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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das als ein Steer-by-wire-Lenksystem ausgebildet ist.
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Lenksysteme umfassen üblicherweise eine Zahnstange, die zur Anpassung einer Radstellung linear verschiebbar gelagert ist. Ursprünglich ist eine derartige Zahnstange über eine Lenkstange mit dem Lenkrad gekoppelt, so dass über eine Drehung des Lenkrads eine lineare Verschiebung der Zahnstange erreicht wird.
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Bei modernen Kraftfahrzeugen kann ein sogenanntes Steer-By-Wire Lenksystem (SbW-Lenksystem) zum Einsatz kommen, bei dem zwischen dem Lenkrad und der Zahnstange keine mechanische Verbindung mehr vorliegt. Die Verschiebung der Zahnstange wird mittels eines elektrischen Antriebs erreicht. Dabei können Torsionskräfte auftreten, die auf die Zahnstange wirken und eine ungewünschte Rotation der Zahnstange verursachen.
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Aufgrund der nicht mehr vorhandenen mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Zahnstange sind die Lagerung und die Führung der Zahnstange bei einem Steer-By-Wire Lenksystem anders gegenüber herkömmlichen Lenksystemen.
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Insbesondere verändern sich die Anforderungen an die Führung der Zahnstange, da durch den elektrischen Antrieb bei einem Steer-By-Wire Lenksystem hohe Schubkräfte auftreten können, beispielsweise höher als 13 kN, die bei der Führung der Zahnstange zu berücksichtigen sind.
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Zudem wird durch den elektrischen Antrieb ein Drehmoment auf die Zahnstange übertragen. Dabei können Torsionskräfte auftreten, die auf die Zahnstange wirken und eine ungewünschte Rotation der Zahnstange verursachen. Zudem soll die Zahnstange grundsätzlich möglichst reibungsarm geführt werden, sodass die Zahnstange beim Lenken des Kraftfahrzeugs entsprechend leichtgängig durch das Lenksystem gleiten kann.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Lenksystem bereitzustellen, mit dem eine Zahnstange verstellt werden kann, insbesondere in einem Steer-By-Wire Lenksystem.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, das als ein Steer-by-wire-Lenksystem ausgebildet ist. Das Lenksystem weist dabei eine Zahnstange, einen elektrischen Antrieb zur Längsverschiebung der Zahnstange, ein Schneckengetriebe und eine Antriebswelle auf, die mit der Zahnstange in verzahntem Eingriff steht. Der elektrische Antrieb ist hierbei mittels des Schneckengetriebes drehmomentübertragend mit der Antriebswelle verbunden.
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Es wurde erkannt, dass mittels des Schneckengetriebes der elektrische Antrieb besonders zuverlässig sowie geräuscharm mit der Antriebswelle drehmomentübertragend gekoppelt werden kann, da das Schneckengetriebe im Vergleich zu anderen Verzahnungsantrieben eine hohe Belastbarkeit aufweist.
