DE102018132465A1

DE102018132465A1 - Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018132465A1
Application number: DE102018132465.0A
Authority: DE
Inventors: Dieter Markfort
Original assignee: Joyson Safety Systems Germany GmbH
Current assignee: Joyson Safety Systems Germany GmbH
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: CN112969628B; US20220063707A1; DE102018132465B4; CN112969628A; WO2020127204A1

Abstract

Eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments, das einer Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet ist, umfasst ein Gehäuse, einen Antrieb, der in dem Gehäuse ortsfest angeordnet ist, ein mit dem Antrieb in Eingriff stehendes Getriebe, und eine Welle, die in dem Gehäuse gelagert und mit einer Komponente des Getriebes drehfest verbunden ist. Die Welle oder das Gehäuse ist zu einer drehfesten Verbindung mit der Lenkhandhabe ausgebildet, und das Gehäuse, das Getriebe und die Welle sind für eine, in Bezug auf das Kraftfahrzeug und um eine Drehachse der Welle, drehbare Lagerung ausgebildet. Erfindungsgemäß umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung wenigstens ein elastisches Element, wobei die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zur Abstützung in Bezug auf das Kraftfahrzeug entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle unter Zwischenschaltung des elastischen Elements ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments, das der Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Lenkvorrichtung und ein Kraftfahrzeug umfassend eine solche Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen werden insbesondere in Steer-by-wire-Lenksystemen eingesetzt. Sie dienen dort dazu, ein Rückstellmoment zu erzeugen, das einem durch einen Fahrzeugführer über die Lenkhandhabe erzeugten Drehmoment entgegenwirkt. Die Erzeugung eines derartigen Rückstellmoments ist erforderlich, da bei Steer-by-wire-Lenkungen die Fahrzeugräder mechanisch von der Lenkhandhabe entkoppelt sind. Ein über die Lenkhandhabe vom Fahrzeugführer eingegebener gewünschter Lenkwinkel wird dabei ausschließlich auf elektrischem Weg an Stellaggregate bzw. Aktuatoren zur Lenkung der Fahrzeugräder übermittelt. Bei einer Lenkbewegung auf die Räder wirkende Kräfte werden daher nicht an die Lenkhandhabe weitergegeben.
Um dem Fahrer dennoch ein Fahrgefühl ähnlich einer konventionellen Lenkung zu vermitteln, werden beispielsweise elektronisch angesteuerte Aktuatoren, etwa in Form von Elektromotoren, zur Erzeugung eines Rückstellmoments verwendet, welches in Größe und Richtung an unterschiedliche Gegebenheiten angepasst werden kann.
Für den Betrieb einer Steer-by-wire Lenkung ist die Erfassung des von einem Fahrzeugführer auf die Lenkhandhabe ausgeübten Lenkmoments bzw. des auf die Lenkhandhabe wirkenden Rückstellmoments zwingend erforderlich.
In der DE 19914383 wird dazu eine koaxial zur Lenkwelle positionierte Drehmomenterfassungseinrichtung vorgeschlagen. Dabei wird das Drehmoment über die elastische Verformung eines Torsionsstabes ermittelt. Nachteilig hierbei ist, dass die Drehmomentmessung an einem rotierenden Teil erfolgt. Derartige Drehmomentsensoren sind komplex aufgebaut und müssen aufwändig gelagert werden. Auch setzen sie einen großen Bauraum in axialer Richtung der Lenkwelle voraus. Sie machen zudem eine komplexe Auswerte-Elektronik erforderlich, und sind dadurch bedingt in ihrer Herstellung oder Anschaffung verhältnismäßig teuer.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht in der Schaffung einer raumsparenden und einfachen Möglichkeit für die Ermittlung von beim Betrieb von Steer-by-wire-Lenkungen wirkenden Drehmomenten.
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments, das einer Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet ist, zur Verfügung gestellt. Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse, einen Antrieb, der in dem Gehäuse bzw. bezüglich des Gehäuses ortsfest angeordnet ist, ein mit dem Antrieb in Eingriff stehendes Getriebe, und eine Welle, die in dem Gehäuse gelagert und mit einer Komponente des Getriebes drehfest verbunden ist. Die Welle oder das Gehäuse sind zu einer drehfesten Verbindung mit der Lenkhandhabe ausgebildet, und das Gehäuse, das Getriebe und die Welle sind für eine, in Bezug auf das Kraftfahrzeug und um eine Drehachse der Welle, drehbaren Lagerung ausgebildet. Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung umfasst außerdem wenigstens ein elastisches Element, wobei die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zur Abstützung in Bezug auf das Kraftfahrzeug entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle unter Zwischenschaltung des elastischen Elements ausgebildet ist.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann zur Verwendung in einem Steer-by-wire-Lenksystem ausgebildet sein.
