DE102014226154B4 - Reibungsbremsmechanismus und dazugehörige Lenksäule - Google Patents
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Abstract
Lenkanlage (10), umfassend eine Lenkspindel (14) und einen Bremsmechanismus (36), der zwischen einer ausgerückten Position und einer eingerückten Position bewegbar ist, um die Lenkspindel (14) winkelmäßig festzustellen, wobei in der ausgerückten Position des Bremsmechanismus (36) die Lenkspindel (14) freigegeben ist, wobei der Bremsmechanismus (36) eine Überbrückung umfasst, so dass ein zerstörungsfreies externes Drehmoment, das auf die Lenkspindel (14) über einer bestimmten Drehmomentschwelle ausgeübt wird, wenn sich der Bremsmechanismus (36) in der eingerückten Position befindet, zu einer Drehung der Lenkspindel (14) führt, wobei der Bremsmechanismus ein erstes ringförmiges Bremselement (48), ein zweites Bremselement (46) und ein Stellglied (38), um die ersten und zweiten Bremselemente (48, 46) in der eingerückten Position miteinander in Eingriff zu bringen, umfasst, wobei die Überbrückung ein erstes Reibungselement (54), das mit Bezug auf die Lenkspindel (14) nicht drehbar ist, und ein zweites Reibungselement (52), das mit Bezug auf eine ringförmige Grenzfläche des ersten Bremselements (48) des Bremsmechanismus (36) nicht drehbar ist, umfasst, wobei das erste Reibungselement (54) und das zweite Reibungselement (52) in der eingerückten Position reibschlüssig ineinandergreifen und wobei die Lenkanlage mindestens eine Vorspannfeder (58) umfasst, um eine vorbestimmte Vorspannkraft auf mindestens eines von den ersten und zweiten Reibungselementen (54, 52) auszuüben und das erste Reibungselement (54) und das zweite Reibungselement (52) reibschlüssig miteinander in Eingriff zu bringen, wobei die vorbestimmte Vorspannkraft derart ist, dass die ersten und zweiten Reibungselemente (54, 52) zu rutschen beginnen, wenn ein Drehmoment ausgeübt wird, das größer als die Drehmomentschwelle ist.
Description
- TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkanlage, die während eines Übergangs zwischen einem autonomen Lenkmodus und einem fahrergesteuerten Lenkmodus, insbesondere in einem Notfall, eine beschränkte Betriebsart bereitstellt.
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- undfür Fahrzeuge bekannt, die eine ringförmige Verriegelungshülse umfasst, die konzentrisch um die Fahrzeuglenkwelle angebracht ist und normalerweise in Reibungseingriff mit dieser steht. Die Verriegelungshülse umfasst ein Körperteil mit einer wellenförmigen Querschnittskonfiguration, wodurch am Innenumfang der Hülse eine Vielzahl von abwechselnd glatten konvexen Vorsprüngen und konkaven Tälern definiert wird. Die konvexen Vorsprünge stehen in Reibungseingriff mit der Umfangsfläche der Lenkwelle mit einer vorbestimmte Reibungskraft, die größer ist als die während des normalen Lenkvorgangs des Fahrzeugs erzeugte Drehmomentkraft. Mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Zähne erstrecken sich von der Verriegelungshülse radial nach außen, wodurch zwischen den Zähnen mehrere Verriegelungsschlitze gebildet werden, von denen einer zur Aufnahme des freien Endes des Verriegelungsarms einer Verriegelungsvorrichtung angeordnet ist. Eine solche Diebstahlsicherungsvorrichtung ist jedoch für die Sicherung einer Lenkspindel in einem autonomen Lenkmodus ungeeignet, zumal die vorbestimmte Reibungskraft nur sehr unpräzis eingestellt werden kann, und daher keine beschränkte Betriebsart in einem Notfall bereitstellt.
