DE10200826C1

DE10200826C1 - Lenkmodul für ein Steer-by-wire-Lenksystem in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10200826C1
Application number: DE2002100826
Authority: DE
Inventors: Geert Helge Wittenberg
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: WO2003057547A1; AU2002363873A1

Abstract

Lenkmodul (10) für ein Steer-by-wire-Lenksystem in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem eine integrierte Airbageinheit (12) aufweisenden Lenkrad (11), aus einem Lenkradwinkelsensor (15), einer Force-Feedback-Einheit (16) sowie aus einer Kraftbegrenzungseinheit (17) zur Aufnahme der bei einem Unfall vom Insassen auf das Lenkrad (11) ausgeübten Kraft, wobei das Lenkmodul (10) als vorgefertigte Baueinheit unter Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und dem Lenkmodul (10) in eine fahrzeugseitige Aufnahme montierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkmodul für ein Steer-by-wire- Lenksystem in Kraftfahrzeugen.

Ein derartiges Lenkmodul mit einem Lenkradwinkelsensor sowie einer Force-Feedback-Einheit ist aus der DE 199 12 169 A1 bekannt; in dieser Druckschrift ist lediglich beschrieben, wie der vom Lenkradwinkelsensor erfaßte Fahrerlenkwunsch unter Berücksichtigung von fahrdynamischen Größen modifiziert werden kann, wobei gleichzeitig eine individuelle Anpassung an verschiedene Fahreransprüche durch eine adaptive Nachbildung des durch einen Feedback-Aktuator vermittelten Handmoments und damit die Erzeugung adaptiver Sollwerte für den Lenkradregler erfolgt. Hinsichtlich einer konstruktiven Ausgestaltung eines derartigen Lenkmoduls sind in der Schrift keine Angaben gemacht.

Ein vorbeschriebenes Lenkmodul ist hinsichtlich seiner wesentlichen konstruktiven Einzelteile ebenfalls der DE 100 33 107 A1 zu entnehmen.

Aus der US 6 179 326 B1 ist weiterhin ein Steer-by-wire- Lenksystem bekannt, bei welchem nach einem Ausführungsbeispiel das Lenkrad über eine deformierbare Säule an dem Armaturenbrett des Fahrzeuges gehaltert ist, so daß das Lenkrad bei einem unfallbedingten Aufprall des Fahrzeuginsassen ausweicht und so genügend Raum für das Aufblasen eines Airbags geschaffen sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenkmodul für ein Steer-by-wire-Lenksystem zu schaffen, welches mit seinen Komponenten leicht zu montieren ist und darüber hinaus eine ausreichende Sicherheit gegen Aufprall des Fahrzeuginsassen bei einem Unfall bietet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken ein Lenkmodul vor, welches aus einem eine integrierte Airbageinheit aufweisenden Lenkrad, aus einem Lenkradwinkelsensor, einer Force-Feedback-Einheit sowie einer Kraftbegrenzungseinheit zur Aufnahme der bei einem Unfall vom Insassen auf das Lenkrad ausgeübten Kraft besteht, wobei das Lenkmodul als vorgefertigte Baueinheit unter Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und dem Lenkmodul in eine fahrzeugseitige Aufnahme montierbar ist. Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß das komplette Lenkmodul mit seinen Komponenten vorgefertigt werden kann, so daß eine einfache und schnelle Montage ermöglicht ist, indem das Lenkmodul in eine geeignet ausgestaltete Aufnahme des Kraftfahrzeuges eingesteckt und lediglich elektrisch angeschlossen wird. Da das Lenkmodul erfindungsgemäß zusätzlich eine Kraftbegrenzungseinheit aufweist, ergibt sich als weiterer Vorteil eine Verringerung der Belastungswerte für den Fahrzeuginsassen bei einem Aufprall auf das Lenkrad, da dieses dem Aufprall nachgeben kann.

Hierzu ist eine modular aufgebaute Lenksäuleneinheit, bei welcher das Lenkradmodul als vorgefertigte Baueinheit unter Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und dem Lenkradmodul in eine fahrzeugseitige Aufnahme montierbar ist, aus der DE 696 14 596 T2 bekannt; die bekannte Lenksäuleneinheit ist jedoch nicht als Steer- by-wire-Lenksystem ausgebildet und kann daher keine Anregung im Hinblick auf die erfindungsgemäße Lösung geben.

