DE60307161T2

DE60307161T2 - Aktives Vorderrad-Lenkungs-Stellglied und Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE60307161T2
Application number: DE60307161T
Authority: DE
Inventors: Ratko Frankenmuth Menjak; James M. Lighthouse Point Card
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: EP1354787B1; US20030196849A1; DE60307161D1; EP1354787A3; EP1354787A2; US6655494B2

Description

FACHGEBIET
Diese Offenbarung betrifft Lenksysteme für Fahrzeuge, die die Stabilität des Fahrzeugs verbessern. Spezieller betrifft diese Offenbarung ein aktives Vorderrad-Lenkungsstellglied und ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Motorfahrzeuge wie Autos und Lastwägen benötigen ein Lenksystem zum Steuern der Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Das Lenksystem steuert durch die Steuerung einer oder mehrerer Garnitur(en) Straßenräder die Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Derartige Lenksysteme übertragen üblicherweise die Absicht eines Fahrers von einem Lenkrad über ein mechanisches Lenkgestänge auf die Straßenräder. Folglich bewirkt die Bewegung des Lenkrads durch den Fahrer eine entsprechende Bewegung der Straßenräder. Hydraulische und/oder elektromotorische Unterstützungssysteme werden üblicherweise in Verbindung mit derartigen mechanischen Systemen verwendet. Diese Unterstützungssysteme reduzieren den zum Betätigen des mechanischen Systems erforderlichen Kraftaufwand des Fahrers.
Ein Beispiel für ein hydraulisch unterstütztes mechanisches System ist in US-Patent Nr. 4,009,641 bereitgestellt. Hier ist ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe bereitgestellt. Ein weiteres Beispiel für ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe ist in US-Patent Nr. 5,341,701 bereitgestellt. Die jeweiligen Inhalte sind hier in ihrem vollen Umfang unter Bezugnahme eingebracht.
Ein weiteres Beispiel für ein Fahrzeug-Lenkungssteuersystem ist in US 5,528,497 offenbart, wobei das Steuersystem zum Kompensieren von äußeren Störungen wie Seitenwind beiträgt und dies bezweckt.
Zusätzlich zum bloßen Steuern der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, ist es erwünscht, dass das Lenksystem die Stabilität des Fahrzeugs verbessert.
Demgemäß sind kontinuierliche Verbesserungen bei der Stabilisierung der Fahrzeugsteuerung durch das Lenksystem erwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt ist ein Lenkungsstellglied, das eine Zwischenwelle, einen Elektromotor, eine Übertragung, eine erste Stoppvorrichtung, eine zweite Stoppvorrichtung und eine Steuereinheit umfasst. Die Lenksäule überträgt eine erste Drehkraft auf die Zwischenwelle. Der Elektromotor erzeugt nach Anlegen eines elektrischen Stroms eine zweite Drehkraft an einer Rotorwelle. Die Übertragung überträgt entweder die erste Drehkraft oder die zweiten Drehkraft oder beide auf eine untere Welle eines Lenkgetriebes. Die erste Stoppvorrichtung verhindert, dass die erste Drehkraft auf die Rotorwelle übertragen wird. Gleichermaßen verhindert die zweite Stoppvorrichtung, dass die zweite Drehkraft auf die Lenksäule übertragen wird. Die Steuereinheit betreibt das Lenkungsstellglied durch selektives Anlegen des elektrischen Stroms an den Elektromotor und die Stoppvorrichtungen in einem ersten Modus, einem zweiten Modus oder einem dritten Modus.
Bereitgestellt ist ein Verfahren zum Steuern einer Garnitur Straßenräder eines Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst das Erfassen einer momentanen Gierkraft des Fahrzeugs; Vergleichen der momentanen Gierkraft mit einer vorbestimmten Gierkraftgrenze; Umwandeln nur einer ersten Drehkraft von einer Lenksäule in einen ersten Änderungsgrad der Straßenräder, falls die momentane Gierkraft nicht über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt; und Umwandeln nur einer zweiten Drehkraft von einer anderen Quelle als der Lenksäule in einen zweiten Änderungsgrad der Straßenräder, falls die momentane Gierkraft über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt. Der zweite Änderungsgrad bringt eine lenkungsinduzierte Gierkraft auf das Fahrzeug ein, um zumindest einen Teil der momentanen Gierkraft zu beseitigen.
Die vorstehend beschriebenen und andere Merkmale werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und anhängigen Ansprüchen dem Fachmann klar und verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht eines Lenksystems;
2 ist eine Schnittansicht eines hydraulisch unterstützten Lenkgetriebes zur Verwendung mit dem Lenksystem von 1;
3 ist eine Schnittansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Lenksystems;
4 ist eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Lenksystems;
5 ist eine Schnittansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Lenksystems von 4;
6 ist eine Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Lenksystems;
7 ist eine Schnittansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Lenksystems von 6; und
8 ist eine Schnittansicht noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Lenksystems von 6.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In Bezug nun auf 1 ist ein zur Verwendung mit einem Fahrzeug (nicht dargestellt) konfiguriertes Lenksystem 10 veranschaulicht. Das Lenksystem 10 ist zum Steuern der Richtung einer Garnitur Straßenräder 11 geeignet. Das Lenksystem 10 umfasst ein Lenkgetriebe 12, eine Lenksäule 14 und ein Lenkrad 16.
Die Lenksäule 14 ist zum Übertragen von Dreheingabe vom Lenkrad 16 auf das Lenkgetriebe 12 konfiguriert. Die Lenksäule 14 ist in einer die Drehung der Säule ermöglichenden Weise im Fahrzeug montiert. Das Lenkrad 16 ist funktionsfähig an das obere Ende der Lenksäule 14 gekoppelt. Das untere Ende der Lenksäule 14 ist funktionsfähig an das Lenkgetriebe 12 gekoppelt. Folglich wird eine Drehung des Lenkrads 16 durch die Lenksäule 14 auf das Lenkgetriebe 12 übertragen.
Das Lenkgetriebe 12 ist zum Umwandeln der Drehung der Lenksäule 14 in eine Bewegung einer Lenkwelle 18 geeignet. Die Lenkwelle 18 ist mittels eines Lenkhebels 20, einer Mittelverbindung 22, einem Paar an Zugstreben 24 und einem Lenkzwischenhebel 26 funktionsfähig an die Straßen räder 11 gekoppelt. Das freie Ende des Lenkzwischenhebels 26 ist z.B. durch einen Haltebügel 28 am Fahrzeug befestigt.
Zum Beispiel wird die Drehung des Lenkrads 16 in eine erste Richtung 30 auf eine Bewegung des Lenkhebels 20 übersetzt. Die Bewegung des Lenkhebels 20 bewirkt, dass sich die Mittelverbindung 22 in eine erste Richtung 32 bewegt. Die Bewegung der Mittelverbindung 22 wird durch die Zugstreben 24 in einer bekannten Weise in eine Richtungsänderung der Straßenräder 11 umgewandelt. Folglich steuert das Lenksystem 10 die Fahrtrichtung der Straßenräder 11 des Fahrzeugs.
Das Lenkgetriebe 12 ist in Bezug auf 2 detailliert beschrieben. Das Lenkgetriebe 12 umfasst ein zur Aufnahme des unteren Endes der Lenksäule 14 geeignetes Gehäuse 34. Die Lenksäule 14 ist durch eine Lenkschraube 38 funktionsfähig an einen Kolben 36 gekoppelt. Die Lenkschraube 38 umfasst eine untere Welle 33. Ein erstes Ende der unteren Welle 33 ist mit dem unteren Ende der Lenksäule verbunden. Ein zweites Ende der unteren Welle 33 umfasst ein Gewinde 35, das zum Eingriff in eine Innenfläche 37 des Kolbens 36 konfiguriert ist. Das Gewinde 35 und die Innenfläche 37 sind zum Umzuwandeln der Drehung der Lenkschraube 38 von der Lenksäule 14 in eine Linearbewegung des Kolbens 36 konfiguriert. Die Schraube 38 wirkt nämlich als Kugelrollspindel und der Kolben 36 als Kugelmutter. Folglich wandelt das Lenkgetriebe 12 die Drehung der Lenksäule 14 in eine Linearbewegung des Kolbens 36 um.
Das Lenkgetriebe 12 ist auch zum Bereitzustellen einer hydraulischen Unterstützung für das lineare Bewegen des Kolbens 36 konfiguriert. Hier umfasst die Lenkschraube 38 auch ein hierin funktionsfähig angeordnetes Lenkventil 40. Der Klarheit halber wurde das Lenkventil 40 in Bezug auf das Gehäuse 34 aus der Ebene herausgestellt.
