DE10055160A1

DE10055160A1 - Steer-by-wire vehicle steering system has linear motor with single movable carriage, electrically separate windings in series in transverse housing next to left and right wheels

Info

Publication number: DE10055160A1
Application number: DE2000155160
Authority: DE
Inventors: Hans Kocherscheidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-05-23

Abstract

The system has a linear electric motor (7) that provides the steering lock for at least two wheels on the left and right sides of the vehicle. The motor has a single movable carriage (8c) and at least two electrically separate windings (8a,8b) connected in series and arranged in a transverse housing with one winding next to left wheel (10a) and one next to the right wheel (10b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenksystem der Bauart "Steer-by-wire" mit einem den Lenkeinschlag zumindest zweier bezüglich des Fahrzeugs, ins besondere PKW's, linksseitig und rechtsseitig angeordneter Räder veranlas senden elektrischen Linearmotor. Zum bekannten Stand der Technik wird beispielshalber auf die US 5,924,518 verwiesen.The invention relates to a vehicle steering system of the "steer-by-wire" type a steering angle of at least two with respect to the vehicle, ins special cars, left and right wheels arranged send electric linear motor. The known prior art for example, refer to US 5,924,518.

Neben rein mechanisch betätigten Fahrzeug-Lenksystemen sowie solchen mit hydraulischer oder elektromotorischer Hilfskraftunterstützung werden in zunehmendem Maße auch sog. Steer-by-wire-Systeme bekannt, bei denen die Übertragung des vom Fahrzeug-Fahrer vorgegebenen Lenkwunsches ggf. geeignet abgewandelt auf elektronisch-elektrischem Wege einem den geeigneten Radeinschlag (bzw. die geeignete Lenkbewegung) initiierenden elektrischen Stellorgan übermittelt werden.In addition to purely mechanically operated vehicle steering systems and such with hydraulic or electromotive assistance are in Steer-by-wire systems are also increasingly known, in which the transmission of the steering request specified by the vehicle driver if appropriate, modified electronically and electronically initiate suitable wheel lock (or the appropriate steering movement) electrical actuator are transmitted.

Üblicherweise ist dieses genannte elektrische Stellorgan als elektrischer Drehmotor konzipiert. Da jedoch die Fahrzeug-Räder üblicherweise durch Längsverschiebung einer sog. Spurstange gelenkt bzw. eingeschlagen wer den, sind zur Erzeugung der entsprechenden Spurstangen-Bewegung auf wendige Getriebe erforderlich, die Kosten verursachen und das Fahrzeug gewicht erhöhen. Es ist daher anzustreben, die Lenkbewegung unmittelbar in eine lineare Kraftbewegung einzuleiten. Hierzu ist ein elektrischer Linear motor gut geeignet. Das o. g. US-Patent 5,924,518 beschreibt eine hilfskraft unterstützte Lenkung mit einem elektrischen Linearmotor.This electrical actuator is usually called electrical Rotary motor designed. However, since the vehicle wheels are usually through Longitudinal displacement of a so-called tie rod is steered or driven in are on to generate the corresponding tie rod movement manoeuvrable gears required, which cause costs and the vehicle increase weight. The aim should therefore be to direct the steering movement to initiate a linear force movement. This is an electrical linear motor well suited. The above US Patent 5,924,518 describes an assistant assisted steering with an electric linear motor.

Wird in einem Steer-by-wire-Lenksystem ein Elektro-Linearmotor mit her kömmlicher Technologie verwendet, so treten bei Ausfall dieses Motors bzw. Antriebes gravierende Sicherheitsprobleme auf, zur Vermeidung derer hier eine einfache Abhilfemaßnahme aufgezeigt werden soll (= Aufgabe der vor liegenden Erfindung).An electric linear motor is used in a steer-by-wire steering system conventional technology, so if this engine fails or Drive serious security problems to avoid those here a simple remedy is to be shown (= task of the lying invention).

