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Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System, umfassend einen elektrischen Motor mit einer Rotorwelle, welche drehmomentübertragend mit einer Gewindespindel eines Kugelgewindetriebs verbunden ist, und die Gewindespindel über eine Vielzahl von innerhalb des Kugelgewindetriebs wälzenden Kugeln mit einer Spindelmutter so wirkverbunden ist, dass in einem ersten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs eine Rotation der Gewindespindel einen translatorischen Versatz der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel bewirkt, wodurch ein vom Benutzer bedienbares und mit der Spindel gekoppeltes Lenkinstrument translatorisch versetzbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Steer-By-Wire-System.
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Elektrische Lenkvorrichtungen dienen - unter anderem in Kraftfahrzeugen - dazu, einen Richtungswunsch eines Fahrers entgegenzunehmen und in entsprechende Bewegungen eines oder mehrerer Räder umzusetzen. Gegenüber rein mechanischen Lenkvorrichtungen unterscheidet man bei elektrischen Lenkvorrichtungen zwischen elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen sowie vollständig elektrischen Lenkvorrichtungen, sogenannten „Steer-by-Wire“-Lenkvorrichtungen. Insbesondere diese Steer-by-Wire-Lenkvorrichtungen haben den Vorteil, dass die Bedieneinheit unabhängig von mechanischen Verbindungskomponenten relativ frei innerhalb des Fahrzeuges positioniert werden kann, was neben einer Kostenersparnis bei der Unterscheidung von z.B. rechts- und linksgelenkten Fahrzeugen zudem zu einem verbesserten Unfallverhalten durch Fehlen einer Lenksäule führt. Weiterhin kann die Bedieneinheit in eine Verstauposition gebracht werden, welche z.B. auch bei vollständig automatischem Lenken genutzt wird.
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Unter einem Steer-By-Wire-Lenksystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Lenkungssystem zu verstehen, welches im Wesentlichen aus einem sogenannten Hand Wheel Aktuator (HWA), beispielsweise der Aktuatorik um das befehlsgebende Fahrzeug-Lenkrad herum, und einem Road Wheel Aktuator (RWA), also der auf die mit den Fahrzeugrädern verbundene Lenkmechanik wirkenden Aktuatorik, besteht. Per Leitung („by wire“) wird dabei das Lenksignal vom HWA zum RWA übertragen.
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Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart die
DE 10 2015 224 602 A1 eine verstellbare Lenksäule für eine steer-by-wire-Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Stelleinheit, die eine in einer Manteleinheit um eine Längsachse drehbar gelagerte Lenkspindel umfasst, wobei die Manteleinheit ein erstes Mantelrohr aufweist, in dem zumindest ein zweites Mantelrohr bezüglich der Längsachse drehfest angeordnet und teleskopierend axial verschiebbar gelagert ist, wobei mit dem ersten und dem zweiten Mantelrohr ein Stellantrieb verbunden ist, von dem das zweite Mantelrohr relativ zum ersten Mantelrohr axial ein- und ausfahrbar ist, und der einen Spindeltrieb umfasst mit einer parallel zur Längsachse angeordneten, von einem elektrischen Stellmotor drehend antreibbaren Gewindespindel die sich an einem Mantelrohr abstützt und die in eine Spindelmutter eingeschraubt ist, die drehfest an dem anderen Mantelrohr angebracht ist, wobei die Gewindespindel sich innerhalb des ersten Mantelrohrs erstreckt, und die Spindelmutter an dem zweiten Mantelrohr angebracht ist.
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Der
DE 10 2018 212 696 B3 ist weiterhin ein Verstellantrieb für eine motorisch verstellbare Lenksäule für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine motorische Antriebseinheit und eine Außen-Gewindespindel, die ein Außengewinde und ein koaxiales Innengewinde aufweist, in das eine Innen-Gewindespindel eingreift, wobei die Außen-Gewindespindel und die Innen-Gewindespindel von der Antriebseinheit relativ zueinander um eine Achse drehend antreibbar sind. Um einen Verstellantrieb zur Verfügung zu stellen, der ein geringeres Antriebsmoment erfordert und einen optimierten freien Verstellweg bietet, schlägt die
DE 10 2018 212 696 B3 vor, dass die Außen-Gewindespindel mit ihrem Außengewinde in eine Antriebsmutter eingreift, wobei die Antriebsmutter oder die Innen-Gewindespindel von der Antriebseinheit drehend antreibbar ist und in Richtung der Achse relativ zur Antriebseinheit abgestützt ist.
