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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
DE 196 01 826 A1 ist ein Lenksystem für ein Fahrzeug bekannt, das eine Lenksäule mit einem darin angeordneten Lenkrad, ein Lenkgetriebe mit einem Lenkgestänge sowie ein in das Lenksystem integriertes Überlagerungsgetriebe umfasst, über das zu dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel fahrzustandsabhängig ein Überlagerungslenkwinkel hinzuaddiert wird. Das Überlagerungsgetriebe erlaubt es, in verschiedenen Fahrzuständen Überlagerungslenkwinkel zu erzeugen, um Einfluss auf die Fahrdynamik des Fahrzeugs sowie den Fahrzeugkomfort zu nehmen. Das Überlagerungsgetriebe ist in die Lenksäule integriert und wird über einen elektrischen Stellmotor angesteuert, bei dessen Betätigung ein gewünschter Überlagerungslenkwinkel eingestellt wird.
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In bestimmten Fahrsituationen, beispielsweise beim Einparken des Fahrzeugs, können hohe Lenkmomente auftreten, beispielsweise beim Erreichen des Endanschlags der Lenkung oder bei schräg gestelltem Reifen an einer Bordsteinkante. Die hohen Lenkmomente wirken auch im Überlagerungsgetriebe und müssen von dem elektrischen Stellmotor aufgenommen werden, der entsprechend groß dimensioniert sein muss, um ein unerwünschtes Weiterdrehen der Motorwelle des Stellmotors zu verhindern. Problematisch ist jedoch, dass der Motorstrom, mit dem der Stellmotor beaufschlagt wird, um das erforderliche Motormoment zu erzeugen, zu einer Erwärmung führt, die gegebenenfalls die Leiterplatte schädigen kann, welche zur Steuerung des Stellmotors eingesetzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein Lenksystem in einem Fahrzeug, welches mit einem Überlagerungsgetriebe ausgestattet ist, störungssicher zu betreiben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf den Betrieb eines Lenksystems in einem Fahrzeug mit einer Lenkwelle bzw. -säule, welche über eine Lenkhandhabe – in der Regel ein Lenkrad – vom Fahrer zu betätigen ist, und mit einem Lenkgetriebe zur Umsetzung der Lenkbewegung auf ein Lenkgestänge, über das der vom Fahrer vorgegebene Lenkradwinkel in einen Radlenkwinkel an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs umgesetzt wird. In das Lenksystem ist außerdem ein Überlagerungsgetriebe integriert, über das ein Überlagerungslenkwinkel dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel überlagert werden kann. Mithilfe des Überlagerungsgetriebes, welches über einen elektrischen Stellmotor ansteuerbar ist, kann der Gesamtlenkwinkel, welcher sich aus dem Lenkradwinkel und dem Überlagerungslenkwinkel zusammensetzt, situationsabhängig eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit aktueller Fahrzustandgrößen zur Einflussnahme auf den Fahrkomfort bzw. die Fahrdynamik.
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Dem Stellmotor des Überlagerungsgetriebes ist eine Leiterplatte zugeordnet, welche Elektronikeinheiten für die Ansteuerung des Stellmotors aufweist. Die Leiterplatte bzw. die Elektronikeinheiten bzw. -komponenten auf der Leiterplatte sind verhältnismäßig temperaturempfindlich.
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Erfindungsgemäß wird für den Fall, dass die Temperatur im Stellmotor oder der Leiterplatte bzw. eine mit der Temperatur korrelierende Kenngröße einen zugeordneten Grenzwert überschreitet, ein Bauteil im Übertragungsweg vom Stellmotor bis zum Eingriff des Überlagerungsgetriebes in das Lenksystem mechanisch blockiert. Zugleich wird die Bestromung des Stellmotors reduziert, gegebenenfalls bis auf null, so dass die weitere Wärmeentwicklung, welche bei Bestromung des Stellmotors generiert wird, reduziert bzw. unterbunden wird. Die mechanische Blockierung des Übertragungswegs zwischen Stellmotor und Eingriff des Überlagerungsgetriebes in das Lenksystem und die gleichzeitige Reduzierung der Bestromung des Stellmotors werden jedoch nur durchgeführt, wenn außerdem das in der Lenkhandhabe bzw. der Lenksäule wirkende Lenkmoment einen zugeordneten Momentengrenzwert überschreitet.