Es ist weiterhin die Anordnung von Kraftbegrenzungs einrichtungen als solchen auch an Lenkeinheiten bekannt. Die DE 199 59 107 A1, die DE 100 25 980 A1 sowie die WO 01/32494 A1 beschreiben dabei übereinstimmend im Bereich der jeweiligen Lenksäule ausgebildete Kraftbegrenzungs einrichtungen, indem die Lenksäulen jeweils zusammenschiebbar ausgebildet sind und die Einschubbewegung der Lenksäulenteile gegeneinander zur Kraftbegrenzung herangezogen ist. Dabei sind die Kraftbegrenzungsein richtungen teilweise in Abhängigkeit von den Unfallbedingungen steuerbar. Auch diese Druckschriften beinhalten daher keinen Hinweis, bei einen Steer-by-wire- Lenksystem eine Kraftbegrenzungseinrichtung im Lenkmodul selbst anzuordnen.

Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung können die elektrischen Verbindungen bei der Montage des Lenkmoduls in der fahrzeugseitigen Aufnahme durch Kabelverbinder hergestellt werden oder aber dadurch, daß einerseits an der fahrzeugseitigen Aufnahme und andererseits an dem Lenkmodul befindliche elektrische Kontakte bei der Montage nach der Art einer Steckverbindung geschlossen werden.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kraftbegrenzungseinheit in Abhängigkeit von den Unfallbedingungen steuerbar eingerichtet ist.

In einer ersten Ausführungsform sieht die Erfindung vor, daß das Lenkrad mit integrierter Airbageinheit mittels einer Kolbenstange im Abstand zu einem den Lenkradwinkelsensor die Force-Feedback-Einheit und die Kraftbegrenzungseinheit aufnehmenden Modulgehäuse angeordnet ist und die Kolbenstange in ein im Modulgehäuse angeordnetes Gehäuse der Kraftbegrenzungseinheit reicht und an einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Kolben angeschlossen ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß das Lenkrad mit integrierter Airbageinheit und dem jeweils daran angeordneten Lenkradwinkelsensor und der Force-Feedback- Einheit topfförmig mit einer zum Armaturenbrett des Fahrzeuges offenen Ausnehmung ausgebildet und im Lastfall mit der Ausnehmung über ein fahrzeugseitig befestigtes Gehäuse der Kraftbegrenzungseinheit überschiebbar ist.

Zur Verringerung der Baugröße des Lenkmoduls kann vorgesehen sein, daß Lenkradwinkelsensor und Force- Feedback-Einheit in dem zwischen der Außenwandung des Modulgehäuses und der Gehäusewandung der Kraftbegrenzungseinheit gebildeten Ringraum angeordnet sind.

Es kann vorgesehen sein, daß von dem Lenkradkorpus eine Kolbenstange in die Ausnehmung hervorsteht und in das Gehäuse der Kraftbegrenzungseinheit reicht und hier an einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Kolben angeschlossen ist.

Die Kraftbegrenzungseinheit kann unterschiedlich, nämlich durch die Anordnung vorgespannter Federn mechanisch oder alternativ hydraulisch oder alternativ magnetorheologisch oder alternativ in anderer geeigneter Weise arbeiten. So kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, daß der Innenraum des Gehäuses der Kraftbegrenzungseinheit mit einem Silikon gefüllt und in dem Kolben wenigstens eine Überströmbohrung ausgebildet ist, wobei nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Querschnitt der Überströmbohrung regelbar ausgebildet sein kann, so daß sich eine entsprechende Regelmöglichkeit für die Kraftbegrenzungseinheit ergibt.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß der Innenraum des Gehäuses der Kraftbegrenzungseinheit mit einem elektro- rheologischen Medium gefüllt und in dem Gehäuse eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet ist.

