EP4695133A1 - Lenkbetätigungsvorrichtung - Google Patents
LenkbetätigungsvorrichtungInfo
- Publication number
- EP4695133A1 EP4695133A1 EP24715084.0A EP24715084A EP4695133A1 EP 4695133 A1 EP4695133 A1 EP 4695133A1 EP 24715084 A EP24715084 A EP 24715084A EP 4695133 A1 EP4695133 A1 EP 4695133A1
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- EP
- European Patent Office
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- steering
- unit
- drive unit
- conversion unit
- driver
- Prior art date
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- Pending
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
- B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
- B62D5/065—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle characterised by specially adapted means for varying pressurised fluid supply based on need, e.g. on-demand, variable assist
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D3/00—Steering gears
- B62D3/14—Steering gears hydraulic
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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- B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
- B62D5/09—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle characterised by means for actuating valves
- B62D5/091—Hydraulic steer-by-wire systems, e.g. the valve being actuated by an electric motor
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- B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
- B62D5/10—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle characterised by type of power unit
- B62D5/12—Piston and cylinder
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- B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
- B62D5/20—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle specially adapted for particular type of steering gear or particular application
- B62D5/24—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle specially adapted for particular type of steering gear or particular application for worm type
Definitions
- the present invention relates to a steering actuating device, a steering system and a vehicle.
- the progressive electrification of the drive systems of road vehicles and especially of commercial vehicles means that the electrification of vehicle subsystems, such as a steering system with steered wheels, is also progressing, as greater electrical power is now available than in conventionally powered vehicles, which is also suitable for operating such subsystems.
- vehicle subsystems such as a steering system with steered wheels
- Other drivers for the electrification of subsystems are increasing legal requirements for CO2 savings and the implementation of driver assistance functions.
- electromechanical steering systems there is therefore a trend towards electromechanical steering systems.
- electromechanical steering systems have to be relatively large in order to apply the necessary output torque or force to a steering mechanism in order to operate the steering, which ultimately leads to a steering angle of the vehicle's steered wheels.
- a steering actuating device for a vehicle comprising:
- the hydraulic drive unit is fluidically connected to the conversion unit so that the hydraulic drive unit can hydraulically apply pressure to the conversion unit
- the conversion unit has a piston and a transmission unit, wherein the piston, when subjected to the hydraulic pressure, introduces a piston force into the transmission unit, and the transmission unit imparts the output torque or the output force to the output element in response to the introduced piston force.
- the piston of the conversion unit is preferably designed to be pressurized from both sides by the hydraulic drive unit. In this way, bidirectional pressure on the piston is possible and it is possible to apply the output torque or output force to the output element in a first direction or in the opposite direction in a second direction, depending on the pressure applied. This means that the output torque or output force can be output with different signs.
- the piston is preferably guided in a pressure chamber, whereby the pressure on the piston can be applied by conveying working medium to this pressure chamber. If the piston can be acted upon from both sides, a pressure chamber is advantageously provided on both sides of the piston in which the piston is guided. In this case, the movement of the piston changes the volume of both pressure chambers. Moves If the piston moves in such a way that the first of the two pressure chambers increases, the second pressure chamber is simultaneously reduced.
- the working medium can be pumped by the hydraulic drive unit.
- embodiments are also conceivable that have pistons that can be pressurized from one side, whereby the corresponding piston force can be introduced into the transmission unit.
- two pistons can be provided, with only one of the two pistons being selectively pressurized in order to generate the required output torque or the required output force.
- the selective pressurization of individual pressure chambers of the steering actuation device and in particular of the conversion unit can be controlled by a valve that directs the working medium to the intended pressure chambers depending on the valve position.
- the valve can be part of the drive unit or the conversion unit or can be arranged in a fluidic connection between the drive unit and the conversion unit.
- the transmission unit is preferably arranged between the piston and the output element. It serves in particular to absorb the piston force and to generate the output torque or the output force from it, which is then impressed on the output element. It can preferably be provided that a part of the transmission unit is formed in one piece with the piston or is connected to the piston to form a unit.
- the output element can be designed as a translationally displaceable element. Alternatively, it can be designed as a rotatable shaft or have a rotatable shaft.
- the output element is preferably designed as a Pitman arm or has a Pitman arm. This can be connected to the shaft of the output element.
- the transmission unit can in particular have a gear with which the piston force is converted into a moment that is then impressed on the output element.
- the transmission unit, in particular the gear can have a mechanism that is designed to convert a translational movement into a rotational movement.
- such a mechanism can have a combination of pinion and rack, a movement thread and/or a ball screw drive, wherein the translationally moved side of the respective mechanism is preferably in contact with the piston directly or via intermediate elements and the rotationally moved side is preferably in contact with the output element directly or via intermediate elements.
- part of the transmission unit's gear is formed integrally with the piston or is connected to the piston to form a unit.
- the translationally movable part of the mechanism can be connected to the piston or formed integrally with it.
- the rack is connected to the piston or formed as part of the piston by corresponding teeth being formed on the piston, which engage with the corresponding pinion.
- the steering actuation device preferably has a module that is formed by the drive unit. Particularly preferably, all elements of the drive unit are provided on a common carrier element and/or in a common housing of the drive unit.
- the common carrier element can be a base plate to which all elements of the drive unit are connected. Alternatively, however, it can also be provided that one of the elements of the drive unit functions as a common carrier element on which at least one further element is mounted or provided. In addition, it can be provided that at least one of the elements of the drive unit is mounted or provided on a further element of the drive unit and this in turn is provided on the common carrier element.
- Such a drive unit can advantageously be designed as a separate component and independently of the steering actuation device disclosed here and below as well as the steering and the vehicle described below.
- the drive unit By designing the drive unit as a module, a separate component is available, which in particular facilitates assembly and disassembly of the steering actuation device or the drive unit within the steering actuation device. Maintenance is also advantageous, because a drive unit requiring maintenance can be removed and maintained as a complete component, while a second drive unit can be inserted so that the steering actuation device can continue to be operated.
- the drive unit preferably has a pump as an element for pressurizing the conversion unit.
- the pump is preferably designed as a bidirectional pump. In particular, it can have an internal gear pump or a sickle pump or be designed as such. With a bidirectional pump, depending on the pump's conveying direction, it is possible to convey working medium to different pressure chambers in order to pressurize the piston of the conversion unit from different sides.
- a valve can be provided which is designed to supply working medium to one or the other pressure chamber depending on the valve position.
- Such a valve can also be provided if at least two pistons are provided and the conveying of working medium is to take place selectively in the respective pressure chambers of the pistons.
- Such a pump is preferably in contact with a reservoir for the working medium.
- the reservoir can be part of the steering actuation device.
- the pump of the drive unit is provided so that it can be driven by an electric machine, whereby the electric machine is provided as an element of the drive unit.
- an electric machine advantageously allows the steering actuation device to be operated when required.
- an on- Demand operation of the pump is possible in that it is only activated when pressure is required on the conversion unit or piston. In this way, it is possible to achieve significantly more energy-efficient operation compared to conventionally powered vehicles.
- the drive unit preferably has a control device as an element, which is designed to control the drive unit, in particular the electric machine and/or the pump, to generate pressure. If the drive unit is designed as a module, the control device can also be connected to the carrier element or be provided in the housing of the drive unit.
- control device can also be provided separately as part of the steering actuation device. This allows the control device to be positioned more freely. It also makes it possible to build the drive unit smaller.
- control device can be designed as an electrical or electronic control device, which in particular outputs a control signal for controlling the drive unit or the pump of the drive unit.
- the control signal can correspond to the input signal mentioned below.
- the drive unit is directly connected to the conversion unit.
- the drive unit and the conversion unit together form a component.
- This can be achieved in particular by both being provided in a common housing, or by the drive unit and the conversion unit being connected to one another.
- This connection can be achieved, for example, by connecting elements such as screws.
- both the drive unit and the conversion unit have separate housings, with both housings being connected to one another in order to form the separate component.
- Both the drive unit and the conversion unit have connections that are in contact with one another and via which the working medium can be conveyed for hydraulically pressurizing the conversion unit or the piston.
- the drive unit and the implementation unit is a common component or module that can be assembled or disassembled as a whole.
- the assembly and disassembly of the steering actuation device is made easier. Maintenance is also advantageous because a combination of drive unit and conversion unit that requires maintenance can be removed and maintained as a complete component, while a second combination can be inserted so that the steering actuation device can continue to be operated.
- the drive unit is provided separately from the conversion unit, with a line connection between the drive unit and the conversion unit being provided to apply hydraulic pressure to the conversion unit.
