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Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine steer-by-wire Lenkung in einem Fahrzeug.
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Bei der vorliegend beschriebenen Erfindung werden steer-by-wire Lenkungen für Fahrzeuge betrachtet. Bei einer solchen steer-by-wire Lenkung ist das Lenkrad nicht mehr mechanisch mit den gelenkten Rädern des Fahrzeugs verbunden. Elektronische Systeme erfassen eine vom Fahrer getätigte Lenkbewegung. Aktuatoren setzen diese erfasste Lenkbewegung in eine mechanische Lenkbewegung der Räder um. Lediglich für den Ausfall der elektronischen Systeme, können mechanische Rückfallebenen vorgesehen sein.
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Ferner werden hier Fahrzeuge betrachtet, die ein hochautomatisiertes Fahren ermöglichen. Beim hochautomatisierten Fahren steuert sich das Fahrzeug im Regelfall selbst, lediglich in Ausnahmesituationen wird das Lenkrad benötigt.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Anordnung für eine steer-by-wire Lenkung in einem Fahrzeug anzugeben, die bei kostengünstiger Herstellung und einfacher Montage eine sichere Lenkung des Fahrzeugs ermöglicht und bauraumoptimiert ausgestaltet ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung für eine steer-by-wire Lenkung in einem Fahrzeug. Insbesondere umfasst die Erfindung auch ein Fahrzeug, vorteilhafterweise ein 2-spuriges Straßenfahrzeug, mit der hier beschriebenen Anordnung.
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Die Anordnung umfasst zwei Lenkhörner und zwei Befestigungsvorrichtungen, die am Fahrzeug angeordnet werden. Die beiden Lenkhörner befinden sich an den Befestigungsvorrichtungen und ersetzen das herkömmliche Lenkrad. Anstatt einer herkömmlichen Lenksäule die das herkömmliche Lenkrad hält, werden erfindungsgemäß die beiden Befestigungsvorrichtungen verwendet, um die beiden Lenkhörner zu halten. Jeweils eine Befestigungsvorrichtung hält ein Lenkhorn.
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Jedes der beiden Lenkhörner umfasst einen Lenkschlitten. Die beiden Lenkschlitten werden unmittelbar von den Händen des Fahrers gegriffen. Ferner umfasst jedes Lenkhorn eine Lenkschlittenführung. Jeweils eine Lenkschlittenführung ist an einer Befestigungsvorrichtung befestigt. Jeweils ein Lenkschlitten ist auf einer Lenkschlittenführung verschiebbar angeordnet. Zum Erzeugen einer Lenkbewegung verschiebt der Fahrer die Lenkschlitten entlang der Lenkschlittenführungen.
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Pro Lenkhorn ist zumindest ein Sensor vorgesehen. Die Sensoren sind zum Erfassen der vom Fahrer eingebrachten Lenkbewegung, also der Relativbewegung zwischen Lenkschlitten und Lenkschlittenführung, ausgebildet. Dies erfolgt in dem die Sensoren die relative Position und/oder die relative Geschwindigkeit und/oder die relative Beschleunigung zwischen Lenkschlitten und Lenkschlittenführung erfassen. Um in dem Bereich der Lenkhörner eine Redundanz vorzuhalten, sind zwei Lenkhörner mit jeweils zumindest einem eigenen Sensor vorgesehen. Beim Ausfall eines Lenkhorns kann der Fahrer noch am verbleibenden Lenkhorn eine Lenkbewegung eingeben. Gleichzeitig ermöglicht diese Redundanz auch das Lenken mit nur einer Hand.
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Ferner umfasst die Anordnung zumindest einen mechanisch mit Rädern des Fahrzeugs verbindbaren Lenkaktuator. Mit diesem Lenkaktuator erfolgt das tatsächliche Lenken des Fahrzeugs basierend auf der erfassten Lenkbewegung.
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Der Lenkaktuator und alle weiteren hier beschriebenen Aktuatoren sind vorzugsweise elektromechanische und/oder hydraulische und/oder pneumatische Bauteile, wie Motoren für einen rotatorischen Antrieb oder einen Linearantrieb.
