DE10259217B4

DE10259217B4 - Lenkanlage mit Verriegelungsmechanismus

Info

Publication number: DE10259217B4
Application number: DE10259217A
Authority: DE
Inventors: Frank Southfield Geyer; Maged Canton Radamis
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: US20030111290A1; GB0226657D0; US6637541B2; GB2383021B; FR2835229A1; GB2383021A; DE10259217A1

Abstract

Lenkanlage (100, 410) mit
– einem Gehäuse (110) mit einem ersten Ende (111) und einem zweiten Ende (112);
– einem ersten Lenkungsmotor (120) und ein zweiter Lenkungsmotor (130), die kraftschlüssig mit dem Gehäuse (110) verbunden sind;
– einem ersten Zahnradsatz, der kraftschlüssig mit dem ersten Lenkungsmotor (120) verbunden ist und kraftschlüssig mit einer ersten Spindelvorrichtung (140) verbunden ist;
– einem zweiten Zahnradsatz, der kraftschlüssig mit dem zweiten Lenkungsmotor (130) verbunden ist und kraftschlüssig mit einer zweiten Spindelvorrichtung (150) verbunden ist;
– einer ersten Zahnstange (160), die kraftschlüssig mit dem ersten Zahnradsatz verbunden ist und verschiebbar mit dem ersten Ende (111) des Gehäuses (110) verbunden ist;
– einer zweiten Zahnstange (170, 440), die kraftschlüssig mit dem zweiten Zahnradsatz verbunden ist und verschiebbar mit dem zweiten Ende (112) des Gehäuses (110) verbunden ist;
– einem Differential (180), das kraftschlüssig mit dem Gehäuse (110) verbunden ist...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lenkanlagen für Kraftfahrzeuge. Detaillierter ausgedrückt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lenkanlagen, die linear unabhängige Aktuatoren mit einem Verriegelungsmechanismus aufweisen.
Bei herkömmlichen mechanisch verbundenen Lenkanlagen wird eine einzige Zahnstange zur Lenkung der beiden lenkbaren Räder verwendet. Wenn ein Fahrer ein Lenkrad dreht, wird durch mechanische Verbindungen zwischen dem Lenkrad und der Zahnstange sowie zwischen der Zahnstange und den einzelnen lenkbaren Rädern eine gemeinsame Drehung der lenkbaren Räder bewirkt.
Es ist unter bestimmten Umständen jedoch wünschenswert, dass sich die einzelnen Räder eines Paares lenkbarer Räder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln drehen. Durch die Entwicklung von Steer-by-Wire-Systemen wird dieses Ziel erreicht, indem für jedes lenkbare Rad eines Fahrzeugs ein Lenkungsmotor eingesetzt wird, durch den jedes lenkbare Rad mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln gedreht werden kann. Darüber hinaus werden bei Einsatz von Steer-by-Wire-Systemen we der zwischen dem vom Fahrer bedienten Lenkrad und den lenkbaren Rädern noch zwischen den lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs mechanische Verbindungen benötigt. Durch diese Modifikationen werden die Kosten und das Gewicht des Fahrzeugs verringert.
Diese Systeme bieten jedoch keine Funktion zur Gewährleistung der Ausfallsicherheit. Eine solche Funktion wird zum Beispiel in Situationen benötigt, in denen ein Lenkungsmotor ausfällt. Diese Situation kann ein Sicherheitsrisiko darstellen, da das von dem ausgefallenen Lenkungsmotor gelenkte Rad blockiert bzw. nicht mehr lenkbar ist. Es wurden Anstrengungen unternommen, durch Integrieren einer mechanischen Verbindung zwischen den lenkbaren Räder eine zusätzliche Sicherheitsfunktion bereitzustellen. Wenn zum Beispiel ein Lenkungsmotor ausfällt, ermöglicht diese zusätzliche Sicherheitsfunktion die Lenkung beider lenkbarer Räder mit dem betriebsbereiten Motor. Mechanische Verbindungen dieses Typs sind allerdings nicht unproblematisch.
Eines der hierbei auftretenden Probleme liegt darin, dass nur wenig Spiel zwischen den Elementen der mechanischen Verbindungen und den verbundenen lenkbaren Rädern besteht, so dass nur eine eingeschränkte relative Bewegung zwischen den lenkbaren Rädern möglich ist. Darüber hinaus besteht bei herkömmlichen mechanischen Verbindungen dieses Typs eine permanente mechanische Verbindung zwischen den lenkbaren Rädern. In dieser Konfiguration können die mechanischen Verbindungen die separate Lenkung der einzelnen lenkbaren Räder einschränken oder unmöglich machen.
Es wurden auch Systeme entwickelt, bei denen relativ viel Spiel zwischen den Elementen der mechanischen Verbindungen und den verbundenen lenkbaren Rädern besteht. Wenn in Systemen dieses Typs ein Lenkungsmotor ausfällt, führt das große Spiel der mechanischen Verbindungen zu Tot gang zwischen dem lenkbaren Rad mit dem betriebsbereiten Motor und dem lenkbaren Rad mit dem ausgefallenen Lenkungsmotor. In diesen mechanischen Verbindungssystemen mit Totgang reagiert das mechanisch verbundene lenkbare Rad mit dem ausgefallenen Lenkungsmotor nicht gemeinsam mit dem lenkbaren Rad mit dem betriebsbereiten Motor. Diese Situation kann zu einem für den Fahrer ungünstigen und unsicheren Fahrzustand führen, da die Lenkradbewegungen unter Umständen nicht das erwartete Verhalten der lenkbaren Räder bewirken.