- Aus der
US 5 289 893 A ist eine Anordnung zur Bereitstellungeiner automatischen Lenkung und zur Verhinderung der Drehung eines Lenkrads im Falle der automatischen Lenkung bekannt. Eine Zahnstange ist seitlich beweglich am Fahrzeug angebracht und mit einer Hauptwelle eines Lenkrads verbunden. Eine seitliche Welle ist seitlich beweglich mit und gegenüber der Zahnstange angeordnet und an ihren gegenüberliegenden Enden mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs verbunden. Die relativen Positionen der Zahnstange und der Seitenwelle werden durch eine Einstellvorrichtung eingestellt. Eine elektromagnetische Kupplung ist so angeordnet, dass sie verhindert, dass die Zahnstange oder die Hauptwelle mit einer darauf ausgeübten Reibungskraft im Falle der automatischen Lenkung bewegt wird. Folglich wird das Lenkrad bei der automatischen Lenksteuerung nicht gedreht, während das Lenkrad manuell gegen die Reibungskraft gedreht werden kann. - Um auf die Frage eines ergonomischen und intuitiven gewollten Übergangs von einem autonomen Lenkmodus auf eine manuelle Lenkung einzugehen, wurde in der
US 2013 / 002 416 A1 - In einem etwas anderen Zusammenhang offenbart die
US 6 580 989 B1 eine so genannte hybride Lenkanlage, die selektiv in einer von drei Betriebsarten funktionieren kann: elektrische Lenkung, elektronische Servolenkung (EPAS) und manuelle Lenkung. Die elektrische Anlage umfasst ein Fahrerschnittstellensystem (DIS), ein Laufrad-Stellgliedsystem (RWAS) und einen Controller zum Überwachen und Umsetzen einer bevorzugten Steuerstrategie. Die Lenkanlage funktioniert normalerweise in einem elektrischen Lenkmodus. Der Betrieb in dem alternativen EPAS-Modus und dem manuellen Modus wird durch einen Controller als Reaktion auf eine Fehlfunktion in einem Teil entweder des DIS oder des RWAS bestimmt. In jedem von dem EPAS-Modus und dem manuellen Modus bewirkt der Controller, dass ein Kupplungsmechanismus eingerückt wird, wodurch eine mechanische Verbindung zwischen dem lenkbaren Element und dem Zahnstangensystem hergestellt wird. Im EPAS-Modus ist eines von dem Laufradstellglied oder dem Reaktionsmomentgenerator verfügbar, um den Lenkvorgang zu unterstützen. Alternativ sind im manuellen Modus sowohl das DIS als auch das RWAS deaktiviert, und das Fahrzeug ist über rein mechanische Mittel lenkbar. Da der Fahrer das Lenkrad in allen drei Betriebsarten festhalten muss, müssen keine bestimmten Maßnahmen beim Übergang zwischen den verschiedenen Lenkmodi getroffen werden. - Entsprechend besteht ein Bedarf an Mitteln, um einen sicheren Übergang von einer autonomen Lenkung auf eine fahrergesteuerte Lenkung in einem Fahrzeug sicherzustellen, wenn sich der Fahrer dem unmittelbaren Bevorstehen dieses Übergangs nicht bewusst ist.
- DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Diese Aufgabe ist durch die Lenkanlage des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Während eines Übergangs von einem autonomen Lenkmodus auf den fahrergesteuerten Lenkmodus kann der Bremsmechanismus in die eingerückte Position bewegt werden, um die Lenkspindel winkelmäßig festzustellen, die mechanisch mit den Bodenrädern verbunden ist, während der Fahrer wieder die Kontrolle über das Lenkrad erlangt. Sobald die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad liegen, kann das Fahrzeug dadurch gelenkt werden, dass das Lenkrad ein Drehmoment über dem Schwellenwert der Überbrückung ausgeübt wird.
- Die Drehmomentschwelle für die Überbrückung des Bremsmechanismus ist durch den Druck zwischen den ersten und zweiten Reibungselementen gegeben.
- Ein einstellbarer Anschlag, der in einer einstellbaren Position mit Bezug auf die Lenkspindel fixiert ist, kann bereitgestellt werden, um die Vorspannfeder zu spannen. Ein besonders kompakter Mechanismus kann erreicht werden, wenn die Vorspannfeder eine Schraubenfeder ist, die sich um die Lenkspindel windet.
