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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verriegelung
einer elektrischen Servolenkung gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Zum
Verriegeln einer Lenkung in einem Kraftfahrzeug sind aus dem Stand
der Technik sogenannte Lenkradschlösser bekannt, die am
Lenkrad bzw. an der Lenksäule angeordnet sind und mittels eines
Sperrenelementes die Bewegung des Lenkrades verhindern. Nach dem
Stand der Technik werden diese Lenkradschlösser als eigenständige
Baugruppen ausgeführt die gewöhnlich in die Lenksäule
auf der Hochmomentenseite eingreifen. Neuerdings werden diese Lenkradschlösser
zunehmend als elektromechanische Baugruppen ausgeführt,
die eine elektronisch gesteuerte Ver- bzw. Entriegelung des Fahrzeugs
erlaubt. Diese Lenkradschlösser bestehen aus einer elektromechanischen
Aktuatorik, üblicherweise aus einem Elektromotor und einer
Verriegelungsmechanik sowie einer elektronischen Baugruppe die eine
Signalverarbeitungseinheit und Leistungselektronik aufweist, die
zu Ansteuerung des Elektromotors bzw. der Aktuatorik der Verriegelungsmechanik
vorgesehen ist. Aus der
EP1029754A2 geht
eine elektromechanische Lenkradverriegelung hervor, bei der die
elektrische Baugruppe aus einem Signalstecker, einer Signalaufbereitung,
einer Spannungsversorgung, einer Schnittstelle zur einer Positionssensorik und
einem Mikrocontroller besteht.
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In
der
DE 60 2005
000 670 T2 wird eine elektrische Lenkradverrieglung offenbart,
bei der die mittels einer zusätzliche mechanische Sicherungseinheit
ein unbeabsichtigtes Verlassen der entriegelten Position verhindert
wird. Die Sicherungseinheit wird in diesem Fall über eine
zusätzliche Magnetspule durch die Leistungselektronik angesteuert.
Zur sicheren Erkennung des ver- und entriegelten Zustands sind hierbei
zusätzliche Schalter in die Aktuatorik integriert.
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Grundsätzlich
werden an die elektrische Lenkradverrieglung sehr hohe Sicherheitsanforderungen
gestellt, da eine ungewollte Verriegelung während der Fahrt
ausgeschlossen werden muss. Hierzu werden neben der eigentlichen
Grundfunktionen der Lenkradverrieglung auch zusätzliche
Maßnahmen wie z. B. die beschriebenen redundante Sensorik
und Sicherungseinheit aber auch Überwachungsbaugruppen/-algorithmen
des Mikrocontrollers und der Schnittstellen implementiert.
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Des
Weiteren ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen
Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10
2008 040 877 eine Vorrichtung zum Verriegeln einer Lenkung
und das damit ausgestattetes Lenksystem bezüglich des mechanischen
Aufbaus beschrieben.
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Der
Hauptnachteil heutiger elektrischer Lenkradverriegelungen (ELV)
nach dem Stand der Technik besteht darin, dass diese als separate
Baugruppen ausgeführt sind und daher neben der eigentlichen
Aktuatorik zusätzlich Baugruppen wie Gehäuse,
Stecker, Kabelverbindung zum Fahrzeugbordnetz, Ansteuerelektronik
aufweisen.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.
Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Systemkomplexität einer ELV deutlich zu reduzieren und
darüber hinaus, Sicherheitsstandards intelligent und kostengünstig
zu realisieren.
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Zur
Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, dass die Funktion
der elektrischen Lenkradverriegelung in ein Powerpack (E-Motor und
Steuergerät) eines elektrischen Lenksystems integriert
wird und bereits vorhandene Elektronikbaugruppen der Lenkung für
den Betrieb der Lenkungsverriegelung genutzt werden.
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Demzufolge
ist eine mechatronische Baugruppe für eine elektrischen
Servolenkung vorgesehen, die zumindest einen Servomotor und eine
Motorwelle aufweist, welche dafür vorgesehen ist, mit einem
Lenkgetriebe zur Übertragung eines Drehmoments verbunden
zu werden, und einen Verriegelungsmechanismus, der mittels eines
beweglichen Verriegelungselements in einen Eingriffsabschnitt einer
Rastkupplung auf der Niedermomentseite des Lenksystems eingreift,
wobei die Rastkupplung mit der Motorwelle in Wirkverbindung steht
und wobei die Energieversorgung und Betriebsführung des
Verriegelungsmechanismus unter Verwendung von Hard- und Softwareressourcen
der der elektrischen Servolenkung zugeordneten Steuer- und Regeleinheit
erfolgt.