Ein Lösungsansatz für die oben genannten Probleme findet sich in der WO 01/72571 A2. Diese offenbart eine Lenkanlage mit einem Gehäuse; zwei Lenkungsmotoren, die kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sind; zwei Zahnradsätzen, die jeweils kraftschlüssig mit einem Lenkungsmotoren und einer Spindelvorrichtung verbunden sind; zwei Zahnstangen, die jeweils kraftschlüssig mit einem der Zahnradsätze und verschiebbar mit jeweils einem Ende des Gehäuses verbunden sind; einem Differential, das kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist und dazu geeignet ist, den ersten Lenkungsmotor und den zweiten Lenkungsmotor selektiv mechanisch miteinander zu verbinden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird; und wobei die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit derart einsetzbar ist, dass die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange bewegbar ist, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange besteht. Trotz aller Vorteile ist auch diese Ausführungsvariante hinsichtlich der Freiheitsgrade der einzelnen zu lenkenden Räder beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenkanlage zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Lenkanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Die Anlage umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, ein erster Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden, und ein zweiter Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden. Ein erster Zahnradsatz ist funktionsmäßig mit dem ersten Lenkungsmotor verbunden, und ein zweiter Zahnradsatz ist funktionsmäßig mit dem zweiten Lenkungsmotor verbunden. Eine erste Spindelvorrichtung ist funktionsmäßig mit dem ersten Zahnradsatz verbunden, und eine zweite Spindelvorrichtung ist funktionsmäßig mit dem zweiten Zahnradsatz verbunden. Eine erste Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem ersten Zahnradsatz verbunden und verschiebbar mit dem ersten Ende des Gehäuses verbunden. Eine zweite Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem zweiten Zahnradsatz verbunden und verschiebbar mit dem zweiten Ende des Gehäuses verbunden. Die Anlage umfasst darüber hinaus ein funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbundenes Differential, über das der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor mechanisch miteinander verbunden werden können.

Wenn der erste Lenkungsmotor über ein Differential mit dem zweiten Lenkungsmotor verbunden ist, wird eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet, und diese mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit kann die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange bewegen, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange besteht.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Lenkung eines Fahrzeugs. Dieses Verfahren umfasst die Bereitstellung einer Lenkanlage, die ein Gehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist. Ein erster Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden. Eine erste Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem ersten Lenkungsmotor verbunden und verschiebbar mit dem ersten Ende des Gehäuses verbunden. Ein zweiter Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden. Eine zweite Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem zweiten Lenkungsmotor verbunden und verschiebbar mit dem zweiten Ende des Gehäuses verbunden. Ein Differential ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden, über das der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor selektiv mechanisch miteinander verbunden werden können.

Wenn ein Ausfall des ersten Lenkungsmotors oder des zweiten Lenkungsmotors ermittelt wird, werden der betriebsbereite Lenkungsmotor und der ausgefallene Lenkungsmotor über das Differential miteinander verbunden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird. Die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit wird eingesetzt, um die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange zu bewegen, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange besteht. Da nur ein minimaler Totgang besteht, kann ein Fahrer bei einem Ausfall des ersten Lenkungsmotors oder des zweiten Lenkungsmotors die Kontrolle über die Lenkung behalten.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Drehmomentverteilung für eine Lenkanlage. Die Anlage umfasst ein Gehäuse mit einem kurvenäußeren Ende und einem kurveninneren Ende. Ein kurvenäußerer Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden. Eine kurvenäußere Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem kurvenäußeren Lenkungsmotor verbunden, und die kurvenäußere Zahnstange ist verschiebbar mit dem kurvenäußeren Ende des Gehäuses verbunden. Ein kurveninnerer Lenkungsmotor ist funktionsmäßig mit dem Gehäuse verbunden. Eine kurveninnere Zahnstange ist funktionsmäßig mit dem kurveninneren Lenkungsmotor verbunden, und die kurveninnere Zahnstange ist verschiebbar mit dem kurveninneren Ende des Gehäuses verbunden. Ein Differential, das dazu geeignet ist, den ersten Lenkungsmotor und den zweiten Lenkungsmotor selektiv mechanisch miteinander zu verbinden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird, wird ebenfalls bereitgestellt.

