DE102007027040A1

DE102007027040A1 - Sicherheitsverfahren eines Lenksystems

Info

Publication number: DE102007027040A1
Application number: DE102007027040A
Authority: DE
Inventors: Thomas Riepold; Salvatore Oliveri
Original assignee: Tedrive Holding BV
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US20080015751A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung zur Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen. Dieses weist die folgenden Verfahrensschritte auf: - Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße des, - Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße eines Fahrdynamiksystems, - Vergleich der ermittelten Größen und Überprüfung der Plausibilität, - Reagieren bei zu großer Abweichung der ermittelten Größen von Normgrößen und Überführung der Lenkung in einen sicheren Zustand.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung zur Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen.
Bei einem üblichen Lenksystem werden lenkbare Räder von einem Fahrer über eine Betätigungseinheit, insbesondere durch Verdrehen eines Lenkrades gelenkt. Das Drehen des Lenkrades bewirkt eine Verschiebung einer Zahnstange, die wiederum die Räder schwenkt. Die Lenkbewegung des Fahrers wird bei Servolenkungen durch einen zusätzlichen Elektromotor unterstützt. Die Lenkunterstützung erfolgt dabei im Allgemeinen durch kennfeldgesteuerte bzw. -geregelte Systeme, bei denen die Lenkunterstützung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgebracht wird. Kompensationen wie aktive Rückführung (Active Return) und Seitenwindkompensationen sind ebenfalls implementiert.
Darüber hinaus sind Lenksysteme bekannt, bei denen keine mechanische Verbindung zwischen den lenkbaren Rädern und dem Lenkrad besteht (Steer by wire). Die Räder werden dabei in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Lenkrades mit Hilfe von entsprechenden Motoren geschwenkt.
Elektrische Servolenksysteme benutzen in Allgemeinen einen separaten, dem Lenksystem zugeordneten Drehmomentsensor zur Messung des Lenkmomentes, welches vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebracht wird. Dieser Drehmomentsensor dient zumeist ausschließlich der Messung des Drehmoments, kann aber auch mit einem Drehwinkelsensor kombiniert sein. Darüber hinaus ist auch eine indirekte Drehmomentmessung bekannt, bei der über den Verdrehwinkel zweier mit einem dafür ausgelegten elastischen Element, wie einem Drehstab, verbundener Teile der Lenksäule oder des Lenkgetriebes das Drehmoment ermittelt wird. Bekannt ist auch eine direkte Drehmomentmessung an einem Bauteil des Lenkungsstrangs, beispielsweise nach einem magnetoelastischen Prinzip. In jedem Fall ist aber ein Momentensensor erforderlich, der üblicherweise der Servolenkung zugeordnet ist (EPAS-System) und ggf. in das EPAS-System integriert ist.
Das Drehmomentensignal wird je nach dem Konzept der Steuerung bzw. Regelung des Lenksystems benutzt, um die Lenkbefehle des Fahrers im Sinne einer gleichsinnigen Lenkunterstützung zu verstärken oder aber ein konstantes Drehmoment am Lenkrad einzuregeln, um dem Fahrer eine Rückmeldung über den Lenkwinkel oder andere fahrdynamische Fahrparameter zu geben.
Im Falle von Versagen bzw. Fehlfunktionen der Lenkungsaktuatorik, also Sensorik, Motor oder Steuergerät wird das Lenksystem in einen sicheren bzw. inaktiven Zustand überführt, in dem weiterhin ein mechanisches Lenken des Fahrzeugs möglich ist. Dies geschieht durch die Überwachung der internen parametrierten Mess- und Regelgrößen des Lenksystems mit seiner Aktuatorik und Sensorik.