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Zusätzlich
ist eine berührungslose Positionssensorik vorgesehen, mittels
derer Endpositionen des Verriegelungsmechanismus detektiert werden.
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Dabei
kann die Positionssensorik als schaltende oder lineare Sensorik
ausgeführt sein, mit der entweder ein diskreter Zustand
entsprechend der Stellung ver- oder entriegelt oder ein Ausmaß oder Grad
der Verriegelung detektiert werden kann.
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Des
Weiteren ist eine Positionssensorik vorgesehen, mit der die Position
der Verriegelungseinheit bestimmt wird, indem Umdrehungen eines
dem Verriegelungsgetriebes zugehörigen Bauteils erfasst und
gezählt werden.
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Von
Vorteil ist es wenn die Positionssensorik auf einem Schaltungsträger
angeordnet ist, der integrierter Bestandteil der Verriegelungseinheit
ist.
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Es
ist vorgesehen, den Antrieb des Verriegelungsmechanismus mittels
eines Elektromotors vorzunehmen.
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Dabei
ist es von Vorteil, den Elektromotor als permanentmagneterregter
Gleichstrommotor auszuführen, der mittels einer Leistungselektronik
angesteuert wird, die eine Brückenschaltung und eine zugeordnete
Treiberschaltung aufweist und als eine Single-Chip Variante ausgeführt
ist.
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Von
Vorteil ist es dabei, die Leistungselektronik auf einem Schaltungsträger
anzuordnen und ihn in die Verriegelungseinheit zu integrieren.
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Eine
weitere Integrationsstufe wird erreicht, indem die Leistungselektronik
und die Positionssensorik auf einem gemeinsamen Schaltungsträger
angeordnet sind.
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In
einer finalen Integrationsstufe ist die Leistungselektronik zum
Betrieb des Elektromotors auf dem Schaltungsträger des
Lenkungssteuergeräts integriert.
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Die
elektrische Verbindungstechnik zwischen der Verriegelungseinheit
(Elektromotor und Positionssensorik) und Lenkungssteuergerät
sind dabei als lösbare Steck- und/oder Schneid-/Klemm Verbindungen
oder als nichtlösbare Löt-, Schweiß-, oder
Nietverbindung ausgeführt.
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Für
den Fehlerfall, d. h. einer ungewollten Ver- bzw. Entriegelung des
Verriegelungsmechanismus ist es vorgesehen, dass dieser mittels
der Positionssensorik erkannt wird und durch eine entsprechende
Ansteuerung des Elektromotors Gegenmaßnahmen eingeleitet
werden.
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Darüber
hinaus ist es vorgesehen, dass der Verriegelungsmechanismus derart
betrieben wird, dass ein Abbremsen der Aktuatorik kurz vor Erreichen
der mechanischen Begrenzung/Einraststellung erfolgt.
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Als
Hilfe zur Entriegelung ist es vorgesehen, dass der Servomotor der
elektrischen Lenkhilfe derart betrieben wird, dass ein Übergang
vom verriegelten in den entriegelten Zustand des Verriegelungsmechanismus
ermöglicht wird.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Integration einer elektrischen
Lenkverriegelung gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
eine Detailansicht eines Verriegelungsmechanismus gemäß der
Erfindung.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verriegelungsmechanismus
mit einer Erkennung des Verriegelungszustands gemäß der
Erfindung.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verriegelungsmechanismus
mit einer Erkennung des Verriegelungszustands.
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5 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verriegelungsmechanismus
mit einer besonders vorteilhaften Anordnung von mechanischen und elektronischen
Komponenten.
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- 100
- Baugruppe, „PowerPack”
- 101
- Ritzel,
abtriebsseitig
- 102
- Elektromotor
(Servomotor)
- 103
- Motorwelle
- 104
- Steuergerät
(Steuer- und Regeleinheit)
- 200,
300, 400, 500
- Verriegelungsmechanismus, Elektrische
Lenkradverriegelung (ELV)
- 201
- elektromotorischer
Antrieb
- 202
- Getriebestufe
- 203
- Verriegelungselement
- 204
- Rastkupplung
- 205
- Eingriffsabschnitt
- 301a,
301b
- Sensoren,
berührungslos
- 302
- Feldgebermagnet
- 303
- Trägerplatine
- 304
- Gewindehülse
- 401
- Sensor,
getriebebezogen
- 402
- Feldgeber,
getriebebezogen
- 501
- Schaltungsträger,
ELV
- 502
- Positionssensorik,
ELV
- 503
- Leistungselektronik,
ELV
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Integration einer elektrischen
Lenkverriegelung gemäß der Erfindung. In der Regel
werden der Elektromotor 102 (Servomotor) und die zum Betrieb
des Motors erforderliche Steuer-Regel- und Leistungselektronik 104 als
eine zusammengehörige mechatronische Baugruppe 100 gefertigt.
