DE10032180A1

DE10032180A1 - Steer-by-wire-Lenksystem

Info

Publication number: DE10032180A1
Application number: DE2000132180
Authority: DE
Inventors: Thomas Doersam; Mathias Hartl; Jens Kalkkuhl; Ola Nockhammar
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-07-01
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2002-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Steer-by-wire-Betrieb ermöglicht, umfassend eine Lenkhandhabe, z. B. Lenkhandrad, einen mit der Lenkhandhabe betätigten Lenkwinkel-Sollwertgeber, der mit einem ersten Lenkwinkelsensor und mit einem zweiten Lenkwinkelsensor arbeitet, einen lenkbare Fahrzeugräder betätigenden Lenkstellantrieb, einen mit den lenkbaren Fahrzeugrädern betätigten Lenkwinkel-Istwertgeber, eine Steuerung, die in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs der Lenkwinkel den Lenkstellantrieb betätigt, wobei die Steuerung die Funktion der Lenkwinkelsensoren überwacht und mit deren Lenkwinkelsollwerten redundant arbeitet, derart, daß die Steuerung bei ordnungsgemäßer Funktion des ersten Lenkwinkelsensors die Lenkwinkelsollwerte des ersten Lenkwinkelsensors für den Soll-Ist-Vergleich heranzieht und bei einem Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors umschaltet. DOLLAR A Um für den Fall, daß beim Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors eine Winkeldifferenz zwischen den Lenkwinkelsensoren besteht, eine ausreichende Fahrzeugsicherheit gewährleisten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Steuerung beim Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors vom letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors über wenigstens einen Zwischenwert, der zwischen diesem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Steer-by-wire-Betrieb ermöglicht, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE 198 04 675 A1 und der DE 198 05 383 A1 sind derartige Lenksysteme bekannt, umfassend eine als Lenkhandrad ausgebildete Lenkhandhabe, einen mit der Lenkhandhabe betätigten Lenkwinkel-Sollwertgeber, der mit einem ersten Lenkwinkelsensor und mit einem zweiten Lenkwinkelsensor arbeitet, einen lenkbare Fahrzeugräder betätigenden Lenkstellantrieb, einen mit den lenkbaren Fahrzeugrädern betätigten Lenkwinkel-Istwettgeber, sowie eine Steuerung, die in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleiches der Lenkwinkel den Lenkstellantrieb betätigt. Dabei überwacht die Steuerung die Funktion der Lenkwinkelsensoren und arbeitet mit deren Lenkwinkelsollwerten redundant, derart, daß die Steuerung bei ordnungsgemäßer Funktion des ersten Lenkwinkelsensors die Lenkwinkelsollwerte des ersten Lenkwinkelsensor für den vorgenannten Soll-Ist-Vergleich heranzieht und bei einem Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors umschaltet.

Bei einem Steer-by-wire-Betrieb des Lenksystems besteht keine direkte mechanische Kopplung zwischen den lenkbaren Fahrzeugrädern und der Lenkhandhabe. Die Kopplung erfolgt elektronisch über die Steuerung mittels des Lenkwinkel- Sollwertgebers und des Lenkwinkel-Istwertgebers. Der Lenkwinkel-Sollwertgeber arbeitet mit zwei Lenkwinkelsensoren, die mit der Lenkhandhabe betätigt werden. Bei einer Fehlfunktion des einen Lenkwinkelsensors muß auf den anderen Lenkwinkelsensor umgeschaltet werden. Falls ein Umschalten auf einen zweiten Lenkwinkelsensor nicht möglich ist, muß zur Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit der Steer-by-wire- Betrieb verlassen werden, damit das Lenksystem in einem Notbetrieb arbeiten kann, der eine mechanische oder hydraulische Kopplung zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern aufweist.

Bei einem mit zwei Lenkwinkelsensoren arbeitetenden Lenkwinkel-Sollwertgeber kann zwischen den beiden Lenkwinkelsensoren eine Winkeldifferenz auftreten, beispielsweise wenn die beiden Lenkwinkelsensoren örtlich an verschiedenen Stellen an einer Lenksäule plaziert sind, die mit der Lenkhanddhabe antriebsgekoppelt ist. Durch die Elastizität der Lenksäule kann sich aufgrund von in die Lenksäule eingeleiteten Torsionsmomenten eine Winkeldifferenz zwischen den beiden Lenkwinkelsensoren ausbilden. Beim Umschalten zwischen den Lenkwinkelsensoren kann daher auf der Sollwertseite ein Lenkwinkelsprung auftreten, der einen entsprechenden Lenkwinkelsprung auf der Istwertseite nach sich zieht und ein sprunghaftes Lenkverhalten des Fahrzeuges zur Folge hat. Bei größeren Winkeldifferenzen kann sich daraus eine kritische Fahrsituation ergeben, da diese Lenkbetätigung auf der Istseite für den Fahrer völlig unerwartet auftreten kann.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Lenksystem der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß sich die Fahrzeugsicherheit beim Ausfall eines der Lenkwinkelsensoren erhöht.

