der Kugelmutter (58) herum angeordnet ist, wobei die Verlängerung (64) und ein Gehäuse (30) zusammenwirken, um zu bewirken, dass die Druckfeder mit erhöhter Winkelverschiebung von der Mittelposition zusammengedrückt wird.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 7, wobei der feste Wegendanschlag (50) ein Ritzel (151), das mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist und ein Zahnrad (153), das mit dem Ritzel (151) in Eingriff steht, umfasst, wobei das Zahnrad (153) zumindest einen Anschlagzahn (154) aufweist, um zu verhindern, dass das Zahnrad (153) eine volle Drehung durchführt, wobei das Ritzel (151) und das Zahnrad (153) derart dimensioniert sind, dass sie die Winkelverschiebung auf die gewählte Begrenzung begrenzen.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 11, wobei die gewählte Begrenzung 540° ist.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, wobei der variable Anschlag (70) umfasst: ein Kugelgewinde (54), das mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist; eine Kugelmutter (58), die an dem Kugelgewinde (54) in Eingriff steht, wobei die Kugelmutter (58) auf eine lineare Bewegung beschränkt ist; ein Positionierelement für die Kugelmutter (58), das sich von der Kugelmutter (58) erstreckt; ein variables Anschlag-Positionierelement, das derart angeordnet ist, dass es mit dem Positionierelement für die Kugelmutter (58) an einer gewünschten Begrenzung einer Winkelverschiebung in Eingriff steht, wobei das variable Anschlag-Positionierelement eine erste Fläche (173), die mit dem Positionierelement für die Kugelmutter (58) an einer ersten Begrenzung der Winkelverschiebung in Wechselwirkung tritt, und eine zweite Fläche (175), die mit dem Positionierelement für die Kugelmutter (58) an einer zweiten Begrenzung der Winkelverschiebung in Wechselwirkung tritt, aufweist, wobei das Positionierelement für die Kugelmutter (58) sich in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle zwischen der ersten und der zweiten Begrenzung frei bewegen kann; ein Stellglied zum Neupositionieren des variablen Anschlag-Positionierelements.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 13, wobei das Stellglied einen zweiten Motor (40, 185) umfasst, der an seiner Ausgangswelle (41) mit einem zweiten Kugelgewinde (54) verbunden ist, wobei das variable Anschlag-Positionierelement an einer zweiten Kugelmutter (58) befestigt ist, die mit dem zweiten Kugelgewinde (54) in Eingriff steht.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 13, ferner umfassend ein Gehäuse (30), das sich um die Kugelmutter (58) und das Kugelgewinde (54) herum erstreckt, wobei das Gehäuse (30) zumindest einen Schlitz (56, 160) aufweist, der in Längsrichtung in dem Gehäuse (30) gebildet ist, wobei das Positionierelement für die Kugelmutter (58) sich in den Schlitz (56, 160) hinein erstreckt, wobei der Schlitz (56, 160) eine Drehbewegung der Kugelmutter (58) begrenzt, wenn das Kugelgewinde (54) gedreht wird und damit bewirkt, dass die Kugelmutter (58) sich linear bewegt.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 15, wobei das variable Anschlag-Positionierelement teilweise in einem von dem zumindest einen Schlitz (56, 160) angeordnet ist, und dadurch Begrenzungen einer linearen Bewegung der Kugelmutter (58) definiert, und somit eine Drehbewegung des Kugelgewindes (54) und der Lenkwelle begrenzt.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 14, wobei das variable Anschlag-Positionierelement aus einem Zylinder gebildet ist, der sich um die Kugelmutter (58) und das Kugelgewinde (54) herum erstreckt, wobei der Zylinder zumindest einen darin gebildeten Schlitz (56, 160) aufweist, wobei der Schlitz (56, 160) eine Drehbewegung der Kugelmutter (58) begrenzt, wenn das Kugelgewinde (54) gedreht wird, eine Länge des Schlitzes (56, 160) Begrenzungen einer linearen Bewegung der Kugelmutter (58) definiert und somit eine Drehbewegung des Kugelgewindes (54) und der Lenkwelle begrenzt.