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Vor diesem Hintergrund Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine, gegenüber dem Stand der Technik, verbesserte längenverstellbare Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System bereitzustellen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung eine Bedieneinheit bereitzustellen, die besonders kompakt und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine längenverstellbare Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer, insbesondere zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System, umfassend einen elektrischen Motor mit einer Rotorwelle, welche drehmomentübertragend mit einer Gewindespindel eines Kugelgewindetriebs verbunden ist, und die Gewindespindel über eine Vielzahl von innerhalb des Kugelgewindetriebs wälzenden Kugeln mit einer Spindelmutter so wirkverbunden ist, dass in einem ersten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs eine Rotation der Gewindespindel einen translatorischen Versatz der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel bewirkt, wodurch ein vom Benutzer bedienbares und mit der Spindel gekoppeltes Lenkinstrument translatorisch versetzbar ist, wobei der Kugelgewindetrieb mittels eines das Wälzen der Kugeln verhindernden, schaltbaren Blockadeelements in einen zweiten Betriebszustand überführbar ist, so dass eine Rotation der Spindelmutter eine Rotation der Gewindespindel ohne einen translatorischen Versatz der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel bewirkt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit nur einem elektrischen Motor eine elektrisch längenverstellbare Bedieneinheit mit einem Force-Feedback-Aktor realisiert werden, wodurch sich ein besonders kompakter wie auch preisgünstiger Aufbau einer Bedieneinheit erzielen lässt. Der Kugelgewindetrieb wird hierbei für den normalen Fahrbetrieb arretiert und kann keine Längenverstellung erzeugen. Das Drehmoment des Motors wird dann direkt bis ans Lenkinstrument übertragen, so dass der Motor in diesem Betriebszustand als Force-Feedback-Aktor fungieren kann. Für die Längenverstellung kann bevorzugt ein Lenkwellenlager der Lenkachse blockiert und der Kugelgewindetrieb freigegeben werden. Dann kann in dem entsprechenden Betriebszustand des Kugelgewindetriebs mit dem Motor die Längenverstellung der Bedieneinheit realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spindelmutter mit einer Hohlwelle ausgeformt ist, an deren einem distalen Ende das Lenkinstrument drehfest angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Hohlwelle und die Spindelmutter so auf besonders kostengünstige Weise herstellbar und besonders montagefreundlich sind.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Blockadeelement einen elektrisch schaltbaren Hubmagneten aufweist, welcher in einer ersten Schaltstellung den Kugelgewindetrieb in seinen ersten Betriebszustand und in einer zweiten Schaltstellung den Kugelgewindetrieb in seinen zweiten Betriebszustand überführt, was sich als besonders kostengünstig und betriebssicher erwiesen hat. Grundsätzlich wäre auch eine andere Aktuierung des Blockadeelements denkbar, beispielsweise mit einer beliebigen elektrischen und/oder elektromagnetischen und/oder magnetischen Aktuierung.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Spindelmutter drehbar innerhalb eines inneren Führungsschlittens aufgenommen ist, welcher translatorisch versetzbar aber drehfest gegenüber einem äußeren Führungsschlitten gelagert ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass eine besonders kompakte Ausbildung der Bedieneinheit ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Spindelmutter über ein erstes als Wälzlager ausgebildetes Lenkwellenlager und über ein dazu axial beabstandetes zweites als Wälzlager ausgebildetes Lenkwellenlager drehbar gegenüber dem inneren Führungsschlitten gelagert ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Blockadeelement einen translatorisch versetzbaren ersten Blockadekeil aufweist, welcher in dem zweiten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs in eine Bewegungsbahn der Kugeln an der Spindelmutter so eingreift, dass ein Wälzen der Kugeln entlang der Bewegungsbahn durch einen Formschluss zwischen den Kugeln und dem ersten Blockadekeil verhindert ist und in dem ersten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs nicht in die Bewegungsbahn der Kugeln an der Spindelmutter eingreift, dass ein Wälzen der Kugeln entlang der Bewegungsbahn ermöglicht ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Blockadeelement einen translatorisch versetzbaren zweiten Blockadekeil aufweist, welcher in dem ersten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs in eine Bewegungsbahn der Lagerwälzkörper des ersten Lenkwellenlagers und/oder des zweiten Lenkwellenlagers eingreift und in dem zweiten Betriebszustand des Kugelgewindetriebs nicht in die Bewegungsbahn der Lagerwälzkörper eingreift.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Hubmagnet einen translatorisch versetzbaren Anker aufweist, welcher mittels eines Federelements entgegen seiner Ausrückrichtung federkraftbeaufschlagt ist und an dessen erstem distalen Ende der erste Blockadekeil und an dessen zweitem distalen Ende der zweite Blockadekeil gekoppelt ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass das Blockadeelement beispielsweise auch bei einem Ausfall des Hubmagneten stets in einer vordefinierten Schaltstellung überführt ist, um insbesondere die mechanische Kupplung zwischen der Hohlwelle und dem Motor sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Blockadeelement drehfest gegenüber der Spindelmutter ausgeführt ist.
