WO2020104510A1 - Lenkrad und lenksystem - Google Patents

Lenkrad und lenksystem

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WO2020104510A1
WO2020104510A1 PCT/EP2019/081896 EP2019081896W WO2020104510A1 WO 2020104510 A1 WO2020104510 A1 WO 2020104510A1 EP 2019081896 W EP2019081896 W EP 2019081896W WO 2020104510 A1 WO2020104510 A1 WO 2020104510A1
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WO
WIPO (PCT)
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steering wheel
steering
stator
wheel rim
wheel hub
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/081896
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English (en)
French (fr)
Inventor
Blaz BRATINA
Sebastian Huber
Jean-Pierre Specht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Presta AG filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of WO2020104510A1 publication Critical patent/WO2020104510A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • B62D5/001—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup
    • B62D5/005—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback
    • B62D5/006—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback power actuated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/06—Rims, e.g. with heating means; Rim covers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0215—Determination of steering angle by measuring on the steering column
    • B62D15/022—Determination of steering angle by measuring on the steering column on or near the connection between the steering wheel and steering column

Definitions

  • the invention relates to a steering wheel and a steering system.
  • Steer-by-wire steering systems for motor vehicles accept manual steering commands from the driver by turning a steering wheel.
  • the steering wheel causes the rotation of a steering shaft, which, however, is not mechanically connected to the wheels to be steered via a steering gear.
  • Steering command detected via angle of rotation or torque sensors that emit an electrical control signal to a steering actuator A corresponding steering angle of the wheels can be adjusted by the steering actuator by means of an electric actuator.
  • the feedback actuator has a steering wheel actuator which, depending on the feedback signal, couples a return torque (feedback torque) corresponding to the real reaction torque into the steering spindle.
  • feedback torque feedback torque
  • a steering device with a feedback actuator is known from DE 10 2015 210 528 A1, for example, which transmits a reaction torque to a steering shaft via spring elements, a transmission element and abutment.
  • Steering shaft is connected to a steering wheel.
  • the reaction torque counteracts a steering torque introduced into the steering shaft by the driver.
  • the abutments are coupled to an actuator for the axial adjustment of the abutments.
  • the feedback actuator also includes one
  • the feedback actuator can therefore only be produced with increased effort and is therefore very cost-intensive.
  • the known feedback actuator requires a large amount of space.
  • the invention is based on the object of specifying a steering wheel with a feedback actuator which is of simple construction and has a compact design, as a result of which a space requirement is reduced.
  • the invention is also based on the object of specifying a steering system.
  • the invention is based on the idea of specifying a steering wheel for a steering system.
  • the steering wheel comprises at least one steering wheel hub and at least one steering wheel rim which can be rotated relative to the steering wheel hub in order to transmit a steering movement of a vehicle.
  • the steering wheel comprises at least one feedback actuator with a stator and a rotor, wherein the stator is coupled to the steering wheel hub and the rotor to the steering wheel rim.
  • the invention has several advantages.
  • the steering wheel rim is relatively rotatable relative to the steering wheel hub.
  • the steering wheel hub is provided fixed, in particular stationary, in the vehicle interior.
  • Steering spindle is thus designed such that it cannot be rotated about its longitudinal axis.
  • the steering spindle could thus be designed as a pin for mounting the steering wheel. It is also conceivable and possible for the steering wheel to be connected directly to an actuating unit, for example in the form of a tubular casing
  • the feedback actuator essentially comprises the structure and functioning of a
  • the invention has the further advantage that the space required in the vehicle is considerably reduced by the feedback actuator fully integrated in the steering wheel.
  • the steering wheel preferably has at least one connecting means which is connected to the steering wheel hub in a rotationally fixed manner.
  • the connecting means can be a
  • stationary connection means in particular the steering wheel spoke, can be rotated relatively.
  • a steering wheel spoke is preferably understood to mean a section that extends radially outward from the steering wheel hub toward the steering wheel rim.
  • the steering wheel particularly preferably has a single steering wheel spoke.
  • the steering wheel preferably has two steering wheel spokes, three steering wheel spokes or four steering wheel spokes, these over the Are distributed circumferentially.
  • the extensive distribution can be regular or irregular.
  • the feedback actuator is adapted such that a torque can be transferred from the steering wheel hub to the steering wheel rim for the simulation of steering wheel forces and / or driving conditions.
  • the torque or reaction torque essentially corresponds to the steering torque introduced by the driver.
  • feedback to the driver is advantageous. This advantageously simulates the impression of a real driving situation and thus facilitates an intuitive driver reaction.
  • the feedback actuator is adapted in such a way that an interference torque can be transmitted from the steering wheel hub to the steering wheel rim for the simulation of vibrations and / or deflections caused by uneven road surfaces.
  • the disturbance torque can be generated depending on real measured values, for example in a steer-by-wire steering system. It is also conceivable to transmit disturbing torques as vibrations or jerks to the steering wheel rim in order to convey a haptic signal or driving feeling to the driver.
  • the feedback actuator is arranged in the steering wheel rim.
  • the stator and the rotor are arranged in the steering wheel rim.
  • the rotor can be fixedly connected to the steering wheel rim.
  • the stator can be fixedly connected to the steering wheel hub.
  • the steering wheel hub preferably has at least one stator support region which is arranged in the steering wheel rim and on which the stator is arranged.
  • the stator is preferably arranged in the steering wheel rim.
  • the stator carrier area can be connected in a rotationally fixed manner to the steering wheel hub via the connecting means.
  • the steering wheel hub, the lanyard and the The stator carrier area can be formed in one piece. It is also conceivable that the steering wheel hub, the connecting means and the stator support area are formed at least in two parts. It is advantageous here that the steering wheel hub with the stator support area is used as a support for the stator. This results in a reduction in components, which saves costs.
  • the stator has a plurality of coils on the
  • Stator support area are arranged radially circumferential and lined up.
  • the structure of the stator by means of a plurality of coils lined up next to one another advantageously makes fine adjustment or transmission of a
  • Reaction torque on the steering wheel rim allows. As a result, a real driving experience can advantageously be generated on the steering wheel.
  • the rotor surrounds the stator radially on the outside.
  • the stator can form a stator ring, which surrounds the stator support region of the steering wheel hub. This advantageously achieves a compact design of the feedback actuator.
  • the steering wheel rim is rotatably supported on the steering wheel hub by a roller bearing.
  • the roller bearing can be arranged in the steering wheel rim.
  • the steering wheel rim can have at least one first bearing area on the inside, which forms a first rolling element raceway.
  • the steering wheel hub can have at least one second bearing area, which forms a second rolling element raceway.
  • the storage areas are arranged in the steering wheel rim. Rolling elements can be provided between the first bearing region of the steering wheel rim and the second bearing region of the steering wheel hub, which act on the rolling element raceways during a steering process
  • the roller bearing is thus advantageously arranged within the steering wheel rim, as a result of which a compact design of the steering wheel is achieved with the feedback actuator.
  • Rolling bearing of the steering wheel rim is preferably carried out by means of angular contact ball bearings, which are particularly preferably arranged in an O arrangement. Furthermore, such a rolling bearing is advantageously simple in construction and thus inexpensive to manufacture.
  • the steering wheel rim is by a
  • slide bearing rotatably mounted on the steering wheel hub. It can preferably be provided that the slide bearing has a bearing shell, which can be formed from plastic.
  • the steering wheel rim and / or the steering wheel hub comprises at least one bent part.
  • the steering wheel rim and / or the steering wheel hub can be produced in one piece by at least one bending process. It is also conceivable that the steering wheel rim and / or the
  • Steering wheel hub are formed in several parts, wherein the individual parts are positively and / or integrally connected. Alternatively, the individual parts are positively and / or integrally connected. Alternatively, the individual parts are positively and / or integrally connected.
  • Steering wheel hub can be formed as a cast component, particularly preferably made of an aluminum alloy or magnesium alloy.
  • the steering wheel hub that
  • the connecting means and the stator support area can thus be formed from a single bent part. It is advantageous here that system complexity is reduced by reducing the number of components. It is also advantageous that the steering wheel rim and the steering wheel hub are simple and inexpensive to manufacture.
