DE102009012842A1

DE102009012842A1 - Verfahren zum Betreiben eines Lenkungssystems in einem Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009012842A1
Application number: DE102009012842A
Authority: DE
Inventors: Stefan Ullmann; Marnix Dipl.-Ing. Lannoije; Martin Stemmer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: DE102009012842B4

Abstract

In einem Kraftfahrzeug mit Überlagerungsgetriebe gibt es einen Elektromotor (24), der einen Zusatzwinkel (δ) zusätzlich zum Lenkwinkel (δ) einprägt, damit sich der ausgangsseitige Winkel (δ) erhöht. Der Elektromotor (24) soll möglichst optimal ausgenutzt werden. Hierzu werden im Bereich dieses Elektromotors (24) Größen erfasst, nämlich das vom Elektromotor (24) aufgebrachte Moment (M), die von ihm gezogene Stromstärke (I) oder die von ihm gezogene Leistung (P) (Produkt aus anliegender Spannung U und I). Ergibt sich aus der Größe eine Überlast des Elektromotors (24), wird der Winkel (δ) im Vergleich zu einem Grundbetrieb verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lenkungssystems in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug, in dem das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar ist bzw. eingesetzt wird.
Es ist hierbei davon ausgegangen, dass das Lenkungssystem eine Überlagerungslenkung beinhaltet. Eine Überlagerungslenkung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Lenkhandhabe eine erste Welle gedreht wird, welche als Eingang in ein Überlagerungsgetriebe fungiert. An der Ausgangsseite des Überlagerungsgetriebes ist eine zweite Welle angeordnet, die mit den Rädern gekoppelt ist, wobei die Drehung der ersten Welle eine Drehung der zweiten Welle bewirkt. Das Besondere an dem Überlagerungsgetriebe besteht darin, dass auch eine dritte Welle als zweiter Eingang in es hinein geführt ist, und der dritten Welle ist von einem Elektromotor eine Drehung aufprägbar, welche sich in einer zusätzlichen Drehung der zweiten Welle (und damit der Räder) auswirkt. Für die Erfindung darf vorausgesetzt werden, dass der Elektromotor von einer Steuereinheit angesteuert wird, welche vorgibt, um welchen Winkel der Elektromotor die dritte Welle drehen soll. Im herkömmlichen Betrieb wird auf die dritte Welle ein Zusatzwinkel gegeben, der zu dem über die Lenkhandhabe in die erste Welle eingetragenen Lenkwinkel hinzutritt. Der Zusatzwinkel verändert das Übersetzungsverhältnis, zumeist verbessert er es. Das Übersetzungsverhältnis ist das Verhältnis aus Lenkradwinkel zu Radwinkel. Tritt zu dem Lenkradwinkel noch ein Zusatzwinkel hinzu, wird ein größerer Radwinkel erzielt.
Eine Überlagerungslenkung soll möglichst optimal betrieben werden: Der Zusatzwinkel soll in der Regel möglichst groß gewählt sein. Andererseits soll der Elektromotor nicht überlastet werden. Diese entgegengesetzten Erfordernisse sollten optimal aufeinander abgestimmt sein.
Um einen Elektromotor einer Überlagerungslenkung nicht zu beschädigen, kann vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe verriegelt wird. Es wird dann auf ein festes Übersetzungsverhältnis eingestellt. Ein Beispiel, wie ein verriegelbares Überlagerungsgetriebe ausgestaltet werden kann, ist in der DE 103 23 042 A1 beschrieben. In dieser Druckschrift ist dargelegt, dass eine Verriegelung insbesondere im inaktiven Zustand des Systems sinnvoll ist, wenn der Motor ausgeschaltet ist oder keine Energieversorgung gewährleistet ist.
In der DE 198 23 031 B1 ist beschrieben, dass ein Verriegeln eines Überlagerungsgetriebes in Abhängigkeit von Sensorsignalen bewirkt werden kann. Insbesondere können Signale eines Lenkwinkelsensors an der oben genannten ersten Welle bzw. eines Ausgabewinkelsensors an der oben genannten zweiten Welle ausgewertet werden und zum Verriegeln führen.
Die WO 2005/063 547 A1 beschreibt, dass bei einer Überlagerungslenkung bei Vorhandensein eines äußeren Lastmoments, das nicht kompensierbar ist, durch ein Sicherheitsmodul ein Überlagerungsgetriebe verriegelt wird.