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Hierbei weist das Schneckengetriebe ein Schneckenrad und eine Schneckenwelle auf, die mit dem Schneckenrad in Eingriff steht. Das Schneckenrad ist dabei drehmomentübertragend und/oder drehfest mit der Antriebswelle, und die Schneckenwelle ist drehmomentübertragend und/oder drehfest mit dem elektrischen Antrieb verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Schneckenwelle mit dem elektrischen Antrieb je nach vorhandenem Bauraum am Schneckenrad ausgerichtet werden kann. Somit ist das Lenksystem flexibel an unterschiedliche Raumanforderungen anpassbar und damit besonders kompakt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der elektrische Antrieb einen ersten Elektromotor und einen zweiten Elektromotor umfasst. Auf diese Weise kann mittels Redundanz die Zuverlässigkeit weiter erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ können die beiden Elektromotoren im Vergleich zu einem einzelnen Elektromotor kleiner gestaltet sein, so dass der erforderliche Bauraum reduziert oder vorteilhafter angeordnet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor mittels der einen gemeinsamen Schneckenwelle mit dem Schneckenrad drehmomentübertragend verbunden. Hierdurch ist das Lenksystem besonders kompakt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist das Schneckengetriebe eine zweite Schneckenwelle auf, die mit dem Schneckenrad in Eingriff stehen. Dabei sind die erste Schneckenwelle drehmomentübertragend und/oder drehfest mit dem ersten Elektromotor und die zweite Schneckenwelle drehmomentübertragend und/oder drehfest mit dem zweiten Elektromotor verbunden. Indem die beiden Elektromotoren jeweils über eine eigene Schneckenwelle mit dem Schneckenrad verbunden sind, wird die Zuverlässigkeit des Lenksystems weiter erhöht. Ferner können die beiden Schneckenwellen im Vergleich zu einer einzelnen Schneckenwelle kleiner gestaltet sein, wodurch das Gewicht und/oder der erforderliche Bauraum reduziert werden kann.
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Des Weiteren kann dabei die erste Schneckenwelle und die zweite Schneckenwelle auf zueinander entgegengesetzten radialen Seiten des Schneckenrads angerordnet sein, insbesondere wobei die Rotationsachse der ersten Schneckenwelle parallel zur Rotationsachse der zweiten Schneckenwelle verläuft. Hierdurch wird eine wirkungsvolle Kräfteverteilung sichergestellt und die Schneckenwellen können als Lager für das Schneckenrad wirken, so dass ein dem Schneckenrad zugeordnetes Lager kompakter gestaltet sein oder vollständig entfallen kann.
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In einer Ausführungsform weist das Lenksystem zwei Lagerbuchsen auf, welche in Längsrichtung der Zahnstange voneinander beabstandet sind. Die Lagerbuchsen bilden dabei gemeinsam eine Zahnstangenführung. Ferner ist die Antriebswelle in Längsrichtung der Zahnstange zwischen den beiden Lagerbuchsen angeordnet. Durch die Lagerbuchsen wird die Zahnstange wirkungsvoll gegen Durchbiegen abgestützt, so dass ein zuverlässiger und präziser Eingriff von der Antriebswelle und der Zahnstange gewährleistet ist. Ferner kann die Zahnstange mittels der Lagerbuchsen besonders reibungsarm gelagert sein.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle in einer Stellung des Lenksystems, insbesondere in einer Neutralstellung des Lenksystems, in Längsrichtung der Zahnstange mittig zur Zahnstange angeordnet ist. Somit können die wirkenden Kräfte besonders gleichmäßig über die Zahnstange verteilt und damit die Belastung der Zahnstange reduziert werden.
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Das Lenksystem kann ein Druckstück aufweisen, das im Bereich der Antriebswelle angeordnet ist und das die Zahnstange abstützt. Genauer gesagt drückt das Druckstück die Zahnstange gegen die Antriebswelle, um sicherzustellen, dass die Antriebwelle in verzahntem Eingriff mit der Zahnstange verbleibt.
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Das Druckstück ist dabei insbesondere aus Kunststoff gebildet und damit mit geringer Masse sowie kostengünstig herstellbar.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Lenksystem einen, insbesondere drahtlosen, Drehmomentsensor auf, der dazu vorgesehen ist, das Drehmoment der Antriebswelle zu ermitteln. Hierdurch kann die Kraft, die über die Zahnstange übertragen wird, präzise bestimmt werden.