  • the design of the steering wheel rim and the steering wheel hub as a bent part has the advantage that a steering wheel which is very narrow in cross section can be produced. This advantageously reduces the space requirement.
  • the position sensor can be designed as an angle sensor or as a combined angle-torque sensor.
  • the position sensor can detect a steering angle and / or a steering torque and pass it on to an control unit as an electronic measurement signal for further processing.
  • Steering wheel position and the steering angle of the wheels can be coordinated.
  • the position sensor is preferably designed as a contactless sensor, in particular as a magnetic or inductive or capacitive sensor.
  • Non-contact sensors are advantageously simple and can be used as position sensors with little design effort. Furthermore, they are inexpensive, whereby the total cost of the steering wheel with feedback actuator is kept low.
  • Two position sensors can preferably be provided, which determine the position of the steering wheel rim in relation to the steering wheel hub.
  • Two position sensors offer the possibility of a redundant arrangement, so that a corresponding ASIL class according to IS026262 can be achieved and thus the safety of the steering wheel is significantly increased.
  • a torque sensor can be provided between the steering wheel rim and the steering wheel hub, which determines the torque entered into the steering wheel rim by the driver and accordingly forwards it to the control unit.
  • a torque sensor can preferably be designed as a magnetic or inductive or capacitive sensor.
  • a cooling device which cools the steering wheel rim can furthermore preferably be provided in the steering wheel rim. This can be done, for example, by means of a fluid circuit or by convection cooling.
  • the steering wheel rim can also be cooled by means of thermosiphon cooling. This has the advantage that no pumping device is required.
  • a secondary aspect of the invention relates to a steering system, in particular a steer-by-wire steering system, for a motor vehicle, with a steering wheel of the aforementioned type and at least one electric steering drive which is electrically coupled to the steering wheel and through which a steering movement from the steering wheel at least one steerable wheel is transferable.
  • a steering system in particular a steer-by-wire steering system, for a motor vehicle, with a steering wheel of the aforementioned type and at least one electric steering drive which is electrically coupled to the steering wheel and through which a steering movement from the steering wheel at least one steerable wheel is transferable.
  • Figure 1 is a schematic representation of a steer-by-wire steering system
  • Figure 2 is a longitudinal sectional view of a steering wheel according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows a detail of the longitudinal sectional view of the steering wheel
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the steering wheel according to FIG. 1;
  • Figure 5 shows a detail of the cross-sectional view of the steering wheel
  • Figure 6 is a longitudinal sectional view of a steering wheel according to another
  • Figure 7 shows a detail of a longitudinal sectional view of the steering wheel according to
  • Figure 8 is a perspective view of a steering wheel according to a
  • Figure 9 is an exploded perspective view of the steering wheel according to
  • Figure 10 is a schematic longitudinal sectional view of the steering wheel according to
  • FIG. 1 schematically shows a steer-by-wire steering system 20, which comprises a steering wheel 10 and a steering column 24.
  • the steering column 20 is connected to an electric steering drive 21 via an electric line 26.
  • the steering column 24 comprises a tubular casing 25, which carries a non-rotatable steering spindle 251, the steering wheel 10 being arranged on the steering spindle 251.
  • the steering drive 21 comprises a servomotor 23 which is connected to the electrical line 26 and which
  • Steering angle of the steerable wheels 22 causes.
  • FIG. 2 to Figure 5 show a steering wheel 10 according to a preferred one
  • the steering wheel 10 has a steering wheel hub
  • the steering wheel 10 comprises a feedback actuator 13 for the simulation of
  • the steering wheel hub 11 and / or the steering wheel rim 12 can be rotationally symmetrical about a longitudinal axis L, in particular the steering axis, of the steering wheel 10.
  • the steering wheel hub 11 and the steering wheel rim 12 can have a shape that deviates from a rotationally symmetrical shape.
  • the steering wheel rim 12 is hollow.
  • the steering wheel rim 12 is essentially toroidal.
  • the steering wheel rim 12 has an interior 32.
  • the steering wheel rim 12 also has a circumferential slot 33 through which the interior 32 of the steering wheel rim 12 is open radially inwards.
  • the interior 32 of the steering wheel rim 12 is open radially inwards.
  • the steering wheel rim 12 comprises two rim elements 34, 35 and a jacket element 36.
  • the steering wheel rim 12 has a first rim element 34 and a second rim element 35.
  • the ring elements 34, 35 can be formed from sheet metal.
  • the ring elements 34, 35 can each be designed as a bent sheet metal part.
  • the first ring element 34 has an edge region 37 which is formed radially outside on the first ring element 34.
  • the edge region 37 is formed all around on the first ring element 34.
  • the edge region 37 forms a circumferential half-shell.
  • the first ring element 34 is designed to be closed radially inwards, in particular towards the longitudinal axis L. In other words, the first ring element 34 has a closed surface 34a which is arranged radially on the inside.
  • the closed surface 34a is advantageously used for functional elements and / or a display. This presupposes that the steering wheel 10 with the closed surface 34a facing the driver is provided in the vehicle.
  • the first ring element 34 can also be designed to be radially inward open or partially closed.
  • the second ring element 35 forms a further half shell.
  • Wreath element 34 and the second wreath element 35 delimit the interior 32 of the steering wheel rim 12.
  • the wreath elements 34, 35 partially enclose the interior 32.
  • the steering wheel rim 12 is enclosed radially on the outside by the jacket element 36.
  • the steering wheel hub 11 comprises a stator support area 16 which is arranged in the steering wheel rim 12. Specifically, the stator support area 16 is arranged in the interior 32 of the steering wheel rim 12. The stator support area 16 is by a
  • Connecting means 38 connected to the steering wheel hub 11 in a rotationally fixed manner.
  • Connecting means 38 is radial between the steering wheel hub 11 and the
  • the connecting means 38 is disc-shaped.
  • the connecting means 38 can also be by at least one
  • the steering wheel 10 preferably has a plurality of stuck, in particular stationary, steering wheel spokes that support the
  • Connecting means 38 extends from the steering wheel hub 11 through the circumferential slot 33 into the interior 32.
  • the steering wheel hub 11, the connecting means 38 and the stator support area 16 are formed in one piece. In other words, the steering wheel hub 11, the connecting means 38 and the stator support area 16 are made in one piece.
  • the steering wheel hub 11, the connecting means 38 and the stator support area 16 can be formed as a single bent part. It is also conceivable that the Steering wheel hub 11, the connecting means 38 and the stator support area 16 are formed in several parts.
  • the steering wheel hub 11 further comprises a bearing element 39, the one
  • Rolling raceway 43a has.
  • the bearing element 39 is arranged on the stator support region 16 and is firmly connected to it.
  • the roller bearing race 43a will be discussed in more detail later.
  • the feedback actuator 13 is in the
  • the feedback actuator 13 comprises a stator 14 and a rotor 15.
  • the stator 14 is coupled to the steering wheel hub 11. Specifically, the stator 14 is arranged radially on the outside on the stator support region 16 of the steering wheel hub 11.
  • the stator 14 is rotatably connected to the stator support area 16 and thus to the steering wheel hub 11.
  • the stator 14 has a plurality of coils 17, which are arranged on the stator support region 16 radially on the outside and in a row.
  • the stator 14 forms a stator ring with the coiled coil 17. In other words, the stator 14 is annular.
  • the stator 14 encloses the
  • Stator support area 16 completely.
  • the stator 14 can also surround the stator carrier area 16 of the steering wheel hub 11 in sections, in particular in part.
  • the coils 17 each comprise a winding and a laminated core, the laminated core being designed in the shape of an I profile in cross section.
  • the coils 17 each form an electromagnet.
  • the stator 14 can be adapted such that the coils 17 can be controlled individually and / or in groups. In other words, the stator 14 can be controlled in such a way that a voltage is applied to individual coils 17 and / or to a plurality of coils 17, in particular coil groups.
  • stator 14 If the stator 14 is controlled by a control unit (not shown) or if a voltage is present at the stator 14, a magnetic field is generated by the coils 17. To transmit a torque from the stator 14 to the rotor 15, the generated magnetic field of the coils 17 is repeated several times by
  • the rotor 15 or the Steering wheel rim 12 can thereby be set in rotation and / or vibration. Furthermore, difficult, in particular braked, steering is made possible.
