WO2006040094A1 - Überlagerungsgetriebe für ein lenksystem - Google Patents

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Heinz-Dieter Heitzer
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/008—Changing the transfer ratio between the steering wheel and the steering gear by variable supply of energy, e.g. by using a superposition gear
    • 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
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0463—Controlling the motor calculating assisting torque from the motor based on driver input

Definitions

  • the invention relates to a superposition gear for a steering system, having an input shaft which can be coupled to a steering shaft, and an output shaft which can be coupled to a steering gear.
  • Such a superposition gear allows to superimpose an additional steering angle to the steering angle predetermined by the driver so that the total steering angle, which is the input to the steering gear, is greater or smaller than the driver steering angle.
  • the additional steering angle is calculated by a control unit from various input variables such as steering angle, steering angle velocity, steering torque, vehicle speed, yaw rate, transverse acceleration, brake pressure, etc.
  • the additional steering angle for example, an improved agility is to be achieved by lead steering and variable steering ratio, increased comfort and improved driving stability in the border area.
  • an electronic driving stability system in critical driving conditions, such as braking operations on roadways with different coefficients of friction, the braking distance can be significantly shortened.
  • a mechanical transmission is used as a superposition gear, by means of which the additional steering angle can be generated.
  • These transmissions are usually provided with two rotary inputs and a rotary output. A first input is connected to the steering wheel, and the second input is connected to a motor. The gearbox output is connected to the steering gearbox.
  • an electric motor is usually used, and the transmission is usually a planetary gear used.
  • the disadvantage of these known constructions is the comparatively large installation space which is necessary.
  • the object of the invention is to provide a superimposed transmission, which is inexpensive and has a high reliability.
  • a wave gear which has an inner ring, an outer ring and a drive element, wherein the steering torque is transmitted from the input shaft to the output shaft via the inner ring and the outer ring and that the drive element with coupled to the drive motor.
  • the wave gear is characterized by a very small space, so that there is a very compact design.
  • the harmonic drive works spiel ⁇ free, so that the superposition gear brings no additional game in the steering system.
  • the special arrangement of the corrugated transmission in the superposition gearbox results in two operating modes. If the drive motor is not driven, the superposition gear is in a passive state.
  • the steering torque is transmitted from the input shaft to the Aus ⁇ output shaft characterized in that the inner ring and the outer ring roll on each other.
  • One of the two rings acts in the manner of a drive gear, and the other in the manner of a driven gear. Since the inner ring and the outer ring differ only slightly in terms of the number of teeth, for example 102 teeth on the outer ring and 100 teeth on the inner ring, this results in a gear ratio in the passive state of 0.98.
  • the rotation of the input shaft is transmitted approximately in the ratio 1: 1 to the output shaft.
  • the superposition gear is in an active state.
  • FIG. 1 A schematic view of a steering system, which includes an inventive superposition gear; .
  • FIGS. 3a and 3b schematically show the wave gear used in the superposition gear of FIG.
  • a steering system which has a steering gear 10 (here exemplified with a rack), an input shaft 12, a steering shaft 14 and a steering wheel 16.
  • the steering wheel 16 is mechanically connected to the steering gear 10 via the steering shaft 14 and the input shaft 12, so that a rotation of the steering wheel 16 is converted into an adjustment of steerable vehicle wheels.
  • a superposition gear 18 is provided, which makes it possible to superimpose the steering wheel 16 predetermined by the steering angle depending on the situation an additional steering angle. This is calculated by a control unit from various input variables such as steering angle, steering angle speed, steering torque, vehicle speed, yaw rate, lateral acceleration, brake pressure, etc.
  • the superposition gear 18 has a housing 20 in which the input shaft 12 and an output shaft 22 are rotatably mounted.
  • the output shaft 22 is intended to be coupled to the steering gear.
  • the input shaft 12 is rotatably connected to an inner ring 24 of a wave gear (see also FIGS. 3a and 3b).
  • the inner ring 24 is provided on its outside with teeth that can roll in teeth on the inside of an outer ring 26.
  • the outer ring 26 is rotatably connected via a holding element 28 with the output shaft 22.
  • Wave gear units are also known by the name "Harley Drive”.
  • the wave gear also has a drive element 30 which has an eccentric shape and can rotate within the inner ring 24.
  • the An ⁇ drive element is rotatably connected to a motor shaft 32 of an electric An ⁇ drive motor 34 which is supported in the housing 20.
  • the motor shaft 32 is coupled with an electromagnetically actuated brake 36, which is also supported on the housing 20. In this way, the motor shaft 32 can be blocked relative to the housing 20.
  • an input shaft position sensor 40 To provide position signals for control electronics, an input shaft position sensor 40, a motor shaft position sensor 42, and an output shaft position sensor 44 are provided.
  • the described superposition gear can be operated in a passive state and an active state.
  • the brake 36 is closed, and the electric drive motor 34 is not driven.
  • the drive element 30 is blocked in the interior of the inner ring 24.
  • the teeth of the inner ring 24 roll on the teeth of the outer ring 26, so that the rotation of the input shaft 12 is transmitted to the output shaft 22 according to the difference of the number of teeth. Since the number of teeth of the inner ring and the outer ring usually differ in the order of 2%, a setting ratio of 0.98 results in the passive state of the superposition gear.
  • the angular movement of the input shaft is measured continuously by means of the input shaft position sensor 42.
  • the rotational movement of the output shaft 22 is measured continuously by means of the output shaft position sensor 44.
  • This information is processed by an electronic control unit, and the electric drive motor 34 is controlled so that the desired overlay angle is achieved.
  • the electromagnetic brake 36 is opened.
  • the described superposition gearing produces a very small, negligible interference with the steering wheel 16 because the portion of the input shaft torque received directly by the output shaft 22 is significantly higher than the fraction resulting from engine torque; a usual ratio here is 50: 1.

