Die Erfindung betrifft einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung mit

Direktantrieb. Solche Feedback-Aktuatoren werden insbesondere bei steer-by-wire- Lenksystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt.

Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers, wie konventionelle mechanische Lenkungen, durch Drehung eines

Lenkrades einer Eingabeeinheit entgegen. Dadurch wird die Drehung einer Lenkwelle bewirkt, die jedoch nicht mechanisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist, sondern mit Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren zusammenwirkt, die den eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag der Räder einstellt.

Bei steer-by-wire-Systemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei

konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw.

Rückstellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der

Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände zum Lenkrad zurückgemeldet werden. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die

Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.

Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie

Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein

Rückkopplungs-Signal zu bilden, welches in einen Feedback-Aktuator eingespeist wird. Der Feedback-Aktuator ist in die Eingabeeinheit integriert und weist eine

Aktuatoreinheit auf, die einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb umfasst, und die abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment (Feedbackmoment) über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige„Force-feedback“ -Systeme geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.

Aus der DE 10 2008 036 730 A1 ist ein steer-by-wire-Lenksystem bekannt, mit einer Eingabeeinheit, die eine von einem Elektromotor angetriebene Aktuatoreinheit aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkwelle gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkwelle eingekoppelten Handmoment. Dabei ist der Elektromotor bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkwelle verbunden. Eine gleichartig aufgebaute Aktuatoreinheit ist in der EP 2 414 211 B1 dargestellt. In der darin beschriebenen Ausführung bildet die Lenkwelle selbst die Motorwelle des Elektromotors, sodass ein kompakterer Aufbau realisiert werden kann.

Zur Beaufschlagung eines definierten Rückstellmoments im Lenkrad muss bei den vorangehend beschriebenen bekannten Ausführungen das Motordrehmoment wegen der direkten Kupplung der Motorwelle mit der Lenkwelle entsprechend genau vorgegeben werden, was eine aufwendige, schnelle und präzise Regelung des

Motorstroms in der Steuereinheit erfordert. Hinzu kommt, dass zur Realisierung größerer Rückstellmomente relativ hohe Steuerströme bereitgestellt werden müssen. Diese Anforderungen bedingen einen hohen Steuerungsaufwand, sodass die

Steuereinheit entsprechend aufwendig ausgelegt werden muss. Außerdem haben zur Beaufschlagung mit realistischen Rückstellmomenten geeignete Elektromotoren mit ausreichend hohen Motordrehmomenten relativ große Abmessungen, was einem kompakten Aufbau entgegensteht. Die Aufgabe der aktuellen Entwicklung besteht darin, einen Feedback-Aktuator für eine kompakte Lenkeinrichtung mit einem realistisch nachgebildeten Lenkgefühl zu entwickeln, die möglichst spielfrei ausgebildet ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Feedback-Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Die Erfindung betrifft somit einen Feedback-Aktuator für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment, mit einer äußeren Gehäuseanordnung, umfassend eine Lenkspindel zur Kopplung mit einem Lenkrad, wobei die Lenkspindel um ihre Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist, ein Lager zur Lagerung der Lenkspindel, ein entlang der Längsachse angeordnetes Reibelement zur

Erzeugung einer Grundreibung des Feedback-Aktuators, eine Sperrvorrichtung für Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment eines Motors erfordern, ein Winkelsensorsystem zur Ermittlung der Rotorlage für die

Regelung eines Motors und mindestens einen ersten Motor zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments in einem eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedback-Aktuator ein Lenkwiderstandssystem zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments am Lenkrad aufweist, wobei das

Motorlenkmoment des mindestens einen Motors kleiner ist als das definierte

Lenkmoment zur Wahrnehmung durch einen Kraftfahrzeugfahrer. Wegen des

Ausgleichs durch das Lenkwiderstandssystem, um das Motorlenkmoment auf den Betrag des definierten Lenkmoments einzustellen, kann der mindestens eine Motor gegenüber einem Motor ohne dieses Lenkwiderstandssystem kompakter ausgebildet werden. Dies reduziert in vorteilhafter weise den benötigten Bauraum und kann zudem den Energiebedarf für das System reduzieren.

Als besonders vorteilhafte Lösung für eine kompakte Bauweise hat sich

herausgestellt, dass das Lenkwiderstandssystem ein Getriebe ist. Insbesondere kann das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von einschließlich 50:1 bis zu einschließlich 70:1 aufweisen, vorzugsweise im Wesentlichen 60:1 aufweisen. Ein solches Übersetzungsverhältnis hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um einerseits eine kompakte Bauweise zu ermöglichen und andererseits eine möglichst komponentenschonende Konstruktion zu erlauben.

