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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lenksystem der by-wire-Bauart ohne
mechanischem Durchtrieb zwischen einem Lenkrad (allgemein: einer Lenkhandhabe)
des Fahrers und einem eine vom Fahrer über das Lenkrad
vorgegebene Lenkbewegung zumindest eines lenkbaren Fahrzeug-Rades
initiierenden Lenk-Getriebe, dem ein mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe
von einer elektronischen Steuereinheit angesteuerter Aktuator direkt
oder indirekt vorgeschaltet ist, mit einer hydraulischen Rückfallebene,
die eine an das Lenkrad gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit
in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit sowie eine an das genannte
Lenk-Getriebe gekoppelte oder dasselbe bildende Hydraulik-Stelleinheit
aufweist, wobei die Hydraulik-Fördereinheit und die Hydraulik-Stelleinheit über
zwei Hydraulikleitungen derart miteinander verbindbar sind, dass
bei nicht funktionsfähigem Aktuator ein mit dem Lenkrad vorgegebener
Lenkrad-Drehwinkel über die Hydraulik-Fördereinheit
und die Hydraulik-Stelleinheit in einen entsprechenden Rad-Lenkwinkel
umgesetzt wird, wobei diese beiden genannten Hydraulikleitungen
zwischen der Hydraulik-Fördereinheit und der Hydraulik-Stelleinheit über
ein schaltbares sog. Lenkventil miteinander verbindbar sind. Zum
bekannten Stand der Technik wird neben der
DE 198 01 393 C1 und der
EP 1 213 205 B1 insbesondere
auf die
DE 198 38
490 A1 verwiesen.
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Die
sog. Steer-by-Wire-Systeme, bei denen der vom Fahrer eines Fahrzeugs
am Lenkrad oder dergleichen (anstelle eines Lenkrads kann auch ein sog.
Sidestick oder anderes als Lenkhandhabe vorgesehen sein – im
weiteren wird der Einfachheit halber nur vom Lenkrad gesprochen)
eingestellte Lenkwunsch den lenkbaren Fahrzeugrädern nicht
auf direktem mechanischen Wege, nämlich wie bei den heute üblichen
Fahrzeugen über die sog. Lenksäule oder Lenkspindel
sowie ein daran gekoppeltes Lenkgetriebe (bspw. Zahnstangenlenkgetriebe) übermittelt
wird, sondern auf elektrischem oder hydraulischem Weg, sind hinsichtlich
der Anord nungsmöglichkeiten für die Systembestandteile
im Fahrzeug vorteilhaft. Da jedoch der genannte Aktuator, der angesteuert
von Signalen der Lenkradvorgabe die lenkbaren Räder verschwenkt,
ausfallen kann, ist eine sog. Rückfallebene vorzusehen,
welche im Hinblick auf eine erwünschte Bauraum-Flexibilität
zumeist hydraulisch ausgebildet ist und die im Oberbegriff des Anspruchs
1 hierzu aufgelisteten Merkmale, nämlich eine an das Lenkrad
gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit sowie eine an das genannte
Lenk-Getriebe gekoppelte Hydraulik-Stelleinheit sowie einen diese beiden
Einheiten hydraulisch miteinander verbindenden Hydraulikkreis aufweist.
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Zumeist
ist bei Steer-by-Wire-Systemen ein sog. Lenkmoment-Simulator in
Form eines geeignet angesteuerten Elektromotors vorgesehen, mit
Hilfe dessen an das Lenkrad ein dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment
entgegen gerichtetes Moment angelegt werden kann, um dem Fahrer
ein übliches Lenkgefühl und somit quasi einen
haptischen Kontakt zur Fahrbahn zu vermitteln. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, die hydraulische Rückfallebene als
Lenkmoment-Simulator heranzuziehen, wie in einer nicht vorveröffentlichten
internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
PCT/EP2009/002408 beschrieben
ist.
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Wie
das für den Fahrer an seinem Lenkrad spürbare
Lenkmoment, welches auch als Handmoment bezeichnet wird, an einem
Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einfacher Weise zumindest
beim Anlenken, d. h. bei einer Betätigung des Lenkrads
aus einer zuvor gehaltenen Position heraus, so gestaltet werden
kann, wie dies der Fahrer von den heute noch üblichen Lenksystemen
mit mechanischem Durchtrieb gewohnt ist, soll hiermit aufgezeigt
werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Die
Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass
in oder an der als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit eine
Kraftspeicherelement-Anordnung vorgesehen ist, die den Kolben der
Hydraulik-Fördereinheit gegenüber deren Zylinder
in einer Mittelstellung zu halten trachtet. Vorzugsweise besteht
die Kraftspeicherelement-Anordnung aus zwei gegeneinander wirkenden
Federelementen und/oder es kann der Kolben der Hydraulik-Fördereinheit über
einen Spindeltrieb mit dem Lenkrad verbunden sein.