Sie sind damit nach dem Baukastenprinzip austauschbar und werden
erst in der Endmontage der Lenkung mit dem eigentlichen Lenkgetriebe
(nicht dargestellt) verbunden. Die Baugruppe 100 wird in
der einschlägigen Fachwelt als „PowerPack” bezeichnet.
Das Lenkgetriebe beinhaltet eine Zahnstange mit einem Schneckengetriebe oder
einem Kugelgewindegetriebe, das dafür vorgesehen ist, von
dem Servomotor des PowerPacks angetrieben zu werden. Hierzu ist
das Ritzel 101 vorgesehen. Alternativ hierzu kann ein Gewindewellen/Kugelmuttertrieb
vorgesehen sein, der über einen verzahnten Riemen mittels
des Servomotors angetrieben wird. In beiden Fällen wird
die Rotationsbewegung des Servomotors in eine translatorische Bewegung
der Zahnstange oder der Gewindestange umgewandelt. Die translatorische
Bewegung wird im eingebauten Zustand im Fahrzeug an die Spurstangen
zur Erzielung einer Lenkbewegung der gelenkten Räder weitergegeben.
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Gemäß der
Erfindung ist es vorgesehen, eine elektrische Lenkverriegelung 200, 300, 400, 500 (ELV)
in das PowerPack zu integrieren und die vorhanden Ressourcen und
Infrastruktur der der elektrischen Servolenkung zugeordneten Steuer-
und Regeleinheit (104) für den Betrieb und die
Gewährleistung von Sicherheitsfunktionen zu nutzen. Hierbei lässt
sich die Systemkomplexität deutlich reduzieren und in Folge
die Kosten eines solchen Systems. Auch hinsichtlich Sicherheits-
und Manipulationsgründen ist eine räumliche Integration
der ELV in die Lenkung von enormen Vorteil, da hiermit die externen Schnittstellen
minimiert und der externe Zugang (Missbrauch) deutlich erschwer
wird. Da an ein elektrisches Lenksystem dieselben Sicherheitsanforderungen
wie an eine elektrische Lenkradverriegelung gestellt werden, sind
die benötigten Absicherungsmaßnahmen in der Elektrik/Elektronik
bereits in der Baugruppe 100 vorhanden Des Weiteren sieht
die Erfindung vor, dass mittels der Steuer- und Regeleinheit 104 ein
Befehl zur Aktivierung und Deaktivierung der Verriegelungseinheit
empfangen werden kann und nachfolgend auf Seiten der Steuer- und
Regeleinheit 104 die ELV gesteuert und/oder 104 geregelt wird.
Dieser Befehl wird von einem externen Steuergerät nach
Maßgabe eines Ereignisses (beispielsweise ein Aktivierung
der Wegfahrsperre) mittels eines Bus-Systems versendet. Des Weiteren
ist vorgesehen, dass ein Quittierungszeichen von der Steuer- und
Regeleinheit 104 an ein externes Steuergerät versendet
wird, welches anzeigt, ob sich die ELV in sicheren Zustand „entriegelt” oder „verriegelt” oder
in einer Störung befindet. Diese Information kann auch mittels
eines externen Steuergeräts asynchron angefordert werden.
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2 zeigt
eine Detailansicht eines Verriegelungsmechanismus gemäß der
Erfindung Die dargestellte Verriegelungseinheit besteht aus einem elektromechanischen
Aktuator 200, der mittels eines beweglichen Verriegelungselements 203,
das mittels eines elektromotorischen Antriebs 201 und einer
Getriebestufe 202 ein- und ausgefahren werden kann, auf
Einraststellen einer Rastkupplung 204 wirkt. Die Rastkupplung
ist koaxial zur Motorwelle 103 des Servomotors 102 angeordnet.
Die Verriegelungseinheit wirkt somit auf die Niedermomentseite,
d. h. auf Seiten des Servomotors 102, ein. Das hat den
Vorteil, dass die mechanische und elektrische Dimensionierung der
Verriegelungseinheit entsprechend gering ausgelegt werden kann.