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

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Übergang zwischen den Lenkwinkelsollwerten des ersten Lenkwinkelsensors und den Lenkwinkelsollwerten des zweiten Lenkwinkelsensors mittels wenigstens eines Zwischenwertes zeitlich zu verzögern. Auf diese Weise kann ein großer Lenkwinkelsprung an den lenkbaren Fahrzeugrädern vermieden werden, wodurch sich die Fahrzeugsicherheit erhöht.

Durch die Auswahl der Zwischenwerte, insbesondere durch deren Anzahl, kann der Übergang beim Umschalten auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors relativ beliebig ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die Steuerung so ausgebildet sein, daß mehrere Zwischenwerte einen mehrstufigen Übergang auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensor ermöglichen. Ebenso ist ein rampenförmiger Übergang möglich, der sich bei hinreichend großer Stufenzahl ausbildet. Des weiteren kann auch ein kontinuierlicher oder stufenloser Übergang erreicht werden, wobei die Unterscheidung zwischen einem "stufigen" und einem "stufenlosen" Übergang in der Regel durch die Stufenzahl, d. h. die Auflösung, definiert werden können.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform können die Zwischenwerte so gewählt sein, daß der Übergang auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors eine vorbestimmte Zeit in Anspruch nimmt. Diese Zeit ist zweckmäßig so gewählt, daß der Fahrzeugführer durch die Lenkwinkelkorrektur auf der Istseite nicht überrascht wird, sondern diese intuitiv auf der Sollseite ausgleichen kann.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerung beim Umschalten von den Lenkwinkelsollwerten des ersten Lenkwinkelsensors auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors in Analogie zu folgendem Gleichungssystem vorgehen:

wobei
LW_k = Lenkwinkel zum Zeitpunkt k,
LWSI₀ = letzter zulässiger Lenkwinkel des ersten Lenkwinkelsensors,
LWSII_k = Lenkwinkel des zweiten Lenkwinkelsensors zum Zeitpunkt k,
N = Anzahl der Stufen,
k = aktueller Zeitpunkt.

Alternativ kann die Steuerung auch in Analogie zu folgender Gleichung arbeiten:

wobei hier zusätzlich
LWSII₀ = Lenkwinkel des zweiten Lenkwinkelsensors zum Zeitpunkt des letzten zulässigen Lenkwinkels des ersten Lenkwinkelsensors (k = 0).

Wenn die Steuerung nach einer vorgenannten Formeln arbeitet, kann zuverlässig ein verzögertes oder gedämpftes Umschalten auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors erreicht werden, wobei durch die Vorgabe der Stufenzahl N und durch die Wahl der Taktzeit zwischen den einzelnen Stufen der zeitliche Verlauf des Übergangs vorgegeben werden kann.

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 einen schaltplanartigen, stark vereinfachten Aufbau eines erfindungsgemäßen Lenksystems.

Entsprechend Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Lenksystem 1 eine Lenkhandhabe 2, hier ein Lenkhandrad, auf, das von einem Fahrzeugführer manuell betätigbar ist. Die Lenkhandhabe 2 ist mit einer Lenkstange oder Lenksäule 3 antriebsgekoppelt, an der ein erster Lenkwinkelsensor 4 sowie ein zweiter Lenkwinkelsensor 5 angeordnet sind. Die beiden Lenkwinkelsensoren 4 und 5 sind über Signalleitungen 6 und 7 mit einer Steuerung 8 des Lenksystems 1 verbunden. In der Lenksäule 3 ist zwischen den Lenkwinkelsensoren 4 und 5 ein Torsionsstab 9 angeordnet, der als Torsionsfeder dient. Des weiteren ist die Lenksäule 3 mit einer Zahnscheibe 10 drehfest gekoppelt, an der ein elektromotorischer Handmomentensteller 11 angreift.

Die Lenkwinkelsensoren 4 und 5 bilden einerseits ein redundantes System zur Bestimmung eines Lenkwinkelsollwertes, so daß die Lenkwinkelsensoren 4 und 5 Bestandteile eines Lenkwinkel-Sollwertgebers 44 bilden, was durch eine geschweifte Klammer symbolisiert ist. Andererseits ermöglichen die beiden Lenkwinkelsensoren 4 und 5 durch ihre beidseitige Anordnung bezüglich des Torsionsstabes 9 die Ermittelung eines Handmomentes, das an der Lenkhandhabe 2 wirksam ist. Dieses Handmoment läßt sich aus der Winkeldifferenz zwischen den Lenkwinkelsensoren 4 und 5 sowie aus der bekannten Kennlinie des Torsionsstabes 9 ermitteln.