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Es
hat sich gezeigt, dass sich bei Verwendung eines einfachen hydraulischen
Geberzylinders bzw. einer sog. Gleichgang-Zylinder-Kolbeneinheit für
die besagte mit dem Lenkrad mechanisch gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit
jedenfalls dann, wenn kein eigenständiger Lenkmoment-Simulator
in Form eines geeignet angesteuerten Elektromotors wirkt, zu Beginn
eines Lenkvorganges, also beim sog. Anlenken, für den Fahrer
des Fahrzeugs ein ungewohntes Lenkgefühl einstellt, dahingehend,
dass dieses Anlenken zu leichtgängig erfolgt. Dieses Problem
wird nun dadurch behoben, dass einer Anlenk-Bewegung (des Lenkrads)
eine weitere Kraft entgegen gesetzt wird, die durch eine geeignete
Anordnung eines oder mehrerer Kraftspeicherelemente(s) erzeugt wird. Vorzugsweise
sind hierfür zwei gegeneinander wirkende gleichartige Federelemente
vorgesehen, die einer Bewegung des aus einer Mittellage in zwei
einander entgegen gerichtete Richtungen verlagerbaren Kolbens zusätzlich
zum durch die hierbei erfolgende Verdrängung von Hydraulikmedium
eine zusätzliche Kraft entgegen setzen, wobei ausdrücklich
erwähnt sei, dass hiermit sowohl beim Anlenken aus der
Mittenlage des Lenkrads heraus, als auch beim Anlenken aus einer
beliebigen zuvor gehaltenen Lenkrad-Position heraus ein verbessertes
Lenkgefühl erzeugt werden kann.
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Die
beigefügte Prinzipdarstellung zeigt ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Es
trägt ein vom Fahrer des Fahrzeugs zu betätigendes
Lenkrad die Bezugsziffer 1. In die mit diesem verdrehfest
verbundene Lenksäule 2 ist ein Drehwinkelsensor 3 integriert,
mit dem der vom Fahrer mit seinem Lenkrad 1 vorgegebene
Lenkwinkel erfasst werden kann. Zusätzlich kann in der
Lenksäule 2 ein Drehmomentsensor vorgesehen sein,
mit dem das vom Fahrer am Lenkrad 1 vorgegebene Lenkmoment
bzw. Handmoment erfasst werden kann. Weiterhin ist in der Lenksäule 2 ggf.
unter Zwischenschaltung eines hier nicht dargestellten Untersetzungsgetriebes
bspw. in Form eines Planetengetriebes ein auf die Lenksäule 2 einwirkender
Lenkmoment-Simulator 16 vorgesehen. Schließlich
folgt am dem Lenkrad 1 gegenüberliegenden Ende
der Lenksäule 2 eine Hydraulik-Fördereinheit 7 in
Form einer Zylinder-Kolben-Einheit, die bzw. deren Kolben 7a mit
einer Drehbewegung des Lenkrads 1 unter Zwischenschaltung
eines geeigneten Getriebes – vorliegend handelt es sich
um einen Spindeltrieb 21 – je nach Drehrichtung
des Lenkrads 1 ein Hydraulikmedium aus dem Zylinder 7b der
Hydraulik-Fördereinheit 7 in einem sog. lenkradseitigen
Teil 8a eines Hydraulikkreises 8 nach der einen
oder anderen Seite fördert, d. h. in eine der beiden mit
den Bezugsziffern 5, 6 gekennzeichnete Hydraulik-Leitungen,
die über eine sog. Kurzschluss-Leitung 23, in
welcher ein sog. Lenkventil 15 vorgesehen ist, in Abhängigkeit
von dessen Schaltposition direkt hydraulisch miteinander verbunden
werden können.
