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Die Erfindung betrifft ein Steer-by-wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge weisen herkömmlicherweise sogenannte Feedback-Aktuatoren auf, welche mittels einer Elektromotor/Getriebeeinheit ein Drehmoment auf eine Lenkspindel einbringen, um dem Fahrer auf das Lenksystem einwirkende Krafteinflüsse zu simulieren.
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Aktuell bestehen solche Feedback-Aktuatoren aus der Motor-Getriebeeinheit bestehend aus Schnecke/Schneckenrad bzw. einem Schraubradgetriebe. Eine Getriebeeingangswelle ist mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt. Eine Getriebeausgangswelle ist mit einer oberen Lenkwelle bzw. Lenkspindel, die mit einem Lenkrad verbunden ist, gekoppelt.
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WO 2017/089218 A1 offenbart einen Feedback-Aktuator für Kraftfahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, wobei der Feedback-Aktuator über eine Lenkwelle die Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad überträgt, wobei der Feedback-Aktuator als Drehmoment erzeugendes Mittel einen vorgespannten Kurbeltrieb und einen Elektromotor aufweist.
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Aufgrund der gekreuzten Achsanordnung der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle ist somit eine Package-optimierte, koaxiale Motor-Getriebeeinheit derzeit nicht möglich. Weiterhin nachteilhaft ist das hohe Übersetzungsverhältnis in einer Getriebestufe, was ein großes Schneckenrad erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil ist der axial große Bauraum, bedingt durch den Drehstab.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Steer-by-wire-Lenksystem mit einem Feedback-Aktuator bereitzustellen, welches eine kompakte, Package- und kostenoptimierte Anordnung der Komponenten des Lenksystems ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mit einem Steer-by-wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Steer-by-wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkungsgehäuse, einer zumindest abschnittsweise in das Lenkungsgehäuse eingefügten und in diesem drehbar gelagerten Lenkspindel und einem Elektromotor, wobei eine Motorwelle des Elektromotors mit der Lenkspindel gekoppelt ist, und wobei ein Rotor des Elektromotors konzentrisch zur Lenkspindel angeordnet ist, wobei die Motorwelle des Elektromotors zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet ist.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch die konzentrische Ausbildung des Rotors des Elektromotors zur Lenkspindel sowie der Ausbildung der Motorwelle des Elektromotors als Hohlwelle ein kompaktes, Package- und kostenoptimiertes System zu schaffen. Hierdurch kann gegenüber herkömmlichen Systemen insbesondere ein radialer Bauraum des Systems verkleinert werden. Darüber hinaus ist es aufgrund der als Hohlwelle ausgebildeten Motorwelle des Elektromotors möglich, diverse zusätzliche Komponenten des Lenksystems in der Hohlwelle der Motorwelle des Elektromotors anzuordnen. Beispielsweise können Verkabelungen von Komponenten des Kraftfahrzeugs durch die Hohlwelle durchgeführt werden, die ansonsten eine gesonderte Leitungsführung benötigen würden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Steer-by-wire-Lenksystem eine Getriebevorrichtung aufweist, wobei eine Getriebeeingangsseite der Getriebevorrichtung mit der Motorwelle des Elektromotors und eine Getriebeausgangsseite der Getriebevorrichtung mit der Lenkspindel gekoppelt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Lenkspindel als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei ein Innendurchmesser der Lenkspindel zwischen 10 und 60 mm beträgt. Aufgrund der Ausbildung der Lenkspindel als Hohlwelle zusätzlich zu der Motorwelle des Elektromotors kann beispielsweise eine Verkabelung diverser Komponenten des Kraftfahrzeugs von einem Fahrgastinnenraum bzw. einem Armaturenbrettträger sowohl durch die Lenkspindel als auch durch die Motorwelle geführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Innendurchmesser der als Hohlwelle ausgebildeten Motorwelle des Elektromotors zwischen 10 und 60 mm beträgt. Der Durchmesser der Hohlwelle des Elektromotors kann somit in vorteilhafter Weise an entsprechende bauliche bzw. systemische Anforderungen angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Getriebevorrichtung durch ein Wellgetriebe ausgebildet ist, wobei die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle des Elektromotors und ein Wellengenerator der Getriebevorrichtung integral ausgebildet sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Anzahl