Lenksäulenmodul für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Fahrzeuges

Die Erfindung betriff ein Lenksäulenmodul für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1.

Moderne Serienfahrzeuge besitzen ein Lenkrad, eine Lenksäule und eine Lenkzwischenwelle als Bestandteile einer mechanischen Kopplung zwischen einem Lenkrad und einem

Lenkgetriebe. Geplante zukünftige Fahrzeuggenerationen erlauben automatisiertes Fahren, bei dem ein Fahrer nicht mehr zwingend in die Lenkung und/oder Steuerung des Fahrzeuges eingreifen muss. Bei solchen Fahrzeugen wird zunehmend auf ein mechanisches

Kopplungssystem zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe verzichtet. Dadurch ergeben sich neue Handlungsspielräume für wesentliche Gestaltungskriterien im Bereich des

Armaturenbrettes, umfassend Package, Design, Crashverhalten sowie Innenraumkonzepte abseits einer definierten Sitzposition des Fahrers (z.B. Liegeposition, Position entgegen Fahrtrichtung, etc.). Gleichwohl sollte den Automobilherstellern ermöglicht werden, sich durch fahrzeugspezifische Fahr-/ Lenkperformance vom Wettbewerb differenzieren zu können. Zudem sollte dem Wunsch nach individuellem Fahren (Lenken) seitens des Kunden entsprochen werden. Darüber hinaus wird es Fahrsituationen geben, für die rein automatisiertes Fahren nur schwerlich praktikabel ist, wie z. B. bei Rangier- und Verladevorgängen, auf einem

unwegsamen Gelände, bei einer unzureichenden Infrastruktur, etc. Somit erfordern auch zukünftige Fahrzeuggenerationen lnput-/Output-Module inkl. Lenkrad zwischen dem Fahrer und dem Fahrzeug.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Lenksäulenmodul für automatisch, insbesondere hoch automatisch, fahrende Fahrzeuge bereitzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung ein flexibel bzw. modellübergreifend einsetzbares Lenksäulenmodul für Fahrzeuge, insbesondere für automatisch, insbesondere hoch automatisch, fahrende

Fahrzeuge bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Lenksäulenmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 , insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Merkmale, die zu den einzelnen Erfindungsaspekten offenbart werden, können in der Weise miteinander kombiniert werden, dass bzgl. der Offenbarung zu den Erfindungsaspekten der Erfindung stets

wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Die Erfindung stellt ein Lenksäulenmodul für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges bereit, aufweisend einen Force-Feedback-Aktuator, eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Betriebsparameters eines Lenkrads des Fahrzeuges und eine Steuereinheit für das Lenksäulenmodul, wobei das Lenksäulenmodul als ein einzeln handhabbares Modul am Fahrzeug befestigbar ist.

Unter einem Betriebsparameter des Lenkrads im Sinne der Erfindung kann ein Drehwinkel und/oder ein Drehmoment des Lenkrades verstanden werden. Die Steuereinheit kann als eine zentrale Steuerelektronik für das Lenksäulenmodul zum Steuern sämtlicher seiner

Komponenten verstanden werden. Unter einem Steer-by-wire-Lenksystem kann ein

Lenksystem verstanden werden, bei dem keine mechanische Kopplung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe vorhanden ist, wobei die Lenkbefehle zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe per Datenbus übertragen werden.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass ein Lenksäulenmodul bereitgestellt ist, welches als ein einzeln handhabbares Modul am Fahrzeug befestigbar ist. Mit anderen Worten ist das Lenksäulenmodul in Form eines One-Box-Systems ausgebildet. Das Lenksäulenmodul ist für Fahrzeuge mit einem Automatisierungsgrad auf dem Level drei (Hochautomatisches Fahren) oder vier (Vollautomatisches Fahren) konzipiert. Das Lenksäulenmodul vereinigt zumindest den Force-Feedback-Aktuator und die Sensoreinheit sowie die Steuereinheit im Rahmen eines einzigen einzeln handhabbaren Moduls in Integralbauweise. Vorteilhafterweise kann ein Lenksäulenmodul im Sinne der Erfindung sämtliche funktionswesentliche Komponenten einer Lenksäule in einem Steer-by-wire-Lenksystem im Rahmen eines einzigen einzeln

handhabbaren Moduls in Integralbauweise vereinigen. Trotz erhöhtem Anspruch an die zuverlässige Funktion, den erhöhten Komfort und die zuverlässige, erhöhte Sicherheit wird durch die Ausgestaltung des Lenksäulenmoduls als ein einzeln handhabbares Modul der Bauraumbedarf an den modernen Lenksäulen reduziert.

