DE102004051078A1

DE102004051078A1 - Redundante Servomotoren für ein Gas-, Brems- und Lenksystem

Info

Publication number: DE102004051078A1
Application number: DE102004051078A
Authority: DE
Inventors: Roland Arnold; Ralf Giesler; Anton Ott
Original assignee: Individual
Current assignee: Schaeffler Paravan Technologie GmbH and Co KG
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: DE102004051078B4

Abstract

Ein Gas-, Brems- und Lenksystsem (= "X-by-wire") für radgetriebene Landfahrzeuge mit elektronisch angesteuerten Servomotoren, die als Aktoren zur Ansteuerung der Steuerelemente des Fahrzeugs für die Funktionsbereiche "Lenken, Beschleunigen und Bremsen" wirken und von einem Benutzer über eine im Fahrzeug angeordnete Bedienvorrichtung innerhalb vorgegebener Betriebsparameter, welche bestimmte Betriebszustände des Fahrzeugs definieren, angesteuert werden können, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe (1) von mindestens zwei der Servomotoren (2, 2') räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet ist und dass für diese Gruppe von Servomotoren ein gemeinsames Getriebe (3) und eine gemeinsame Kraftabgabeeinrichtung vorgesehen sind, über die die Motorkraft der Servomotoren dieser Gruppe auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs geleitet wird. Damit wird eine volle Redundanz der Ansteuerung sowohl hinsichtlich ihrer Funktion als auch der abzugebenden Steuerkräfte erreicht, wobei aber die Bauweise des Systems kompakt bleibt, sodass ein einfacher Einbau in unterschiedliche Arten von Fahrzeugen und die Einsparung mehrfach vorhandener kostenintensiver Komponenten ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gas-, Brems- und Lenksystem (= "X-by-wire") für radgetriebene Landfahrzeuge mit elektronisch angesteuerten Servomotoren, die als Aktoren zur Ansteuerung der – original vom Fahrzeughersteller oder als Ersatzteile eingebauten – Steuerelemente des Fahrzeugs für die Funktionsbereiche „Lenken, Beschleunigen und Bremsen" wirken und von einem Benutzer über eine im Fahrzeug angeordnete Bedienvorrichtung innerhalb vorgegebener Betriebsparameter, welche bestimmte Betriebszustände des Fahrzeugs definieren, angesteuert werden können.
Derartige Gas-, Brems- und Lenksysteme sind im Handel erhältlich, beispielsweise bei der Firma Electronic Mobility Controls, LLC in 6141 Crestmount Drive, Baton Rouge, La 70809, USA.
Das bekannte System umfasst einen als Elektromotor ausgestalteten Servomotor mit einem Getriebe und einer Steuereinheit, der zwei in der Regel durch Lack getrennte elektrische Wicklungen, aber einen gemeinsamen Kollektor aufweist. Insbesondere beim Einsatz in sicherheitskritischen Bereichen, beispielsweise für die Steuerung von behindertengerechten Fahrzeugen, ist bei dem bekannten System von Nachteil, dass bei Ausfall oder Zerstörung einer Wicklungshälfte dieses Elektromotors auch nur noch die halbe Kraft zur Ansteuerung des entsprechenden Steuerelements des Fahrzeugs bereitsteht. Das gleiche Problem tritt auch bei Ausfall oder Verbrennung der Kohlebürsten des Elektromotors auf. Noch kritischer wirkt sich der Ausfall des gemeinsamen Kollektors aus, falls dieser durch Verbrennen, Verschleiß oder andere Probleme nicht mehr arbeitet. In diesem Fall fällt dann der gesamte Servomotor aus, sodass keine Redundanz für die Fahrzeugsteuerung vorhanden ist. Auch ist kein selbständiges Anlaufen mehr möglich, wenn der Kollektor an einer bestimmten Stelle, beispielsweise bei einer Geradeausfahrt auf einer Autobahn, ausfällt, wodurch dann ein Einschlagen des Lenksystems nicht mehr möglich ist und ein schwerer Unfall fast unausweichlich wird.
Bei einer anderen technischen Lösung, die die Firma Haag Rehatechnik GmbH & Co. KG, Südendstraße 3, D-76709 Kronau, Deutschland anbietet, wird zwar eine 100prozentige Redundanz dadurch erreicht, dass in das Gas-, Brems- und Lenksystem zwei räumlich voneinander getrennte Elektromotoren mit zwei getrennten Steuereinheiten und zwei getrennten Getrieben eingesetzt werden, die parallel das entsprechende Steuerelement des Fahrzeugs ansteuern. Bei Ausfall eines der beidem Servomotoren übernimmt dann der andere zu 100 Prozent dessen Funktion. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch der doppelte erforderliche Bauraum, die zusätzlichen Kosten für die zweite Steuereinheit und das zweite Getriebe sowie für die doppelten Kraftabgabeeinheiten und Steuerleitungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Gas-, Brems- und Lenksystem der eingangs genannten Art mit möglichst einfachen technischen Mitteln dahin gehend weiterzuentwickeln, dass eine volle Redundanz der Ansteuerung sowohl hinsichtlich ihrer Funktion als auch der abzugebenden Steuerkräfte erreicht wird, wobei aber die Bauweise des Systems möglichst kompakt bleiben soll, sodass es ohne Weiteres in allen möglichen Arten von Fahrzeugen einbaubar bleibt und wobei mehrfach vorhandene kostenintensive Komponenten möglichst eingespart werden sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass eine Gruppe von mindestens zwei der Servomotoren räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet ist, und dass für diese Gruppe von Servomotoren ein gemeinsames Getriebe und eine gemeinsame Kraftabgabeeinrichtung vorgesehen sind, über die die Motorkraft der Servomotoren dieser Gruppe auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs geleitet wird.