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Vorzugsweise sind die Lenkhörner bezüglich einer Instrumententafel des Fahrzeugs ein- und ausfahrbar. Dies erfolgt insbesondere in dem die Befestigungsvorrichtungen zum Ein- und Ausfahren der Lenkhörner teleskopierbar sind. Hierzu können die Befestigungsvorrichtungen beispielsweise ineinander angeordnete, zylindrische Elemente aufweisen, die durch entsprechende Aktuatoren elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatische ein- und ausfahrbar sind. Allerdings müssen die einzelnen Elemente der Befestigungsvorrichtungen nicht ineinander angeordnet sein, sondern können auch aneinander linearbeweglich geführt sein. Entscheidend bei der Teleskopierbarkeit der Befestigungsvorrichtungen ist, dass die Befestigungsvorrichtungen im eingefahrenen Zustand sehr wenig Bauraum innerhalb der Instrumententafel einnehmen.
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Das Ein- und Ausfahren der Lenkhörner bietet sich insbesondere beim hochautomatisierten Fahren an. Hier werden die Lenkhörner im Regelfall nicht benötigt, da sich das Fahrzeug selbst steuert. Lediglich in Ausnahmesituationen werden die Lenkhörner ausgefahren und der Fahrer kann das Fahrzeug selbst steuern.
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Bevorzugt sind die beiden Befestigungsvorrichtungen jeweils über eine Länge von zumindest 10 cm, insbesondere zumindest 20 cm, teleskopierbar. Dadurch können die Lenkhörner über eine ausreichende Länge, insbesondere bis in die Instrumententafel eingefahren werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Lenkschlitten rohrförmige Elemente mit einem Längsschlitz sind. Diese rohrförmigen Elemente umgreifen dabei die Lenkschlittenführungen. Der Längsschlitz ist notwendig, da die Lenkschlittenführungen an den Befestigungsvorrichtungen befestigt sind. Durch die rohrförmige Ausgestaltung der Lenkschlitten steht dem Fahrer die gesamte Mantelfläche der rohrförmigen Form zum Greifen zur Verfügung. Die rohrförmigen Elemente müssen nicht zwangsläufig rund sein, sondern können auch einen vieleckigen Querschnitt aufweisen.
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Vorzugsweise sind die Lenkschlitten genauso lang oder länger ausgebildet als die Lenkschlittenführungen. Die Länge von Lenkschlitten und Lenkschlittenführung ist dabei in Bewegungsrichtung der Lenkschlitten definiert. Durch diese ausreichend lange Ausgestaltung der Lenkschlitten wird gewährleistet, dass bei einem Lenkwinkel von 0° die Lenkschlitten die Lenkschlittenführungen über die ganze Länge abdecken. Dadurch greift der Fahrer nicht in die Lenkschlittenführungen sondern zwangsläufig auf die Lenkschlitten.
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Bevorzugte sind die Lenkschlittenführungen als gebogene Linearführungen für die Lenkschlitten ausgebildet. Der Radius dieser gebogenen Form entspricht dabei bevorzugt den Radien von herkömmlichen Lenkrädern. Diese gebogene Ausgestaltung vermittelt dem Fahrer ein typisches Lenkgefühl, da er die Lenkschlitten entlang einer Kreisbahn bewegen kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder Lenkschlitten über höchstens 180°, vorzugsweise höchstens 120°, besonders vorzugsweise höchstens 90°, bewegbar ist. Diese Einschränkung beschränkt die Baugröße der Lenkhörner und vereinfacht die mechanische Ausgestaltung.