Um das Gesamtsystem vor Überlastung zu schützen, ist in den Druckschriften EP 0904 225 B1 und DE 10 2006 007 250 A1 beschrieben, dass der von dem Elektromotor auf die dritte Welle aufgeprägte Zusatzwinkel beschränkt werden kann. Die EP 0904 225 B1 sieht eine solche Beschränkung beim Erreichen eines Lenkanschlags der Lenkhandhabe vor. Die DE 10 2006 007 250 A1 sieht eine solche Beschränkung vor, wenn ein dem Überlagerungsgetriebe und der zweiten Welle nachgeordnetes Servolenkungssystem (Hilfskraftlenkung) überlastet sein könnte.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Lenkungssystem der eingangs beschriebenen Art möglichst optimal auszunutzen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

– Überwachen des vom Elektromotor auf die dritte Welle aufgebrachten Moments oder der Stromstärke des vom Elektromotor gezogenen Stroms oder der vom Elektromotor gezogenen Leistung als überwachte Größe und
– Festlegen eines Winkels für die Drehung der dritten Welle in Abhängigkeit von der überwachten Größe.

Die genannten möglichen überwachten Größen sind alle drei solche Größen, aus denen auf die Belastung des Elektromotors rückgeschlossen werden kann. Wird der Winkel für die Drehung der dritten Welle in Abhängigkeit von der überwachten Größe festgelegt, so kann bei geringerer Belastung des Elektromotors ein eher größerer Winkel gewählt werden, bei größerer Belastung des Elektromotors ein eher kleinerer Winkel, bei ansonsten gleichen Bedingungen. Dann wird im Grundbetrieb der Elektromotor gut ausgenutzt, weil durch einen großen Winkel ein gutes Übersetzungsverhältnis erzielt wird, während bei einer aktuell drohenden Überlastung des Elektromotors dem Schutz des Elektromotors Vorrang gegeben wird. Die Festlegung des Winkels kann ständig oder wiederholt erfolgen, sodass eine Winkelgeschwindigkeit festgelegt wird.
Somit ist eine optimale Ausnutzung des Elektromotors in Einklang mit dessen langfristiger Betriebsfähigkeit gebracht.
Am einfachsten ist es, wenn untersucht wird, ob ein aktueller Wert für die überwachte Größe oberhalb oder unterhalb eines Grenzwerts liegt. Die überwachten Größen sind alle drei so ausgewählt, dass bei Überschreiten des passend gewählten Grenzwerts ein Überlastzustand besteht. Neben dem Verwenden eines Grenzwerts für das Kriterium, wie der Winkel für die Drehung der dritten Weile festzulegen ist, können alternativ oder zusätzlich auch Zeitableitungen berücksichtigt werden, um so insbesondere auch eine Entwicklung vorhersagen und dadurch abwenden zu können.
Das Verriegeln des Überlagerungsgetriebes kann als zusätzliche Maßnahme vorgesehen sein, aber erst nach einer Reduzierung des Winkels für die Drehung der dritten Welle. Beispielsweise kann ein weiterer Grenzwert (der größer als der oben genannte Grenzwert ist) festgelegt werden, oberhalb dessen das Überlagerungsgetriebe verriegelt wird.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist geeignete Mittel zum Messen der bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten zu überwachen den Größen auf. Betreffend die gezogene Leistung sind bevorzugt der gezogene Strom und die anliegende Spannung gesondert zu messen, letztere kann am Bordnetzabgriff gemessen werden. Die Steuereinheit ist dann weiter erfindungsgemäß dazu ausgelegt, einen Winkel, um den die dritte Welle zu drehen ist, in Abhängigkeit von der zu überwachenden Größe festzulegen. Sie sendet Steuersignale an den Elektromotor, damit dieser dann tatsächlich eine Drehung um den festgelegten Winkel veranlasst.
Genauso, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verriegeln des Überlagerungsgetriebes vorgesehen ist, kann auch beim Vorrichtungsaspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe verriegelbar ist, vorliegend elektromechanisch verriegelbar ist. Hierzu vorhandene Mittel wären dann als mit der Steuereinheit gekoppelt auszuführen und selbige dazu auszulegen, die elektromagnetischen Mittel in Abhängigkeit von der zu überwachenden Größe durch Steuersignale anzusteuern und gegebenenfalls ein Verriegeln zu bewirken.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur die zu der Beschreibung der Erfindung wesentlichen Bauteile eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zeigt.