- Wie es sich ohne Weiteres versteht, kann die Anlage auf verschiedene Art und Weise abgestimmt werden, bevor sie in das Fahrzeug eingebaut wird, um eine gewünschte Drehmomentschwelle für die Überbrückung zu definieren: das Material der Reibungselemente kann geändert werden. Die Steifigkeit der Feder kann geändert werden. Die einfachste Möglichkeit, die Drehmomentschwelle anzupassen, ohne die Einzelteile der Lenkanlage zu ändern, besteht jedoch darin, die Position des einstellbaren Anschlags zu ändern.
- Das Stellglied ist bevorzugt ein elektromechanisches Stellglied.
- Gemäß einer Ausführungsform stehen die ersten und zweiten Bremselemente in der eingerückten Position formschlüssig miteinander in Eingriff. Insbesondere kann mindestens eines von den ersten und zweiten Bremselementen eine ringförmige Grenzfläche mit einer gewissen Anzahl von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen umfassen, die über einen Umfang der ringförmigen Grenzfläche herum verteilt sind.
- Gemäß einer Ausführungsform stehen die ersten und zweiten Bremselemente in der eingerückten Position reibschlüssig miteinander in Eingriff.
- Die Lenkanlage kann ferner ein Lager zwischen dem ringförmigen Bremselement und der Lenkspindel umfassen.
- Figurenliste
- Andere Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung hervorgehen, die nur als nicht einschränkende Beispiele angegeben werden und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
- -
1 eine Lenkanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; - -
2 eine isometrische Ansicht einer Lenksäule der Lenkanlage aus1 ; - -
3 eine auseinandergezogene Ansicht eines Teils der Lenkanlage aus1 und2 , welche die Montage einer Bremsanlage an der Lenksäule zeigt; - -
4 eine ausführlichere auseinandergezogene Ansicht der Bremsanlage aus3 ; - -
5 eine Schnittansicht einer Lenkspindel und der Bremsanlage aus3 ; - -
6 eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Bremsanlage; - -
7 eine alternative Ausführungsform der Lenkanlage. - Entsprechende Bezugszahlen beziehen sich auf die gleichen oder entsprechende Teile in jeder der Figuren.
- AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Mit Bezug auf
1 ist ein Fahrzeug mit einer Lenkanlage 10 versehen, die ein Lenkrad 12, eine Lenkspindel 14, ein Antriebsritzel 16, das sich mit der Lenkspindel 14 dreht und mit einer Zahnstange 18 kämmt, um Spurstangen 20 zu bewegen, die mit lenkbaren Bodenrädern 22 verbunden sind, umfasst. Das Lenkrad 12 ist mit der Lenkspindel über eine mechanische oder elektrische Kupplung 26 verbunden. Ein Lenkmotor 28 ist mit der Lenkspindel verbunden und wird von einer Lenksteuereinheit 30 gesteuert. Dreh- und/oder Drehmomentsensoren 32, 34 werden an dem Lenkrad 12 und der Lenkspindel 14 bereitgestellt und sind an die Steuereinheit 30 angeschlossen. An sich ist diese Lenkanlage 10 aus derUS 2013 002416 bekannt, die hiermit zur Bezugnahme übernommen wird. - Die Lenkanlage 10 ist mit einem Reibungsbremsmechanismus 36 versehen, der in