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Abstract

Ein Überlagerungsgetriebe (18) für ein Lenksystem, mit einer Eingangswelle (12), die mit einer Lenkwelle (14) gekoppelt werden kann, und einer Ausgangswelle, die einem Lenkgetriebe (10) gekoppelt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellgetriebe (24, 26, 30) vorgesehen ist, das einen Innenring (24), einen Außenring (26) und ein Antriebselement (30) aufweist, daß das Lenkmoment von der Eingangswelle (12) zur Ausgangswelle (22) über den Innenring (24) und den Außenring (26) übertragen wird und daß das Antriebselement (30) mit einem Antriebsmotor (34) gekoppelt ist.

Description

Überlagerungsgetriebe für ein Lenksystem
Die Erfindung betrifft ein Überlagerungsgetriebe für ein Lenksystem, mit einer Eingangswelle, die mit einer Lenkwelle gekoppelt werden kann, und einer Aus- gangswelle, die mit einem Lenkgetriebe gekoppelt werden kann.
Ein solches Überlagerungsgetriebe ermöglicht, dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel einen Zusatzlenkwinkel zu überlagern, so daß der Gesamtlenkwinkel, der die Eingangsgröße für das Lenkgetriebe ist, größer oder kleiner als der Fahrerlenkwinkel ist. Der Zusatzlenkwinkel wird situationsabhängig von einem Steuergerät aus verschiedenen Eingangsgrößen wie Lenkwinkel, Lenkwinkel¬ geschwindigkeit, Lenkmoment, Fahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate, Querbe¬ schleunigung, Bremsdruck, etc. berechnet. Mittels des Zusatzlenkwinkels soll beispielsweise eine verbesserte Agilität durch Vorhaltelenken und variable Lenkübersetzung, ein erhöhter Komfort sowie eine verbesserte Fahrstabilität im Grenzbereich erzielt werden. Schließlich kann im Zusammenspiel mit einem elektronischen Fahrstabilitätssystem in kritischen Fahrzuständen wie bei Brems¬ vorgängen auf Fahrbahnen mit unterschiedlichen Reibwerten der Bremsweg deut¬ lich verkürzt werden.
Da gesetzlich eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe vorgeschrieben ist, wird üblicherweise ein mechanisches Getriebe als Überlagerungsgetriebe verwendet, mittels dem der Zusatzlenkwinkel erzeugt werden kann. Diese Getriebe sind meist mit zwei rotatorischen Eingängen und einem rotatorischen Ausgang versehen. Ein erster Eingang ist mit dem Lenk¬ rad verbunden, und der zweite Eingang ist mit einem Motor verbunden. Der Aus- gang des Getriebes ist mit dem Lenkgetriebe verbunden. Als Motor wird meist ein Elektromotor verwendet, und als Getriebe wird meist ein Planetenradgetriebe verwendet. Der Nachteil dieser bekannten Konstruktionen besteht in dem ver¬ gleichsweise großen Bauraum, der notwendig ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Überlagerungsgetriebe zu schaf- fen, welches kostengünstig ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß bei einem Überlagerungsgetriebe der eingangs genannten Art ein Wellgetriebe vorgesehen, das einen Innenring, einen Außenring und ein Antriebselement aufweist, wobei das Lenkmoment von der Eingangswelle zur Ausgangswelle über den Innenring und den Außenring über- tragen wird und daß das Antriebselement mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist. Das Wellgetriebe zeichnet sich durch einen sehr geringen Bauraum aus, so daß sich ein sehr kompakter Aufbau ergibt. Außerdem arbeitet das Wellgetriebe spiel¬ frei, so daß das Überlagerungsgetriebe kein zusätzliches Spiel ins Lenksystem hineinbringt. Durch die besondere Anordnung des Wellgetriebes im Über- lagerungsgetriebe ergeben sich zwei Betriebsarten. Wenn der Antriebsmotor nicht angesteuert wird, befindet sich das Überlagerungsgetriebe in einem passiven Zustand. In diesem wird das Lenkmoment von der Eingangswelle zur Aus¬ gangswelle dadurch übertragen, daß der Innenring und der Außenring sich aufeinander abwälzen. Einer der beiden Ringe wirkt nach Art eines Antrieb- szahnrades, und der andere nach Art eines Abtriebszahnrades. Da der Innenring und der Außenring sich hinsichtlich der Anzahl der Zähne nur geringfügig unter¬ scheiden, beispielsweise 102 Zähne am Außenring und 100 Zähne am Innenring, ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis im passiven Zustand von 0,98. Anders aus¬ gedrückt wird die Drehung der Eingangwelle annähernd im Verhältnis 1 :1 zur Ausgangswelle übertragen. Wenn dagegen der Antriebsmotor angesteuert wird, befindet sich das Überlagerungsgetriebe in einem aktiven Zustand. Durch geeig¬ nete Drehung des Antriebselementes kann der von der Eingangswelle vorgege¬ benen Drehung eine nahezu beliebige Zusatzdrehung überlagert werden, so daß die Ausgangwelle die gewünschte Drehung ausführt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