Als weitere Alternative steht die magneto-rheologische Arbeitsweise zur Verfügung, indem der Innenraum des Gehäuses der Kraftbegrenzungseinheit mit einem magneto- rheologischen Medium gefüllt und in dem Gehäuse eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes angeordnet ist.

Die zur Beeinflussung der elektrorheologischen bzw. magneto-rheologischen Flüssigkeit erforderliche Einrichtung ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Kolben angeordnet.

Bei der magneto-rheologischen Arbeitsweise kann vorgesehen sein, daß im Kolben ein Permanentmagnet und im Gehäuse eine Spule zur Erzeugung eines magnetischen Gegenfeldes angeordnet ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Kraftbe grenzungseinheit als gasgefüllte Dämpfungseinrichtung ausgebildet ist, wobei der Gasdruck in der gasgefüllten Dämpfungseinrichtung regelbar ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, welche nachstehend beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Lenkmodul in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Lenkmoduls mit Kraftbegrenzungseinheit in Seitenansicht,

Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 im Schnitt,

Fig. 4 die Kraftbegrenzungseinheit gemäß Fig. 3 in einer vergrößerten Einzeldarstellung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Lenkmoduls mit Kraftbegrenzungseinheit in einer isometrischen Darstellung,

Fig. 6 den Gegenstand der Fig. 5 im Schnitt,

Fig. 7 die Kraftbegrenzungseinheit gemäß Fig. 6 in einer vergrößerten Einzeldarstellung.

Das in Fig. 1 dargestellte Lenkmodul 10 besteht aus einem Lenkrad 11, in welches eine mit 12 angedeutete Airbageinheit integriert ist. Das Lenkrad 11 ist über eine Kolbenstange 13 mit einem Abstand "S" zu einem Modulgehäuse 14 angeordnet, wobei in dem Modulgehäuse ein Lenkradwinkelsensor 15, eine Force-Feedback-Einheit 16 sowie eine Kraftbegrenzungseinheit 17 angeordnet sind. Der Lenkradwinkelsensor 15 sowie die Force-Feedback-Einheit 16 sind über elektrische Zuleitungen 30 an ein fahrzeugseitiges Steuersystem anschließbar. Die Funktion von Lenkradwinkelsensor 15 und Force-Feedback-Einheit 16 im einzelnen ist nicht Gegenstand der Erfindung und insoweit in der DE 199 12 169 A1 beschrieben.

Die Kolbenstange 13 reicht durch das Modulgehäuse 14 bis in ein Gehäuse 18 der Kraftbegrenzungseinheit 17 und ist an einen im Innenraum 19 des Gehäuses 18 befindlichen Kolben 20 angeschlossen. Das Gehäuse 18 weist eine solche Erstreckung auf, daß der Kolben 20 bei seiner Verschiebung den gleichen Weg "S" zurücklegen kann, der dem Abstand des Lenkrades 11 zum Modulgehäuse 14 entspricht.

Wie anhand weiterer Ausführungsbeispiele im einzelnen noch erläutert werden wird, kann die Kraftbegrenzungseinheit magneto-rheologisch oder hydraulisch arbeiten; es ist aber auch eine mechanische Auslegung denkbar, indem in dem Innenraum 19 der Kraftbegrenzungseinheit 17 entsprechende Federn angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Kraftbegrenzungseinheit für den Fall eines Unfalles auf die Fahrsituation wie Geschwindigkeit und Aufprallwinkel des Fahrzeuges wie auch auf den Fahrer, nämlich dessen Größe und Gewicht etc. eingestellt werden kann.

Bei den in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse 18 der Kraftbegrenzungseinheit 17 über eine Montageplatte 24 fahrzeugfest zu befestigen, wobei die elektrischen Zuleitungen 30 zu Lenkradwinkelsensor 15 und Force- Feedback-Einheit 16 außen um das Gehäuse 18 gewickelt und an der Montageplatte 24 derart angeschlossen sein können, daß sich beispielsweise über eine Steckverbindung eine . elektrische Verbindung zu dem Fahrzeug ergibt. Das Gehäuse 18 der Kraftbegrenzungseinheit 17 ist in eine in dem Modulgehäuse 14 ausgebildete, topfförmige Ausnehmung 35 einschiebbar, wobei bei diesen Ausführungsbeispielen das Modulgehäuse 14 integraler Bestandteil des Lenkrades 11 ist. Dabei sind Lenkradwinkelsensor 15 und Force-Feedback- Einheit 16 in dem Ringraum 23 zwischen der Außenwand 21 des Modulgehäuses 14 und der Wandung 22 des Gehäuses 18 der Kraftbegrenzungseinheit 17 angeordnet.