Ferner kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass der Force-Feedback- Aktuator als ein Eingabeinstrument eines Fahrtrichtungswechselbefehls von einem Fahrer an ein Lenkgetriebe und zur Erzeugung einer haptischen, akustischen und/oder optischen

Rückmeldung eines simulierten Fahrzustandes an den Fahrer ausgeführt ist. Somit kann der Force-Feedback-Aktuator in beide Richtungen betrieben werden. Im Rahmen eines

Eingabeinstrumentes übermittelt der Force-Feedback-Aktuator entsprechend der Fahrsituation die manuellen Lenkbefehle (Drehkraft bzw. Drehwinkelgeschwindigkeit) vom Lenkrad an das Fahrzeug. Die Drehkraft kann dabei verstärkt werden, um Reibung zu kompensieren

(leichtgängiges Lenken) oder entgegen der Drehrichtung ein Haltemoment zu generieren. Im Rahmen eines automatisierten Fahrens kann der Force-Feedback-Aktuator entsprechend der Fahrsituation eine entsprechende Haptik am Lenkrad bereitstellen.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass die Sensoreinheit mindestens einen Drehmomentsensor und/oder mindestens einen Winkelsensor aufweist. Mit anderen Worten kann die Sensoreinheit mindestens einen Drehmomentsensor und/oder mindestens einen Winkelsensor redundant bereitstellen. Somit kann eine hohe Ausfallsicherheit ermöglicht werden. Ein Drehmoment kann für eine haptische Rückmeldung ein wichtiger Betriebsparameter sein. Ein Drehwinkel kann für einen Fahrtrichtungswechselbefehl ein wichtiger Betriebsparameter sein.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass mindestens ein Drehmomentsensor der Sensoreinheit eine mechanische Drehwinkelbegrenzung und/oder eine einstellbare Drehfestigkeit aufweist. Durch eine mechanische Drehwinkelbegrenzung kann sichergestellt werden, dass die Komponenten des Lenkrads, wie z. B. eine Drehfeder zum Airbag, nicht überstrapaziert werden. Je nach Kundenwusch kann über die einstellbare

Drehfestigkeit des Drehmomentsensors eine entsprechende Schwer- oder Leichtgängigkeit des Lenksäulenmoduls ermöglicht werden.

Zudem kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass die Steuereinheit als eine Steuerelektronik ausgeführt ist. Die Steuereinheit kann vorteilhafterweise innerhalb des Lenksäulenmoduls integriert sein und sämtliche Komponenten des Lenksäulenmoduls ansteuern sowie eine Kommunikationsverbindung zum Fahrzeug bereitstellen. Somit kann nicht nur ein einfach handhabbares, sondern auch ein einfach im Fahrzeug montierbares Modul bereitgestellt werden, welches im Rahmen einer fließenden Produktionslinie schnell und sicher im Fahrzeug installiert werden kann.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass innerhalb des Lenksäulenmoduls mindestens ein reversibler oder irreversibler Crashenergie-Absorber zum Aufnehmen einer Aufprallenergie eines Fahrers auf das Lenkrad integriert ist. Somit kann eine Aufprallsicherheit am Lenkrad ermöglicht werden.

Ferner kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass innerhalb des

Lenksäulenmoduls eine Positionsaktuatorik zur Positionierung und/oder Lagebestimmung des Lenkrads in einer Richtung entlang einer Lenkachse (d. h. einer Drehachse des Lenkrads) und/oder in einer Richtung horizontal zur Lenkachse und/oder in einer Richtung vertikal zur Lenkachse und/oder in einer Richtung entlang einer Fahrzeughochachse integriert ist. Somit kann die eingestellte Position des Lenkrades erkannt werden und entsprechend dem

Fahrerwunsch eingestellt werden.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass innerhalb des Lenksäulenmoduls eine automatische und/oder aktive Mittenrückführungseinheit vorgesehen ist. Hierzu kann eine extra ausgebildete mechanische und/oder motorische Einheit vorgesehen sein. Gleichwohl ist es aber auch denkbar, dass die Mittenrückführungseinheit innerhalb von dem Force-Feedback-Aktuator umgesetzt sein kann.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass innerhalb des Lenksäulenmoduls mindestens eine Drehwinkelbegrenzung in eine Kraftübertragungsrichtung vom Lenkrad zum Force-Feedback-Aktuator integriert ist. Bei der Drehwinkelbegrenzung kann es sich um eine mechanische und/oder elektrische Vorrichtung handeln. Wie oben bereits erwähnt kann die Drehwinkelbegrenzung zusammen mit dem Drehwinkelsensor verbaut sein. Ferner ist es denkbar, dass die Drehwinkelbegrenzung als ein reiner mechanischer Anschlag ausgebildet sein kann. Die Drehwinkelbegrenzung sorgt dafür, dass eine zu hohe Lenkkraft und/oder zu große Lenkbewegung nicht zur Beschädigung der Komponenten am Lenkrad und/oder innerhalb des Lenksäulenmoduls führt.