.in einer schematischen Ansicht ein Lenksystem, welches ein erfindungs- gemäßes Überlagerungsgetriebe enthält; .das Überlagerungsgetriebe von Figur 1 ;
.- die Figuren 3 a und 3 b schematisch das beim Überlagerungsgetriebe von Figur 2 verwendete Wellgetriebe.
In Figur 1 ist schematisch ein Lenksystem gezeigt, welches ein Lenkgetriebe 10 (hier beispielhaft mit einer Zahnstange versehen), eine Eingangswelle 12, eine Lenkwelle 14 sowie ein Lenkrad 16 aufweist. Das Lenkrad 16 ist über die Lenk¬ welle 14 und die Eingangswelle 12 mechanisch mit dem Lenkgetriebe 10 verbun¬ den, so daß eine Drehung des Lenkrades 16 in eine Verstellung von lenkbaren Fahrzeugrädern umgesetzt wird.
Am Lenkgetriebe 10 ist ein Überlagerungsgetriebe 18 vorgesehen, welches es ermöglicht, dem vom Lenkrad 16 vorgegebenen Lenkwinkel situationsabhängig einen Zusatzlenkwinkel zu überlagern. Dieser wird von einem Steuergerät aus verschiedenen Eingangsgrößen wie Lenkwinkel, Lenkwinkelgeschwindigkeit, Lenkmoment, Fahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate, Querbeschleunigung, Brems- druck, etc. berechnet.
Das Überlagerungsgetriebe 18 weist ein Gehäuse 20 auf, in dem drehbar die Eingangswelle 12 und eine Ausgangswelle 22 gelagert sind. Die Ausgangswelle 22 ist dafür vorgesehen, mit dem Lenkgetriebe gekoppelt zu werden. Die Ein¬ gangswelle 12 ist mit einem Innenring 24 eines Wellgetriebes (siehe auch die Fig- uren 3a und 3b) drehfest verbunden. Der Innenring 24 ist auf seiner Außenseite mit Zähnen versehen, die sich in Zähnen auf der Innenseite eines Außenrings 26 abwälzen können. Der Außenring 26 ist über ein Halteelement 28 drehfest mit der Ausgangwelle 22 verbunden. Wellgetriebe sind auch unter dem Namen „Har¬ monie Drive" bekannt.
Das Wellgetriebe weist außerdem ein Antriebselement 30 auf, welches eine exzentrische Form hat und sich innerhalb des Innenring 24 drehen kann. Das An¬ triebselement ist drehfest mit einer Motorwelle 32 eines elektrischen An¬ triebsmotors 34 verbunden, der im Gehäuse 20 abgestützt ist. Die Motorwelle 32 ist mit einer elektromagnetischbetätigten Bremse 36 ge¬ koppelt, die ebenfalls am Gehäuse 20 abgestützt ist. Auf diese Weise kann die Motorwelle 32 relativ zum Gehäuse 20 blockiert werden.
Zur Bereitstellung von Positionssignalen für eine Steuerungselektronik sind ein Eingangswellen-Positionssensor 40, ein Motorwellen-Positionssensor 42 und ein Ausgangswellen-Positionssensor 44 vorgesehen.
Das beschriebene Überlagerungsgetriebe kann in einem passiven Zustand und einem aktiven Zustand betrieben werden. Im passiven Zustand ist die Bremse 36 geschlossen, und der elektrische Antriebsmotor 34 wird nicht angesteuert. Dadurch ist das Antriebselement 30 im Inneren des Innenrings 24 blockiert. Wenn die Eingangswelle 12 gedreht wird, wälzen sich die Zähne des Innenring 24 auf den Zähnen des Außenrings 26 ab, so daß die Drehung der Eingangswelle 12 entsprechend der Differenz der Zähnezahl auf die Ausgangswelle 22 übertragen wird. Da sich die Anzahl der Zähne des Innenrings und des Außenrings üblicher- weise in der Größenordnung von 2% unterscheiden, ergibt sich ein Unter¬ setzungsverhältnis von 0,98 im passiven Zustand des Überlagerungsgetriebes.
Im aktiven Zustand wird die Winkelbewegung der Eingangswelle kontinuier¬ lich mittels des Eingangswellen-Positionssensors 42 gemessen. Gleichzeitig wird die Drehbewegung der Ausgangswelle 22 kontinuierlich mittels des Aus- gangswellen-Positionssensors 44 gemessen. Diese Informationen werden von einer elektronischen Steuereinheit verarbeitet, und der elektrische Antriebsmotor 34 wird so angesteuert, daß der gewünschte Überlagerungswinkel erzielt wird. Dabei wird die elektromagnetische Bremse 36 geöffnet.
Das beschriebene Überlagerungsgetriebe produziert eine sehr geringe, ver- nachlässigbare Stör-Rückwirkung auf das Lenkrad 16, da der Teil des Ein- gangswellen-Drehmomentes, der direkt von der Ausgangswelle 22 aufgenommen wird, erheblich höher ist als der Anteil, der vom Motordrehmoment resultiert; ein übliches Verhältnis beträgt hier 50:1.