In einem im Ganzen mit 10 bezeichneten Kraftfahrzeug werden Räder 12 vermittels eines Lenkrads 14 als Lenkhandhabe gedreht. Das Lenkrad 14 ist mit einer ersten Welle 16 gekoppelt, der das Lenkrad 14 eine Drehung um einen Winkel δ_S aufprägt. Der ersten Welle 16 ist ein so genanntes Überlagerungsgetriebe 18 nachgeordnet. Das Überlagerungsgetriebe 18 kann ein Wellgetriebe oder ein Planetengetriebe sein. Ausgangsseitig des Überlagerungsgetriebes 18 ist eine zweite Welle 20 in Richtung zu den Rädern geführt. Das Überlagerungsgetriebe 18 zeichnet sich dadurch aus, dass eine dritte Welle 22 in es hineingeführt ist und einen zweiten Eingang bildet. Ein Elektromotor 24 kann der dritten Welle einen Drewinkel δ_M als Winkel aufprägen. Das Überlagerungsgetriebe 18 erzeugt dann ausgangsseitig einen Winkel δ_G, um den sich die zweite Welle 20 dreht, der eine Funktion der Eingangswinkel δ_S und δ_M ist, typischerweise durch Addition aus diesen beiden Winkeln hervorgeht.
Die Überlagerungslenkung erlaubt es, vermittels des Elektromotors 24 den Fahrzeugführer bei der Lenkung zu unterstützen, nämlich der zweiten Welle 20 einen größeren oder kleineren Winkel aufzuprägen, als dies der Fahrzeugführer 14 allein tut. In dem Kraftfahrzeug 10 ist der zweiten Welle 20 eine eine Hilfskraft bereitstellende Einheit 26 nachgeordnet. Diese auch als Servolenkung bezeichnete Einheit erleichtert dem Fahrzeugführer das Lenken der Räder 12.
Der Elektromotor 24 wird vorliegend optimal ausgenutzt. Er wird von einer Steuereinheit 28 angesteuert. Dieser erhält von einem Lenkwinkelsensor 30 ständig eine Information über den der ersten Welle 16 aufgeprägten Winkel δ_S. Die Steuereinheit 28 legt fest, welchen Wert der der dritten Welle 23 von dem Elektromotor 24 aufgeprägte Zusatzwinkel δ_M haben soll.
Die Steuereinheit 28 erhält ständig Informationen über den Betriebszustand des Elektromotors 24. Diese Informationen können das Moment M sein, das auf die dritte Welle 22 wirkt, der von dem Elektromotor 24 gezogene Strom I oder die vom Elektromotor 24 gezogene Leistung P, oder auch mehrere dieser Größen gleichzeitig. Erreicht der Elektromotor 24 seine Leistungsgrenze, so wird dies anhand der überwachten Größe M, I und/oder P durch die Steuereinheit 28 erkennbar, z. B. über ein Schwellwertkriterium. Die Steuereinheit 28 bewirkt unmittelbar daraufhin, dass der Winkel δ_M nicht mehr auf die Art und Weise von dem Lenkwinkel δ_S abhängig ist wie vor der Überlastung des Elektromotors 24. Insbesondere wird δ_M kleiner gewählt, als er es sonst wäre. Dadurch wird der Motor 24 sofort entlastet.
Weil die Steuereinheit 28 ständig Informationen über die Belastung des Motors 24 selbst in direkter Weise erhält, kann eine Überlastung des Elektromotors 24 vermieden werden. Umgekehrt bedeutet dies, dass im Grundbetrieb näher an der Überlastgrenze des Elektromotors 24 gearbeitet werden kann, als dies sonst möglich wäre, so dass der Elektromotor 24 optimal ausgenutzt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass in einem Fall extremer Überlast, bei Überschreiten eines zweiten Grenzwertes durch die überwachte Größe M, I und/oder P, die Steuereinheit 28 eine elektromagnetische Verriegelung 32 des Überlagerungsgetriebes 18 ansteuert und so bewirkt, dass das Übersetzungsverhältnis konstant bleibt. In diesem Falle wird der Elektromotor 24 unmittelbar stark entlastet.
In der FIG ist dargestellt, dass der Steuereinheit 28 die Größe P, die von dem Elektromotor 24 gezogene Leistung, zugeführt wird. Genauso kann der Steuereinheit 28 auch der Strom I und die am Elektromotor 24 anliegende Spannung U zugeführt werden, und aus diesen Größen kann die Steuereinheit 28 durch Multiplikation die Größe P errechnen.