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Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch ein Steer-By-Wire-System umfassend eine längenverstellbare Bedieneinheit nach einem der Ansprüche 1-9.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine längenverstellbare Bedieneinheit zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer in einer perspektivischen und einer perspektivischen Axialschnittdarstellung,
- 2 eine Detailansicht des Kugelgewindetriebs in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung,
- 3 eine Detailansicht des Kugelgewindetriebs mit einem freigestellten Blockadeelement in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung,
- 4 eine Detailansicht des zweiten Blockadekeils in einer perspektivischen Schnittansicht,
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-By-Wire-System in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt eine längenverstellbare Bedieneinheit 1 zur Beeinflussung einer Fahrrichtung eines Kraftfahrzeugs 2 durch einen Benutzer zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System 3, wie es exemplarisch auch in der 5 skizziert ist.
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Die Bedieneinheit 1 umfasst einen elektrischen Motor 4 mit einer Rotorwelle 5, welche drehmomentübertragend mit einer Gewindespindel 6 eines Kugelgewindetriebs 8 verbunden ist. Die Gewindespindel 6 ist über eine Vielzahl von innerhalb des Kugelgewindetriebs 8 wälzenden Kugeln 9 mit einer Spindelmutter 7 so wirkverbunden ist, dass in einem ersten Betriebszustand 12 des Kugelgewindetriebs 8 eine Rotation der Gewindespindel 6 einen translatorischen Versatz der Spindelmutter 7 gegenüber der Gewindespindel 6 bewirkt, wodurch ein vom Benutzer bedienbares und mit der Spindel 6 gekoppeltes Lenkinstrument 10 translatorisch versetzbar ist. Die Spindelmutter 7 ist mit einer Hohlwelle 14 ausgeformt ist, an deren einem distalen Ende 27 das Lenkinstrument 10 drehfest angeordnet ist. Die Funktionsweise des Kugelgewindetriebs 8 wird anhand der 2-4 nachfolgend näher erläutert.
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Anhand der 2-3 lässt sich erkennen, dass der Kugelgewindetrieb 8 mittels eines das Wälzen der Kugeln 9 verhindernden, schaltbaren Blockadeelements 11 in einen zweiten Betriebszustand 13 überführbar ist, so dass eine Rotation der Spindelmutter 7 eine Rotation der Gewindespindel 6 ohne einen translatorischen Versatz der Spindelmutter 7 gegenüber der Gewindespindel 6 bewirkt. Dieser zweite Betriebszustand 13 ist in der 2 und der 3 gezeigt. Das Blockadeelement 11 ist hierbei drehfest gegenüber der Spindelmutter 7 ausgeführt.
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Die Lenkwelle der Bedieneinheit 1 wird aus der Gewindespindel 6 und der Spindelmutter 7 gebildet. Diese ist über die Lenkwellenlager 18,19 an den innersten Längenauszug der Bedieneinheit 1 fixiert. Der Kugelgewindetrieb 8 und auch ein Lenkwellenlager 18,19 können jeweils mittels steuerbarem Blockadekeil 20,22 blockiert werden.