  • the rotor 15 is annular.
  • the rotor 15 is coupled to the steering wheel rim 12.
  • the rotor 15 is rotatably connected to the steering wheel rim 12.
  • the rotor 15 surrounds the stator 14 radially on the outside.
  • annular gap 41 in particular an air gap, which can be clearly seen in FIG. 5.
  • the rotor 15 is thus relatively rotatable relative to the stator 14. In other words, it is
  • the feedback actuator 13 is adapted such that a torque, in particular a reaction torque, can be transmitted from the steering wheel hub 11 to the steering wheel rim 12 for the simulation of steering forces and / or driving conditions.
  • the feedback actuator 13 is comparable to an electric motor, which as
  • a shielding device can be provided between the rotor 15 and the steering wheel rim 12, which protects the surroundings of the steering wheel from electrical and magnetic influences and thus avoids malfunctions of other devices.
  • the steering wheel rim 12 itself can provide such a shielding device. So that points
  • Steering wheel 10 according to the invention the ability not to disturb other devices by unwanted electrical or electromagnetic effects or to be disturbed by other devices.
  • stator 14 and the rotor 15 form a synchronous machine which is controlled by means of pulse width modulation.
  • the rotor 15 can be formed from a permanent magnet. It is also conceivable that the rotor 15 is formed from a plurality of permanent magnet elements, each of which adjoins one another with opposite poles. Here, by a appropriate control of the stator 14 a torque or
  • Reaction torque are transferred to the steering wheel rim 12 via the rotor 15.
  • the feedback actuator 13 can be different
  • Driving conditions are simulated, which gives the driver a real driving experience. Furthermore, an automatic steering wheel reset can take place after a steering operation.
  • the rotor 15, like the stator 14, can be formed by a plurality of coils which are arranged on the inside of the steering wheel rim and are lined up in a row.
  • the coils can be controlled in the same way as in the stator 14 in order to transmit a torque to the steering wheel rim 12.
  • the rotor 15 can be formed from a metal ring.
  • the rotor 15 is moved via the stator 14, a voltage being induced in the rotor 15 by the magnetic field of the coils 17. This creates eddy currents which can brake the rotary movement of the steering wheel rim 12 depending on the intensity of the magnetic field.
  • the feedback actuator has the functionality of a conventional eddy current brake.
  • the rotor 15 consists of at least one
  • Permanent magnet and a metal ring is formed to combine the advantages of precise steering wheel adjustment through torque transmission and an eddy current brake.
  • the steering wheel 10 further comprises a position sensor, not shown, which determines a position, in particular a steering angle, of the steering wheel rim 12 relative to the stationary steering wheel hub 11. It is also conceivable that the steering wheel 10 comprises more than one position sensor.
  • the position sensor is a non-contact sensor, especially as
  • Position sensor can be used as an angle sensor or as a combined angle and
  • Torque sensor may be formed.
  • the position sensor can detect a steering angle and / or a steering torque and forward it as an electronic measurement signal to a control unit (not shown) for further processing.
  • a control unit not shown
  • Steering wheel position and the steering angle of the wheels can be coordinated.
  • FIG. 2 and Figure 3 also show a roller bearing 18 through which the
  • Steering wheel rim 12 is rotatably mounted on the steering wheel hub 11. Specifically, the steering wheel rim 12 is on the connecting means 38 through the roller bearing 18,
  • the roller bearing 18 is arranged in the steering wheel rim 12.
  • the steering wheel rim 12 has radially on the inside two first bearing areas 42, each of which forms a first rolling element raceway 42a. This also includes
  • connecting means 38 has a second bearing region 43, which forms a second rolling element raceway 43a
  • the bearing element 39 has a further second bearing region 43, which forms a further second rolling bearing raceway 43a.
  • the second bearing areas 43 are arranged in the steering wheel rim 11.
  • Rolling elements 44 are provided between the first bearing areas 42 of the steering wheel rim 12 and the second bearing areas 43 of the connecting means 38 and the bearing element 39.
  • the rolling elements 44 are rotatably arranged in a cage.
  • the rolling elements 44 can also freely, in particular without a cage, between the
  • Storage areas 42, 43 may be provided. If the steering wheel rim 12 is rotated relative to the steering wheel hub 11 during a steering operation, the wheels roll
  • Rolling elements 44 on the rolling element raceways 42a, 43a are spherical.
  • the rolling elements 44 can also be designed as rollers or needles.
  • the steering wheel 10 according to FIG. 6 and FIG. 7 has a roller bearing 18, which is provided outside a steering wheel rim 12.
  • the roller bearing 18 is arranged radially on the inside in the steering wheel hub 11.
  • the steering wheel rim 12 has, on a first ring element 34, a ring hub 45 with which the steering wheel rim 12 engages in the steering wheel hub 11.
  • the ring hub 45 is formed in one piece with the first ring element 34.
  • the roller bearing 18 is arranged radially between the ring hub 45 of the steering wheel rim 12 and the steering wheel hub 11.
  • the steering wheel hub 11 is fixed relative to the ring hub 45, especially silent. In other words, only the steering wheel rim 12
  • the steering wheel hub 11 does not comprise a bearing element 39 since the
  • Rolling bearing 18 according to Figure 6 is provided outside the steering wheel rim 12.
  • the steering column 24 comprises a tubular casing 25 and a holding unit 46.
  • the tubular casing 25 is connected to the holding unit 46, which in this case is designed as an outer tubular casing, in a rotationally fixed manner.
  • the holding unit 46 is carried by a console, the console being connectable to a vehicle.
  • the jacket tube 25 can be arranged axially displaceably in the holding unit 46 for length adjustment.
  • the steering column 24 further comprises an adjusting device 47, by means of which the steering wheel 10 can be adjusted in height, in which the holding unit 46 can be pivoted about a pivot axis relative to the console.
  • the steering column 24 is hollow on the inside.
  • the jacket tube 25 and / or the holding unit 46 for receiving electrical lines and / or at least one electrical drive is hollow.
  • At least one electrical drive and / or electrical lines can be arranged in the holding unit 46 and / or the casing tube 25.
  • the casing tube 25 has a first end 48 which is provided axially facing away from the holding unit 46.
  • the steering wheel 10 is arranged on the casing tube 25 at the first end 48.
  • the casing tube 25 has one at the first end 48
  • Jacket pipe paragraph 25a on which the steering wheel 10 is arranged is arranged.
  • the steering wheel 10 comprises a steering wheel hub 11, a steering wheel rim 12 and a plurality of connecting means 38 which are designed as steering wheel spokes.
  • the steering wheel hub 11 is rotatably connected to the steering wheel rim 12 by the connecting means 38.
  • the steering wheel 10 further comprises a feedback actuator 13, which is embedded in the steering wheel hub 11.
  • the structure and the mode of operation of the feedback actuator 13 correspond to the structure and the mode of operation of the feedback actuator 13 according to FIGS. 2 to 5.
  • the feedback actuator 13 according to FIGS. 8 to 10 is as External runners trained.
  • the feedback actuator 13 comprises a stator 14 and a rotor 15, the stator 14 being connected in a rotationally fixed manner to the casing tube 25 and the rotor 15 being connected in a rotationally fixed manner to the steering wheel hub 11.
  • the stator 14 is surrounded radially on the outside by the rotor 15.
  • the feedback actuator 13 according to FIGS. 8 to 10 is designed as an inner rotor.
  • the rotor 15 is enclosed radially on the outside by the stator 14.
  • the feedback actuator 13 can be formed as a direct drive by a DC hollow shaft motor.
  • the direct drive for adjusting the steering wheel 10 can be arranged inside the casing tube 25 and a
  • the direct drive can be firmly connected to the casing tube 25.
  • the rotor 15 is sleeve-shaped.
  • the rotor 15 comprises two bearing sections 49, 51, a first bearing 52 being arranged in a first bearing section 49 and a second bearing 53 being arranged in a second bearing section 51.
  • the rotor 15 and thus the steering wheel rim 12 is rotatably supported on the casing tube 25 by the bearings 52, 53.