Das Überwachen der unmittelbar zu dem Elektromotor 24 zugehörigen Parameter M, I und/oder P steht nicht im Widerspruch dazu, dass die Steuereinheit 28 auch andere Größen überwachen kann und in in der FIG nicht dargestellter Weise eine Reaktion in Abhängigkeit von Werten dieser anderen Größe zeigt. Insbesondere kann eine Überlastung von Systemeinheiten, z. B. der die Hilfskraft bereitstellenden Einheit 26 erkannt werden und auch dann der Zusatzwinkel δ_M verringert werden. Vorliegend ist eine Überwachung von Größen an Bauteilen außerhalb des Elektromotors 24 mit der dritten Welle 22 jedoch nicht nötig, um den Elektromotor 24 vor Überlast zu schützen. Vielmehr erfolgt eine Messung durch geeignete Sensoren und Messeinrichtungen direkt an dem Motor 24 mit der Welle 22 selbst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10323042 A1 [0004]
- DE 19823031 B1 [0005]
- WO 2005/063547 A1 [0006]
- EP 0904225 B1 [0007, 0007]
- DE 102006007250 A1 [0007, 0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lenkungssystems in einem Kraftfahrzeug (10), wobei in dem Lenkungssystem vermittels einer Lenkhandhabe (14) eine erste Welle (16) drehbar ist, die über ein Überlagerungsgetriebe die Drehung einer mit Rädern (12) gekoppelten zweiten Welle (20) bewirkt, und wobei in das Überlagerungsgetriebe (18) eine dritte Welle (22) hineingeführt ist, der von einem Elektromotor (24) eine Drehung aufprägbar ist, welche sich in einer zusätzlichen Drehung der zweiten Welle (20) auswirkt, gekennzeichnet durch die Schritte: – Überwachen des vom Elektromotors (24) auf die dritte Welle aufgebrachten Moments (M), der Stromstärke (I) des vom Elektromotor (24) gezogenen Stroms oder der vom Elektromotor (24) gezogenen Leistung (P) als überwachte Größe; und – Festlegen eines Winkels (δ_M) oder einer Winkelgeschwindigkeit für die Drehung der dritten Welle (22) in Abhängigkeit von der überwachten Größe (M, I, P).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Winkel (δ_M) für die Drehung der dritten Welle (22) bei Überschreiten eines Grenzwerts durch die überwachte Größe kleiner und/oder mit umgekehrtem Vorzeichen festgelegt wird, als wenn bei ansonsten gleichen Bedingungen der Grenzwert nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Überlagerungsgetriebe (18) verriegelt wird, wenn die überwachte Größe einen weiteren Grenzwert überschreitet.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Lenkhandhabe (14) zum Drehen von Rädern (12), wobei die Lenkhandhabe (14) mit einer ersten Welle (16) gekoppelt ist, die erste Welle (16) in ein Überlagerungsgetriebe (18) hineingeführt ist, und aus dem Überlagerungsgetriebe (18) eine zweite, mit den zu drehenden Rädern (12) gekoppelte Welle (20) herausgeführt ist, und wobei in das Überlagerungsgetriebe auch eine dritte Welle (22) hineingeführt ist, mit der ein Elektromotor (22) gekoppelt ist, der von einer Steuereinheit (28) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28): a) mit einem Sensor zum Erfassen des auf die dritte Welle (22) wirkenden Moments (M) als zu überwachender Größe gekoppelt ist und/oder b) mit Mitteln zum Messen des von dem Elektromotors (24) gezogenen Stroms als zu überwachender Größe gekoppelt ist oder c) mit Mitteln sowohl zum Messen des von dem Elektromotor (24) gezogenen Stroms als auch der an dem Elektromotor (24) anliegenden Spannung gekoppelt ist, um die von dem Elektromotor (24) gezogene Leistung (P) als zu überwachende Größe zu ermitteln, und dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, einen Winkel (δ_M), um den die dritte Welle zu drehen ist, oder eine Winkelgeschwindigkeit für die Drehung in Abhängigkeit von der zu überwachenden Größe festzulegen und Steuersignale an den Elektromotor (24) zu geben, damit dieser eine Drehung um den festgelegten Winkel (δ_M) bzw. mit der festgelegten Winkelgeschwindigkeit veranlasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, bei dem das Überlagerungsgetriebe (18) durch elektromechanische Mittel (32) verriegelbar ist, die mit der Steuereinheit (28) gekoppelt sind, und dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die elektromechanischen Mittel (32) in Abhängigkeit von der zu überwachenden Größe durch Steuersignale anzusteuern.