Das Verfahren umfasst die Ermittlung einer kurvenäußeren Lenklast an der kurvenäußeren Zahnstange und die Ermittlung einer kurveninneren Lenklast an der kurveninneren Zahnstange. Die Lenklasten an der kurvenäußeren Zahnstange und an der kurveninneren Zahnstange werden miteinander verglichen, um zu ermitteln, ob die kurvenäußere Zahnstange eine höhere Lenklast aufweist als die kurveninnere Zahnstange. Wenn ermittelt wird, dass die kurvenäußere Zahnstange eine höhere Lenklast aufweist als die kurveninnere Zahnstange, wird die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast mit einem gegebenen Schwellenwert verglichen. Wenn ermittelt wird, dass die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast größer als ein gegebener Schwellenwert ist, werden der kurvenäußere Lenkungsmotor und der kurveninnere Lenkungsmotor über das Differential mechanisch miteinander verbunden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird, die zusätzliches Drehmoment auf die kurvenäußere Zahnstange überträgt.

Wenn ermittelt wird, dass die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast unter den gegebenen Schwellenwert gesunken ist, wird die über das Differential hergestellte Verbindung zwischen dem kurvenäußeren Lenkungsmotor und dem kurveninneren Lenkungsmotor getrennt. Das vom kurvenäußeren Lenkungsmotor erzeugte Drehmoment wird dann auf die kurvenäußere Zahnstange übertragen, und das vom kurveninneren Lenkungsmotor erzeugte Drehmoment wird auf die kurveninnere Zahnstange übertragen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Lenkanlage. Das Verfahren umfasst die Ermittlung einer Situation, in der ein Fahrer eine schnelle Abbremsung wünscht. Wenn der Wunsch des Fahrers nach einer schnellen Abbremsung ermittelt wird, werden die erste Zahnstange und die zweite Zahnstange über das Differential mechanisch miteinander verbunden. Die verbundene Lenkungsmotoreinheit bewegt die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange in einer Weise, dass das erste lenkbare Rad und das zweite lenkbare Rad eine starke Vorspur aufweisen, wodurch das Abbremsen des Fahrzeugs beschleunigt wird.

Wenn der Wunsch des Fahrers nach der Wiederherstellung eines normalen Fahrzustands ermittelt wird, wird die mechanische Verbindung zwischen der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange getrennt. Der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor werden dann so bewegt, dass die starke Vorspur zwischen dem ersten lenkbaren Rad und dem zweiten lenk baren Rad beseitigt wird, wodurch das erste lenkbare Rad und das zweite lenkbare Rad wieder in die normale Fahrstellung wechseln.

Weitere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind für einen Fachmann anhand der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibungen ersichtlich. Alle zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile sind in dieser Beschreibung eingeschlossen, liegen im Umfang der Erfindung und sind durch die Patentansprüche geschützt.