- a relatively free positioning of the drive unit is possible. It does not necessarily have to be connected to the conversion unit or be placed near it.
- the conversion unit is less freely positionable due to the mechanical connection to the output element or via the output element to the steering mechanism.
- the separate design of the drive unit and conversion unit therefore enables better use of the installation space by the steering actuation device, as the drive unit does not have to be arranged in a place predetermined by the conversion unit, compared to embodiments in which the drive unit and conversion unit are connected to one another.
- the line connection between the drive unit and conversion unit can be routed relatively freely.
- the drive unit and in particular the electric machine and/or the pump of the drive unit is designed to apply hydraulic pressure to the conversion unit in response to an input signal.
- an input signal can be provided, for example, by the control device of the drive unit for the pump or for the electric machine.
- the input signal itself can be generated from a steering command that is transmitted to the drive unit or the steering actuation device.
- the steering actuating device preferably has a detection unit which is designed to detect a steering command. The detection unit can detect the steering command which is transmitted to the steering actuating device in particular from outside.
- the steering command itself can come from different sources, as explained below.
- the steering actuation device has a driver interface to receive the steering command of a driver (driver steering command), wherein the detection unit is designed to translate the driver steering command into the steering command and/or to detect it as an input signal.
- the driver interface preferably has a steering wheel via which a driver can create the corresponding driver steering command by turning the steering wheel or applying a corresponding torque to the steering wheel.
- the detection unit preferably has a torque sensor and/or a rotation angle sensor to detect the steering command. This is particularly advantageous when the driver gives a steering command (driver steering command) using the steering wheel.
- the driver steering command can then be detected by detecting the torque applied by the driver on the steering wheel or the angle of rotation set there.
- the torque applied directly by the driver or the angle of rotation set is not detected.
- a transmission can be provided so that the torque or angle of rotation is detected after the transmission.
- the detection unit has a data interface to detect the steering command.
- a data interface can be connected in particular to a control system of the vehicle that is designed to control and steer the vehicle partially or fully automatically. These can primarily be control systems that are referred to in specialist circles as ADAS or HAD systems. Such systems can transmit steering commands directly to the steering actuating device via the data interface of the detection unit. Such a steering command can be assigned to a torque or a rotation angle on a steering wheel. or be completely different from it.
- the use of the steering control device is also conceivable in fully autonomous vehicles that do not have a steering wheel or a comparable driver interface. Therefore, a steering command that does not correspond to a torque or an angle of rotation on a steering wheel can also be recorded via the data interface.
- the detected steering command or driver steering command can generally be used as an input signal, in particular for activating the electric machine and/or the pump, or it can be provided that a corresponding input signal is generated therefrom by the detection unit or by the control device in order to activate the electric machine and/or the pump.
- the steering actuating device preferably has a mechanical connection from the driver interface to the conversion unit, in particular to the transmission unit, via which the steering command of a driver can be mechanically impressed on the conversion unit.
- This can be achieved, for example, by a direct mechanical drive that leads from the driver interface, for example from the steering wheel, to the steering actuating device.
- This can be a direct shaft connection or a shaft connection with an intermediate gear.
- the connection has deflections, in particular in the form of U-joints and/or bevel boxes.
- a driver can introduce a torque directly into the steering actuating device or into the conversion unit by mechanical means.
- the conversion unit is preferably designed to impress an output torque or an output force onto the output element in response to the introduced torque.
- the transmission unit provided in the conversion unit is preferably designed to combine or superimpose the hydraulically introduced piston force and the torque introduced by the driver. This can be done, for example, by means of a superposition gear.
- the piston is connected to the shaft of the mechanical connection via a motion thread, a ball screw, a combination of pinion and rack and/or similar.
- the mechanical connection from the driver interface to the conversion unit advantageously enables the realization of a mechanical fallback level, so that even if pressure application by the drive unit is no longer possible, for example because the pump, the electric machine, the control device or the drive unit as a whole is defective, a steering command can still be mechanically introduced into the conversion unit.
- the drive unit can also be used to support a torque that the driver generates via the driver interface and applies to the conversion unit via the mechanical connection.
- the driver is supported by pressurizing the piston.
- the steering command of a driver is or includes a driver steering torque
- the mechanical connection has a freewheel that allows a mechanical transmission of the driver steering torque to the conversion unit when the output force or the output torque of the output element is not sufficient to correspond to the driver steering command.
- the driver interface is implemented without a mechanical connection to the conversion unit.
- the driver interface is preferably used as a data source via which, for example, a steering command such as a steering angle or a steering torque can be transmitted to the detection unit.
- the steering actuation device is less complex because a mechanical superposition of a torque that the driver applies to the steering wheel with the piston force is no longer necessary.
- a steering system for a vehicle in particular for a commercial vehicle, is provided, which has the following:
- the steerable wheels of the vehicle can be steered by operating the steering actuator.
- the output torque or output force can be applied to the steering mechanism via the output element of the steering actuator.
- a vehicle in particular a commercial vehicle, is provided with a steering system as described above.
- the vehicle itself is preferably designed as a conventional vehicle, i.e. a vehicle powered by an internal combustion engine, electric or hybrid.
- a control system of the vehicle which controls the partially or fully automated operation of the vehicle, is preferably connected to the detection unit in order to send corresponding steering commands to the steering actuation device.
- Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
- Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
- Fig. 3 shows a third embodiment of the invention and Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention.
- Fig. 1 shows a first embodiment of the invention.
- a steering actuating device 1 which has a hydraulic drive unit 2 and a conversion unit 3.
- the steering actuating device 1 has an output element 4, which is provided here as a rotatable element and can be designed in particular as a Pitman arm in order to support an output torque on a steering mechanism (not shown).
- the output element 4 is provided so as to be rotatable in the plane of the drawing about an axis oriented perpendicular to the plane of the drawing.
- the hydraulic drive unit 2 here has a housing 2.1 that contains the elements of the hydraulic drive unit 2.
- the drive unit 2 has the following elements, although this list is not intended to be exhaustive: a pump 2.2, an electric machine 2.3 and a control device 2.4.
- the electric machine 2.3 is designed to drive the pump 2.2 in response to an input signal provided by the control device 2.4 so that it can deliver a hydraulic working medium to the conversion unit 3.
- the drive unit 2 itself is designed as a module through its housing 2.1. It is thus designed as a separate component. This makes the assembly and disassembly as well as the maintenance of the drive unit 2 easier.
- the control device 2.4 itself can be designed as an electrical or electronic control device.
- the conversion unit 3 has a piston 3.1, which in the drawing is designed to be displaceable from top to bottom and vice versa.
- the piston 3.1 is provided within a cylinder, which guides the piston 3.1 during its displacement.
- the piston 3.1 separates a first pressure chamber 3.3 from a second pressure chamber 3.4 within the cylinder.
- the piston 3.1 is further connected to a transmission unit 3.2.
- the transmission unit 3.2 is designed to convert a piston force, which is generated by pressurizing the piston 3.1 in one of the pressure chambers 3.3, 3.4, into an output torque that is impressed on the output element 4.
- the transmission unit 3.2 has a combination of pinion and rack, wherein the rack is connected to the piston 3.1 and engages with the pinion, which is connected to the output element 4. A piston force is thereby transmitted via the rack to the transmission unit 3.2 and then transmitted to the pinion so that an output torque can be impressed on the output element 4.
- the conversion unit 3 also has a housing 3.5 in which the piston 3.1, the pressure chambers 3.3 and 3.4 and the transmission unit 3.2 are provided.
- the conversion unit 3 itself is designed as a module through its housing 3.5. It is thus designed as a separate component. This makes the assembly and disassembly as well as the maintenance of the conversion unit 3 easier.
- the hydraulic drive unit 2 and the conversion unit 3 are connected to one another in that their housings 2.1, 3.5 are in direct contact with one another.
- the drive unit 2 and the conversion unit 3 thus form a module or a single component.
- the respective connections for transmitting hydraulic working medium from the pump 2.2 to the pressure chamber 3.3 or to the pressure chamber 3.4 are directly fluidically connected to one another through the contact of the two housings 2.1, 3.5.
- the pump 2.2 can thus directly convey working medium to the pressure chambers 3.3 and 3.4.
- the conveying paths of the hydraulic working medium are shown by the two arrows that lead from the pump 2.2 to the pressure chambers 3.3 and 3.4.
- Steering actuation device 1 has a detection unit 5. This is designed to to record a steering command.
- the steering command can come from a driver interface 6, which is shown here as a steering wheel.
- the recording unit 5 can have a torque sensor and/or a rotation angle sensor.