Die Lenksäule 3 endet mit einem als Spindelstange ausgebildeten Endabschnitt 12 in einem Geberzylinder 13 und treibt darin einen Kolben 14 an. Der Kolben 14 trennt im Geberzylinder 13 zwei Kammern 15 und 16, die über Hydraulikleitungen 17 und 18 mit entsprechenden Kammern 19 und 20 eines Lenkstellantriebs 21 verbunden sind. Der Lenkstellantrieb 21 ist dabei als Kolben-Zylinder-Aggregat ausgebildet, dessen Kolbenstange 22 über Spurstangen 23 und 24 an lenkbaren Fahrzeugrädern 25 und 26 angreift, wobei eine Verstellung der Kolbenstange 22 eine Lenkbetätigung der Fahrzeugräder 25 und 26 bewirkt.

Mit der Kolbenstange 22 wirkt ein Lenkwinkel-Istwertgeber 42 zusammen, der über eine Signalleitung 43 mit der Steuerung 8 verbunden ist.

Auf der Kolbenstange 22 sitzen zwei Kolben 27 und 28, die im Inneren eines Zylinders 29 des Lenkstellantriebs 21 vier Kammern ausbilden, nämlich die vorgenannten, axial außenliegenden Kammern 19 und 20 sowie axial innenliegende Kammern 30 und 31, die im Zylinder 29 durch eine zylinderfeste Trennwand 32 voneinander axial abgetrennt sind.

Die axial innenliegenden Kammern 30 und 31 sind über Hydraulikleitungen 33 und 34 an ein Servoventil 35 angeschlossen, das über eine Steuerleitung 36 durch die Steuerung 8 betätigbar ist, und über eine Hochdruckleitung 37 mit einer Servopumpe 38 und über eine Niederdruckleitung 39 mit einem relativ drucklosen Hydraulikmittelreservoir 40 verbunden. Die Servopumpe 38 ist saugseitig ebenfalls an das Hydraukmittelreservoir 40 angeschlossen und kann über eine Steuerleitung 41 von der Steuerung 8 betätigt werden.

Das erfindungsgemäße Lenksystem 1 arbeitet wie folgt:

Im Steer-by-wire-Betrieb vergleicht die Steuerung 8 permanent die Istwerte und die Sollwerte der Lenkwinkel und steuert dementsprechend das Servoventil 35 sowie die Servopumpe 38. Um an der Lenkhandhabe 2 Radkräfte zu simulieren, betätigt die Steuerung 8 den Handmomentsteller 11 in entsprechender Weise. Die hydraulische Kopplung zwischen dem Geberzylinder 13 und den einen Nehmerzylinder bildenden axial außenliegenden Kammern 19 und 20 des Lenkstellantriebes 21 kann dabei offen sein, wobei entsprechende Ventilmittel od. dgl. hier aus Gründen der Übersicht weggelassen sind.

Die Steuerung 8 überwacht ständig die korrekte Funktion der einzelnen Komponenten, insbesondere der Lenkwinkelsensoren 4 und 5.

Sobald die Steuerung 8 einen Ausfall des ersten Lenkwinkelsensor 4 bemerkt, wird für den Soll-Ist-Vergleich der Lenkwinkel auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors 5 umgeschaltet, sofern dieser korrekt arbeitet. Erfindungsgemäß erfolgt dieses Umschalten nicht direkt und abrupt durch eine einstufige Sprungfunktion, sondern indirekt über wenigstens einen Zwischenwert, der zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors 4 und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors 5 liegt. Auf diese Weise ergibt sich eine zeitliche Verzögerung oder Dämpfung beim Umschalten auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors 5.

Es ist klar, daß dieser Umschaltvorgang nur dann über den wenigstens einen Zwischenwert erfolgt, wenn zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors 4 und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors 5 eine Differenz besteht, die vom System erkennbar ist oder einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.

Durch eine entsprechende Auswahl der Zwischenwerte, insbesondere durch eine entsprechend hohe Anzahl an Zwischenwerten, kann der Umschaltvorgang abgestuft ausgeführt werden, wobei grundsätzlich beliebige Abstufungen einstellbar sind. Des weiteren kann die Zeit vorgegeben werden, innerhalb der die anfängliche Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors 4 und den Lenkwinkelsollwerten des zweiten Lenkwinkelsensors 5 auf den Wert Null reduziert werden soll.

Durch den erfindungsgemäß ausgestalteten Übergang auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors 5 beim Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors 4 können die Folgen einer sprunghaften Lenkbetätigung, insbesondere die Gefahr einer Fehlreaktion durch den Fahrzeugführer, vermindert werden, wodurch sich die Fahrzeugsicherheit erhöht.

