DE102019106042A1

DE102019106042A1 - Lenkradsysteme und drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen zur verwendung in steer-by-wire-fahrzeugen

Info

Publication number: DE102019106042A1
Application number: DE102019106042.7A
Authority: DE
Inventors: Jeremy Rawlings; Robert Mrozek; Lodewijk Wijffels; Eugene Lau
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110271606A; US20210197886A1; US11926371B2; US10953912B2; US20190283796A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt Lenkradsysteme und Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen zur Verwendung in Steer-by-Wire-Fahrzeugen bereit. Hierin sind beispielhafte Lenkradsysteme und Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen zur Verwendung in Steer-by-Wire-Fahrzeugen beschrieben. Ein beispielhaftes Lenkradsystem beinhaltet ein Lenkrad und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung. Die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung beinhaltet ein Gehäuse und ein Schrägzahnrad, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Lenkrad ist an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet. Die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung beinhaltet auch einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, indem das Schrägzahnrad angetrieben wird.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Fahrzeuge und insbesondere Lenkradsysteme und Drehmomentrückkopplungsaktoranordungen zur Verwendung in Steer-by-Wire-Fahrzeugen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bekannte Fahrzeuge beinhalten typischerweise eine mechanische Verbindung, die das Lenkrad mit den Vorderrädern des Fahrzeugs verbindet und einem Fahrer ermöglicht, das Fahrzeug zu lenken, indem das Lenkrad gedreht wird. Zum Beispiel beinhalten viele bekannte Lenksysteme Zahnstange und Ritzel, die Drehbewegung eines Lenkrads in lineare Betätigung oder Bewegung von einer oder mehreren Spurstangen umwandeln, die mit den Vorderrädern des Fahrzeugs verbunden sind. Die Spurstangen ändern den Winkel der Vorderräder, wodurch die Räder gedreht werden und das Fahrzeug gelenkt wird.
Seit einigen Jahren werden Steer-by-Wire-Systeme in Fahrzeugen umgesetzt. Durch Steer-by-Wire-Systeme werden herkömmliche mechanische Verbindungsanordnungen zwischen dem Lenkrad und den Rädern des Fahrzeugs abgeschafft. Stattdessen arbeitet ein Aktor, um die Räder auf Grundlage eines Drehwinkels des Lenkrads zu drehen.
KURZDARSTELLUNG
Ein beispielhaftes Lenkradsystem zur Verwendung in einem Steer-by-Wire-Fahrzeug ist hierin offenbart. Das beispielhafte Lenkradsystem beinhaltet ein Lenkrad und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung. Die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung des beispielhaften Lenkradsystems beinhaltet ein Gehäuse und ein Schrägzahnrad, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Lenkrad ist an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet. Die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung beinhaltet auch einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, indem das Schrägzahnrad angetrieben wird.
Ein beispielhaftes Fahrzeug, das hierin offenbart ist, beinhaltet ein Armaturenbrett und ein Lenkradsystem, das an das Armaturenbrett gekoppelt ist, um sich mit einem Steer-by-Wire-System des Fahrzeugs zu verbinden. Das Lenkradsystem des beispielhaften Fahrzeugs beinhaltet ein Lenkrad und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, die ein Schrägzahnrad beinhaltet. Das Lenkrad ist an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet. Das Schrägzahnrad ist in eine Richtung oder die andere anzutreiben, um das Lenkrad zu drehen. Das Schrägzahnrad ist zwischen dem Lenkrad und dem Armaturenbrett angeordnet.
Eine beispielhafte Vorrichtung, die hierin offenbart ist, beinhaltet ein Schrägzahnrad, das an eine Drehachse eines Lenkrads zu koppeln und darauf auszurichten ist, und einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist. Der Elektromotor dient dazu, das Schrägzahnrad anzutreiben, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen. Der Elektromotor und das Schneckenrad sind entlang einer Achse ausgerichtet, die senkrecht und versetzt zu der Drehachse ist.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein beispielhaftes Fahrzeug und ein beispielhaftes Steer-by-Wire-System des Fahrzeugs, in dem hierin offenbarten Beispiele umgesetzt sein können.
2 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Lenkradsystems, das eine beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung aufweist, die gemäß Lehren dieser Offenbarung aufgebaut ist.
3 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung aus 2 entlang der Linie A-A in 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Schneckenrads und eines beispielhaften Schrägzahnrads der beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung aus 2 und 3.
5 veranschaulicht einen beispielhaften Klappmechanismus, der mit dem beispielhaften Lenkradsystem aus 2 verwendet werden kann.
6A ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Klappbremse, die in dem Beispiel aus 5 verwendet wird.
6B ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Klappbremse entlang der Linie B-B in 6A.
7 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Klappmechanismus, der mit dem beispielhaften Lenkradsystem aus 2 verwendet werden kann.

Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu. Stattdessen kann die Dicke der Schichten oder Regionen in den Zeichnungen vergrößert sein. Im Allgemeinen werden die gleichen Bezugszeichen über die Zeichnung(en) und die beigefügte schriftliche Beschreibung hinweg verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. Im Rahmen dieses Patents gibt die Aussage, dass ein beliebiges Teil (z. B. eine Schicht, ein Film, ein Bereich, eine Region oder eine Platte) auf eine beliebige Weise auf einem anderen Teil ist (z. B. darauf positioniert, darauf platziert, darauf angeordnet oder darauf ausgebildet usw.), an, dass das genannte Teil entweder das andere Teil berührt oder dass sich das genannte Teil über dem anderen Teil befindet, wobei ein oder mehrere Zwischenteile dazwischen platziert sind. Die Aussage, dass ein beliebiges Teil in Kontakt mit einem anderen Teil ist, bedeutet, dass kein Zwischenteil zwischen den beiden Teilen vorhanden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin sind beispielhafte Lenkradsysteme und beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen zur Verwendung in Steer-by-Wire-Systemen von Fahrzeugen offenbart. Die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen, die hierin offenbart sind, verwenden kleinere, leichtere Elektromotoren als bekannte Drehmomentrückkopplungsaktoren und erzeugen dennoch hervorragende Drehmomentrückkopplungssteuerung an dem Lenkrad. Ferner sind die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen, die hierin offenbart sind, kleiner und erfordern daher weniger Raum in der Kabine des Fahrzeugs als bekannte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen in Steer-by-Wire-Fahrzeugen. Bevor die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen und verwandte Aspekte im Detail offenbart werden, ist nachfolgend eine kurze Beschreibung bekannter Steer-by-Wire-Systeme bereitgestellt.
Bei bekannten Steer-by-Wire-Systemen ist das Lenkrad des Fahrzeugs nicht direkt mechanisch mit den Rädern verbunden. Stattdessen misst ein Sensor einen Lenkradwinkel (steering wheel angle - SWA) des Lenkrads und wird ein Aktor aktiviert, um die Rädern auf Grundlage des gemessenen SWA in eine Richtung oder die andere zu drehen. Bekannte Steer-by-Wire-Systeme beinhalten auch einen Elektromotor (als Drehmomentrückkopplungsmotor oder Aktor bezeichnet), um Drehmomentrückkopplung an dem Lenkrad bereitzustellen. Insbesondere erzeugt der Drehmomentrückkopplungsmotor eine Gegenkraft an dem Lenkrad, um das Lenkrad in dem entsprechenden Winkel wie die Räder zu halten und um das Gefühl eines herkömmlichen Lenkrads, das mechanisch mit den Rädern verbunden ist, nachzuahmen.