- the steering command can then be recorded by recording the torque applied by the driver on the steering wheel or the rotation angle set there.
- a transmission can be provided so that the torque or rotation angle is recorded after the transmission.
- the detection unit 5 has a data interface to detect the steering command.
- a data interface can in particular be connected to a control system of the vehicle that is designed to control the vehicle partially or fully automatically.
- Such systems can transmit steering commands directly to the steering actuating device via the data interface of the detection unit.
- Such a steering command can correspond to a torque or an angle of rotation on a steering wheel or can be completely different from this.
- the use of the steering actuating device is also conceivable in fully autonomous vehicles that do not have a steering wheel or a comparable driver interface 6. Therefore, a steering command that does not correspond to a torque or an angle of rotation on a steering wheel can also be detected via the data interface.
- the detection unit 5 is designed to forward the detected steering command to the drive unit 2, wherein the control device 2.4 is designed to translate the steering command into a corresponding input signal for the electric machine 2.3.
- the steering control device 1 functions as follows:
- the pump 2.2 therefore does not deliver any working medium to the conversion unit 3 or to one of the pressure chambers 3.3, 3.4 there, which means that the piston 3.1 is not pressurized from the upper or lower side in the drawing. No output torque is therefore impressed on the output element 4 via the transmission unit 3.2.
- the control device 2.4 If the steering command, which is recorded by the detection unit 5 from the driver interface 6, indicates that the wheels of the vehicle should be steered, the control device 2.4 generates a corresponding input signal from the steering command forwarded by the detection unit 5 to the drive unit 2, which activates the electric machine 2.3, which then drives the pump 2.2.
- the pump 2.2 Depending on the steering command, the pump 2.2 now pumps working medium into the upper pressure chamber 3.3 or the lower pressure chamber 3.4 in order to apply pressure to the piston 3.1 accordingly. This causes a corresponding piston force to act on the piston 3.1, which is then supported in the transmission unit 3.2.
- the transmission unit 3.2 converts the piston force through the combination of pinion and rack into a corresponding output torque, which is impressed on the output element 4 and which can then be supported in a steering mechanism of the vehicle (not shown), which ultimately causes the wheels of the vehicle to be steered.
- Fig. 2 shows a second embodiment of the invention.
- the drive unit 2 and the conversion unit 3 are not connected to one another. Both housings 2.1 and 3.5 are provided separately from one another, with a line connection 7 being provided between the two housings 2.1 and 3.5, so that the pump 2.2 can convey working medium to the pressure chamber 3.3 or to the pressure chamber 3.4 via the line connection 7.
- the functionality of this embodiment essentially corresponds to that of Fig. 1. Advantages here arise primarily from the more flexible arrangement of the drive unit 2 and the conversion unit 3, since the line connection 7 can run relatively freely in the vehicle. The drive unit 2 and the conversion unit 3 can therefore be placed in advantageous locations in the vehicle.
- Fig. 3 shows a third embodiment of the invention.
- the steering actuation device 1 has a mechanical connection 8 to the driver interface 6.
- a torque can thus be impressed on the connection 8 via the driver interface 6, which can be introduced into the conversion unit 3.
- the mechanical connection 8 is designed here as a shaft that is connected to the piston 3.1.
- a gear (not shown) is provided between the piston 3.1 and the shaft, which is designed to convert the torque impressed on the shaft by the driver interface 6 into a force that acts on the piston 3.1. This force also acts like a piston force that is generated by applying pressure to the piston 3.1, in the drawing parallel to a vertical line that runs from top to bottom.
- the gear can have a ball screw, a motion thread or similar.
- the mechanical connection 8 from the driver interface 6 to the conversion unit 3 thus enables the realization of a mechanical fallback level, so that even if pressure on the piston 3.1 by the drive unit 2 is no longer possible, for example because the pump 2.2 or the drive unit 2 as a whole is defective, a force can still be applied mechanically to the piston 3.1.
- Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention.
- This embodiment essentially corresponds to a further development of the embodiment from Fig. 2, because here the drive unit 2 and the conversion unit 3 are designed separately from one another and are fluidically connected to one another via a line connection 7.
- the mechanical connection 8 from Fig. 3 is also provided here, which connects the driver interface 6 to the conversion unit 3. Since the mechanical connection 8 corresponds in design and function to that from Fig. 3, reference is made to the corresponding description for Fig. 3.
- a driver interface 6 in the form of a steering wheel is always shown. However, this will no longer have to be present in future vehicles if they are operated autonomously.
- the detection unit 5 then receives a steering command exclusively from other control systems.
- the piston 3.1 is designed as one piece with the rack of the transmission unit 3.2.
- the teeth of the rack can be designed on the surface of the piston 3.1.
- the invention results in an electrohydraulic steering actuation device 1 being provided which, on the one hand, has the advantages of energy-efficient operation, in that the pressure is applied to the conversion unit 3 or the piston 3.1 only when it is necessary, ie the pump 2.2 of the drive unit 2 must only be operated when pressure is required.
- the use of hydraulic components allows a relatively high transmission of forces and moments while at the same time providing a space-saving design and flexible arrangement options for the components of the steering actuation device 1 compared to an electromechanical solution.
Landscapes
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Abstract
Es wird eine Lenkbetätigungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug offenbart, wobei die Lenkbetätigungsvorrichtung (1) Folgendes aufweist: - eine hydraulische Antriebseinheit (2), - eine Umsetzungseinheit (3), - ein Ausgangselement (4), das dazu ausgebildet ist, ein Ausgangsmoment oder eine Ausgangskraft auf eine Lenkmechanik aufzuprägen, wobei die hydraulische Antriebseinheit (2) fluidisch mit der Umsetzungseinheit (3) verbunden ist, so dass die hydraulische Antriebseinheit (2) die Umsetzungseinheit (3) hydraulisch mit Druck beaufschlagen kann, und wobei die Umsetzungseinheit (3) einen Kolben (3.1) und eine Übertragungseinheit (3.2) aufweist, wobei der Kolben (3.1), wenn er mit dem hydraulischen Druck beaufschlagt wird, eine Kolbenkraft in die Übertragungseinheit (3.2) einleitet, und die Übertragungseinheit (3.2) in Reaktion auf die eingeleitete Kolbenkraft das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft auf das Ausgangselement (4) aufprägt. Ferner werden eine Lenkung und ein Fahrzeug offenbart.
Description
BESCHREIBUNG
Lenkbetätigungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkbetätigungsvorrichtung, eine Lenkung sowie ein Fahrzeug.
Die fortschreitende Antriebselektrifizierung von Straßenfahrzeugen und insbesondere von Nutzfahrzeugen führt dazu, dass auch die Elektrifizierung von Subsystemen des Fahrzeugs, wie einem Lenksystem mit gelenkten Rädern, fortschreitet, da nun größere elektrische Leistungen als in konventionell angetriebenen Fahrzeugen zur Verfügung stehen, die auch für den Betrieb solcher Subsysteme geeignet sind. Weitere Treiber für die Elektrifizierung der Subsysteme sind steigende gesetzliche Anforderungen zur CO2- Einsparung und die Realisierung von Fahrassistenzfunktionen. Gerade bei Lenksystemen stellt sich daher eine Entwicklung hin zu elektromechanischen Lenksystemen ein. Allerdings müssen solche elektromechanischen Lenksysteme relativ groß bauen, um das nötige Ausgangsmoment oder die nötige Ausgangskraft auf eine Lenkmechanik aufzuprägen, um die Lenkung zu betätigen, was letztlich zu einem Lenkeinschlag der gelenkten Räder des Fahrzeugs führt. Da für die Übertragung des nötigen Ausgangsmoments oder der nötigen Ausgangskraft auf die Lenkmechanik auch mechanische Verbindungen vorgesehen sein müssen, entstehen dadurch Schwierigkeiten, die elektromechanischen Lenksysteme im Bauraum des Fahrzeugs unterzubringen. Neben den elektromechanischen Lenksystemen sind auch hydraulische Lenksysteme bekannt, die bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Pumpe, die mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, permanent betrieben, um den benötigten hydraulischen Druck zu erzeugen, was einen energieeffizienten Betrieb der Lenkung entgegensteht, denn die Pumpe wird auch dann betrieben, wenn kein Ausgangsmoment oder keine Ausgangskraft auf die Lenkmechanik aufgeprägt werden muss.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkbetätigungsvorrichtung, eine Lenkung und ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, zumindest eines der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Lenkbetätigungsvorrichtung für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei die Lenkbetätigungsvorrichtung Folgendes aufweist:
- eine hydraulische Antriebseinheit,
- eine Umsetzungseinheit,
- ein Ausgangselement, das dazu ausgebildet ist, ein Ausgangsmoment oder eine Ausgangskraft auf eine Lenkmechanik aufzuprägen, wobei die hydraulische Antriebseinheit fluidisch mit der Umsetzungseinheit verbunden ist, so dass die hydraulische Antriebseinheit die Umsetzungseinheit hydraulisch mit Druck beaufschlagen kann, und wobei die Umsetzungseinheit einen Kolben und eine Übertragungseinheit aufweist, wobei der Kolben, wenn er mit dem hydraulischen Druck beaufschlagt wird, eine Kolbenkraft in die Übertragungseinheit einleitet, und die Übertragungseinheit in Reaktion auf die eingeleitete Kolbenkraft das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft auf das Ausgangselement aufprägt.