Zwischen Servomotor und Lenkrad oder Lenksäule entsteht
in einem mit dem Lenkgetriebe verbundenen Zustand ein drehmomentbezogenes Übersetzungsverhältnis
von in etwa 1:20. Ein Haltemoment von 1 Nm auf Seiten der Motorwelle
entspricht somit einem Handmoment auf Seiten des Lenkrades von in
etwa 20 Nm. Der elektromotorische Antrieb 201 ist dabei
vorzugsweise als permanentenmagneterregter Gleichstrommotor ausgeführt.
Mittels einer zwischengeschalteten Getriebestufe 202, wird
eine Bewegung des Verriegelungselements initiiert und in Folge eine
Ver- bzw. Entriegelung des Lenksystems vorgenommen.
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Zum
Betrieb des elektromotorischen Antriebs 201 ist eine Leistungselektronik
vorgesehen, die vorzugsweise als Brückenschaltung ausgeführt ist.
Als Leistungsbauteile werden hierzu vorzugsweise leistungslos ansteuerbare
Feldeffekttransistoren verwendet, die mittels einer Treiberschaltung
angesteuert werden. Vorzugsweise wird für die Ansteuerschaltung
ein hoch integrierter Halbleiterchip verwendet, der neben der Brückenschaltung
und der Treiberschaltung auch die Spannungsgenerierung und verschiedenen
Diagnosemechanismen der integrierten Leistungsstrukturen enthält.
Solche Bauteile werden als Ein-Chip-Lösungen von unterschiedlichen Herstellern
angeboten.
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Gemäß der
Erfindung weist die mechatronische Baugruppe 100 zumindest
einen Servomotor (Lenkhilfemotor) 102 und eine Motorwelle 103 auf, die
dafür vorgesehen ist, mit einem Lenkgetriebe zur Übertragung
eines Drehmoments verbunden zu werden Ferner ist ein Verriegelungsmechanismus 200, 300, 400, 500 vorgesehen,
der mittels eines beweglichen Verriegelungselements 202 in
einen Eingriffsabschnitt 205 einer Rastkupplung 204 auf
der Niedermomentseite des Lenksystems eingreift, wobei die Rastkupplung
mit der Motorwelle 103 in Wirkverbindung steht. Die Energieversorgung
und Betriebsführung des Verriegelungsmechanismus erfolgt dabei
unter Verwendung von Hard- und Softwareressourcen der der elektrischen
Servolenkung zugeordneten Steuer-/Regeleinheit 104.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verriegelungsmechanismus 300 mit
einer Erkennung eines Verriegelungszustands. Zur Detektion von Endpositionen
des Verriegelungsmechanismus entsprechend der Stellung „verriegelt” und „entriegelt” ist
vorzugsweise eine berührungslose Positionssensorik 301a, 301b vorgesehen.
Insbesondere kommen dabei Hall- oder MR-Sensoren in Betracht. Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz von zwei Sensoren, die auf einer Trägerplatine 303 an
den Endpositionen der Gewindehülse 304 angeordnet
sind und über einen auf der Gewindehülse angebrachten Feldgebermagneten 302 eine
Detektion der Endpositionen ermöglichen. Die Sensoren sind
vorzugsweise mit einer Zweidrahtschnittstelle (Strom- oder Spannungsschnittstelle)
ausgerüstet und direkt auf der Trägerplatine aufgebracht.
Für einen exakten Schaltbereich können programmierbare
Sensoren verwendet werden.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verriegelungsmechanismus
mit einer Erkennung des Verriegelungszustands. In diesem Beispiel ist
die Verwendung eines dritten Sensors 401 vorgesehen, mit
dessen Verwendung die Anzahl der Umdrehungen eines Bauteils des
Verriegelungsgetriebes 202, im Beispiel die des großen
Zahnrads, erfasst werden kann, indem das Überfahren eines
in das Zahnrad eingelassenen Feldgebers 402 erfasst wird.
Aus der Anzahl der auf diese Weise detektierten Umdrehungen kann
ein Ausmaß der Verriegelung abgeleitet werden.
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Bezüglich
den in den 3, 4 und 5 dargestellten
Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, die Sensoren anstelle
der Anordnung auf einer Trägerplatine oder auf einer flexiblen
Leiterplatte direkt in das Aktuatorgehäuse zu integrieren. Dies
kann beispielsweise mittels Klebetechnik oder einer Spritzgussumschließung
erfolgen.