Das Gehäuse 34 definiert eine Kammer 42 für ein Hydraulikfluid, einen Einlassanschluss 44 und einen Rückflussanschluss 46. Die Kammer 42 ist in einen an einer Seite des Kolbens 36 (z.B. links) definierten ersten Abschnitt 48 und einen an der anderen Seite des Kolbens (z.B. rechts) definierten zweiten Abschnitt 50 unterteilt. Eine Hydraulikpumpe 52 stellt über die Anschlüsse 44 und 46 eine unter Druck stehende Hydraulikfluidzufuhr zur Kammer 42 bereit. Die Abschnitte 48 und 50 sind durch eine Dichtung 54 voneinander abgedichtet. Die Dichtung 54 ist derart konfiguriert, das es ermöglicht wird, dass sich der Kolben 36 als Antwort auf den Druck entweder in dem ersten Abschnitt 48 oder in dem zweiten Abschnitt 50 seitwärts bewegt. Folglich verhindert die Dichtung 54, dass das Hydraulikfluid zwischen den Abschnitten 48 und 50 hin- und herläuft.
Das Lenkventil 40 ist derart konfiguriert, dass die unter Druck stehende Hydraulikfluidzufuhr auf der Basis der Drehrichtung der Lenksäule 14 von der Pumpe 52 entweder zum ersten Abschnitt 48 oder zum zweiten Abschnitt 50 geleitet wird. Zum Beispiel umfasst das Lenkventil 40 einen an einem Torsionsstab 55 unbeweglich befestigten Schieber 56. Der Torsionsstab 55 ist in der unteren Welle 33 angeordnet. Folglich dreht eine Drehung der Lenksäule 14 die untere Welle 33 und verwindet den Torsionsstab 55 um einen Betrag, der proportional zum Grad der Drehung der Lerksäule ist. Der Schieber 56 ist in einer Ventilbuchse 58 drehbar. Folglich bewirkt die Verwindung des Torsionsstabs 55 durch die Lenksäule 14 das Drehen des Schiebers 56 in der Ventilbuchse 58.
Der Schieber 56 weist erste in seinem Außendurchmesser definierte axiale Schlitze 60 auf. Die ersten axialen Schlitze 60 stehen in Fluidkommunikation mit dem Rückflussanschluss 46 der Pumpe 52. Die Ventilbuchse 58 weist in ihrem Innendurchmesser definierte zweite axiale Schlitze 62 und dritte axiale Schlitze 64 auf. Die zweiten axialen Schlitze 62 stehen in Fluidkommunikation mit dem Einlassanschluss 44 der Pumpe 52. Mindestens einer der dritten axialen Schlitze 64 steht über einen ersten Fluidflussdurchgang 63 in Fluidkommunikation mit dem ersten Abschnitt 48. Gleichermaßen steht zumindest einer der dritten axialen Schlitze 64 über einen zweiten Fluidflussdurchgang 65 in Fluidkommunikation mit dem zweiten Abschnitt 50.
Die ersten axialen Schlitze 60 am Schieber 56 und die zweiten axialen Schlitze 62 an der Ventilbuchse 58 wirken zusammen, um einen Rückflussweg durch das Lenkventil 40 zu bilden. Der Schieber 56 befindet sich nämlich in seiner Mittelstellung, wenn sich die Lenksäule 14 in der Mittelstellung befindet (z.B. keine Dreheingabe vom Lenkrad). Hier überbrücken die zweiten Schlitze 62 in der Ventilbuchse 58 einen Teil von zwei benachbarten ersten Schlitzen 60 im Schieber 56.
In dieser Stellung wird es ermöglicht, dass das Hydraulikfluid von der Pumpe 52 ungehindert vom Einlassanschluss 44 durch das Ventil 40 zum Rückflussanschluss 46 fließt. Das Lenkventil 40 leitet nämlich in dieser Stellung keinerlei Hydraulikfluid zu den dritten axialen Schlitzen 64. Spezieller leitet das Lenkventil 40 in dieser Stellung keinerlei Hydraulikfluid weder zum ersten Abschnitt 48 noch zum zweiten Abschnitt 50.
Jedoch verwindet eine Drehung der Lenksäule 14 den Torsionsstab 55, um den Schieber 56 in Bezug auf die Ventilbuchse 58 zu drehen. Innerhalb eines kleinen Grads an Drehung des Schiebers 56, gewöhnlich weniger als ein Grad, werden die durch die ersten und zweiten Schlitze (60 und 62) gebildeten Fließwege zwischen den Einlass- und Rückflussanschlüssen (42 und 44) verschlossen. Der einzige verbleibende Fließweg ist zwi schen den ersten Schlitzen 60 des Schiebers 56 und den dritten Schlitzen 64 an der Ventilbuchse 58 definiert. Folglich wird ein Fließweg zwischen dem Einlassanschluss 44 der Pumpe 52 und entweder dem ersten Abschnitt 48 über den ersten Fluidflussdurchgang 63 oder dem zweiten Abschnitt 50 über den zweiten Fluidflussdurchgang 65 geöffnet.
Vorzugsweise hängt der durch die ersten und dritten Schlitze (60 und 64) von der Pumpe 52 übertragene Druck vom Grad der Drehung des Schiebers 56 ab. Folglich leitet das Lenkventil 40 eine unter Druck stehende Hydraulikfluidzufuhr auf der Basis der Richtung und des Betrags der Drehung der Lenksäule 14 von der Pumpe 52 entweder zum ersten Abschnitt 48 oder zum zweiten Abschnitt 50.
Der Druck im ersten Abschnitt 48 wirkt auf den Kolben 36, um eine Bewegung des Kolbens weg vom ersten Abschnitt (z.B. nach rechts) zu unterstützen. Umgekehrt dazu wirkt der Druck im zweiten Abschnitt 50 auf den Kolben 36, um eine Bewegung des Kolbens weg vom zweiten Abschnitt (z.B. nach links) zu unterstützen. Demgemäß wandelt das Lenkgetriebe 12 die Drehung der Lenksäule 14 in eine hydraulisch unterstützte Linearbewegung des Kolbens 36 um.
Der Kolben 36 umfasst auf seiner Außenfläche angeordnete Zähne 66. Die Lenkwelle 18 umfasst sich im Eingriff mit den Zähnen 66 des Kolbens 36 befindende Zähne 68. Folglich wird eine Seitwärtsbewegung des Kolbens 36 über die Zähne (66 und 68) in eine Drehbewegung der Lenkwelle 18 umgewandelt.
Beispielsweise handelt es sich bei der Pumpe 52 um eine Flügelzellenpumpe, umfassend ein Flügelrad 70, ein Druckbegrenzungsventil 72 und ein Fluidflussbegrenzungsventil 74. Natürlich sind andere Pumpen zu erwägen.
Das Lenksystem 10 von 1 und 2 erwies sich beim Steuern der Fahrtrichtung der Straßenräder 11 als wirksam. Dieses System 10 reduziert durch eine hydraulische Unterstützung den zum Ändern der Richtung der Straßenräder 11 erforderlichen Kraftaufwand. Das Lenksystem 10 weist jedoch ein konstantes Lenkverhältnis auf. Der Begriff „Lenkverhältnis" ist das Verhältnis des Änderungsgrads der Richtung der Garnitur Straßenräder 11 zum Änderungsgrad der Richtung des Lenkrads 16. Beispielsweise ist das Lenkrad 16 auf einen Bewegungsbereich von etwa 540 Grad Bewegung nach jeder der beiden Seiten von seiner Mittelstellung aus (z.B. eine Drehung von etwa dem 1,5-fachen in jede Richtung) konfiguriert. Die Garnitur Straßenräder 11 ist jedoch für eine Bewegung von etwa 45 Grad nach jeder der beiden Seiten von ihrer Mittelstellung aus konfiguriert. Folglich ist das konstante Lenkverhältnis des Lenksystems 10 derart konfiguriert, dass etwa zehn (10) Grad Bewegung des Lenkrads 16 in etwa 1,7 Grad Änderung der Straßenräder 11 umgewandelt werden. Dieses Lenkverhältnis von 10 zu 1,7 ist ungeachtet der Fahrzeuggeschwindigkeit konstant.
Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von durch die vorliegende Offenbarung betrachteten aktiven Lenksystemen werden nachstehend in Bezug auf die 3–8 detailliert beschrieben. Hier werden ähnliche Elemente als Vielfache von Einhundert nummeriert. Der Klarheit halber wurden verschiedene Bestandteile des Lenkventils, des Einlassanschlusses, des Rückflussanschlusses, der Fluidfließwege und dergleichen aus den Figuren weggelassen.
In Bezug nun auf 3 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform eines aktiven Vorderrad-Lenksystems 110 veranschaulicht. Das Lenksystem 110 umfasst ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe 112 und ein Lenkungsstellglied 176. Das Lenkungsstellglied 176 ist funktionsfähig zwischen dem Lenkgetriebe 112 und der Lenksäule 114 angeordnet.