Der Kolben der Umsetzungseinheit ist vorzugsweise von beiden Seiten mit Druck von der hydraulischen Antriebseinheit beaufschlagbar vorgesehen. Auf diese Weise ist eine bidirektionale Beaufschlagung des Kolbens möglich und es ist möglich, das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft je nach Druckbeaufschlagung in eine erste Richtung bzw. entgegengesetzt in eine zweite Richtung auf das Ausgangselement aufzuprägen. Somit können Ausgangsmoment oder Ausgangskraft mit unterschiedlichem Vorzeichen ausgegeben werden.
Der Kolben ist vorzugsweise in einem Druckraum geführt, wobei die Druckbeaufschlagung des Kolbens durch Förderung von Arbeitsmedium an diesen Druckraum erfolgen kann. Handelt es sich um einen von beiden Seiten beaufschlagbaren Kolben, so ist vorteilhafterweise auf beiden Seiten des Kolbens ein Druckraum vorgesehen, in dem der Kolben geführt ist. Durch die Bewegung des Kolbens werden in diesem Fall also die Volumen beider Druckräume verändert. Bewegt
sich der Kolben so, dass sich der erste der beiden Druckräume vergrößert, so wird gleichzeitig der zweite Druckraum verkleinert.
Das Arbeitsmedium kann von der hydraulischen Antriebseinheit gefördert werden.
Alternativ sind auch Ausführungsformen denkbar, die Kolben aufweisen, die von einer Seite aus mit Druck beaufschlagbar vorgesehen sind, wodurch die entsprechende Kolbenkraft in die Übertragungseinheit eingeleitet werden kann. In diesem Fall können zwei Kolben vorgesehen sein, wobei selektiv nur einer der beiden Kolben mit Druckbeaufschlagt wird, um das benötigte Ausgangsmoment oder die benötigte Ausgangskraft zu erzeugen.
Die selektive Druckbeaufschlagung einzelner Druckräume der Lenkbetätigungsvorrichtung und insbesondere der Umsetzungseinheit kann durch ein Ventil gesteuert werden, das Arbeitsmedium je nach Ventilstellung zu den vorgesehenen Druckräumen leitet. Das Ventil kann Teil der Antriebseinheit oder der Umsetzungseinheit sein oder in einer fluidischen Verbindung zwischen Antriebseinheit und Umsetzungseinheit angeordnet sein.
Die Übertragungseinheit ist vorzugsweise zwischen Kolben und Ausgangselement angeordnet. Sie dient insbesondere dazu, die Kolbenkraft aufzunehmen und daraus das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft zu erzeugen, die dann dem Ausgangselement aufgeprägt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein Teil der Übertragungseinheit einstückig mit dem Kolben ausgebildet ist oder mit dem Kolben zu einer Einheit verbunden ist.
Das Ausgangselement kann als translatorisch verschiebbares Element ausgebildet sein. Es kann aber auch alternativ als drehbare Welle ausgebildet sein oder eine drehbare Welle aufweisen. Bevorzugt ist das Ausgangselement als Pitman-Arm ausgebildet oder es weist einen Pitman-Arm auf. Dieser kann mit der Welle des Ausgangselements verbunden sein.
Die Übertragungseinheit kann insbesondere ein Getriebe aufweisen, mit dem die Kolbenkraft in ein Moment umgewandelt wird, das dann dem Ausgangselement aufgeprägt wird. Hierzu kann die Übertragungseinheit, insbesondere das Getriebe, einen Mechanismus aufweisen, der zur Umwandlung einer translatorischen in eine rotatorische Bewegung ausgebildet ist. Insbesondere kann ein solcher Mechanismus eine Kombination aus Ritzel und Zahnstange, ein Bewegungsgewinde und/oder einen Kugelgewindetrieb aufweisen, wobei die translatorisch bewegte Seite des jeweiligen Mechanismus' vorzugsweise mit dem Kolben direkt oder über Zwischenelemente in Kontakt steht und die rotatorisch bewegte Seite vorzugsweise mit dem Ausgangselement direkt oder über Zwischenelemente in Kontakt steht.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein Teil des Getriebes der Übertragungseinheit einstückig mit dem Kolben ausgebildet ist oder mit dem Kolben zu einer Einheit verbunden ist. Insbesondere kann der translatorisch bewegbare Teil des Mechanismus' mit dem Kolben verbunden sein oder mit diesem einstückig ausgeführt sein. Beispielsweise ist die Zahnstange mit dem Kolben verbunden oder als Teil des Kolbens ausgeführt, indem auf dem Kolben entsprechende Zähne ausgebildet sind, die mit dem entsprechenden Ritzel in Eingriff stehen.
Vorzugsweise weist die Lenkbetätigungsvorrichtung ein Modul auf, das durch die Antriebseinheit gebildet ist. Besonders bevorzugt sind dazu sämtliche Elemente der Antriebseinheit auf einem gemeinsamen Trägerelement und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse der Antriebseinheit vorgesehen. Das gemeinsame Trägerelement kann eine Grundplatte sein, mit der sämtliche Elemente der Antriebseinheit verbunden sind. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass eines der Elemente der Antriebseinheit als gemeinsames Trägerelement fungiert, auf dem mindestens ein weiteres Element montiert oder vorgesehen ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass mindestens eins der Elemente der Antriebseinheit auf einem weiteren Element der Antriebseinheit montiert oder vorgesehen ist und dieses wiederum auf dem gemeinsamen Trägerelement vorgesehen ist.
Eine solche Antriebseinheit kann vorteilhafterweise als separates Bauteil und unabhängig von der hier und im Weiteren offenbarten Lenkbetätigungsvorrichtung sowie der weiter unten beschriebenen Lenkung und dem Fahrzeug ausgeführt sein.
Durch die Ausführung der Antriebseinheit als Modul ist ein separates Bauteil erhältlich, das insbesondere Montage und Demontage der Lenkbetätigungsvorrichtung bzw. der Antriebseinheit innerhalb der Lenkbetätigungsvorrichtung erleichtert. Auch die Wartung gestaltet sich so vorteilhaft, denn eine zu wartende Antriebseinheit kann als komplettes Bauteil entnommen und gewartet werden, während eine zweite Antriebseinheit eingesetzt werden kann, so dass die Lenkbetätigungsvorrichtung weiter betrieben werden kann.
Vorzugsweise weist die Antriebseinheit als Element eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung der Umsetzungseinheit auf. Die Pumpe ist vorzugsweise als bidirektionale Pumpe ausgeführt. Insbesondere kann sie eine Innenzahnradpumpe oder eine Sichelpumpe aufweisen oder als solche ausgeführt sein. Bei bidirektionaler Ausführung der Pumpe ist es je nach Förderrichtung der Pumpe möglich, Arbeitsmedium an unterschiedliche Druckräume zu fördern, um den Kolben der Umsetzungseinheit von unterschiedlichen Seiten mit Druck zu beaufschlagen. Handelt es sich um eine unidirektional fördernde Pumpe, so kann ein Ventil vorgesehen sein, das dazu ausgebildet ist, je nach Ventilstellung Arbeitsmedium dem einen oder dem anderen Druckraum zuzuführen. Ein solches Ventil kann auch vorgesehen sein, wenn mindestens zwei Kolben vorgesehen sind und die Förderung von Arbeitsmedium selektiv die jeweiligen Druckräume der Kolben erfolgen soll. Eine solche Pumpe steht vorzugsweise mit einem Reservoir für das Arbeitsmedium in Kontakt. Das Reservoir kann Teil der Lenkbetätigungsvorrichtung sein.