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Mit dieser Ausführung ist sichergestellt, dass der Stellmotor und das Überlagerungsgetriebe von Momenten entlastet werden, wenn ein Momentengrenzwert überschritten wird und außerdem die Temperatur über einem zugeordneten Grenzwert liegt. Durch die mechanische Blockierung ist gewährleistet, dass der Stellmotor entlastet ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Überlagerungsgetriebe bzw. die Motorwelle des Stellmotors sich verdreht. Die Reduzierung des Motorstroms verringert die Wärmeentwicklung, so dass eine Schädigung temperaturempfindlicher Komponenten im Stellmotor bzw. des Überlagerungsgetriebes vermieden wird. Es wird insbesondere ein Schädigen der Leiterplatte bzw. der Elektronikkomponenten auf der Leiterplatte des Stellmotors vermieden. Die Bestromung des Stellmotors kann gegebenenfalls bis auf null zurückgefahren werden, so dass der Stellmotor vollständig abkühlen kann.
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Die mechanische Blockierung des Stellmotors bzw. Überlagerungsgetriebes einerseits und die Reduzierung der Bestromung des Stellmotors andererseits werden jedoch nur durchgeführt, wenn außerdem das in der Lenkhandhabe bzw. Lenksäule wirkende Lenkmoment einen zugeordneten Momentengrenzwert überschreitet. Ist ein entsprechendes Lenk- bzw. Handmoment wirksam, so muss der Stellmotor des Überlagerungsgetriebes unter Berücksichtigung der Übersetzung des Überlagerungsgetriebes ein entsprechendes Moment aufbringen, um die aktuelle Position des Überlagerungsgetriebes zu halten. Hierfür muss der Stellmotor entsprechend bestromt werden, wodurch die Erwärmung stattfindet. Indem eine Blockade im Übertragungsweg zwischen Stellmotor und Übertragungsgetriebe bzw. der Einleitung in das Lenksystem erfolgt, wird der Stellmotor entlastet und kann die Bestromung zurückgenommen werden.
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Diese Vorgehensweise wird jedoch nur durchgeführt, wenn das Lenkmoment den Momentengrenzwert überschreitet. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Blockierung einen Ausnahmecharakter hat und nur in verhältnismäßig wenigen Situationen durchgeführt wird, beispielsweise beim Einparken des Fahrzeugs, wenn das Lenkrad bis zum Lenkanschlag bewegt und mit einem entsprechend hohen Lenkmoment gegen den Lenkanschlag gedrückt wird. Eine andere Situation ist ein schräges Abstellen eines Rades des Fahrzeugs an einer Bordsteinkante, so dass über das Rad, das Lenkgestänge, das Lenkgetriebe und die Lenksäule ein entsprechendes Moment auf das Lenkgetriebe und den Stellmotor wirkt. Auch in diesem Fall muss ein entsprechendes Gegenmoment im Stellmotor erzeugt werden, das erfindungsgemäß durch die mechanische Blockierung ersetzt wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise liegt darin, dass durch die mechanische Blockierung der Motor-Sollwinkel und der Motor-Istwinkel des Stellmotors in Übereinstimmung bleiben, so dass die Notwendigkeit einer Synchronisierung zwischen Soll- und Istwinkel entfällt.
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Die Blockade kann im Bereich des Stellmotors oder des Überlagerungsgetriebes bzw. im Übertragungsweg zwischen Stellmotor und Überlagerungsgetriebe oder zwischen Überlagerungsgetriebe und dessen Eingriff in das Lenksystem durchgeführt werden. Das Blockieren wird mithilfe einer einstellbaren Sperreinrichtung durchgeführt, welche durch Bestromung zwischen einer Blockierposition und einer Löseposition verstellbar ist, wobei in der Blockierposition die Motorwelle bzw. ein kinematisch mit der Motorwelle zusammenhängendes Bauteil blockiert und in der Löseposition die Motorwelle freigegeben ist. Es kann zweckmäßig sein, die Sperreinrichtung so auszuführen, dass diese im unbestromten Zustand in der Blockierposition steht, so dass bei einem Stromausfall der aktuelle Überlagerungslenkwinkel festgesetzt wird.