Bei bekannten Steer-by-Wire-Systemen ist das Lenkrad mit einer Lenksäule verbunden, die sich in das Armaturenbrett des Fahrzeugs erstreckt. Der Drehmomentrückkopplungsmotor (darunter der Körper des Elektromotors und die Ausgangswelle) ist in dem Armaturenbrett angeordnet und parallel zu der Lenksäule ausgerichtet. Die Ausgangswelle des Elektromotors ist über ein Riemenscheibensystem mit der Lenksäule verbunden. Einige dieser bekannten Steer-by-Wire-Systeme beinhalten auch ein Bremssystem, das durch ein anderes Riemenscheibensystem mit der Lenksäule verbunden ist. Somit wird eine erhebliche Menge an Raum in dem Armaturenbrett des Fahrzeugs benötigt, um den Drehmomentrückkopplungsmotor und damit verbundene Komponenten unterzubringen. Bei anderen bekannten Steer-by-Wire-Systemen ist der Elektromotor entlang derselben Achse wie die Lenksäule ausgerichtet und ist direkt mit der Lenksäule verbunden, wodurch ebenso eine erhebliche Menge an Raum in dem Armaturenbrett des Fahrzeugs benötigt wird, um den Elektromotor unterzubringen. Auch mit einem Elektromotor, der direkt mit der Lenksäule (ohne Verzahnung) verbunden ist, muss der Elektromotor relativ groß sein, um dem Lenkrad angemessene Drehmomentrückkopplung bereitzustellen. Ferner beinhalten diese bekannten Steer-by-Wire-Systeme oft einen externen SWA-Sensor oder ein Netzwerk an Zahnrädern verbunden mit der Lenksäule, die mit einem Sensor verbunden sind, der den SWA bestimmt, wodurch sich das Gehäuse und der Einbauraum des Steer-by-Wire-Systems insgesamt erhöht. Somit sind diese bekannten Steer-by-Wire-Systeme im Allgemeinen sperrig, schwer und komplex. Auch beinhalten einige dieser bekannten Steer-by-Wire-Systeme redundante Elektromotoren, Sensoren, Riemensysteme usw., die die Komplexität und das Gewicht des Steer-by-Wire-Systems weiter erhöhen.
Hierin sind beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen offenbart, die einem Lenkrad als Teil eines Lenkradsystems für ein Steer-by-Wire-Fahrzeug Drehmomentrückkopplung bereitstellen können. Beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen, die hierin offenbart sind, sind im Allgemeinen kleiner, leichter und kompakter als bekannte Anordnungen. Einige beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen können einfach wie gewünscht an einem Armaturenbrett eines Fahrzeugs angebracht und davon gelöst werden. Somit können die beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung und das Lenkrad einfach und schnell aus der Kabine des Fahrzeugs entfernt werden, wenn sie nicht verwendet werden, wodurch mehr nutzbarer Raum in der Kabine des Fahrzeugs geschaffen wird. Wenn zum Beispiel das Fahrzeug dazu in der Lage ist, in einem autonomen Modus zu arbeiten und das Lenkrad nicht benötigt wird, können die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung und/oder das Lenkrad entfernt oder zusammengefaltet und verstaut werden. In anderen Beispielen können die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung und das Lenkrad am Armaturenbrett bleiben, während das Fahrzeug im autonomen Modus arbeitet. In einigen derartigen Beispielen wird der Elektromotor der Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung verwendet, um das Lenkrad in einer bestimmten Position (z. B. in der Position 0 °) stationär zu halten. Zum Beispiel kann dem Elektromotor eine kleine Menge an Strom bereitgestellt werden, wodurch das Lenkrad in der bestimmten Position gehalten wird, und wenn ein Benutzer versucht, das Lenkrad zu drehen, wird dem Elektromotor mehr Strom bereitgestellt, der ein Gegendrehmoment (z. B. Widerstand) gegen die Kraft des Benutzers erzeugt, um das Lenkrad in der gleichen Position zu halten. Auch können in einigen Beispielen das beispielhafte Lenksystem und/oder die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung in anderen Fahrzeugen verwendet werden, indem die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung an einem Armaturenbrett eines anderen Steer-by-Wire-Fahrzeugs angebracht wird.
Eine beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, die hierin offenbart ist, beinhaltet ein Schrägzahnrad (manchmal als ein Schneckenrad bezeichnet), das auf koaxiale Weise an ein Lenkrad gekoppelt ist. In einigen Beispielen ist das Schrägzahnrad innerhalb eines Gehäuses angebracht, das an das Armaturenbrett gekoppelt sein kann, um die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung in dem Fahrzeug zu montieren. Die beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung beinhaltet einen Elektromotor (manchmal als ein Drehmomentrückkopplungsmotor oder Aktor bezeichnet) mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist. Der Elektromotor und das Schneckenrad sind entlang einer Achse ausgerichtet, die senkrecht und versetzt zu der zentralen Drehachse des Lenkrads und des Schrägzahnrads ist. Folglich erstreckt sich der Elektromotor nicht weit (wenn überhaupt) in die Tiefe des Armaturenbretts, wie es der Fall bei bekannten Steer-by-Wire-Systemen ist, die im Allgemeinen erheblichen Raum in dem Armaturenbrett benötigen. Anders gesagt ist der Elektromotor in einer im Allgemeinen seitlichen oder transversalen Richtung angeordnet, wodurch ermöglicht wird, dass der Elektromotor und das Schrägzahnrad weniger Raum (z. B. Tiefe) hinter dem Lenkrad einnehmen. Ferner beinhaltet die beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung in einigen Beispielen keine Lenksäule, die sich in oder durch das Armaturenbrett erstreckt wie diejenigen in bekannten Systemen.
Der Elektromotor der beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung kann aktiviert werden, um das Schrägzahnrad zu drehen und damit das Lenkrad zu drehen. Zum Beispiel kann, während der Benutzer das Fahrzeug fährt, der Elektromotor aktiviert werden, um dem Lenkrad auf eine Weise Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, die die Gegenkraft simuliert, die die Räder dem Lenkrad andernfalls über eine herkömmliche mechanische Verbindungsanordnung verleihen würden. Ferner erzeugt der Elektromotor Gegenkraft an dem Lenkrad, die das Lenkrad in der korrekten Position ausgerichtet auf die Räder hält, wodurch dem Fahrer ermöglicht wird, den Winkel der Räder zu erfassen. Zum Beispiel dient der Elektromotor, wenn der Fahrer das Lenkrad nach einer Drehung loslässt, dazu, das Lenkrad zurück in die gerade Position zu drehen, während sich die Räder gerade stellen, wie es bei einer herkömmlichen mechanischen Verbindungsanordnung erlebt würde.
In einigen Beispielen bilden das Schneckenrad und das Schrägzahnrad ein relativ hohes Übersetzungsverhältnis, wie zum Beispiel 50:1, wodurch die Verwendung eines relativ kleinen Elektromotors ermöglicht wird, während immer noch relativ hohes Drehmoment an dem Schrägzahnrad erzeugt wird, wodurch die Größe, das Gewicht und die Komplexität des Steer-by-Wire-Systems insgesamt weiter reduziert werden. Ferner ist das relativ hohe Übersetzungsverhältnis auch nützlich, um Drehmomentrückkopplung an den Fahrer mit hoher Präzision zu erreichen.
In einigen Beispielen beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Winkelsensor, der den Drehwinkel des Schrägzahnrads misst, der direkt mit dem SWA des Lenkrads korreliert werden kann. In einigen Beispielen ist der Winkelsensor als ein Hall-Effekt-Sensor einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Aktoranordnung umgesetzt. Die ECU kann auf einer Leiterplatte umgesetzt sein, die an einer Stelle, an der sich der Hall-Effekt-Sensor in das Gehäuse erstreckt, und benachbart zu dem Schrägzahnrad an das Gehäuse gekoppelt ist. Der Hall-Effekt-Sensor misst einen Drehwinkel des Schrägzahnrads, der mit dem SWA korreliert werden kann (z. B. ist der Winkel des Schrägzahnrads der gleiche wie der Winkel des Lenkrads). Indem ein Winkelsensor nahe dem Schrägzahnrad verwendet wird, kann die Aktoranordnung relativ klein und kompakt bleiben, anders als bekannte Systeme, die mehrere Zahnräder verwenden, die sich von einer Lenksäule erstrecken, um den SWA zu bestimmen.
In einigen Beispielen beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Anschlags- oder Verriegelungsmechanismus, der verhindert, dass das Lenkrad in einer beliebigen Richtung überdreht wird. Insbesondere ist das Lenkrad dazu in der Lage, durchgehend in einer beliebigen Richtung gedreht zu werden, da das Lenkrad an das Schrägzahnrad (das sich in dem Gehäuse frei drehen kann) gekoppelt ist und nicht direkt mechanisch an die Räder des Fahrzeugs gekoppelt ist. Jedoch kann das Lenkradsystem in einigen Fällen eine Spiralfeder beinhalten, um der Elektronik an dem Lenkrad Leistung bereitzustellen. Um zu verhindern, dass das Lenkrad zu weit in einer beliebigen Richtung gedreht wird und das Spiralfederkabel beschädigt, beinhaltet die beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Anschlags- oder Verriegelungsmechanismus, der Drehung in einem vordefinierten Winkel stoppt.
