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Nachfolgende
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer servounterstützten Hilfskraftlenkung gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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In
der Patentschrift
DE
197 51 397 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieb eines Hilfskraftlenksystems der zuvor erwähnten
Art beansprucht. Das Patent erstreckt sich auf einen elektrischen
Stellantrieb eines Überlagerungsstellers, dessen initiierte
Bewegung mit einem fahrerseitigen Lenkwinkel zur Erzeugung der Lenkbewegung
des lenkbaren Rades überlagert wird. In Abhängigkeit
einer zeitlichen Änderung der durch den Stellantrieb initiierter
Bewegung wird die Energiezufuhr des Antriebs auf null reduziert.
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In
der
DE 103 15 704
A1 wird eine Hilfskraftlenkung mit einer Elektromotorsperre
vorgeschlagen, bei der ein Elektromotor mit einer mechanischen Sperre
versehen ist, die in einer störungsbehafteten Situation
ein mechanisches Getriebeteil eines Überlagerungsgetriebes
fixiert, indem das Getriebeteil mit langlochförmigen Nuten
versehen ist, in die Stift der mechanischen Sperre eingreift. Des
Weiteren ist vorgesehen, dass die Sperre vor der Entriegelung auf eine
fehlerfreie Sperrfunktion hin überprüft wird.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 022 493 A1 wird eine Lenkung mit
variabler Lenkübersetzung vorgestellt, bei der ein Sperrteil
zum Lösen einer Verbindung zwischen einer Eingangswelle
und einer Ausgangswelle einer Übersetzungsverstelleinheit
vorgesehen ist. Zur Vermeidung einer erregerspulenverursachter Fehlfunktion
ist eine Diagnostik vorgesehen, die den Sollwert des Stromes, der
durch die Erregerspule fließen soll, mit dem Wert des tatsächlich
fließenden Stromes vergleicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben,
mit denen es ermöglicht wird, die Betriebssicherheit eines
elektrischen Aktuators zu erhöhen.
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Die
verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe wird
durch den Anspruch 1 und die vorrichtungsgemäße
Lösung wird durch Anspruch 5 angegeben.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung geht von einem elektrischen Aktuator aus, der mittels
einer elektrischen Verbindungsleitung funktional mit einer elektronischen Steuereinheit
verbunden ist. Die Steuereinheit und der Aktuator sind separiert
in von einander getrennten Gehäusen angeordnet.
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Gemäß der
Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Signalbewertung seitens des
Aktuators erfolgt. Die Auswertung des Signals basiert dabei auf einer
Analyse des elektrischen Signals oder des Signalsverlaufs in der
elektrischen Verbindungsleitung. Die Analyse erfolgt nach definierbaren
Kriterien, wonach eine Gültigkeitsbewertung vorgenommen
wird, und in Folge des Ergebnisses der Bewertung eine Zuordnung
eines Betriebszustandes des Aktuators vorgenommen wird.
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Im
Wesentlichen ist ein Wechsel zwischen zwei Betriebszuständen
des Aktuators vorgesehen.
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Vorteilhafte
Ausprägungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der
Erfindung sind nachfolgend beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist
es vorgesehen, dass die Kriterien der Gültigkeitsbewertung
einen statischen- oder dynamischen Amplituden- und/oder Zeitverlaufs
des elektrischen Signals der Verbindungsleitung beschreiben.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens
ist es vorgesehen, dass die Signalauswertung eine Stabilisierungs-
oder Begrenzungsstufe und/oder Komparator- und/oder Mittelwertbilder und/oder
eine PWM-Normalisierungsstufe beinhaltet.
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Des
Weiteren ist verfahrenstechnisch vorgesehen, dass ein Betriebszustand
des Aktuators durch die Herstellung einer elektrisch niederohmigen
oder hochohmigen Verbindung eines dem Aktuator zugeordneten elektromechanischen
Wandlers mit der Verbindungsleitung gekennzeichnet ist.
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Gemäß der
Erfindung wird zur vorrichtungsgemäßen Lösung
eine Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem Aktuator vorgeschlagen,
bei der mit einem Überlagerungsgetriebe zur Einleitung
eines Zusatzlenkwinkels zum Zwecke der additiven Überlagerung mit
einem Lenkwinkel zur Bildung eines Gesamtlenkwinkels mechanisch
verbunden ist, das Aktuator-Gehäuse separiert von einem
der Lenkung zuordenbaren ECU-Gehäuse ist und mit einer
elektrischen Verbindungsleitung zu Steuerungszwecken verbunden ist.