Vorzugsweise ist die Pumpe der Antriebseinheit durch eine elektrische Maschine antreibbar vorgesehen, wobei die elektrische Maschine als Element der Antriebseinheit vorgesehen ist. Eine solche elektrische Maschine erlaubt vorteilhafterweise den Betrieb der Lenkbetätigungsvorrichtung bei Bedarf. D.h. anders als bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen, bei denen die Pumpe nicht durch eine elektrische Maschine sondern permanent durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, ist hier ein On-
Demand-Betrieb der Pumpe möglich, indem diese nur dann aktiviert wird, wenn auch eine Beaufschlagung der Umsetzungseinheit bzw. des Kolbens mit Druck erwünscht ist. Auf diese Weise ist es im Vergleich zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen möglich, einen deutlich energieeffizienteren Betrieb zu realisieren.
Vorzugsweise weist die Antriebseinheit als Element eine Steuervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die Antriebseinheit insbesondere die elektrische Maschine und/oder die Pumpe, zur Druckerzeugung anzusteuern. Die Steuervorrichtung kann, wenn die Antriebseinheit als Modul ausgeführt ist, ebenfalls mit dem Trägerelement verbunden sein oder in dem Gehäuse der Antriebseinheit vorgesehen sein.
Neben dieser Ausführung, kann die Steuervorrichtung aber auch separat als Teil der Lenkbetätigungsvorrichtung vorgesehen sein. Auf diese Weise ist eine freiere Platzierung der Steuervorrichtung möglich. Ferner wird ermöglicht, die Antriebseinheit kleiner bauen zu können.
Allgemein kann die Steuervorrichtung als elektrische oder elektronische Steuervorrichtung ausgebildet sein, die insbesondere ein Steuersignal zur Ansteuerung der Antriebseinheit bzw. der Pumpe der Antriebseinheit ausgibt. Das Steuersignal kann dem Eingangssignal entsprechen, das weiter unten erwähnt ist.
Vorzugsweise ist die Antriebseinheit direkt mit der Umsetzungseinheit verbunden. In diesem Fall bilden die Antriebseinheit und die Umsetzungseinheit zusammen ein Bauteil. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass beide in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sind, oder dass die Antriebseinheit und die Umsetzungseinheit miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Verbindungselemente wie Schrauben realisiert sein. Es kann insbesondere vorgesehenen sein, dass sowohl die Antriebseinheit als auch die Umsetzungseinheit separate Gehäuse aufweisen, wobei beide Gehäuse miteinander verbunden sind, um das separate Bauteil auszubilden. Sowohl die Antriebseinheit als auch die Umsetzungseinheit weisen Anschlüsse auf, die miteinander in Kontakt sind und über die das Arbeitsmedium zur hydraulischen Druckbeaufschlagung der Umsetzungseinheit bzw. des Kolbens gefördert werden kann. Auf diese Weise bilden die Antriebseinheit
und die Umsetzungseinheit ein gemeinsames Bauteil bzw. Modul, das als Ganzes montiert bzw. demontiert werden kann.
Durch die Ausführung der Antriebseinheit und der Umsetzungseinheit als gemeinsames Bauteil bzw. Modul wird die Montage und Demontage der Lenkbetätigungsvorrichtung erleichtert. Auch die Wartung gestaltet sich so vorteilhaft, denn eine zu wartende Kombination von Antriebseinheit und Umsetzungseinheit kann als komplettes Bauteil entnommen und gewartet werden, während eine zweite Kombination eingesetzt werden kann, so dass die Lenkbetätigungsvorrichtung weiter betrieben werden kann.
Alternativ ist die Antriebseinheit getrennt von der Umsetzungseinheit vorgesehen, wobei zur Beaufschlagung der Umsetzungseinheit mit hydraulischem Druck eine Leitungsverbindung zwischen der Antriebseinheit und der Umsetzungseinheit vorgesehen ist. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise freie Platzierung der Antriebseinheit möglich. Sie muss nicht zwingend mit der Umsetzungseinheit verbunden sein oder in ihrer Nähe platziert sein. Die Umsetzungseinheit ist im Gegensatz dazu durch die mechanische Verbindung zu dem Ausgangselement bzw. über das Ausgangselement zu der Lenkmechanik weniger frei platzierbar. Es wird durch die getrennte Ausführung von Antriebseinheit und Umsetzungseinheit also eine bessere Ausnutzung des Bauraums durch die Lenkbetätigungsvorrichtung ermöglicht, indem die Antriebseinheit nicht an einen durch die Umsetzungseinheit vorgegebenen Platz angeordnet werden muss, verglichen mit Ausführungsformen bei denen Antriebseinheit und Umsetzungseinheit miteinander verbunden sind. Dabei kann die Leitungsverbindung zwischen Antriebseinheit und Umsetzungseinheit relativ frei geführt werden.
Vorzugsweise ist die Antriebseinheit und insbesondere die elektrische Maschine und/oder die Pumpe der Antriebseinheit, dazu ausgebildet, die Umsetzungseinheit in Reaktion auf ein Eingangssignal mit dem hydraulischen Druck zu beaufschlagen. Ein solches Eingangssignal kann beispielsweise von der Steuervorrichtung der Antriebseinheit für die Pumpe oder für die elektrische Maschine zu Verfügung gestellt werden. Das Eingangssignal selbst kann aus einem Lenkbefehl erzeugt werden, der der Antriebseinheit bzw. der Lenkbetätigungsvorrichtung übermittelt wird.
Vorzugsweise weist die Lenkbetätigungsvorrichtung eine Erfassungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, einen Lenkbefehl zu erfassen. Die Erfassungseinheit kann den Lenkbefehl erfassen, der insbesondere von extern an die Lenkbetätigungsvorrichtung übermittelt wird. Der Lenkbefehl selbst kann dabei von unterschiedlichen Quellen stammen, wie nachfolgend erläutert wird.
Vorzugsweise weist die Lenkbetätigungsvorrichtung eine Fahrerschnittstelle auf, um den Lenkbefehl eines Fahrers (Fahrerlenkbefehl) zu empfangen, wobei die Erfassungseinheit dazu ausgebildet ist, den Fahrerlenkbefehl in den Lenkbefehl zu übersetzen und/oder als Eingangssignal zu erfassen. Die Fahrerschnittstelle weist bevorzugt ein Lenkrad auf, über das ein Fahrer den entsprechenden Fahrerlenkbefehl erstellen kann, indem er das Lenkrad dreht oder ein entsprechendes Drehmoment auf das Lenkrad aufbringt.
Vorzugsweise weist die Erfassungseinheit einen Drehmomentsensor und/oder einen Drehwinkelsensor auf, um den Lenkbefehl zu erfassen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Fahrer einen Lenkbefehl (Fahrerlenkbefehl) mit dem Lenkrad vorgibt. Der Fahrerlenkbefehl kann dann durch Erfassen des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments am Lenkrad bzw. des dort eingestellten Drehwinkels erfasst werden. Es ist aber auch möglich, dass nicht das vom Fahrer direkt aufgebrachte Drehmoment bzw. der eingestellte Drehwinkel erfasst werden. Beispielsweise kann eine Übersetzung vorgesehen sein, so dass Drehmoment bzw. Drehwinkel nach der Übersetzung erfasst werden.
Alternativ oder zusätzlich weist die Erfassungseinheit eine Datenschnittstelle auf, um den Lenkbefehl zu erfassen. Eine Datenschnittstelle kann insbesondere mit einem Steuersystem des Fahrzeugs verbunden sein, das dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug teil- oder vollautomatisiert zu steuern und zu lenken. Dabei kann es sich vor allem um Steuersysteme handeln, die in Fachkreisen als ADAS- bzw. HAD-Systeme bezeichnet werden. Solche Systeme können direkt Lenkbefehle über die Datenschnittstelle der Erfassungseinheit an die Lenkbetätigungsvorrichtung übermitteln. Ein solcher Lenkbefehl kann einem Drehmoment oder einem Drehwinkel an einem Lenkrad
entsprechen oder auch von diesem komplett verschieden sein. Beispielsweise ist der Einsatz der Lenkbetätigungsvorrichtung auch in vollständig autonom fahrenden Fahrzeugen denkbar, die gar kein Lenkrad oder eine vergleichbare Fahrerschnittstelle aufweisen. Daher kann hier über die Datenschnittstelle auch ein Lenkbefehl erfasst werden, der eben nicht einem Drehmoment oder einem Drehwinkel an einem Lenkrad entspricht.
Der erfasste Lenkbefehl bzw. Fahrerlenkbefehl kann allgemein als Eingangssignal insbesondere für die Aktivierung der elektrischen Maschine und/oder der Pumpe, verwendet werden oder es kann vorgesehen sein, dass daraus durch die Erfassungseinheit oder durch die Steuervorrichtung ein entsprechendes Eingangssignal erzeugt wird, um die elektrische Maschine und/oder die Pumpe zu aktivieren.