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Durch das Sperren des Wälzens der Kugeln 9 entlang ihrer Bewegungsbahn 21, kann eine Drehbewegung der Hohlwelle 14 über die Spindelmutter 7 auf die Gewindespindel 6 übertragen werden, ohne dass die Steigung der Gewindespindel 6 einen axialen Versatz erfährt. Durch die Sperrung der Kugeln 9 wird also die getriebliche Kopplung zwischen der Gewindespindel 6 und der Spindelmutter 7 gesperrt und es findet somit in diesem zweiten Betriebszustand 13 des Kugelgewindetriebs 8 keine Relativbewegung zwischen der Gewindespindel 6 und der Spindelmutter 7 statt. Somit ist es natürlich auch möglich, dass ein Drehmoment von dem Motor 4 über die Gewindespindel 6 und die dazu festgelegte Spindelmutter 7 auf die Hohlwelle 14 und das Lenkinstrument 10, das in dem gezeigten Beispiel als ein Lenkrad ausgebildet ist, übertragen werden kann. Der Motor 4 kann in diesem zweiten Betriebszustand 13 somit beispielsweise als ein Force-Feedback-Aktor betrieben werden.
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Wird der Kugelgewindetrieb 8 durch das Blockadeelement 11 in den ersten Betriebszustand 12 überführt, so können die Kugeln 9 entlang ihrer vorgesehenen Bewegungsbahn 21 zwischen der Spindelmutter 7 und der Gewindespindel 6 wälzen, so dass bei einer Drehung der Gewindespindel 6 durch den Motor 4 die mit der Spindelmutter 7 gekoppelte Hohlwelle 14 mit dem Lenkinstrument 10 translatorisch relativ zu Gewindespindel 6 versetzt wird. Somit kann mit nur einem elektrischen Motor 4 eine elektrisch längenverstellbare Bedieneinheit 1 mit einem Force-Feedback-Aktor realisiert werden.
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Zur Überführung des Kugelgewindetriebs 8 in den ersten und den zweiten Betriebszustand 12,13 besitzt das Blockadeelement 11 einen elektrisch schaltbaren Hubmagneten 15, welcher in einer ersten Schaltstellung den Kugelgewindetrieb 8 in seinen ersten Betriebszustand 12 und in einer zweiten Schaltstellung den Kugelgewindetrieb 8 in seinen zweiten Betriebszustand 13 überführt. Der Hubmagnet 15 umfasst einen translatorisch versetzbaren Anker 25, welcher mittels eines Federelements 26 entgegen seiner Ausrückrichtung federkraftbeaufschlagt ist und an dessen erstem distalen Ende der erste Blockadekeil 20 und an dessen zweitem distalen Ende der zweite Blockadekeil 22 gekoppelt ist. Hierzu weist der Anker 25 an seinem dem Blockadekeil 22 zugewandten Ende ein keilartiges Koppelelement 28 mit einer in axialer Richtung zum zweiten Lenkwellenlager 19 hin ansteigenden Rampe auf, welcher ein einer korrespondierend ausgeformten Rampe des Blockadekeils 20 anliegt, was gut aus der Detailansicht der 3 ersichtlich wird. Das Koppelelement 28 ist in einem Führungselement 29 translatorisch versetzbar geführt.
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Anhand der 2 wird ferner ersichtlich, dass durch die mechanische Kopplung des ersten Blockadekeils 20 und des zweiten Blockadekeils 22 über den Anker 25 des Hubmagneten 15, sich stets nur einer der beiden Blockadekeile 20,22 im Eingriff mit den Kugeln 9 bzw. den Lagerwälzkörpern 24 befindet.
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In seiner „normally closed“ Position drückt das Federelement 26 den Anker 25 in Richtung des zweiten Lenkwellenlagers 19 und über die Keilwirkung schiebt sich der erste Blockadekeil 20 in den Kugelrücklauf der Gewindespindel 6 und blockiert bzw. arretiert diesen. Somit ist die relative Verdrehung zwischen der Gewindespindel 6 und der Spindelmutter 7 bzw. der Hohlwelle 14 blockiert bzw. arretiert und die normale Lenkachs-Funktion zwischen dem Lenkinstrument 10 und dem als Force-Feedback-Aktor fungierenden elektrischen Motor 4 ist für einen normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 2 gegeben. Diese Funktion ist durch die Federkraft selbst dann gegeben, wenn der Hubmagnet 15, beispielsweise durch einen Stromausfall, nicht schaltbar sein sollte.