3 bis5 ausführlich abgebildet ist. Der Bremsmechanismus 36 umfasst ein Stellglied 38, das in einem Stellgliedgehäuse 40 aufgenommen wird, das mit einer C-förmigen Klammer 42 auf ein Mantelrohr 44 geklemmt wird, in dem die Lenkspindel 14 zur Drehung um eine Lenkachse 100 herum eingebaut ist. Das Stellglied 38, das beliebiger Art sein kann, bewegt einen gezahnten Feststellriegel 46 gegen eine Zahnhülse 48 in einer radialen Richtung mit Bezug auf die Lenkachse 100 hin und her. Ein Nadellager 50 wird bereitgestellt, um die Zahnhülse 48 drehmäßig um die Lenkachse 100 herum zu führen. Die Zahnhülse 48 wird auf einen Außenlaufring des Nadellagers aufgepresst. Die Zahnhülse weist eine erste ringförmige ebene Seite 52 in Reibungskontakt mit einem flachen Anschlagring 54, der auf die Lenkspindel 14 aufgepresst wird, und eine zweite ringförmige Seite 56 gegenüber der ersten ringförmigen Seite 52 auf. Eine Druckfeder 58 ist zwischen der zweiten ringförmigen Seite 56 und einer einstellbaren Druckscheibe 60 gespannt, die mit der Lenkspindel 14 durch Aufpressen in einem geeigneten Abstand von dem Anschlagring 54 verbunden wird, um eine gewünschte Axialkraft durch die Druckfeder 58 an der Grenzfläche zwischen der Zahnhülse 48 und dem Anschlagring 54 zu erreichen. Wie es für den Fachmann ersichtlich sein wird, übt der Bremsmechanismus keinen Axialschub auf die Lenkspindel aus, da sowohl die einstellbare Druckscheibe als auch der Anschlagring auf der Lenkspindel liegen. - Ein Schalter 62 kann bereitgestellt werden, um es dem Fahrer zu ermöglichen, zwischen einem fahrergesteuerten Lenkmodus und einem autonomen Lenkmodus umzuschalten. Dieser Schalter 62 kann sich auf dem Armaturenbrett befinden oder kann in das Lenkrad 12 integriert sein, wie beispielsweise in der
US 2013 002416 offenbart. - In dem fahrergesteuerten Lenkmodus und dem autonomen Lenkmodus wird der Bremsmechanismus ausgerückt, d.h. der gezahnte Feststellriegel 46 wird aus der Zahnhülse 48 ausgerückt, die sich zusammen mit dem Anschlagring 54, der Druckfeder 58, der einstellbaren Druckscheibe 60 und der Lenkspindel 14 als eine Einheit drehen kann.
- Bei dem fahrergesteuerten Lenkmodus ist die Kupplung 26 eingerückt und das Lenkrad 12 ist mechanisch mit der Lenkspindel 14 und den Bodenrädern 22 verbunden. Der Motor 28 kann gegebenenfalls als Servovorrichtung verwendet werden, um das Drehmoment zu ergänzen, das vom Fahrer auf das Lenkrad 12 abgegeben wird.
- Im autonomen Lenkmodus ist die Kupplung 26 ausgerückt, und der Motor 28 übt unabhängig von der Position des Lenkrads 12 ein Antriebsdrehmoment auf die Lenkspindel 14 aus. In dem autonomen Lenkmodus kann der Fahrer mindestens teilweise die Kontrolle über die Lenkung wiedererlangen, indem er das Lenkrad 12 um einen vorbestimmten Winkel dreht, der von dem Sensor 32 erkannt wird. Eine haptische Rückmeldung (z.B. ein Einrasten) kann bereitgestellt werden, um den Fahrer darüber zu informieren, dass seine Anfrage, die teilweise oder vollständige Kontrolle über die Lenkanlage 10 zurückzuerlangen, registriert und ausgeführt wurde. Es können als Reaktion auf die Eingabe des Fahrers und diverse andere Parameter des Fahrzeugs diverse Übergangsstrategien konfiguriert werden: die Kupplung 26 kann ausgerückt bleiben oder nicht, und wenn nicht, kann der Motor 28 als Servovorrichtung verwendet werden oder nicht.