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Ferner kann die Zahnstange eine Verzahnung aufweisen, über die die Antriebswelle mit der Zahnstange in verzahntem Eingriff steht. Die Zahnstange hat hierbei von einem ersten Ende bis zur Verzahnung und von der Verzahnung bis zu einem zum ersten Ende entgegengesetzten zweiten Ende jeweils einen konstanten Querschnitt. Auf diese Weise kann die Zahnstange besonders belastbar, insbesondere in Bezug auf die Durchbiegung, gestaltet sein. Ferner kann hierdurch die Zahnstange im Bereich der Verzahnung tiefer eingeschnitten bzw. abgeflacht sein, um einen größeren Kontaktbereich zwischen der Antriebswelle und der Zahnstange bereitzustellen.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Lenksystem,
- - 2 in einer schematischen Draufsicht das Lenksystem aus 1,
- - 3 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Schnitt durch das Lenksystem entlang der Linie A-A in 1, und
- - 4 in einer schematischen Draufsicht ein erfindungsgemäßes Lenksystem gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In 1 ist ein Lenksystem 10 für ein Kraftfahrzeug gezeigt.
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Bei dem Lenksystem 10 handelt es sich um ein sogenanntes Steer-by-wire Lenksystem, bei dem keine mechanische Verbindung zwischen einem Lenkrad 12, das von einem Fahrer betätigt werden kann, und den Rädern des Kraftfahrzeugs zur Übertragung der Lenkbewegung vorliegt.
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Das Lenksystem 10 hat eine Zahnstange 14 und einen elektrischen Antrieb 16. Der elektrische Antrieb 16 ist dabei zur Längsverschiebung, d.h. translatorischen Verschiebung, der Zahnstange 14 eingerichtet, um eine Stellung der Räder des Kraftfahrzeugs entsprechend einem Lenkwunsch des Fahrers einzustellen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der elektrische Antrieb 16 einen ersten Elektromotor 18 und einen zweiten Elektromotor 19.
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Grundsätzlich kann der elektrische Antrieb 16 eine beliebige Anzahl an Elektromotoren aufweisen, insbesondere nur einen einzigen Elektromotor 18, 19.
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Das Lenkrad 12 ist herbei über eine Steuereinheit 20 signalübertragend mit den Elektromotoren 18, 19 gekoppelt. Hierdurch besteht zwischen dem Lenkrad 12 und der Zahnstange 14 nur eine elektronische Verbindung.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind das Lenkrad 12 und die Steuereinheit 20 in 2 (und in 4) nicht dargestellt.
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Um den elektrischen Antrieb 16 drehmomentübertragend mit der Zahnstange 14 zu koppeln, hat das Lenksystem 10 ein Schneckengetriebe 22 mit einem Schneckenrad 24 und einer Schneckenwelle 26, die mit dem Schneckenrad 24 in Eingriff steht, sowie eine Antriebswelle 28, die mit einer Verzahnung 30 (siehe 2) der Zahnstange 14 in verzahntem Eingriff steht.
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Das Schneckenrad 24 ist mit der Antriebswelle 28 drehfest und die Schneckenwelle 26 mit dem elektrischen Antrieb 16 drehmomentübertragend verbunden.
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Die beiden Elektromotoren 18, 19 sind hierzu an entgegengesetzten Enden der Schneckenwelle 26 angeordnet und werden über die Steuereinheit 20 entsprechend angesteuert, um die gemeinsame Schneckenwelle 26 anzutreiben.
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Für den verzahnten Eingriff mit der Zahnstange 14 hat die Antriebswelle 28 einen ritzelförmigen Abschnitt 32 (siehe 3) im Kontaktbereich 34 mit der Verzahnung 30.
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Die 3 zeigt hierbei einen Schnitt im Bereich der Antriebswelle 28 durch das Lenksystem 10 entlang der Linie A-A in 1.
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Das Lenksystem 10 weist ferner ein Druckstück 36 auf, das die Zahnstange 14 auf der Seite entgegengesetzt zum Kontaktbereich 34 abstützt. Hierdurch wird eine Durchbiegung der Zahnstange 14 unterdrückt und somit ein verzahnter Eingriff zwischen der Antriebswelle 28 und der Zahnstange 14 zuverlässig sichergestellt. Ferner stellt das Druckstück 36 eine wirksame Unterdrückung von Geräuschen sicher.