Durch den Einsatz von zwei unabhängigen, separaten, aber räumlich unmittelbar benachbarten Servomotoren wird einerseits eine volle Redundanz hinsichtlich Funktion und Kraft erreicht, egal, welche Bauteile an den Servomotoren ausfallen oder beispielsweise durch Verschleiß von Stromkreisen unterbrochen werden, da der jeweils andere Motor mit der gleichen Motorkraft auf das anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs einwirken kann. Der Ausfall der kompletten Gruppe von Servomotoren ist extrem unwahrscheinlich, da die Wahrscheinlichkeit, dass alle Servomotoren gleichzeitig defekt werden, äußerst gering ist. Der Einsatz eines gemeinsamen Getriebes und einer gemeinsamen Kraftabgabeeinrichtung spart bei dem erfindungsgemäßen System kostenintensive Bauteile ein und verringert außerdem die Baumaße des Systems, welches auf diese Weise sehr leicht und kompakt und auch kostengünstig gehalten werden kann.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems, bei der die Servomotoren der Gruppe als koaxiale Elektromotoren ausgeführt sind, wobei die Kraftabgabeeinrichtung eine gemeinsame Welle der Elektromotoren umfasst. Derartige Elektromotoren sind besonders zuverlässig, was insbesondere für sicherheitskritische Einsätze von erheblicher Bedeutung ist. Außerdem können sie leicht von einer Bedienvorrichtung aus ferngesteuert werden. Die Kraftabgabe über die gemeinsame Welle der Motorengruppe an das jeweils anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs ist durch standardisierte und günstig im Handel erhältliche Elemente möglich. Die Elektromotoren können beispielsweise auch an üblichen Can-Schnittstellen im betreffenden Fahrzeug eingesetzt werden, wobei etwa auftretende Fehler der Motoren an einem Display angezeigt und in einer übergeordneten Steuereinheit abgespeichert werden können.

Eine insbesondere im Hinblick auf sicherheitsrelevante Anwendungen vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass an der gemeinsamen Welle ein Encoder vorgesehen ist, mit welchem ein Soll-Ist-Vergleich der Wellenbewegung durchgeführt werden kann.