Durch die redundant vorhandenen Lenkwinkelsollwerte braucht das Lenksystem 1 beim Ausfall eines der Lenkwinkelsensoren 4 und 5 nicht von seinem Steer-by-wire-Betrieb in einen Notbetrieb umgeschaltet werden, bei dem die Hydraulikverbindungen 17 und 18 geschlossen sind, um die Lenkhandhabe 2 hydraulisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern 25 und 26 zu koppeln.

Claims

1. Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Steer-by-wire- Betrieb ermöglicht, umfassend eine Lenkhandhabe (2), z. B. Lenkhandrad, einen mit der Lenkhandhabe (2) betätigten Lenkwinkel-Sollwertgeber (44), der mit einem ersten Lenkwinkelsensor (4) und mit einem zweiten Lenkwinkelsensor (5) arbeitet, einen lenkbare Fahrzeugräder (25, 26) betätigenden Lenkstellantrieb (21), einen mit den lenkbaren Fahrzeugrädern (25, 26) betätigten Lenkwinkel-Istwertgeber (42), und eine Steuerung (8), die in Abhängigkeit eines Soll- Ist-Vergleiches der Lenkwinkel den Lenkstellantrieb (21) betätigt, wobei die Steuerung (8) die Funktion der Lenkwinkelsensoren (4, 5) überwacht und mit deren Lenkwinkelsollwerten redundant arbeitet, derart, daß die Steuerung (8) bei ordnungsgemäßer Funktion des ersten Lenkwinkelsensors (4) die Lenkwinkelsollwerte des ersten Lenkwinkelsensors (4) für den Soll-Ist-Vergleich heranzieht und bei einem Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors (4) auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors (5) umschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung beim Ausfall des ersten Lenkwinkelsensors (4) vom letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) über wenigstens einen Zwischenwert, der zwischen diesem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) liegt, auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors (5) umschaltet.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Zwischenwert so gewählt ist, daß sich eine Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) innerhalb einer vorbestimmten Zeit auf den Wert Null reduziert.

3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenwerte so gewählt sind, daß sich eine Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) mehrstufig auf den Wert Null reduziert.

4. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenwerte so gewählt sind, daß sich eine Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) rampenförmig auf den Wert Null reduziert.

5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenwerte so gewählt sind, daß sich eine Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) kontinuierlich auf den Wert Null reduziert.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenwerte so gewählt sind, daß sich eine Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) stufenlos auf den Wert Null reduziert.

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz permanent zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und dem aktuellen Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) gebildet wird.

8. Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung beim Umschalten von den Lenkwinkelsollwerten des ersten Lenkwinkelsensors (4) auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors (5) in Analogie zu folgendem Gleichungssystem vorgeht:
wobei LWSI₀ = letzter zulässiger Lenkwinkel des ersten Lenkwinkelsensors (4),
LWSII_k = Lenkwinkel des zweiten Lenkwinkelsensors (5) zum Zeitpunkt k,
N = Anzahl der Stufen,
k = aktueller Zeitpunkt.

9. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem letzten zulässigen Lenkwinkelsollwert des ersten Lenkwinkelsensors (4) und demjenigen Lenkwinkelsollwert des zweiten Lenkwinkelsensors (5) gebildet wird, der zum Zeitpunkt des letzten zulässigen Lenkwinkelsollwertes des ersten Lenkwinkelsensors (4) vorliegt.

10. Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) beim Umschalten von den Lenkwinkelsollwerten des ersten Lenkwinkelsensors (4) auf die Lenkwinkelsollwerte des zweiten Lenkwinkelsensors (5) in Analogie zu folgendem Gleichungssystem vorgeht:
wobei LWSI₀ = letzter zulässiger Lenkwinkel des ersten Lenkwinkelsensors (4),
LWSII_k = Lenkwinkel des zweiten Lenkwinkelsensors (5) zum Zeitpunkt k;
N = Anzahl der Stufen,
k = aktueller Zeitpunkt,
LWSII₀ = Lenkwinkel des zweiten Lenkwinkelsensors (5) zum Zeitpunkt des letzten zulässigen Lenkwinkels des ersten Lenkwinkelsensors (4) (k = 0).

11. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lenkwinkelsensoren (4, 5) beiderseits eines mit der Lenkhandhabe (2) antriebsgekoppelten Torsionsfederelements (9) angeordnet sind, wobei die Steuerung (8) aus der Differenz der Lenkwinkelsollwerte der beiden Lenkwinkelsensoren (4, 5) und der Kennlinie des Torsionsfederelements (9) ein an der Lenkhandhabe (2) wirkendes Handmoment ermittelt.