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der einen ein zigen verfahrbaren Schlitten aufweisende Linearmotor mit zumindest zwei schaltungstechnisch voneinander getrennten und dabei in Reihe angeordne ten elektrischen Wicklungen versehen ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbil dungen sind Inhalt der Unteransprüche.The solution to this problem is characterized in that the one linear motor with at least two movable carriages separated in terms of circuitry and arranged in series th electrical windings is provided. Advantageous training and further education are contents of the subclaims.

Erfindungsgemäß wird bezüglich des Bauteiles mit der größten Ausfallwahr scheinlichkeit eine redundante Anordnung vorgeschlagen, d. h. dass dieses Bauteil zweifach vorhanden ist, was an sich grundsätzlich bekannt ist. Erfin dungsgemäß kann hier in besonders einfacher Weise der bevorzugt festste hend Teil des Linearmotors, in welchem sich üblicherweise die elektrischen Wicklungen befinden, geteilt ausgeführt und getrennt bestromt werden. Die am ehesten von einem Ausfall betroffenen Wicklungen, die für sich betrach tet ein relativ einfaches Bauteil darstellen, sind somit zumindest zweifach vorhanden und dabei schaltungstechnisch voneinander getrennt. Hingegen muss der relativ komplexe und aufwendige verfahrbare Schlitten des Line armotors, der üblicherweise mit hochwertigen Permanentmagneten bestückt ist und praktisch keinem Ausfallrisiko unterliegt, nur einfach vorhanden sein, und zwar am einzigen Linearmotor bevorzugt in einem einzigen Gehäuse angeordnet. Eine besonders sinnvolle und raumsparende Anordnung ergibt sich dabei, wenn die (bevorzugt beiden) schaltungstechnisch voneinander getrennten Wicklungen im quer zur Fahrzeug-Fahrtrichtung angeordneten Gehäuse des Linearmotors nebeneinander angeordnet sind, so dass eine Wicklung dem linken Fahrzeug-Rad und die andere Wicklung dem rechten Fahrzeug-Rad benachbart ist. According to the invention with respect to the component with the greatest failure probability a redundant arrangement was probably proposed, i. H. that this Component is present twice, which is basically known. OF INVENTION In accordance with the invention, the preferably firmest can be used here in a particularly simple manner Part of the linear motor, in which usually the electrical Windings are located, carried out divided and energized separately. The windings most likely to be affected by a failure that looked on their own tet a relatively simple component, are thus at least twice available and separated in terms of circuitry. On the other hand must be the relatively complex and complex movable carriage of the line armotors, which is usually equipped with high-quality permanent magnets is and is practically not subject to default risk, just be available, on the single linear motor, preferably in a single housing arranged. A particularly sensible and space-saving arrangement results different when the (preferably both) in terms of circuitry separate windings arranged transversely to the direction of travel of the vehicle Housing of the linear motor are arranged side by side, so that a Winding the left vehicle wheel and the other winding the right one Vehicle wheel is adjacent.