Insbesondere kann zur Durchführung des Soll-Ist-Vergleichs der Wellenbewegung ein Potentiometer vorgesehen sein.

Bei den genannten Weiterbildungen kann vom Encoder die Wellenbewegung am Krafteingang und Kraftausgang der Welle hinsichtlich des Umdrehungswinkels der Welle und/oder der Anzahl der Umdrehungen gemessen werden. Die entsprechenden Messwerte können einer zentralen Elektronik und/oder einem Display für die Bedienperson zugeführt werden.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der jeder der Elektromotoren der Gruppe separat über räumlich voneinander getrennte eigene Wicklungen, einen eigenen Kollektor und gegebenenfalls über eigene Kohlenbürsten verfügt. Auf diese Weise bietet die Servomotorengruppe bei Defekt eines ihrer Bauelemente dennoch die volle Leistung und Zuverlässigkeit im Sinne einer 100prozentigen Redundanz, wie sie gerade für sicherheitskritische Anwendungen im Bereich der Steuerungen von behindertengerechten Fahrzeugen unerlässlich ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform können die Servomotoren der Gruppe als Hydraulikmotoren ausgeführt sein, wobei die Kraftabgabeeinrichtung eine gemeinsame Hydraulikleitung und gemeinsame Steuerventile umfasst. Derartige Hydraulikmotoren anstelle von Elektromotoren werden aber nur für sehr spezielle Anwendungsfälle eingesetzt werden.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems, bei der die Servomotoren der Gruppe redundant auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs wirken, wobei bei Ausfall eines der Servomotoren der Gruppe automatisch mindestens ein anderer Servomotor der Gruppe die Funktion des ausgefallenen Servomotors übernimmt.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Servomotoren der Gruppe simultan laufen, sodass im Falle eines Funktionsausfalls eines der Servomotoren keine zusätzlichen Zuschaltzeiten benötigt werden, weil der oder die anderen Motoren der Gruppe parallel mitlaufen.

Vorteilhafterweise ist für die Funktionsbereiche „Lenken" sowie „Beschleunigen und Bremsen" jeweils mindestens eine Gruppe von mindestens zwei räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordneten Servomotoren vorgesehen, sodass eine volle Redundanz hinsichtlich Funktion und Kraftabgabe für jeden der „lebenswichtigen" Funktionsbereiche des Fahrzeugs sichergestellt ist.

Um die Funktionssicherheit noch weiter zu erhöhen, können bei Weiterbildungen der oben beschriebenen Ausführungsformen die Servomotoren der Gruppe an mindestens zwei redundante Spannungsversorgungen angeschlossen sein.

In einer kompakten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems sind die Servomotoren der Gruppe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Servomotoren digital ansteuerbar sind. Auf diese Weise können die Servomotoren leicht von einem Computer angesteuert und überwacht werden. Insbesondere kann beispielsweise vor Fahrtantritt eine übergeordnete Steuereinheit die Funktionalität der Servomotoren überprüfen.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebsparameter, in deren Grenzen die Servomotoren die Steuerelemente des Fahrzeugs ansteuern können, in einer Speichereinheit abgespeichert sind und mittels einer mit der Speichereinheit verbundenen Eingabeeinheit verändert werden können, und dass in der Speichereinheit mindestens ein elektronischer Zugangscode abgespeichert ist, der über die Eingabeeinheit aufgerufen werden kann, wodurch die Eingabeeinheit eine Zugriffsfreigabe auf die Betriebsparameter in der Speichereinheit erhält, so dass über die Eingabeeinheit in der Speichereinheit abgespeicherte Betriebsparameter für den aktuellen Betrieb des Fahrzeugs ausgewählt oder neue Betriebsparameter in die Speichereinheit eingegeben werden können. Auf diese Weise wird eine Sicherung der besonders sicherheitsrelevanten Bedienvorrichtung gegen unbeabsichtigtes oder unbefugtes Verstellen gewährleistet. Im Hinblick auf die Sicherheit des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems ist dies eine ideale Ergänzung zur 100prozentigen Redundanz der Servomotoren.