Das Lenkungsstellglied 176 ist derart konfiguriert, dass ein variables Lenkverhältnis für das Lenksystem 110 bereitgestellt wird. Das Lenkungsstellglied 176 stellt nämlich ein auf der Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit variierendes Lenkverhältnis bereit. Zudem ist das Lenkungsstellglied 176 des Weiteren derart konfiguriert, dass eine Richtungsänderung der Straßenräder ohne Eingabe von Drehkräften von der Lenksäule 114 eingebracht wird. Das Lenkungsstellglied 176 ist nämlich zum aktiven Steuern des Lenksystems 110 geeignet. Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aktive Steuerung" und „aktive Lenkung" als die Richtungsänderung der Straßenräder ohne Eingabe von Drehkräften von der Lenksäule 114 definiert. Folglich ist das Lenkungsstellglied 176 zum Verbessern der Fahrzeugstabilität konfiguriert.
Das hydraulisch unterstützte Lenkgetriebe 112 umfasst ein Gehäuse 134, einen Kolben 136 und eine Lenkschraube 138 mit einer unteren Welle 133. Das untere Ende der unteren Welle 133 umfasst ein Gewinde 135 das derart konfiguriert ist, dass es in die Innenfläche 137 des Kolbens 136 eingreift. Das Gewinde 135 und die Innenfläche 137 sind derart konfiguriert, dass die Drehung der unteren Welle 133 in eine Linearbewegung des Kolbens 136 umgewandelt wird.
Das Lenkgetriebe 112 stellt ebenfalls eine hydraulische Unterstützung für das lineare Bewegen des Kolbens 136 bereit. Die Lenkschraube 138 umfasst nämlich auch ein Lenkventil 140 und einen Torsionsstab 155. Das Lenkventil 140 ist derart konfiguriert, dass eine unter Druck stehende Hydraulikfluidzufuhr auf der Basis der Verwindungsrichtung des Torsionsstabs 155 von einer Pumpe (nicht dargestellt) entweder zum ersten Abschnitt 148 oder zum zweiten Abschnitt 150 des Lenkgetriebes 112 geleitet wird. Wiederum ist der Torsionsstab derart konfiguriert, dass die Drehung der unteren Welle 133 den Torsionsstab verwindet.
Das Ventil 140 leitet die unter Druck stehende Hydraulikfluidzufuhr entweder zum ersten Abschnitt 148 oder zum zweiten Abschnitt 150 in einer Menge, die proportional zum Grad der Drehung der unteren Welle 133 ist. Der Druck im ersten Abschnitt 148 wirkt auf den Kolben 136, um die Bewegung des Kolbens weg vom ersten Abschnitt (z.B. nach rechts) zu unterstützen. Umgekehrt dazu wirkt der Druck im zweiten Abschnitt 150 auf den Kolben 136, um eine Bewegung des Kolbens weg vom zweiten Abschnitt (z.B. nach links) zu unterstützen.
Demzufolge wandelt das Lenkgetriebe 112 die Drehung der unteren Welle 133 in eine hydraulisch unterstützte Linearbewegung des Kolbens 136 um. Der Kolben 136 umfasst sich mit Zähnen 168 auf der Lenkwelle 118 im Eingriff befindende Zähne 166. Folglich wird eine Seitwärtsbewegung des Kolbens 136 über die Zähne (166 und 168) in eine Drehbewegung der Lenkwelle 118 umgewandelt, welche die Stellung der Straßenräder ändert.
Das Lenkungsstellglied 176 ist funktionsfähig zwischen dem Lenkgetriebe 112 und der Lenksäule 114 angeordnet. Das Stellglied 176 umfasst eine unbeweglich mit der Lenksäule 114 verbundene Zwischenwelle 180. Die Zwischenwelle 180 trägt ein Paar Planetenräder 182 und 184. Die Planetenräder 182 und 184 greifen in ein Antriebsrad 186 am oberen Ende der unteren Welle 133 ein.
Das Lenkungsstellglied 176 umfasst des Weiteren eine erste Stoppvorrichtung 188. Die erste Stoppvorrichtung 188 ist auf einer Rotorwelle 190 angeordnet. Die Welle 190 erstreckt sich von der Stoppvorrichtung 188 durch einen Elektromotor 192. Der Elektromotor ist zum Drehen der Rotorwelle 190 in einer bekannten Weise konfiguriert. Um zu verhindern oder um Widerstand zu leisten, dass sich die Welle 190 dreht, wird elektrischer Strom an die Stoppvorrichtung 188, jedoch nicht an den Motor 192 angelegt. Umgekehrt dazu wird zum Drehen der Welle 190 elektrischer Strom an den Motor 192, jedoch nicht an die Stoppvorrichtung 188 angelegt. Folglich ist die erste Stoppvorrichtung 188 zum Aufbringen einer Stopp- oder Bremskraft auf die Welle 190 konfiguriert.
In einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei der Stoppvorrichtung 188 um eine elektrorheologische (ER) oder eine magnetorheologische (MR) Fluidstoppvorrichtung. Derartige MR-Fluidstoppvorrichtungen sind durch die koanhängige US-Anmeldung Seriennr. 09/825,793, überragen an den Rechtsinhaber der vorliegenden Offenbarung, eingereicht am 4. April 2001 mit dem Titel „Magnetorheological Fluid Stopper at Electric Motor", bereitgestellt, wobei der Inhalt davon hier unter Bezugnahme darauf in seinem vollen Umfang eingebracht ist. In einer derartigen Vorrichtung steigt die Viskosität des Fluids innerhalb der Stoppvorrichtung, wenn ein elektrisches Feld (im Falle von ER-Stoppvorrichtungen) oder ein magnetisches Feld (im Falle von MR-Stoppvorrichtungen) an das Fluid angelegt wird. Die Erhöhung der Viskosität bietet einen Widerstand gegen die Drehung einer Welle, an der die Stoppvorrichtung angeordnet ist.
Die Welle 190 umfasst ein an einem Ende gegenüber der Stoppvorrichtung 188 angeordnetes Schneckenritzel 194. Das Schneckenritzel 194 greift in ein auf dem Außendurchmesser des Antriebsrads 186 angeordnetes Schneckenrad 195 ein. Auf diese Weise dreht die Drehung der Welle 190 durch den Motor 192 das Antriebsrad 186 über das Schneckenritzel und -rad 194 und 195. Umgekehrt dazu wird das Antriebsrad 186 durch die Stoppvorrichtung 188 über die Welle 190, das Schneckenritzel 194 und das Schneckenrad 195 festgehalten.
Das Stellglied 176 umfasst des Weiteren eine zweite auf der Zwischenwelle 180 angeordnete Stoppvorrichtung 196. Wiederum handelt es sich bei der zweiten Stoppvorrichtung 196 um eine ER- oder eine MR-Fluidstoppvorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform. Die Drehung der Lenksäule 114 wird durch Anlegen elektrischen Stroms an die zweite Stoppvorrichtung 196 verhindert oder es wird ihr Widerstand entgegengebracht. Zudem umfasst das Stellglied 176 einen auf der unteren Welle 133 angeordneten Positionssensor 198. Der Positionssensor 198 ist zum Erfassen der Position der unteren Welle 133 konfiguriert.
Es sollte zu erkennen sein, dass die erste und die zweite Stoppvorrichtung 188 und 196 vorstehend nur beispielsweise als MR-Fluidstoppvorrichtungen beschriebenen sind. Natürlich werden andere Vorrichtungen, wie jedoch nicht beschränkt auf mechanische Kupplungen, Bremsen und dergleichen zur Verwendung mit dem aktiven Lenksystem der vorliegenden Offenbarung erwogen.
Das Stellglied 176 wird durch eine Steuereinheit 200 gesteuert. Die Steuereinheit 200 ist derart konfiguriert, dass der Elektromotor 192 und die erste und die zweite Stoppvorrichtung 188 und 196 mit Energie versorgt werden. Die Steuereinheit 200 ist auch derart konfiguriert, dass ein Positionssignal 202 vom Positionssensor 198 empfangen wird. Da die Drehung der unteren Welle 133 in eine Richtungsänderung der Straßenräder ungewandelt wird, ist die Steuereinheit 200 dazu geeignet das Positionssignal 202 in eine Stellung der Straßenräder umzuwandeln.
Die Steuereinheit 200 ist auch derart konfiguriert, dass z.B. ein Gierkraft- oder ein Kurssignal 204, ein Signal der linearen Fahrzeuggeschwindigkeit 206, ein Querbeschleunigungssignal 208, ein Lenkradstellungssignal 210, ein Signal des Modus mit variablem/konstantem Lenkverhältnis 212 und dergleichen empfangen wird.