1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer Lenkanlage der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Draufsicht eines Planetenradsatzes innerhalb eines Kugelmutterbereichs einer inneren Kugelumlaufspindel gemäß der Implementierung in der Ausführungsform aus 1;
3 zeigt einen Querschnitt eines Planetenradsatzes innerhalb eines Kugelmutterbereichs einer inneren Kugelumlaufspindel gemäß der Implementierung in den Ausführungsformen aus 1 und 2;
4 zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Lenkung eines Fahrzeugs, das eine Lenkanlage mit einem Verriegelungsmechanismus aufweist;
5 zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Drehmomentverteilung für eine Lenkanlage, die einen Verriegelungsmechanismus aufweist; und
6 zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens, bei dem eine Lenkanlage, die einen Verriegelungsmechanismus aufweist, so betrieben wird, dass das Abbremsen des Fahrzeugs beschleunigt wird.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibungen weiter erläutert. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht unbedingt maßstabgerecht, da der Schwerpunkt auf der Dar stellung der Prinzipien der Erfindung liegt. Die einzelnen Teile sind in allen Figuren mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt einen Querschnitt einer Lenkanlage 100. Die Lenkanlage 100 weist vorzugsweise ein Gehäuse 110 mit einem ersten Ende 111 und einem zweiten Ende 112 auf. Das Gehäuse kann auch dann als Gehäuse eingesetzt werden, wenn es verschiedene zusätzliche Elemente enthält, zum Beispiel einen hohlen Innenbereich, Lager, Dichtungen, Sensoren und so weiter.
Ein erster Lenkungsmotor 120 und ein zweiter Lenkungsmotor 130 sind funktionsmäßig mit dem Gehäuse 110 verbunden. Beim ersten Lenkungsmotor 120 und dem zweiten Lenkungsmotor 130 kann es sich um Motoren eines beliebigen Typs handeln, die mit dem Gehäuse verbunden werden können und zum Antrieb eines Lenkanlagenelements geeignet sind, zum Beispiel um bürstenlose Motoren oder Linearmotoren. Vorzugsweise werden der erste Lenkungsmotor 120 und der zweite Lenkungsmotor 130 in einem Hohlbereich 113 des Gehäuses angebracht. Vorzugsweise werden der erste Lenkungsmotor 120 und der zweite Lenkungsmotor 130 so ausgerichtet und angebracht, dass die Mittellinie des ersten Lenkungsmotors 120 koaxial mit der Mittellinie des zweiten Lenkungsmotors 130 verläuft; es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Der erste Lenkungsmotor 120 und der zweite Lenkungsmotor 130 können über das Differential 180 synchronisiert werden, so dass sie eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit bilden.
Der Begriff „funktionsmäßig verbunden" umfasst verschiedene Verbindungskonfigurationen, einschließlich direkter mechanischer Verbindungen, indirekter mechanischer Verbindungen und dergleichen. Bei direkten mechanischen Verbindungen wird ein erstes Element mit einem zweiten Element verbunden. Bei indirekten mechanischen Verbindungen wird ein erstes Element mit Hilfe eines Zwischenelements mit einem zweiten Element verbun den. Bei indirekten mechanischen Verbindungen kann mehr als ein Zwischenelement verwendet werden, um ein erstes Element mit einem zweiten Element zu verbinden. Es können auch andere in der technischen Anwendung bekannte Verfahren eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist ein erster Zahnradsatz in einer ersten Spindelvorrichtung 140 enthalten und funktionsmäßig mit dem ersten Lenkungsmotor 120 verbunden. Beim ersten Zahnradsatz kann es sich um einen Zahnradsatz eines beliebigen Typs handeln, vorzugsweise um einen Planetenradsatz, der zur Leistungsübertragung vom ersten Lenkungsmotor 120 zu einem Lenkanlagenelement geeignet ist. Das Verhältnis zwischen den Raddurchmessern im ersten Zahnradsatz kann ausgewählt werden, so dass ein erster Lenkungsmotor 120, der eine bestimmte Motorleistung aufweist, das gewünschte Drehmoment auf die Lenkanlage 100 übertragt. Vorzugsweise wird der erste Zahnradsatz koaxial zum ersten Lenkungsmotor 120 angebracht, so dass das äußere Wellenende 121 des ersten Lenkungsmotors als Sonnenrad eines Planetenradsatzes eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Zahnradsatz funktionsmäßig mit einer ersten Spindelvorrichtung 140 verbunden und darin enthalten. Die erste Spindelvorrichtung 140 ist funktionsmäßig mit einer ersten Zahnstange 160 verbunden. Die erste Zahnstange 160 ist verschiebbar mit dem ersten Ende 111 des Gehäuses 110 verbunden. Bei der ersten Spindelvorrichtung 140 kann es sich um eine Spindelvorrichtung eines beliebigen Typs handeln, vorzugsweise um eine Kugelumlaufspindel mit Innengewinde, die zur Leistungsübertragung vom ersten Lenkungsmotor 120 zu einem Lenkanlagenelement geeignet ist. Vorzugsweise ist die erste Spindelvorrichtung 140 ein Kugelmutterbereich einer Kugelumlaufspindel und wird koaxial zum ersten Lenkungsmotor 120 angebracht. Die erste Zahnstange 160 wird vorzugsweise koaxial zur ersten Spindelvorrichtung 140 angebracht. Die erste Zahnstange 160 ist vorzugsweise ein Kugelwellenbereich einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde.