Ein ganz wesentlicher Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Gas-, Brems- und Lenksystems liegt bei der Steuerung von speziell an die Bedürfnisse körperbehinderter Menschen angepassten Fahrzeugen. Gerade hier ist die erfindungsgemäß erzielbare 100prozentige Redundanz besonders wichtig, weil ein körperbehinderter Mensch in der Regel nicht so schnell auf Funktionsausfälle reagieren kann wie etwa ein nicht behinderter Mensch.

Bei derartigen Systemen wird in der Regel die Bedienvorrichtung zur Ansteuerung der Servomotoren je nach Behinderungsgrad der Bedienperson des Fahrzeugs ein Minilenkrad und/oder ein Joystick mit zwei oder mehr Achsenrichtungen und/oder einen Betätigungshebel (= „lever") umfassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.
Es zeigen:
1a eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Gruppe von als Elektromotoren ausgestalteten Servomotoren;
1b eine Frontalansicht auf 1a in Achsrichtung der gemeinsamen Welle der Elektromotoren; und
1c eine Ansicht in Achsrichtung auf die Anordnung nach 1a in der Gegenrichtung zur Ansicht nach 1b.
Das erfindungsgemäße Gas-, Brems- und Lenksystem für radgetriebene Landfahrzeuge umfasst eine in 1a schematisch dargestellte Gruppe 1 von mehreren, im vorliegenden Fall zwei als Elektromotoren ausgestalteten Servomotoren 2, 2', die als Aktoren zur Ansteuerung der Steuerelemente des Fahrzeugs für die Funktionsbereiche „Lenken, Beschleunigen und Bremsen" wirken. Die Steuerelemente des Fahrzeugs selbst sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie sind üblicherweise bereits vom Hersteller eingebaut oder als Ersatzteile nachgerüstet.
Erfindungsgemäß sind die beiden Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet und weisen beim gezeigten Ausführungsbeispiel ein gemeinsames Getriebe 3 und eine gemeinsame Kraftabgabeeinrichtung in Form einer Motorwelle 4 auf, über welche die Motorkraft der Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs geleitet wird.
An der durchgehenden gemeinsamen Welle 4 ist bei dem in den 1a bis 1c dargestellten Ausführungsbeispiel ein Encoder 5 angebracht, mit welchem ein Soll-Ist-Vergleich der Wellenbewegung durchgeführt werden kann. Außerdem kann ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Potentiometer zur Durchführung des Vergleichs vorgesehen sein. Die Wellenbewegung der Welle 4 kann von dem Encoder hinsichtlich des Umdrehungswinkels der Welle 4 und/oder der Anzahl der Umdrehungen oder des zurückgelegten Umfangsweges der Welle 4 gemessen werden.
Die als Elektromotoren ausgebildeten Servomotoren 2, 2' des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung verfügen über separat und räumlich voneinander getrennte eigene Wicklungen, jeweils einen eigenen Kollektor und auch über eigene Kohlebürsten 6, wie sie in 1c schematisch gezeigt sind.
Die Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 wirken redundant auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs, wobei bei Ausfall eines der Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 automatisch mindestens ein anderer Servomotor der Gruppe 1 die Funktion des ausgefallenen Servomotors übernimmt. Außerdem laufen die Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 simultan, sodass bei Ausfall eines der Servomotoren der Gruppe keine Zeit für das Anlaufen und Zuschalten des redundanten weiteren Servomotors vergeudet wird. Zur Erhöhung der Sicherheit sind die Servomotoren 2, 2' der Gruppe 1 an mindestens 2 redundante Spannungsversorgungen angeschlossen, die aber in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind.