In einigen Beispielen beinhaltet/beinhalten das Lenkradsystem und/oder das Fahrzeug einen Klappmechanismus, der dem Lenkradsystem ermöglicht, sich im Falle einer Kollision in das oder in Richtung des Armaturenbrett(s) zu bewegen, um den Aufprall des Körpers des Fahrers zu reduzieren. Zum Beispiel kann sich der Körper des Fahrers bei einer Fahrzeugkollision in das Lenkrad bewegen. Um den Aufprall zu dämpfen, kann sich das Lenkradsystem, einschließlich der Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, in das oder in Richtung des Armaturenbrett(s) bewegen, um den Aufprall zu reduzieren, wenn eine Schwellenkraft auf das Lenkradsystem ausgeübt wird.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Fahrzeug 100, in dem die hierin offenbarten Beispiele umgesetzt sein können. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Fahrzeug 100 als ein Auto (z. B. eine Limousine) dargestellt. In anderen Beispielen kann das Fahrzeug 100 jedoch als jeder andere Fahrzeugtyp, wie etwa ein Pickup, ein Van usw. umgesetzt sein. Das Fahrzeug 100 beinhaltet ein rechtes Vorderrad 102 und ein linkes Vorderrad 104, die gedreht oder gewinkelt werden können, um das Fahrzeug 100 zu lenken.
1 veranschaulicht auch ein Blockdiagramm eines beispielhaften Steer-by-Wire-Systems 106, das durch das Fahrzeug 100 umgesetzt werden kann. Wie in dem beispielhaften Blockdiagramm gezeigt, beinhaltet das Steer-by-Wire-System 106 einen Aktor 108 (z. B. einen Drehmotor, einen Hydraulikmotor usw.) und ein Lenkradsystem 112. Das Lenkradsystem 112 wird durch eine erste elektrische Steuereinheit (ECU) 110 (z. B. eine Steuerung) gesteuert, die mit einer zweiten ECU 111 kommuniziert, die den Aktor 108 steuert. Die erste und zweite ECU 110, 111 bilden eine Steer-by-Wire-Steuerung. Der Aktor 108 ist an Spurstangen 114, 116 gekoppelt, die jeweils an die Vorderräder 102, 104 gekoppelt sind. Der Aktor 108 kann (z. B. über die zweite ECU 111) aktiviert werden, um die Spurstangen 114, 116 zu erweitern und/oder einzuziehen, um die Vorderräder 102, 104 zu drehen oder zu winkeln, wodurch das Fahrzeug 100 gelenkt wird. Der Aktor 108 kann auf Grundlage von Eingabe von dem Lenkradsystem 112 aktiviert werden.
In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Lenkradsystem 112 ein Lenkrad und einen SWA-Sensor (beide sind hierin gezeigt und detaillierter beschrieben), der einen Drehwinkel des Lenkrads misst. Die erste ECU 110 bestimmt den SWA (auf Grundlage der Messungen von dem SWA-Sensor) und überträgt den bestimmten SWA an die zweite ECU 111, die den Aktor 108 aktiviert, um die Vorderräder 102, 104 auf Grundlage des SWA zu drehen. Die zweite ECU 111 kann eine lineare oder nichtlineare Korrelation zwischen dem SWA und dem Winkel der Vorderräder 102, 104 anwenden.
In einigen Beispielen beinhaltet das Steer-by-Wire-System 106 einen Positionssensor 120, der den aktuellen Winkel der Vorderräder 102, 104 (z. B. auf Grundlage einer Position des Aktors 108) erfasst und der zweiten ECU 111 und damit der ersten ECU 110 die Rückkopplung bereitstellt. Als Reaktion kann die erste ECU 110 einen Drehmomentrückkopplungsaktor (Beispiele dafür sind hierin detaillierter offenbart) in dem Lenkradsystem 112 aktivieren. Der Drehmomentrückkopplungsaktor hält das Lenkrad in dem entsprechenden SWA (d. h. dem SWA, der mit dem aktuellen Winkel der Vorderräder 102, 104 übereinstimmt oder korreliert) und/oder stellt Drehmomentrückkopplung an dem Lenkrad bereit, um die Kraft nachzuahmen, die die Vorderräder 102, 104 andernfalls in einer herkömmlichen mechanischen Verbindungsanordnung auf das Lenkrad haben würden.
Während in dem veranschaulichten Beispiel die erste und zweite ECU 110, 111 als unabhängige Komponenten gezeigt sind, können in anderen Beispielen die erste und zweite ECU 110, 111 durch eine gemeinsame/kombinierte ECU in Kommunikation mit dem Lenkradsystem 112 und dem Aktor 108 umgesetzt sein. Die erste und/oder zweite ECU 110, 111 können durch Hardware, Software, Firmware und/oder eine beliebige Kombination von Hardware, Software und/oder Firmware umgesetzt sein. Zum Beispiel könnten die erste und/oder zweite ECU 110, 111 durch eine(n) oder mehrere analoge oder digitale Schaltung(en), Logikschaltungen, programmierbare(n) Prozessor(en), programmierbare(n) Steuerung(en), Digitalsignalprozessor(en) (DSP(s)), anwendungsspezifische integrierte Schaltung(en) (ASIC(s)), programmierbare Logikvorrichtung(en) (PLD(s)) und/oder feldprogrammierbare Logikvorrichtung(en) (FPLD(s)) umgesetzt werden. Auch kann das Steer-by-Wire-System 106, während das Steer-by-Wire-System 106 in dem veranschaulichten Beispiel einen Aktor 108 beinhaltet, in anderen Beispielen mehr Aktoren beinhalten und/oder kann der/können die Aktor(en) an anderen Stellen angeordnet sein und verwendet werden, um die Richtung der Vorderräder 102, 104 zu steuern. Ferner kann das Steer-by-Wire-System 106 mehr als einen Positionssensor 120 beinhalten, um den aktuellen Winkel des Vorderrads/der Vorderräder 102, 104 zu erfassen und/oder kann/können der/die Positionssensor(en) an anderen Stellen (z. B. an den Naben der Räder) angeordnet sein.
2 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Lenkradsystems 200, das gemäß Lehren dieser Offenbarung aufgebaut ist. Das beispielhafte Lenkradsystem 200 kann zum Beispiel verwendet werden, um das Lenkradsystem 112 aus 1 umzusetzen. Das beispielhafte Lenkradsystem 200 beinhaltet ein beispielhaftes Lenkrad 202 und eine beispielhafte Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung 204 (hierin als die Aktoranordnung 204 bezeichnet). In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet die Aktoranordnung 204 einen Winkelsensor 206, um den SWA des Lenkrads 202 zu bestimmen. Die beispielhafte Aktoranordnung 204 beinhaltet auch einen Elektromotor 208, um dem Lenkrad 202 Drehmomentrückkopplung bereitzustellen.
