DE10152704A1

DE10152704A1 - Elektrische Kraftfahrzeugservolenkung mit Überlagerungsgetriebe

Info

Publication number: DE10152704A1
Application number: DE2001152704
Authority: DE
Inventors: Jochen Hermann; Klaus Von Hammel; Roman Frank Starbek; Harwin Niesen
Original assignee: Mercedes Benz Lenkungen GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Presta Muelheim GmbH
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit folgenden Elementen: DOLLAR A - einem Lenkrad, das drehfest mit einer Lenksäule verbunden ist; DOLLAR A - einem Lenkritzel, das mit einer Zahnstange kämmt; DOLLAR A - einem eingangsseitig mit der Lenksäule und ausgangsseitig mit dem Lenkritzel verbundenen Überlagerungsgetriebe, das einen zweiten Eingang mit einem elektrischen Überlagerungsantrieb aufweist; sowie DOLLAR A - mit einer elektronischen Steuerung, die zur Ansteuerung des elektrischen Überlagerungsantriebs in Abhängigkeit von Eingangssignalen eingerichtet ist. Weil weiter ein Servoantrieb vorgesehen ist, der von der elektronischen Steuerung angesteuert wird und der auf das Lenkritzel oder auf die Zahnstange wirkt, und dass zwischen dem Lenkrad und dem Lenkritzel ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, der ein Drehmoment-Eingangssignal für die Steuerung liefert, können steer-by-wire-Funktionen ohne Rückwirkung auf das Lenkrad erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugservolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Lenkung.
Aus der DE 40 31 316 A1 ist eine gattungsgemäße Lenkung bekannt. Hier wird ein Überlagerungsgetriebe in der Lenksäule vorgeschlagen, das abhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit über einen elektrischen Antriebsmotor dem mit der Ausgangsseite des Betriebes verbundenen Lenkgetriebe und damit den gelenkten Rädern einen zusätzlichen Lenkwinkel aufprägt. So kann das Übersetzungsverhältnis der Lenkung variiert werden. Außerdem kann bei Eingriffen eines Stabilitätskontrollprogramms ein Lenkeingriff unabhängig von dem Lenkwunsch des Fahrers erfolgen.
Diese zusätzlichen Lenkeingriffe bewirken zwar aufgrund der Entkopplung von Lenkrad und Lenkgetriebe keine zusätzliche selbstständige Drehung des Lenkrades, wohl entsteht aber ein zusätzliches und vom Fahrer nicht erwartetes Drehmoment am Lenkrad, da die Eingangsseite des Überlagerungsgetriebes während des autonomen Lenkeingriffs abgestützt werden muss.
Dieses unvermittelt auftretende Drehmoment ist nachteilig. Insbesondere ist das System nahezu unwirksam, wenn der Fahrer keine Hand am Lenkrad hat oder das Lenkrad beispielsweise in Geradeausfahrt nur mit sehr geringer Kraft führt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Lenkung so zu verbessern, dass Rückwirkungen eines autonomen Lenkeingriffs verringert oder ganz kompensiert werden können.
Diese Aufgabe wird von einer Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Weil ein Servoantrieb vorgesehen ist, der von der elektronischen Steuerung angesteuert wird und der auf das Lenkritzel oder auf die Zahnstange wirkt, und dass zwischen dem Lenkrad und dem Lenkritzel ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, der ein Drehmoment-Eingangssignal für die Steuerung liefert, kann die bei einem zusätzlichen Lenkeingriff entstehende Reaktionskraft oder das Reaktionsmoment am Gehäuse der Lenkung abgestützt werden und somit nicht auf das Lenkrad wirken. Der Überlagerungsantrieb ist dann in der Lage, die zusätzlich entstehende Drehung des Lenkritzels zu kompensieren, so dass das Lenkrad nahezu oder vollständig von dem zusätzlichen Lenkeingriff entkoppelt werden kann. So kann beispielsweise das "Lenkradflattern" bei einer Unwucht eines Vorderrades kompensiert werden.
Wenn die Steuerung dazu eingerichtet ist, aufgrund von Sensorsignalen, insbesondere Gierwinkelsignalen, über den Servoantrieb einen Zusatzlenkwinkel aufzuprägen und den Überlagerungsantrieb derart anzusteuern, dass eine Rückwirkung dieses Zusatzlenkwinkels auf das Lenkrad verringert oder kompensiert wird, sind sogenannte steer-by- wire-Funktionen möglich.
Große Sicherheit auch bei Ausfall des Überlagerungsantriebs ist gewährleistet, wenn der Überlagerungsantrieb über ein selbsthemmendes Getriebe auf das Überlagerungsgetriebe wirkt, insbesondere wenn bei Stillstand des Überlagerungsantriebs eine mechanische Zwangskopplung zwischen dem Lenkrad und der Zahnstange besteht.
Die Sensorsignale können auch mittelbar als Steuer- oder Regelsignale von einem elektronischen Fahrzeugstabilitätsprogramm zur Verfügung gestellt werden.
