DE10021814A1 - Lenksystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Steer-by-wire-Betrieb ermöglicht, wobei ein Handmomentensteller vorgesehen ist, der im Steer-by-wire-Betrieb zur Simulation eines Lenkwiderstandes oder eines Rückstellmoments mit einer Lenkhandhabe, z. B. Lenkhandrad, verbunden ist. DOLLAR A Um bei einem Ausfall des Handmomentenstellers auch im Steer-by-wire-Betrieb des Lenksystems eine hinreichende Betriebssicherheit für das Fahrzeug gewährleitsten zu können, werden Dämpfungsmittel vorgesehen, die im Steer-by-wire-Betrieb bei einem Ausfall des Handmomentenstellers fahrerseitige Verstellbewegungen der Lenkhandhabe dämpfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiges Lenksystem ist aus der DE 196 07 028 C1 bekannt und ist so ausgebildet, daß es einen Steer-by-wire-Betrieb ermöglicht, indem ein Lenkhandrad des Fahrzeuges mit lenkbaren Fahrzeugrädern über eine Regelstrecke wirkungsverbunden ist, ohne daß eine mechanische Zwangskopplung zwischen Lenkhandrad und lenkbaren Fahrzeugrädern besteht. Bei einem solchen Lenksystem ist ein Handmomentensteller vorgesehen, der im Steer-by-wire-Betrieb zur Simulation eines Lenkwiderstandes und/oder eines Rückstellmoments mit dem Lenkhandrad verbunden ist. Mit Hilfe des Handmomentenstellers ist auch im Steer-by- wire-Betrieb am Lenkhandrad - ähnlich wie bei einer herkömmlichen Fahrzeuglenkung mit mechanischem Durchtrieb zwischen Lenkhandrad und lenkbaren Fahrzeugrädern - eine haptische Rückkopplung fühlbar, die eine Rückstellkraft sowie einen Lenkwiderstand darstellt. Ebenso kann ein solcher Handmomentensteller zur Simulation von Lenk- und Störkräften dienen, die tatsächlich an den lenkbaren Fahrzeugrädern angreifen.

Für das Fahrgefühl im Steer-by-wire-Betrieb ist die Simulation eines Lenkwiderstandes von erheblicher Bedeutung.

Wenn während einer Fahrt im Steer-by-wire-Betrieb in einer Kurve der Handmomentensteller ausfällt, fehlt plötzlich der vorn Handmomentensteller simulierte Lenkwiderstand. Da dieser künstlich vom Handmomentensteller erzeugte Lenkwiderstand mit der vom Fahrer in das Lenkhandrad eingeleiteten Handkraft zumindest bei konstanter Kurvenfahrt im Gleichgewicht steht, führt der Ausfall des Handmomentenstellers zu einem plötzlichen Wegfall des Lenkwiderstandes, so daß nur die Handkraft des Fahrers wirkt. Dies kann zu einer unkontrollierten Lenkbewegung führen.

Um dies bei einem Ausfall des Handmomentenstellers zu vermeiden, kann dieser redundant ausgebildet werden, d. h. die wesentlichen Bestandteile des Handmomentenstellers sind doppelt vorgesehen. Neben dem damit verbundenen Aufwand sowie den damit gekoppelten Kosten besteht bei bestimmten Fahrzeugtypen außerdem das Problem, daß zum Einbau eines redundanten Handmomentenstellers kein Bauraum zur Verfügung steht.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Lenksystem der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die auch bei einem Ausfall des Handmomentenstellers im Steer-by-wire-Betrieb eine ausreichende Fahrzeugsicherheit gewährleisten kann, wobei das Lenksystem insbesondere relativ preiswert sein soll und nur einen relativ geringen Bauraum benötigen soll.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, vom Fahrer initiierte Verstellbewegungen der Lenkhandhabe zumindest beim Ausfall des Handmomentenstellers zu dämpfen. Die Anordnung von Dämpfermitteln erübrigt die Anbringung eines redundanten Handmomentenstellers, wodurch sich Kosten, Montageaufwand und Bauraum einsparen lassen. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß es bei einem Ausfall des Handmomentenstellers zur Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit ausreicht, wenn im Steer-by-wire-Betrieb die fahrerseitigen Verstellbewegungen der Lenkhandhabe gedämpft werden.

