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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hybrides Lenksystem für
ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Aus
der
DE 10 2007
047 408 A1 ist ein hybrides Lenksystem für ein
Kraftfahrzeug bekannt, das sich dadurch charakterisiert, dass es
eine Hydraulikeinrichtung zur Erzeugung einer hydraulischen Lenkkraftunterstützung
sowie eine Elektroeinrichtung zur Erzeugung einer elektromotorischen
Lenkkraftunterstützung umfasst. Ferner ist eine Steuerung
zum Betätigen der Hydraulikeinrichtung und der Elektroeinrichtung
vorgesehen, welche die unterschiedlichen Lenkkraftunterstützungssysteme
in Abhängigkeit von Fahrparametern ansteuert.
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Hybride
Lenksysteme beruhen auf der Überlegung, dass bei einer
Vielzahl von Fahrzuständen, wie zum Beispiel bei Autobahnfahrten,
große Lenkkraftunterstützungen nicht erforderlich
sind, sondern kleine Lenkkraftunterstützungen ausreichen. Üblicherweise
ist eine hydraulische Lenkkraftunterstützung so ausgelegt,
dass beim Rangieren die größte Lenkkraftunterstützung
realisiert werden kann. Beachtenswert ist hierbei, dass beim Rangierbetrieb häufig
nur die Lehrlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs
vorliegt und diese eine zum Rangieren ausreichend Antriebsleistung
bereitstellen muss. Somit ist ein hydraulisches Lenksystem für
die meisten Betriebszustände des Fahrzeugs überdimensioniert.
Bei einem hybriden Lenksystem ist daher vorgesehen, die Hydraulikeinrichtung
in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Fahrzeugs
mehr oder weniger zu deaktivieren und die gegebenenfalls anfallende
Lenkkraftunterstützung mit Hilfe der Elektroeinrichtung
zu realisieren. Durch die Deaktivierung der Hydraulikeinrichtung
lässt sich der Energieverbrauch der Hydraulikeinrichtung
signifikant reduzieren, was zu einer entsprechenden Kraftstoffeinsparung
führt. Die Deaktivierung der Hydraulikeinrichtung kann
beispielsweise durch ein Kurzschließen einer permanent
angetriebenen Hydraulikpumpe realisiert werden. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich, die Hydraulikpumpe über eine schaltbare
Kupplung bedarfsabhängig zuzuschalten oder abzuschalten.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein hybrides Lenksystem der eingangs genannten Art
eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
dadurch auszeichnet, dass sie einen vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch
aufweist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Elektroeinrichtung
in einen Standby-Modus zu schalten, wenn zum einen die Hydraulikeinrichtung
deaktiviert ist, und wenn zum anderen das Fahrzeug eingeschaltet
ist und wenn außerdem das Fahrzeug steht. In einem derartigen
Zustand ist zum einen der Energieverbrauch der Hydraulikeinrichtung
minimiert und zum anderen ist durch den Standby-Modus auch der Energieverbrauch
der Elektroeinrichtung signifikant reduziert. Insgesamt kann somit
in Betriebssituationen des Fahrzeugs, bei denen kein Lenkvorgang
erwartet wird, der Energieverbrauch des Lenksystems minimiert werden.
Beispielsweise kann zur Realisierung des Standby-Modus der Elektromotor
mehr oder weniger stromlos geschaltet werden. Des Weiteren können
redundante Signale ausgeschaltet werden. Darüber hinaus
kann von einer Highspeed-Taktung in eine Lowspeed-Taktung umgeschaltet
werden. Die Taktung betrifft dabei die Frequenz, bei welcher Daten
und Signale aktualisiert bzw. übertragen werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines hybriden
Lenksystems,
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2 eine
Darstellung, wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
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Entsprechend
den 1 und 2 weist ein hybrides Lenksystem 1 für
ein im Übrigen nicht dargestelltes Kraftfahrzeug ein hydraulisches
Lenkgetriebe 2 sowie eine Hydraulikpumpe 3 zur
Betätigung des hydraulischen Lenkgetriebes 2 auf.