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Die Sperreinrichtung ist vorzugsweise als ein elektromagnetischer Aktuator mit einem Hubanker ausgeführt, der axial zwischen der Blockierposition und der Löseposition durch Bestromung eines Elektromagneten verstellbar ist. Der Hubanker kann von einem Federelement in eine seiner Endpositionen kraftbeaufschlagt sein, insbesondere in die Blockierposition. Der Hubanker wirkt als ein Sperrenstift, der in der Blockierposition an einem Sperrenzahn anliegt und diesen blockiert, wobei der Sperrenzahn Bestandteil des Stellmotors oder des Überlagerungsgetriebes ist oder mit einem drehenden Bauteil des Stellmotors bzw. Überlagerungsgetriebes verbunden ist.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung wird der Stellmotor des Überlagerungsgetriebes nur für den Fall mechanisch blockiert, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb eines Geschwindigkeitsgrenzwertes liegt. Der Geschwindigkeitsgrenzwert liegt insbesondere im Bereich der Schrittgeschwindigkeit, beispielsweise bei 5 km/h, wobei diese geschwindigkeitsabhängige Bedingung für den Eintritt des Blockierens sicherstellen soll, dass die Blockiermaßnahme aus Sicherheitsgründen nur bei sehr geringer Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt wird.
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Die Temperatur im Stellmotor bzw. der Leiterplatte des Stellmotors kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Möglich ist zum einen eine Messung über einen Temperatursensor am Stellmotor bzw. der Leiterplatte. Des Weiteren kommt auch eine Ermittlung aus einer anderen Messgröße in Betracht, insbesondere mithilfe eines Temperaturmodells, beispielsweise auf der Grundlage des Motorstroms des Stellmotors, dessen Höhe bekannt ist und aus dem auf die Temperatur rückgeschlossen werden kann.
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Die Blockierung des Stellmotors bzw. des Überlagerungsgetriebes wird beendet, wenn eine oder mehrere Beendigungsbedingungen erfüllt sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Drehlage der Motorwelle trotz der Blockierung ändert. Um ein Auseinanderdriften von Motor-Istwinkel und Motor-Sollwinkel zu vermeiden, was eine Synchronisierung von Ist- und Sollwinkel erforderlich machen würde, wird die Blockierung des Stellmotors aufgehoben, so dass die Motorwelle sich zwar wieder bewegen kann, dies jedoch ohne ein Auseinanderdriften von Ist- und Sollwinkel erfolgt.
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Die Blockierung kann auch beendet werden, wenn sich der Lenkradwinkel um einen Mindestbetrag ändert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Lenkrad von einem Endanschlag ausgehend zurückgedreht wird. In diesem Fall liegt die Situation mit hohem Lenkmoment im Lenksystem nicht mehr vor, so dass die Blockierung des Stellmotors bzw. des Überlagerungsgetriebes aufgehoben werden kann.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, bei dem einem Lenkgetriebe ein Überlagerungsgetriebe vorgeschaltet ist,
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2 einen Schnitt durch eine Sperreinrichtung zum Blockieren des Stellmotors,
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3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs zum Blockieren bzw. Freigeben des Stellmotors.
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In 1 ist ein aktives Lenksystem 1 (AFS – Active Front Steering) dargestellt, das eine als Lenkrad 2 ausgeführte Lenkhandhabe, eine Lenksäule 3, ein Überlagerungsgetriebe 4 mit zugeordnetem Stellmotor 5, ein Lenkgetriebe 6 sowie ein Lenkgestänge 7 und eine Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 umfasst. Über das Lenkrad 2 gibt der Fahrer einen Lenkradwinkel δL vor, der über die Lenkwelle 3 und das Lenkgetriebe 6 sowie das Lenkgestänge 7 auf die lenkbaren Vorderräder 8 übertragen wird, in denen sich ein Radlenkwinkel δV einstellt. Die Lenksäule 3 ist zweigeteilt, in die Lenksäule 3 ist das Überlagerungsgetriebe 4 integriert, das über den elektrischen Stellmotor 5 zur Vorgabe eines Überlagerungslenkwinkels δM eingestellt werden kann. Der Überlagerungslenkwinkel δM wird dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel δL überlagert, woraufhin sich additiv ein Gesamtlenkwinkel δL’ einstellt, welcher dem Lenkgetriebe 6 als Lenkritzelwinkel zugeführt wird. Die Einstellung des Überlagerungslenkwinkels δM im Überlagerungsgetriebe 4 erfolgt in Abhängigkeit aktueller Fahrzeugzustands- und Fahrzeugkenngrößen.