Überwacht und in die Sicherheitsfunktionen einbezogen werden derzeit als externe Signale z. B. das Fahrzeugeschwindigkeitssignal als Eingangsgröße für die geschwindigkeitsabhängigen Kennfelder, der Lenkwinkel für Active Return oder das Motordrehzahlsignal.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, dass die Sicherheit eines Fahrzeugs erhöht durch eine Erhöhung der Entdeckungswahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen bzw. deren schnellere Erkennung bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität und Verfügbarkeit des Lenksystems.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung zur Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen, mit den Verfahrensschritten:

– Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße des Lenkungsstranges,
– Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße eines Fahrdynamiksystems,
– Vergleich der ermittelten Größen auf Plausibilität,
– Reagieren bei zu großer Abweichung der ermittelten Größen und Überführung der Lenkung in einen sicheren Zustand.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die ohnehin ermittelten Daten des Fahrdynamiksystems auch für die Überwachung der Lenkung genutzt werden.
Es erfolgt also eine permanente Überwachung des stationären und instationären Betriebsverhaltens und der Stabilität des Lenksystems durch permanente Ermittlung, Beobachtung und Auswertung der parametrierten Mess- und Regelgrößen aus dem fahrdynamischen Assistenzsystems des Fahrzeugs (z.B. Gierrate, Querbeschleunigung, Lenkwinkel, Raddrehzahl, etc.) und der Lenkung.
Wesentlich ist, dass moderne Fahrzeuge üblicherweise ohnehin mit Fahrdynamiksystemen ausgestattet sind, die beispielsweise die Stabilität des Fahrzeugs beeinflussen können. Ein solches Fahrdynamiksystem ermittelt permanent Daten zur Fahrerunterstützung, die erfindungsgemäß ebenfalls genutzt werden können. Durch die Verknüpfung von zum Beispiel Schlupfregel-, Brems- und Fahrstabilitätssystemen (ABS, ASC, DSC, ESP usw.) gelingt es, die aktive Sicherheit und den Fahrkomfort zu steigern und so den Fahrer zu entlasten, sie helfen dem Fahrer, sein Fahrzeug auch in kritischen Situationen sicher zu beherrschen.
Derartige Systeme treten erst dann in Aktion, wenn beispielsweise die Reifen Gefahr laufen, die Haftung zu verlieren, d.h. bevor die Räder durchdrehen, rutschen oder blockieren. Radsensoren überwachen z.B., wie schnell sich die Räder während des Bremsvorgangs drehen. Neigt ein Rad zum Blockieren, wird automatisch der Bremsdruck am entsprechenden Radbremszylinder soweit verringert, bis das Rad wieder unter normalem Schlupf läuft.
Bei der Antriebsschlupfregelung sorgen Sensoren dafür, dass die Antriebskraft beim Beschleunigen mit minimalem Schlupf übertragen wird. Unabhängig von der Stellung des Gaspedals wird nur soviel Motorleistung zugelassen, wie in der momentanen Fahrsituation ohne durchdrehende Räder möglich ist. Durch Erfassung der Radgeschwindigkeiten durch Sensoren erkennt dieses System ob die Räder sicher greifen. Neigen die angetriebenen Räder zum Durchdrehen, greift die Regelung in das Motormanagement ein und nimmt unabhängig von der momentanen Gaspedalstellung des Drehmoments zurück.
Bei der dynamischen Stabilitätskontrolle ermitteln zusätzliche Sensoren weitere Fahrzustände, um die Fahrsicherheit bei abrupten Ausweichmanövern oder plötzlichen Gefahrsituationen zu erhöhen. Eine Erweiterung des ABS erhöht die Fahrstabilität besonders beim Bremsen in Kurven.
Sensoren ermitteln die Gierrate, die angibt, wie schnell sich das Fahrzeug um seine Hochachse dreht, die Querbeschleunigung, als Maß für Kurvenradius- und Geschwindigkeit, den Lenkwinkel, der die gewünschte Richtung angibt und den Bremsdruck, den der Fahrer über das Pedal ausübt sowie die Drehzahl der einzelnen Räder.
Besonders geeignet für eine erfindungsgemäße Nutzung in Sicherheitsverfahren sind die Raddrehzahl, die Gierrate und die Querbeschleunigung.
Die oben genannten Ausführungen sind nur beispielhaft zu verstehen, Fahrdynamikdaten werden auch aus weiteren Systemen ermittelt und genutzt.