der erforderlichen Komponenten der Getriebevorrichtung reduziert und somit die Getriebevorrichtung in deren technischer Komplexität vereinfacht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Getriebevorrichtung durch ein Planetengetriebe ausgebildet ist, wobei die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle des Elektromotors, ein getriebeeingangsseitiger erster Planetenradträger und ein getriebeausgangsseitiger zweiter Planetenradträger der Getriebevorrichtung, zwischen welchen zumindest ein Planetenrad angeordnet ist, integral ausgebildet sind. Aufgrund der integralen Ausbildung der Motorwelle des Elektromotors mit dem getriebeeingangsseitigen ersten Planetenradträger und dem getriebeausgangsseitigen zweiten Planetenradträger können in vorteilhafter Weise ein Sonnenrad der Getriebevorrichtung sowie jeweils gesonderte erste und zweite Planetenradträger entfallen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die als Hohlwelle ausgebildete Lenkspindel und ein getriebeausgangsseitiges Hohlrad der Getriebevorrichtung, welches mit dem zumindest einen Planetenrad kämmt, integral ausgebildet sind, und wobei das Planetengetriebe kein Sonnenrad aufweist. Aufgrund der integralen Ausbildung der Lenkspindel und des getriebeausgangsseitigen Hohlrads, welches mit dem zumindest einen Planetenrad kämmt, wird durch die Drehung der Motorwelle über das zumindest eine Planetenrad das Hohlrad und damit die mit diesem integral ausgebildete Lenkspindel angetrieben. Somit kann in vorteilhafter Weise das Sonnenrad entfallen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Getriebevorrichtung durch einen Riementrieb ausgebildet ist, wobei die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle des Elektromotors und ein, an einem axialen Endabschnitt der Motorwelle in der Getriebevorrichtung ausgebildeter, zur Motorwelle senkrecht angeordneter Steg, welcher mit einer Planetenwelle im Eingriff ist, auf der ein getriebeeingangsseitiges erstes Planetenrad und ein getriebeausgangsseitiges, zweites Planetenrad angeordnet sind, integral ausgebildet sind. Somit kann in vorteilhafter Weise ein herkömmlicherweise gesonderter Steg entfallen, da dieser mit der Motorwelle integral ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Riementrieb zweistufig ausgebildet ist, und wobei eine durch die Motorwelle des Elektromotors ausgebildete Antriebswelle der Getriebevorrichtung und eine durch die Lenkspindel ausgebildete Abtriebswelle der Getriebevorrichtung konzentrisch ausgebildet sind. Aufgrund der zweistufigen Ausbildung des Riementriebs kann je nach baulichen und/oder systemischen Anforderungen ein geeignetes Übersetzungsverhältnis der Getriebevorrichtung gewählt werden. Die konzentrische Ausbildung der Antriebswelle und der Abtriebswelle der Getriebevorrichtung ermöglichen zudem eine kompakte Anordnung der Komponenten des Lenksystems.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Drehmomentsensor und/oder ein Lenkwinkelsensor in der als Hohlwelle ausgebildeten Lenkspindel angeordnet sind. Aufgrund der Ausbildung der Lenkspindel in Form einer Hohlwelle ist es somit in vorteilhafter Weise möglich, diverse Komponenten des Lenksystems wie beispielsweise den Drehmomentsensor und/oder den Lenkwinkelsensor über beispielsweise eine Verkabelung in der Hohlwelle anzuordnen bzw. durch diese durchzuführen. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Bauraumersparnis gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein Drehmoment von 0,5 bis 4 Nm aufweist. Durch entsprechende Auswahl einer geeigneten Getriebeübersetzung kann somit durch einen relativ gering dimensionierten Elektromotor ein ausreichendes Lenkmoment auf die Lenkspindel eingebracht werden. Dies trägt in vorteilhafter Weise zu der Package-optimierten Anordnung der Motor-Getriebeeinheit des Lenksystems bei.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Figurenliste
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-wire-Lenksystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steer-by-wire-Lenksystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Das Steer-by-wire-Lenksystem 1 für das Kraftfahrzeug weist ein an ein Lenkrad 2 angebundenes Lenkungsgehäuse 10 auf. In dem Lenkungsgehäuse 10 sind vorzugsweise eine Lenkspindel, ein Elektromotor und eine Getriebevorrichtung (in 1 nicht gezeigt) angeordnet. Der Elektromotor und die Getriebevorrichtung sind mit der Lenkspindel koppelbar und bilden einen Feedback-Aktuator aus, welcher dazu ausgebildet ist, mit der Lenkspindel die Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad 2 zu übertragen.