Zur Ausbildung der Kraftbegrenzungseinheit 17 reicht von dem Lenkrad 10 eine Kolbenstange 13 in die Ausnehmung 35 des Modulgehäuses 14 hinein und ist bis in den Innenraum 19 des Gehäuses 18 geführt und an einen hier angeordneten Kolben 20 angeschlossen. Beim Einschieben des Gehäuses 18 in die Ausnehmung 35 durchläuft der Kolben 20 den Innenraum 19 der Kraftbegrenzungseinheit 17 und verdrängt ein darin angeordnetes Medium.

Bei dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Innenraum 19 der Kraftbegrenzungseinheit 17 ein Silikon eingefüllt, und es ist der Kolben 20 mit einer Reihe von Überströmbohrungen 25 versehen, so daß bei der Bewegung des Kolbens 20 durch den Innenraum 19 der Kraftbegrenzungseinheit 17 das Silikon durch die Überströmbohrung 25 überströmen kann. Zur Regelung der Kraftbegrenzungseinheit 17 kann vorgesehen sein, daß der Querschnitt der Überströmbohrung 25 in geeigneter Weise regelbar ist. Hierbei ist die Dämpfungskraft abhängig von der Aufprallgeschwindigkeit, und der Dämpfungsweg ist abhängig von der Aufprallgeschwindigkeit und der Masse des Insassen.

Bei dem in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenraum 19 des Gehäuses 18 mit einem magneto-rheologischen Medium gefüllt, wobei von dem Innenraum 19 ein gasgefüllter Raum 29 durch eine Membran 28 abgeteilt ist. Das unter Druck in dem Raum 29 anstehende Gas stellt den zur Temperaturkompensation erforderlichen Druck zur Verfügung. Zur Regelung der Kraftbegrenzung ist in dem Kolben 20 eine Spule 26 untergebracht, deren Bestromung über die elektrische Zuleitung 30 zum Aufbau eines entsprechenden Magnetfeldes führt, welches das Verhalten des magneto-rheologischen Mediums ändert, so daß die Kraftbegrenzung entsprechend regelbar ist.

Mit den in den Fig. 2 bis 7 dargestellten und im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist zudem der Vorteil verbunden, daß im Anschluß an die Kraftbegrenzung eine Rückstellung des Lenkrades 11 in dessen Ausgangsposition erfolgt. Ist nämlich nach Abschluß der Kraftbegrenzung der Kolben 20 mit Kolbenstange 13 in den Innenraum 19 des Gehäuses 18 eingeschoben, so ergeben sich auf den beiden Seiten des im Innenraum 19 stehenden Kolbens 20 unterschiedlich große, von dem im Innenraum 19 anstehenden Druck beaufschlagte Kolbenflächen. Während bei den dargestellten Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 7 linksseitig die gesamte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt ist, ist die rechtsseitige Fläche um die Querschnittsfläche der Kolbenstange 13 vermindert; somit erfährt der Kolben 20 bei Annahme eines Druckgleichgewichts im Innenraum 19 des Gehäuses 18 eine Kraft nach rechts, also in Ausschubrichtung der Kolbenstange 13, die der Ausgangsstellung des Lenkrades 11 entspricht. Durch die Einstellung der Höhe des Innendruckes und die Abmessungen der jeweiligen Kolbenflächen kann die Rückstellgeschwindigkeit für das Lenkrad 11 auf ein gewünschtes Maß voreingestellt werden.