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Wird der Hubmagnet 15 elektrisch angesteuert, bewegt sich der Anker 25 aus dem in der 2 gezeigten Betriebszustand 13 gegen die Federkraft des Federelements 26 nach links und der erste Blockadekeil 20 wird aus der Bewegungsbahn 21 der Kugeln 9 entfernt. Auf der dem ersten Lenkwellenlager 18 zugewandten Ende des Ankers 25 wird ein dann der zweite Blockadekeil 22 zwischen die Lagerwälzkörper 24 im ersten Lenkwellenlager 18 geschoben und blockiert dies. Da der Rücklauf im Kugelgewindetrieb 8 gleichzeitig freigegeben wird, lässt sich die Hohlwelle 14 nicht mehr verdrehen. Bei Rotation der Gewindespindel 6 durch den Motor 4 bewirkt der Kugelgewindetrieb 8 in diesem Betriebszustand eine axiale Verschiebung zwischen der Gewindespindel 6 und der Spindelmutter 7 bzw. der Hohlwelle 14 und somit der gesamten Lenksäule.
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Bei Beendigung der Lenkradverstellung wird der Hubmagnetmagnet 15 gelöst und über das Federelement 26 schnappt der erste Blockadekeil 20 wieder zurück in seine Ausgangslage und blockiert den Kugelgewindetrieb 8.
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Die Spindelmutter 7 ist drehbar innerhalb eines inneren Führungsschlittens 16 aufgenommen, welcher translatorisch versetzbar aber drehfest gegenüber einem äußeren Führungsschlitten 17 gelagert ist. Die Spindelmutter 7 ist in der gezeigten Ausführungsform über ein erstes als Wälzlager ausgebildetes Lenkwellenlager 18 und über ein dazu axial beabstandetes zweites als Wälzlager ausgebildetes Lenkwellenlager 19 drehbar gegenüber dem inneren Führungsschlitten 16 gelagert.
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Das Blockadeelement 11 weist ferner einen translatorisch versetzbaren ersten Blockadekeil 20 auf, welcher in dem zweiten Betriebszustand 13 des Kugelgewindetriebs 8 in eine Bewegungsbahn 21 der Kugeln 9 an der Spindelmutter 7 so eingreift, dass ein Wälzen der Kugeln 9 entlang der Bewegungsbahn 21 durch einen Formschluss zwischen den Kugeln 9 und dem ersten Blockadekeil 20 verhindert ist. In dem ersten Betriebszustand 12 des Kugelgewindetriebs 8 greift dann entsprechend der erste Blockadekeil 20 nicht in die Bewegungsbahn 21 der Kugeln 9 an der Spindelmutter 7 ein, so dass ein Wälzen der Kugeln 9 entlang der Bewegungsbahn 21 ermöglicht ist.
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Was insbesondere der 4 gut entnommen werden kann ist, dass das Blockadeelement 11 einen translatorisch versetzbaren zweiten Blockadekeil 22 aufweist, welcher in dem ersten Betriebszustand 12 des Kugelgewindetriebs 8 in eine Bewegungsbahn 23 der Lagerwälzkörper 24 des ersten Lenkwellenlagers 18 und/oder des zweiten Lenkwellenlagers 19 eingreift und in dem zweiten Betriebszustand 13 des Kugelgewindetriebs 8 nicht in die Bewegungsbahn 23 der Lagerwälzkörper 24 eingreift. Hierzu wird der zweite Blockadekeil 22 in einem Führungselement 30 axial translatorisch geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bedieneinheit
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Steer-By-Wire-System
- 4
- Motor
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Gewindespindel
- 7
- Spindelmutter
- 8
- Kugelgewindetrieb
- 9
- Kugeln
- 10
- Lenkinstrument
- 11
- Blockadeelement
- 12
- Betriebszustand
- 13
- Betriebszustand
- 14
- Hohlwelle
- 15
- Hubmagnet
- 16
- Führungsschlitten
- 17
- Führungsschlitten
- 18
- Lenkwellenlager
- 19
- Lenkwellenlager
- 20
- Blockadekeil
- 21
- Bewegungsbahn
- 22
- Blockadekeil
- 23
- Bewegungsbahn
- 24
- Lagerwälzkörper
- 25
- Anker
- 26
- Federelement
- 27
- Ende
- 28
- Koppelelement
- 29
- Führungselement
- 30
- Führungselement