In dem veranschaulichten Beispiel ist das Lenkradsystem 200 an eine Instrumententafel oder ein Armaturenbrett 210 des Fahrzeugs 100 gekoppelt (1). Insbesondere ist die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung 204 an das Armaturenbrett 210 gekoppelt und ist das Lenkrad 202 an die Aktoranordnung 204 gekoppelt. Die Begriffe Armaturenbrett und Instrumententafel wie hierin verwendet werden austauschbar verwendet und sind so definiert, dass sie die Oberfläche und/oder Struktur vor dem Fahrer meinen. Das Armaturenbrett 210 kann einen oder mehrere Anzeiger, Knöpfe, Statusanzeiger, Bildschirme usw. beinhalten. In einigen Beispielen ist die Aktoranordnung 204 entfernbar an das Armaturenbrett 210 gekoppelt. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Aktoranordnung 204 über eine Vielzahl von Gewindebefestigungen 212 an das Armaturenbrett 210 gekoppelt. In anderen Beispielen können andere Arten von Befestigungsmechanismen verwendet werden. Somit kann ein Benutzer (z. B. der Fahrer) das Lenkradsystem 200 einfach an dem Armaturenbrett 210 anbringen, wenn die Verwendung des Lenkradsystems 200 gewünscht wird, und das Lenkradsystem 200 von dem Armaturenbrett 210 lösen, wenn es nicht verwendet wird. Zum Beispiel kann das Fahrzeug 100 in zwei Modi bedienbar sein: (1) einem vollautonomen Modus, in dem das Fahrzeug 100 selbst fährt, oder (2) einem manuellen Lenkmodus, in dem das Lenkradsystem 200 verwendet werden kann, um das Fahrzeug 100 zu lenken. Während des vollautonomen Modus wird das Lenkradsystem 200 nicht benötigt. Somit kann das beispielhafte Lenkradsystem 200 von dem Armaturenbrett 210 gelöst werden (z. B., indem die Gewindebefestigungen 212 entfernt werden, indem eine Schnelllösevorrichtung gelöst wird usw.), um mehr Raum in der Kabine des Fahrzeugs 100 (z. B. mehr Raum zwischen einer Person, die auf dem Fahrersitz sitzt, und dem Armaturenbrett 210) bereitzustellen. In anderen Beispielen, wenn das Fahrzeug 100 in einem autonomen Modus arbeitet, kann das Lenkradsystem 200 an das Armaturenbrett 210 gekoppelt bleiben und kann die Aktoranordnung 204 in einem Modus (z. B. einem Modus mit leisen Rädern) arbeiten, um das Lenkrad 202 stationär zu halten, wie hierin detaillierter offenbart. Das Lenkradsystem 200 kann auch in einigen Beispielen universal sein, sodass es mit anderen Fahrzeugen verwendet werden kann. Zum Beispiel kann das Lenkradsystem 200 verwendet werden, um andere Fahrzeuge ähnlich zu steuern. Ferner kann das Lenkradsystem 200 in einigen Beispielen von dem Armaturenbrett 210 gelöst werden, wenn das Fahrzeug 100 nicht verwendet wird, um zum Beispiel Diebstahl und/oder Manipulation des Fahrzeugs 100 zu verhindern.
Wie vorstehend offenbart, reagiert das Lenkrad 202 nicht direkt auf Änderungen der Richtung der Vorderräder 102, 104, da das Lenkrad 202 nicht direkt mechanisch (z. B. über eine Lenksäule) an die Vorderräder 102, 104 (1) gekoppelt ist. Zum Beispiel kann eine Person in einem Fahrzeug, das eine herkömmliche Verbindungsanordnung aufweist, nach einer Drehung das Lenkrad loslassen und die Änderung der Richtung der Räder bewirkt, dass sich das Lenkrad zurück in die gerade Position dreht (d. h. Selbstzentrierung). Daher beinhaltet die beispielhafte Aktoranordnung 204 den Elektromotor 208, um das Lenkrad 202 in dem korrekten SWA zu halten und um die Bewegung der Vorderräder 102, 104 an dem Lenkrad 202, wenn es über eine herkömmliche Verbindungsanordnung an die Räder 102, 104 gekoppelt ist, nachzuahmen oder zu simulieren. Der Elektromotor 208 kann aktiviert werden, um eine Gegenkraft an dem Lenkrad 202 gegen die Kraft des Fahrers zu erzeugen. Ferner kann der Elektromotor 208 aktiviert werden, um das Lenkrad 202 in dem korrekten SWA zu positionieren, der mit dem aktuellen Winkel der Vorderräder 102, 104 korreliert, wie es bei einer herkömmlichen Verbindungsanordnung erlebt würde.
In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet die Aktoranordnung 204 ein Gehäuse 214, das einen Hohlraum 216 definiert. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Gehäuse 214 aus einem ersten Teil oder einer ersten Komponente 218 und einem zweiten Teil oder einer zweiten Komponente 220 hergestellt, die gekoppelt sind, um den Hohlraum 216 zu definieren. Jedoch kann das Gehäuse 214 in anderen Beispielen aus einer einzelnen einstückigen Komponente hergestellt sein oder kann aus mehr als zwei Komponenten hergestellt sein.
In dem veranschaulichten Beispiel aus 2 beinhaltet die Aktoranordnung 204 ein Schrägzahnrad 222, das drehbar in dem Hohlraum 216 des Gehäuses 214 angeordnet ist. Das Lenkrad 202 ist an das Schrägzahnrad 222 gekoppelt, sodass sich das Lenkrad 202 und das Schrägzahnrad 222 gemeinsam drehen. In dem veranschaulichten Beispiel sind das Lenkrad 202 und das Schrägzahnrad 222 koaxial entlang einer ersten Achse 224 ausgerichtet. Anders gesagt weist das Schrägzahnrad 222 eine zentrale Achse (Drehachse) auf, die auf eine zentrale Achse (Drehachse) des Lenkrads 202 ausgerichtet ist, die beide entlang der ersten Achse 224 ausgerichtet sind.
In dem veranschaulichten Beispiel aus 2 weist der Elektromotor 208 eine Ausgangswelle 226 auf, die an ein Schneckenrad 228 gekoppelt ist. Das Schneckenrad 228 ist mit Zähnen an einem Rand des Schrägzahnrads 222 in Eingriff genommen (z. B. damit vermascht) (manchmal als Schneckenradanordnung bezeichnet). Der Elektromotor 208 dreht, wenn er aktiviert ist, das Schneckenrad 228, das das Schrägzahnrad 222 dreht und somit das Lenkrad 202 dreht. Somit stellt der Elektromotor 208 dem Lenkrad 202 durch das Antreiben des Schrägzahnrads 222 Drehmomentrückkopplung bereit. In einigen Beispielen ist der Elektromotor 208 ein bidirektionaler Elektromotor, der das Schneckenrad 228 (und damit das Schrägzahnrad 222 und das Lenkrad 202) in einer beliebigen Richtung drehen kann.
3 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Aktoranordnung 204 entlang Linie A-A aus 2. Wie in 3 veranschaulicht, sind der Elektromotor 208 (z. B. der Körper des Elektromotors 208), die Ausgangswelle 226 und das Schneckenrad 228 entlang einer zweiten Achse 300 ausgerichtet. Die zweite Achse 300 ist transversal oder senkrecht und versetzt zu der ersten Achse 224 (2), entlang derer sich das Lenkrad 202 (2) und das Schrägzahnrad 222 drehen. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Schrägzahnrads 222, der ersten Achse 224, des Schneckenrads 228 und der zweiten Achse 300.
Erneut unter Bezugnahme auf 2 erstreckt sich die zweite Achse 300 (aus 3) in die Seite durch eine Mitte des Schneckenrads 228. Somit übertragen das Schneckenrad 228 und das Schrägzahnrad 222 Drehbewegung von einer Achse zu einer anderen Achse, die senkrecht und versetzt zueinander sind. Indem der Elektromotor 208 entlang der zweiten Achse 300 ausgerichtet wird, die senkrecht und versetzt zu der ersten Achse 224 ist, erstreckt sich der Elektromotor 208 seitlich oder transversal relativ zu der Fläche des Armaturenbretts 210 anstatt in das Armaturenbrett 210 wie bei bekannten Systemen, bei denen Elektromotoren parallel zu der Drehachse des Lenkrads ausgerichtet sind und sich daher in die Fläche des Armaturenbretts erstrecken oder erheblichen Raum zwischen dem Lenkrad und dem Armaturenbrett benötigen. Somit verbraucht der Elektromotor 208 wesentlich weniger (minimalen) Raum zwischen dem Lenkrad 202 und dem Armaturenbrett 210 als diese bekannten Systeme. In diesem Beispiel sind der Elektromotor 208 und das Schrägzahnrad 222, wenn die Aktoranordnung 204 an das Armaturenbrett 210 gekoppelt ist, zwischen dem Lenkrad 202 und dem Armaturenbrett 210 angeordnet und verbrauchen damit weniger Raum (falls überhaupt) in dem Armaturenbrett 210 des Fahrzeugs 100 als bei bekannten Systemen. Daher beinhaltet oder erfordert das Lenkradsystem 200 in einigen Beispielen keine Lenksäule, die sich wie bei bekannten Systemen in das Armaturenbrett 210 erstreckt. In anderen Beispielen können sich der Elektromotor 208 und/oder andere Komponenten der Aktoranordnung 204 in das Armaturenbrett 210 erstrecken (z. B. in eine Aussparung oder Öffnung, die in einer Außenfläche des Armaturenbretts 210 gebildet ist). In beiden Konfigurationen ist der Einbauraum der beispielhaften Aktoranordnung 204 wesentlich kleiner und weniger tief als bekannte Anordnungen und erstreckt sich damit weniger in das Armaturenbrett 210 als bekannte Anordnungen.