Mechanisch ist vorteilhaft, wenn das Überlagerungsgetriebe ein Umlaufgetriebe ist, insbesondere ein Planetengetriebe, bei dem der Überlagerungsantrieb über eine Schneckenverzahnung an einem Hohlrad angreift.
Eine variable Lenkübersetzung kann erzielt werden, wenn bei einer Drehung des Lenkrades der Überlagerungsantrieb derart angesteuert wird, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Überlagerungsgetriebes gegenüber dem Stillstand des Überlagerungsantriebs verändert wird.
Ohne Einfluss auf das Lenkverhalten bleibt das Überlagerungsgetriebe bei Stillstand des dazugehörigen Antriebs.
Ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Überlagerungsgetriebes, das ungleich 1 : 1 ist, kann durch ein entsprechend geändertes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkritzel und der Zahnstange kompensiert werden, so dass das gesamte Übersetzungsverhältnis vom Lenkrad zur Zahnstange einer herkömmlichen Lenkung entspricht.
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer insoweit beschriebenen Kraftfahrzeuglenkung ist vorgesehen, dass bei Bedarf im Betrieb von dem Servoantrieb eine autonome Verlagerung der Zahnstange ohne einen korrespondierenden, am Lenkrad eingeleiteten gewünschten Lenkwinkel erfolgt und dass mit dem Überlagerungsantrieb das Überlagerungsgetriebe derart gesteuert wird, dass am Lenkrad keine der Verlagerung der Zahnstange entsprechende Lenkradwinkelveränderung erzeugt wird. Insbesondere kann das Übersetzungsverhältnis des Überlagerungsgetriebes im Betrieb abhängig von einem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs variiert werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lenkung in einer schematischen Darstellung; sowie
Fig. 2 ein Überlagerungsgetriebe für die Lenkung gem.
Fig. 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Lenkung schematisch veranschaulicht. Die Lenkung weist ein Lenkrad 1auf, das drehfest mit einer Lenksäule 2 verbunden ist. Die Lenksäule 2 wirkt gegebenenfalls über ein Kardangelenk 3 auf eine Eingangswelle 4 eines Überlagerungsgetriebes 5. Das Überlagerungsgetriebe 5 hat weiter eine Ausgangswelle 6, die über einen als Drehmomentsensor wirkenden Drehstab 7 mit einem Lenkritzel 8 verbunden ist. Das Lenkritzel 8 wiederum kämmt in an sich bekannter Weise mit einer Zahnstange 9, die im Bereich der gelenkten Achse eines Kraftfahrzeuges über Spurstangen 10 bei Drehung des Lenkritzels 8 eine Radwinkeländerung der gelenkten Räder bewirkt.
Das Überlagerungsgetriebe 5 trägt an einer Außenseite einen Überlagerungsantrieb 11 in Form eines Elektromotors, der über ein Schneckenrad 12 mit einer gehäuseseitigen Verzahnung 13 des Überlagerungsgetriebes kämmt.
Ein elektrischer Servoantrieb 15 ist der Zahnstange zugeordnet und wirkt über ein Ritzel 16 und einen Zahnriemen 17 auf einen Kugelumlauf 18, der mit einem daran angepassten Gewinde 19 in Eingriff steht, so dass eine Drehung des Kugelumlaufs 18 ebenfalls eine Verlagerung der Zahnstange 9 und damit eine Radwinkeländerung bewirkt.
Eine Steuerung 20, die in der Fig. 1 nur als "Blackbox" dargestellt ist, wirkt in Abhängigkeit von Sensorsignalen 21 auf die Antriebsmotoren 11 bzw. 15 des Umlaufgetriebes 5 bzw. des Servoantriebs.
In der Fig. 2 ist das Überlagerungsgetriebe 5 näher dargestellt. Die Eingangswelle 4 trägt ein Sonnenrad 30, das mit einem ersten Satz von Planetenrädern 31 kämmt. Das erste Planetenrad 31 ist über eine Welle drehfest mit einem zweiten Planetenrad 32 verbunden, das wiederum mit einem entsprechenden Sternrad 33 der Ausgangswelle 6kämmt. Die Achse der Planetenräder 31 und 32 ist in einem Gehäuse 34 gelagert. Das Gehäuse 34 selbst ist um die gemeinsame Achse der Eingangswelle 4 und der Ausgangswelle 6 drehbar und weist zum Antrieb die äußere Verzahnung 13 auf, die zusammen mit dem Ritzel 12 des Überlagerungsantriebs 11 eine selbsthemmende Schneckenverzahnung bildet.
Bei stillstehendem Überlagerungsantrieb 11 wird eine Drehung der Eingangswelle 4 über die Zahnräder 30, 31, 32 und 33 in eine entsprechende gleichsinnige Drehung der Ausgangswelle 6 umgesetzt, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 das Übersetzungsverhältnis derart gewählt ist, dass die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle 6 größer ist als diejenige der Eingangswelle 4.
Eine zusätzliche Drehung des Gehäuses 34 über den Schneckenantrieb 12, 13 führt zu einer zusätzlichen aufgeprägten Winkelgeschwindigkeit, die die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 6 verändert, und zwar, gegenüber der Eingangswelle 4, je nach Drehrichtung des Überlagerungsantriebs 11 entweder beschleunigt oder verzögert.