Es ist klar, daß unter einem "Ausfall" des Handmomentenstellers nur eine solche Fehlfunktion verstanden wird, bei der keine Blockierung der Lenkhandhabe durch den Handmomentensteller auftritt.

Bei vorliegender Erfindung orientiert sich der Begriff "Dämpfung" an folgender Konvention: Während eine Federung wegabhängige Gegenkräfte bzw. Gegenmomente erzeugt, bewirkt eine Dämpfung geschwindigkeitsabhängige Gegenkräfte bzw. Gegenmomente. Das bedeutet im vorliegenden Fall, daß relativ schnellen fahrerseitigen Verstellbewegungen der Lenkhandhabe relativ große Dämpfungsmomente entgegenwirken, während relativ langsamen fahrerseitigen Verstellbewegungen entsprechend relativ kleine Dämpfungsmomente entgegenwirken. Da die Geschwindigkeit der fahrerseitigen Verstellbewegungen mit der Größe des vom Fahrer in die Lenkhandhabe eingeleiteten Handmoments korreliert, hängt das der fahrerseitigen Verstellbewegung entgegenwirkende Dämpfungsmoment von der Größe des vom Fahrer eingeleiteten Handmoments ab.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Handmomentensteller einen Elektromotor aufweisen oder durch einen Elektromotor gebildet sein, der so mit der Lenkhandhabe verbunden ist, daß Verstellbewegungen der Lenkhandhabe mit Relativverdrehungen zwischen einem Rotor und einem Stator des Elektromotors einhergehen. Die Dämpfungsmittel können dann eine Schaltungsanordnung aufweisen, die Wicklungen des Elektromotors so schaltet, daß Spannungen, die durch Relativverdrehungen zwischen Rotor und Stator induziert werden, Dämpfungsmomente erzeugen, die den Relativverdrehungen entgegenwirken. Die Schaltungsanordnung bewirkt dabei, daß der Elektromotor beim Ausfall des Handmomentenstellers als Generator arbeitet. Durch diese Maßnahme wird die Dämpfungsfunktion quasi in den Handmomentensteller bzw. in den Elektromotor integriert. Dabei benötigt eine solche Schaltungsanordnung nur einen geringen Bauraum und ist regelmäßig preiswert. Außerdem kann die Schaltungsanordnung direkt am Handmomentensteller bzw. am Elektromotor angebracht sein und daher bereits herstellerseitig im Elektromotor eingebaut sein. Somit kann ein Handmomentensteller mit integrierter Dämpfungsfunktion bereitgestellt werden, die bei entsprechenden Fehlfunktionen für einen Notlaufbetrieb des Handmomentenstellers aktivierbar ist. Durch die integrale Bauweise ergibt sich außerdem eine einfache Montage, ohne daß für diesen Notlaufbetrieb des Handmomentenstellers große zusätzliche Kosten anfallen.

Die Schaltungsanordnung kann bei einer Weiterbildung der Erfindung auch so ausgebildet sein, daß die Dämpfung von zusätzlichen Parametern, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, abhängt. Beispielsweise soll die Dämpfung bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten größer sein als bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Insbesondere kann die Dämpfung im Rangierbetrieb des Fahrzeuges auch den Wert Null aufweisen.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform können die Dämpfungsmittel wenigstens ein mechanisch arbeitendes Dämpferglied aufweisen, das mit der Lenkhandhabe gekoppelt ist. Ein derartiges Dämpferglied kann beispielsweise permanent mit der Lenkhandhabe gekoppelt sein, wobei seine Dämpfungswirkung im Normalbetrieb des Handmomentenstellers durch eine entsprechende Ansteuerung des Handmomentenstellers kompensiert wird. Ebenso ist ein im Bedarfsfall zuschaltbares Dämpferglied möglich, das nur beim Ausfall des Handmomentenstellers mit der Lenkhandhabe gekoppelt ist. Ein derartiges Dämpferglied kann beispielsweise durch mechanische Reibung die erforderliche Dämpfung erzeugen. Alternativ kann ein solches Dämpferglied auch so ausgebildet sein, daß durch die fahrerseitigen Verstellbewegungen der Lenkhandhabe im Dämpferglied eine Flüssigkeit angetrieben oder verdrängt wird, wobei das Dämpferglied durch Drosselung dieser Flüssigkeit die gewünschte Dämpfung erzeugt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lenksystems können Federmittel vorgesehen sein, die die Lenkhandhabe in eine Mittelstellung vorspannen. Durch diese Federmittel kann ein Rückstellmoment auf die Lenkhandhabe aufgebracht werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Fig. 1 zeigt eine schematisierte Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Lenksystems.

Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, die einen Steer-by-wire- Betrieb ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und müssen daher nicht näher beschrieben werden. Die nachfolgende Figurenbeschreibung bezieht sich daher vornehmlich auf die für die Erfindung relevanten Bestandteile eines erfindungsgemäßen Lenksystems bei einer speziellen Ausführungsform.

Entsprechend Fig. 1 besitzt ein Lenksystem 1 eine Lenkhandhabe 2, die hier als Lenkhandrad ausgebildet ist. Die Lenkhandhabe 2 dient dem Fahrer des Fahrzeuges zum Einleiten seines Lenkwunsches in Form einer drehenden Betätigung der Lenkhandhabe 2. Die Lenkhandhabe 2 ist über eine Lenkwelle 3 mit einem Handmomentensteller 4 antriebsverbunden, der hier lediglich durch einen mit unterbrochenen Linien dargestellten Rahmen symbolisch dargestellt ist.

In der hier vorgestellten bevorzugten Ausführungsform weist der Handmomentensteller 4 einen Elektromotor 5 auf, der einen Rotor und einen Stator besitzt. Beispielsweise ist der Rotor mit der Lenkwelle 3 verbunden, während der Stator mit der Fahrzeugkarosserie fest verbunden ist. Ebenso ist eine Ausführung möglich, bei der der Stator mit der Lenkwelle 3 gekoppelt ist, während der Rotor fahrzeugfest ist. Der Handmomentensteller 4 weist außerdem ein Handmomentensteuergerät auf, das den Elektromotor 5 parameterabhängig betätigt. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist jedoch dieses Steuergerät hier nicht dargestellt.

Der Elektromotor 5 kann beispielsweise als bürstenloser oder bürstenbehafteter sowie als permanent erregter oder fremderregter Motor ausgebildet sein. Bei der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich z. B. um einen dreistrangigen, bürstenlosen Gleichstrommotor, der dementsprechend drei Motorwicklungen enthält. Der Elektromotor 5 besitzt daher drei elektrische Anschlüsse 6a, 6b, 6c, die im Inneren des Elektromotors 5 jeweils mit einer der Wicklungen des Elektromotors 5 verbunden sind. Die Anschlüsse 6a, 6b, 6c sind über entsprechende Verbindungsleitungen 7a, 7b, 7c mit Eingängen 8a, 8b, 8c eines dreipoligen Umschalters 9 verbunden. Dieser Umschalter 9 weist erste Ausgänge 10a, 10b, 10c auf, die über Anschlußleitungen 11a, 11b, 11c mit einer Stromversorgung 12, z. B. Leistungselektronik, des Elektromotors 5 verbunden sind. Zweite Ausgänge 13a, 13b, 13c des Umschaltelements 9 sind jeweils über elektrische Widerstände 14a, 14b, 14c mit einem Sternpunkt 15 verbunden und bilden dadurch eine Sternschaltung.

Das Umschaltelement 9 enthält synchron betätigbare Schaltmittel 16, die in einer in Fig. 1 dargestellten ersten Schaltstellung die Eingänge 8a, 8b, 8c mit den ersten Ausgängen 10a, 10b, 10c verbinden. In einer zweiten Schaltstellung verbinden die Schaltmittel 16 die Eingänge 8a, 8b, 8c mit den zweiten Ausgängen 13a, 13b, 13c.

Während des Steer-by-wire-Betriebs des Lenksystems 1 befinden sich die Schaltmittel 16 des Umschalters 9 in ihrer ersten Schaltstellung, wenn der Handmomentensteller 4 ordnungsgemäß arbeitet. Bei einem Ausfall des Handmomentenstellers 4 werden die Schaltmittel 16 des Umschalters 9 in ihre zweite Schaltstellung umgeschaltet.