Wie in dem veranschaulichten Beispiel aus 3 gezeigt, beinhaltet das Gehäuse 214 eine erste und zweite Klammer 302, 304, um den Elektromotor 208 zu halten. In anderen Beispielen kann die Aktoranordnung 204 mehr Klammern und/oder zusätzliche Strukturen beinhalten, um den Elektromotor 208 an das Gehäuse 214 zu koppeln. In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Gehäuse 214 auch drei Laschen oder Flansche 306, durch die die Gewindebefestigungen 212 verlaufen. In anderen Beispielen kann das Gehäuse 214 mehr oder weniger Flansche 306 beinhalten, zum Beispiel abhängig von der Anzahl an zu verwendenden Befestigungen.
Der beispielhafte Elektromotor 208 kann zum Beispiel ein bürstenloser 3-Phasen-Direktstrom-(DC-)Motor sein. In anderen Beispielen kann der Elektromotor 208 eine andere Art von Motor (z. B. ein Wechselstrom-(AC-)Motor sein. In einigen Beispielen sind das Schrägzahnrad 222 und das Schneckenrad 228 größenbemessen, um ein Schneckenradverhältnis oder Getriebeuntersetzungsverhältnis von 50:1 bereitzustellen. Mit einem derart hohen Übersetzungsverhältnis kann der Elektromotor 208 relativ klein sein, während er immer noch ein relativ großes Drehmoment an dem Schrägzahn 222 erzeugt, wie zum Beispiel 50 Newtonmeter (nm) Drehmoment. Somit kann anstelle von sperrigen, großen Elektromotoren in bekannten Systemen ein kleinerer, leichterer Elektromotor eingesetzt werden. In anderen Beispielen können das Schrägzahnrad 222 und das Schneckenrad 228 größenbemessen sein, um ein höheres oder niedrigeres Getriebeuntersetzungsverhältnis bereitzustellen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die beispielhafte Aktoranordnung 204 eine Platte 230 der elektrischen Steuereinheit (ECU), die die erste ECU 110 stützt, um den Elektromotor 208 zu aktivieren und/oder den SWA zu bestimmen. In dem veranschaulichten Beispiel ist die ECU-Platte 230 an eine Rückseite des Gehäuses 214 gekoppelt (z. B. eine Seite des Gehäuses 214, die dem Armaturenbrett 210 zugewandt ist). In anderen Beispielen kann die ECU-Platte 230 an einer anderen Stelle an das Gehäuse 214 gekoppelt sein. Wie vorstehend erörtert, beinhaltet die beispielhafte Aktoranordnung 204 den Winkelsensor 206, um den SWA zu bestimmen. In diesem Beispiel misst oder erfasst der Winkelsensor 206 einen Drehwinkel des Schrägzahnrads 222, der dann durch die erste ECU 110 verwendet werden kann, um den SWA zu bestimmen. Zum Beispiel gleicht der Drehwinkel des Schrägzahnrads 222 dem SWA, da das Lenkrad 202 und das Schrägzahnrad 222 aneinander gekoppelt sind, um sich gemeinsam zu drehen. Die erste ECU 110 bestimmt den SWA auf Grundlage des Drehwinkels des Schrägzahnrads 222, der dann der zweiten ECU 111 (1) kommuniziert wird, um den Aktor 108 zu aktivieren.
In einigen Beispielen führt das relativ große Übersetzungsverhältnis zwischen dem Schrägzahn 222 und dem Schneckenrad 228 zu einem kleinen Widerstand, wenn das Lenkrad 202 gedreht wird, was dabei hilft, den Widerstand nachzuahmen, der bei einem Lenkrad mit einer herkömmlichen mechanischen Verbindungsanordnung gespürt wird (anstatt dem Lenkrad 202 zu ermöglichen, sich lose zu drehen). Ferner legt die erste ECU 110 in einigen Beispielen eine kleine Spannung an den Elektromotor 208 an, was weiter hilft, Widerstand an dem Lenkrad 202 zu erzeugen, der durch den Fahrer gespürt werden kann, wenn er das Lenkrad 202 dreht. Während das Fahrzeug 100 fährt, bestimmt die erste ECU 110 ein Zieldrehmoment (z. B. eine Wiederherstellungskraft) zum Anlegen auf das Schrägzahnrad 222 auf Grundlage des SWA und des Winkels der Vorderräder 102, 104 (1). Die erste ECU 110 legt abhängig von dem an das Lenkrad 202 anzulegenden Drehmoment eine größere oder kleinere Spannung an den Elektromotor 208 an.
In dem veranschaulichten Beispiel ist der Winkelsensor 206 an die ECU-Platte 230 gekoppelt und erstreckt sich durch eine Öffnung in dem Gehäuse 214 in den Hohlraum 216 benachbart zu dem Schrägzahnrad 222. Diese Stelle ermöglicht einen kleineren, kompakteren Einbauraum. In einigen Beispielen ist der Winkelsensor 206 ein Hall-Effekt-Sensor. In einigen derartigen Beispielen kann ein oder können mehrere Magnete an der Rückseite des Schrägzahnrads 222 bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann ein ringförmiger Magnet an der Rückseite des Schrägzahnrads 222 (z. B. der Seite, die der ECU-Platte 230 zugewandt ist) bereitgestellt sein. In einem anderen Beispiel können mehrere Magnete (z. B. drei Magnete) an die Rückseite des Schrägzahnrads 222 gekoppelt und voneinander beabstandet sein (z. B. äquidistant voneinander beabstandet sein). Ein beispielhafter Magnet 231 ist in 2 an die Rückseite des Schrägzahnrads 222 gekoppelt gezeigt. Der Hall-Effekt-Sensor misst die Stärke des Magnetfeldes, während sich das Schrägzahnrad 222 dreht. Auf Grundlage des gemessenen Magnetfeldes kann die erste ECU 110 die Winkelposition des Schrägzahnrads 222 und somit den SWA bestimmen. In einigen Beispielen sind mehrere Hall-Effekt-Sensoren an der ECU-Platte 230 angeordnet und messen das durch den/die Magnet(en) bewirkte Magnetfeld, das verwendet werden kann, um den Drehwinkel des Schrägzahnrads 222 (z. B. über Triangulation) zu bestimmen. In einem anderen Beispiel kann ein separates kleineres Zahnrad durch das Schrägzahnrad 222 gedreht werden. Das kleinere Zahnrad kann einen oder mehrere Magnet(en) aufweisen und der Hall-Effekt-Sensor kann die Stärke des Magnetfeldes des kleineren Zahnrads messen, die verwendet werden kann, um die Drehposition des Schrägzahnrads 222 zu bestimmen. In noch anderen Beispielen kann der Winkelsensor 206 als eine andere Art von Sensor umgesetzt sein. Ferner kann in einigen Beispielen mehr als ein Winkelsensor verwendet werden.
In einigen Beispielen, wenn das Fahrzeug 100 in einem autonomen Modus arbeitet, kann die Aktoranordnung 204 in einem leisen Modus arbeiten, um das Lenkrad 202 stationär zu halten (z. B. an der Position 0 °). Zum Beispiel kann die erste ECU 110 einen kleinen Strom an den Elektromotor 208 anlegen, wodurch das Lenkrad 202 gegenüber kleinen Kräften an Ort und Stelle verriegelt wird. Wenn eine größere Kraft auf das Lenkrad ausgeübt wird (z. B., wenn ein Beifahrer versucht, das Lenkrad 202 zu drehen), kann der Winkelsensor 206 die versuchte Drehung des Lenkrads 202 erfassen und kann die erste ECU 110 einen größeren Strom an den Elektromotor 208 anlegen, wodurch eine größere Drehmomentrückkopplung an dem Lenkrad 202 erzeugt wird, die das Lenkrad 202 in der gleichen Position hält.