  • the rotor 15 has a transmission section 54 in which a torque is transmitted from the stator 14 to the rotor 15.
  • the stator 14 is arranged on the jacket tube shoulder 25a of the jacket tube 25.
  • the stator 14 is rotatably connected to the casing tube 25.
  • the stator 14 has a plurality of coils 17, by means of which a magnetic field is generated during operation and thus a torque can be introduced into the steering wheel hub 11 and thus into the steering wheel rim 12.
  • FIG. 10 also shows a position sensor 55, in particular an angle sensor, which is arranged on the jacket tube 25.
  • the position sensor 55 is on arranged the jacket pipe heel 25a of the jacket tube 25 and detects the position of the steering wheel rim 12 relative to the jacket tube 25.
  • the steering wheel 10 comprises a front area 56 on which, for example, a display is provided. It is also conceivable that an airbag is provided in the front area 56. If the airbag is designed as a non-rotating airbag, it can be arranged in the tubular casing 25.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkrad (10) für ein Lenksystem, das wenigstens eine Lenkradnabe (11) und wenigstens einen Lenkradkranz (12) umfasst, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe (11) verdrehbar ist, wobei das Lenkrad wenigstens einen Feedback-Aktuator (13) mit einem Stator (14) und einem Rotor (15) umfasst, wobei der Stator (14) mit der Lenkradnabe (11) und der Rotor (15) mit dem Lenkradkranz (12) gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Lenksystem.

Description

Lenkrad und Lenksystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Lenkrad und ein Lenksystem.
Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch Drehung eines Lenkrades entgegen. Das Lenkrad bewirkt die Drehung einer Lenkwelle, die jedoch nicht mechanisch über ein Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist. Hierbei wird der eingebrachte
Lenkbefehl über Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren erfasst, die ein elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben. Durch den Lenksteller ist mittels eines elektrischen Stellantriebs ein entsprechender Lenkeinschlag der Räder einstellbar.
Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare mechanische Rückmeldung über den Lenkstrang. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer, aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die
Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit verringert werden.
Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist aus dem Stand der Technik bekannt, in einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie
Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungssignal zu bilden, welches in einen Feedback-Aktuator eingespeist wird. Generell weist der Feedback-Aktuator einen Lenkradsteller auf, der abhängig vom Rückkopplungssignal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment (Feedbackmoment) in die Lenkspindel einkoppelt. Derartige„Force-Feedback"-Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
Aus der DE 10 2015 210 528 Al ist beispielsweise eine Lenkeinrichtung mit einem Feedback-Aktuator bekannt, der über Federelemente, ein Übertragungselement sowie Widerlager ein Reaktionsmoment auf eine Lenkwelle überträgt. Die
Lenkwelle ist mit einem Lenkrad verbunden. Das Reaktionsmoment wirkt einem in die Lenkwelle vom Fahrer eingebrachten Lenkmoment entgegen. Ferner sind die Widerlager mit einem Stellantrieb zur axialen Verstellung der Widerlager gekoppelt. Der Feedback-Aktuator umfasst des Weiteren eine
Führungseinrichtung und ein Mantelgehäuse.
Der bekannte Feedback-Aktuator hat den Nachteil, dass dieser eine hohe
Komplexität sowie eine hohe Teileanzahl aufweist. Der Feedback-Aktuator ist somit nur mit erhöhtem Aufwand herstellbar und daher sehr kostenintensiv.
Ferner erfordert der bekannte Feedback-Aktuator einen hohen Bauraumbedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Lenkrad mit einem Feedback- Aktuator anzugeben, welches einfach aufgebaut ist und eine kompakte Bauform aufweist, wodurch ein Bauraumbedarf reduziert wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Lenksystem anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Lenkrad durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Lenksystems wird die vorstehend genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Lenkrad für ein Lenksystem anzugeben. Das Lenkrad umfasst wenigstens eine Lenkradnabe und wenigstens einen Lenkradkranz, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe verdrehbar ist. Das Lenkrad umfasst wenigstens einen Feedback-Aktuator mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator mit der Lenkradnabe und der Rotor mit dem Lenkradkranz gekoppelt ist.
Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Der Lenkradkranz ist gegenüber der Lenkradnabe relativ verdrehbar. Mit anderen Worten ist die Lenkradnabe festsitzend, insbesondere stillstehend, im Fahrzeuginnenraum vorgesehen.
Vorteilhaft entfällt dadurch eine drehend gelagerte Lenkspindel zur Übertragung der Lenkbewegung, wodurch eine Lagerung der Lenkspindel sowie des Lenkrades vereinfacht wird und somit Kosten eingespart werden. Die Lagerung der
Lenkspindel ist somit derart ausgebildet, dass diese um ihre Längsachse unverdrehbar ist. Die Lenkspindel könnte somit als Zapfen zur Montage des Lenkrades ausgebildet sein. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, dass Lenkrad direkt mit einer Stelleinheit, beispielweise in Form eines Mantelrohrs, der
Lenksäule zu montieren, so dass keine Lenkspindel erforderlich ist. Durch die Kopplung des Stators mit der Lenkradnabe und des Rotors mit dem Lenkradkranz, weist das Lenkrad vorteilhaft eine kompakte Bauform auf. Der Feedback-Aktuator umfasst im Wesentlichen den Aufbau und die Funktionsweise eines
herkömmlichen Elektromotors und ist daher vorteilhaft mit geringem Aufwand in das Lenkrad integrierbar sowie kostengünstig herstellbar.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass durch den vollständig im Lenkrad integrierten Feedback-Aktuator ein Bauraumbedarf im Fahrzeug erheblich reduziert wird.
Das Lenkrad weist vorzugsweise wenigstens ein Verbindungsmittel auf, das mit der Lenkradnabe drehfest verbunden ist. Das Verbindungsmittel kann eine
Lenkradspeiche bilden. Somit kann der Lenkradkranz gegenüber dem
stillstehenden Verbindungsmittel, insbesondere der Lenkradspeiche, relativ verdrehbar sein.
Unter einer Lenkradspeiche versteht man bevorzugt einen von der Lenkradnabe ausgehend radial nach außen zum Lenkradkranz hin erstreckenden Abschnitt. Besonders bevorzugt weist das Lenkrad eine einzige Lenkradspeiche auf. In einer alternativen Ausführungsform weist das Lenkrad bevorzugt zwei Lenkradspeichen, drei Lenkradspeichen oder vier Lenkradspeichen auf, wobei diese über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die umfängliche Verteilung kann regelmäßig oder unregelmäßig sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Feedback-Aktuator derart angepasst, dass ein Drehmoment von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz zur Simulation von Lenkradkräften und/oder Fahrbedingungen übertragbar ist. Das Drehmoment bzw. Reaktionsmoment entspricht dabei im Wesentlichen dem durch den Fahrer eingebrachten Lenkmoment. Durch die Übertragung des Drehmoments bzw. des Reaktionsmoments von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz erfolgt in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, den aktuellen Lenkeinschlag der Räder und weiteren Betriebsparametern vorteilhaft eine Rückmeldung an den Fahrer. Dadurch wird vorteilhaft der Eindruck einer realen Fahrsituation simuliert und somit eine intuitive Reaktion des Fahrers erleichtert.
Ferner ist denkbar, dass der Feedback-Aktuator derart angepasst ist, dass ein Störmoment von der Lenkradnabe auf den Lenkradkranz zur Simulation von durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Vibrationen und/oder Auslenkungen übertragbar ist. Das Störmoment kann in Abhängigkeit von realen Messwerten bspw. bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem erzeugt werden. Es ist weiterhin denkbar, Störmomente als Vibration oder Ruckein auf den Lenkradkranz zu übertragen, um dem Fahrer ein haptisches Signal bzw. Fahrgefühl zu vermitteln.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Feedback-Aktuator im Lenkradkranz angeordnet. Mit anderen Worten sind hierbei der Stator und der Rotor im Lenkradkranz angeordnet. Der Rotor kann mit dem Lenkradkranz positionsfest verbunden sein. Der Stator kann mit der Lenkradnabe positionsfest verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass eine kompakte Bauform des Lenkrads mit dem Feedback-Aktuator erreicht und ein Bauraumbedarf im
Fahrzeuginnenraum erheblich reduziert wird.