Auf der Basis eines oder mehrerer der Signale 204, 206, 208, 210 und 212 ist die Steuereinheit 200 dazu geeignet, das Stellglied 176 derart zu steuern, dass das Lenksystem 110 in mehreren verschiedenen Modi betrieben wird. Das Stellglied 176 ist nämlich derart konfiguriert, dass das Lenksystem 110 in einem beliebigen von einem Modus mit konstantem Lenkverhältnis, einem Modus mit variablem Lenkverhältnis oder einem aktiven Lenkmodus betrieben wird. Wie nachstehend detaillierter beschrieben, wird das Lenksystem 110 im Modus mit konstantem Lenkverhältnis oder im Modus mit variablem Lenkverhältnis z.B. auf der Basis des Empfangs des Signals des Modus mit variablem/konstantem Lenkverhältnis 212 durch die Steuereinheit 200 betrieben.
Im Modus mit konstantem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 200 die erste Stoppvorrichtung 188 mit elektrischer Energie, um das Antriebsrad 186 festzuhalten. Jedoch versorgt die Steuereinheit 200 weder den Motor 192 noch die zweite Stoppvorrichtung 196 mit Energie. Folglich bewirkt die Drehung der Lenksäule 114, dass sich die Zwischenwelle 180 dreht. Die Drehung der Zwischenwelle 180 bewirkt, dass die Planetenräder 182 und 184 im stationären Antriebsrad 186 rollen und die untere Welle 133 drehen. Im Modus mit konstantem Lenkverhältnis ändert nur die Drehung der Lenksäule 114 die Richtung der Straßenräder.
Unter Verwendung des vorstehenden Beispiels ist das Lenkrad 114 für eine Bewegung von etwa 270 Grad in jede Richtung und die Garnitur Straßenräder 11 für eine Bewegung von etwa 45 Grad in jede Richtung konfiguriert. Während dem Modus mit konstantem Lenkverhältnis wandelt das Lenksystem 110 etwa zehn (10) Grad Bewegung des Lenkrads 114 in etwa 1,7 Grad Änderung der Straßenräder um.
Im Modus mit variablem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 200 den Elektromotor 192 selektiv mit Energie, um das Antriebsrad 186 zu drehen, während sie die Energie zur ersten Stoppvorrichtung 188 abschaltet. Zudem versorgt die Steuereinheit 200 die zweite Stoppvorrichtung 196 nicht mit Energie. Folglich bewirkt die Drehung der Lenksäule 114, dass sich die Zwischenwelle 180 dreht. Die Drehung der Zwischenwelle 180 bewirkt, dass die Planetenräder 182 und 184 im Antriebsrad 186 rollen. Gleichzeitig wird das Antriebsrad 186 durch den Motor 192 selektiv gedreht. Folglich wird die untere Welle 133 sowohl durch die im Antriebsrad 186 rollenden Planetenräder 182 und 184 als auch durch die Bewegung des Antriebsrads gedreht. In der Summe wird im Modus mit variablem Lenkverhältnis die Richtung der Straßenräder sowohl durch den Elektromotor 192 als auch durch die Lenksäule 114 geändert.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit 200 zum Variieren des Lenkverhältnisses auf der Basis der linearen Geschwindigkeitseingabe 206 konfiguriert. Durch Variieren des Lenkverhältnisses auf der Basis der linearen Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht das Lenksystem 110 die Stabilität des Fahrzeugs.
Zum Beispiel steuert die Steuereinheit 200 das Lenksystem 110, um ein erstes Lenkverhältnis bei langsamen Fahrzeuggeschwindigkeiten, wie sie während Parkmanövern erfahren werden könnten, bereitzustellen. Alter nativ dazu steuert die Steuereinheit 200 das Lenksystem 110, um ein zweites Lenkverhältnis bei hohen Geschwindigkeiten, wie sie während einer Autobahnfahrt erfahren werden könnten, bereitzustellen. Hier ist das erste Lenkverhältnis größer als das zweite Lenkverhältnis. Folglich ist das Lenksystem 110 während langsamen Geschwindigkeiten zur Erleichterung des Einparkens konfiguriert, indem nur kleine Drehungen des Lenkrads 114 erforderlich sind, um große Änderungen in den Straßenrädern zu bewirken. Umgekehrt dazu ist das Lenksystem 110 während hohen Geschwindigkeiten zur Fahrzeugstabilität durch Umwandeln kleiner Drehungen des Lenkrads 114 in kleine nahezu vernachlässigbare Änderungen in den Straßenrädern konfiguriert.
Zum Beispiel könnte bei weniger als 30 Meilen pro Stunde (mph) das variable Lenkverhältnis des Lenksystems 110 derart konfiguriert sein, dass etwa 10 Grad Bewegung des Lenkrads 114 in etwa 2,6 Grad Änderung der Straßenräder umgewandelt werden. Gleichermaßen könnte bei mehr als 30 mph das variable Lenkverhältnis des Lenksystems 110 derart konfiguriert sein, dass dieselben 10 Grad Bewegung des Lenkrads 114 in etwa 1,7 Grad Änderung der Straßenräder umgewandelt werden.
Es sollte zu erkennen sein, dass das Lenksystem 110 nur beispielsweise derart beschrieben ist, dass es ein erstes und zweites Verhältnis aufweist. Des Weiteren sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass das Lenksystem 110 nur beispielsweise derart beschrieben ist, dass es 10 Grad Bewegung der Lenkraddrehung in etwa 2,6 Grad Bewegung der Straßenräder bei weniger als 30 Meilen pro Stunde (mph) und etwa 1,7 Grad bei mehr als 30 mph umwandelt. Natürlich wird erwogen, dass das Lenksystem 110 mehr als zwei Verhältnisse für das linear von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Verhältnis, für das nicht linear von der Fahrzeuggeschwindigkeit ab hängige Verhältnis oder für Kombinationen von beliebigen des Vorstehenden aufweist.
Im aktiven Lenkmodus versorgt die Steuereinheit 200 den Elektromotor 192 mit Energie, um das Antriebsrad 186 zu drehen und versorgt die zweite Stoppvorrichtung 196 mit Energie, um Bewegungen der Lenksäule 114 zu widerstehen. Jedoch versorgt die Steuereinheit 200 die erste Stoppvorrichtung 188 nicht mit Energie.
Die Steuereinheit 200 verwendet den aktiven Lenkmodus zum Erhöhen der Fahrzeugstabilität. Insbesondere vergleicht die Steuereinheit 200 das momentane Gierkraftsignal 204 mit einer vorbestimmten Gierkraftgrenze. Wie hier verwendet, ist die Gierkraft die Kraft der Bewegung des Fahrzeugs um die senkrechte Fahrzeugachse. Gierkräfte über der vorbestimmten Grenze sind ein Hinweis auf einen ungünstigen Fahrzeugzustand (z.B. einen Schleuderzustand). Liegt das Gierkraftsignal 204 über der vorbestimmten Giergeschwindigkeitsgrenze, versorgt die Steuereinheit 200 dann den Motor 192 und die zweite Stoppvorrichtung 196 mit Energie.
Der Elektromotor 192 dreht das Antriebsrad 186. Währenddessen erhöht die zweite Stoppvorrichtung 196 das zum Drehen der Lenksäule 114 erforderliche Drehmoment und folglich das zum Drehen der Zwischenwelle 180 erforderliche Drehmoment. Demgemäß schwächt die zweite Stoppvorrichtung 196 die Bewegung der Lenksäule 114 und der Zwischenwelle 180 ab. Die Drehung des Antriebsrads 186 bewirkt, dass die Planetenräder 182 und 184 die untere Welle 133 drehen.
Wie vorstehend detailliert beschrieben, wird die Drehung der unteren Welle 133 in eine Richtungsänderung der Straßenräder umgewandelt. Da das Lenkgetriebe 112 hydraulisch unterstützt ist, muss der Motor 192 nicht zum Drehen der Straßenräder bemessen sein. Vielmehr ist der Motor 192 zum Aufbringen eines Drehmoments auf die untere Welle 133 bemessen, das ausreichend ist, um den Torsionsstab 155 zu verwinden. Diese Verwindung aktiviert das Lenkventil 140, die Straßenräder nur unter Verwendung der hydraulischen Unterstützung zu bewegen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Motor 192 zum Ändern der Richtung der Straßenräder um etwa ± 3 Grad bemessen, wobei ± 5 Grad stärker bevorzugt sind. Diese Richtungsänderung der Straßenräder findet innerhalb von 0,5 Sekunden oder weniger von dem Zeitpunkt an, an welchem das Giergeschwindigkeitssignal 204 über der vorbestimmten Giergeschwindigkeitsgrenze liegt, statt. Außerdem findet diese Richtungsänderung der Straßenräder ohne Eingabe von Drehkräften von der Lenksäule 114 (z.B. unabhängig vom Fahrer) statt.