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Im
Aktuator erfolgt eine Signalauswertung, wobei Schaltmittel zur Herstellung
einer elektrisch niederohmigen oder hochohmigen Verbindung eines dem
Aktuator zugeordneten elektromechanischen Wandlers mit der Verbindungsleitung
vorgesehen sind, wobei die Signalauswertung derart ausgeführt ist,
das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Der
elektromechanische Wandler weist einen Stift auf, der dafür
vorgesehen ist, eine Rotorwelle eines Elektromotors, der zur Einleitung
des Zusatzlenkwinkels vorgesehen ist, durch Einrastung in eine Ausnehmung
einer mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Ritzelscheibe zu arretieren.
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In
einer weiteren vorrichtungsgemäßen Lösung
ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler mittels einer
Hebelmechanik auf eine auf Reibung basierende, Bremsbacken und Bremsscheibe
aufweisende Bremsvorrichtung wirkt, die dafür vorgesehen
ist, die Rotorwelle des Elektromotors durch Klemmung zu arretieren.
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1 zeigt
schematisch eine Ausgestaltung und Einbettung der Erfindung in einer
elektrischen Hilfskraftlenkung nach dem Überlagerungsprinzip.
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2 zeigen
vorteilhafte Ausführungsformen einer Funktionseinheit gemäß der
Erfindung.
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Einem Überlagerungsgetriebe 12 wird
in einem ersten Lenkwellenabschnitt 11 mittels einer Lenkhandhabe 10 fahrerseitig
eingeleiteter Lenkwinkel δS zugeführt.
Ein Zusatzlenkwinkel δZ wird an
einer zweiten Eingangswelle 14 dem Überlagerungsgetriebes 12 zur
Erzeugung des Summenlenkwinkels δG an
der Ausgangswelle 13 zugeführt.
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Die
zweite Eingangswelle 14 steht in getrieblicher Verbindung
mir der Rotorwelle 212 eines Elektromotors 210.
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Mittels
einer Servounterstützungseinheit 16 und eines
entsprechenden Getriebes, wobei die Servounterstützung
elektrisch oder hydraulisch realisiert sein kann, wird der Gesamtlenkwinkel δG in eine translatorische Bewegung der Zahnstange 15 überführt
um einen Radlenkwinkel δR an den
gelenkten Rädern einzustellen.
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Der
Aktuator 200 beinhaltet den Elektromotor 210 mit
seiner Rotorwelle 212 zur Einprägung des vorgebbaren
Zusatzlenkwinkels δZ. Der Elektromotor 210 wird
hierfür von einer Steuer- und Regeleinheit 100 und
einer elektronischen Endstufe, nach Maßgabe eines berechneten
Sollwerts für den Zusatzlenkwinkel entsprechend bestromt.
In der 1 ist dies jedoch nicht explizit dargestellt.
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In
getrieblicher Verbindung zur Rotorwelle 212 des Elektromotors 210 steht
eine Ritzelscheibe 211, die Aussparungen aufweist, die
dafür vorgesehen sind, einen Sperrstift 221 zu
Arretierung der Rotorwelle 212 aufzunehmen.
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Der
elektromechanische Wandler 220 und der Stift 221 können
radial als auch axial bezüglich der Ritzelscheibe 211 angeordnet
sein. Die Aussparungen sind entsprechend auf einer Stirnseite oder am
Umfang der Ritzelscheibe 211 eingebracht.
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Der
Sperrstift 221 bildet zusammen mit Elektromagnet 223 einen
elektromechanischen Wandler 220.
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Der
Elektromagnet 223 des Wandlers ist mit einer Verbindungsleitung 104 zu
Steuerungszwecken mit der Steuer- und Regeleinheit 100 verbunden.
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Die
Verbindungsleitung 104 kommt hierbei die Funktion einer
Signal- und Energieübertragung zu. Die Verbindungsleitung 104 weist
im Beispiel einen Hin- und Rückleiter auf.
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In
einer nicht dargestellten Variante wirkt der elektromechanische
Wandler über Bremsbacken auf eine Bremsscheibe, die mit
der Eingangswelle 14 verbunden ist und zur Hemmung der
Rotationsbewegung der Rotorwelle 212 vorgesehen ist.
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Das
der Steuer- und Regeleinheit zugeordnete ECU-Gehäuse 101 und
das dem Aktuator 200 zugeordnete Aktuator-Gehäuse 201 sind
voneinander räumlich getrennt im Kraftfahrzeug angeordnet.
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Im
stromlosen Zustand des Wandlers 220 befindet sich der Stift 221 in
ausgefahrener Position und greift in die Ritzelscheibe 211 ein.