Im Betrieb wird am Lenkrad 1 durch den Fahrer ein Lenkdrehmoment in die Lenksäule 2 eingeleitet, das der gewünschten Fahrtrichtung oder Fahrtrichtungsänderung des Kraftfahrzeugs entspricht. Dieser Lenkwunsch des Fahrers wird über die Eingangswelle 4 des Überlagerungsgetriebes 5 an die Ausgangswelle 6 (mit der entsprechenden Übersetzung) übermittelt. Das dort eingeleitete Drehmoment wird über den Drehstab 7 und den damit verbundenen Drehmomentsensor erfaßt. Eine Drehung des Lenkritzels 8 um einen Drehwinkel Δφ bewirkt dann eine Verlagerung der Zahnstange um einen Betrag Δx. Das im Drehmomentsensor erfaßte Drehmoment M wird über die Signalleitung 21 an die Steuerung 21 übermittelt, die ihrerseits berechnet, ob eine Servounterstützung zur Verringerung der Handkraft am Lenkrad 1 erforderlich ist. Die entsprechende Servounterstützung wird dann durch Bestromung des Servoantriebs 15 über die Getriebeglieder 16 bis 19 als zusätzliche Antriebskraft auf die Zahnstange übertragen. Insoweit liegt die Funktion einer herkömmlichen elektrischen Servolenkung vor.
Dies gilt, solange der Überlagerungsantrieb 11 nicht mit Strom beaufschlagt wird.
In einer ersten Betriebsart können Signale wie zum Beispiel die Fahrgeschwindigkeit v oder die Gierwinkelgeschwindigkeit ΔΩ ebenso wie Signale eines externen Fahrzeugstabilitätsprogramms an die Steuerung 20 übermittelt werden. Die Steuerung erhält weiter von nicht dargestellten Sensoren ein Signal, das die aktuelle Lage der Lenkung repräsentiert, also beispielsweise ein Signal von einem Radwinkelsensor, einem Zahnstangenpositionssensor und/oder einem Lenkradwinkelsensor.
Die Steuerung 20 kann dann aufgrund einer entsprechenden Programmierung entscheiden, dass für die Fahrstabilität oder die Fahrsicherheit ein zusätzlicher, vom Fahrer nicht am Lenkrad 1 eingeleiteter Radwinkel erforderlich ist. Zu diesem Zweck wird der Servoantrieb 15 mit einem zusätzlichen Signal beaufschlagt, das eine entsprechende Verlagerung der Zahnstange 9 und damit die entsprechende Radwinkeländerung bewirkt. Diese Verlagerung der Zahnstange 9 würde über das Ritzel 8 und die übrige Lenksäule zu einer Winkeländerung des Lenkrads 2 führen, die für den Fahrer überraschend wäre und folglich unerwünscht ist. Die Steuerung 20 wird dann aufgrund der bekannten mechanischen Übersetzungsverhältnisse den Überlagerungsantrieb 11 derart mit Strom beaufschlagen, dass eine Drehung des Gehäuses 34 erzeugt wird, die die Rückwirkung gerade kompensiert. Die mit dem zusätzlichen Lenkeingriff eintretende Drehung der Ausgangswelle 6 pflanzt sich deshalb nicht rückwärts durch das Lenksystem auf die Lenksäule 2 fort.
Der Fahrer wird also von den ansonsten zwangsläufigen mechanischen Rückwirkungen zusätzlicher autonomer Lenkeingriffe entkoppelt.
In einer weiteren Betriebsart kann die Steuerung 20 so programmiert werden, dass beispielsweise geschwindigkeitsabhängig mit einer Drehung der Eingangswelle 4 des Überlagerungsgetriebes 5 auch eine beispielsweise proportionale Drehung des Gehäuses 34 bewirkt wird. Diese zusätzliche Winkelgeschwindigkeit, die sich auf die Ausgangswelle 6 fortpflanzt, bewirkt eine Änderung des ansonsten fixierten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Lenkrad 1 und dem Lenkritzel 8. Die Lenkung kann dadurch geschwindigkeits- oder fahrsituationsabhängig mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen betrieben werden. So kann beim Parkieren die Lenkung direkter betrieben werden, während bei einer Geradeausfahrt mit höherer Geschwindigkeit die Lenkung vorzugsweise indirekter betrieben wird.
Die beiden soweit beschriebenen Betriebsarten können auch simultan ausgeführt werden.
Vorteilhaft ist gegenüber den bekannten Kraftfahrzeuglenkungen, dass keine über eine herkömmliche elektrische Servolenkung hinausgehende Sensorik erforderlich ist. Mit der insoweit beschriebenen Lenkung kann eine aktive Kompensation von Schwingungen bewirkt werden, wie sie beispielsweise durch eine Unwucht an den gelenkten Rädern auftreten kann. Die selbsthemmende Auslegung des Schneckengetriebes 12, 13 bewirkt zudem bei einem Ausfall des Überlagerungsantriebs 11 oder des gesamten elektrischen Systems, dass eine konventionelle mechanische Lenkbarkeit des Kraftfahrzeugs gewährleistet bleibt, ohne dass zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich sind.