Die Richtungsänderung der Straßenräder führt eine Lenkgierkraft auf das Fahrzeug herbei. Die durch die Lenkung herbeigeführte Gierkraft ist derart konfiguriert, dass, wie durch das Gierkraftsignal 204 angezeigt, zumindest ein Teil der momentanen Gierkraft aufgehoben wird. Liegt z.B. eine momentane Gierkraft des Fahrzeugs über der vorbestimmten Grenze in einer ersten Richtung, ändert das Lenksystem 110 dann aktiv die Richtung der Straßenräder, um eine Korrekturgierkraft in eine entgegengesetzte Richtung zur momentanen Gierkraft herbeizuführen. Auf diese Weise ist das Lenksystem 110 zum weiteren Verbessern der Fahrzeugstabilität konfiguriert.
Im aktiven Lenkmodus kann die Stoppvorrichtung 196 zum Verbessern der Fahrzeugstabilität auf mehrere verschiedene Weisen gesteuert werden. Zum Beispiel könnte die Stoppvorrichtung 196 derart gesteuert werden, dass die gesamte Drehung der Lenksäule 114 eliminiert wird. In dieser Situation ändert nur der Motor 192 die Richtung der Straßenräder. Alter nativ dazu kann die Stoppvorrichtung 196 derart gesteuert werden, dass die Drehung der Lenksäule 114 abgeschwächt wird. In dieser Situation bewirkt die Drehung der Lenksäule 114 mit ausreichender Kraft zum Überwinden der Stoppvorrichtung 196, dass sowohl der Motor 192 als auch die Lenksäule die Richtung der Straßenräder ändern. Natürlich werden Kombinationen dieser beiden Steuerszenarien der Stoppvorrichtung 196 erwogen.
In einer anderen Ausführungsform verwendet die Steuereinheit 200 den aktiven Lenkmodus in Kombination mit einem Fahrzeugbremssystem (nicht dargestellt) zur weiteren Erhöhung der Fahrzeugstabilität. Hier führt die Steuereinheit 200 die Lenkgierkraft herbei, während das Fahrzeugbremssystem eine Bremsgierkraft herbeiführt. Das Fahrzeugbremssystem ist geeignet, die Bremsgierkraft durch die selektive Anwendung der Bremsvorrichtungen auf ein oder mehrere der Straßenräder des Fahrzeugs in bekannter Weise herbeizuführen. Die Kombination von Lenk- und Bremsgierkräften bewirkt, dass, wie durch das Gierkraftsignal 204 angezeigt, zumindest ein Teil der momentanen Gierkräfte aufgehoben wird.
Zusätzlich zu den durch den Modus mit variablem Lenkverhältnis und dem aktiven Lenkmodus bereitgestellten Stabilitätsverbesserungen ist das Lenksystem 110 auch zum Verbessern des Gefühls des Fahrers für das Steuersystem konfiguriert. Zum Beispiel führt der Fahrer während des normalen Betriebs des Lenksystems 110 durch Bewegen des Lenkrads in jede der beiden Richtungen kontinuierlich geringfügige Berichtigungen der Richtung der Straßenräder aus. Dies kann beim Betrieb im Modus mit variablem Lenkverhältnis unerwünschte Ansprechverzögerungen und Rückmeldungen erzeugen. Der Motor 192 dreht sich nämlich im Modus mit variablem Lenkverhältnis in eine Richtung entsprechend der Dreh richtung des Lenkrads 116. Folglich bewirkt die Rück- und Vorwärtsbewegung des Lenkrads 116, dass die Steuereinheit 200 die Drehrichtung des Motors 192 ändert.
Sobald der Motor 192 in eine Richtung dreht, wird ein bestimmter Betrag an Trägheit in diese Richtung erzeugt. Eine plötzliche Richtungsumkehr des Motors 192 zum Anpassen auf die normalen Änderungen im Lenkrad 116 bewirkt, dass der Motor 192 zuerst gegen diese Trägheit arbeitet, bevor er das Antriebsrad in die entgegengesetzte Richtung dreht. Folglich kann die Trägheit des Motors 192 eine unerwünschte Ansprechverzögerung verursachen. Zudem ist diese Trägheit durch den Fahrer als eine unerwünschte Rückmeldung im Lenkrad 116 spürbar. Die unerwünschte Rückmeldung kann z.B. die Form einer „Einrastung", eines „Stoßes", einer „Erzitterung" oder eines „Rucks" aufweisen, was durch das Lenkrad 116 spürbar ist.
Die erste Stoppvorrichtung 188 kann durch die Steuereinheit 200 derart gesteuert werden, dass diese Trägheitsprobleme abgeschwächt werden. Die Steuereinheit 200 kann nämlich für eine kurze Zeitdauer zwischen den Richtungsänderungen des Motors 192 die erste Stoppvorrichtung 188 mit Energie versorgen. Folglich kann die erste Stoppvorrichtung 188 durch die Steuereinheit 200 derart gesteuert werden, dass die Trägheitswirkungen des Motors 192 gedämpft werden. Die Stoppvorrichtung 188 kann nämlich derart gesteuert werden, dass die durch den Rückwärts- und Vorwärtswechsel des Motors 192 während normalen Fahrbedingungen verursachten Verzögerungen und unerwünschten Rückmeldungen gesteuert werden.
In der Summe erhöht das Lenksystem 110 die Fahrzeugstabilität mit dem Modus mit variablem Lenkverhältnis und dem aktiven Lenkmodus. Au ßerdem schwächt das Lenksystem 110 auch die unerwünschte durch den Motor 192 verursachte(n) Verzögerung und/oder Rückmeldungen vom System ab.
Wendet man sich nun 4 zu, ist eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Lenksystems 310 dargestellt. Das Lenksystem 310 umfasst ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe 312 und ein Lenkungsstellglied 376. Das Lenkungsstellglied 376 ist funktionsfähig zwischen dem Lenkgetriebe 312 und der Lenksäule 314 angeordnet.
Wiederum wandelt das hydraulisch unterstützte Lenkgetriebe 312 eine Drehung der unteren Welle 333 und Verwindung des Torsionsstabs 355 in eine hydraulisch unterstützte Linearbewegung des Kolbens 336 um. Die Linearbewegung des Kolbens 336 wird über die Zähne (366 und 368) in eine Drehbewegung der Lenkwelle 318 umgewandelt, welche die Stellung der Straßenräder 311 ändert.
In dieser Ausführungsform umfasst das Lenkungsstellglied 376 eine unbeweglich mit der Lenksäule 314 verbundene Zwischenwelle 380. Die Zwischenwelle 380 trägt ein Zwischenzahnrad 379.
Das Lenkungsstellglied 376 umfasst auch eine auf einem Lagerelement 383 drehbar gelagerte parallele Welle 381. Die parallele Welle 381 umfasst ein unbeweglich damit verbundenes Schneckenrad 385. Die parallele Welle 381 umfasst auch ein daran drehbar gelagertes oberes Zahnrad 387 und unteres Zahnrad 389. Folglich wird die parallele Welle 381 durch das Schneckenrad 385, jedoch nicht von dem oberen und unteren Zahnrad (387 und 389) angetrieben.
Das obere Zahnrad 387 befindet sich im Eingriff mit dem Zwischenzahnrad 379. Das untere Zahnrad 389 befindet sich im Eingriff mit einem auf der unteren Welle 333 angeordneten angetriebenen Zahnrad 399. Das Schneckenrad 385 befindet sich im Eingriff mit einem Schneckenritzel 394. Das Schneckenritzel 394 ist an einem Ende einer Rotorwelle 390 angeordnet. Die Rotorwelle 390 befindet sich funktionsfähig im Eingriff mit einem Motor 392. Eine erste Stoppvorrichtung 388 ist an einem anderen Ende der Welle 390 angeordnet.
Ein Paar Planetenradelemente 391 ist zwischen dem oberen Zahnrad 387 und dem unteren Zahnrad 389 angeordnet. Die Planetenradelemente 391 sind in dem Lagerelement 383 drehbar gelagert. Jedes der Planetenradelemente 391 umfasst eine Welle 393 mit einem daran befestigten oberen Planetenrad 395 und unteren Planetenrad 397. Die oberen Planetenräder 395 laufen in der Innenfläche des oberen Zahnrads 387. Gleichermaßen laufen die unteren Planetenräder 397 in der Innenfläche des unteren Zahnrads 389.