In einem bestromten Zustand zieht der Wandler den Stift aus den Ritzelscheibe
heraus und gibt in folge dessen die Rotorwelle 212 und
somit die zweiten Eingangswelle 14 des Überlagerungsgetriebes 12 zur
Einleitung einer Drehbewegung frei.
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Seitens
des Aktuators 200 erfolgt eine Signalbewertung mittels
einer Funktionseinheit 300, die ein Signal der elektrischen
Verbindungsleitung an dem Knoten S_UB bezüglich des Knotens
GND abfühlt.
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In
der Funktionseinheit 300 erfolgt eine Signalauswertung
unter Verwendung eines Auswerte-Verfahrens 310, 320, 330 bei
dem das elektrische Signal der Verbindungsleitung 104 nach
definierbaren Kriterien analysiert und eine Gültigkeitsbewertung
des elektrischen Signals vorgenommen wird. Die Analyse des Signals
erfolgt nach definierbaren Kriterien. Basierend auf die Analyse
erfolgt eine Gültigkeitsbewertung und nach Maßgabe
des Ergebnisses der Bewertung eine Zuordnung eines Betriebszustands
des Aktuators 200 mittels des Schalters SE Ist das
Ergebnis der Gültigkeitsbewertung positiv, d. h. wurde
das elektrische Signal als plausibel gemäß der vorgegebenen
Kriterien bewertet, wird der Schalter SE geschlossen
und eine geschlossener Stromkreis hergestellt. In diesem Zustand
wird es ermöglicht, dass die Steuer- und Regeleinheit 100 den
Wandler 220 zur Lösung der Sperre 221 durch
entsprechenden Betrieb des PWM-Generators 103 beziehungsweise
des Schalters SPWM der elektronischen Endstufe
bestromt.
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Dementsprechend
hat ein negatives Ergebnis der Gültigkeitsbewertung zur
Folge, dass der Schalter SE in geöffneten
Zustand verbleibt und es nicht möglich ist, den elektromechanischen
Wandler 220 ausgehend von der Steuer- und Regeleinheit 100 zu
bestromen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass der elektromechanische Wandler 220 über
das Aktuator-Gehäuse 201 mit der Fahrzeugmasse
verbunden ist, um den Rückleiter zu ersparen. Die Herstellung einer
elektrisch hoch- oder niederohmigen Verbindung mittels des Schalters
SE erfolgt dabei über die Fahrzeugmasse.
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In
der aktuatorseitigen Funktionseinheit 300 können
hierzu unterschiedliche Auswerteverfahren 310, 320, 330 als
reine Hardwarelösung oder als kombinierte Hard- und Softwarelösung
unter Verwendung eines computerimplementierten Verfahrens umgesetzt
sein.
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Den
Auswerteverfahren 310, 320, 330 werden
eingangsseitig das Signal der elektrischen Verbindungsleitung 104,
das am Knoten S_UB abgefühlt wird, zugeführt.
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Verschiedene
Ausführungen der Auswerteverfahren werden anhand der 2 beschrieben.
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Ein
erstes Auswerteverfahren 310 weist optional eine Stabilisierung
und/oder Begrenzung 311 auf, welche dafür vorgesehen
ist, die Spannung des abgefühlten Signals zu begrenzen
oder zu stabilisieren. Von Vorteil ist es, die PWM Amplitude auf
einen Wert zu stabilisieren, der kleiner ist, als die kleinste vorkommenden
PWM-Amplitude. Ein nach geschalteter Mittelwertbildner 312 erzeugt
an seinem Ausgang eine Gleichspannung, die proportional zum Tastverhältnis
der PWM ist. In einer vorteilhaften und einfachen Ausführung
besteht der Mittelwertbildner 321 aus einem RC-Tiefpassfilter.
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Das
Ausgangssignal des Mittelwertbildners wird nachfolgend einem Komparator 313 zugeführt, der
in Abhängigkeit einer festlegbaren Schaltschwelle mit einer
optionalen Schalt-Hysterese den Schalter SE in
einen leitenden oder in einen sperrenden Zustand schaltet. Darüber
hinaus kann der Komparator ein Speicherelement enthalten, das den
Schaltzustand speichert.
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Das
zuvor beschriebene erste Auswerteverfahren analysiert somit im Wesentlichen
das Tastverhältnis des PWM-Signals.
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Als
Alternative hierzu ist ein zweites Auswerteverfahren 320 vorgesehen,
bei dem im Wesentlichen eine Frequenzanalyse des Signals vorgenommen
wird.