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Die
beiden lenkbaren Räder 20 (= Vorderräder)
des zweispurigen Fahrzeugs sind in grundsätzlich bekannter
Weise über Spurhebel und Spurstangen 18 verschwenkbar
und somit lenkbar, wobei diese Spurstangen 18 an die beiden
Enden eines quer zur Fahrzeuglängsrichtung verlagerbaren
Getriebeelements 14 in Form einer Stange eines Lenk-Getriebes 19 angelenkt
sind. Dieses Lenk-Getriebe 19 ist nach Art eines dem Fachmann
bekannten Zahnstangen-Lenkgetriebes ausgebildet, dessen beidseitig verlängerte
Zahnstange das genannte Getriebeelement 14 des Lenk-Getriebes 19 bildet
und welche(s) über ein endloses Zugmittelgetriebe 10 mit
nachgeschaltetem Kugelgewindetrieb („KGT”) von
einem Elektromotor 9 seitlich verlagert werden kann. Dabei bildet
dieser Elektromotor 9 zusammen mit dem Zugmittelgetriebe 10 einen
sog. Aktuator, für welchen im weiteren ebenfalls die Bezugsziffer 9 verwendet
wird. Dieser Aktuator 9 kann mit geeigneter Ansteuerung durch
eine elektronische Steuereinheit 17, welche unter anderem
die Signale des mit dem Lenkrad 1 verbundenen Drehwinkelsensors 3,
welche eine Lenkvorgabe des Fahrers wiedergeben, berücksichtigt,
die entsprechende Verlagerung des Getriebeelements 14 und
somit eine gewünschte Lenk- oder Verschwenkbewegung der
Räder 20 hervorrufen. Hierbei kann der elektronischen
Steuereinheit 17 über die Auswertung eines Rotorpositions-Sensors
des Aktuators 9 oder mit Hilfe eines nicht gezeigten Wegsensors
die Position des genannten Getriebeelements 14 des Lenk-Getriebes 19 übermittelt
werden. Solange die lenkbaren Räder 20 alleine
durch den Aktuator 9 entsprechend einer Lenk-Vorgabe am
Lenkrad 1 verstellt werden, wird durch den bereits genannten Lenkmoment-Simulator 16 ein
entsprechendes Lenkmoment oder Handmoment an das Lenkrad 1 angelegt,
welches dem Fahrer ein bei üblichen Lenksystemen mit mechanischem
Durchtrieb entsprechendes Lenkgefühl vermittelt.
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Das
genannte Getriebeelement 14 des Lenk-Getriebes 19 ist
weiterhin Bestandteil einer Kolben-Zylinder-Einheit, die als sog.
Hydraulik-Stelleinheit 13 fungiert, wobei das Getriebeelement 14 die beidseitig
verlängerte Kolbenstange des Kolbens 13a dieser
Hydraulik-Stelleinheit 13 bildet. Beidseitig des Kolbens 13a mündet
im Innenraum des Zylinders 13b dieser Hydraulik-Stelleinheit 13 jeweils
eine der beiden genannten Hydraulikleitungen 5, 6.
Dabei wird ein sog. lenkgetriebeseitiger Teil 8b des genannten
Hydraulikkreises 8 durch diese in der Hydraulik-Stelleinheit 13 mündenden
Abschnitte der Hydraulikleitungen 5, 6 sowie die
genannte Kurzschluss Leitung 23 mit dem Lenkventil 15 gebildet.
Dieses genannte Lenkventil 15 kann entweder als einfaches Auf-Zu-Ventil
oder als sog. Stetigventil ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall
kann dieses Lenkventil 15 die Kurzschluss-Leitung 23 entweder
vollständig absperren oder teilweise oder vollständig
freigeben.
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Nimmt
das Lenkventil 15 die figürlich dargestellte Position
ein, so ist die Kurzschluss-Leitung 23 vollständig
geöffnet und es wird beim Betätigen des Lenkrads 1 das
vom Kolben 7a der Hydraulik-Fördereinheit 7 verdrängte
Hydraulikmedium einfach im lenkradseitigen Teil 8a des
Hydraulikkreises 8 zur anderen Seite des Zylinders 7b dieser
Hydraulik-Fördereinheit 7 umgewälzt.
Das für den Fahrer spürbare Handmoment wird hierbei
insbesondere vom Lenkmoment-Simulator 16 bereit gestellt.
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Bei
einem Ausfall des Aktuators 9 muss eine sog. Rückfallebene
aktiv geschaltet werden, welche durch die Hydraulik-Fördereinheit 7 und
die Hydraulik-Stelleinheit 13 sowie den diese beiden Einheiten miteinander
verbindenden Hydraulikkreis 8 in Form der beiden Hydraulik-Leitungen 5, 6 gebildet
wird, indem das Lenkventil 15 in eine die Kurzschlussleitung 23 vollständig
oder im wesentlichen vollständig absperrende Position gebracht
wird. Dann gelangt beim Verdrehen des Lenkrads 1 Hydraulikmedium,
welches beispielsweise in die bzw. der Hydraulikleitung 5 von
der Hydraulik Fördereinheit 7 in Richtung der Hydraulik-Stelleinheit 13 verdrängt
wird, vollständig in den Zylinder 13b dieser Hydraulik-Stelleinheit 13, und
zwar in der Figurendarstellung linksseitig von deren Kolben 13a.