Wenn nun an einem erfindungsgemäßen Fahrzeuglenksystem eines der re dundant vorgesehenen Teile, nämlich eine elektrische Wicklung oder deren Stromversorgung ausfällt, so steht zwar nur mehr ein Teil der grundsätzlich vom voll funktionsfähigen Linearmotor angebotenen Kraft zur Verfügung. Da jedoch diese sog. Maximalkraft lediglich beim Lenken im Stand, d. h. beim Verschwenken der Räder bei stehendem Fahrzeug benötigt wird, während im Fahrbetrieb (bei fortbewegtem Fahrzeug) weniger als die Hälfte dieser Maximalkraft erforderlich ist, stellt ein derartiger Ausfall kein Sicherheitsprob lem dar. Im übrigen kann die Sicherheit des Systems und die mögliche (ma ximale) Leistungsabgabe des Linearmotors weiter gesteigert werden, wenn den schaltungstechnisch voneinander getrennten elektrischen Wicklungen eigene mit einem Supercap-Kondensator versehene Stromquellen zugeord net sind. Bekanntermaßen besitzt ein Supercap-Kondensator eine extrem hohe Kapazität, d. h. Ladungs-Speicherfähigkeit, so dass mit dieser quasi zusätzlichen Stromquelle zumindest kurzzeitig hohe Kräfte vom Linearmotor abgegeben werden können, und zwar auch noch dann, wenn eine der Wick lungen (oder deren individuelle Stromversorgung) ausgefallen ist.If now one of the right on a vehicle steering system according to the invention dundant parts, namely an electrical winding or its Power supply fails, so only a part of the basic The force offered by the fully functional linear motor is available. There however, this so-called maximum force only when steering while stationary, i.e. H. at the Swiveling of the wheels is required while the vehicle is stationary when driving (with the vehicle moving) less than half of these Such a failure is not a safety test if maximum force is required lem. Furthermore, the security of the system and the possible (ma ximal) power output of the linear motor can be further increased if the electrical windings separated from each other in terms of circuitry own current sources provided with a supercap capacitor are not. As is known, a supercap capacitor has an extreme high capacity, d. H. Charge storage capacity, so with this quasi additional power source, at least briefly high forces from the linear motor can be delivered, even if one of the wick lungs (or their individual power supply) has failed.

Weiterhin wurde erkannt, dass bei Verwendung herkömmlicher Technologien zum Aufbringen der relativ hohen Lenkkräfte für eine direkte Umsetzung der Kraft in die gewünschte Schwenkbewegung der Fzg.-Räder derart große Linearmotoren notwendig wären, dass deren Einsatz zumindest an Perso nenkraftwagen wegen Bauraumbedarf, Gewicht und Kosten kaum realisier bar ist. Um nun den sog. Motoraufwand sowie die benötigten Stromstärken möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, den Linearmotor innerhalb des Fzg.-Fahrwerks so zu installieren, dass mit Hilfe von sog. Übersetzungs- Gestängen die maximal benötigte Motorkraft relativ niedrig gehalten werden kann. Da Linearmotoren hochdynamisch sind, werden die möglichen Hebel übersetzungen nämlich nicht durch die Schnelligkeit des Antriebs, sondern durch den zur Verfügung gestellten Bauraum begrenzt.It was also recognized that when using conventional technologies to apply the relatively high steering forces for a direct implementation of the Force in the desired swiveling movement of the vehicle wheels so large Linear motors would be necessary that their use at least to Perso motor vehicles are hardly realizable due to space requirements, weight and costs is cash. Now the so-called motor effort and the required current strengths It is proposed to keep the linear motor as low as possible of the vehicle chassis so that with the help of so-called translation Linkage the maximum required engine power can be kept relatively low can. Since linear motors are highly dynamic, the possible levers Translations are not based on the speed of the drive, but rather limited by the space available.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines vereinfacht, d. h. lediglich prin zipiell dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert. In der beigefügten einzigen Figur ist mit der Bezugsziffer 1 das (übliche) Lenk rad eines Kraftfahrzeuges (insbesondere PKW's) bezeichnet, mit Hilfe des sen ein Fahrzeugführer vorgibt, welcher Lenkeinschlag an den beiden Vor derrädern 10a, 10b des Fahrzeugs umgesetzt werden soll. Letztere sind wie üblich um eine nicht dargestellte Schwenkachse verschwenkbar, und zwar (wie ebenfalls üblich) durch Längsverschiebung eines sog. Spurhebels 11a bzw. 11b im wesentlichen quer zur Längsachse 12 des Fahrzeuges.In the following the invention is further explained on the basis of a simplified, that is to say only preferred, exemplary embodiment shown in principle. In the accompanying single figure, the reference number 1 denotes the (usual) steering wheel of a motor vehicle (in particular cars), with the aid of which a vehicle driver specifies which steering angle is to be implemented on the two front wheels 10 a, 10 b of the vehicle. The latter can be pivoted, as usual, about a pivot axis (not shown), namely (as is also customary) by longitudinally displacing a so-called toe lever 11 a or 11 b essentially transversely to the longitudinal axis 12 of the vehicle.