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Vorteilhafterweise sind die Lenkschlittenführungen umklappbar an den Befestigungsvorrichtungen angeordnet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Lenkhörner ein- und ausfahrbar sind. So können beim Einfahren die Lenkhörner noch zusätzlich eingeklappt werden. Dies kann, je nach geometrischer Ausgestaltung der Instrumententafel und der Lenkhörner, eine bauraumoptimierte und designoptimierte Unterbringung der Lenkhörner in der Instrumententafel ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst jedes Lenkhorn einen Lenkschlittenaktuator. Der Lenkschlittenaktuator ist dazu ausgebildet, den Lenkschlitten relativ zur Lenkschlittenführung zu bewegen. Die Lenkschlittenaktuatoren ermöglichen es, den Lenkschlitten auch ohne Einwirkung durch den Fahrer relativ zur Lenkschlittenführung zu bewegen. Lenkt der Fahrer beispielsweise nur mit einer Hand am linken Lenkhorn, so bewegt sich der Lenkschlitten am rechten Lenkhorn automatisch mit. Des Weiteren kann mittels der Lenkschlittenaktuatoren die vom Fahrer eingebrachte Lenkbewegung unterstützt werden oder eine Gegenkraft erzeugt werden.
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Vorzugsweise ist pro Lenkhorn ein eigenes Lenkhornsteuergerät vorgesehen. Das jeweilige Lenkhornsteuergerät muss dabei jedoch nicht unmittelbar im Lenkhorn oder in der zugeordneten Befestigungsvorrichtung angeordnet sein. Die Lenkhornsteuergeräte können auch an anderer Position im Fahrzeug angeordnet werden. Entscheidend ist, dass aus Gründen der Redundanz zwei Lenkhornsteuergeräte verwendet werden.
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Jedes Lenkhornsteuergerät ist einem Lenkhorn zugeordnet und dazu ausgebildet, die im jeweiligen Sensor erfasste Lenkbewegung auszuwerten. Die von den beiden Lenkhornsteuergeräten ausgewerteten Lenkbewegungen werden zu dem zumindest einen Lenkaktuator weitergeleitet und dienen dort als Basis für die Ansteuerung der mechanischen Lenkung.
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Im Normalfall werden die von den Sensoren der beiden Lenkhörner erfassten Werte synchronisiert, sodass sich ein einheitlicher Fahrerwunsch ergibt, mit dem der zumindest eine Lenkaktuator angesteuert werden kann. Wenn jedoch der Fahrer nur mit einer Hand lenkt, so reicht für die Ansteuerung des Lenkaktuators auch die erfasste Lenkbewegung nur eines Lenkhorns aus. Bei einem teilweisen Systemausfall, beispielsweise wenn die Sensoren an einem Lenkhorn oder ein Lenkhornsteuergerät ausfallen, stellt die Redundanz des Systems sicher, dass der Lenkaktuator korrekt angesteuert wird.
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Sowohl im Normalfall als auch bei einem teilweisen Systemausfall können, zusätzlich zur Lenkung der Vorderräder auch die Hinterräder durch entsprechendes Bremsen zum Lenken des Fahrzeugs verwendet werden.
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Des Weiteren sind bevorzugt zwei Notfallaktuatoren vorgesehen. Jeweils ein Lenkhornsteuergerät steuert einen der Notfallaktuatoren basierend auf der erfassten Lenkbewegung des jeweiligen Lenkhorns an. Die beiden Notfallaktuatoren sind mechanisch mit den gelenkten Rädern des Fahrzeugs verbindbar, wobei die mechanische Verbindung mittels einer Kupplung getrennt ist. Diese Kupplung wird lediglich im Notfall (bei einem Ausfall der steer-by-wire Lenkung) geschlossen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Bewegungen der beiden Notfallaktuatoren mechanisch synchronisiert werden. Dies erfolgt beispielsweise über ein entsprechendes Getriebe zwischen den Notfallaktuatoren und der Kupplung. Die mechanische Synchronisierung stellt auch sicher, dass mit nur einem Notfallaktuator eine ausreichende mechanische Lenkung möglich ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 bis 4 eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebszuständen, und
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5 und 6 schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Die 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Anordnung 1 mit einer steer-by-wire Lenkung in einem Fahrzeug 2. Das Fahrzeug 2 ist hier zum hochautomatisierten Fahren geeignet. Dementsprechend lenkt das Fahrzeug 2 im Regelfall selbst. Lediglich in Ausnahmesituationen muss der Fahrer eine Lenkbewegung 17 (4) eingeben können.