Wird also durch Verdrehen des Lenkrads 1 der Kolben 7a der
Hydraulik-Fördereinheit 7 in der Figurendarstellung
nach unten bewegt, so bewirkt das hierdurch aus der unterhalb des
Kolbens 7a liegenden Arbeitskammer des Zylinders 7b der
Hydraulik-Fördereinheit 7 in die Hydraulikleitung 5 verdrängte
Hydraulikmedium über die Hydraulik-Stelleinheit 13 ein
Verschwenken der Räder 20 im durch den Pfeil 24 dargestellten
Sinn, wobei ein bestimmter Lenkrad-Drehwinkel am Lenkrad 1 einem bestimmten
Rad-Lenkwinkel entspricht. Dabei wird aus der in der Figur rechtsseitig
des Kolbens 13a liegenden Kammer des Zylinders 13b Hydraulikmedium über
die Hydraulikleitung 6 in die Hydraulik-Fördereinheit 7 (zurück)
verdrängt, und zwar in die in der Figur oberhalb von deren
Kolben 7a liegende Arbeitskammer des Zylinders 7b.
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Da
bei einem Ausfall des Aktuators 9, insbesondere falls dieser
bspw. aufgrund fehlerhafter Sensorsignale oder dgl. von der elektronischen
Steuereinheit 17 nicht geeignet angesteuert werden kann, auch
der Lenkmoment-Simulator 16 nicht mehr geeignet angesteuert
werden kann, kann dann durch diesen Lenkmoment-Simulator 16 auch
kein sinnvolles für den Fahrer am Lenkrad 1 spürbares
Handmoment gestellt werden. Jedoch wird bei aktivierter Rückfallebene
dem Fahrer am Lenkrad 1 durch die Hydraulik-Fördereinheit 7 ein
Gegenmoment vermittelt, welches jedenfalls bei größeren
Verdrehbewegungen des Lenkrads 1 bei geeigneter Auswahl
der hydraulischen Übersetzungsverhältnisse im
Hydraulikkreis 8 durchaus dem Handmoment eines üblichen Lenksystems
vergleichbar sein kann. Für das sog. Anlenken hingegen,
d. h. für den Beginn einer Verdrehbewegung des Lenkrads 1 kann
die Hydraulik-Fördereinheit 7 alleine kein geeignetes
bzw. ausreichendes Gegenmoment an das Lenkrad 1 anlegen.
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Als
Abhilfemaßnahme für dieses Problem ist in oder
an der als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit 7 eine
Kraftspeicherelement-Anordnung 22 vorgesehen ist, die den
Kolben 7a der Hydraulik-Fördereinheit 7 gegenüber
deren Zylinder 7b in einer Mittelstellung zu halten trachtet. Vorzugsweise
besteht die Kraftspeicherelement-Anordnung 22 aus zwei
gegeneinander wirkenden Federelementen 22a, 22b in
Form von Schrauben-Druckfedern, die vorliegend in den beidseitig
des Kolbens 7a liegenden Zylinderräumen des Zylinders 7b zwischen
dem Kolben 7a und der jeweiligen Zylinder-Endwand eingespannt
sind. Selbstverständlich sind jedoch auch andere geeignete
Anordnungen eines oder mehrerer Kraftspeicherelemente(s) möglich,
mit Hilfe derer der gewünschte Effekt erzielt wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass mittels einer solchen Kraftspeicherelement-Anordnung 22 nicht nur
bei aktivierter Rückfallebene, sondern auch bei korrektem Betrieb
des Aktuators 9 ein besseres Lenkgefühl am Lenkrad 1 bzw.
ein verbesserter zeitlicher Verlauf des Handmoments insbesondere
beim Anlenken erzielt werden kann. Insbesondere gilt dies auch dann,
wenn kein eigenständiger Lenkmoment-Simulator 16 vorgesehen
ist, sondern wenn das Lenkmoment bzw. Handmoment am Lenkrad 1 durch
die hydraulische Rückfallebene selbst erzeugt wird, was
bei geeignet betriebenem Aktuator durch zumindest teilweises Öffnen
des Lenkventils 15 erzielt werden kann. Ferner ist eine
solche Kraftspeicherelement-Anordnung 22 auch hilfreich,
wenn im Reparatur- oder Wartungsfall beispielsweise der Hydraulikkreis 8 geleert
wird, da dann das Lenkrad 1 durch diese Kraftspeicherelement-Anordnung 22 in seiner
Mittenstellung oder Nulllage gehalten wird, so dass die dem Fachmann
bekannte am Lenkrad vorgesehene Wickelfeder zur Übertragung
elektrischer Signale vor einer Überbeanspruchung geschützt
ist, wobei weiterhin darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine
Vielzahl von Details abweichend von obigen Ausführungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19801393
C1 [0001]
- - EP 1213205 B1 [0001]
- - DE 19838490 A1 [0001]
- - EP 2009/002408 [0003]