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Um einem besonders stabilen verzahnten Eingriff zu gewährleisten, kann das Lenksystem 10 ein Federelement 38 aufweisen, das das Druckstück 36 mit einer Federkraft in Richtung Zahnstange 14 bzw. Kontaktbereich 34 beaufschlagt, wie in 3 durch einen Pfeil veranschaulicht ist.
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Eine Anlagefläche 40 des Druckstücks 36 mit der Zahnstange 14 ist vorzugsweise an die Geometrie der Zahnstange 14 angepasst, insbesondere konkav ausgebildet.
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Das Druckstück 36 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Rotationsachse R der Antriebswelle 28 um einen Winkel α von weniger als 90° gegenüber der Längsachse L der Zahnstange 14 geneigt. Hierdurch ist der Kontaktbereich 34 besonders groß, sodass Kräfte besonders wirkungsvoll von der Antriebswelle 28 auf die Zahnstange 14 übertragen werden.
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Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich die Zahnstange 14 von einem ersten Ende 42 über einen ersten Endabschnitt 44 bis zu einem Verzahnungsabschnitt 46, der die Verzahnung 30 aufweist, und vom Verzahnungsabschnitt 46 über einen zweiten Endabschnitt 48 bis zu einem zweiten Ende 50, das entgegengesetzt zum ersten Ende 42 angeordnet ist.
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Die Verzahnung 30 ist hierbei nur im Verzahnungsabschnitt 46 vorgesehen. Das heißt, die Verzahnung 30 erstreckt sich in Richtung der Längsachse L nicht über die gesamte Länge der Zahnstange 14, sondern nur über den Verzahnungsabschnitt 46.
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Die Länge der Verzahnung 30 bzw. des Verzahnungsabschnitts 46 entspricht vorzugsweise einem maximalen translatorischen Bewegungsbereich der Zahnstange 14 in Verschieberichtung.
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Der erste Endabschnitt 44 und der zweite Endabschnitt 48 haben jeweils einen konstanten kreisförmigen Querschnitt mit dem gleichen Durchmesser.
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Grundsätzlich kann jeder der Endabschnitte 44, 48 jedoch einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Um die Zahnstange 14 im Kraftfahrzeug zu führen, hat das Lenksystem eine Zahnstangenführung 52 mit einer ersten Lagerbuchse 54 und einer zweiten Lagerbuchse 55, die jeweils die Zahnstange 14 umfangsseitig abstützen.
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Die erste Lagerbuchse 54 ist hierbei im ersten Endabschnitt 44 und die zweite Lagerbuchse 55 ist im zweiten Endabschnitt 48 angeordnet. Somit ist der Kontaktbereich 34 zwischen der Verzahnung 30 und der Antriebswelle 28 in Richtung der Längsachse L zwischen den beiden Lagerbuchsen 54, 55 angeordnet, insbesondere mittig.
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In den 1 und 2 ist das Lenksystem 10 in einer Neutralstellung, d.h. in einer Stellung, in der die Räder des Kraftfahrzeugs in der primären Fortbewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs ausgerichtet sind, üblicherweise geradeaus.
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In dieser Neutralstellung ist die Antriebswelle 28 in Richtung der Längsachse L mittig zur Zahnstange 14 und der Verzahnung 30 angeordnet, so dass die Zahnstange 14 beim Lenken in beide Richtungen, d.h. nach links und nach rechts, gleich weit verstellbar ist.
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Die Stellung bzw. relative Position der Zahnstange 14 gegenüber der Antriebswelle 28 kann beispielsweise mittels eines Winkelsensors oder ein Drehgebers ermittelt werden, der signalübertragend mit der Steuereinheit 20 verbunden ist.