Vorzugsweise weist die Lenkbetätigungsvorrichtung eine mechanische Verbindung von der Fahrerschnittstelle zu der Umsetzungseinheit, insbesondere zu der Übertragungseinheit, auf, über die der Lenkbefehl eines Fahrers der Umsetzungseinheit mechanisch aufgeprägt werden kann. Dies kann beispielsweise durch einen direkten mechanischen Durchtrieb realisiert sein, der von der Fahrerschnittstelle, also beispielsweise von dem Lenkrad, zu der Lenkbetätigungsvorrichtung führt. Dies kann eine direkte Wellenverbindung oder auch eine Wellenverbindung mit einem zwischengeschalteten Getriebe sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Verbindung Umlenkungen insbesondere in Form von U-Joints und/oder Bevel Boxen aufweist. Auf diese Weise kann ein Fahrer direkt auf mechanischem Weg ein Drehmoment in die Lenkbetätigungsvorrichtung bzw. in die Umsetzungseinheit einleiten. Die Umsetzungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in Reaktion auf das eingeleitete Drehmoment ein Ausgangsmoment oder eine Ausgangskraft auf das Ausgangselement aufzuprägen.
Um dies zu ermöglichen, ist die in der Umsetzungseinheit vorgesehene Übertragungseinheit bevorzugt dazu ausgebildet, eine Kombination oder Überlagerung der hydraulisch eingeleiteten Kolbenkraft sowie des durch den Fahrer eingeleiteten Drehmoments vorzunehmen. Dies kann beispielsweise durch ein Überlagerungsgetriebe erfolgen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kolben
mit der Welle der mechanischen Verbindung über ein Bewegungsgewinde, einen Kugelgewindetrieb, eine Kombination aus Ritzel und Zahnstange und/oder ähnlichem verbunden ist.
Die mechanische Verbindung von der Fahrerschnittstelle zu der Umsetzungseinheit ermöglicht vorteilhafterweise die Realisierung einer mechanischen Rückfallebene, so dass auch wenn eine Druckbeaufschlagung durch die Antriebseinheit nicht mehr möglich ist, beispielsweise weil die Pumpe, die elektrische Maschine, die Steuervorrichtung oder die Antriebseinheit insgesamt defekt ist, trotzdem ein Lenkbefehl mechanisch in die Umsetzungseinheit eingebracht werden kann.
Die Antriebseinheit kann aber auch zur Unterstützung eines Drehmoments genutzt werden, das der Fahrer über die Fahrerschnittstelle erzeugt und über die mechanische Verbindung auf die Umsetzungseinheit aufprägt. Dabei wird durch die Druckbeaufschlagung des Kolbens eine Unterstützung des Fahrers erreicht.
Vorzugsweise ist oder umfasst der Lenkbefehl eines Fahrers ein Fahrerlenkmoment, wobei die mechanische Verbindung einen Freilauf aufweist, der eine mechanische Übertragung des Fahrerlenkmoments an die Umsetzungseinheit erlaubt, wenn die Ausgangskraft oder das Ausgangsmoment des Ausgangselements nicht ausreicht, um dem Fahrerlenkbefehl zu entsprechen. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Drehmoment, das der Fahrer über die Fahrerschnittstelle zur Verfügung stellt, als Unterstützung für die Lenkbetätigungsvorrichtung genutzt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Fahrerschnittstelle ohne mechanische Verbindung zu der Umsetzungseinheit realisiert. Bei dieser Ausführungsform wird die Fahrerschnittstelle vorzugsweise als Datenquelle genutzt, über die beispielsweise ein Lenkbefehl wie ein Lenkwinkel oder ein Lenkmoment an die Erfassungseinheit abgegeben werden kann. In einem solchen Fall fällt die Lenkbetätigungsvorrichtung weniger komplex aus, da eine mechanische Überlagerung eines Drehmoments, das der Fahrer am Lenkrad aufprägt, mit der Kolbenkraft nicht mehr nötig ist.
Erfindungsgemäß ist eine Lenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, vorgesehen, das Folgendes aufweist:
- mindestens eine Achse mit über eine Lenkmechanik lenkbaren Rädern, und
- eine Lenkbetätigungsvorrichtung wie oben beschrieben, wobei die Lenkmechanik mit dem Ausgangselement der Lenkbetätigungsvorrichtung verbunden ist.
Auf diese Weise lassen sich die lenkbaren Räder des Fahrzeugs durch Betrieb der Lenkbetätigungsvorrichtung lenken. Über das Ausgangselement der Lenkbetätigungsvorrichtung kann so das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft auf die Lenkmechanik aufgeprägt werden.
Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer Lenkung wie vorstehend beschrieben vorgesehen.
Das Fahrzeug selbst ist vorzugsweise als konventionell, also verbrennungsmotorisch, elektrisch oder hybridisch angetriebenes Fahrzeug ausgeführt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug im teil- oder vollautomatisierten Betrieb fahren kann. In einem solchen Fall ist vorzugsweise ein Steuersystem des Fahrzeugs, das den teil- oder vollautomatisierten Betrieb des Fahrzeugs steuert, mit der Erfassungseinheit verbunden, um entsprechende Lenkbefehle an die Lenkbetätigungsvorrichtung zu senden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Es ist eine Lenkbetätigungsvorrichtung 1 gezeigt, die eine hydraulische Antriebseinheit 2 und eine Umsetzungseinheit 3 aufweist. Darüber hinaus weist die Lenkbetätigungsvorrichtung 1 ein Ausgangselement 4 auf, das hier als drehbares Element vorgesehen ist und insbesondere als Pitman-Arm ausgebildet sein kann, um ein Ausgangsmoment an einer Lenkmechanik (nicht gezeigt) abzustützen. Das Ausgangselement 4 ist in der Zeichenebene um eine senkrecht zur Zeichenebene orientierte Achse drehbar vorgesehen.
Die hydraulische Antriebseinheit 2 weist hier ein Gehäuse 2.1 auf, das die Elemente der hydraulischen Antriebseinheit 2 beinhaltet. Die Antriebseinheit 2 weist folgende Elemente auf, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist: eine Pumpe 2.2, eine elektrische Maschine 2.3 sowie eine Steuervorrichtung 2.4. Die elektrische Maschine 2.3 ist dazu ausgebildet, die Pumpe 2.2 in Reaktion auf ein Eingangssignal anzutreiben, das von der Steuervorrichtung 2.4 bereitgestellt wird, so dass diese ein hydraulisches Arbeitsmedium an die Umsetzungseinheit 3 fördern kann. Die Antriebseinheit 2 selbst ist durch ihr Gehäuse 2.1 als Modul ausgebildet. Sie ist damit als ein separates Bauteil ausgebildet. Dadurch wird insbesondere die Montage und Demontage sowie die Wartung der Antriebseinheit 2 erleichtert. Die Steuervorrichtung 2.4 selbst kann als elektrische oder elektronische Steuervorrichtung ausgebildet sein.
Die Umsetzungseinheit 3 weist einen Kolben 3.1 auf, der in der Zeichnung von oben nach unten und umgekehrt verschiebbar vorgesehen ist. Der Kolben 3.1 ist innerhalb eines Zylinders vorgesehen, der den Kolben 3.1 bei dessen Verschiebung führt. Dabei trennt der Kolben 3.1 innerhalb des Zylinders einen ersten Druckraum 3.3 von einem zweiten Druckraum 3.4. Durch die Verschiebung des Kolbens 3.1 nach unten wird das Volumen des ersten Druckraums 3.3. vergrößert, während gleichzeitig das Volumen des zweiten Druckraums 3.4 verringert wird. Durch die Verschiebung des Kolbens 3.1
nach oben wird das Volumen des ersten Druckraums 3.3. verringert, während gleichzeitig das Volumen des zweiten Druckraums 3.4 vergrößert wird.
Der Kolben 3.1 ist weiter mit einer Übertragungseinheit 3.2 verbunden. Die Übertragungseinheit 3.2 ist dazu ausgebildet, eine Kolbenkraft, die durch Druckbeaufschlagung des Kolbens 3.1 in einem der Druckräume 3.3, 3.4 erzeugt wird, in ein Ausgangsmoment umzuwandeln, das dem Ausgangselement 4 aufgeprägt wird. Dazu weist die Übertragungseinheit 3.2 eine Kombination aus Ritzel und Zahnstange auf, wobei die Zahnstange mit dem Kolben 3.1 verbunden ist und mit dem Ritzel, das mit dem Ausgangselement 4 verbunden ist, in Eingriff steht. Eine Kolbenkraft wird dadurch über die Zahnstange auf die Übertragungseinheit 3.2 übertragen und anschließend auf das Ritzel übertragen so dass so ein Ausgangsmoment auf das Ausgangselement 4 aufgeprägt werden kann.