Eine Kugelumlaufspindel mit Innengewinde unterscheidet sich hinsichtlich mehrerer Aspekte von einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel. Bei einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel werden Gewindegänge in der Außenfläche einer Kugelwelle 160, 170 definiert, und die Kugelmutter 140, 150 bewegt sich über die Gewindegänge in der Außenfläche der Kugelwelle. Bei einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde werden die Gewindegänge in der Innenfläche der Kugelwelle definiert, und die Kugelmutter bewegt sich über die Gewindegänge in der Innenfläche der Kugelwelle. Es ist schwierig, eine Dichtung in einer Lenkanlage mit herkömmlichen Kugelumlaufspindeln zu bilden, da die Außenfläche der Kugelwelle aufgrund der dort verlaufenden Gewindegänge eine ungleichmäßige Oberfläche aufweist. Außerdem muss beim Einsatz herkömmlicher Kugelumlaufspindeln Material aus der Innenseite der Kugelwelle entfernt werden, so dass die Kugelwelle geschwächt wird.
Im Gegensatz hierzu kann die Kugelwelle 160, 170 einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde eine glatte Außenfläche aufweisen. Zwischen dieser glatten Außenfläche und dem Gehäuse 110 der Lenkanlage 100 kann problemlos eine Dichtung gebildet werden. Ein weiterer Vorteil der Kugelumlaufspindel mit Innengewinde besteht in ihrer höheren Stabilität. Bei Einsatz einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde ist die Kugelwelle 160, 170 teilweise stabiler, da die Kugelmutter 140, 150, die Zahnradsätze und die Lenkungsmotoren 120, 130 sich innerhalb der Kugelwelle 160, 170 befinden, so dass die Kugelwelle 160, 170 einen relativ großen Durchmesser und somit eine höhere Biegungsfestigkeit aufweist.
Vorzugsweise ist ein zweiter Zahnradsatz in einer zweiten Spindelvorrichtung 150 enthalten und funktionsmäßig mit dem zweiten Lenkungsmotor 130 verbunden. Beim zweiten Zahnradsatz kann es sich um einen Zahnradsatz eines beliebigen Typs handeln, vorzugsweise um einen Planetenradsatz, der zur Leistungsübertragung vom zweiten Lenkungsmotor 130 zu einem Lenkanlagenelement geeignet ist. Das Verhältnis zwischen den Raddurchmessern im zweiten Zahnradsatz kann ausgewählt werden, so dass ein zweiter Lenkungsmotor 130, der eine bestimmte Motorleistung aufweist, das gewünschte Drehmoment auf die Lenkanlage 100 übertragt. Vorzugsweise wird der zweite Zahnradsatz koaxial zum zweiten Lenkungsmotor 130 angebracht, so dass das äußere Wellenende 131 des zweiten Lenkungsmotors als Sonnenrad eines Planetenradsatzes eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise ist der zweite Zahnradsatz funktionsmäßig mit einer zweiten Spindelvorrichtung 150 verbunden und darin enthalten. Die zweite Spindelvorrichtung 150 ist funktionsmäßig mit einer zweiten Zahnstange 170 verbunden. Die zweite Zahnstange 170 ist verschiebbar mit dem zweiten Ende 112 des Gehäuses 110 verbunden. Bei der zweiten Spindelvorrichtung 150 kann es sich um eine Spindelvorrichtung eines beliebigen Typs handeln, vorzugsweise um eine Kugelumlaufspindel mit Innengewinde, die zur Leistungsübertragung vom zweiten Lenkungsmotor 130 zu einem Lenkanlagenelement geeignet ist. Vorzugsweise ist die zweite Spindelvorrichtung 150 ein Kugelmutterbereich einer Kugelumlaufspindel und wird koaxial zum zweiten Lenkungsmotor 130 angebracht. Die zweite Zahnstange 170 wird vorzugsweise koaxial zur zweiten Spindelvorrichtung 150 angebracht. Die zweite Zahnstange 170 ist vorzugsweise ein Kugelwellenbereich einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde.
Ein Differential 180 ist vorzugsweise funktionsmäßig mit dem Gehäuse 110 verbunden und selektiv funktionsmäßig mit dem ersten Lenkungsmotor 120 und dem zweiten Lenkungsmotor 130 verbunden. Wenn der erste Lenkungsmotor 120 und der zweite Lenkungsmotor 130 über das Differential 180 synchronisiert werden, bilden sie eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit. Der erste Lenkungsmotor 120 umfasst ein inneres Wel lenende 122, das funktionsmäßig mit einem ersten Differentialbereich 181 verbunden ist. Der zweite Lenkungsmotor 130 umfasst ein inneres Wellenende 132, das funktionsmäßig mit einem zweiten Differentialbereich 182 verbunden ist. Der erste Differentialbereich 181 und der zweite Differentialbereich 182 sind selektiv funktionsmäßig mit einem dritten Differentialbereich 183 verbunden. Der dritte Differentialbereich 183 ist funktionsmäßig mit dem Differentialgehäuse 184 verbunden. Der dritte Differentialbereich 183 weist eine in der technischen Anwendung bekannte Verzahnung auf, über die der erste Differentialbereich 181 und der zweite Differentialbereich 182 sich entweder in dieselbe Richtung oder in verschiedene Richtungen drehen können. Das Differential 180 kann unterschiedliche in der technischen Anwendung bekannte Konfigurationen umfassen.
Die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit kann eingesetzt werden, um die erste Zahnstange 160 zusammen mit der zweiten Zahnstange 170 zu bewegen, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange 160 und der zweiten Zahnstange 170 besteht. Der minimale Totgang umfasst das in mechanischen Systemen mit Zahnrädern auftretende Zahnradspiel. Das Differential 180 ist darüber hinaus dazu geeignet, die Verbindung zwischen dem ersten Lenkungsmotor 120 und dem zweiten Lenkungsmotor 130 zu trennen, so dass die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit nicht mehr vorhanden ist.