Initiiert wird diese Verschiebebewegung der Spurhebel 11a, 11b durch einen in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 7 bezeichneten elektrischen Line armotor, für dessen Gehäuse ebenfalls die Bezugsziffer 7 verwendet wird. Innerhalb dieses quer zur Fahrzeug-Längsachse 12 angeordneten Linear motor-Gehäuses 7 sind nebeneinander zwei nicht näher dargestellte elektri sche Wicklungen 8a, 8b vorgesehen, innerhalb derer ein einziger sog. Line armotor-Schlitten 8c längsverschiebbar geführt ist, und zwar in Richtung der Längsachse des Linearmotors 7, d. h. quer zur Fzg.-Längsachse 12. An sei nen beiden freien Enden ist der eine Reihe von Permanentmagneten tra gende Schlitten 8c jeweils mit einer sog. Spurstange 12a, 12b verbunden, die - wie der Schlitten 8c und von diesem initiiert - quer zur Fzg.-Längsachse 12 verschoben werden kann. Mit ihrem dem Schlitten 8c gegenüberliegen den Ende ist jede Spurstange 12a, 12b mit einem sog. Übersetzungsgestän ge 6a bzw. 6b verbunden, das seinerseits mit dem freien Ende des zugeord neten bereits genannten Spurhebels 11a bzw. 11b verbunden ist. Dabei be steht - wie ersichtlich - jedes Übersetzungsgestänge 6a, 6b aus einer au ßermittig verschwenkbar gelagerten Stange, die endseitig gelenkig einerseits mit der zugeordneten Spurstange 12a bzw. 12b und andererseits mit dem zugeordneten Spurhebel 11a bzw. 11b verbunden ist. This displacement movement of the track levers 11 a, 11 b is initiated by an electric line arm motor, designated in its entirety by the reference number 7 , for the housing of which reference number 7 is also used. Within this transverse to the vehicle longitudinal axis 12 arranged linear motor housing 7 , two electrical windings 8 a, 8 b, not shown, are provided next to each other, within which a single so-called line armotor slide 8 c is guided longitudinally, in the direction the longitudinal axis of the linear motor 7 , ie transverse to the longitudinal axis 12 of the vehicle. At its two free ends, a row of permanent magnets carrying carriage 8 c is each connected to a so-called tie rod 12 a, 12 b, which - like the carriage 8 c and initiated by it - is displaced transversely to the longitudinal axis 12 of the vehicle can be. With their carriage 8 c opposite the end, each tie rod 12 a, 12 b is connected to a so-called gear linkage 6 a or 6 b, which in turn is connected to the free end of the already mentioned track lever 11 a or 11 b is. Be stands - as can be seen - each transmission linkage 6 a, 6 b from an eccentrically pivoted rod which is articulated on one end with the associated tie rod 12 a or 12 b and on the other hand with the associated track lever 11 a or 11 b ,