Das hydraulische Lenkgetriebe 2 wirkt auf eine Lenkspindel 4 und
bewirkt dadurch die Lenkung des Kraftfahrzeugs. Vom hydraulischen
Lenkgetriebe 2 wird dabei die Hauptlenkarbeit übernommen,
während von einer elektrischen Stelleinrichtung 5 ein
zusätzliches Lenkmoment auf die Lenkspindel 4 ausgeübt
werden kann. Die elektrische Stelleinrichtung 5 ist dabei
zur Lenkunterstützung bei großen Lenkmomenten
oder zum alleinigen Lenken bei sehr kleinen Lenkmomenten ausgebildet
und mit einem Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 verbunden.
Diese Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 wird im Folgenden
auch als Steuerung 6 bezeichnet.
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In
der Hydraulikleitung zwischen der Hydraulikpumpe 3 und
dem hydraulischen Lenkgetriebe 2 ist eine steuerbare Ventileinrichtung 7 vorgesehen,
welche einen durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden
Hydraulikstrom steuert. Darüber hinaus ist eine Erfassungseinrichtung 8 vorgesehen,
welche so ausgebildet ist, dass sie fahrspezifische Parameter erfasst
und an die Steuerung 6 weiterleitet. In den 1 und 2 ist
dabei die Erfassungseinrichtung 8 im Bereich der Lenkspindel 4 angeordnet
und dadurch insbesondere zur Erfassung einer Lenkradwinkelgeschwindigkeit
bzw. eines Lenkradwinkels vorgesehen. Denkbar ist auch, dass die
Erfassungseinrichtung 8 darüber hinaus beispielsweise
eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Quer-/Längsbeschleunigung
des Fahrzeugs erfasst und an die Steuerung 6 übermittelt.
Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung 8 auch mit
einem hier nicht dargestellten Motorsteuergerät des Fahrzeugs
verbunden sein und über dieses Fahrparameter erfassen.
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Die
Steuerung 6 ist so ausgebildet, dass sie die Ventileinrichtung 7 in
Abhängigkeit der von der Erfassungseinrichtung 8 ermittelten
fahrspezifischen Parameter steuert und bei Unterschreitung eines
Unterstützungsgrenzwerts den durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden
Hydraulikstrom auf Null reduziert, so dass die dann erforderliche
Lenkarbeit ausschließlich von der elektrischen Stelleinrichtung 5 erbracht
werden muss.
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Entsprechend 1 kann
dabei die steuerbare Ventileinrichtung 7 als Durchgangsventil
ausgebildet sein, wobei in Flussrichtung vor der Ventileinrichtung 7 eine
Bypassleitung 9 abzweigt, die mit einem Hydraulikreservoir 10 verbunden
ist. Im Bereich der Bypassleitung 9 ist dabei eine weitere
Ventileinrichtung 7' angeordnet, die beispielsweise als
Mengenbegrenzungsventil ausgebildet sein kann. Die Hydraulikpumpe 3 fördert
in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl einen bestimmten
konstanten Volumenstrom. Bis zu einem bestimmten Volumenstrom wird
der Hydraulikvolumenstrom durch das Lenkgetriebe 2 gefördert,
während bei Überschreiten eines bestimmten Grenzvolumenstroms
(höhere Pumpendrehzahl) der Druck an der Ventileinrichtung 7 aufgrund
der Drosselwirkung ansteigt, so dass der über dem Grenzvolumenstrom
liegende Volumenstrom über die Bypassleitung 9 zurück
in das Hydraulikreservoir 10 gefördert wird. Die
zusätzliche Ventileinrichtung 7', welche mit einem
Steuerstrom versorgt wird, stellt dabei sicher, dass auch bei ansteigendem Lenkgetriebedruck
der Hydraulikstrom nicht direkt in die Bypassleitung 9 gefördert
wird.
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Das
hybride Lenksystem 1 umfasst somit eine Hydraulikeinrichtung 11,
mit deren Hilfe eine hydraulische Lenkkraftunterstützung
erzeugt werden kann. Die Hydraulikeinrichtung 11 umfasst
hierbei zumindest die Hydraulikpumpe 3, das hydraulische Lenkgetriebe 2 und
die Ventileinrichtung 7. Ferner umfasst das Lenksystem 1 eine
Elektroeinrichtung 12, mit deren Hilfe eine elektromotorische
Lenkkraftunterstützung erzeugt werden kann. Die Elektroeinrichtung 12 umfasst
insbesondere die elektrische Stelleinrichtung 5.