Das Differential 180 kann vorzugsweise dazu eingesetzt werden, bei Ausfall eines der Lenkungsmotoren eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit zu bilden, um die beiden lenkbaren Zahnstangen 160, 170 zusammen zu bewegen. Wenn einer der Lenkungsmotoren ausfällt, ist es wünschenswert, dass sich die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit, die erste Zahnstange 160 und die zweite Zahnstange 170 mit minimalem Totgang zwischen diesen Teilen gemeinsam bewegen.
Wenn ein Fahrzeug abbiegt beziehungsweise eine Kurve fährt, benötigt die kurvenäußere Zahnstange in der Regel mehr Drehmoment als die kurveninnere Zahnstange. Bei Einsatz der Drehmomentverteilung kann das Differential 180 zum Bewegen beider Zahnstangen eingesetzt werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, die Lenkungsmotoren über das Differential 180 mechanisch so zu verbinden, dass sowohl das Drehmoment des ersten Lenkungsmotors 120 als auch das Drehmoment des zweiten Lenkungsmotors 130 auf die kurvenäußere Zahnstange übertragen wird, da dort der größere Bedarf an Drehmoment besteht. Diese Konfiguration bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die erste Zahnstange 160 und die zweite Zahnstange 170 sich mit minimalem Totgang zwischen der mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange 160 und der zweiten Zahnstange 170 gemeinsam bewegen.
Das Differential 180 kann auch eingesetzt werden, um das Abbremsen des Fahrzeugs zu beschleunigen. Wenn der Wunsch eines Fahrers nach einer schnellen Abbremsung ermittelt wird, zum Beispiel bei einer Gewaltbremsung, ist es wünschenswert, den ersten Lenkungsmotor 120 und den zweiten Lenkungsmotor 130 mechanisch zu einer Lenkungsmotoreinheit zu verbinden. Die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit bewegt die erste Zahnstange 160 zusammen mit der zweiten Zahnstange 170, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange 160 und der zweiten Zahnstange 170 besteht. Diese gemeinsame Bewegung erfolgt in einer Weise, dass die erste Zahnstange 160 und die zweite Zahnstange 170 eine starke Vorspur aufweisen.
Eine Lenkanlage kann zusätzliche Elemente enthalten und mit zusätzlichen Elementen wie zum Beispiel einer Spannstange verbunden sein. Wenn zum Beispiel bei einem Fahrzeug wenig Platz für die Lenkanlage verfügbar ist, kann eine nichtkoaxiale Anbringung der Spannstangen vorteilhaft sein.
Wenn der verfügbare Platz nur in ein oder zwei Richtungen stark eingeschränkt ist, kann die Lenkanlage in einer bestimmten Entfernung angebracht werden, so dass es sich an einer Position befindet, an der relativ viel Platz verfügbar ist. Aufgrund des großen Durchmessers der Kugelwelle können die Spannstangen dann nichtkoaxial zur Zahnstange angebracht werden. Selbstverständlich sind auch andere Konfigurationen der Lenkanlage möglich.
2 zeigt eine Draufsicht eines Planetenradsatzes 200 innerhalb eines Kugelmutterbereichs 260 einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde. Der Planetenradsatz 200 umfasst ein Sonnenrad 210. Das Sonnenrad 210 wird vorzugsweise durch das äußere Wellenende 121, 131 der Lenkungsmotoren 120, 130 aus 1 gebildet. Das Sonnenrad 210 ist vorzugsweise funktionsmäßig mit mehreren Planetenrädern 220, 230, 240 und 250 verbunden. Die Anzahl der Räder kann variieren. Die Planetenräder 220, 230, 240 und 250 sind funktionsmäßig mit dem auf der Innenfläche des Kugelmutterbereichs 260 definierten äußeren Getriebebereich 262 verbunden. Die Planetenräder 220, 230, 240 und 250 können einen größeren oder kleineren Durchmesser als das Sonnenrad 210 aufweisen, so dass mehr oder weniger Drehmoment vom Sonnenrad 210 auf den äußeren Getriebebereich 262 übertragen wird. Der Kugelmutterbereich 260 ist funktionsmäßig mit einem Lagerbereich 272 verbunden. Der Lagerbereich 272 ist funktionsmäßig mit der Kugelwelle mit Innengewinde 270 verbunden.
3 zeigt einen Querschnitt eines Planetenradsatzes 300 innerhalb eines Kugelmutterbereichs 360 einer Kugelumlaufspindel mit Innengewinde. Der Planetenradsatz 300 umfasst vorzugsweise ein Sonnenrad 310. Das Sonnenrad 310 wird vorzugsweise durch das äußere Wellenende 121, 131 der Lenkungsmotoren 120, 130 aus 1 gebildet. Das Sonnenrad 310 ist vorzugsweise funktionsmäßig mit mehreren Planetenrädern 330 und 350 verbunden. Die Planetenräder 330 und 350 haben Kontakt mit dem auf der Innen fläche des Kugelmutterbereichs 360 definierten äußeren Getriebebereich 362. Die Planetenräder 330 und 350 können einen größeren oder kleineren Durchmesser als das Sonnenrad 310 aufweisen, so dass mehr oder weniger Drehmoment vom Sonnenrad 310 auf den äußeren Getriebebereich 362 übertragen wird. Die Außenfläche 364 des Kugelmutterbereichs 360 definiert einen Kanal 366 für den Lagerbereich 372. Der Kugelmutterbereich 360 ist funktionsmäßig mit einem Lagerbereich 372 verbunden. Der Lagerbereich 372 ist funktionsmäßig mit der Kugelumlaufspindel 370 verbunden.