Für die Initiierung eines Lenkvorganges, d. h. für ein vom Fahrzeugführer gewünschtes Verschwenken der Räder 10a, 10b wird direkt nach dem Lenk rad 1 durch zwei voneinander unabhängige Drehwinkelgeber 2 der vom Fahrzeugführer durch Drehen des Lenkrades 1 dargestellte Lenkwinkel er fasst, wonach diese Informationen an ein elektronisches Steuergerät 3 wei tergegeben werden. In diesem wird mit weiteren Informationen wie z. B. dem Gierwinkel (ermittelt von einem Gierwinkelsensor 4), den Raddrehzahlen (ermittelt von Raddrehzahlsensoren 5) oder von anderen integrierten Stabili sierungssystemen (dem Fachmann unter den Begriffen DSC oder ESP be kannt) der optimale Lenkeinschlag berechnet und dieser Wert in die hierfür notwendige Stromstärke umgerechnet, mit welcher dann die (hier beiden) elektrischen Wicklungen 8a, 8b des elektrischen Linearmotors 7 beauf schlagt werden, so dass der Schlitten 8c des Linearmotors 7 wie gewünscht verfahren wird. Dabei werden - wie bereits erläutert wurde - die Bewegungen und dabei auftretenden Kräfte des Linearmotor-Schlittens 8c über die Über setzungsgestänge 6a, 6b letztlich zu den Rädern 10a, 10b geleitet und an diesen in die geeignete Schwenkbewegung umgesetzt. Die von den Rädern 10a, 10b kommenden Gegenkräfte können dann automatisch erfasst und je nach Auslegungskriterium in einem Motor oder einer Reibungsbremse oder dgl. umgesetzt werden, um optimale Lenkgegenkräfte am Lenkrad 1 aufzu bauen (nicht dargestellt).For the initiation of a steering process, ie for a pivoting of the wheels 10 a, 10 b desired by the driver, directly after the steering wheel 1 by two mutually independent angle encoders 2, the steering angle shown by the driver by turning the steering wheel 1 he captures, after which this information is given an electronic control unit 3 are passed on. In this is with further information such. B. the yaw angle (determined by a yaw angle sensor 4 ), the wheel speeds (determined by wheel speed sensors 5 ) or by other integrated stabilization systems (known to the person skilled in the art under the terms DSC or ESP) the optimal steering angle is calculated and this value into the necessary amperage converted, with which the (here two) electrical windings 8 a, 8 b of the electric linear motor 7 are then acted on, so that the slide 8 c of the linear motor 7 is moved as desired. Here - as already explained - the movements and occurring forces of the linear motor carriage 8 c via the transmission linkage 6 a, 6 b ultimately directed to the wheels 10 a, 10 b and converted into the appropriate pivoting movement. The opposing forces coming from the wheels 10 a, 10 b can then be detected automatically and, depending on the design criterion, implemented in a motor or a friction brake or the like in order to build up optimal steering counterforces on the steering wheel 1 (not shown).

Die beiden Wicklungen 8a, 8b werden jeweils von einer unabhängigen Stromquelle gespeist (nicht detailliert dargestellt). Dabei können zumindest in einem Teil des Linearmotors 7 die Wicklungen 8a, 8b solchermaßen auf gebaut sein, dass hohe Stromstärken, die bspw. von einem (ebenfalls nicht dargestellten) Supercap-Kondensator bereitgestellt werden, sehr kurzzeitig zu hohen Kräften umgesetzt werden können. Diese sind hilfreich zum Len ken der Räder 10a, 10b im Stand, bspw. bei einem Einparkvorgang. The two windings 8 a, 8 b are each fed by an independent power source (not shown in detail). At least in a part of the linear motor 7, the windings 8 a, 8 b can be constructed in such a way that high currents, which are provided, for example, by a (also not shown) supercap capacitor, can be converted to high forces for a very short time. These are helpful for steering the wheels 10 a, 10 b when stationary, for example during a parking process.