Das erfindungsgemäße Lenksystem 1 arbeitet wie folgt:

Im Steer-by-wire-Betrieb des Lenksystems 1 wird die ordnungsgemäße Funktion des Handmomentenstellers 4 permanent überwacht. Solange eine entsprechende, hier nicht dargestellte Steuerung des Lenksystems oder des Handmomentenstellers 4 feststellt, daß der Handmomentensteller 4 ordnungsgemäß arbeitet, sind die Schaltmittel 16 des Umschalters 9 in ihre erste Schaltstellung geschaltet. Dementsprechend sind die Anschlüsse 6a, 6b, 6c des Elektromotors 5 mit der Stromversorgung 12 verbunden, über die die Betätigung des Elektromotors 5 erfolgt, um an der Lenkhandhabe 2 Lenkwiderstände und/oder Rückstellmomente und/oder Störkräfte zu simulieren.

Sobald im Rahmen der Funktionsüberprüfung eine hinreichend gravierende Fehlfunktion des Handmomentenstellers 4 festgestellt wird, kann dies als Ausfall des Handmomentenstellers 4 interpretiert werden, so daß ein Umschalten der Schaltmittel 16 des Umschalters 9 in deren zweite Schaltstellung veranlaßt wird. Ein entsprechendes Steuergerät, das den Umschalter 9 entsprechend betätigt, ist hier nicht dargestellt. Der Umschalter 9 kann beispielsweise einen Solenoid aufweisen, der bestromt die Schaltmittel 16 in ihre erste Schaltstellung schaltet. Dabei können Federmittel vorgesehen sein, die bei unbestromtem Solenoid ein Umschalten der Schaltmittel 16 in deren zweite Schaltstellung bewirken.

Beim Ausfall des Handmomentenstellers 4 sind demnach die Anschlüsse 6a, 6b, 6c des Elektromotors 5 über die elektrischen Widerstände 14a, 14b, 14c sternförmig miteinander verbunden. Da der Elektromotor 5 dann von der Stromversorgung 12 getrennt ist, kann er als Generator arbeiten. Wenn nun der Fahrer ein Handmoment in die Lenkhandhabe 2 einleitet, hat dies eine Verstellbewegung der Lenkhandhabe 2 und somit eine Rotation der Lenkwelle 3 zur Folge. Über die Kopplung des Elektromotors 5 mit der Lenkwelle 3 geht eine fahrerseitige Verstellbewegung der Lenkhandhabe dann zwangsläufig mit einer Relativverstellung zwischen Rotor und Stator des Elektromotors 5 einher. Eine derartige Relativverstellung zwischen Rotor und Stator induziert in den Wicklungen des Elektromotors 5 eine elektrische Spannung. Da die Anschlüsse 6a, 6b, 6c über die Widerstände 14a, 14b, 14c miteinander verbunden sind, können sich elektrische Ströme ausbilden, mit der Folge, daß im Elektromotor 5 Dämpfungsmomente erzeugt werden, die einer Relativverstellung zwischen Rotor und Stator entgegenwirken. Dementsprechend greifen diese Dämpfungsmomente über die Lenkwelle 3 auch an der Lenkhandhabe 2 an. Durch eine geeignete Wahl der Widerstände 14a, 14b, 14c kann das Maß dieser Dämpfungsmomente auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Anstelle von konstanten Widerständen 14a, 14b, 14c können auch variable oder einstellbare Widerstände verwendet werden. Des weiteren ist es möglich, die Widerstände 14a, 14b, 14c mit anderen elektrischen Bauteilen zur Ausbildung eines elektrischen Netzwerkes zu kombinieren. Ein solches Netzwerk kann aktive und/oder passive sowie lineare und/oder nicht lineare Komponenten aufweisen, wodurch die Dämpfung der Lenkhandhabe 2 dementsprechend linear oder nicht linear, z. B. progressiv, ausgestaltet werden kann. Des weiteren ist es dadurch möglich, zusätzliche Parameter zur Ausgestaltung einer gewünschten Dämpfungscharakteristik zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Dämpfungswirkung in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder in Abhängigkeit des Lenkwinkels variiert werden.