Zudem kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass innerhalb des

Lenksäulenmoduls eine Leerlaufschlagbegrenzung in eine Kraftübertragungsrichtung vom Force-Feedback-Aktuator zum Lenkrad integriert ist. Eine Leerlaufschlagbegrenzung sorgt bei einem Ausfall des Force-Feedback-Aktuator dafür, dass das Lenkrad ein definiertes

Mindestdrehmoment aufrechterhält, um unkontrollierte Lenkbewegungen aufgrund fehlender Gegenkraft entgegenzuwirken.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass am

Lenksäulenmodul eine elektrische und/oder mechanische Schnittstelle zum Lenkrad ausgebildet ist. Somit kann ein Lenksäulenmodul bereitgestellt werden, welche

kundenwunschspezifisch und modellübergreifend mit unterschiedlichen Lenkradmodellen einsetzbar ist.

Ferner kann die Erfindung bei einem Lenksäulenmodul vorsehen, dass am Lenksäulenmodul eine elektrische und/oder mechanische Schnittstelle zu einem zentralen Steuergerät des Fahrzeuges vorgesehen ist. Somit kann ein Lenksäulenmodul bereitgestellt werden, welche kundenwuschspezifisch und modellübergreifend mit unterschiedlichen Fahrzeugmodellen einsetzbar ist. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lenksäulenmoduls im Sinne der Erfindung

zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe eines Fahrzeuges mit einem Steer- by-wire-Lenksystem,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung eines Lenksäulenmoduls im Sinne der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Fahrzeuges 100, bei welchem am

Übergang von einem Lenkrad 101 ein Lenksäulenmodul 10 im Sinne der Erfindung angeordnet ist. Vom Lenksäulenmodul 10 werden Steuerbefehle an ein Lenkgetriebe 103 über Datenbus 102 weitergeleitet. Ein solches Steer-by-wire-Lenksystem umfasst keine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad 101 und dem Lenkgetriebe 103. Das gezeigte Steer-by-wire- Lenksystem eignet sich vorteilhafterweise zum Einsatz in einem Fahrzeug 100 mit einem Automationslevel drei (hochautomatisches Fahren, wobei der Fahrer innerhalb von 10 s im Fehlerfall die Fahrfunktion übernehmen muss) oder vier (vollautomatisches Fahren, wobei sich der Fahrer Tätigkeiten zuwenden darf, die nicht der Fahrzeugführung dienen, bspw. schlafen, das Fahrzeug aber weiterhin ein Lenkrad und Pedale zum manuellen Fahren hat).

Das erfindungsgemäße Lenksäulenmodul 10 für ein Steer-by-wire-Lenksystem gemäß der Figur 1 ist in der Figur 2 gezeigt. Das Lenksäulenmodul 10 weist einen Force-Feedback-Aktuator 1 1 mit Sensoreinheit 1 1.1 zum Erfassen eines Betriebsparameters des Lenkrads 101 des

Fahrzeuges 100 sowie einer Steuereinheit 11.2 für das Lenksäulenmodul 10 auf, wobei das Lenksäulenmodul 10 als ein einzeln handhabbares Modul 10 am Fahrzeug 100 befestigbar ist.

Als Betriebsparameter des Lenkrads 101 kann im Sinne der Erfindung ein Drehwinkel und/oder ein Drehmoment des Lenkrades 101 dienen. Die Steuereinheit 1 1.2 kann als eine zentrale Steuerelektronik für das Lenksäulenmodul 10 zum Steuern sämtlicher seiner Komponenten dienen.

Das erfindungsgemäße Lenksäulenmodul 10 ist als ein einzeln handhabbares Modul bzw. eine einzeln handhabbare Baueinheit bzw. ein One-Box-System mit sämtlichen seinen

Komponenten, zumindest jedoch dem Force-Feedback-Aktuator 1 1 und der Sensoreinheit 11.1 sowie der Steuereinheit 1 1.2 im Rahmen eines einzigen einzeln handhabbaren Moduls 10 in Integralbauweise konzipiert.