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2 zeigt eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In dem Lenkungsgehäuse 10 sind die Lenkspindel 12 und der Elektromotor 16 angeordnet. Die Lenkspindel 12 ist in dem Lenkungsgehäuse 10 drehbar gelagert. Eine Motorwelle 16a des Elektromotors 16 ist mit der Lenkspindel 12 integral bzw. einteilig ausgebildet.
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Der Rotor 16b des Elektromotors 16 ist konzentrisch zur Motorwelle 16a und zur Lenkspindel 12 angeordnet. Ferner sind die Motorwelle 16a des Elektromotors 16 und die Lenkspindel 12 als Hohlwelle ausgebildet. Ein Innendurchmesser D1 der Lenkspindel 12 entspricht vorzugsweise einem Innendurchmesser D2 der Motorwelle 16a des Elektromotors. Alternativ kann beispielsweise zwischen der der Lenkspindel 12 und der Motorwelle 16a des Elektromotors ein radialer Versatz bzw. eine Abstufung des Durchmessers vorgehen sein.
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Ferner sind in der als Hohlwelle ausgebildeten Lenkspindel 12 in der vorliegenden Ausführungsform ein Drehmomentsensor 32 und ein Lenkwinkelsensor 34 angeordnet. Alternativ können der Drehmomentsensor 32 und/oder der Lenkwinkelsensor 34 an einer anderen geeigneten Stelle in dem Lenksystem angeordnet sein.
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3 zeigt eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In dem Lenkungsgehäuse 10 sind die Lenkspindel 12, die Getriebevorrichtung 14 und der Elektromotor 16 angeordnet. Die Lenkspindel 12 ist in dem Lenkungsgehäuse 10 drehbar gelagert. Die Motorwelle 16a des Elektromotors 16 ist mit einer Getriebeeingangsseite 14a der Getriebevorrichtung 14 gekoppelt.
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Des Weiteren ist die Lenkspindel 12 mit einer Getriebeausgangsseite 14b der Getriebevorrichtung 14 gekoppelt. Der Rotor 16b des Elektromotors 16 ist konzentrisch zur Lenkspindel 12 angeordnet. Ferner ist die Motorwelle 16a des Elektromotors 16 als Hohlwelle ausgebildet. Die als Hohlwelle ausgebildete Lenkspindel 12 weist den Innendurchmesser D1 zwischen 10 und 60 mm auf. Ferner beträgt der Innendurchmesser D2 der als Hohlwelle ausgebildeten Motorwelle 16a des Elektromotors 16 zwischen 10 und 60 mm.
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Die Getriebevorrichtung 14 ist durch ein Wellgetriebe ausgebildet. Die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle 16a des Elektromotors 16 und ein Wellengenerator 18 der Getriebevorrichtung 14 sind integral ausgebildet. Der Wellengenerator 18 ist an einem axialen Endabschnitt der Motorwelle 16 ausgebildet. An einem radialen Außenumfang des Wellengenerators 18 ist ein radialflexibles Lager 15 angeordnet.
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Ferner ist benachbart zu dem Lager 15 an einer radialen Außenseite bzw. an einer äußeren radialen Umfangsfläche des Lagers 15 eine außenverzahnte radial flexible Abrollbuchse angeordnet, welche mit der Lenkspindel 12 integral ausgebildet ist. Alternativ kann die außenverzahnte radial flexible Abrollbuchse als getrennte Komponente ausgebildet sein und in geeigneter Weise mit der Lenkspindel 12 verbunden sein.
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Die außenverzahnte radial flexible Abrollbuchse 17 ist mit einer an einer radialen Außenumfangsfläche der außenverzahnten radial flexiblen Abrollbuchse angeordneten innenverzahnten ringförmigen Komponente 19 verbunden.
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Bei dem Elektromotor 16 handelt es sich um einen herkömmlichen Elektromotor mit einem Stator 16d und einem zwischen dem Stator 16d und der Motorwelle 16a angeordneten, mit der Motorwelle 16a drehfest verbundenen Rotor 16b.
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Ferner sind in der als Hohlwelle ausgebildeten Lenkspindel 12 in der vorliegenden Ausführungsform ein Drehmomentsensor 32 und ein Lenkwinkelsensor 34 angeordnet. Alternativ können der Drehmomentsensor 32 und/oder der Lenkwinkelsensor 34 an einer anderen geeigneten Stelle in dem Lenksystem angeordnet sein.