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 17, wobei das zweite Kugelgewinde (54) parallel mit der Lenkwelle ausgerichtet ist, wobei das Handradstellglied (10) ferner einen Tragaufbau umfasst, der das va riable Anschlag-Positionierelement an der zweiten Kugelmutter (58) befestigt und mit dieser verbindet.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 17, wobei das zweite Kugelgewinde (54) nicht parallel mit der Lenkwelle ausgerichtet ist, wobei das Handradstellglied (10) ferner ein mechanisches Verbindungselement umfasst, das sich von der zweiten Kugelmutter (58) zu dem variablen Anschlag-Positionierelement erstreckt, wobei das Verbindungselement wirksam ist, um eine lineare Bewegung der zweiten Kugelmutter (58) entlang einer Achse des zweiten Kugelgewindes (54) in eine lineare Bewegung des variablen Anschlag-Positionierelements entlang einer Achse der Lenkwelle zu übertragen.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 13, wobei das Stellglied einen zweiten Motor (40, 185) umfasst, der an seinem Ausgangsende mit einem Ritzel (151) verbunden ist, wobei das variable Anschlag-Positionierelement an einer Zahnstange (274) befestigt ist, und auf eine lineare Bewegung entlang einer Tragwelle, die parallel zu dem Kugelgewinde (54) steht, beschränkt ist, wobei das Ritzel (151) und die Zahnstange (274) in Eingriff stehen, so dass, wenn das Ritzel (151) durch den Motor (40, 185) gedreht wird, die Zahnstange (274) und das variable Anschlag-Positionierelement sich linear parallel mit dem Kugelgewinde (54) bewegen.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 13, wobei das variable Anschlag-Positionierelement an einer Ausgangswelle (41) eines Drehstellglieds befestigt ist, wobei die Ausgangswelle (41) des Drehstellglieds quer zu einer Achse des Kugelgewindes (54) angeordnet ist; und wobei bei einer Betätigung eine von der ersten und zweiten Flä che (175) in einer Position ist, die die Begrenzung der Winkelverschiebung der Lenkwelle definiert.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, wobei der variable Anschlag (70) umfasst: ein Ritzel (151), das mit der Lenkwelle wirksam verbunden ist, ein Zahnrad (153), das mit dem Ritzel (151) in Eingriff steht, wobei das Zahnrad (153) und das Ritzel (151) derart dimensioniert sind, dass das Zahnrad (153) weniger als eine ganze Umdrehung macht, wenn die Lenkwelle von ihrer ganz linken Begrenzung zu ihrer ganz rechten Begrenzung gedreht wird, wobei das Zahnrad (153) einen Schlitz (56, 160) aufweist, wobei der Schlitz (56, 160) sich in Umfangsrichtung von einem Ausgangspunkt zu einem Anschlagpunkt erstreckt, wobei der Ausgangspunkt und der Anschlagpunkt der ganz linken Begrenzung und der ganz rechten Begrenzung einer Drehung der Lenkwelle entsprechen; wobei das variable Anschlag-Positionierelement einen Stift umfasst, der sich in den Schlitz (56, 160) hinein erstreckt, wobei der Stift an einem Arm (214) montiert ist, der an einer Ausgangswelle (41) eines Anschlagmotors befestigt ist, der koaxial mit dem Zahnrad (153) angeordnet ist, wobei eine Betätigung des Motors (40, 185) den Stift neu positioniert und dadurch die ganz linke Begrenzung und die ganz rechte Begrenzung einer Drehung der Lenkwelle neu definiert.
Handradstellglied (10) nach Anspruch 1, wobei der variable Anschlag (70) umfasst: eine Zahnsegmentanordnung mit einem ersten Satz von Zähnen, die im Uhrzeigersinn gewandt sind, und einen zweiten Satz von Zähnen, die gegen den Uhrzeigersinn gewandt sind; eine erste und eine zweite Sperrklinke, die an der Ausgangswelle (41) zumindest eines Stellglieds befestigt sind, wobei die erste Sperr klinke mit dem ersten Satz von Zähnen ausgerichtet ist und die zweite Sperrklinke mit dem zweiten Satz von Zähnen ausgerichtet ist, wobei der erste Satz von Zähnen und der zweite Satz von Zähnen und die erste Sperrklinke und die zweite Sperrklinke derart zusammenwirken, dass, wenn die erste Sperrklinke mit dem ersten Satz von Zähnen in Eingriff steht, verhindert wird, dass die Lenkwelle sich im Uhrzeigersinn dreht, und wenn die zweite Sperrklinke mit dem zweiten Satz von Zähnen in Eingriff steht, verhindert wird, dass die Lenkwelle sich gegen den Uhrzeigersinn dreht.