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Durch
das hybride Lenksystem 1 ist es möglich, bei kleinen
Lenkunterstützungsanforderungen, bei denen nur eine geringe
Lenkunterstützung gefordert wird, die allein durch die
elektrische Stelleinrichtung 5 geleistet werden kann, den
Volumenstrom durch das Lenkgetriebe 2 auf Null zu reduzieren,
indem die Ventileinrichtung 7 vollständig schließt. Während
dieses Zustands wird die Lenkunterstützung alleine durch
die Wirkungsgrad günstigere elektrische Stelleinrichtung 5 geleistet.
Der hydraulische Volumenstrom wird dagegen vollständig
in die Bypassleitung 9 und über diese in das Hydraulikreservoir 10 geleitet.
Der Durchflussgegendruck und die damit verbundene Blindleistung
durch das Lenkgetriebe 2 wird dadurch minimiert, die maximal
mögliche Kraft durch Deaktivieren der Hydraulikeinrichtung 11 wird
optimiert. Die Regelung der Ventileinrichtung 7 erfolgt
dabei vorzugsweise kennfeldbasiert, insbesondere in Abhängigkeit
der Fahrgeschwindigkeit, dem Lenkradwinkel sowie der Lenkradwinkelgeschwindigkeit.
Grundsätzlich kann für die Regelung gesagt werden,
dass mit steigender Fahrgeschwindigkeit die maximalen Lenkradwinkel
abnehmen und somit die notwendige Servounterstützung minimiert
werden kann. Der Volumenstrom bzw. die Öffnung der Ventileinrichtung 7 kann
mit steigender Geschwindigkeit reduziert werden. Wird eine bestimmte
Grenzgeschwindigkeit überschritten, das heißt
ein Unterstützungsgrenzwert unterschritten, kann die hydraulische
Lenkunterstützung komplett abgeschaltet werden, wobei die
dann erforderliche Lenkarbeit ausschließlich von der elektrischen
Stelleinrichtung erbracht werden kann.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die steuerbare
Ventileinrichtung 7 als Zwei-Wege-Ventil ausgebildet, das
einen von der Hydraulikpumpe 3 geförderten Hydraulikstrom
in einen, in das Hydraulikreservoir 10 zurückfließenden
Teilstrom A und einen durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden
Teilstrom B aufteilt. Hierdurch kann die weitere Ventileinrichtung 7' in
der Bypassleitung 9 eingespart werden. Die Ventileinrichtung 7 kann
bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
als elektromagnetisches Einwegeventil ausgebildet sein, während
die Ventileinrichtung 7 bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform durch das genannte Zwei-Wege-Ventil gebildet
sein kann. Mit Hilfe des hybriden Lenksystems 1 ist ein
besonders kraftstoffoptimiertes Fahren möglich, da insbesondere
Nutzfahrzeuge häufig auf Autobahnen unterwegs sind und
dabei lediglich geringe Lenkunterstützungskräfte
benötigen, beispielsweise für eine Spurwechsel.
Diese sehr geringen Lenkunterstützungskräfte können
problemlos von der elektrischen Stelleinrichtung 5 übernommen
werden, so dass nicht zwingend erforderlich ist, dass das hydraulische
Lenkgetriebe 2 ständig unter hohem hydraulischen
Druck betrieben wird. Vielmehr ist es beim hybriden Lenksystem 1 möglich,
durch Stellung der Ventileinrichtung 7 den das Lenkgetriebe 2 durchfließenden
Hydraulikstrom in bestimmten Situationen vollständig abzuschalten.
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Bei
eingeschaltetem Fahrzeug, also insbesondere bei eingeschalteter
Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, kann somit wie erläutert
die Hydraulikeinrichtung 11 deaktiviert werden, um geringere
Lenkunterstützungskräfte ausschließlich
mit der Elektroeinrichtung 12 zu erzeugen. Um nun auch
für die Betriebszustände mit deaktivierter Hydraulikeinrichtung 11 eine
zusätzliche Energieeinsparung zu realisieren, kann die
Steuerung 6 außerdem so ausgestaltet sein, dass
sie bei eingeschaltetem Fahrzeug und bei deaktivierter Hydraulikeinrichtung 11 die
Elektroeinrichtung 12 in einen Standby-Modus schaltet,
wenn das Fahrzeug steht. In diesem Standby-Modus oder Bereitschaftsmodus
ist die elektrische Stelleinrichtung 5 stromlos geschaltet.