Die Abstützung in Bezug auf das Kraftfahrzeug kann über das Gehäuse oder die Welle erfolgen.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann wenigstens zwei Anschläge zur fahrzeugfesten Anordnung umfassen, die dazu ausgebildet sind, eine Drehung des Gehäuses oder der Welle um die Drehachse der Welle zu begrenzen. Die Anschläge können die Drehung auf weniger als ein Viertel einer Umdrehung begrenzen. Insbesondere können die Anschläge die Drehung auf weniger als ein Fünfzigstel einer Umdrehung begrenzen. Die Anschläge können zudem dazu ausgebildet sein, ein Begrenzen der Drehung durch Berührung mit dem elastischen Element zu bewirken.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann ferner wenigstens ein Anschlagelement umfassen, das in Bezug auf das Gehäuse oder die Welle drehfest angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, zum Begrenzen der Drehung jeweils einen der Anschläge zu berühren.
Das Getriebe kann als Schneckengetriebe ausgebildet sein, das wenigstens eine Schneckenwelle und wenigstens ein Schneckenrad umfasst.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann wenigstens ein Dämpfungselement umfassen. Dabei kann die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle ferner unter Zwischenschaltung des Dämpfungselements ausgebildet sein.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann wenigstens einen Sensor umfassen, der zum Erfassen einer Kraft und/oder zum Erfassen eines Winkels der Drehung um die Drehachse der Welle ausgebildet ist. Wenigstens ein Sensor der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann zum Erfassen einer Kraft ausgebildet sein. Dabei kann die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle ferner unter Zwischenschaltung des Sensors ausgebildet sein. Das elastische Element kann dabei in dem Sensor zum Erfassen der Kraft integriert sein.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann insbesondere mehrere Sensoren umfassen, von denen wenigstens ein erster Sensor zum Erfassen einer Kraft und wenigstens ein zweiter Sensor zum Erfassen eines Winkels der Drehung um die Drehachse der Welle ausgebildet ist.
Wenigstens ein Sensor der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung kann über eine Hebelanordnung beaufschlagt werden. Wenigstens ein Hebel der Hebelanordnung kann drehfest in Bezug auf das Gehäuse oder die Welle angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann mindestens ein Hebel der Hebelanordnung als zweiseitiger Hebel ausgeführt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Lenkvorrichtung zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Die Lenkvorrichtung umfasst eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung der hier vorgestellten Art, eine Lenkhandhabe, und ein Stützelement. Die Welle oder das Gehäuse der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung ist drehfest mit der Lenkhandhabe verbunden, und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung ist zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle in Bezug auf das Stützelement ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung oder eine Lenkvorrichtung der hier jeweils vorgestellten Art.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Lenkvorrichtung mit Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Ansicht der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung der Lenkvorrichtung aus 1;
3 bis 8 Lenkvorrichtungen jeweils mit einer Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
9 und 10 Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und
11 eine Ansicht einer Hebelanordnung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung aus 10.

1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 100 gemäß einem Beispiel. Die Lenkvorrichtung 100 ist beispielsweise zur Verwendung in einem Steer-by-wire-Lenksystem vorgesehen.
Die Lenkvorrichtung 100 umfasst eine Lenkhandhabe 102. In dem gezeigten Beispiel ist die Lenkhandhabe 102 als Lenkrad ausgebildet. Die Lenkhandhabe 102 ist zudem mit der Welle 130 verbunden, die wiederum Teil einer Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 der Lenkvorrichtung 100 ist. Die Lenkvorrichtung 100 umfasst ferner ein Stützelement 104, an dem die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 sowie die Lenkhandhabe 102 montiert sind und das zur Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 gegenüber Lenk- oder Drehmomenten dient, die auf die Welle 130 wirken können. In dem gezeigten Beispiel ist das Stützelement 104 mit einem Schlitten ausgestattet und verschiebbar auf einer fahrzeugfesten Führungsbahn angeordnet.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 umfasst außerdem ein Gehäuse 112, in dem die Welle 130 drehbar gelagert ist. In dem Gehäuse 112 ist zudem ein Antrieb 120 vorgesehen, der in Bezug auf das Gehäuse 112 ortsfest angeordnet ist. Zwischen dem Antrieb 120 und der Welle 130 ist ferner ein Getriebe 122 vorgesehen, das mit dem Antrieb 120 in Eingriff steht und eine von dem Antrieb 120 erzeugte Kraft als ein Drehmoment auf die Welle 130 überträgt.
In dem gezeigten Beispiel ist das Getriebe 122 als Schneckengetriebe ausgebildet, das antriebsseitig eine Schneckenwelle 124 und abtriebsseitig ein Schneckenrad 126 umfasst. Das Schneckenrad 126 ist drehfest an der Welle 130 angebracht.
Der beschriebene Aufbau gestattet, gegenüber dem Gehäuse 112 und um eine Drehachse (gestrichelt dargestellt) der Welle 130 ein von dem Antrieb 120 und dem Getriebe 122 erzeugtes Drehmoment auf die Welle 130 auszuüben. Durch die drehfeste Verbindung der Lenkhandhabe 102 mit der Welle 130 wird ein solches Drehmoment zudem auf die Lenkhandhabe 102 übertragen.