Vorzugsweise weist die Lenkradnabe wenigstens einen Statorträgerbereich auf, der im Lenkradkranz angeordnet ist und an dem der Stator angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Stator vorzugsweise im Lenkradkranz angeordnet. Der Statorträgerbereich kann über das Verbindungsmittel mit der Lenkradnabe drehfest verbunden sein. Die Lenkradnabe, das Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich können einteilig ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Lenkradnabe, das Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich zumindest zweiteilig ausgebildet sind. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Lenkradnabe mit dem Statorträgerbereich als Träger für den Stator genutzt wird. Dadurch wird eine Bauteilreduzierung erreicht, wodurch Kosten eingespart werden.
Weiter vorzugsweise weist der Stator mehrere Spulen auf, die am
Statorträgerbereich radial umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Durch den Aufbau des Stators durch mehrere, aneinandergereihte Spulen wird vorteilhaft eine feinstufige Einstellung bzw. Übertragung eines
Reaktionsdrehmoments auf den Lenkradkranz ermöglicht. Dadurch kann vorteilhaft ein reales Fahrgefühl am Lenkrad erzeugt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umschließt der Rotor den Stator radial außen. Der Stator kann einen Statorring bilden, der den Statorträgerbereich der Lenkradnabe umschließt. Vorteilhaft wird dadurch eine kompakte Bauform des Feedback-Aktuator erreicht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lenkradkranz durch eine Wälzlagerung drehbar an der Lenkradnabe gelagert. Die Wälzlagerung kann im Lenkradkranz angeordnet sein. Der Lenkradkranz kann dazu innen wenigstens einen ersten Lagerbereich aufweisen, der eine erste Wälzkörperlaufbahn bildet. Ferner kann die Lenkradnabe wenigstens einen zweiten Lagerbereich aufweisen, der eine zweite Wälzkörperlaufbahn bildet. Die Lagerbereiche sind hierbei im Lenkradkranz angeordnet. Zwischen dem ersten Lagerbereich des Lenkradkranzes und dem zweiten Lagerbereich der Lenkradnabe können Wälzkörper vorgesehen sein, die bei einem Lenkvorgang an den Wälzkörperlaufbahnen des
Lenkradkranzes bzw. der Lenkradnabe abrollen. Die Wälzlagerung ist somit vorteilhaft innerhalb des Lenkradkranzes angeordnet, wodurch eine kompakte Bauform des Lenkrades mit dem Feedback-Aktuator erreicht wird. Die
Wälzlagerung des Lenkradkranzens erfolgt bevorzugt mittels Schrägkugellager, die besonders bevorzugt in einer O-Anordnung angeordnet sind. Ferner ist eine solche Wälzlagerung vorteilhaft einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar. In einer alternativen Ausführungsform ist der Lenkradkranz durch eine
Gleitlagerung drehbar an der Lenkradnabe gelagert. Es kann dabei bevorzugt vorgesehen sein, dass die Gleitlagerung eine Lagerschale aufweist, wobei diese aus Kunststoff gebildet sein kann.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Lenkradkranz und/oder die Lenkradnabe wenigstens ein Biegeteil. Mit anderen Worten können der Lenkradkranz und/oder die Lenkradnabe durch wenigstens einen Biegevorgang aus einem Stück hergestellt sein. Es ist auch denkbar, dass der Lenkradkranz und/oder die
Lenkradnabe mehrteilig ausgebildet sind, wobei die Einzelteile formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Alternativ kann die
Lenkradnabe als Gussbauteil ausgebildet sein, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung. Die Lenkradnabe, das
Verbindungsmittel und der Statorträgerbereich können somit aus einem einzelnen Biegeteil gebildet sein. Hierbei ist vorteilhaft, dass durch eine Bauteilreduzierung eine Systemkomplexität reduziert ist. Ferner ist vorteilhaft, dass der Lenkradkranz sowie die Lenkradnabe einfachen kostengünstig herstellbar sind. Die Ausbildung des Lenkradkranzes sowie der Lenkradnabe als Biegeteil hat den Vorteil, dass ein im Querschnitt sehr schmales Lenkrad herstellbar ist. Dadurch wird vorteilhaft ein Bauraumbedarf reduziert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Positionssensor
vorgesehen, der eine Position des Lenkradkranzes gegenüber der Lenkradnabe bestimmt. Der Positionssensor kann als Winkelsensor oder als kombinierter Winkel-Drehmomentsensor ausgebildet sein. Der Positionssensor kann einen Lenkwinkel und/oder ein Lenkmoment erfassen und als elektronisches Messsignal zur Weiterverarbeitung an eine Steuereinheit weiterleiten. Durch den
Positionssensor wird vorteilhaft eine kontinuierliche Bestimmung der
Lenkradstellung ermöglicht. Ferner können durch den Positionssensor die
Lenkradstellung und der Lenkeinschlag der Räder aufeinander abgestimmt werden.
Vorzugsweise ist der Positionssensor als berührungsloser Sensor, insbesondere als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet.
Berührungslose Sensoren sind vorteilhaft einfach und ohne großen konstruktiven Aufwand als Positionssensoren einsetzbar. Ferner sind diese kostengünstig, wodurch die Gesamtkosten des Lenkrades mit Feedback-Aktuator geringgehalten sind.
Bevorzugt können zwei Positionssensoren vorgesehen sein, die die Position des Lenkradkranzes gegenüber der Lenkradnabe bestimmen. Zwei Positionssensoren bieten die Möglichkeit einer redundanten Anordnung, so dass eine entsprechende ASIL Klasse gemäß IS026262 erreicht werden kann und somit die Sicherheit des Lenkrades deutlich erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann zwischen dem Lenkradkranz und der Lenkradnabe ein Drehmomentensensor vorgesehen sein, der das in den Lenkradkranz durch den Fahrer eingetragene Drehmoment bestimmt und entsprechend an die Steuereinheit weiterleitet. Ein solcher Drehmomentensensor kann bevorzugt als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet sein.
Durch den elektrischen Betrieb des Feedback-Aktuators entsteht Wärme als Verlustleistung, die zur Beheizung des Lenkradkranzes genutzt werden kann. Da dies jedoch nicht in allen Situation durch den Fahrer gewünscht ist, kann weiters bevorzugt eine Kühlvorrichtung im Lenkradkranz vorgesehen sein, die den Lenkradkranz kühlt. Dies kann beispielsweise mittels eines Fluidkreislaufs oder durch eine Konvektionskühlung erfolgen.
Die Kühlung des Lenkradkranzes kann auch mittels einer Thermosiphonkühlung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine Pumpeinrichtung erforderlich ist.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere ein Steer-by-Wire Lenksystem, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkrad der vorstehend genannten Art und wenigstens einem elektrischen Lenkantrieb, der mit dem Lenkrad elektrisch gekoppelt ist und durch den eine Lenkbewegung vom Lenkrad auf wenigstens ein lenkbares Rad übertragbar ist. Hierbei wird auf die im Zusammenhang mit dem Lenkrad erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus kann das Lenksystem alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf das Lenkrad genannter Merkmale aufweisen. Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die dargestellten Ausführungsformen stellen Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Lenkrad ausgestaltet sein kann.