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Die
Sensoren können entweder als schaltende Elemente oder als
lineare Sensoren oder einer Kombination derer ausgeführt
sein. In beiden Varianten kann ein diskreter Zustand entsprechend
der Stellung Ver- oder Entriegelt ermittelt werden. Im Falle von
linearen Sensoren kann die jeweilige Endposition nicht nur detektiert,
sondern auch der Grad oder das Ausmaß der Verriegelung
direkt bestimmt werden. Die Positionssensorik kann dabei schaltend oder
linear ausgeführt sein. In beiden Fällen wird
damit eine Abbremsung der Aktuatorik 200 kurz vor Erreichen
der mechanischen Begrenzung oder der Einraststellung ermöglicht,
was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer des Getriebes oder hinsichtlich
der Geräuschentwicklung auswirkt, des Weiteren kann ein Verklemmen
des Getriebes 202 vermieden werden. Zusätzlich
kann in diesem Fall auch eine ungewollte Ver- bzw. Entriegelung
beispielsweise aufgrund von Vibrationen erkannt und durch entsprechende
Bestromung des Elektromotors entgegen gewirkt werden.
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Gemäß der
Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuerung und Auswertung der
Sensorsignale der zum Betrieb des Aktuators der elektrischen Lenkverriegelung
erforderliche Leistungselektronik mittels eines in der Steuer- und
Regeleinheit des Lenkungssteuergeräts bereits vorhandenen
Mikrocontrollers erfolgt. Dies hat den enormen Vorteil, dass dieser
bereits durch geeignete Ressourcen wie beispielsweise einem Watchdog,
einem zweiten Überwachungs-Rechner, einer Speicherüberwachung
abgesichert ist und den Sicherheitsanforderung entspricht. Ebenso
erfolgt die Spannungsversorgung der Leistungselektronik über
das Lenkungssteuergerät, d. h. erforderliche Filter- und
Schutzmaßnahmen sind auch hier bereits vorhanden und können
ausgenutzt werden. Damit kann eine drastische Kostenreduzierung
realisiert werden. Darüber hinaus erübrigt sich
die Anzahl der Bauteile gegenüber einer Lösung
mit dedizierter Logik und Ansteuerungs-Mimik. Dies wirkt sich auch
auf positiv auf die zu erwartenden Lebensdauer des Systems aus und erhöht
darüber hinaus die Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
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In
einer bevorzugten Variante ist die Leistungselektronik für
den Aktuator der ELV auf dem Lenkungssteuergerät implementiert.
In diesem Fall sind in der Aktuatorik selbst bis auf elektromotorischen
Antrieb und den Sensoren keine weiteren wesentlichen Komponenten
integriert, was eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht
und die Anzahl der elektrischen Verbindungen zwischen der ELV und Lenkungssteuergerät
gering hält.
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In 5 ist
eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante dargestellt.
Die Leistungselektronik 503 der ELV ist gemeinsam der Positionssensorik 502 auf
einem Schaltungsträger 501 innerhalb der Verriegelungseinheit
integriert, wodurch auf dem Lenkungssteuergerät keine zusätzlichen
Baugruppen für die ELV benötigt werden. Dies kann
insbesondere dann Vorteile bieten, wenn die ELV eine optionale Ausstattungsvariante
des Kraftfahrzeugs ist.
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Die
Verbindungstechnik zwischen ELV-Aktuatorik und dem Lenkungssteuergerät
erfolgt vorzugsweise als lösbare elektrische Verbindungen
(Steckkontakte oder Schneid-Klemm-Technik) oder mittels einer flexiblen
Leiterplatte. In weiteren Ausführungsvarianten können
auch nichtlösbare Verbindungen mittels Laserschweißen,
Lötung, Nietung etc vorteilhaft sein. Dies ermöglicht
eine weitere Reduzierung von Materialkosten.
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Es
kann ein Betriebsfall auftreten, bei dem der elektromotorische Antrieb 201 kein
entsprechend hohes Drehmoment aufbringen kann, um das bewegliche
Verriegelungselement 203 aus dem Eingriffsabschnitt 205 der
Rastkupplung 204 zu lösen. Deshalb ist es vorgesehen,
dass der Servomotor 102 der Lenkhilfe derart betrieben
wird, dass ein Übergang vom verriegelten in den entriegelten
Zustand ermöglicht wird.
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Vorrichtung
nach einem der vorherigen Ansprüchen 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die der elektrischen Servolenkung zugeordneten
Steuer- und Regeleinheit (104) dafür vorbereit
ist, Befehle zum Ver- und Entriegeln der Verriegelungsmechanik von
einer externen, dem Fahrzeugverbundsystem zugehörigen Steuer-
und Regeleinheit mittels eines Bussystems zu empfangen und interne
Zustandsinformationen der Verriegelungseinheit zu versenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1029754
A2 [0002]
- - DE 602005000670 T2 [0003]
- - DE 102008040877 [0005]