Claims

1. Kraftfahrzeuglenkung mit folgenden Elementen:

- einem Lenkrad, das drehfest mit einer Lenksäule verbunden ist;

- einem Lenkritzel, das mit einer Zahnstange kämmt;

- einem eingangsseitig mit der Lenksäule und ausgangsseitig mit dem Lenkritzel verbundenen Überlagerungsgetriebe, das einen zweiten Eingang mit einem elektrischen Überlagerungsantrieb aufweist; sowie

- mit einer elektronischen Steuerung, die zur Ansteuerung des elektrischen Überlagerungsantriebs in Abhängigkeit von Eingangssignalen eingerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Servoantrieb vorgesehen ist, der von der elektronischen Steuerung angesteuert wird und der auf das Lenkritzel oder auf die Zahnstange wirkt, und dass zwischen dem Lenkrad und dem Lenkritzel ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, der ein Drehmoment- Eingangssignal für die Steuerung liefert.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, aufgrund von Sensorsignalen, insbesondere Gierwinkelsignalen, über den Servoantrieb einen Zusatzlenkwinkel aufzuprägen und den Überlagerungsantrieb derart anzusteuern, dass eine Rückwirkung dieses Zusatzlenkwinkels auf das Lenkrad verringert oder kompensiert wird.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungsantrieb über ein selbsthemmendes Getriebe auf das Überlagerungsgetriebe wirkt.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stillstand des Überlagerungsantriebs eine mechanische Zwangskopplung zwischen dem Lenkrad und der Zahnstange besteht.

5. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale von einem elektronischen Fahrzeugstabilitätsprogramm zur Verfügung gestellt werden.

6. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe ein Umlaufgetriebe ist, insbesondere ein Planetengetriebe, bei dem der Überlagerungsantrieb über eine Schneckenverzahnung an einem Hohlrad angreift.

7. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehung des Lenkrades der Überlagerungsantrieb derart angesteuert wird, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Überlagerungsgetriebes gegenüber dem Stillstand des Überlagerungsantriebs verändert wird.

8. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stillstand des Überlagerungsantriebs das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite nicht gleich 1 : 1 ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf im Betrieb von dem Servoantrieb eine autonome Verlagerung der Zahnstange ohne einen korrespondierenden, am Lenkrad eingeleiteten gewünschten Lenkwinkel erfolgt und dass mit dem Überlagerungsantrieb das Überlagerungsgetriebe derart gesteuert wird, dass am Lenkrad keine der Verlagerung der Zahnstange entsprechende Lenkradwinkelveränderung erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des Überlagerungsgetriebes im Betrieb abhängig von einem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs variiert wird.