Die Welle 130 ist gegenüber dem Stützelement 104 drehbar in einem Tragabschnitt des Stützelements 104 gelagert. Eine beispielsweise von einem Fahrer auf die Lenkhandhabe 102 ausgeübte Lenkbewegung wird dabei über die Welle 130, das Getriebe 122 und den Antrieb 120 auf das Gehäuse 112 übertragen (Doppelpfeil über dem Gehäuse 112). Zur Begrenzung einer solchen Drehung umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 zwei Anschläge 150, 152, die ortsfest in Bezug auf das Stützelement 104 angeordnet sind, sowie ein Anschlagelement 114 am Gehäuse 112, das sich bei einer Drehung des Gehäuses 112 zwischen den Anschlägen 150, 152 bewegt (Doppelpfeil am Anschlagelement 114). Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 ist gegenüber einer Drehung um die Drehachse der Welle 130 zudem über das elastische Element 140 an dem Stützelement 104 abgestützt. Dabei ist ein Kraftsensor 160 zwischen dem Anschlagelement 114 und dem elastischen Element 140 angeordnet.
Der gezeigte Aufbau gestattet, ein gegenüber dem Stützelement 104 auf die Welle 130 wirkendes Lenk- bzw. Drehmoment mithilfe des Sensors 160 zu erfassen. Ein Signal des Kraftsensors 160 wird dabei beispielsweise dazu verwendet ein von einem Fahrer auf die Lenkhandhabe 102 ausgeübtes Lenkmoment zu ermitteln und auf der Grundlage des ermittelten Lenkmoments den Antrieb 120 derart anzusteuern, dass ein geeignetes Rückstellmoment erzeugt wird, das dem Lenkmoment entgegenwirkt.
Eine Elastizität des elastischen Elements 140 ist in einigen Beispielen so gewählt, dass bei üblichen Lenkmomenten ein Anschlagen des Anschlagelements 114 gegen einen der Anschläge 150, 152 nicht oder zumindest nur stark abgedämpft erfolgt. Zudem sind in einigen Beispielen die Anschläge 150, 152 derart angeordnet, dass sie eine Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 um die Drehachse der Welle 130 auf weniger als ein Viertel einer Drehung, beispielsweise auf weniger als ein Fünfzehntel einer Drehung, in einigen Beispielen etwa auf weniger als ein Fünfzigstel einer Drehung, beschränken.
Die Lenkvorrichtung 100 gestattet auf die beschriebene Weise die Ermittlung eines Lenkmoments bzw. die Bestimmung eines Rückstellmoments unter Verwendung eines einfachen, auf der Erfassung einer Kraft oder Weglänge beruhenden Sensors 160. Zudem gestattet die Lenkvorrichtung 100 mittels der beschriebenen Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 einen in axialer Richtung der Welle 130 platzsparenden Aufbau, der zudem mit einfachen Konstruktionselementen umsetzbar ist. Ein mittels des Sensors 160 ermitteltes Lenkmoment bzw. ein entsprechend bestimmtes Rückstellmoment gestattet dabei beispielsweise im Zusammenhang mit einem Steer-by-wire-Lenksystem die Erzeugung eines Steuersignals an einen oder mehrere Lenkaktuatoren auf der Grundlage des Sensorsignals.
Die Lenkvorrichtung 100 ist vorteilhaft mit einem Steer-by-wire-Lenksystem zum Einstellen eines der Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichteten Drehmoments, d.h. eines Rückstellmoments, verwendbar. Beim Einstellen eines solchen Rückstellmoments ist ein Basisrückstellmoment, bzw. Basiswiderstandsmoment, dasjenige Moment, das sich aus Reibungswiderständen zwischen den im Eingriff stehenden Komponenten des Getriebes und in deren Lagerung sowie aus Reibungswiderständen bei der Bewegung sonstiger Bauteile ergibt. Das Basisrückstellmoment verändert sich über die Betriebsdauer einer Lenkvorrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie etwa Schmierung oder Verschleiß. Es muss daher regelmäßig, beispielsweise beim Starten des Fahrzeugs, durch eine definierte Ansteuerung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung ermittelt und damit aktualisiert werden.
Beim Betrieb einer Steer-by-wire-Lenkung müssen dem Fahrzeugführer jedoch über die Lenkhandhabe Rückstellmomente vermittelt werden, die in Abhängigkeit von den aktuellen Fahrbedingungen von dem Basisrückstellmoment abweichen, wobei bevorzugt dem Fahrzeugführer ein mittleres Rückstellmoment von 2 bis 3 Nm vermittelt wird. Übersteigt das notwendige Rückstellmoment das Basisrückstellmoment, wird über den Antrieb und das Getriebe ein Moment erzeugt, das einer durch den Fahrzeugführer eingeleiteten Lenkbewegung zur Änderung der Fahrtrichtung einen stärkeren Widerstand entgegensetzt. Ist das notwendige Rückstellmoment geringer als das Basisrückstellmoment, wird über den Antrieb und das Getriebe ein Moment erzeugt, das die durch den Fahrzeugführer eingeleitete Änderung der Fahrtrichtung unterstützt, also in die gleiche Drehrichtung auf die Lenkhandhabe einwirkt wie der Fahrzeugführer bei der Einleitung der Änderung der Fahrtrichtung.