In diesen zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems;
Figur 2 eine Längsschnittansicht eines Lenkrades nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Figur 3 einen Detailausschnitt der Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß
Figur 1;
Figur 4 eine Querschnittansicht des Lenkrades gemäß Figur 1;
Figur 5 einen Detailausschnitt der Querschnittsansicht des Lenkrades gemäß
Figur 1;
Figur 6 eine Längsschnittansicht eines Lenkrades nach einem weiteren
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Figur 7 ein Detailausschnitt einer Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß
Figur 6;
Figur 8 eine perspektivische Darstellung eines Lenkrades nach einem
weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Lenkrad mit einer
Lenksäule verbunden ist;
Figur 9 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Lenkrades gemäß
Figur 8 mit einem Feedback-Aktuator; und
Figur 10 eine schematische Längsschnittansicht des Lenkrades gemäß
Figur 8. Figur 1 zeigt schematisch ein Steer-by-Wire-Lenksystem 20, die ein Lenkrad 10 und eine Lenksäule 24 umfasst. Die Lenksäule 20 ist über eine elektrische Leitung 26 mit einem elektrischen Lenkantrieb 21 verbunden. Die Lenksäule 24 umfasst ein Mantelrohr 25, welches eine unverdrehbare Lenkspindel 251 trägt, wobei an der Lenkspindel 251 das Lenkrad 10 angeordnet ist. Der Lenkantrieb 21 umfasst einen mit der elektrischen Leitung 26 verbundenen Stellmotor 23, der ein
Lenkungs-Stellmoment in ein Lenkgetriebe 27 einleitet. Im Lenkgetriebe 27 wird das Lenkungs-Stellmoment über ein Ritzel 29 und eine Zahnstange 28 in eine Translationsbewegung der Spurstangen 31 umgesetzt. Dadurch wird ein
Lenkeinschlag der lenkbaren Räder 22 bewirkt.
Figur 2 bis Figur 5 zeigen ein Lenkrad 10 nach einem bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Lenkrad 10 weist eine Lenkradnabe
11 und einen Lenkradkranz 12 auf, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe verdrehbar ist. Ferner umfasst das Lenkrad 10 einen Feedback-Aktuator 13 zur Simulation von
Lenkkräften und/oder Fahrbedingungen, auf den später näher eingegangen wird.
Die Lenkradnabe 11 und/oder der Lenkradkranz 12 können rotationssymmetrisch um eine Längsachse L, insbesondere Lenkachse, des Lenkrades 10 ausgebildet sein. Alternativ können die Lenkradnabe 11 und der Lenkradkranz 12 ein von einer rotationssymmetrischen Form abweichende Form aufweisen.
Wie in Figur 2 und Figur 3 gezeigt, ist der Lenkradkranz 12 hohl ausgebildet. Der Lenkradkranz 12 ist im Wesentlichen torusförmig ausgebildet. Der Lenkradkranz
12 weist einen Innenraum 32 auf. Der Lenkradkranz 12 weist ferner einen umlaufenden Schlitz 33 auf, durch den der Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12 radial nach innen offen ist. Mit anderen Worten ist der Innenraum 32 des
Lenkradkranzes 12 durch den umlaufenden Schlitz 33 zur Längsachse L hin offen ausgebildet.
Der Lenkradkranz 12 umfasst zwei Kranzelemente 34, 35 und ein Mantelelement 36. Konkret weist der Lenkradkranz 12 ein erstes Kranzelement 34 und ein zweites Kranzelement 35 auf. Die Kranzelemente 34, 35 können aus Blech gebildet sein. Die Kranzelemente 34, 35 können jeweils als Blechbiegeteil ausgebildet sein. Das erste Kranzelement 34 weist einen Randbereich 37 auf, der radial außen am ersten Kranzelement 34 ausgebildet ist. Der Randbereich 37 ist am ersten Kranzelement 34 umlaufend ausgebildet. Der Randbereich 37 bildet eine umlaufende Halbschale. Das erste Kranzelement 34 ist radial nach innen, insbesondere zur Längsachse L hin, geschlossen ausgebildet. Mit andere Worten weist das erste Kranzelement 34 eine geschlossene Fläche 34a auf, die radial innen angeordnet ist. Hierbei ist denkbar, dass die geschlossene Fläche 34a vorteilhaft für Funktionselemente und/oder einem Display genutzt wird. Dies setzt voraus, dass das Lenkrad 10 mit der geschlossenen Fläche 34a dem Fahrer zugewandt im Fahrzeug vorgesehen ist. Das erste Kranzelement 34 kann auch radial nach innen offen oder teilweise geschlossen ausgebildet sein.
Das zweite Kranzelement 35 bildet eine weitere Halbschale. Das erste
Kranzelement 34 und das zweite Kranzelement 35 begrenzen den Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12. Mit anderen Worten umschließen die Kranzelemente 34, 35 den Innenraum 32 teilweise. Der Lenkradkranz 12 ist radial außen durch das Mantelelement 36 umschlossen.
Die Lenkradnabe 11 umfasst einen Statorträgerbereich 16, der im Lenkradkranz 12 angeordnet ist. Konkret ist der Statorträgerbereich 16 im Innenraum 32 des Lenkradkranzes 12 angeordnet. Der Statorträgerbereich 16 ist durch ein
Verbindungsmittel 38 mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden. Das
Verbindungsmittel 38 ist radial zwischen der Lenkradnabe 11 und dem
Statorträgerbereich 16 angeordnet. Das Verbindungsmittel 38 ist scheibenförmig ausgebildet. Das Verbindungsmittel 38 kann auch durch wenigstens eine
Lenkradspeiche gebildet sein. Vorzugweise weist das Lenkrad 10 mehrere festsitzende, insbesondere stillstehende, Lenkradspeichen auf, die die
Lenkradnabe 11 mit dem Statorträgerbereich 16 drehfest verbinden. Das
Verbindungsmittel 38 erstreckt sich ausgehend von der Lenkradnabe 11 durch den umlaufenden Schlitz 33 in den Innenraum 32.
Die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 sind einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 aus einem Stück hergestellt. Die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 können als ein einziges Biegeteil ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Lenkradnabe 11, das Verbindungsmittel 38 und der Statorträgerbereich 16 mehrteilig ausgebildet sind.
Die Lenkradnabe 11 umfasst des Weiteren ein Lagerelement 39, das eine
Wälzlagerlaufbahn 43a aufweist. Das Lagerelement 39 ist am Statorträgerbereich 16 angeordnet und mit diesem fest verbunden. Auf die Wälzlagerlaufbahn 43a wird später näher eingegangen.
Wie in Figur 2 und Figur 3 gut erkennbar, ist der Feedback-Aktuator 13 im
Lenkradkranz 12 angeordnet. Der Feedback-Aktuator 13 umfasst einen Stator 14 und einen Rotor 15. Der Stator 14 ist mit der Lenkradnabe 11 gekoppelt. Konkret ist der Stator 14 mit am Statorträgerbereich 16 der Lenkradnabe 11 radial außen angeordnet. Der Stator 14 ist mit dem Statorträgerbereich 16 und somit mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden.
Der Stator 14 weist mehrere Spulen 17 auf, die am Statorträgerbereich 16 radial außen umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Der Stator 14 bildet mit den aneinandergereihten Spule 17 einen Statorring. Mit anderen Worten ist der Stator 14 ringförmig ausgebildet. Der Stator 14 umschließt den
Statorträgerbereich 16 vollständig. Der Stator 14 kann den Statorträgerbereich 16 der Lenkradnabe 11 auch abschnittsweise, insbesondere teilweise, umschließen.
Die Spulen 17 umfassen jeweils eine Wicklung und ein Blechpaket, wobei das Blechpaket im Querschnitt I-profilförmig ausgebildet ist. Die Spulen 17 bilden jeweils einen Elektromagneten. Der Stator 14 kann derart angepasst sein, dass die Spulen 17 einzeln und/oder in Gruppen ansteuerbar sind. Mit anderen Worten kann der Stator 14 derart ansteuerbar sein, dass an einzelnen Spulen 17 und/oder an mehreren Spulen 17, insbesondere Spulengruppen, eine Spannung anliegt.
Wird der Stator 14 von einer nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert bzw. liegt am Stator 14 eine Spannung an, so wird durch die Spulen 17 jeweils ein Magnetfeld erzeugt. Zur Übertragung eines Drehmoments vom Stator 14 auf den Rotor 15 wird das erzeugte Magnetfeld der Spulen 17 mehrfach durch ein
Umpolen der Spulen 17 gedreht. Dies entspricht im Wesentlichen der
Funktionsweise eines allgemein bekannten Elektromotors. Der Rotor 15 bzw. der Lenkradkranz 12 können dadurch in Rotation und/oder Vibration versetzt werden. Ferner wird ein erschwertes, insbesondere gebremstes, Lenken ermöglicht.
Dadurch erfolgt in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der
Fahrzeuggeschwindigkeit und weiteren Betriebszuständen vorteilhaft eine
Rückmeldung an den Fahrer, wodurch ein reales Fahrgefühl vermittelt wird.