- Falls andererseits der autonome Lenkmodus auf Grund einer Notsituation auf Initiative der Lenksteuereinheit 30 unterbrochen wurde, z.B. auf Grund einer Fehlfunktion des Motors 28 oder eines Sensors, bevor der Fahrer Zeit hatte, die Kontrolle über die Lenkung zurückzuerlangen, generiert die autonome Lenksteuereinheit einen Alarm, um den Fahrer zu informieren, und rückt gleichzeitig die Kupplung 26 und den Bremsmechanismus 36 wieder ein. Der gezahnte Feststellriegel 46 greift in die Zahnhülse 48 ein, um ihre Drehung zu verhindern. Die Zahnhülse 48 wird von der gespannten Druckfeder 58 in Reibschluss mit dem flachen Anschlagring 54 vorgespannt und verhindert die Drehung der Lenkspindel 14. Daraufhin bleiben das Zahnstangengetriebe 18, 16, die Spurstangen 20 und die Bodenräder 22 in der Position, die sie zu Beginn des Übergangs innehatten, um dem Fahrer Zeit zu lassen, die Kontrolle über das Lenkrad 12 zurückzuerlangen. Sobald der Fahrer ein Drehmoment auf das Lenkrad 12 ausübt, erkennt der Sensor 32 das ausgeübte Drehmoment, und die Steuereinheit rückt den gezahnten Feststellriegel 46 aus, um die Lenkspindel 14 freizugeben. Sollte der gezahnte Feststellriegel 46 jedoch eingerückt bleiben, z.B. auf Grund einer Fehlfunktion des Sensors 32, des Stellglieds 38 oder der Steuereinheit 30, kann der Fahrer den Bremsmechanismus 36 überbrücken, indem er ein Drehmoment ausübt, das höher ist als das Reibungsnenndrehmoment, das sich aus der Axialkraft der Druckfeder 58 auf die Zahnhülse 48 ergibt, um das Fahrzeug in einem beschränkten Modus zu einer Vollbremsung zu veranlassen. Während dieses Vorgangs bleibt der Bremsmechanismus 36 eingerückt, was bedeutet, dass der Fahrer das Reibungsnenndrehmoment des Bremsmechanismus ständig überwinden muss. Aus diesem Grund muss das Reibungsnenndrehmoment des Bremsmechanismus bevorzugt sowohl groß genug sein, um eine Drehung der Lenkspindel zu verhindern, bevor der Fahrer das Lenkrad ergriffen hat, als auch gering genug sein, um es dem Fahrer zu erlauben, das Lenkrad zu drehen.
- Bei der in
6 abgebildeten Ausführungsform ist der Bremsmechanismus 36 an einer Hülse 70 eingebaut, um ein selbstständiges Modul zu erstellen. Die Hülse 70 kann auf die Lenkspindel 14 aufgepresst oder angeschweißt werden. - Bei der Ausführungsform aus
7 wird der Bremsmechanismus 36 in eine Lenkanlage 10 ohne Kupplung eingefügt, die ein Lenkrad 12, eine Lenkspindel 14, ein Ritzel 16, das sich mit der Lenkspindel 14 dreht und mit einer Zahnstange 18 kämmt, um die Spurstangen 20 zu bewegen, die mit lenkbaren Bodenrädern 22 verbunden sind, umfasst. Ein Lenkmotor 28 ist mit der Lenkspindel verbunden und wird von einer Lenksteuereinheit 30 gesteuert. Das Lenkrad 12 ist mit einem Rückkopplungsmotor 80 verbunden. Dreh- und/oder Drehmomentsensoren 32, 34 werden auf dem Lenkrad 12 und der Lenkspindel 14 bereitgestellt und sind mit der Steuereinheit 30 verbunden. - Es kommen diverse andere Änderungen in Frage. In Abhängigkeit von dem verfügbaren Bauraum kann die Druckfeder 58 durch eine Tellerfeder ersetzt werden. Das Lager 50 zum Führen der Zahnhülse kann beliebiger Art sein, z.B. ein Wälzlager mit oder ohne Laufring oder ein Gleitlager, um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen oder Platzbedingungen zu erfüllen. Eine Abstimmung kann durch die richtige Auswahl der Werkstoffe und der Oberflächenrauheit oder des Reibungskoeffizienten an der Reibungsgrenzfläche zwischen dem flachen Anschlagring 54 und der Zahnhülse 48 erreicht werden. Insbesondere kann man Kunststoff, Gummi, Keramik und/oder ein organisches Harz sowie Stahl verwenden. Die einstellbare Druckscheibe und/oder der Anschlagring kann bzw. können durch Muttern ersetzt werden, falls die Spindel für ein Außengewinde vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine sehr genaue Abstimmung des Rutschdrehmoments.