In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet die Aktoranordnung 204 einen elektrischen Verbinder 232 (z. B. einen Kabelbaum), der mit der ersten ECU 110 verbindet und/oder eine Spiralfeder 234 (hierin detaillierter offenbart) der Aktoranordnung 204 zu der zweiten ECU 111 (1) und/oder eine beliebige andere ECU des Fahrzeugs 100. Der elektrische Verbinder 232 kann mit einem entsprechenden Verbinder in dem Fahrzeug 100 (z. B. an dem Armaturenbrett 210) verbunden sein, um Leistung zu empfangen und/oder mit den anderen Systemen des Fahrzeugs 100, wie zum Beispiel der zweiten ECU 111 (1) zu kommunizieren.
In dem veranschaulichten Beispiel ist das Lenkrad 202 über eine Gewindebefestigung 236, zum Beispiel einen Haltebolzen, entfernbar an das Schrägzahnrad 222 gekoppelt. In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Schrägzahnrad 222 eine Erweiterung 238 mit einer Gewindeöffnung 240. Die Erweiterung 238 erstreckt sich durch eine Öffnung 242 in dem Gehäuse 214. Die Gewindebefestigung 236 wird durch das Lenkrad 202 eingefügt und in die Gewindeöffnung 240 der Erweiterung 238 geschraubt, um das Lenkrad 202 an das Schrägzahnrad 222 zu koppeln. In anderen Beispielen kann das Lenkrad 202 jedoch unter Verwendung von anderen mechanischen und/oder chemischen Befestigungsmechanismen (z. B. einem Schlitz und Schlüssel, einem Stift, einem Klebstoff, Schweißen usw.) an das Schrägzahnrad 222 gekoppelt sein. In einigen Beispielen ist das Lenkrad 202 fest an das Schrägzahnrad 222 gekoppelt und kann nicht ohne Beschädigung der Teile des Lenkradsystems 200 von dem Schrägzahnrad 222 entfernt werden.
In einigen Beispielen beinhaltet das Lenkradsystem 200 die Spiralfeder 234. Die Spiralfeder 234 ermöglicht dem Lenkrad 202, sich zu drehen, während dennoch einer oder mehreren elektronischen Komponenten (z. B. einem Airbag, einer Lautstärkeschaltfläche, einer Geschwindigkeitsregelungsschaltfläche, einer Hupenschaltfläche usw.) an dem Lenkrad 202 elektrische Konnektivität bereitgestellt wird. Insbesondere ist die Spiralfeder 234 an das Lenkrad 202 wirkgekoppelt (z. B. über ein Kabel), um der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten an dem Lenkrad 202 elektrische Leistung bereitzustellen und/oder Signale zwischen der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten an dem Lenkrad 202 und einer ECU des Fahrzeugs 100 zu kommunizieren. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Spiralfeder 234 zwischen dem Gehäuse 214 und dem Lenkrad 202 angeordnet. In einigen Beispielen ist die Spiralfeder 234 an das Gehäuse 214 gekoppelt und bleibt stationär mit dem Gehäuse 214.
In einigen Beispielen beinhaltet die Aktoranordnung 204 einen Anschlags- oder Verriegelungsmechanismus, um zu verhindern, dass das Lenkrad 202 in einer beliebigen Richtung (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) über eine Schwellenmenge hinaus gedreht wird. Zum Beispiel beinhaltet die beispielhafte Aktoranordnung 204 einen Sperrbolzen 244, wie in 2 gezeigt. Der Sperrbolzen 244 ist gewindemäßig mit der Gewindeöffnung 240 des Schrägzahnrads 222 in Eingriff genommen. In einigen Beispielen weist der Abschnitt der Gewindeöffnung 240, der durch den Sperrbolzen 244 in Eingriff genommen ist, eine andere Gewindegröße als der Abschnitt der Gewindeöffnung 240 auf, der durch die Gewindebefestigung 236 in Eingriff genommen ist. Ein Kopf 246 des Sperrbolzens 244 ist zwischen einem ersten Anschlag 248 und einem zweiten Anschlag 250 des Gehäuses 214 angeordnet. Der Sperrbolzen 244 kann verkeilt und/oder in einer Öffnung angeordnet sein, die verhindert, dass sich der Sperrbolzen 244 dreht. Stattdessen bewegt sich der Sperrbolzen 244 nur in einer linearen Richtung in die oder aus der Gewindeöffnung 240 (in 2 nach links und rechts), während das Schrägzahnrad 222 gedreht wird. Somit wird der Sperrbolzen 244, während das Lenkrad 202 und das Schrägzahnrad 222 in einer Richtung gedreht werden, in Richtung des Armaturenbretts 210 (z. B. in 2 nach rechts) bewegt und während das Lenkrad 202 und das Schrägzahnrad 222 in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden, wird der Sperrbolzen 244 in Richtung des Lenkrads 202 (z. B. in 2 nach links) bewegt. Wenn der Sperrbolzen 244 in einer beliebigen Richtung über eine Schwellenmenge hinaus bewegt wird, nimmt der Kopf 246 des Sperrbolzens 244 einen der Anschläge 248, 250 in Eingriff oder kontaktiert diesen, wodurch verhindert wird, dass sich der Sperrbolzen 244 weiterbewegt und somit verhindert wird, dass sich das Schrägzahnrad 222 und das Lenkrad 202 weiterdrehen.
In einigen Beispielen ist der Sperrbolzen 244 derart angeordnet, dass er dem Lenkrad 202 ermöglicht, sich innerhalb einer Schwellenspanne von ± 360 ° zu drehen. Die Schwellenspanne kann durch die Gewindegröße der Gewindeöffnung 240 und des Sperrbolzens 244, die Länge des Sperrbolzens 244 und/oder den Abstand zwischen den zwei Anschlägen 248, 250 definiert werden. In anderen Beispielen kann der Sperrbolzen 244 angeordnet sein, um dem Lenkrad 202 zu ermöglichen, sich in einer größeren oder kleineren Schwellenspanne zu drehen (z. B. ± 270 °, ± 540 ° usw.).
Der Sperrbolzen 244 verhindert vorteilhafterweise Drehung sogar dann, wenn der Aktoranordnung 204 keine Leistung bereitgestellt wird. Wenn zum Beispiel das Fahrzeug 100 (1) ausgeschaltet ist und eine Person versucht, das Lenkrad 202 zu drehen (und keine Gegenkraft durch den Elektromotor 208 bereitgestellt wird, verhindert der Sperrbolzen 244, dass das Lenkrad 202 über eine Schwellenmenge hinaus gedreht wird, die die Aktoranordnung 204 brechen oder beschädigen könnte. Auch wenn das Lenkradsystem 200 eine Spiralfeder beinhaltet, wie zum Beispiel die Spiralfeder 234, verhindert der Sperrbolzen 244, dass das Lenkrad 202 in einer beliebigen Richtung, die andernfalls die Spiralfeder 234 brechen oder beschädigen würde, über eine Schwellenmenge hinaus gedreht wird (z. B. auf Grundlage der Länge des elektrischen Kabels in der Spiralfeder 234). Während in dem veranschaulichten Beispiel der Sperrbolzen 244 verwendet wird, um die Menge zu reduzieren, die das Lenkrad 202 in einer beliebigen Richtung gedreht werden kann, können in anderen Beispielen andere Arten von Anschlags- oder Verriegelungsmechanismen verwendet werden, wie zum Beispiel ein Kugelgewindetrieb, eine Gewindeschnecke/-mutter, eine Nocke, ein harter Anschlag usw. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Gehäuse 214 über die Gewindebefestigungen 212 an das Armaturenbrett 210 gekoppelt, wodurch ermöglicht wird, dass die Aktoranordnung 204 einfach an dem Armaturenbrett 210 angebracht und davon gelöst wird. In dem veranschaulichten Beispiel aus 2 und 3 werden drei Gewindebefestigungen 212 verwendet (von denen zwei in 2 gezeigt sind). In anderen Beispielen kann das Gehäuse 214 unter Verwendung von mehr oder weniger Gewindebefestigungen an das Armaturenbrett 210 gekoppelt sein. In anderen Beispielen können andere Arten von Befestigungsmechanismus/Befestigungsmechanismen (z. B. Stift-und-Schlitz-Befestigungen, Schnappverschlüsse, eine Schnelllösevorrichtung usw.) verwendet werden, um das Gehäuse 214 und/oder einen anderen Teil der Aktoranordnung 204 an dem Armaturenbrett 210 und/oder einer beliebigen anderen Struktur des Fahrzeugs 100 anzubringen. In einigen Beispielen ist die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung 204 an eine relativ flache Oberfläche oder Platte des Armaturenbretts 210 gekoppelt.