Die Drehung der Lenksäule 314 bewirkt, dass das Zwischenzahnrad 379 das obere Zahnrad 387 antreibt. Die parallele Welle 381 wird festgehalten, wenn der Motor 392 ausgeschaltet und die Stoppvorrichtung 388 eingeschaltet ist. Folglich dreht sich das obere Zahnrad 387 auf der parallelen Welle 381 ohne die parallele Welle zu drehen. Wenn sich das obere Zahnrad 387 dreht, bewirken die Planetenradelemente 391, dass sich das untere Zahnrad 389 dreht. Das obere Zahnrad 387 treibt nämlich die oberen Planetenräder 395 an, was bewirkt, dass die Wellen 393 die unteren Planetenräder 397 antreiben. Wiederum treiben die unteren Planetenräder 397 das untere Zahnrad 389 derart an, dass sich das untere Zahnrad dreht. Die Drehung des unteren Zahnrads 389 bewirkt, dass sich das angetriebene Zahnrad 399 dreht, welches wiederum die untere Welle 333 dreht. Folglich dreht nur die Drehung der Lenksäule 314 die untere Welle 333, wenn der Motor 392 ausgeschaltet und die Stoppvorrichtung 388 eingeschaltet ist.
Ist jedoch der Motor 392 eingeschaltet und die Stoppvorrichtung ausgeschaltet, dreht der Motor die parallele Welle 381 über das Schneckenrad 385 und das Ritzel 394. Die Drehung der parallelen Welle 381 dreht nicht direkt das obere und untere Zahnrad 387 und 389. Vielmehr bewirkt die Drehung der parallelen Welle 381, dass sich das Lager 383 dreht. Die Drehung des Lagers 383 dreht die Wellen 393. Die Drehung der Wellen 393 bewirkt, dass die Planetenräder 395 und 397 das obere und untere Zahnrad 387 und 389 antreiben. Die Drehung des unteren Zahnrads 389 bewirkt, dass das untere Zahnrad das angetriebene Zahnrad 399 antreibt, welches wiederum die untere Welle 333 antreibt. Folglich ist der Motor 390 derart konfiguriert, dass die untere Welle 333 angetrieben wird.
Das obere Zahnrad 387 gibt keine Drehung an das Zwischenzahnrad 379 weiter. Zum Beispiel wird unter dem aktiven Lenkmodus die zweite Stoppvorrichtung 396 mit Energie versorgt und bringt der Drehung der Zwischenwelle 381 und der Lenksäule 314 Widerstand entgegen. Anders stellt unter dem Modus mit variablem Lenkverhältnis der Fahrer einen Widerstand auf das Lenkrad 316 bereit, um der Drehung der Lenksäule 314 und folglich der Zwischenwelle 381 Widerstand entgegenzubringen. In jedem Beispiel gibt, da die Zwischenwelle 381 der Drehung Widerstand entgegen bringt, das obere Zahnrad 387 keine Drehung an das Zwischenzahnrad 379 weiter, dreht sich jedoch ungehindert auf der parallelen Welle 381.
Das Stellglied 376 wird durch eine Steuereinheit 400 gesteuert. Die Steuereinheit 400 ist derart konfiguriert, dass der Elektromotor 392 und die erste und zweite Stoppvorrichtung 388 und 396 selektiv mit Energie versorgt werden. Die Steuereinheit 400 ist ebenfalls zum Empfangen eines Positionssignals 402 von Positionssensor 398 konfiguriert. Da die Drehung der unteren Welle 333 in eine Richtungsänderung der Straßenräder 311 umgewandelt wird, ist die Steuereinheit 400 dazu geeignet, das Positionssignal 402 in eine Stellung der Straßenräder 311 umzuwandeln.
Die Steuereinheit 400 ist zum Steuern des Stellglieds 376 konfiguriert, um das Lenksystem 310 in einem Modus mit konstantem Lenkverhältnis, einem Modus mit variablem Lenkverhältnis oder einem aktiven Lenkmodus zu betreiben.
Im Modus mit konstantem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 400 die erste Stoppvorrichtung 388 mit elektrischer Energie, um die parallele Welle 381 festzuhalten. Jedoch versorgt die Steuereinheit 400 weder den Motor 392 noch die zweite Stoppvorrichtung 396 mit Energie. Folglich ändert im Modus mit konstantem Lenkverhältnis nur die Drehung der Lenksäule 314 die Richtung der Straßenräder 311.
Im Modus mit variablem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 400 den Elektromotor 392 zum Drehen der parallelen Welle 381 selektiv mit Energie, während sie die erste Stoppvorrichtung 388 ausschaltet. Zudem versorgt die Steuereinheit 400 die zweite Stoppvorrichtung 396 nicht mit Energie. Folglich wird die Richtung der Straßenräder 311 sowohl durch die Drehung der Lenksäule 314 als auch des Motors 392 geändert.
Hier steuert die Steuereinheit 400 die Stoppvorrichtungen 388 und 396 und den Motor 392 auf der Basis der linearen Geschwindigkeitseingabe 406, um das Lenkverhältnis zu variieren. Durch Variieren des Lenkverhältnisses erhöht das Lenksystem 310 die Fahrzeugstabilität. Zudem ist die Steuereinheit 400 zur Verwendung der ersten Stoppvorrichtung 388 zum Dämpfen der Trägheitskräfte vom Motor 392 konfiguriert. Die Steuereinheit 400 ist nämlich derart konfiguriert, dass die Stoppvorrichtung 388 für eine kurze Zeitdauer zwischen den Richtungsänderungen des Motors 392 zur weiteren Verbesserung des Lenksystems 310 mit Energie versorgt wird.
Im aktiven Lenkmodus versorgt die Steuereinheit 400 den Elektromotor 392 mit Energie, um die parallele Welle 381 zu drehen und versorgt die zweite Stoppvorrichtung 396 mit Energie um der Bewegung der Lenksäule 314 Widerstand entgegenzubringen. Jedoch versorgt die Steuereinheit 400 die erste Stoppvorrichtung 388 nicht mit Energie. Folglich wird die Richtung der Straßenräder 311 durch den Motor 392 ohne Eingabe von der Lenksäule geändert.
Wiederum vergleicht die Steuereinheit 400 im aktiven Modus das momentane Gierkraftsignal 404 mit einer vorbestimmten Gierkraftgrenze. Die Steuereinheit 400 versorgt den Elektromotor 392 und die zweite Stoppvorrichtung 396 mit Energie, falls das Gierkraftsignal 304 über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt. Der Widerstand an der Lenksäule 314 und die Betätigung des Motors 392 bewirken, dass der Motor die Richtung der Straßenräder 311 um etwa ± 3 Grad ändert, wobei etwa ± 5 Grad stärker bevorzugt sind. Diese Richtungsänderung der Straßenräder 311 findet innerhalb von 0,5 Sekunden oder weniger von dem Zeitpunkt an, an welchem das Giergeschwindigkeitssignal 404 über der vorbestimmten Giergeschwindigkeitsgrenze liegt, statt. Außerdem findet diese Richtungsänderung der Straßenräder ohne Fahrereingabe auf die Lenksäule 314 statt. Die Richtungsänderung der Straßenräder 311 führt eine Lenkgierkraft auf das Fahrzeug herbei, um zumindest einen Teil der momentanen Gierkraft aufzuheben.
Auf diese Weise ist das Lenksystem 310 zum Verbessern der Fahrzeugstabilität durch Bereitstellen des Modus mit variablem Lenkverhältnis, des aktiven Lenkmodus und des Dämpfens der Trägheit des Motors 392 konfiguriert.
Wendet man sich nun 5 zu, ist eine andere beispielhafte Ausführungsform des Lenksystems 310 von 4 dargestellt. Hier umfasst das Lenkungsstellglied 376 das Schneckenrad 385 und das Schneckenritzel 394 nicht. Folglich ist in dieser Ausführungsform der Motor 392 direkt mit der parallelen Welle 381 verbunden. Durch Eliminieren der Übertragung (z.B. Schneckenrad und Schneckenritzel) muss der Motor 392 mehr Drehmoment erzeugen als in der Ausführungsform von 4.
In Bezug nun auf 6 ist eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines aktiven Vorderrad-Lenksystems 510 veranschaulicht. Das Lenksystem 510 umfasst ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe 512 und ein Lenkungsstellglied 576. Das Lenkungsstellglied 576 ist funktionsfähig zwischen dem Lenkgetriebe 512 und der Lenksäule 514 angeordnet.
Wiederum wandelt das hydraulisch unterstützte Lenkgetriebe 512 die Drehung der unteren Welle 533 und die Verwindung des Torsionsstabs 555 in eine hydraulisch unterstützte Linearbewegung des Kolbens 536 um. Die Linearbewegung des Kolbens 536 wird in eine Drehbewegung der Lenkwelle 518 umgewandelt, welche die Stellung der Straßenräder ändert.