Vorteilhafterweise kann das Lenksäulenmodul 10 im Sinne der Erfindung noch weitere funktionswesentliche Komponenten einer Lenksäule in einem Steer-by-wire-Lenksystem im Rahmen eines einzigen einzeln handhabbaren Moduls 10 in Integralbauweise vereinigen.

Wie es in der Figur 2 gezeigt ist, können im Rahmen des erfindungsgemäßen

Lenksäulenmoduls folgende Komponenten vorgesehen sein: ein Force-Feedback-Aktuator 1 1 als eine (z.B. elektromechanische) lnput-/Output- Schnittstelle zwischen einem Fahrer und dem Fahrzeug 100 als Eingabeinstrument des Fahrtrichtungswechselbefehls sowie zur haptischen (ergänzend ggf. akustischen und/oder optischen) Rückmeldung des simulierten Fahrzustandes an den Fahrer; eine Positions-Aktuatorik 15 als ein oder mehrere (bspw. elektromechanische(s)) Stellglied(er) 15.1 , 15.2 zur Positionierung und/oder Lagebestimmung des Lenkrades 101 räumlich mindestens in einer Richtung x‘ entlang einer Drehachse D (d. h. in einer Lenkachse x‘) des Lenkrads 101 (vgl. eine Längenfeststellungseinheit 15.2) und/oder in einer Richtung y‘ horizontal zur Lenkachse x‘ und/oder in einer Richtung z‘ vertikal zur Lenkachse x‘ und/oder in einer Richtung entlang einer Fahrzeughochachse z (vgl. eine Höhenfeststellungseinheit 15.1 ); eine zentrale Steuereinheit 1 1.2 zur Kommunikation mit dem Fahrzeug 100 sowie Steuerung sämtlicher Stellglieder bzw. sämtlicher funktionswesentlichen Komponenten des Lenksäulenmoduls 10; eine (nach Kundenwusch und/oder Fahrzeugmodell) mechanische und/oder elektrische Schnittstelle 4 zum Lenkrad; eine (nach Kundenwusch und/oder Fahrzeugmodell) mechanische und/oder elektrische Schnittstelle 3 zum Fahrzeug 100, insbesondere zu einem zentralen Steuergerät 110 des Fahrzeuges 100; mindestens ein reversibler und/oder irreversibler Puffer bzw. Absorber 14 für die

Crashenergie; eine Sensoreinheit 11.1 mit einer redundant ausgeführten Drehmomentsensorik, ggf. mit einer integrierten mechanischen und/oder elektrischen Drehwinkelbegrenzung und/oder einer variabel ausführbaren bzw. einstellbaren Drehsteifigkeit, sowie einer redundant ausgeführten Lenkwinkelsensorik; eine (ggf. separat bzw. redundant ausgeführte) elektrische und/oder mechanische, bspw. variabel softwaregeregelt mit mechanischer Endbegrenzung, Drehwinkelbegrenzung (aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt); eine automatische und/oder aktive (mechanische und/oder elektrische)

Mittenrückführungseinheit 16 des Lenkrades 101 (ggf. mit Unterstützung durch den Force- Feedback-Aktuator 1 1 ); und/oder eine Dämpfungseinheit bzw. Leerlaufschlagbegrenzung zur Vermeidung von

"Leerlaufschlag" bei plötzlichem Ausfall des Force-Feedback-Aktuators (aus

Einfachheitsgründen nicht gezeigt).

Die Mittenrückführungseinheit 16 kann beispielsweise ein Stangengetriebe aufweisen, bei welchem eine Stellstange beidseitig mit jeweils einer Feder beaufschlagt ist. Die Federn können dabei dazu dienen, dass das Lenkrad 101 sich nach einer Lenkbewegung in die mittige Position zurückgeführt wird.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung

ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Lenksäulenmodul

1 1 Force-Feedback-Aktuator

1 1.1 Sensoreinheit

1 1.2 Steuereinheit

14 Crashenergie-Absorber

15 Positions-Aktuatorik

15.1 Höhenfeststellungseinheit

15.2 Längenfeststellungseinheit

16 Mittenrückführungseinheit

1 Bus

2 Bus

3 Schnittstelle, Bus

4 Schnittstelle

100 Fahrzeug

101 Lenkrad

102 Steuerkabel

103 Lenkgetriebe

110 zentrales Steuergerät

D Lenkachse x Fahrzeuglängsachse

y Fahrzeugquerachse

z Fahrzeughochachse x‘ Richtung entlang der Lenkachse

y‘ Richtung horizontal zur Lenkachse (Lenkquerachse) z‘ Richtung vertikal zur Lenkachse (Lenkhochachse)