Die Umsetzungseinheit 3 weist ferner ein Gehäuse 3.5 auf, in dem der Kolben 3.1 , die Druckräume 3.3. und 3.4 sowie die Übertragungseinheit 3.2 vorgesehen sind. Die Umsetzungseinheit 3 selbst ist durch ihr Gehäuse 3.5 als Modul ausgebildet. Sie ist damit als ein separates Bauteil ausgebildet. Dadurch wird insbesondere die Montage und Demontage sowie die Wartung der Umsetzungseinheit 3 erleichtert.
In der gezeigten Ausführungsform sind die hydraulische Antriebseinheit 2 und die Umsetzungseinheit 3 miteinander verbunden, indem ihre Gehäuse 2.1 , 3.5 direkt miteinander in Kontakt stehen. Die Antriebseinheit 2 und die Umsetzungseinheit 3 bilden damit ein Modul bzw. ein einziges Bauteil. Die jeweiligen Anschlüsse zur Übertragung von hydraulischem Arbeitsmedium von der Pumpe 2.2 zu dem Druckraum 3.3 bzw. zu dem Druckraum 3.4 sind durch den Kontakt der beiden Gehäuse 2.1 , 3.5 direkt fluidisch miteinander verbunden. Die Pumpe 2.2. kann damit direkt Arbeitsmedium an die Druckräume 3.3. und 3.4 fördern. Die Förderwege des hydraulischen Arbeitsmediums sind durch die beiden Pfeile dargestellt, die von der Pumpe 2.2 zu den Druckräumen 3.3 und 3.4 führen.
Neben der Antriebseinheit 2 und der Umsetzungseinheit 3 weist die
Lenkbetätigungsvorrichtung 1 eine Erfassungseinheit 5 auf. Diese ist dazu ausgebildet,
einen Lenkbefehl zu erfassen. Der Lenkbefehl kann, wie in der Zeichnung dargestellt, von einer Fahrerschnittstelle 6 stammen, die hier als Lenkrad dargestellt ist. Zur Erfassung des Lenkbefehls kann die Erfassungseinheit 5 einen Drehmomentsensor und/oder einen Drehwinkelsensor aufweisen. Der Lenkbefehl kann dann durch Erfassen des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments am Lenkrad bzw. des dort eingestellten Drehwinkels erfasst werden. Es ist aber auch möglich, dass nicht das vom Fahrer direkt aufgebrachte Drehmoment bzw. der eingestellte Drehwinkel erfasst werden. Beispielsweise kann eine Übersetzung vorgesehen sein, so dass Drehmoment bzw. Drehwinkel nach der Übersetzung erfasst werden.
Alternativ oder zusätzlich weist die Erfassungseinheit 5 eine Datenschnittstelle auf, um den Lenkbefehl zu erfassen. Eine Datenschnittstelle kann insbesondere mit einem Steuersystem des Fahrzeugs verbunden sein, das dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug teil- oder vollautomatisiert zu steuern. Solche Systeme können direkt Lenkbefehle über die Datenschnittstelle der Erfassungseinheit an die Lenkbetätigungsvorrichtung übermitteln. Ein solcher Lenkbefehl kann einem Drehmoment oder einem Drehwinkel an einem Lenkrad entsprechen oder auch von diesem komplett verschieden sein. Beispielsweise ist der Einsatz der Lenkbetätigungsvorrichtung auch in vollständig autonom fahrenden Fahrzeugen denkbar, die gar kein Lenkrad oder eine vergleichbare Fahrerschnittstelle 6 aufweisen. Daher kann hier über die Datenschnittstelle auch ein Lenkbefehl erfasst werden, der eben nicht einem Drehmoment oder einem Drehwinkel an einem Lenkrad entspricht.
Die Erfassungseinheit 5 ist dazu ausgebildet, den erfassten Lenkbefehl an die Antriebseinheit 2 weiterzuleiten, wobei die Steuervorrichtung 2.4 dazu ausgebildet ist, den Lenkbefehl in ein entsprechendes Eingangssignal für die elektrische Maschine 2.3 zu übersetzen.
Die Funktionsweise der Lenkbetätigungsvorrichtung 1 stellt sich wie folgt dar:
Ergibt sich aus dem Lenkbefehl, der über die Fahrerschnittstelle 6 an die
Erfassungseinheit 5 geschickt wird, dass keine Lenkung nötig ist, so unterbleibt die
Aktivierung der elektrischen Maschine 2.3 durch das Eingangssignal der
Steuervorrichtung 2.4. Damit fördert die Pumpe 2.2 kein Arbeitsmedium an die Umsetzungseinheit 3 bzw. an einen der dortigen Druckräume 3.3, 3.4, was zur Folge hat, dass eine Druckbeaufschlagung des Kolbens 3.1 von der in der Zeichnung oberen oder unteren Seite unterbleibt. Es wird somit über die Übertragungseinheit 3.2 kein Ausgangsmoment an das Ausgangselement 4 aufgeprägt.
Ergibt sich nun aus dem Lenkbefehl, der durch die Erfassungseinheit 5 von der Fahrerschnittstelle 6 erfasst wird, dass eine Lenkung der Räder des Fahrzeugs erfolgen soll, so generiert die Steuervorrichtung 2.4 aus dem von der Erfassungseinheit 5 an die Antriebseinheit 2 weitergeleiteten Lenkbefehl ein entsprechendes Eingangssignal, was die elektrische Maschine 2.3 aktiviert, die nun die Pumpe 2.2 antreibt. Die Pumpe 2.2 fördert nun, je nach Lenkbefehl Arbeitsmedium in den oberen Druckraum 3.3 oder in den unteren Druckraum 3.4, um den Kolben 3.1 entsprechend mit Druck zu beaufschlagen. Auf den Kolben 3.1 wirkt dadurch eine entsprechende Kolbenkraft, die sich weiter in der Übertragungseinheit 3.2 abstützt. Die Übertragungseinheit 3.2 wandelt die Kolbenkraft durch die Kombination aus Ritzel und Zahnstange in ein entsprechendes Ausgangsmoment um, das dem Ausgangselement 4 aufgeprägt wird und das dann in einer Lenkmechanik des Fahrzeugs (nicht dargestellt) abgestützt werden kann, wodurch letztlich eine Lenkung der Räder des Fahrzeugs bewirkt wird.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist. Daher wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Nachfolgend wird lediglich auf die Unterschiede beider Ausführungsformen eingegangen.
Im Unterschied zur Ausführungsform von Fig. 1 sind hier die Antriebseinheit 2 und die Umsetzungseinheit 3 nicht miteinander verbunden. Beide Gehäuse 2.1 und 3.5 sind voneinander getrennt vorgesehen, wobei zwischen beiden Gehäusen 2.1 und 3.5 eine Leitungsverbindung 7 vorgesehen ist, so dass die Pumpe 2.2 über die Leitungsverbindung 7 Arbeitsmedium zu dem Druckraum 3.3 bzw. zu dem Druckraum 3.4 fördern kann.
Die Funktionsweise dieser Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der aus Fig. 1. Vorteile ergeben sich hier in erster Linie durch die freiere Anordnungsmöglichkeit von Antriebseinheit 2 und Umsetzungseinheit 3, da die Leitungsverbindung 7 relativ frei im Fahrzeug verlaufen kann. Somit können die Antriebseinheit 2 und die Umsetzungseinheit 3 an dafür vorteilhafte Stellen im Fahrzeug platziert werden.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform aus Fig. 1. Daher wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen.
In Ergänzung zur in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist die Lenkbetätigungsvorrichtung 1 eine mechanische Verbindung 8 zu der Fahrerschnittstelle 6 auf. Über die Fahrerschnittstelle 6 kann somit ein Drehmoment auf die Verbindung 8 aufgeprägt werden, welches in die Umsetzungseinheit 3 eingeleitet werden kann. Die mechanische Verbindung 8 ist hier als Welle ausgeführt, die mit dem Kolben 3.1 in Verbindung steht. Zwischen Kolben 3.1 und der Welle ist ein Getriebe (nicht gezeigt) vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, das von der Fahrerschnittstelle 6 auf die Welle aufgeprägte Drehmoment in eine Kraft umzuwandeln, die auf den Kolben 3.1 wirkt. Diese Kraft wirkt ebenfalls wie eine Kolbenkraft, die durch Druckbeaufschlagung des Kolbens 3.1 erzeugt wird, in der Zeichnung parallel zu einer senkrechten Linie, die von oben nach unten verläuft. Zur Umwandlung des Drehmoments, das von der Fahrerschnittstelle 6 auf die Welle aufgeprägt wurde, kann das Getriebe einen Kugelgewindetrieb, ein Bewegungsgewinde o.ä. aufweisen.