Die Ansteuerung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung erfolgt zur Minimierung von Betriebsgeräuschen zudem zweckmäßigerweise derart, dass das Anschlagelement nicht oder nur mit einer geringen Geschwindigkeit auf die fahrzeugfesten Anschläge auftrifft, um eine Drehung des Gehäuses oder der Welle der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung um die Drehachse der Welle zu begrenzen. Im Zusammenwirken mit dem elastischen Element geschieht dies durch ein Erzeugen eines der Drehrichtung der Lenkhandhabe entgegengesetzten Moments, das eine weitere Drehung abbremst bzw. unterbindet.
2 zeigt eine Detailansicht der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 der Lenkvorrichtung 100 aus 1. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche Merkmale. In 2 ist erkennbar, dass in dem gezeigten Beispiel die Welle 130 in dem Gehäuse 112 endet. Unterhalb des Gehäuses 112 ist dabei in Verlängerung der Welle 130 ein drehfest mit dem Gehäuse 112 verbundener Wellenstumpf 132 angeordnet. Der Wellenstumpf 132 dient als Stütze des Gehäuses 112 in Richtung der Drehachse der Welle 130 und ist dabei derart drehbar gegenüber dem Stützelement 104 gelagert, vorliegend an dem Schlitten, dass er eine Drehung des Gehäuses 112 um die Drehachse der Welle 130 unabhängig von einer Drehung der Welle 130, etwa infolge einer Betätigung des Antriebs 120, gestattet.
3 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 300 gemäß einem weiteren Beispiel. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt bezüglich der Merkmale der Lenkvorrichtung 300 und deren Funktionalität das im Zusammenhang mit der Lenkvorrichtung 100 Gesagte entsprechend. Abweichend von der Lenkvorrichtung 100 ist bei dem in 3 gezeigten Beispiel das Gehäuse 312 unterhalb des Stützelementes 304 angeordnet, wobei die mit einer Lenkhandhabe verbundene Welle 330 das Stützelement 304 vollständig durchragt. Ebenfalls abweichend von der Lenkvorrichtung 100 ist die fahrzeugfeste, nicht verschiebbare, Anordnung des Stützelements 304.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 310 unterscheidet sich zudem dadurch von der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110, dass ein elastisches Element 340 gleichzeitig als Anschlagelement zur Begrenzung einer Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 310 zwischen zwei Anschlägen 350, 352 angeordnet ist. Ein Vorsprung 314 des Gehäuses 312 dient dagegen nur zur Befestigung des Sensors 360 an dem Gehäuse und zur Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 310 gegen eine Drehung mit Bezug auf das Stützelement 304 über den Sensor 360 und das elastische Element 340.
4 zeigt schematisch und exemplarisch ein weiteres Beispiel einer Lenkvorrichtung 400. Die Lenkvorrichtung 400 stellt eine Abwandlung der Lenkvorrichtung 300 aus 3 dar. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt dabei für die Lenkvorrichtung 400 das im Zusammenhang mit 3 Gesagte entsprechend.
Abweichend von dem Beispiel aus 3 umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 410 der Lenkvorrichtung 400 ferner ein Dämpfungselement 470 zur Dämpfung einer Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 410 um die Drehachse mit Bezug auf das Stützelement unter Zwischenschaltung des elastischen Elements. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 410 zudem ein Kraftübertragungselement 472 zur Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 410 gegenüber dem Stützelement über das elastische Element. Im Zusammenspiel mit entsprechenden Anschlägen ist so eine Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 410 um die Drehachse der Welle begrenzt.
In einigen Beispielen umfasst das Dämpfungselement 470 ferner einen Kraft- oder Wegsensor. In weiteren Beispielen ist ein Kraft- oder Wegsensor als Teil des Kraftübertragungselements 472 vorgesehen.
5 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 500 gemäß einem weiteren Beispiel. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt auch für die Lenkvorrichtung 500 das vorangehend Gesagte entsprechend.
Im Unterschied zu den vorangehenden Beispielen erfolgt bei der Lenkvorrichtung 500 eine Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 510 gegenüber dem Stützelement 504 gegenüber einer Drehung um die Drehachse nicht über das Gehäuse 512, sondern über die Welle 530.
Bei der Lenkvorrichtung 500 ist das Gehäuse 512 drehfest mit der Lenkhandhabe 102 verbunden. Ein von dem Antrieb 120 erzeugtes Drehmoment wirkt damit über das Gehäuse 512, und nicht wie bei den vorherigen Beispielen über die Welle 530, auf die Lenkhandhabe 102.