In einigen Beispielen kann das Lenkradsystem 200 und/oder das Fahrzeug 100 einen Klappmechanismus beinhalten, der dem Lenkradsystem 200 ermöglicht, sich im Falle eines Aufpralls (z. B. während einer Kollision) in das Armaturenbrett 210 zu bewegen oder darin einzuklappen. Zum Beispiel beinhaltet das Armaturenbrett 210 in dem veranschaulichten Beispiel aus 5 eine Öffnung oder eine Aussparung 500 und ist die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung 204 um die Öffnung 500 herum an das Armaturenbrett 210 gekoppelt. In dem veranschaulichten Beispiel sind die Gewindebefestigungen 212 mit jeweiligen Klapphalterungen 502 verbunden, die an jeweilige Schienen 504 gekoppelt sind, die sich in das Armaturenbrett 210 erstrecken. 6A ist eine vergrößerte Ansicht von einer der Klapphalterungen 502 und der entsprechenden Schiene 504 und 6B ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Klapphalterung 502 und der beispielhaften Schiene 504 entlang Linie B-B in 6A. Wie in 6A gezeigt, beinhaltet die Klapphalterung 502 einen ersten Abschnitt 600 (z. B. einen Flächenabschnitt) und einen zweiten Abschnitt 602, die gekoppelt sind, um eine Ecke von 90 ° zu bilden. Die Gewindebefestigung 212 koppelt den Flansch 306 des Gehäuses 214 an den ersten Abschnitt 600 der Klapphalterung 502. Der zweite Abschnitt 602 ist in einem Schlitz 604 der Schiene 504 angeordnet, wie in 6A und 6B gezeigt. Die Schnittstelle (z. B. Reibung) zwischen den Wänden des Schlitzes 604 und dem zweiten Abschnitt 602 hält die Klapphalterung 502 an Ort und Stelle, bis eine Schwellenkraft ausgeübt wird. Wenn eine Schwellenkraft ausgeübt wird, rutscht die Klapphalterung 502 weiter in den Schlitz 604 in der Schiene 504. Daher rutschen die Klapphalterungen 502, sollte der Fahrer (oder ein anderes Objekt) das Lenkrad 202 (5) und/oder den Airbag an dem Lenkrad 202 (z. B. während einer Kollision) mit einer ausreichenden Kraft (z. B. Schwellenkraft) in Eingriff nehmen, in die Schienen 504, wodurch dem Lenkradsystem 200 ermöglicht wird, sich in die Öffnung 500 (5) in dem Armaturenbrett 210 zu bewegen, was dabei hilft, den Aufprall, der dem Fahrer verliehen wird, zu reduzieren. In anderen Beispielen kann ein Gurt oder eine Lasche in dem Schlitz 604 angeordnet sein, der/die, wenn er/sie mit einer ausreichenden Kraft durch die Klapphalterung 502 in Eingriff genommen wird, bricht oder schnappt und der Klapphalterung 502 ermöglicht, die Schiene 504 entlang zu gleiten.
7 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Klappmechanismus, der mit dem beispielhaften Lenkradsystem 200 umgesetzt werden kann. In dem Beispiel aus 7 ist das beispielhafte Lenkradsystem 200 über die Befestigungen 212 an eine Platte 700 gekoppelt. Eine Welle 702 erstreckt sich von einer Rückseite der Platte 700. Die Welle 702 kann durch eine Öffnung 704 in dem Armaturenbrett 210 und in eine Röhre 706, die an einem Querbalken 708 angebracht (z. B. geschweißt) ist, eingefügt werden. Die Welle 702 und die Röhre 706 können verzahnt sein, um zu verhindern, dass sich die Welle 702 relativ zu der Röhre 706 dreht. In dem veranschaulichten Beispiel ist ein Verriegelungshebel 710 an die Röhre 706 gekoppelt. Der Verriegelungshebel 710 verriegelt die Welle 702 in der Röhre 706 in einer gewünschten Tiefe, wodurch einem Benutzer ermöglicht wird, die Stelle des Lenkradsystems 200 relativ zu dem Armaturenbrett 210 zu ändern (z. B. dem Lenkradsystem 200 ermöglicht wird, sich teleskopartig in das oder aus dem Armaturenbrett 210 zu bewegen). Der Verriegelungshebel 710 kann ein manueller Verriegelungshebel (z. B. manuell durch eine Hand eines Benutzers aktiviert) oder ein elektronischer Verriegelungshebel (z. B. über eine Schaltfläche auf dem Armaturenbrett 210 aktiviert) sein. In einigen Beispielen kann die Welle 702 von der Röhre 706 entfernt werden, wodurch ermöglicht wird, dass das Lenkradsystem 200 zusammen mit der Platte 700 und der Welle 702 von dem Armaturenbrett 210 entfernt und verstaut werden (z. B. wenn das Fahrzeug 100 nicht verwendet wird, wenn das Fahrzeug 100 in einem autonomen Modus arbeitet und das Lenkradsystem 200 nicht benötigt wird usw.). In einigen Beispielen ist der Querbalken 708 und/oder die Röhre 706 drehbar, sodass das Lenkradsystem 200 nach unten gedreht und unter dem Armaturenbrett 210 verstaut werden kann. In einigen Beispielen ermöglicht der Verriegelungshebel 710, dass sich die Welle 702 in die Röhre 506 bewegt, wenn eine Schwellenkraft auf den Verriegelungshebel 710 ausgeübt wird. Somit kann sich das Lenkradsystem 200, wenn der Fahrer das Lenkrad 202 kontaktiert (z. B. während einer Kollision), in Richtung des Armaturenbretts 210 bewegen, um den Aufprall des Fahrers zu reduzieren.
Anhand des Vorstehenden versteht es sich, dass beispielhafte Systeme, Vorrichtungen und Herstellungsartikel offenbart worden sind, die Drehmomentrückkopplung an einem Lenkrad eines Steer-by-Wire-Fahrzeugs bereitstellen. Die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen, die hierin offenbart sind, weisen eine relativ kurze oder flache Tiefe verglichen mit bekannten Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen auf, die sich weit in die Tiefe des Armaturenbretts erstrecken. Ferner können die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen einfach von einem Fahrzeug gelöst werden, wenn sie nicht verwendet werden, und verstaut werden, um mehr Raum in der Kabine des Fahrzeugs bereitzustellen. Auch verwenden die beispielhaften Drehmomentrückkopplungsaktoranordnungen ein Schneckenrad und ein Schrägzahnrad, die die Verwendung eines relativ kleinen Elektromotors ermöglichen, während dennoch relativ hohe Drehmomentrückkopplung an dem Lenkrad erzeugt wird.