Dabei kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass das Lenkwiderstandssystem ein als Zykloidgetriebe ausgebildetes Getriebe aufweist. Dabei treibt ein Exzenter einer Antriebseinheit eine Kurvenscheibe an, die sich innerhalb eines ortsfesten Bolzenrings abwälzt und Pins einer Abtriebseinheit mitführt. Dies erlaubt eine möglichst kompakte Bauweise, wobei das Getriebe zudem geräusch- und verschleißarm bei einer gleichmäßigen Lastenverteilung wirkt. Dies ermöglicht eine hohe Lebensdauer.

Alternativ zum Zykloidgetriebe kann vorgesehen sein, dass das

Lenkwiderstandssystem ein als Cyclobelt-Getriebe ausgebildetes Getriebe aufweist. Dieses hat den Vorteil einer besonders spielarmen Ausgestaltungsform.

Das Cyclobelt-Getriebe kann vorzugsweise einen mit der Motorwelle mittelbar oder unmittelbar verbundenen und als Sonnenrad ausgebildeten Getriebeeingang aufweisen, der von mindestens drei Planetenrädern umgeben ist, die von einem einzigen Riemen umspannt sind, wobei der Riemen von einem mit der Lenkspindel verbundenen und insbesondere als Hohlrad ausgebildeten Getriebeabtrieb umgeben ist, wobei der Getriebeeingang und der Getriebeabtrieb koaxial zueinander

angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Komponenten kann eine gleichmäßige Kraftverteilung erfolgen, sodass die Komponentenlebensdauer erhöht ist.

Weiterhin bevorzugt kann der Getriebeeingang außenseitig eine zumindest teilweise elastische Ummantelung zur akustischen Entkopplung aufweisen.

Um das Drehmoment möglichst gleichmäßig und zudem geräuscharm zu übertragen, kann der Riemen eine Innen- und/oder Außenverzahnung aufweisen. Im Betrieb des Feedback-Aktuators erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Zwangsführung zwischen den Planetenrädern und dem insbesondere als Hohlrad ausgebildeten Getriebeabtrieb. Dies ermöglicht eine spielarme Ausgestaltung des Feedback- Aktuators.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Feedback-Aktuators kann derart ausbildet sein, dass das Lenkwiderstandssystem mindestens zwei Motoren, vorzugsweise drei Motoren aufweist, die über einen jeweiligen Riemenantrieb mit der Lenkspindel verbunden sind. Dies reduziert den benötigten Bauraum pro Motor weiterhin. Zudem wird hierdurch die Möglichkeit gegeben, einen ausfallenden Motor durch einen weiteren Motor zumindest teilweise zu ersetzen, sodass der

Kraftfahrzeugfahrer zumindest einen teilweisen Widerstand wahrnimmt.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Riemenantrieb zwischen dem jeweiligen Motor und der Lenkspindel vorgespannt ist. Die

Vorspannung reduziert das Spiel zwischen den Komponenten und führt gleichzeitig zu einem geräuscharmen Betrieb des Feedback-Aktuators.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Schnittansicht eines Feedback-Aktuators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Getriebe,

Fig. 2: eine schematische Ansicht eines als Cyclobelt-Getriebe ausgebildeten

Getriebes nach Fig. 1 ,

Fig. 3: eine Ansicht eines Ausschnitts aus Fig. 3 und

Fig. 4: eine schematische Schnittansicht eines Feedback-Aktuators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Riemensystem.

Figur 1 zeigt somit einen Feedback-Aktuator 10 für eine Lenkeinrichtung mit einem definierten Lenkmoment L, mit einer äußeren Gehäuseanordnung 12, umfassend eine Lenkspindel 14 zur Kopplung mit einem Lenkrad 16, wobei die Lenkspindel 14 um ihre Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 12 gelagert ist, ein Lager 18 zur Lagerung der Lenkspindel 14, ein entlang der Längsachse L angeordnetes

Reibelement 20 zur Erzeugung einer Grundreibung des Feedback-Aktuators 10, eine Sperrvorrichtung 22 für Funktionen, die ein aktives Stellmoment größer als ein definiertes Lenkmoment L eines Motors 26 erfordern, ein Winkelsensorsystem 24 zur Ermittlung der Rotorlage für die Regelung eines Motors 26 und mindestens einen ersten Motor 26 zum aktiven Stellen eines Motorlenkmoments M in einem

eingeschalteten Betriebszustand eines Fahrzeugs. Der Feedback-Aktuator 10 weist ein Lenkwiderstandssystem 28 zur Bereitstellung des definierten Lenkmoments L am Lenkrad 16 auf, wobei das Motorlenkmoment M des mindestens einen Motors 26 kleiner ist als das definierte Lenkmoment L zur Wahrnehmung durch einen

Kraftfahrzeugfahrer. Wegen des Ausgleichs durch das Lenkwiderstandssystem 28, um das Motorlenkmoment M auf den Betrag des definierten Lenkmoments L einzustellen, kann der mindestens eine Motor 26 gegenüber einem Motor ohne dieses Lenkwiderstandssystem 28 kompakter ausgebildet werden. Dies reduziert in vorteilhafter Weise den benötigten Bauraum und kann zudem den Energiebedarf für das System reduzieren.