Das Stützelement 504 entspricht weitgehend dem Stützelement 104 aus 1. Zur Abstützung gegen eine Drehbewegung umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 510 einen Biegestab 540 als elastisches Element. Der Biegestab 540 erstreckt sich durch die Welle 530, wobei er die Drehachse beispielsweise in radialer Richtung schneidet. Ein Ende des Biegestabs 540 ist mit Bezug auf das Stützelement 504 ortsfest mit dem Stützelement 504 verbunden. Ein gegenüberliegendes freies Ende des Biegestabs 540 ist beweglich, derart dass eine Drehung der Welle 530 zu einer Biegung des Biegestabs 540 und dabei zu einer Bewegung des freien Endes des Biegestabs 540 führt. Eine Bewegung des freien Endes des Biegestabs 540, und damit auch eine Drehung der Welle 530, ist durch die Anschläge 550, 552 begrenzt, zwischen denen das freie Ende des Biegestabs 540 angeordnet ist. Dabei dient das freie Ende des Biegestabs 540 als Anschlagelement der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 510.
In weiteren Beispielen weist der Biegestab 540 kein freies Ende auf, sondern erstreckt sich vollständig zwischen der Welle 530 und der ortsfesten Verbindung des Biegestabs 540 mit dem Stützelement 504. Anschläge 550, 552 sind dabei beispielsweise beidseitig des Biegestabs angeordnet, um eine Verbiegung des Biegestabs 540 infolge einer Drehung der Welle 530 zu begrenzen.
In weiteren Beispielen erfolgt die Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 510 in Bezug auf das Stützelement 504 zudem unter Zwischenschaltung eines Kraft- oder Wegsensors.
Allgemein sind die vorliegend beschriebenen Techniken zur Verwendung sowohl mit einem Kraftsensor als auch einem Wegsensor zur Bestimmung eines Rückstellmoments geeignet. Beispielsweise ist dabei auf der Grundlage einer bekannten Weg-Kraft-Kennlinie des elastischen Elementes eine Zuordnung vorgesehen zwischen dem Ausmaß einer Lenkbewegung und einem durch den Antrieb der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zu erzeugenden Rückstellmoment, das der Lenkbewegung, beispielsweise eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, entgegenwirkt. Die vorliegend beschriebenen Techniken sind so zur Verwendung mit jedweder Sensoranordnung geeignet, die Rückschlüsse auf die Größe einer Lenkbewegung an der Lenkhandhabe oder eines Lenkdrehmoments gestattet.
6 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 600 gemäß einem weiteren Beispiel. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt für die Lenkvorrichtung 600 das im Zusammenhang mit 5 Gesagte entsprechend. Insbesondere ist ähnlich dem Beispiel aus 5 bei der Lenkvorrichtung 600 das Gehäuse 612 der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 drehfest mit der Lenkhandhabe verbunden und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 stützt sich gegenüber dem Stützelement 604 gegenüber einer Drehung um die Drehachse über die Welle 630 ab.
Abweichend von den vorherigen Beispielen umfasst das Stützelement 604 keinen Tragabschnitt zur Lagerung der Welle 630 an einem der Lenkhandhabe zugewandten Ende der Welle 630. Wie in dem Beispiel aus 5 ist die Welle 630 der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 drehbar in dem Gehäuse 612 und an dem Stützelement 604 gelagert, wobei sie in 6 das Stützelement 604 durchragt. Eine Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 erfolgt dabei unterhalb des Stützelements 604 mittels einer Flachfeder, die in dem gezeigten Beispiel kreisscheibenförmig ausgebildet ist. Die Flachfelder ist drehfest mit der Welle 630 verbunden. Zudem sind Biegesegmente 640 als elastische Elemente der Flachfeder drehfest an dem Stützelement 604 fixiert bzw. dessen integrale Bestandteile.
Die Elastizität der Flachfeder im Bereich der Biegesegmente 640 gestattet Drehbewegungen der Welle 630 unter Verbiegung der Biegesegmente 640. Eine Begrenzung der Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 erfolgt ebenfalls mittels der Flachfeder bedingt durch deren Gestalt im Bereich der Biegesegemente 640. Die Flachfeder weist im Bereich der Biegesegmente 640 Schlitze auf, mittels deren eine Verbiegung der Biegesegmente 640 ermöglicht und gleichzeitig gemäß einer Breite der Schlitze begrenzt ist. In dem gezeigten Beispiel wirken dabei Abschnitte der Flachfeder beidseitig einer Fixierung an dem Stützelement 604 als Anschläge 650, 652. Diese Bereiche begrenzen die Verbiegung der Flachfeder in Drehrichtung durch Berührung mit Bereichen 614 der Flachfeder, die den Anschlägen 650, 652 an einem jeweiligen Schlitz gegenüberliegen. Elastizität und Deformationsverhalten der Flachfeder sind z.B. durch die Anzahl und die Gestaltung der Biegesegmente 640 bestimmbar.
In anderen Beispielen der Lenkvorrichtung 600 ist die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 610 an einem Tragabschnitt des Stützelements 604, an einem Schlitten, oder einer sonstigen geeigneten Struktur abgestützt.