Wie in Figur 4 gezeigt, ist der Rotor 15 ringförmig ausgebildet. Der Rotor 15 ist mit dem Lenkradkranz 12 gekoppelt. Der Rotor 15 ist mit dem Lenkradkranz 12 drehfest verbunden. Der Rotor 15 umschließt den Stator 14 radial außen.
Zwischen dem Rotor 15 und dem Stator 14 ist ein Ringspalt 41, insbesondere ein Luftspalt vorgesehen, der in Figur 5 gut erkennbar ist. Der Rotor 15 ist somit gegenüber dem Stator 14 relativ verdrehbar. Mit anderen Worten ist der
Lenkradkranz 12 gegenüber dem Verbindungsmittel 38, insbesondere der
Lenkradspeiche, und somit gegenüber der Lenkradnabe 11 relativ verdrehbar. Der Feedback-Aktuator 13 ist derart angepasst, dass ein Drehmoment, insbesondere ein Reaktionsmoment, von der Lenkradnabe 11 auf den Lenkradkranz 12 zur Simulation von Lenkkräften und/oder Fahrbedingungen übertragbar ist. Der Feedback-Aktuator 13 ist mit einem Elektromotor vergleichbar, der als
Außenläufer ausgebildet ist.
In einer bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung kann zwischen dem Rotor 15 und dem Lenkradkranz 12 eine Abschirmvorrichtung vorgesehen sein, die die Umgebung des Lenkrads vor elektrischen und magnetischen Einflüssen schützt und somit Störungen anderer Vorrichtungen vermeidet. Der Lenkradkranz 12 kann selbst eine solche Abschirmvorrichtung bereitstellen. Somit weist das
erfindungsgemäße Lenkrad 10 die Fähigkeit auf, andere Vorrichtungen nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Vorrichtungen gestört zu werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bilden der Stator 14 und der Rotor 15 eine Synchronmaschine, die mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird.
Der Rotor 15 kann aus einem Permanentmagneten gebildet sein. Es ist auch denkbar, dass der Rotor 15 aus mehreren Permanentmagnetelementen gebildet ist, die jeweils gegenpolig aneinander angrenzen. Hierbei kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Stators 14 ein Drehmoment bzw.
Reaktionsmoment über den Rotor 15 auf den Lenkradkranz 12 übertragen werden. Durch den Feedback-Aktuator 13 können unterschiedliche
Fahrbedingungen simuliert werden, wodurch dem Fahrer ein reales Fahrgefühl vermittelt wird. Ferner kann so eine automatische Lenkradrückstellung nach einem Lenkvorgang erfolgen.
Alternativ kann der Rotor 15 ebenso wie der Stator 14 durch mehrere Spulen gebildet sein, die innen am Lenkradkranz umlaufend und aneinandergereiht angeordnet sind. Bei dieser Variante des Rotors 15 können die Spulen gleich wie beim Stator 14 angesteuert werden, um ein Drehmoment auf den Lenkradkranz 12 zu übertragen.
Ferner kann der Rotor 15 aus einem Metallring gebildet sein. Bei einem
Lenkvorgang wird dabei der Rotor 15 über den Stator 14 bewegt, wobei durch das Magnetfeld der Spulen 17 eine Spannung im Rotor 15 induziert wird. Dadurch entstehen Wirbelströme, die die Drehbewegung des Lenkradkranzes 12 abhängig von der Intensität des Magnetfeldes bremsen können. Der Feedback-Aktuator weist hierbei die Funktionsweise einer herkömmlichen Wirbelstrombremse auf.
Es ist auch denkbar, dass der Rotor 15 aus wenigstens einem
Permanentmagneten und einem Metallring gebildet ist, um die Vorteile der präzisen Lenkradeinstellung durch eine Drehmomentübertragung und einer Wirbelstrombremse zu kombinieren.
Das Lenkrad 10 umfasst ferner einen nicht dargestellten Positionssensor, der eine Position, insbesondere einen Lenkwinkel, des Lenkradkranzes 12 gegenüber der stillstehenden Lenkradnabe 11 bestimmt. Es ist auch denkbar, dass das Lenkrad 10 mehr als einen Positionssensor umfasst.
Der Positionssensor ist als berührungsloser Sensor, insbesondere als
magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet. Der
Positionssensor kann als Winkelsensor oder als kombinierter Winkel- und
Drehmomentsensor ausgebildet sein. Der Positionssensor kann einen Lenkwinkel und/oder ein Lenkmoment erfassen und als elektronisches Messsignal zur Weiterverarbeitung an eine nicht dargestellte Steuereinheit weiterleiten. Durch den Positionssensor wird vorteilhaft eine kontinuierliche Bestimmung der
Lenkradstellung ermöglicht. Ferner können durch den Positionssensor die
Lenkradstellung und der Lenkeinschlag der Räder aufeinander abgestimmt werden.
Figur 2 und Figur 3 zeigen ferner eine Wälzlagerung 18, durch die der
Lenkradkranz 12 drehbar an der Lenkradnabe 11 gelagert ist. Konkret ist der Lenkradkranz 12 durch die Wälzlagerung 18 am Verbindungsmittel 38,
insbesondere der Lenkradspeiche, im Bereich des Statorträgerbereichs 16 drehbar gelagert. Die Wälzlagerung 18 ist im Lenkradkranz 12 angeordnet. Der
Lenkradkranz 12 weist dazu radial innen, zwei erste Lagerbereiche 42 auf, die jeweils eine erste Wälzkörperlaufbahn 42a bilden. Ferner umfasst das
Verbindungsmittel 38 dazu einen zweiten Lagerbereich 43, der eine zweite Wälzkörperlaufbahn 43a bildet, und das Lagerelement 39 einen weiteren zweiten Lagerbereich 43, der eine weitere zweite Wälzlagerlaufbahn 43a bildet. Die zweiten Lagerbereiche 43 sind im Lenkradkranz 11 angeordnet. Zwischen den ersten Lagerbereichen 42 des Lenkradkranzes 12 und den zweiten Lagerbereichen 43 des Verbindungsmittels 38 bzw. des Lagerelements 39 sind Wälzkörper 44 vorgesehen. Die Wälzkörper 44 sind in einem Käfig drehbar angeordnet. Die Wälzkörper 44 können auch frei, insbesondere käfiglos, zwischen den
Lagerbereichen 42, 43 vorgesehen sein. Wird der Lenkradkranz 12 bei einem Lenkvorgang relativ gegenüber der Lenkradnabe 11 verdreht, rollen die
Wälzkörper 44 an den Wälzkörperlaufbahnen 42a, 43a ab. Die Wälzkörper 44 sind kugelförmig ausgebildet. Die Wälzkörper 44 können auch als Rollen oder Nadeln ausgebildet sein.
Gemäß Figur 6 und Figur 7 ist ein Lenkrad 10 nach einem weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zum Lenkrad 10 gemäß Figur 2 bis Figur 5 weist das Lenkrad 10 gemäß Figur 6 und Figur 7 eine Wälzlagerung 18 auf, die außerhalb eines Lenkradkranzes 12 vorgesehen ist. Konkret ist die Wälzlagerung 18 in der Lenkradnabe 11 radial innen angeordnet. Der Lenkradkranz 12 weist an einem ersten Kranzelement 34 eine Kranznabe 45 auf, mit der der Lenkradkranz 12 in die Lenkradnabe 11 eingreift. Die Kranznabe 45 ist mit dem ersten Kranzelement 34 einteilig ausgebildet. Die Wälzlagerung 18 ist radial zwischen der Kranznabe 45 des Lenkradkranzes 12 und der Lenkradnabe 11 angeordnet. Die Lenkradnabe 11 steht gegenüber der Kranznabe 45 fest, insbesondere still. Mit anderen Worten ist lediglich der Lenkradkranz 12
gegenüber der Lenkradnabe 11 relativ verdrehbar.
Wie in Figur 7 gut erkennbar, umfasst die Lenkradnabe 11 im Unterschied zur Lenkradnabe 11 gemäß Figur 2 bis Figur 5 kein Lagerelement 39, da die
Wälzlagerung 18 gemäß Figur 6 außerhalb des Lenkradkranzes 12 vorgesehen ist.