In dieser Ausführungsform umfasst das Lenkungsstellglied 576 eine unbeweglich mit der Lenksäule 514 verbundene Zwischenwelle 580. Das untere Ende der Zwischenwelle 580 weist ein darin definiertes oberes Zahn rad 587 auf. Gleichermaßen weist das obere Ende der unteren Welle 533 ein darin definiertes unteres Zahnrad 589 auf.
Eine Planetenradwelle 591 ist zwischen dem oberen Zahnrad 587 und dem unteren Zahnrad 589 angeordnet. Die Planetenradwelle 591 ist durch ein Schneckenrad 585 drehbar gelagert. Das Schneckenrad 585 wird festgehalten, wenn der Motor 592 eingeschaltet und die Stoppvorrichtung 588 ausgeschaltet ist. Folglich bewirkt eine Drehung der Lenksäule 514 (um die A-Achse), dass das obere Zahnrad 587 die Planetenradwelle 591 dreht (um die B-Achse). Die Planetenradwelle 591 wiederum dreht das untere Zahnrad 589 (um die A-Achse), wodurch bewirkt wird, dass sich die unter Welle 533 dreht.
Das Schneckenrad 585 ist im Stellglied 576 drehbar gelagert und befindet sich im Eingriff mit einem Schneckenritzel 594. Das Schneckenritzel 594 ist an einem Ende der Rotorwelle 590 des Motors 592 angeordnet. Eine erste Stoppvorrichtung 588 ist an einem anderen Ende der Welle 590 angeordnet. Folglich ist der Motor 592 zum Drehen des Schneckenrads 585 konfiguriert.
Das Schneckenrad 585 wird durch den Motor 592 gedreht (um die A-Achse), wobei er eingeschaltet und die Stoppvorrichtung 588 ausgeschaltet ist. Die Drehung des Schneckenrads 585 bewirkt, dass die Planetenradwelle 591 im unteren und oberen Zahnrad 587 und 589 rollt. Folglich bewirkt das Rollen der Planetenradwelle 591, dass das unter Zahnrad 589 die untere Welle 533 dreht.
Eine zweite Stoppvorrichtung (nicht dargestellt) ist an der Lenksäule 514 angeordnet. Wiederum wird die Lenksäule 514, entweder auf Grund der Aktivierung der zweiten Stoppvorrichtung (z.B. der aktive Lenkmodus) o der auf Grund dessen, dass der Fahrer einen Widerstand auf das Lenkrad 516 aufbringt (Modus mit variablem Lenkverhältnis) nicht durch den Motor 592 gedreht.
Das Stellglied 576 wird durch die Steuereinheit 600 gesteuert. Die Steuereinheit 600 versorgt den Elektromotor 592 und die erste und zweite Stoppvorrichtung selektiv mit Energie. Die Steuereinheit 600 empfängt auch das Positionssignal 602 vom Positionssensor 598. Da die Drehung der unteren Welle 533 in eine Richtungsänderung der Straßenräder umgewandelt wird, ist die Steuereinheit 600 zum Umwandeln des Positionssignals 602 in eine Stellung der Straßenräder geeignet.
Wie vorstehend detailliert beschrieben ist die Steuereinheit 600 zum Steuern des Stellglieds 576 konfiguriert, um das Lenksystem 510 in einem Modus mit konstantem Lenkverhältnis, einem Modus mit variablem Lenkverhältnis oder einem aktiven Lenkmodus zu betreiben.
Im Modus mit konstantem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 600 die erste Stoppvorrichtung 588 mit elektrischer Energie, um das Schneckenrad 585 festzuhalten. Sie Steuereinheit 600 versorgt jedoch weder den Motor 592 noch die zweite Stoppvorrichtung mit Energie. Folglich ändert im Modus mit konstantem Lenkverhältnis nur die Drehung der Lenksäule 514 die Richtung der Straßenräder.
Im Modus mit variablem Lenkverhältnis versorgt die Steuereinheit 600 den Elektromotor 592 selektiv mit Energie, um das Schneckenrad 585 zu drehen, während die Energie zur ersten Stoppvorrichtung abgeschaltet wird. Zudem versorgt die Steuereinheit 600 die zweite Stoppvorrichtung nicht mit Energie. Folglich wird die Richtung der Straßenräder sowohl durch die Lenksäule 514 als auch durch den Motor 592 geändert.
Hier steuert die Steuereinheit 600 die Stoppvorrichtungen und den Motor selektiv auf der Basis der linearen Geschwindigkeitseingabe 606, um das Lenkverhältnis zu variieren. Durch Variieren des Lenkverhältnisses erhöht das Lenksystem 510 die Fahrzeugstabilität. Zudem ist die Steuereinheit 600 zur Verwendung der ersten Stoppvorrichtung 588 zum Dämpfen der Trägheitskräfte vom Motor 592 konfiguriert. Die Steuereinheit 600 ist nämlich derart konfiguriert, dass die Stoppvorrichtung 588 für eine kurze Zeitdauer zwischen den Richtungsänderungen des Motors 592 mit Energie versorgt wird.
Im aktiven Lenkmodus versorgt die Steuereinheit 600 den Elektromotor 592 zum Drehen des Schneckenrads 585 mit Energie, und versorgt die zweite Stoppvorrichtung (nicht dargestellt) mit Energie, um Bewegungen der Lenksäule 514 Widerstand entgegenzubringen. Jedoch versorgt die Steuereinheit 600 die erste Stoppvorrichtung 588 nicht mit Energie. Folglich wird die Richtung der Straßenräder durch den Motor 592 ohne Eingabe von der Lenksäule 514 geändert.
Wiederum vergleicht die Steuereinheit 600 das momentane Gierkraftsignal 604 mit einer vorbestimmten Gierkraftgrenze. Die Steuereinheit 600 versorgt den Elektromotor 592 und die zweite Stoppvorrichtung mit Energie, falls das Gierkraftsignal 604 über der vorbestimmten Giergeschwindigkeitsgrenze liegt. Der Widerstand an der Lenksäule 514 und die Betätigung des Motors 592 bewirken, dass der Motor die Richtung der Straßenräder um etwa ± 3 Grad ändert, wobei ± 5 Grad stärker bevorzugt sind. Diese Richtungsänderung der Straßenräder findet innerhalb von 0,5 Sekunden oder weniger von dem Zeitpunkt an, an welchem das Giergeschwindigkeitssignal 604 über der vorbestimmten Giergeschwindigkeitsgrenze liegt, statt. Außerdem findet diese Richtungsänderung der Straßen räder ohne Fahrereingabe an der Lenksäule 514 statt. Die Richtungsänderung der Straßenräder führt eine Lenkgierkraft auf das Fahrzeug herbei, um zumindest einen Teil der momentanen Gierkraft aufzuheben.
Auf diese Weise ist das Lenksystem 510 zum Verbessern der Fahrzeugstabilität durch Bereitstellen des Modus mit variablem Lenkverhältnis, des aktiven Lenkmodus und des Dämpfens der Trägheit vom Motor 592 konfiguriert.
Wendet man sich nun 7 zu, ist eine andere beispielhafte Ausführungsform des Lenksystems 510 von 6 dargestellt. Hier ist das Stellglied 576 leicht unterschiedlich. In dieser Ausführungsform umfasst die Welle 590 des Motors 592 nämlich ein das Schneckenrad 585 antreibendes radiales Zahnrad 597. Demgemäß kann die Achse des Motors 592 mit der Achse der Lenksäule 514 fluchten.
Wendet man sich nun 8 zu, ist eine andere beispielhafte Ausführungsform des Lenksystems 510 von 6 dargestellt. Hier umfasst das Lenkgetriebe 512 den Lenkhebel 518 nicht. Vielmehr ist der Kolben 536 zum Eingriff in eine Welle 509 konfiguriert und zur Verwendung mit Lastwägen vom Zugmaschine-Anhänger-Typ geeignet. Es sollte erkenntlich sein, dass die Welle 509 nur beispielsweise veranschaulicht ist, indem es Anwendung mit einem Lenkungsstellglied 576 findet. Natürlich wird die Verwendung der Welle 509 mit einem beliebigen der Lenkungsstellglieder der vorliegenden Offenbarung erwogen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Begriffe „erste/s", „zweite/s" und „dritte/s" und dergleichen hier verwendet werden, um gleichartige und/oder analoge Funktionen ausübende Elemente zu modifizieren. Diese Modifikatoren beinhalten, wenn nicht insbesondere angegeben, keine räumliche, sequenzielle oder hierarchische Reihenfolge für die modifizierten Elemente.
Es ist beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, die als der als beste erwogene Modus zum Durchführen dieser Erfindung offenbart ist (sind), jedoch schließt diese Erfindung alle in den Umfang der anhängigen Ansprüche fallende Ausführungsformen ein.