Durch den erfindungsgemäßen Vergleich der Lenkungsfunktion mit den Mess- und Regelgrößen aus dem Fahrdynamiksystem des Fahrzeuges sind gegenüber dem Stand der Technik deutlich erweiterte Plausibilitätsbetrachtungen möglich. So eignet sich die Erfindung besonders als zusätzliche Sicherheit gegen Fehlfunktionen des elektrischen Servolenksystems, welche durch die Sicherheitsfunktionen nur auf Lenkungsebene nicht oder nur schwer zu erkennen sind. Durch die Detektion auf Fahrzeugebene wird die Erkennungswahrscheinlichkeit von Fehlern gegenüber einer Überwachung nur auf Lenkungsebene deutlich erhöht.
Gleichzeitig erschließt sich mit der Einführung dieser zusätzlichen Überwachungsebene mit erweiterten Möglichkeiten der Plausibilitätsbetrachtung der Systemfunktionen ein Potential zur Verbesserung der Systemstabilität und Verfügbarkeit, da dadurch auf Kompromisse verzichtet werden kann, die durch die Beschränkung der Überwachung der Systemstabilität nur auf Lenkungsebene notwendig waren. Beispiele dafür sind die Plausibilitätsbetrachtung des Winkelsig nals des Hard- oder Softwaremäßig dargestellten Lenkwinkelsensors durch den Abgleich mit den Raddrehzahlen oder der Gierrate.
Erfindungsgemäß wird bei Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen die Lenkung in einen sicheren Zustand überführt, was von der Deaktivierung gewisser Funktionalitäten der Lenkung bis zur völligen Deaktivierung der Lenkunterstützung führen kann. Dabei ist jedoch stets eine Lenkbarkeit des Fahrzeuges gewährleistet durch z. B. eine mechanische Rückfallebene in Form einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
Das erfindungsgemäße Sicherheitsverfahren ist deutlich schneller und zuverlässiger als übliche Failsafe-Systeme.
Anhand der einzigen Figur, die eine Prinzipdarstellung einer Sicherheitsüberwachung des Betriebsverhaltens zeigt, wird die Erfindung näher erläutert. Das gezeigte Ausführungsbeispiel soll dabei nur beispielhaft gelten und die Erfindung nicht beschränken.
Wie sich der zugehörigen Legende entnehmen lässt, ist zwischen den gezeigten Komponenten eine strukturelle Verbindung, Signalfluss oder Kraftfluss bzw. Energiefluss möglich. Weiterhin sind Systemgrenzen und Subsystemgrenzen durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt.
Ein Fahrer 14 bringt ein Lenkmoment über eine Lenksäule 16 auf ein Lenkgetriebe 18 auf. Das Lenkgetriebe 18 weist ein Ritzel 22 auf, über das das Lenkmoment auf die Zahnstange 10 übertragen wird. Optional kann die Lenksäule 16 einen Lenkwinkelsensor 12 nach dem Stand der Technik aufweisen. Alternativ kann der Lenkwinkelsensor 12 auch im Lenkgetriebe 18 oder an der Zahnstange 10 angeordnet sein.
Das Hilfsmoment wird durch einen Elektromotor 26 erzeugt und über ein Reduktionsgetriebe 24 auf die Zahnstange übertragen. Der Elektromotor 26 der die Drehung des Lenkungsstranges bzw. eine Verschiebung einer Zahnstange, die die Räder schwenkt, unterstützt, kann einen Positionssensor 20 beinhalten, durch den auf die aktuelle Stellung der Räder bzw. den Lenkwinkel rückgeschlos sen werden kann. Es können entweder der Lenkwinkelsensor 12 und der Positionssensor 20 vorgesehen sein, eine der Komponenten kann jedoch auch ausreichen.
Weiterhin kann das Lenkgetriebe 18 einen Drehstab 28 aufweisen. über den Drehstab ist es möglich, ein auf das Lenkgetriebe 18 wirkendes Lenkmoment mit Hilfe eines Lenkmomentensensors 42 zu ermitteln.
Die durch den Positionssensor 20 ermittelten Werte werden an ein Steuergerät 32 übermittelt. über das Steuergerät 32 wird der Elektromotor 26 gesteuert, ermittelt also unter anderem das optimale Unterstützungsmoment für das Reduktionsgetriebe 24.