Die vorstehend beschriebenen Dämpfungsmittel, nämlich Umschalter 9 und Sternschaltung 14, 15 können besonders einfach in den Handmomentensteller 4 integriert werden, wodurch sich eine kompakte Bauform für den Handmomentensteller 4 mit integrierter Notlauffunktion ergibt. Zusätzlich oder alternativ können die Dämpfungsmittel auch ein mechanisch arbeitendes Dämpferglied 17 aufweisen, das mit der Lenkhandhabe 2 gekoppelt ist. In Fig. 1 ist das Dämpferglied 17 so angeordnet, daß es an der Lenkwelle 3 angreift, wobei das Dämpferglied 17 nur symbolisch und mit unterbrochenen Linien dargestellt ist. Das Dämpferglied 17 kann beispielsweise eine mechanische Reibung an der Lenkwelle 3 verursachen, wodurch eine gewisse Dämpfungswirkung erzielt werden kann. Ein solches Dämpferglied 17 kann auch so ausgebildet sein, daß eine Lenkbetätigung der Lenkhandhabe 2 im Dämpferglied 17 eine Flüssigkeit antreibt und beispielsweise von einer ersten Kammer in eine zweite Kammer verdrängt. Dabei ist im Strömungsweg der Flüssigkeit eine Drossel angeordnet, wodurch die gewünschte Dämpfungswirkung der Verstellbewegung der Lenkhandhabe 2 erzeugt wird.

Claims (13)

1. Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Steer-by-wire- Betrieb ermöglicht, wobei ein Handmomentensteller (4) vorgesehen ist, der im Steer-by-wire-Betrieb zur Simulation eines Lenkwiderstandes oder eines Rückstellmoments mit einer Lenkhandhabe (2), z. B. Lenkhandrad, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungsmittel (9, 14, 17) vorgesehen sind, die im Steer- by-wire-Betrieb bei einem Ausfall des Handmomentenstellers (4) fahrerseitige Verstellbewegungen der Lenkhandhabe (2) dämpfen.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Handmomentensteller (4) einen Elektromotor (5) aufweist oder durch einen Elektromotor (5) gebildet ist, der so mit der Lenkhandhabe (2) verbunden ist, daß Verstellbewegungen der Lenkhandhabe (2) mit Relativverdrehungen zwischen einem Rotor und einem Stator des Elektromotors (5) einhergehen,
daß die Dämpfungsmittel eine Schaltungsanordnung (9, 14, 15) aufweisen, die Wicklungen des Elektromotors (5) so schaltet, daß Spannungen, die durch Relativverdrehungen zwischen Rotor und Stator induziert werden, Dämpfungsmomente erzeugen, die den Relativverdrehungen entgegenwirken.

3. Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mindestens einen elektrischen Widerstand (14a, 14b, 14c) aufweist.

4. Lenksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mindestens ein Umschaltelement (9) aufweist, das mindestens eine Wicklung des Elektromotors (5) bei einem ordnungsgemäßen Betrieb des Handmomentenstellers (4) mit einer Stromversorgung (12) verbindet und bei Ausfall des Handmomentenstellers (4) von der Stromversorgung (12) trennt und mit einer elektrischen Schaltung (14, 15) der Schaltungsanordnung verbindet, die mit den Spannungen, die durch Relativverdrehungen zwischen Rotor und Stator induziert werden, die den Relativverdrehungen entgegenwirkenden Dämpfungsmomente erzeugt.

5. Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (14, 15) die Wicklungen des Elektromotors (5) über elektrische Widerstände (14a, 14b, 14c) sternförmig miteinander verbindet.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (14a, 14b, 14c) einstellbar ausgebildet sind.

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung so ausgebildet ist, daß die Dämpfung von zusätzlichen Parametern, z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, abhängt.

8. Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung ein elektrisches Netzwerk aufweist, das aus mehreren miteinander verbundenen elektrischen Komponenten besteht.

9. Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten aktiv und/oder passiv und/oder linear und/oder nicht linear aufgestaltet sind.

10. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel mindestens ein mechanisch arbeitendes Dämpferglied (17) aufweisen, das mit der Lenkhandhabe (2) gekoppelt ist.

11. Lenksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpferglied (17) durch mechanische Reibung die den fahrerseitigen Verstellbewegungen der Lenkhabe (2) entgegenwirkende Dämpfung erzeugt.

12. Lenksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpferglied (17) so ausgebildet ist, daß durch die fahrerseitige Verstellbewegung der Lenkhandhabe (2) im Dämpferglied (17) eine Flüssigkeit angetrieben wird, wobei das Dämpferglied (17) durch Drosselung dieser Flüssigkeit die den fahrerseitigen Verstellbewegungen der Lenkhandhabe (2) entgegenwirkende Dämpfung erzeugt.

13. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel vorgesehen sind, die die Lenkhandhabe (2) in eine Mittelstellung vorspannen.