Dadurch, dass der einen einzigen verfahrbaren Schlitten 8c aufweisende Linearmotor 7 mit zumindest zwei schaltungstechnisch voneinander getrenn ten und dabei in Reihe bzw. im Gehäuse 7 nebeneinander angeordneten elektrischen Wicklungen 8a, 8b versehen ist, kann auch bei Ausfall einer der (beiden) Wicklungen 8a, 8b bzw. bei Ausfall von deren Stromversorgung o der elektrisch/elektronischer Ansteuerung sicher eine Lenkbewegung bzw. ein Verschwenken der Räder 10a, 10b ausgelöst werden, und zwar dann alleine durch den dann noch funktionsfähigen Teil (8a bzw. 8b) des Linear motors 7, insbesondere deshalb, weit im Falle einer (besonders sicherheits kritischen) Fahrzeug-Fortbewegung die benötigten Lenkkräfte relativ gering sind. Im Sinne eines vorteilhaften Aufbaus des erfindungsgemäßen Lenksys tems sind die bevorzugt beiden schaltungstechnisch voneinander getrennten Wicklungen 8a, 8b im quer zur Fahrzeug-Fahrtrichtung 12 angeordneten Gehäuse (7) des Linearmotors 7 nebeneinander angeordnet, so dass die eine Wicklung 8a dem linken Fahrzeug-Rad 10a und die andere Wicklung 8b dem rechten Fahrzeug-Rad benachbart ist, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass selbstverständlich eine Vielzahl von Details insbesondere konstruk tiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.Because the linear motor 7 , which has a single movable carriage 8 c, is provided with at least two separate circuits in terms of circuitry and is arranged in series or in the housing 7 side by side electrical windings 8 a, 8 b, one of the (two) Windings 8 a, 8 b or if their power supply o the electrical / electronic control fails, a steering movement or swiveling of the wheels 10 a, 10 b can be triggered, and then solely by the part that is still functional ( 8 a or 8 b) of the linear motor 7 , in particular therefore, the steering forces required are relatively low in the event of (particularly safety-critical) vehicle locomotion. In the sense of an advantageous construction of the steering system according to the invention, the preferably two circuit-wise separate windings 8 a, 8 b are arranged side by side in the housing ( 7 ) of the linear motor 7 arranged transversely to the direction of travel 12 , so that the one winding 8 a is the left vehicle -Rad 10 a and the other winding 8 b is adjacent to the right-hand vehicle wheel, although it should also be pointed out that, of course, a large number of details, in particular a constructive type, can be designed quite differently from the exemplary embodiment shown, without departing from the content of the claims ,

Mit den beschriebenen Maßnahmen kann seriennah ein elektrischer Linear motor in einem Fahrzeug-Lenksystem der Bauart "Steer-by-wire" auch an einem Personenkraftwagen (PKW) eingesetzt werden. Dabei bietet der Ein satz von elektrischen Linearmotoren in der Fzg.-Lenkung langfristig eine kos tengünstige Lösung, da bislang erforderliche Getriebe nicht weiter benötigt werden und die erforderliche Redundanz - wie hier beschrieben - leicht dar stellbar ist. Ferner lassen sich Linearmotoren in Großserie günstiger herstel len als Drehmotoren. Linearmotoren sind praktisch verschleißfrei und haben ihre Zuverlässigkeit im Dauereinsatz bereits in Textilmaschinen bewiesen.With the measures described, an electric linear can be produced close to series production motor in a vehicle steering system of the "steer-by-wire" type a passenger car (car) can be used. The One offers Set of electric linear motors in vehicle steering a long-term cost Economical solution, since the gearbox required until now is no longer required and the required redundancy - as described here - is easy is adjustable. Furthermore, linear motors can be mass-produced more cheaply len as rotary motors. Linear motors are practically wear-free and have already proven their reliability in continuous use in textile machines.

Claims

1. Vehicle steering system of the type "steer-by-wire" with a steering angle of at least two with respect to the vehicle, in particular cars, left and right wheels ( 10 a, 10 b) causing electric linear motor ( 7 ), characterized in that the a single movable Schlit th ( 8 c) linear motor ( 7 ) with at least two circuit technically separate and in series arranged electrical windings ( 8 a, 8 b) is provided.

2. Vehicle steering system according to claim 1, characterized in that the preferably two circuit-technically separate windings ( 8 a, 8 b) in the transverse to the longitudinal axis ( 13 ) arranged housing ( 7 ) of the linear motor ( 7 ) are arranged side by side, so that one winding ( 8 a) is adjacent to the left vehicle wheel ( 10 a) and the other winding ( 8 b) to the right vehicle wheel ( 10 b).

3. A vehicle steering system according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical windings ( 8 a, 8 b) which are separated from one another in terms of circuitry are assigned their own current sources provided with a super cap capacitor.

4. Vehicle steering system according to one of the preceding claims, characterized in that between the linear motor slide ( 8 c) actuated tie rods ( 12 a, 12 b) and the wheel levers effecting track levers ( 11 a, 11 b) a transmission linkage ge ( 6 a, 6 b) is provided.