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Gemäß den 1 bis 4 umfasst die Anordnung 1 zwei Befestigungsvorrichtungen 3. An den dem Fahrer zugewandten Enden der beiden Befestigungsvorrichtungen 3 befinden sich Lenkhörner 4.
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Jedes Lenkhorn 4 umfasst eine Lenkschlittenführung 6. Diese Lenkschlittenführung 6 ist mittels eines Klappmechanismus 7 an der jeweiligen Befestigungsvorrichtung 3 befestigt. Ferner umfassen die Lenkhörner 4 Lenkschlitten 5. Die Lenkschlitten 5 sind auf den Lenkschlittenführungen 6 linearbeweglich geführt. Die Lenkschlitten 5 werden vom Fahrer gegriffen und gegenüber den Lenkschlittenführungen 6 verschoben, um so die Lenkbewegung 17 zu erzeugen.
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Beim Erzeugen der Lenkbewegung 17 werden lediglich die Lenkschlitten 5 bewegt. Die Lenkschlittenführungen 6 und die Befestigungsvorrichtungen 3 bleiben dabei unbewegt.
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Die Lenkhörner 4 der Anordnung 1 sind gegenüber einer Instrumententafel 8 des Fahrzeugs 2 ein- und ausfahrbar. Dies wird im gezeigten Beispiel dadurch erreicht, dass die beiden Befestigungsvorrichtungen 3 teleskopierbar sind. Diese Teleskopierbarkeit hat zum Vorteil, dass die Befestigungsvorrichtungen 3 sowohl im eingefahrenen als auch im ausgefahrenen Zustand stets denselben Bauraum innerhalb der Instrumententafel 8 einnehmen.
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1 zeigt den vollständig eingefahrenen Zustand der Lenkhörner 4. In diesem Zustand steuert sich das Fahrzeug selbst oder befindet sich in einer Parkposition. 2 zeigt eine Zwischenstellung beim Ausfahren der Lenkhörner 4. Sobald die Lenkhörner 4 den in 2 gezeigten Zustand erreichen, erfolgt ein Umklappen der Lenkhörner 4 nach außen mittels des Klappmechanismus 7, sodass der Zustand gemäß 3 entsteht. Im Zustand nach 3 können die Lenkschlitten 5 vom Fahrer gegriffen werden und es erfolgt die Eingabe der Lenkbewegung 17 gemäß 4.
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Die Lenkschlittenführungen 6 bilden eine gebogene Linearführung für die Lenkschlitten 5. Dementsprechend sind auch die Lenkschlitten 5 gebogen ausgebildet. Durch diese gebogene Linearführung und durch die gebogene Ausgestaltung der Lenkschlitten 5 ergibt sich für den Fahrer ein Lenkgefühl, vergleichbar mit einem herkömmlichen Lenkerrad.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Instrumententafel 8 konvex ausgebildet und somit zum hin Fahren gewölbt. Damit sich die gebogenen Lenkhörner 4 im eingefahrenen Zustand möglichst bündig in die Instrumententafel 8 integrieren, ist der Klappmechanismus 7 vorgesehen. Im eingeklappten Zustand zeigt die Wölbung der beiden Lenkhörner 4, entsprechend der konvexen Wölbung der Instrumententafel 8, zum Fahrer. Im ausgeklappten Zustand zeigte die Wölbung der Lenkhörner 4 nach außen, und entspricht somit der üblichen Kontur eines Lenkrades.
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Der Klappmechanismus 7 kann entweder mittels eines Aktuators betätigt werden, oder die Lenkhörner 4 werden vom Fahrer manuell ein- und ausgeklappt.