7 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 700 gemäß einem weiteren Beispiel. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt für die Lenkvorrichtung 700 das im Zusammenhang mit 5 und 6 Gesagte entsprechend. Insbesondere ist auch bei der Lenkvorrichtung 700 das Gehäuse 712 drehfest mit der Lenkhandhabe verbunden und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 710 stützt sich gegenüber dem Stützelement 704 gegenüber einer Drehung um die Drehachse über die Welle 730 ab.
Die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 710 umfasst zur Abstützung gegenüber dem Stützelement 704 einen starren Hebel 714, der mit der Welle 730 drehfest verbunden ist. Das freie Ende des starren Hebels 714 greift zur Abstützung um das elastische Element 740, dessen Verformung und damit auch die Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 710 wiederum durch Anschläge 750, 752 begrenzt ist.
Die Erfassung einer Lenkbewegung bzw. einer Drehung der Welle 730 erfolgt mittels eines rotierenden Winkelsensors 760, der in einem Gehäuse 776 (hier offen dargestellt) angeordnet ist. Das Gehäuse 776 ist dabei ortsfest mit Bezug auf das Stützelement 704 an diesem befestigt.
Bei einer Drehung der Welle 730 wird mit dem starren Hebel 714 ein daran angeordneter Mitnehmer 772 in Drehrichtung bewegt. Der Mitnehmer 772 ist dabei Teil einer Hebelanordnung 770, in der eine Bewegung des Mitnehmers 772 auf einen Sensorhebel 774 wirkt. Der Sensorhebel 774 ist um eine Hebeldrehachse 771 mit Bezug auf das Sensorgehäuse 776 schwenkbar. Bei einer Drehung der Welle 730 beispielsweise im Uhrzeigersinn bewegt sich auch der Mitnehmer 772 im Uhrzeigersinn um die Drehachse der Welle 730. Eine Drehachse 771 des Sensorhebels 774 ist mit Bezug auf den Mitnehmer 772 der Welle 730 gegenüber liegend und mit Bezug auf das Stützelement 704 ortsfest angeordnet. Diese Anordnung bewirkt in dem gezeigten Beispiel eine Bewegung des Sensorhebels 774 um dessen Drehachse 771 entgegen dem Uhrzeigersinn (Pfeile am starren Hebel 714 und am Sensorhebel 774). Schwenken des Sensorhebels 774 bewirkt dabei eine Bewegung eines äußeren Kreisbogenabschnitts des Sensorhebels 774 gegenüber dem Winkelsensor 760. Eine Verzahnung 778 greift dabei in einen Zahnkranz 762 des Winkelsensors 760, sodass bei einem Schwenken des Sensorhebels 774 der Sensor 760 in einer Rotation versetzt wird. Entsprechend der Rotation des Sensors 760 ist so ein Drehwinkel der Welle 730 bestimmbar.
Die Hebelanordnung 770 bewirkt eine Übertragung einer Drehbewegung der Welle 730 auf größere Winkelbewegungen des Sensors 760. Dies gestattet eine höhere Messgenauigkeit einer Winkeländerung der Rückstellvorrichtung 710.
8 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lenkvorrichtung 800 gemäß einem weiteren Beispiel. Abweichend von dem Beispiel aus 7 erfolgt bei der Lenkvorrichtung 800 eine Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 810 nicht über die Welle, sondern über das Gehäuse 812, ähnlich den in 3 und 4 beschriebenen Beispielen. Zudem umfasst die Lenkvorrichtung 800 eine Hebelanordnung 870 zur Erfassung eines Drehwinkels um die Drehachse der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 810, ähnlich dem Beispiel aus 7.
Abweichend von dem Beispiel aus 7 ist bei der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 810 der Sensor 860 drehfest mit dem Gehäuse 812 verbunden. Eine Drehung des Gehäuses 812 um seine Drehachse bewirkt damit eine Bewegung der Hebeldrehachse 872 in gleicher Richtung. Im Zusammenwirken mit der gegenüber dem Stützelement ortsfest angeordneten Führung 871 bewirkt dies eine Drehung des Sensorhebels 874 um die Hebeldrehachse 872 in entgegengesetzter Richtung.
Ähnlich dem Beispiel aus 7 umfasst auch der Sensorhebel 874 eine Verzahnung 878 an einem äußeren Kreisbogenabschnitt. Abweichend von dem Sensor 760 dient bei dem Sensor 860 die Verzahnung jedoch nicht zum Antrieb eines rotierenden Winkelsensors. Der Sensor 860 ist stattdessen als optischer Sensor ausgebildet. Die Verzahnung 878 dient dabei als optische Markierung zum Abtasten durch ein optisches Element 862 des Sensors 860.
9 zeigt schematisch und exemplarisch eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 910 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 910 handelt es sich um eine Abwandlung der in 8 gezeigten Vorrichtung. In dem gezeigten Beispiel dient eine Verzahnung 978 zum Antrieb eines rotierenden Winkelsensors 960. Dabei greift die Verzahnung 978 in einen Zahnkranz 962 des Sensors 960, ähnlich dem Beispiel aus 7.