4 zeigt ein Flussdiagramm 400 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Lenkung eines Fahrzeugs, das eine Lenkanlage mit einem Verriegelungsmechanismus aufweist. Der Verriegelungsmechanismus bietet eine Funktion zur Gewährleistung der Ausfallsicherheit für den Fall, dass einer der Lenkungsmotoren ausfällt.
Dieses Verfahren umfasst die Bereitstellung einer Lenkanlage 410 gemäß den obigen Beschreibungen zu den 1, 2 und 3. Wenn ein Ausfall des ersten Lenkungsmotors oder des zweiten Lenkungsmotors ermittelt wird 420, werden der betriebsbereite Lenkungsmotor und der ausgefallene Lenkungsmotor über ein Differential mechanisch miteinander verbunden, so dass sie eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit bilden 430. Wenn der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor mechanisch miteinander verbunden sind 430, wird der betriebsbereite Lenkungsmotor eingesetzt, um über das Differential die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange zu bewegen 440. Hierbei besteht nur ein minimaler Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange. Da der Totgang zwischen der mechanisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit, der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange minimal ist, kann ein Fahrer bei einem Ausfall des ersten Lenkungsmotors oder des zweiten Lenkungsmotors die Kontrolle über die Lenkung behalten.
5 zeigt ein Flussdiagramm 500 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens zur Drehmomentverteilung für eine Lenkanlage, die einen Verriegelungsmechanismus aufweist, über den zusätzliches Drehmoment für das kurvenäußere lenkbare Rad bereitgestellt wird. Bei diesem Verfahren wird eine Lenkanlage gemäß den obigen Beschreibungen zu den 1, 2 und 3 eingesetzt.
Das Verfahren umfasst die Ermittlung einer kurvenäußeren Lenklast 510 und die Ermittlung einer kurveninneren Lenklast 520. Wenn die kurvenäußere Lenklast 510 und die kurveninnere Lenklast 520 ermittelt wurden, werden die Lenklasten miteinander verglichen, um zu ermitteln, ob die kurvenäußere Lenklast größer ist als die kurveninnere Lenklast 530. Wenn ermittelt wird, dass die kurvenäußere Lenklast größer ist als die kurveninnere Lenklast 530, wird die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast mit einem gegebenen Schwellenwert verglichen 540. Wenn ermittelt wird, dass die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast größer als ein gegebener Schwellenwert ist 540, werden der kurvenäußere Lenkungsmotor und der kurveninnere Lenkungsmotor über das Differential mechanisch miteinander verbunden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird 550. Die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit wird dann eingesetzt, um zusätzliches Drehmoment auf die kurvenäußere Zahnstange zu übertragen.
Wenn ermittelt wird, dass die Differenz zwischen der kurvenäußeren Lenklast und der kurveninneren Lenklast unter einen gegebenen Schwellenwert gesunken ist 560, wird die über das Differential hergestellte Verbindung zwischen dem kurvenäußeren Lenkungsmotor und dem kurveninneren Lenkungsmotor getrennt 570. Das vom kurvenäußeren Lenkungsmotor erzeugte Drehmoment wird dann auf das kurvenäußere lenkbare Rad übertragen, und das vom kurveninneren Lenkungsmotor erzeugte Drehmoment wird auf das kurveninnere lenkbare Rad übertragen.
6 zeigt ein Flussdiagramm 600 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahrens, bei dem eine Lenkanlage, die einen Verriegelungsmechanismus aufweist, so betrieben wird, dass das Abbremsen des Fahrzeugs durch Verstärken der Vorspur zwischen den lenkbaren Rädern beschleunigt wird. Bei diesem Verfahren wird eine Lenkanlage gemäß den obigen Beschreibungen zu den 1, 2 und 3 eingesetzt.
Das Verfahren umfasst die Ermittlung einer Situation, in der ein Fahrer eine schnelle Abbremsung wünscht 610. Wenn der Wunsch des Fahrers nach einer schnellen Abbremsung ermittelt wird 610, werden der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor über das Differential miteinander verbunden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird 620. Die verbundene Einheit bewegt die erste Zahnstange zusammen mit der zweiten Zahnstange in einer Weise, dass eine starke Vorspur entsteht, wodurch das Abbremsen des Fahrzeugs beschleunigt wird 630.
Wenn der Wunsch des Fahrers nach der Wiederherstellung eines normalen Fahrzustands ermittelt wird 640, wird die über das Differential hergestellte mechanische Verbindung zwischen dem ersten Lenkungsmotor und dem zweiten Lenkungsmotor getrennt. Der erste Lenkungsmotor und der zweite Lenkungsmotor werden dann so bewegt, dass die starke Vorspur beseitigt wird, wodurch die lenkbaren Räder wieder in die normale Fahrstellung wechseln 660.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und abgebildet. Diese Beschreibungen und Figuren stellen allerdings nur Beispiele dar. Viele weitere mögliche Ausführungsformen und Implementierungen liegen im Umfang der Erfindung und sind für einen Fachmann ersicht lich. Die Erfindung ist daher nicht auf die spezifischen Details, repräsentativen Ausführungsformen und abgebildeten Beispiele in dieser Beschreibung beschränkt. Folglich ist die Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Entsprechungen eingeschränkt.