Insbesondere findet keine Regelung der Stelleinrichtung 5 statt.
Des Weiteren können im Standby-Modus redundante Signale ausgeschaltet
werden. Üblicherweise werden bei Steer-by-Wire-Systemen
die elektrischen Signale redundant bereitgestellt, um bei Ausfall
eines Signals aus Sicherheitsgründen zumindest ein Reservesignal
zur Verfügung stellen zu können. Im Standby-Modus
wird auf redundante Signale verzichtet, wodurch sich eine zusätzliche
Verbrauchsreduzierung realisieren lässt. Darüber
hinaus kann die Taktung, mit welcher Signale und Daten übertragen
werden, für den Standby-Modus hinsichtlich der Frequenz
reduziert werden. Beispielsweise kann von einer Highspeed-Taktung,
die im normalen Betrieb der Elektroeinrichtung 12 vorliegt,
auf eine Lowspeed-Taktung umgeschaltet werden, die im Standby-Modus
ausreicht. Die genannten Maßnahmen sowie zusätzliche oder
alternative Maßnahmen können zur Reduzierung des
elektrischen Verbrauchs der Elektroeinrichtung 12 durchgeführt
werden, um den Standby-Modus einzustellen.
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Ferner
kann die Steuerung 6 so ausgestaltet werden, dass sie bei
stehendem Fahrzeug nur dann den Standby-Modus aktiviert, wenn zumindest
eine weitere Bedingung erfüllt ist. Beispielsweise wird
der Standby-Modus bei stehendem Fahrzeug nur dann aktiviert, wenn
die Steuerung 6 über eine entsprechende Sitzbelegungserkennung
feststellt, dass derzeit kein Fahrer im Fahrzeugsitz sitzt. Beispielsweise hat
der Fahrer das Fahrzeug bei laufendem Motor abgestellt und vorübergehend
verlassen. Während dieser Zeit rechnet die Steuerung 6 nicht
mit einem Bedarf für eine Lenkkraftunterstützung.
Sofern der Fahrersitz belegt ist, schaltet die Steuerung 6 bei
stehendem Fahrzeug und bei deaktivierter Hydraulikeinrichtung 11 nicht
in den Standby-Modus. Alternativ kann anstelle einer Sitzbelegungserkennung
eine Lenkgeschwindigkeit am Lenkhandrad sensiert werden. Diese Lenkradwinkelgeschwindigkeit
ist bei unbetätigtem Lenkhandrad Null und weicht bei einer Betätigung
des Lenkhandrads vom Wert Null ab. Sobald die Steuerung 6 das
Vorhandensein einer den Wert Null aufweisenden Lenkradwinkelgeschwindigkeit
feststellt, schaltet es die Elektroeinrichtung 12 in den
Standby-Modus, sofern die anderen Voraussetzungen, nämlich
stehendes Fahrzeug und deaktivierte Hydraulikeinrichtung 11 vorliegen.
Sobald die Steuerung 6 dann wieder einen vom Wert Null
abweichenden Wert für die Lenkradwinkelgeschwindigkeit feststellt,
wird die Elektroeinrichtung 12 wieder aktiviert und in
ihren Betriebsmodus geschaltet. Diese Ausführungsform eignet
sich insbesondere für schnell einschaltbare Elektroeinrichtungen 12.
Eine nur vergleichsweise träge einschaltbare Elektroeinrichtung 12 arbeitet
bevorzugt mit der Sitzbelegungserkennung für das Einschalten
des Standby-Modus.
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Es
ist klar, dass ein Fahrzeug, das mit dem hybriden Lenksystem 1 ausgestattet
ist, zur Realisierung der vorbeschriebenen Abfragebedingungen mit einer
Sitzbelegungserkennung und/oder mit einer Sensorik zur Erkennung
der Lenkradwinkelgeschwindigkeit ausgestattet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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