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Der Drehmomentsensor 32 und der Lenkwinkelsensor 34 sind lediglich schematisch dargestellt, wobei eine tatsächliche Formgebung hiervon abweichen kann. Der Elektromotor 16 weist vorzugsweise ein Drehmoment von 0,5 bis 4 Nm auf. Alternativ kann der Elektromotor 16 je nach Systemanforderungen beispielsweise ein höheres Drehmoment aufweisen. Beispielsweise bei einer Getriebeübersetzung von 1, was einem Entfall des Getriebes entspricht.
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Die Getriebevorrichtung 14 ist in der vorliegenden Darstellung nur abschnittsweise dargestellt, wobei die unterhalb einer Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 14 angeordneten Komponenten jeweils spiegelsymmetrisch zu den oberhalb der Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 14 angeordneten Komponenten ausgebildet bzw. angeordnet sind.
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4 zeigt eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Getriebevorrichtung 114 ist in der vorliegenden Ausführungsform durch ein Planetengetriebe ausgebildet. Die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle 16a des (in 4 nicht gezeigten) Elektromotors ist mit einem getriebeeingangsseitigen ersten Planetenradträger 20 und einem getriebeausgangsseitigen zweiten Planetenradträger 22 der Getriebevorrichtung 14 integral ausgebildet. Zwischen dem ersten Planetenradträger 20 und dem zweiten Planetenradträger 22 ist zumindest ein Planetenrad 24 angeordnet.
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Die als Hohlwelle ausgebildete Lenkspindel 12 und ein getriebeausgangsseitiges Hohlrad 23 der Getriebevorrichtung 14, welches mit dem zumindest einen Planetenrad kämmt, sind integral ausgebildet.
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Die Getriebevorrichtung 114 ist in der vorliegenden Darstellung nur abschnittsweise dargestellt, wobei die unterhalb einer Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 114 angeordneten Komponenten jeweils spiegelsymmetrisch zu den oberhalb der Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 114 angeordneten Komponenten ausgebildet bzw. angeordnet sind.
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Benachbart zu dem Hohlrad 23 in Axialrichtung der Getriebevorrichtung 14 ist ein gehäusefest ausgebildetes Hohlrad 36 der Getriebevorrichtung 14 angeordnet.
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5 zeigt eine Längsschnittansicht des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Getriebevorrichtung 214 ist in der vorliegenden Ausführungsform durch einen Riementrieb ausgebildet. Die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle 16a des (in 5 nicht gezeigten) Elektromotors 16 und ein, an einem axialen Endabschnitt 16c der Motorwelle 16a in der Getriebevorrichtung 214 ausgebildeter, zur Motorwelle 16a senkrecht angeordneter Steg 25 sind integral ausgebildet.
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Der Steg 25 ist mit einer Planetenwelle 26 im Eingriff, auf welcher ein getriebeeingangsseitiges, erstes Planetenrad 28 und ein getriebeausgangsseitiges, zweites Planetenrad 30 angeordnet sind.
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An einer äußeren radialen Umfangsfläche des ersten Planetenrads 28 ist ein erster Riemen 42 angeordnet. An einer äußeren radialen Umfangsfläche des ersten Riemens 42 ist ein am Gehäuse fest angeordnete Komponente 38 der Getriebevorrichtung 214 angeordnet, welche innenverzahnt ist.
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An einer äußeren radialen Umfangsfläche des zweiten Planetenrads 30 ist ein zweiter Riemen 44 angeordnet. An einer äußeren radialen Umfangsfläche des zweiten Riemens 44 ist wiederum ein Hohlrad 40 angeordnet, welches innenverzahnt ist. Das Hohlrad 40 ist mit der als Hohlwelle ausgebildeten Lenkspindel 12 integral ausgebildet. Alternativ kann die Hohlwelle 40 beispielsweise als getrennte Komponente ausgebildet sein und in geeigneter Weise mit der Lenkspindel 12 verbunden sein.
Die Getriebevorrichtung 214 ist in der vorliegenden Darstellung nur abschnittsweise dargestellt, wobei die unterhalb einer Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 214 angeordneten Komponenten jeweils spiegelsymmetrisch zu den oberhalb der Mittellängsachse L der Getriebevorrichtung 214 angeordneten Komponenten ausgebildet bzw. angeordnet sind.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise können eine Form, Abmessung und/oder eine Beschaffenheit der Komponenten des Steer-by-wire-Lenksystems für das Kraftfahrzeug abgeändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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