Claims

Lenkanlage (100, 410) mit – einem Gehäuse (110) mit einem ersten Ende (111) und einem zweiten Ende (112); – einem ersten Lenkungsmotor (120) und ein zweiter Lenkungsmotor (130), die kraftschlüssig mit dem Gehäuse (110) verbunden sind; – einem ersten Zahnradsatz, der kraftschlüssig mit dem ersten Lenkungsmotor (120) verbunden ist und kraftschlüssig mit einer ersten Spindelvorrichtung (140) verbunden ist; – einem zweiten Zahnradsatz, der kraftschlüssig mit dem zweiten Lenkungsmotor (130) verbunden ist und kraftschlüssig mit einer zweiten Spindelvorrichtung (150) verbunden ist; – einer ersten Zahnstange (160), die kraftschlüssig mit dem ersten Zahnradsatz verbunden ist und verschiebbar mit dem ersten Ende (111) des Gehäuses (110) verbunden ist; – einer zweiten Zahnstange (170, 440), die kraftschlüssig mit dem zweiten Zahnradsatz verbunden ist und verschiebbar mit dem zweiten Ende (112) des Gehäuses (110) verbunden ist; – einem Differential (180), das kraftschlüssig mit dem Gehäuse (110) verbunden ist und dazu geeignet ist, den ersten Lenkungsmotor (120) und den zweiten Lenkungsmotor (130) selektiv mechanisch miteinander zu verbinden, so dass eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit gebildet wird; und wobei die mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit derart einsetzbar ist, dass die erste Zahnstange (160) zusammen mit der zweiten Zahnstange (170, 440) bewegbar ist, wobei nur ein minimaler Totgang zwischen der mecha nisch verbundenen Lenkungsmotoreinheit (620) der ersten Zahnstange (160) und der zweiten Zahnstange (170, 440) besteht, wobei der erste Lenkungsmotor (120) und der zweite Lenkungsmotor (130) über das Differential (180) synchronisiert werden, so dass sie eine mechanisch verbundene Lenkungsmotoreinheit (620) bilden, die dazu geeignet ist, die erste Zahnstange (160) und die zweite Zahnstange (170, 440) in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei die kraftschlüssig verbundenen Komponenten direkt physisch miteinander verbunden sind.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei es sich beim ersten Lenkungsmotor (120) und beim zweiten Lenkungsmotor (130) um bürstenlose Motoren handelt.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei der erste Lenkungsmotor (120) und der zweite Lenkungsmotor (130) koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei der erste Lenkungsmotor (120) und der zweite Lenkungsmotor (130) koaxial zueinander ausgerichtet sind und sich in einem Hohlbereich (113) des Gehäuses (110) befinden.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei es sich beim ersten Zahnradsatz und beim zweiten Zahnradsatz um Planetenradsätze (200, 300) handelt.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, wobei ein Sonnenrad (210, 310) des ersten Zahnradsatzes und ein Sonnenrad (210) des zweiten Zahnradsatzes koaxial zum ersten Lenkungsmotor (120) und zum zwei ten Lenkungsmotor (130) ausgerichtet sind und sich in einem Hohlbereich (113) des Gehäuses (110) befinden.
Lenkanlage (100, 410) nach Anspruch 1, die zusätzlich eine kraftschlüssig mit der ersten Zahnstange verbundene erste Spannstange und eine kraftschlüssig mit der zweiten Zahnstange verbundene zweite Spannstange umfasst.