Claims

Aktives Vorderrad-Lenkungsstellglied (176, 376, 576) zur Verwendung zwischen einer Lenksäule (114, 314, 514) und einem Lenkgetriebe (112, 312, 512) eines Fahrzeugs, umfassend: eine Zwischenwelle (180, 380, 580), die mit der Lenksäule derart verbindungsfähig ist, dass eine Drehung der Lenksäule eine erste Drehkraft auf die Zwischenwelle überträgt; einen Elektromotor (192, 392, 592), der zum Erzeugen einer zweiten Drehkraft auf eine Rotorwelle (190, 390, 590) durch das Anlegen von elektrischem Strom konfiguriert ist, wobei der Elektromotor derart konfiguriert ist, dass die zweite Drehkraft umkehrbar ist; ein Mittel zum Übertragen entweder einer oder beider der ersten und der zweiten Drehkräfte auf eine untere Welle (133, 333, 533) des Lenkgetriebes; gekennzeichnet dadurch, dass es des Weiteren Folgendes umfasst: eine erste Stoppvorrichtung (188, 388, 588), die zum Erzeugen einer ersten Widerstandskraft nach Anlegen des elektrischen Stroms konfiguriert ist, wobei die erste Widerstandskraft zum Verhindern dessen ausreichend ist, dass die erste Drehkraft durch das Übertragungsmittel von der Zwischenwelle auf die Rotorwelle übertragen wird; eine auf der Zwischenwelle angeordnete zweite Stoppvorrichtung (196, 396, 596), wobei die zweite Stoppvorrichtung zum Erzeugen einer zweiten Widerstandskraft nach Anlegen des elektrischen Stroms konfiguriert ist, wobei die zweite Widerstandskraft zum Verhindern dessen ausreichend ist, dass die zweite Drehkraft durch das Übertragungsmittel von der Rotorwelle auf die Lenksäule übertragen wird; und eine Steuereinheit (200, 400, 600), die zum Betreiben des Lenkungsstellglieds durch selektives Anlegen des elektrischen Stroms an eine oder mehrere von dem Elektromotor, der ersten Stoppvorrichtung und der zweiten Stoppvorrichtung in einem ersten Modus, einem zweiten Modus oder einem dritten Modus konfiguriert ist.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten Stoppvorrichtung und der zweiten Stoppvorrichtung um elektrorheologische oder magnetorheologische Fluidstoppvorrichtungen handelt.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Drehkraft zum Aktivieren eines Hydraulikunterstützungssystems (140) des Lenkgetriebes ausreichend sind.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten Modus um einen Modus mit konstantem Lenkverhältnis, dem zweiten Modus um einen Modus mit variablem Lenkverhältnis und dem dritte Modus um einen aktiven Lenkmodus handelt.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit zum Empfangen von Steuersignalen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Gierkraftsignal (204, 404, 604), einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal (206, 406, 606) und einem Signal des Modus mit variablem/konstantem Lenkverhältnis (212, 412, 612) konfiguriert ist.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit das Lenkungsstellglied, abhängig vom Signal des Modus mit variablem/konstantem Lenkverhältnis, im ersten Modus oder im zweiten Modus betreibt.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 6, wobei der erste Modus ein Lenkverhältnis des Fahrzeugs konstant hält.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit den elektrischen Strom an die erste Stoppvorrichtung im ersten Modus anlegt, sodass durch das Übertragungsmittel nur die erste Drehkraft nur auf die untere Welle des Lenkgetriebes übertragen wird.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 6, wobei der zweite Modus ein Lenkverhältnis des Fahrzeugs auf der Basis des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals variiert, um das Fahrzeug mit einem variablen Lenkverhältnis zu versehen.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 9, wobei das variable Lenkverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Vielzahl an einzelnen Lenkverhältnissen, linear variierenden Lenkverhältnissen und nichtlinear variierenden Lenkverhältnissen.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit im zweiten Modus den elektrischen Strom an den Elektromotor anlegt, sodass sowohl die erste Drehkraft als auch die zweite Drehkraft durch das Übertragungsmittel auf die untere Welle des Lenkgetriebes übertragen wird.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit den elektrischen Strom an die erste Stoppvorrichtung anlegt, um die erste Widerstandskraft zu erzeugen, um die durch den Elektromotor vor der Umkehrung der zweiten Drehkraft erzeugte Trägheitskräfte zu dämpfen.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit das Lenkungsstellglied im dritten Modus betreibt, falls das Gierkraftsignal über einer vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit den elektrischen Strom an die zweite Stoppvorrichtung und den Elektromotor im dritten Modus anlegt, sodass nur die zweite Drehkraft durch das Übertragungsmittel auf die untere Welle des Lenkgetriebes übertragen wird.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 14, wobei die zweite Drehkraft zum Bewirken dessen ausreichend ist, dass das Lenkgetriebe die Richtung der Fahrzeugstraßenräder um etwa +/– 3 Grad ändert.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 14, wobei die zweite Drehkraft zum Bewirken dessen ausreichend ist, dass das Lenkgetriebe die Richtung der Fahrzeugstraßenräder um etwa +/– 5 Grad ändert.
Lenkungsstellglied nach Anspruch 14, wobei die zweite Drehkraft eine Lenkgierkraft auf das Fahrzeug einbringt, um zumindest einen Teil des Gierkraftsignals aufzuheben.
Verfahren zum Steuern einer Garnitur Straßenräder eines Fahrzeugs, umfassend: Erfassen einer momentanen Gierkraft (204, 404, 604) des Fahrzeugs; Vergleichen der momentanen Gierkraft mit einer vorbestimmten Gierkraftgrenze; Umwandeln nur einer ersten Drehkraft von einer Lenksäule (114, 314, 514) in einen ersten Änderungsgrad der Straßenräder, falls die momentane Gierkraft nicht über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt; und Umwandeln nur einer zweiten Drehkraft von einer anderen Quelle (192, 392, 592) als die Lenksäule in einen zweiten Änderungsgrad der Straßenräder, falls die momentane Gierkraft über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt, wobei der zweite Änderungsgrad zum Einbringen einer lenkungsinduzierten Gierkraft auf das Fahr zeug konfiguriert ist, um zumindest einen Teil der momentanen Gierkraft aufzuheben, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung nur der ersten Drehkraft des Weiteren die Aktivierung einer ersten Stoppvorrichtung (188, 388, 588) umfasst, um die Übertragung der ersten Drehkraft auf die die zweite Drehkraft erzeugende Quelle zu verhindern, und dadurch, dass die Umwandlung nur der zweiten Drehkraft des Weiteren die Aktivierung einer zweiten Stoppvorrichtung (196, 396, 596) umfasst, um die Übertragung der zweiten Drehkraft auf die Lenksäule zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei es sich bei der Quelle um einen zum Bereitstellen der zweiten Drehkraft konfigurierten Elektromotor handelt.
Verfahren nach Anspruch 18, des Weiteren umfassend: Aktivieren einer zum Bereitstellen einer Stoppkraft auf zumindest ein Straßenrad geeigneten Bremsvorrichtung, falls die momentane Gierkraft über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt, wobei die Stoppkraft zum Einbringen einer bremsinduzierten Gierkraft auf das Fahrzeug konfiguriert ist, wobei die bremsinduzierte Gierkraft der lenkungsinduzierten Gierkraft entgegenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 18, des Weiteren umfassend: Erfassen einer linearen Geschwindigkeit (206, 406, 606) des Fahrzeugs; und Umwandeln der ersten Drehkraft und einer dritten Drehkraft in einen dritten Änderungsgrad der Straßenräder, falls die momentane Gierkraft nicht über der vorbestimmten Gierkraftgrenze liegt, wobei die dritte Drehkraft durch den Elektromotor bereitgestellt wird und wobei sie auf der linearen Geschwindigkeit basiert.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei es sich bei dem dritten Änderungsgrad der Straßenräder um ein variables Lenkverhältnis, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus mehreren einzelnen Lenkverhältnissen, linear variierenden Lenkverhältnissen und nicht linear variierenden Lenkverhältnissen handelt.
Verfahren nach Anspruch 21, des Weiteren umfassend: Aktivieren einer zweiten Stoppvorrichtung (196, 396, 596) zum Dämpfen einer durch den Elektromotor erzeugten Trägheitskraft, um die Übertragung der Trägheitskraft auf die Lenksäule zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein hydraulisch unterstütztes Lenkgetriebe zum Umwandeln der ersten Drehkraft in den ersten Änderungsgrad, der zweiten Drehkraft in den zweiten Änderungsgrad und sowohl der ersten als auch der dritten Drehkraft in den dritten Änderungsgrad konfiguriert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der zweite Änderungsgrad zwischen etwa +/– 3 Grad und etwa +/– 5 Grad liegt.