Wenngleich hierin bestimmte beispielhafte Systeme, Vorrichtungen und Erzeugnisse offenbart wurden, ist der Schutzumfang dieser Patentschrift nicht auf diese beschränkt. Ganz im Gegenteil deckt diese Patentschrift alle Systeme, Vorrichtungen und Erzeugnisse ab, die rechtmäßig in den Schutzumfang der Patentansprüche dieser Patentschrift fallen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Lenkradsystem zur Verwendung in einem Steer-by-Wire-Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend: ein Lenkrad; und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, beinhaltend: ein Gehäuse; ein Schrägzahnrad, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Lenkrad an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet ist; und einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, indem das Schrägzahnrad angetrieben wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Drehachse des Lenkrads und des Schrägzahnrads entlang einer ersten Achse ausgerichtet und sind der Elektromotor und das Schneckenrad entlang einer zweiten Achse ausgerichtet, die senkrecht und versetzt zu der ersten Achse ist. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Winkelsensor, um einen Drehwinkel des Schrägzahnrads zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung eine elektronische Steuereinheit (ECU), die an das Gehäuse gekoppelt ist, wobei der Winkelsensor an die ECU gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die ECU an eine Rückseite des Gehäuses gekoppelt und erstreckt sich der Winkelsensor durch eine Öffnung in dem Gehäuse und ist benachbart zu dem Schrägzahnrad.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Winkelsensor ein Hall-Effekt-Sensor.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Schrägzahnrad eine Erweiterung mit einer Gewindeöffnung, die sich von dem Gehäuse erstreckt, ferner beinhaltend einen Haltebolzen, der durch das Lenkrad eingefügt und gewindemäßig an die Erweiterung gekoppelt ist, um das Lenkrad an das Schrägzahnrad zu koppeln.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch eine Spiralfeder gekennzeichnet, die zwischen dem Gehäuse und dem Lenkrad angeordnet ist, wobei die Spiralfeder an das Lenkrad wirkgekoppelt ist, um einer oder mehreren elektronischen Komponenten des Lenkrads Leistung bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend: ein Armaturenbrett; und ein Lenkradsystem, das an das Armaturenbrett gekoppelt ist, um sich mit einem Steer-by-Wire-System des Fahrzeugs zu verbinden, wobei das Lenkradsystem Folgendes beinhaltet: ein Lenkrad; und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, die ein Schrägzahnrad beinhaltet, wobei das Lenkrad an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet ist, wobei das Schrägzahnrad in eine Richtung oder die andere anzutreiben ist, um das Lenkrad zu drehen, wobei das Schrägzahnrad zwischen dem Lenkrad und dem Armaturenbrett angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Lenkradsystem keine Lenksäule, die sich in oder durch das Armaturenbrett erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Lenkradsystem einen Winkelsensor, um einen Drehwinkel des Schrägzahnrads zu bestimmen, ferner beinhaltend eine elektronische Steuereinheit (ECU), um einen Winkel des Lenkrads auf Grundlage des Drehwinkels des Schrägzahnrads zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, wobei das Lenkrad und das Schrägzahnrad entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind und der Elektromotor und das Schneckenrad entlang einer zweiten Achse ausgerichtet ist, die senkrecht und versetzt zu der ersten Achse ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Elektromotor zwischen dem Armaturenbrett und dem Lenkrad angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung ein Gehäuse und ein Schrägzahnrad, das drehbar innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch einen Klappmechanismus gekennzeichnet, der dem Lenkradsystem ermöglicht, sich in Richtung des Armaturenbretts zu bewegen, wenn eine Schwellenkraft auf das Lenkradsystem ausgeübt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, aufweisend: ein Schrägzahnrad zum Koppeln an und Ausrichten auf eine Drehachse des Lenkrads, und einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, wobei der Elektromotor dazu dient, das Schrägzahnrad anzutreiben, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, wobei der Elektromotor und das Schneckenrad entlang einer Achse ausgerichtet sind, die senkrecht und versetzt zu der Drehachse ist. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Schrägzahnrad eine Gewindeöffnung, die sich durch eine Mitte des Schrägzahnrads erstreckt, ferner beinhaltend einen Bolzen, der gewindemäßig mit der Gewindeöffnung in Eingriff genommen ist, wobei der Bolzen dazu dient, sich in einer linearen Richtung in die oder aus der Gewindeöffnung zu bewegen, während das Schrägzahnrad gedreht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch ein Gehäuse gekennzeichnet, wobei das Schrägzahnrad drehbar innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen ersten Anschlag, der auf einer ersten Seite eines Kopfes des Bolzens angeordnet ist, und einen zweiten Anschlag, der auf einer zweiten Seite des Kopfes des Bolzens angeordnet ist, beinhaltet, wobei der Kopf des Bolzens einen von dem ersten oder zweiten Anschlag in Eingriff nimmt und weitere Drehung des Lenkrads verhindert, wenn das Schrägzahnrad in einer beliebigen Richtung über eine Schwellenmenge hinaus gedreht wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch einen Winkelsensor gekennzeichnet, um einen Drehwinkel des Schrägzahnrads zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Winkelsensor ein Hall-Effekt-Sensor.

Claims

Lenkradsystem zur Verwendung in einem Steer-by-Wire-Fahrzeug, wobei das Lenkradsystem Folgendes umfasst: ein Lenkrad; und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, beinhaltend: ein Gehäuse; ein Schrägzahnrad, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Lenkrad an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet ist; und einen Elektromotor mit einem Schneckenrad, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, um dem Lenkrad Drehmomentrückkopplung bereitzustellen, indem das Schrägzahnrad angetrieben wird.
Lenkradsystem nach Anspruch 1, wobei eine Drehachse des Lenkrads und des Schrägzahnrads entlang einer ersten Achse ausgerichtet ist und wobei der Elektromotor und das Schneckenrad entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind, die senkrecht und versetzt zu der ersten Achse ist.
Lenkradsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Winkelsensor beinhaltet, um einen Drehwinkel des Schrägzahnrads zu messen.
Lenkradsystem nach Anspruch 3, wobei die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung eine elektronische Steuereinheit (ECU) beinhaltet, die an das Gehäuse gekoppelt ist, wobei der Winkelsensor an die ECU gekoppelt ist.
Lenkradsystem nach Anspruch 4, wobei die ECU an eine Rückseite des Gehäuses gekoppelt ist und sich der Winkelsensor durch eine Öffnung in dem Gehäuse erstreckt und benachbart zu dem Schrägzahnrad ist.
Lenkradsystem nach Anspruch 4, wobei der Winkelsensor ein Hall-Effekt-Sensor ist.
Lenkradsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schrägzahnrad eine Erweiterung mit einer Gewindeöffnung beinhaltet, die sich von dem Gehäuse erstreckt, ferner beinhaltend einen Haltebolzen, der durch das Lenkrad eingefügt und gewindemäßig an die Erweiterung gekoppelt ist, um das Lenkrad an das Schrägzahnrad zu koppeln.
Lenkradsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner beinhaltend eine Spiralfeder, die zwischen dem Gehäuse und dem Lenkrad angeordnet ist, wobei die Spiralfeder an das Lenkrad wirkgekoppelt ist, um einer oder mehreren elektronischen Komponenten des Lenkrads Leistung bereitzustellen.
Fahrzeug, umfassend: ein Armaturenbrett; und ein Lenkradsystem, das an das Armaturenbrett gekoppelt ist, um sich mit einem Steer-by-Wire-System des Fahrzeugs zu verbinden, wobei das Lenkradsystem Folgendes beinhaltet: ein Lenkrad; und eine Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung, die ein Schrägzahnrad beinhaltet, wobei das Lenkrad an das Schrägzahnrad gekoppelt und koaxial darauf ausgerichtet ist, wobei das Schrägzahnrad in eine Richtung oder die andere anzutreiben ist, um das Lenkrad zu drehen, wobei das Schrägzahnrad zwischen dem Lenkrad und dem Armaturenbrett angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung einen Elektromotor mit einem Schneckenrad beinhaltet, das mit dem Schrägzahnrad in Eingriff genommen ist, wobei das Lenkrad und das Schrägzahnrad entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind und der Elektromotor und das Schneckenrad entlang einer zweiten Achse ausgerichtet ist, die senkrecht und versetzt zu der ersten Achse ist.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Elektromotor zwischen dem Armaturenbrett und dem Lenkrad angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9-11, wobei das Lenkradsystem keine Lenksäule beinhaltet, die sich in oder durch das Armaturenbrett erstreckt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9-11, wobei das Lenkradsystem einen Winkelsensor beinhaltet, um einen Drehwinkel des Schrägzahnrads zu bestimmen, ferner beinhaltend eine elektronische Steuereinheit (ECU), um einen Winkel des Lenkrads auf Grundlage des Drehwinkels des Schrägzahnrads zu bestimmen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9-11, wobei die Drehmomentrückkopplungsaktoranordnung ein Gehäuse und ein Schrägzahnrad, das drehbar innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, beinhaltet.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9-11, ferner beinhaltend einen Klappmechanismus, der dem Lenkradsystem ermöglicht, sich in Richtung des Armaturenbretts zu bewegen, wenn eine Schwellenkraft auf das Lenkradsystem ausgeübt wird.