10 zeigt schematisch und exemplarisch eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 gemäß einem weiteren Beispiel. Soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, gilt für die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 das im Zusammenhang mit 9 Gesagte entsprechend.
Abweichend von den vorherigen Beispielen umfasst die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 eine Hebelanordnung 1070 in Form einer Zweihebelanordnung. Dabei ist ein rotierender Winkelsensor 1060 auf einem Sensorhebel 1084 und eine mit dem Sensor 1060 zusammenwirkende Verzahnung 1078 an einem Geberhebel 1074 angeordnet. Die Hebelanordnung 1070 ist so ausgebildet, dass eine Drehung der Welle 1030 zu einem Verschwenken von Geberhebel 1074 und Sensorhebel 1084 in entgegengesetzte Richtungen erfolgt.
Die Hebelanordnung 1070 ist mittels einer in Bezug auf das Stützelement ortsfesten Fixierstruktur 1080 geführt. Dazu umfasst die Fixierstruktur 1080 eine Geberhebelfixierung 1071 und eine Sensorhebelfixierung 1082. Die Geberhebelfixierung 1071 und die Sensorhebelfixierung 1082 sind auf gegenüberliegenden Seiten einer mit dem Sensorgehäuse 1076 ortsfest verbundenen Drehachse 1072 angeordnet, die als Drehachse sowohl für den Sensorhebel 1084 als auch den Geberhebel 1074 dient, wobei das Sensorgehäuse 1076 wiederum drehfest mit dem Gehäuse 1012 der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 verbunden ist. Die mit Bezug auf die Drehachse 1072 gegenüberliegende Anordnung der Fixierungen 1071 und 1082 bewirkt dabei bei einer Bewegung der Drehachse 1072 ein Verschwenken von Geberhebel 1074 und Sensorhebel 1084 relativ zu ihren Fixierungen 1071, 1082 in entgegengesetzte Richtungen. Die Bewegung des Sensorhebels 1084 entspricht dabei im Wesentlichen der Bewegung des Sensorhebels 874 aus 8. Dem gegenüber wird das Ende des Geberhebels 1074, an dem die Verzahnung 1078 angeordnet ist, durch die beschriebene Anordnung in die entgegen gesetzte Richtung um die Geberhebelfixierung 1071 geschwenkt und treibt so durch Eingreifen in den Zahnkranz 1062 den rotierenden Winkelsensor 1060 an.
Um eine sich bei Bewegung der Drehachse 1072 ergebende Veränderung der Abstände zwischen der Drehachse 1072 und jeder der Fixierungen 1071, 1082 zu kompensieren, weisen sowohl der Geberhebel 1074 als auch der Sensorhebel 1084 im Bereich ihrer Fixierung 1071, 1082 jeweils ein Langloch auf.
11 zeigt eine vergrößerte Darstellung zur Verdeutlichung der Anordnung der einzelnen Merkmale der Hebelanordnung 1070 sowie des jeweiligen Schwenkverhaltens von Sensorhebel 1084 und Geberhebel 1074 bei einer Bewegung der Drehachse 1072 infolge einer Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 um die Drehachse der Welle 1030.
Gegenüber den Hebelanordnungen aus 8 und 9 bewirkt die Zweihebelanordnung 1070 eine größere Verschiebung von Verzahnung 1078 und Winkelsensor 1060 in Bezug auf einander. Dies bewirkt eine weitere Vergrößerung der Winkeländerung des Winkelsensors 1060 bei einer gegebenen Drehung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010 um die Welle 1030. Dies gestattet wiederum eine erhöhte Messgenauigkeit von Winkeländerungen an der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 1010.
Vorhergehend wurden sowohl elastischen Elemente als auch Anschläge und Dämpfungselemente der Ausführungen einer Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung als separate Elemente beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass dies beispielhaft zu verstehen ist, und als Mittel zur besseren Darstellung der notwendigen Funktionalitäten bei der Realisierung der Abstützung der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtungen in Bezug auf das Kraftfahrzeug entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle gewählt wurde. Die elastische bzw. dämpfende Abstützung und die Begrenzung der Drehung können ebenso in andere Bauteile der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung integriert sein.
Beispielsweise kann in der Ausführung der 1 auf die Verwendung des elastischen Elementes 140 verzichtet werden und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung 110 sich stattdessen über den Kraftsensor 160 an einem starren Element entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle 130 in Bezug auf das Kraftfahrzeug abstützen. Die Funktion des elastischen Elementes 140 wird in diesem Fall durch die Eigenelastizität des Kraftsensors 160 erfüllt. Auch kann auf die festen Anschläge 150, 152 verzichtet werden und stattdessen ein Rückstellmoment in einer Höhe erzeugt werden, welches als Anschlag wirkt und eine Drehung um die Drehachse der Welle begrenzt.