Figur 8 bis Figur 10 zeigen ein Lenkrad 10 nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel, wobei das Lenkrad 10 mit einer Lenksäule 24 eine
Lenkeinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem bildet. Gemäß Figur 8 umfasst die Lenksäule 24 ein Mantelrohr 25 und eine Halteeinheit 46. Das Mantelrohr 25 ist mit der Halteeinheit 46, die in diesem Fall als äußeres Mantelrohr ausgebildet, drehfest verbunden. Die Halteeinheit 46 wird von einer Konsole getragen, wobei die Konsole mit einem Fahrzeug verbindbar ist. Das Mantelrohr 25 kann zur Längenverstellung axial verschiebbar in der Halteeinheit 46 angeordnet sein. Die Lenksäule 24 umfasst des Weiteren eine Verstelleinrichtung 47, durch die das Lenkrad 10 höhenverstellbar ist, in dem die Halteinheit 46 gegenüber der Konsole um eine Schwenkachse verschwenkbar ist.
Die Lenksäule 24 ist innen hohl ausgebildet. Konkret ist das Mantelrohr 25 und/oder die Halteeinheit 46 zur Aufnahme von elektrischen Leitungen und/oder wenigstens eines elektrischen Antriebs hohl ausgebildet. In der Halteeinheit 46 und/oder dem Mantelrohr 25 können wenigstens ein elektrischer Antrieb und/oder elektrische Leitungen angeordnet sein.
Das Mantelrohr 25 weist ein erstes Ende 48 auf, das von der Halteeinheit 46 axial abgewandt vorgesehen ist. Das Lenkrad 10 ist an dem Mantelrohr 25 am ersten Ende 48 angeordnet. Das Mantelrohr 25 weist am ersten Ende 48 einen
Mantelrohrabsatz 25a auf, an dem das Lenkrad 10 angeordnet ist.
Das Lenkrad 10 umfasst eine Lenkradnabe 11, einen Lenkradkranz 12 und mehrere Verbindungsmittel 38, die als Lenkradspeichen ausgebildet sind. Die Lenkradnabe 11 ist durch die Verbindungsmittel 38 mit dem Lenkradkranz 12 drehfest verbunden. Das Lenkrad 10 umfasst ferner einen Feedback-Aktuator 13, der in die Lenkradnabe 11 eingebettet ist. Der Aufbau und die Funktionsweise des Feedback-Aktuators 13 entspricht dem Aufbau sowie der Funktionsweise des Feedback-Aktuators 13 gemäß Figur 2 bis Figur 5. Wie in den Figur 2 bis 5 beschrieben, ist der Feedback-Aktuator 13 gemäß Figur 8 bis Figur 10 als Außenläufer ausgebildet. Der Feedback-Aktuator 13 umfasst einen Stator 14 und einen Rotor 15, wobei der Stator 14 mit dem Mantelrohr 25 drehfest verbunden ist und der Rotor 15 mit der Lenkradnabe 11 drehfest verbunden ist. Der Stator 14 ist durch den Rotor 15 radial außen umschlossen.
Es ist auch denkbar, dass der Feedback-Aktuator 13 gemäß Figur 8 bis Figur 10 als Innenläufer ausgebildet ist. Hierbei ist der Rotor 15 durch den Stator 14 radial außen umschlossen.
Der Feedback-Aktuator 13 kann als Direktantrieb durch einen DC- Hohlwellenmotor gebildet sein. Der Direktantrieb zur Verstellung des Lenkrades 10 kann dabei im Inneren der Mantelrohres 25 angeordnet sein und ein
Drehmoment auf den Lenkradkranz 12 übertragen. Der Direktantrieb kann dazu mit der Mantelrohr 25 fest verbunden sein.
Wie in Figur 9 ersichtlich, ist der Rotor 15 hülsenförmig ausgebildet. Der Rotor 15 umfasst zwei Lagerabschnitte 49, 51, wobei in einem ersten Lagerabschnitt 49 ein erstes Lager 52 angeordnet ist und in einem zweiten Lagerabschnitt 51 ein zweites Lager 53 angeordnet ist. Der Rotor 15 und somit der Lenkradkranz 12 ist durch die Lager 52, 53 auf dem Mantelrohr 25 drehbar gelagert.
Zwischen den Lagern 52, 53 weist der Rotor 15 einen Übertragungsabschnitt 54 auf, in dem ein Drehmoment vom Stator 14 auf den Rotor 15 übertragen wird.
Der Stator 14 ist auf dem Mantelrohrabsatz 25a des Mantelrohrs 25 angeordnet. Der Stator 14 ist mit dem Mantelrohr 25 drehfest verbunden. Der Stator 14 weist mehrere Spulen 17 auf, durch die im Betrieb ein Magnetfeld erzeugt wird und somit ein Drehmoment in die Lenkradnabe 11 und somit in den Lenkradkranz 12 einleitbar ist.
Figur 10 zeigt ferner einen Positionssensor 55, insbesondere einen Winkelsensor, der auf dem Mantelrohr 25 angeordnet ist. Der Positionssensor 55 ist dabei auf dem Mantelrohrabsatz 25a des Mantelrohres 25 angeordnet und erfasst die Position des Lenkradkranzes 12 gegenüber dem Mantelrohr 25.
Das Lenkrad 10 umfasst einen Frontbereich 56, an dem bspw. ein Display vorgesehen ist. Es ist auch denkbar, dass im Frontbereich 56 ein Airbag vorgesehen ist. Bei einer Ausgestaltung des Airbags als non-rotating Airbag, kann dieser in dem Mantelrohr 25 angeordnet sein.

Claims

Ansprüche
1. Lenkrad (10) für ein Lenksystem, das wenigstens eine Lenkradnabe (11) und wenigstens einen Lenkradkranz (12) umfasst, der zur Übertragung einer Lenkbewegung eines Fahrzeugs relativ gegenüber der Lenkradnabe (11) verdrehbar ist, wobei das Lenkrad wenigstens einen Feedback- Aktuator (13) mit einem Stator (14) und einem Rotor (15) umfasst, wobei der Stator (14) mit der Lenkradnabe (11) und der Rotor (15) mit dem Lenkradkranz (12) gekoppelt ist.
2. Lenkrad nach Anspruch 1,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Feedback-Aktuator (13) derart angepasst ist, dass ein Drehmoment von der Lenkradnabe (11) auf den Lenkradkranz (12) zur Simulation von Lenkkräften und/oder Fahrbedingungen übertragbar ist.
3. Lenkrad nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Feedback-Aktuator (13) im Lenkradkranz (12) angeordnet ist.
4. Lenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Lenkradnabe (11) wenigstens einen Statorträgerbereich (16) aufweist, der im Lenkradkranz (12) angeordnet ist und an dem der Stator (14) angeordnet ist.
5. Lenkrad nach Anspruch 4,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Stator (14) mehrere Spulen (17) aufweist, die am Statorträgerbereich (16) radial umlaufend und aneinander gereiht angeordnet sind.
6. Lenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Rotor (15) den Stator (14) radial außen umschließt.
7. Lenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Lenkradkranz (12) durch eine Wälzlagerung (18) drehbar an der Lenkradnabe (11) gelagert ist.
8. Lenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Lenkradkranz (12) und/oder die Lenkradnabe (11) wenigstens ein Biegeteil umfasst.
9. Lenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
wenigstens ein Positionssensor vorgesehen ist, der eine Position des Lenkradkranzes (12) gegenüber der Lenkradnabe (11) bestimmt.
10. Lenkrad nach Anspruch 9,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Positionssensor als berührungsloser Sensor, insbesondere als magnetischer oder induktiver oder kapazitiver Sensor, ausgebildet ist.
11. Lenksystem (20), insbesondere Steer-by-Wire Lenksystem, für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Lenkrad (10) gemäß Anspruch 1 und wenigstens einem elektrischen Lenkantrieb (21), der mit dem Lenkrad (10) elektrisch gekoppelt ist und durch den eine Lenkbewegung vom Lenkrad (10) auf wenigstens ein lenkbares Rad (22) übertragbar ist.
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