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Das
zweite Auswerteverfahren 320 weist ebenfalls optional eine
Stabilisierung und/oder Begrenzung 321 auf, welche dafür
vorgesehen ist, die Spannung des abgefühlten Signals zu
begrenzen oder zu stabilisieren. Nachfolgend ist eine Schaltung 322 vorgesehen,
die die unterschiedlichen Tastverhältnisse auf ein konstantes
Tastverhältnis normalisiert („PWM-Normalisierer").
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der PWM-Normalisierer
als Monoflop ausgeführt. Das Ausgangssignal des PWM-Normalisierers 322 wird
einem Mittelwertbildner 323 zugeführt und nachfolgend
einem Komparator 324, der in Abhängigkeit einer
Schaltschwelle mit einer optionalen Schalt-Hysterese entsprechend
einer festlegbaren Frequenz den Schalter SE in
einen leitenden oder sperrenden Zustand schaltet. Auch in dieser
Ausführungsvariante kann der Komparator ein Speicherelement
enthalten, das den Schaltzustand speichert.
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Abschließend
wird ein drittes Auswerteverfahren 330 vorgestellt, welches
im Wesentlichen eine mikrorechnerbasierte Auswertung mittels computerimplementierten
Algorithmen zur digitalen Signalanalyse vorsieht.
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Hierzu
ist optional eine Stabilisierung und/oder Begrenzung 331 vorgeschaltet.
Nachfolgend wird das Signal einem digitalen und/oder analogen Eingangsport
des Mikrorechners 332 für den Zweck einer digitalen
Signalanalyse zugeführt. In Abhängigkeit des Ergebnisses
der Gültigkeitsbewertung steuert der Mikrorechner den Schalter
SE in einen leitenden oder einen sperrenden
Zustand.
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Der
Schalter SE ist bevorzugt als elektronischer
Halbleiterschalter ausgeführt. Er kann auch als elektromechanischer
Schalter (Relais) ausgeführt sein.
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Die
Kriterien der Gültigkeitsbewertung sind derart festlegbar,
dass sie in der Lage sind, einen statischen- oder dynamischen Amplituden-
und/oder Zeitverlauf des elektrischen Signals der Verbindungsleitung 104 zu
beschreiben.
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Wesentlich
ist, dass ein Betriebszustand des Aktuators 200 durch die
Herstellung einer elektrisch niederohmigen oder hochohmigen Verbindung
eines dem Aktuator 200 zugeordneten elektromechanischen
Wandlers 220 mit der Verbindungsleitung 104 gekennzeichnet
ist.
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Die
Herstellung der hoch- oder niederohmigen Verbindung erfolgt dabei
mit dem Schalter SE.
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Entsprechende
Variation und Kombination der Auswerteverfahren mittels elektronischer
Schaltung und computerimplementierten Rechenverfahren ergeben sich
für den Fachmann in naheliegender Weise.
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- 10
- Lenkhandhabe
- 11
- Eingangswelle,
erste
- 12
- Überlagerungsgetriebe
- 13
- Ausgangswelle
- 14
- Eingangswelle,
zweite
- 15
- Zahnstange
- 16
- Servounterstützungseinheit
- 17
- Räder
- 18
- Batterie
- 100
- Steuer-
und Regeleinheit (ECU)
- 101
- ECU-Gehäuse
- 102
- Mikrorechner,
ECU-seitig
- 103
- PWM
Signalgenerator
- 104
- Verbindungsleitung,
Hin- und Rückleiter
- SPWM
- PWM-Schalter
- 200
- Aktuator
- 201
- Aktuator-Gehäuse
- 210
- Elektromotor
- 211
- Ritzelscheibe
- 212
- Rotorwelle
- 220
- Wandler
- 221
- Stift,
Wandler
- 223
- Elektromagnet,
Wandler
- S_UB,
GND
- Abgreifpunkte
- SE
- Freigabe-Schalter
- δS,
- Lenkwinkel,
fahrerseitig
- δZ
- Zusatzlenkwinkel
- δG
- Gesamtlenkwinkel
- δR
- Radlenkwinkel
- 300
- Funktionseinheit
- 310,
320, 330
- Auswerteverfahren;
erste, zweite und dritte Ausführung
- 311,
321, 331
- Stabilisierer/Begrenzer
- 312,
323
- Mittelwertbilder
- 313,
324
- Komparator
- 322
- PWM-Normalisierer
- 332
- Mikrorechner,
aktuatorseitig
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19751397
B4 [0002]
- - DE 10315704 A1 [0003]
- - DE 102004022493 A1 [0004]