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In der dargestellten Ausführungsform hat das Lenksystem 10 ferner einen drahtlosen Drehmomentsensor 56, der signalübertragend mit der Steuereinheit 20 verbunden und dazu eingerichtet ist, ein mittels der Antriebswelle 28 übertragenes bzw. in der Antriebswelle 28 wirkendes Drehmoment zu ermitteln.
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Anhand der Sensordaten steuert die Steuereinheit 20 den elektrischen Antrieb 16 an, um Lenkbewegungen des Lenkrads 12 in eine entsprechende relative Position der Zahnstange 14 zu verstellen bzw. zu übersetzen.
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Selbstverständlich können zusätzlich oder alternativ zu Lenkbewegungen des Lenkrads 12 andere Steuersignale von der Steuereinheit berücksichtigt werden, insbesondere Steuersignale, die einen Fahrer unterstützen, beispielsweise beim Spurhalten, oder eine Trajektorie direkt vorgeben, beispielsweise in einem autonomen Fahr- oder Einparkmodus.
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Anhand der 4 wird nun ein Lenksystem 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Für die Bauteile, die von der obigen Ausführungsform bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet und es wird insoweit auf die vorangegangenen Erläuterungen verwiesen.
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Im Unterschied zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform hat das in der 4 gezeigte Lenksystem 10 ein Schneckengetriebe 22 mit einer zweiten Schneckenwelle 58, die zusätzlich zu ersten Schneckenwelle 26 vorgesehen ist und mit dem Schneckenrad 24 in Eingriff steht.
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Hierbei sind der erste Elektromotor 18 über die erste Schneckenwelle 26 und der zweite Elektromotor 19 über die zweite Schneckenwelle 58 jeweils drehmomentübertragend mit dem Schneckenrad 24 und damit mit der Antriebswelle 28 verbunden.
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Die beiden Schneckenwellen 26, 58 sind dabei so angeordnet, dass das Schneckenrad 24 zwischen den beiden Schneckenwellen 26, 58 angeordnet ist und die Rotationsachsen E, F der Schneckenwellen 26, 58 parallel zueinander verlaufen.
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In allen Ausführungsformen ist auf diese Weise ein Lenksystem 10 bereitgestellt, mittels dem besonders zuverlässig und genau die relative Position Zahnstange 14 einstellbar und somit das Kraftfahrzeug präzise lenkbar ist.
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Das Schneckengetriebe 22 gewährleistet dabei eine besonders belastbare, wirkungsvolle und geräuscharme Übertragung der Kräfte vom elektrischen Antrieb 16 in die Antriebswelle 28.
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Ferner sind die Zahnstange 14 und die Zahnstangenführung 52 derart gestaltet, dass die Zahnstange 14 besonders widerstandsfähig gegen Durchbiegen ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenksystem
- 12
- Lenkrad
- 14
- Zahnstange
- 16
- elektrischer Antrieb
- 18
- erster Elektromotor
- 19
- zweiter Elektromotor
- 20
- Steuereinheit
- 22
- Schneckengetriebe
- 24
- Schneckenrad
- 26
- (erste) Schneckenwelle
- 28
- Antriebswelle
- 30
- Verzahnung
- 32
- ritzelförmiger Abschnitt
- 34
- Kontaktbereich
- 36
- Druckstück
- 38
- Federelement
- 40
- Anlagefläche
- 42
- erstes Ende
- 44
- erster Endabschnitt
- 46
- Verzahnungsabschnitt
- 48
- zweiter Endabschnitt
- 50
- zweites Ende
- 52
- Zahnstangenführung
- 54
- erste Lagerbuchse
- 55
- zweite Lagerbuchse
- 56
- Drehmomentsensor
- 58
- zweite Schneckenwelle
- E
- Rotationsachse (der ersten Schneckenwelle)
- F
- Rotationsachse (der zweiten Schneckenwelle)
- L
- Längsachse (der Zahnstange)
- R
- Rotationsachse (der Antriebswelle)
- α
- Winkel