An das Steuergerät 32 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin eine ermittelte Momentenverteilung eines Allradsystems 34, der ermittelte eingelegte Gang einer Getriebesteuerung 36, das ermittelte Motormoment einer Motorsteuerung 38, sowie der Lenkwinkel, die Gierrate, die Querbeschleunigung und die Raddrehzahlen, jeweils ermittelt von einem Fahrdynamiksystem 40, übermittelt. Das Steuergerät 32 empfängt weiterhin den vom Lenkwinkelsensor 12 ermittelten Lenkwinkel. Weiterhin empfängt das Steuergerät 32 das auf das Lenkgetriebe 18 wirkende Lenkmoment vom Lenkmomentensensor 42.
Das Steuergerät 32 vergleicht die Eingangsgrößen aus den Fahrdynamiksystemen wie z. B. ABS, ASC, DSC, ESP usw., und überführt bei Abweichung von den Sollgrößen bzw. bei Erkennung von Instabilitäten oder Fehlfunktionen die Lenkung in einen sicheren Zustand, was nach der Deaktivierung gewissen Funktionalitäten der Lenkung bis zur völligen Deaktivierung der Lenkunterstützung führen kann. Dabei ist jedoch stets eine Lenkbarkeit des Fahrzeuges gewährleistet durch z. B. eine mechanische Rückfallebene in Form einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
Die Erfindung erlaubt erstmalig eine weitergehende Auswertung der Mess- und Regelgrößen aus dem Fahrdynamiksystem 40 (ESP, TSC, ABS o.a.) des Fahrzeuges, die über eine Verarbeitung der für die unmittelbare Funktion der Lenkung benötigten Signale hinausgehen und der weitergehenden Überwachung der Si cherheit und des Betriebsverhaltens der Lenkung dienen. Das elektrische Servolenksystem wird erstmalig in die Sicherheitsüberwachung integriert.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst vielmehr auch alle gleichwirkenden Ausführungsformen.

Claims

Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung zur Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen, mit den Verfahrensschritten: – Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße eines Lenkungsstranges, – Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße eines Fahrdynamiksystems (40), – Vergleich der ermittelten Größen und Überprüfung der Plausibilität – Reagieren bei zu großer Abweichung der ermittelten Größen von Normgrößen und Überführung der Lenkung in einen sicheren Zustand.
Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung zur Erkennung von Instabilitäten und potentiell gefährlichen Fehlfunktionen, mit den Verfahrensschritten: – Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße des Lenkungsstranges unter Nutzung von mindestens einem Lenkmomentsensor (42) im Lenkungsstrang, – Ermitteln mindestens einer Mess- und Regelgröße eines Fahrdynamiksystems (40), – Vergleich der ermittelten Größen und Überprüfung der Plausibilität, – Reagieren bei zu großer Abweichung der ermittelten Größen von Normgrößen und Überführung der Lenkung in einen sicheren Zustand.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (32) zur Auswertung der ermittelten Mess- und Regelgrößen vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrdynamiksystem (40) Daten aus der Gruppe Lenkwinkel, Gierrate, Querbeschleunigung und Raddrehzahl ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem permanent eine Plausibilitätskontrolle der ermittelten Mess- und Regelgrößen durchführt und bei Unplausibilitäten ein Warnsignal ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem permanent eine Plausibilitätskontrolle der ermittelten Mess- und Regelgrößen durchführt und das Lenksystem bei kritischen Unplausibilitäten deaktiviert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Daten eines Elektromotors (26) mit einem Positionssensor (20) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Lenkrades bzw. der gelenkten Räder (26) von einem Positionssensor (20) im Elektromotor oder einem Linearsensor auf der Zahnstange erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsverfahren weiterhin eine ermittelte Momentenverteilung von einem Allradsystem (34) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsverfahren weiterhin ein ermitteltes Motormoment von einer Motorsteuerung (38) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsverfahren weiterhin einen ermittelten eingelegten Gang von einer Getriebesteuerung (36) berücksichtigt.