Beschrieben wurde die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments, das einer Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet ist, im Zusammenhang mit Steer-by-wire-Lenksystemen. Denkbar sind aber auch Anwendungen bei denen ein Drehmoment erzeugt wird, welches die Drehung einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs unterstützt, oder bei denen ein Drehmoment ohne Einwirkung des Fahrzeugführers erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19914383 [0005]

Claims

Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (110; 310; 410; 510; 610; 710; 810; 910; 1010) zum Erzeugen eines Drehmoments, das einer Drehung einer Lenkhandhabe (102) eines Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet ist, mit - einem Gehäuse (112; 312; 512; 712; 812), - einem Antrieb (120), der in dem Gehäuse (112; 312; 512; 712; 812) ortsfest angeordnet ist, - einem mit dem Antrieb (120) in Eingriff stehenden Getriebe (122), und - einer Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030), die in dem Gehäuse (112; 312; 512; 712; 812) gelagert und mit einer Komponente (126) des Getriebes (122) drehfest verbunden ist, wobei die Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030) oder das Gehäuse (112; 312; 512; 712; 812) zu einer drehfesten Verbindung mit der Lenkhandhabe (102) ausgebildet ist, und das Gehäuse (112; 312; 512; 712; 812), das Getriebe (122) und die Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030) für eine, in Bezug auf das Kraftfahrzeug und um eine Drehachse der Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030), drehbare Lagerung ausgebildet sind, gekennzeichnet durch - wenigstens ein elastisches Element (140; 340; 540; 640; 740), wobei die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (110; 310; 410; 510; 610; 710; 810; 910; 1010) zur Abstützung in Bezug auf das Kraftfahrzeug entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030) unter Zwischenschaltung des elastischen Elements (140; 340; 540; 640; 740) ausgebildet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung in Bezug auf das Kraftfahrzeug über das Gehäuse (112; 312; 812) oder die Welle (530; 630; 730; 1030) erfolgt.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Anschläge (150, 152; 350, 352; 550, 552; 650, 652; 750, 752) zur fahrzeugfesten Anordnung, die dazu ausgebildet sind, eine Drehung des Gehäuses (112; 312; 812) oder der Welle (530; 630; 730; 1030) um die Drehachse der Welle (130) zu begrenzen.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschläge (150, 152; 350, 352; 550, 552; 650, 652; 750, 752) die Drehung auf weniger als ein Viertel einer Umdrehung begrenzen.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschläge (350, 352; 550, 552; 650, 652; 750, 752) dazu ausgebildet sind, ein Begrenzen der Drehung durch Berührung mit dem elastischen Element (340; 540; 640; 740) zu bewirken.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch wenigstens ein Anschlagelement (114; 614), das in Bezug auf das Gehäuse (112) oder die Welle (630) drehfest angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, zum Begrenzen der Drehung jeweils einen der Anschläge (150, 152; 650, 652) zu berühren.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (122) als Schneckengetriebe ausgebildet ist, das wenigstens eine Schneckenwelle (124) und wenigstens ein Schneckenrad (126) umfasst.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Dämpfungselement (470), wobei die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (410) zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle ferner unter Zwischenschaltung des Dämpfungselements (470) ausgebildet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (160; 360; 760; 860; 960; 1060), der zum Erfassen einer Kraft und/oder zum Erfassen eines Winkels der Drehung um die Drehachse der Welle (130; 330; 730; 1030) ausgebildet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (160; 360) der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (110; 310) zum Erfassen einer Kraft ausgebildet ist, und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle (130; 330) ferner unter Zwischenschaltung des Sensors (160; 360) ausgebildet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung in dem Sensor zum Erfassen der Kraft integriert ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung mehrere Sensoren umfasst, von denen wenigstens ein erster Sensor zum Erfassen einer Kraft und wenigstens ein zweiter Sensor (760; 860; 960; 1060) zum Erfassen eines Winkels der Drehung um die Drehachse der Welle (730; 1030) ausgebildet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (760; 860; 960; 1060) der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung über eine Hebelanordnung (770; 870; 1070) beaufschlagt wird.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hebel (714) der Hebelanordnung (770) drehfest in Bezug auf das Gehäuse oder die Welle (730) angeordnet ist.
Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hebel (874; 1074) der Hebelanordnung (870; 1070) als zweiseitiger Hebel ausgeführt ist.
Lenkvorrichtung (100; 300; 400; 500; 600; 700; 800) zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug umfassend: - eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (110; 310; 410; 510; 610; 710; 810; 910; 1010) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - eine Lenkhandhabe (102), und - ein Stützelement (104; 304; 504; 604; 704), wobei die Welle (130; 330; 1030) oder das Gehäuse (512; 612; 712) der Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung drehfest mit der Lenkhandhabe (102) verbunden ist, und die Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung (110; 310; 410; 510; 610; 710; 810; 910; 1010) zur Abstützung entgegen einer Drehung um die Drehachse der Welle (130; 330; 530; 630; 730; 1030) in Bezug auf das Stützelement (104; 304; 504; 604; 704) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug umfassend eine Rückstellmomenterzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder eine Lenkvorrichtung nach Anspruch 16.