Claims

Gas-, Brems- und Lenksystem (= "X-by-wire") für radgetriebene Landfahrzeuge mit elektronisch angesteuerten Servomotoren, die als Aktoren zur Ansteuerung der Steuerelemente des Fahrzeugs für die Funktionsbereiche „Lenken, Beschleunigen und Bremsen" wirken und von einem Benutzer über eine im Fahrzeug angeordnete Bedienvorrichtung innerhalb vorgegebener Betriebsparameter, welche bestimmte Betriebszustände des Fahrzeugs definieren, angesteuert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe (1) von mindestens zwei der Servomotoren (2, 2') räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet ist, und dass für diese Gruppe (1) von Servomotoren (2, 2') ein gemeinsames Getriebe (3) und eine gemeinsame Kraftabgabeeinrichtung vorgesehen sind, über die die Motorkraft der Servomotoren (2, 2') dieser Gruppe (1) auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs geleitet wird.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) als koaxiale Elektromotoren ausgeführt sind, wobei die Kraftabgabeeinrichtung eine gemeinsame Welle (4) der Elektromotoren umfasst.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der gemeinsamen Welle (4) ein Encoder (5) vorgesehen ist, mit welchem ein Soll-Ist-Vergleich der Wellenbewegung durchgeführt werden kann.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Soll-Ist-Vergleichs der Wellenbewegung ein Potentiometer vorgesehen ist.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vom Encoder (5) die Wellenbewegung am Krafteingang und Kraftausgang der Welle (4) hinsichtlich des Umdrehungswinkels der Welle (4) und/oder der Anzahl der Umdrehungen gemessen werden kann.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Elektromotoren der Gruppe (1) separat über räumlich voneinander getrennte eigene Wicklungen, einen eigenen Kollektor und gegebenenfalls über eigene Kohlenbürsten (6) verfügt.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) als Hydraulikmotoren ausgeführt sind, wobei die Kraftabgabeeinrichtung eine gemeinsame Hydraulikleitung und gemeinsame Steuerventile umfasst.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) redundant auf dasselbe anzusteuernde Steuerelement des Fahrzeugs wirken, wobei bei Ausfall eines der Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) automatisch mindestens ein anderer Servomotor (2', 2) der Gruppe (1) die Funktion des ausgefallenen Servomotors (2, 2') übernimmt.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) simultan laufen.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Funktionsbereiche „Lenken" sowie „Beschleunigen und Bremsen" jeweils mindestens eine Gruppe (1) von mindestens zwei räumlich unmittelbar aneinander angrenzend angeordneten Servomotoren (2, 2') vorgesehen ist.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) an mindestens zwei redundante Spannungsversorgungen angeschlossen sind.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') der Gruppe (1) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren (2, 2') digital ansteuerbar sind.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter, in deren Grenzen die Servomotoren (2, 2') die Steuerelemente des Fahrzeugs ansteuern können, in einer Speichereinheit abgespeichert sind und mittels einer mit der Speichereinheit verbundenen Eingabeeinheit verändert werden können, und dass in der Speichereinheit mindestens ein elektronischer Zugangscode abgespeichert ist, der über die Eingabeeinheit aufgerufen werden kann, wodurch die Eingabeeinheit eine Zugriffsfreigabe auf die Betriebsparameter in der Speichereinheit erhält, so dass über die Eingabeeinheit in der Speichereinheit abgespeicherte Betriebsparameter für den aktuellen Betrieb des Fahrzeugs ausgewählt oder neue Betriebsparameter in die Speichereinheit eingegeben werden können.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System Teil der Steuerung eines speziell an die Bedürfnisse von körperbehinderten Menschen angepassten Landfahrzeugs ist.
Gas-, Brems- und Lenksystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedienvorrichtung zur Ansteuerung der Servomotoren (2, 2') je nach Behinderungsgrad der Bedienperson des Fahrzeugs ein Minilenkrad und/oder ein Joystick mit zwei oder mehr Achsenrichtungen und/oder einen Betätigungshebel (= „lever") umfasst.