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Wie die 1 bis 4 zeigen, sind die Lenkschlitten 5 genauso lang ausgebildet wie die Lenkschlittenführungen 6. Die Längen dieser Elemente sind in Richtung der Lenkbewegung 17 definiert. Durch diese ausreichend lange Ausgestaltung der Lenkschlitten 5 wird sichergestellt, dass bei einem Lenkwinkel von 0° gemäß der Darstellung in 3 der Fahrer nicht in die Lenkschlittenführungen 6 sondern zwangsläufig auf die Lenkschlitten 5 greift.
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Die 5 und 6 zeigen die erfindungsgemäße Anordnung 1 in schematisch vereinfachten Darstellungen. Hier sind die Lenkschlitten 5, lediglich zur Vereinfachung der Darstellung kürzer ausgebildet als die Lenkschlittenführungen 6. Dadurch ist gemäß 5 zu sehen, dass pro Lenkhorn 4 ein Sensor 9 vorgesehen ist. Die Sensoren 9 dienen zum Erfassen der vom Fahrer eingebrachte Lenkbewegung 17.
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Pro Lenkhorn 4 ist ein eigenes Lenkhornsteuergerät 12 vorgesehen, dass die Daten des jeweiligen Sensors 9 auswertet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Lenkhornsteuergeräte 12 an den Befestigungsvorrichtungen 3 angeordnet.
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Gemäß 6 umfasst die Anordnung 1 ferner zwei Lenkaktuatoren 11 die mechanisch mit den gelenkten Rädern 10 des Fahrzeugs 2 verbunden werden. Zumindest einer der Lenkaktuatoren 11 ist notwendig. Der zweite Lenkaktuator 11 dient der Redundanz. Die Lenkaktuatoren 11 werden basierend auf den mit den Sensoren 9 erfassten Daten angesteuert. Dies erfolgt entweder direkt mittels der Lenkhornsteuergeräte 12 oder durch zumindest ein zwischengeschaltetes weiteres Steuergerät 15.
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Ferner ist pro Lenkhorn 4 ein eigener Lenkschlittenaktuator 18 vorgesehen. Mit dem Lenkschlittenaktuator 18 kann der jeweilige Lenkschlitten 5 gegenüber der jeweiligen Lenkschlittenführung 6 bewegt werden. Dadurch können die Lenkschlitten 5 unabhängig vom Fahrer bewegt werden und/oder es ist möglich, die vom Fahrer eingebrachte Lenkbewegung 17 zu unterstützen oder eine Gegenkraft aufzubringen.
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Wie die Darstellungen in den 5 und 6 zeigen, ist pro Lenkhorn 4 ein eigener Notfallaktuator 13 vorgesehen. Die Notfallaktuatoren 13 werden von den beiden separaten Lenkhornsteuergeräten 12 basierend auf den Daten der Sensoren 9 angesteuert. Die von den Notfallaktuatoren 13 erzeugten Drehmomente und Drehbewegungen werden an einer mechanischen Synchronisierung 16, beispielsweise ausgebildet als Getriebe, zusammengefasst. Über eine Kupplung 14 ist die mechanische Synchronisierung 16 mit der mechanischen Lenkung der Räder 10 verbunden. Im Regelfall, wenn die steer-by-wire Lenkung funktioniert, ist die Kupplung 14 geöffnet.
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6 zeigt drei weitere Steuergeräte 15 die in den herkömmlichen steer-by-wire Lenkungen aufgrund der notwendigen Redundanzen verwendet werden. Da bei vorliegender Erfindung die beiden Lenkhornsteuergeräte 12 verwendet werden, kann auf zumindest zwei der weiteren Steuergeräte 15 verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Befestigungsvorrichtungen
- 4
- Lenkhörner
- 5
- Lenkschlitten
- 6
- Lenkschlittenführungen
- 7
- Klappmechanismus
- 8
- Instrumententafel
- 9
- Sensoren
- 10
- Räder
- 11
- Lenkaktuatoren
- 12
- Lenkhornsteuergeräte
- 13
- Notfallaktuatoren
- 14
- Kupplung
- 15
- weitere Steuergeräte
- 16
- mechanische Synchronisierung
- 17
- Lenkbewegung
- 18
- Lenkschlittenaktuatoren