Die mechanische Verbindung 8 von der Fahrerschnittstelle 6 zu der Umsetzungseinheit 3 ermöglicht damit die Realisierung einer mechanischen Rückfallebene, so dass auch wenn eine Druckbeaufschlagung des Kolbens 3.1 durch die Antriebseinheit 2 nicht mehr möglich ist, beispielsweise weil die Pumpe 2.2 oder die Antriebseinheit 2 insgesamt defekt ist, trotzdem mechanisch eine Kraft auf den Kolben 3.1 aufgebracht werden kann.
Bei dieser Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass das mechanisch über die Welle der mechanischen Verbindung 8 eingeleitete Drehmoment bzw. die daraus resultierende Kraft auf den Kolben 3.1 durch die zusätzliche hydraulische Druckbeaufschlagung des Kolbens 3.1 durch die Pumpe 2.2 eine Unterstützungswirkung erreicht wird, so dass ein Fahrer geringere Kräfte an der Fahrerschnittstelle 6 aufbringen muss, um das Fahrzeug zu lenken.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen einer Weiterbildung der Ausführungsform aus Fig. 2, denn hier sind die Antriebseinheit 2 und die Umsetzungseinheit 3 getrennt voneinander ausgeführt und über eine Leitungsverbindung 7 fluidisch miteinander verbunden. Zusätzlich ist auch hier die mechanische Verbindung 8 aus Fig. 3 vorgesehen, die die Fahrerschnittstelle 6 mit der Umsetzungseinheit 3 verbindet. Da die mechanische Verbindung 8 in Ausführung und Funktionsweise der aus Fig. 3 entspricht, wird dafür auf die entsprechende Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen.
In den vorstehend beschriebenen Zeichnungen ist stets eine Fahrerschnittstelle 6 in Form eines Lenkrads gezeigt. Diese muss jedoch bei künftigen Fahrzeugen nicht mehr vorhanden sein, wenn diese autonom betrieben werden. Dann empfängt die Erfassungseinheit 5 einen Lenkbefehl ausschließlich von anderen Steuerungssystemen.
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform, die insbesondere auf einer der Zeichnungen der Figuren 1 bis 4 basieren kann, ist der Kolben 3.1 einstückig mit der Zahnstange der Übertragungseinheit 3.2 ausgeführt. Dabei können die Zähne der Zahnstange auf der Oberfläche des Kolbens 3.1 ausgeführt sein.
Mit der Erfindung wird im Ergebnis eine elektrohydraulische Lenkbetätigungsvorrichtung 1 zur Verfügung gestellt, die einerseits die Vorteile eines energieeffizienten Betriebs aufweist, indem die Druckbeaufschlagung der Umsetzungseinheit 3 bzw. des Kolbens 3.1 nur dann erfolgt, wenn es auch nötig ist, d.h. die Pumpe 2.2 der Antriebseinheit 2
muss nur dann betrieben werden, wenn Druck benötigt wird. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung der hydraulischen Komponenten eine relativ hohe Übersetzung von Kräften und Momenten bei gleichzeitig platzsparender Bauweise und flexibler Anordnungsmöglichkeiten der Komponenten der Lenkbetätigungsvorrichtung 1 verglichen mit einer elektromechanischen Lösung.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Lenkbetätigungsvorrichtung
2 hydraulische Antriebseinheit
2.1 Gehäuse
2.2 Pumpe
2.3 elektrische Maschine
2.4 Steuervorrichtung
3 Umsetzungseinheit
3.1 Kolben
3.2 Übertragungseinheit
3.3 Druckraum
3.4 Druckraum
3.5 Gehäuse
4 Ausgangselement
5 Erfassungseinheit
6 Fahrerschnittstelle
7 Leitungsverbindung
8 mechanische Verbindung
Claims
1 . Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) für ein Fahrzeug, aufweisend:
- eine hydraulische Antriebseinheit (2),
- eine Umsetzungseinheit (3),
- ein Ausgangselement (4), das dazu ausgebildet ist, ein Ausgangsmoment oder eine Ausgangskraft auf eine Lenkmechanik aufzuprägen, wobei die hydraulische Antriebseinheit (2) fluidisch mit der Umsetzungseinheit (3) verbunden ist, so dass die hydraulische Antriebseinheit (2) die Umsetzungseinheit (3) hydraulisch mit Druck beaufschlagen kann, und wobei die Umsetzungseinheit (3) einen Kolben (3.1 ) und eine Übertragungseinheit (3.2) aufweist, wobei der Kolben (3.1 ), wenn er mit dem hydraulischen Druck beaufschlagt wird, eine Kolbenkraft in die Übertragungseinheit (3.2) einleitet, und die Übertragungseinheit (3.2) in Reaktion auf die eingeleitete Kolbenkraft das Ausgangsmoment oder die Ausgangskraft auf das Ausgangselement (4) aufprägt.
2. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) ein Modul aufweist, das durch die Antriebseinheit (2) gebildet ist. und sämtliche Elemente der Antriebseinheit (2) auf einem gemeinsamen Trägerelement und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse (2.1 ) der Antriebseinheit (2) vorgesehen sind.
3. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antriebseinheit (2) als Element eine Pumpe (2.2) zur Druckbeaufschlagung der Umsetzungseinheit (3) aufweist.
4. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, wobei die Pumpe (2.2) durch eine elektrische Maschine (2.3) antreibbar vorgesehen ist, wobei die elektrische Maschine (2.3) als Element der Antriebseinheit (2) vorgesehen ist, und/oder wobei die Antriebseinheit (2) als Element eine Steuervorrichtung (2.4) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Antriebseinheit (2) zur Druckerzeugung anzusteuern.
5. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (2) direkt mit der Umsetzungseinheit (3) verbunden ist.
6. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Antriebseinheit (2) getrennt von der Umsetzungseinheit (3) vorgesehen ist, wobei zur Beaufschlagung der Umsetzungseinheit (3) mit hydraulischen Druck eine Leitungsverbindung (7) zwischen der Antriebseinheit (2) und der Umsetzungseinheit (3) vorgesehen ist.
7. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (2) dazu ausgebildet ist, die Umsetzungseinheit (3) in Reaktion auf ein Eingangssignal mit dem hydraulischen Druck zu beaufschlagen.
8. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, aufweisend eine Erfassungseinheit (5), die dazu ausgebildet ist, einen Lenkbefehl zu erfassen.
9. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, aufweisend eine Fahrerschnittstelle (6), um den Lenkbefehl eines Fahrers zu empfangen, wobei die Erfassungseinheit (5) dazu ausgebildet ist, den Lenkbefehl des Fahrers in den Lenkbefehl zu übersetzen und/oder als Lenkbefehl zu erfassen.
10. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Erfassungseinheit (5) einen Drehmomentsensor, einen Drehwinkelsensor und/oder eine Datenschnittstelle aufweist, um den Lenkbefehl zu erfassen.
11. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, aufweisend eine mechanische Verbindung (8) von der Fahrerschnittstelle (6) zu der
Umsetzungseinheit (3), insbesondere zu der Übertragungseinheit (3.2), über die der Lenkbefehl eines Fahrers der Umsetzungseinheit (3) mechanisch aufgeprägt werden kann.
12. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 , wobei der Lenkbefehl eines Fahrers ein Fahrerlenkmoment ist oder umfasst und die mechanische Verbindung (8) einen Freilauf aufweist, der eine mechanische Übertragung des Fahrerlenkmoments an die Umsetzungseinheit (3) erlaubt, wenn die Ausgangskraft oder das Ausgangsmoment des Ausgangselements (4) nicht ausreicht, um dem Fahrerlenkbefehl zu entsprechen.
13. Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Fahrerschnittstelle (6) ohne mechanische Verbindung zu der Umsetzungseinheit (3) realisiert ist.
14. Lenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, aufweisend
- mindestens eine Achse mit über eine Lenkmechanik lenkbaren Rädern, und
- eine Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Lenkmechanik mit dem Ausgangselement (4) der Lenkbetätigungsvorrichtung (1 ) verbunden ist.
15. Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Lenkung nach Anspruch 14.
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