Claims

1. Lenkmodul (10) für ein Steer-by-wire-Lenksystem in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem eine integrierte Airbageinheit (12) aufweisenden Lenkrad (11), aus einem Lenkradwinkelsensor (15), einer Force-Feedback- Einheit (16) sowie aus einer Kraftbegrenzungseinheit (17) zur Aufnahme der bei einem Unfall vom Insassen auf das Lenkrad (11) ausgeübten Kraft, wobei das Lenkmodul (10) als vorgefertigte Baueinheit unter Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und dem Lenkmodul (10) in eine fahrzeugseitige Aufnahme montierbar ist.

2. Lenkmodul nach Anspruch 1, bei welchem die elektrischen Verbindungen durch Kabelverbinder herstellbar sind.

3. Lenkmodul nach Anspruch 1, bei welchem die elektrischen Verbindungen über bei der Montage des Lenkmoduls (10) in Anlage gelangende elektrische Kontakte an fahrzeugseitiger Aufnahme und Lenkmodul herstellbar sind.

4. Lenkmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Kraftbegrenzungseinheit (17) in Abhängigkeit von den Unfallbedingungen steuerbar eingerichtet ist.

5. Lenkmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Lenkrad (11) mit integrierter Airbageinheit (12) mittels einer Kolbenstange (13) im Abstand zu einem den Lenkradwinkelsensor (15), die Force-Feedback-Einheit (16) und die Kraftbegrenzungseinheit (17) aufnehmenden Modulgehäuse (14) angeordnet ist und die Kolbenstange (13) in ein im Modulgehäuse (14) angeordnetes Gehäuse (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) reicht und an einen im Inneren des Gehäuses (18) angeordneten Kolben (20) angeschlossen ist.

6. Lenkmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Lenkrad (11) mit integrierter Airbageinheit (12) und dem jeweils daran angeordneten Lenkradwinkelsensor (15) und der Force-Feedback- Einheit (16) topfförmig mit einer zum Armaturenbrett des Fahrzeuges offenen Ausnehmung (35) ausgebildet und im Lastfall mit der Ausnehmung (35) über ein fahrzeugseitig befestigtes Gehäuse (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) überschiebbar ist.

7. Lenkmodul nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem Lenkradwinkelsensor (15) und Force-Feedback-Einheit (16) in dem zwischen der Außenwandung (21) des Modulgehäuses (14) und der Gehäusewandung (22) der Kraftbegrenzungseinheit (17) gebildeten Ringraum (23) angeordnet sind.

8. Lenkmodul nach Anspruch 6, bei welchem von dem Lenkradkorpus eine Kolbenstange (13) in die Ausnehmung (35) hervorsteht und in das Gehäuse (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) reicht und hier an einen im Inneren des Gehäuses (18) angeordneten Kolben (20) angeschlossen ist.

9. Lenkmodul nach Anspruch 5 oder 8, bei welchem der Innenraum (19) des Gehäuses (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) mit einem Silikon gefüllt und in dem Kolben (20) wenigstens eine Überströmbohrung (25) ausgebildet ist.

10. Lenkmodul nach Anspruch 9, bei welchem der Querschnitt der Überströmbohrung (25) regelbar ist.

11. Lenkmodul nach Anspruch 5 oder 8, bei welchem der Innenraum (19) des Gehäuses (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) mit einem elektro rheologischen Medium gefüllt und in dem Gehäuse (18) eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet ist.

12. Lenkmodul nach Anspruch 5 oder 8, bei welchem der Innenraum (19) des Gehäuses (18) der Kraftbegrenzungseinheit (17) mit einem magneto- rheologischen Medium gefüllt und in dem Gehäuse (18) eine Einrichtung (Spule 26) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes angeordnet ist.

13. Lenkmodul nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Einrichtung im Kolben angeordnet ist.

14. Lenkmodul nach Anspruch 12, bei welchem im Kolben (20) ein Permanentmagnet und im Gehäuse (18) eine Spule (26) zur Erzeugung eines magnetischen Gegenfeldes angeordnet ist.

15. Lenkmodul nach Anspruch 5 oder 8, bei welchem die Kraftbegrenzungseinheit (17) als gasgefüllte Dämpfungseinrichtung ausgebildet ist.

16. Lenkmodul nach Anspruch 15, bei welchem der Gasdruck in der gasgefüllten Dämpfungseinrichtung regelbar ist.