Claims

Ansprüche
1. Überlagerungsgetriebe (18) für ein Lenksystem, mit einer Eingangswelle (12), die mit einer Lenkwelle (14) gekoppelt werden kann, und einer Ausgangs- welle, die einem Lenkgetriebe (10) gekoppelt werden kann, dadurch gekennzeich¬ net, daß ein Wellgetriebe (24, 26, 30) vorgesehen ist, das einen Innenring (24), einen Außenring (26) und ein Antriebselement (30) aufweist, daß das Lenkmo¬ ment von der Eingangswelle (12) zur Ausgangswelle (22) über den Innenring (24) und den Außenring (26) übertragen wird und daß das Antriebselement (30) mit einem Antriebsmotor (34) gekoppelt ist.
2. Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bremse (36) vorgesehen ist, mittels der das Antriebselement (30) und/oder der Antriebsmotor (34) festgehalten werden können.
3. Überlageruhgsgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (36) elektromagnetisch arbeitet.
4. Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (36) die Motorwelle (32) des Antriebsmotors (34) festhalten kann.
5. Überlagerungsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (34) konzentrisch um die Eingangs¬ welle (12) und/oder die Ausgangswelle (22) herum angeordnet ist.
6. Überlagerungsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Eingangswellen-Positionssensor (42) vorgesehen ist.
7. Überlagerungsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Ausgangswellen-Positionssensor (46) vorgesehen ist.
8. Überlagerungsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß ein Motorwellen-Positionssensor (44) vorgesehen ist.
9. Überlagerungsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß sich der Antriebsmotor an einem Gehäuse des Überla¬ gerungsgetriebes abstützt.
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