Als besonders vorteilhafte Lösung für eine kompakte Bauweise hat sich, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, herausgestellt, dass das Lenkwiderstandssystem 28 ein Getriebe ist.

Insbesondere kann das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von einschließlich 50:1 bis zu einschließlich 70:1 aufweisen, vorzugsweise im Wesentlichen 60:1 aufweisen. Ein solches Übersetzungsverhältnis hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um einerseits eine kompakte Bauweise zu ermöglichen und andererseits eine möglichst komponentenschonende Konstruktion zu erlauben.

Nicht dargestellt kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass das Lenkwiderstandssystem 28 ein als Zykloidgetriebe ausgebildetes Getriebe aufweist. Dabei treibt ein Exzenter einer Antriebseinheit eine Kurvenscheibe an, die sich innerhalb eines ortsfesten Bolzenrings abwälzt und Pins einer Abtriebseinheit mitführt. Dies erlaubt eine möglichst kompakte Bauweise, wobei das Getriebe zudem geräusch- und verschleißarm bei einer gleichmäßigen

Lastenverteilung wirkt. Dies ermöglicht eine hohe Lebensdauer.

Alternativ zum Zykloidgetriebe kann, wie in Fig. 2 gezeigt, vorgesehen sein, dass das Lenkwiderstandssystem 28 ein als Cyclobelt-Getriebe ausgebildetes Getriebe aufweist. Dieses hat den Vorteil einer besonders spielarmen Ausgestaltungsform.

Wie in Fig. 2 exemplarisch gezeigt, kann das Cyclobelt-Getriebe vorzugsweise einen mit der Motorwelle mittelbar oder unmittelbar verbundenen und als Sonnenrad ausgebildeten Getriebeeingang 30 aufweisen, der von mindestens drei

Planetenrädern 32 umgeben ist, die von einem einzigen Riemen 34 umspannt sind, wobei der Riemen 34 von einem mit der Lenkspindel 14 verbundenen und

insbesondere als Hohlrad ausgebildeten Getriebeabtrieb 36 umgeben ist, wobei der Getriebeeingang 30 und der Getriebeabtrieb 36 koaxial zueinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Komponenten kann eine gleichmäßige Kraftverteilung erfolgen, sodass die Komponentenlebensdauer erhöht ist.

Weiterhin bevorzugt kann der Getriebeeingang 30 außenseitig eine zumindest teilweise elastische Ummantelung zur akustischen Entkopplung aufweisen.

Um das Drehmoment möglichst gleichmäßig und zudem geräuscharm zu übertragen, kann der Riemen 34 nach Fig. 3 eine Innen- und Außenverzahnung 38, 40 aufweisen. Dabei zeigt Fig. 3 einen Ausschnitt X der Fig. 2. Im Betrieb des Feedback-Aktuators 10 erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Zwangsführung zwischen den Planetenrädern 32 und dem insbesondere als Hohlrad ausgebildeten Getriebeabtrieb 36. Dies ermöglicht eine spielarme Ausgestaltung des Feedback-Aktuators 10.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Feedback-Aktuators 10 kann nach Fig. 4 derart ausbildet sein, dass das Lenkwiderstandssystem 28 mindestens zwei Motoren 26a, 26b, vorzugsweise drei Motoren 26a, 26b, 26c aufweist, die über einen jeweiligen Riemenantrieb 42a, 42b, 42c mit der Lenkspindel 14 verbunden sind. Dies reduziert den benötigten Bauraum pro Motor 26 weiterhin. Zudem wird hierdurch die Möglichkeit gegeben, einen ausfallenden Motor 26 durch einen weiteren Motor 26 zumindest teilweise zu ersetzen, sodass der Kraftfahrzeugfahrer zumindest einen teilweisen Widerstand wahrnimmt.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Riemenantrieb 42a, 42b, 42c zwischen dem jeweiligen Motor 26a, 26b, 26c und der Lenkspindel 14 vorgespannt ist. Die Vorspannung reduziert das Spiel zwischen den Komponenten und führt gleichzeitig zu einem geräuscharmen Betrieb des Feedback-Aktuators 10.

Bezuqszeichenliste

10 Feedback-Aktuator

12 Gehäuseanordnung

14 Lenkspindel

16 Lenkrad

18 Lager

0 Reibelement

2 Sperrvorrichtung

4 Winkelsensorsystem

6 Motor

6a Erster Motor

6b Zweiter Motor

26c Dritter Motor

28 Lenkwiderstandssystem

30 Getriebeeingang

32 Planetenräder

34 Riemen

36 Getriebeabtrieb

38 Innenverzahnung

40 Außenverzahnung

42a Riemenantrieb des ersten Motors

42b Riemenantrieb des zweiten Motors

42c Riemenantrieb des dritten Motors

L Lenkmoment