Claims (10)
- Lenkanlage (10), umfassend eine Lenkspindel (14) und einen Bremsmechanismus (36), der zwischen einer ausgerückten Position und einer eingerückten Position bewegbar ist, um die Lenkspindel (14) winkelmäßig festzustellen, wobei in der ausgerückten Position des Bremsmechanismus (36) die Lenkspindel (14) freigegeben ist, wobei der Bremsmechanismus (36) eine Überbrückung umfasst, so dass ein zerstörungsfreies externes Drehmoment, das auf die Lenkspindel (14) über einer bestimmten Drehmomentschwelle ausgeübt wird, wenn sich der Bremsmechanismus (36) in der eingerückten Position befindet, zu einer Drehung der Lenkspindel (14) führt, wobei der Bremsmechanismus ein erstes ringförmiges Bremselement (48), ein zweites Bremselement (46) und ein Stellglied (38), um die ersten und zweiten Bremselemente (48, 46) in der eingerückten Position miteinander in Eingriff zu bringen, umfasst, wobei die Überbrückung ein erstes Reibungselement (54), das mit Bezug auf die Lenkspindel (14) nicht drehbar ist, und ein zweites Reibungselement (52), das mit Bezug auf eine ringförmige Grenzfläche des ersten Bremselements (48) des Bremsmechanismus (36) nicht drehbar ist, umfasst, wobei das erste Reibungselement (54) und das zweite Reibungselement (52) in der eingerückten Position reibschlüssig ineinandergreifen und wobei die Lenkanlage mindestens eine Vorspannfeder (58) umfasst, um eine vorbestimmte Vorspannkraft auf mindestens eines von den ersten und zweiten Reibungselementen (54, 52) auszuüben und das erste Reibungselement (54) und das zweite Reibungselement (52) reibschlüssig miteinander in Eingriff zu bringen, wobei die vorbestimmte Vorspannkraft derart ist, dass die ersten und zweiten Reibungselemente (54, 52) zu rutschen beginnen, wenn ein Drehmoment ausgeübt wird, das größer als die Drehmomentschwelle ist.
- Lenkanlage nach
Anspruch 1 , ferner umfassend einen einstellbaren Anschlag (60) zum Spannen der Vorspannfeder (58), wobei der einstellbare Anschlag (60) in einer einstellbaren Position mit Bezug auf die Lenkspindel (14) fixiert ist. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei die Vorspannfeder (58) eine Schraubenfeder ist, die sich um die Lenkspindel (14) herum windet. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei die Drehmomentschwelle größer als 1 Nm und kleiner als 13 Nm ist. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei das Stellglied (38) ein elektromechanisches Stellglied ist. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei mindestens eines (46) von den ersten und zweiten Bremselementen eine ringförmige Grenzfläche in Kontakt mit dem anderen (48) von den ersten und zweiten Bremselementen in der eingerückten Position umfasst. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei die ersten und zweiten Bremselemente (48, 46) in der eingerückten Position formschlüssig ineinandergreifen. - Lenkanlage nach
Anspruch 7 , wobei mindestens eines von den ersten und zweiten Bremselementen eine ringförmige Grenzfläche mit einer gewissen Anzahl von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen umfasst, die auf einem Umfang der ringförmigen Grenzfläche verteilt sind. - Lenkanlage nach
Anspruch 1 , wobei die ersten und zweiten Bremselemente (48, 46) in der eingerückten Position reibschlüssig ineinandergreifen. - Lenkanlage nach
Anspruch 9 , ferner umfassend ein Lager (50) zwischen dem ringförmigen Bremselement (48) und der Lenkspindel (14).
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