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Über die Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 kann ein die Lenkbewegung unterstützendes Moment in das Lenksystem 1 eingespeist werden. Die Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 ist beispielsweise als elektrischer Servomotor ausgeführt, sie kann gegebenenfalls aber auch als Hydraulikpumpe ausgeführt sein.
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Der Stellmotor 5, welcher dem Überlagerungsgetriebe 4 zugeordnet ist, wird über eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Elektronikkomponenten angesteuert. Um eine zu starke Erwärmung des Stellmotors 5 und insbesondere der temperaturempfindlichen Leiterplatte beim Aufbringen eines hohen Lenkmomentes in der Lenksäule 3 zu vermeiden, ist das Lenksystem 1 zusätzlich mit einer einstellbaren Sperreinrichtung 10 ausgestattet, die ein mechanisches Blockieren des Stellmotors 5 ermöglicht. Die Sperreinrichtung 10 ist im Schnitt in 2 dargestellt. Die Sperreinrichtung ermöglicht es, den Stellmotor 5 sowie das Überlagerungsgetriebe 4 festzusetzen, so dass entweder kein Überlagerungslenkwinkel δM oder der aktuell im Augenblick des Blockierens bestehende Überlagerungslenkwinkel δM wirksam ist, jedoch durch das Blockieren keine Änderung des Überlagerungslenkwinkels δM eintreten kann. Dies hat den Vorteil, dass die Bestromung des Stellmotors 5 reduziert werden kann, gegebenenfalls bis auf null, ohne dass eine Änderung des Überlagerungslenkwinkels δM eintritt. Der Stellmotor 5 wird somit entlastet, außerdem nimmt durch das Reduzieren der Bestromung die Temperatur im Stellmotor und in der Leiterplatte ab, so dass der Gefahr einer temperaturbedingten Schädigung entgegengewirkt wird.
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Wie 2 zu entnehmen, weist die Sperreinrichtung 10 in einem topfförmigen Gehäuse 11 einen axial verstellbaren Hubanker 12 auf, in welchem ein Sperrenstift 13 aufgenommen ist, welcher seinerseits axial gegenüber dem Hubanker 12 verstellbar ist. Im topfförmigen Gehäuse 11 ist eine Spule 14 angeordnet, welche den Hubanker 12 umgreift und über einen Stecker 15 bestromt wird. Bei bestromter Spule 14 wird der Hubanker 12 bezogen auf die Darstellung gemäß 2 nach links in die Spule 14 hineingezogen, vorzugsweise gegen die Kraft eines auf den Hubanker 12 wirkenden Federelementes. Der Hubanker 12 ist über eine Gleitbuchse 16 axial verschieblich im Gehäuse 11 gelagert.
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Der Sperrenstift 13 ist über eine weitere Gleitbuchse 17 axial verschieblich im Gehäuse gelagert und kann zudem eine axiale Relativbewegung gegenüber dem Hubanker 12 ausführen. Der Sperrenstift 13 ist über eine Druckfeder 18 gegenüber dem Hubanker 12 abgestützt und in Richtung der ausgelenkten Position kraftbeaufschlagt, in welcher die freie Stirnseite des Sperrenstiftes 13 gegenüber dem Hubanker 12 in 2 nach rechts verstellt ist. Zur Abfederung der axialen Stellbewegung des Hubankers 12 können an den Stirnseiten des Hubankers Elastomerscheiben angeordnet sein.
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Im unbestromten Zustand befindet sich der Hubanker 12 in der in 2 dargestellten Blockierposition, in welcher der Sperrenstift 13 in einen Sperrenzahn eingreift, welcher entweder unmittelbar an einem drehbeweglichen Bauteil des Stellmotors oder des Überlagerungsgetriebes angeordnet oder mit einem derartigen Bauteil verbunden ist. Mit dem Bestromen der Spule 14 wird der Hubanker 12 bezogen auf 2 nach links verstellt und gelangt hierdurch in die Löseposition, in welcher der Sperrenstift 13 den zugeordneten Sperrenzahn freigibt und die Blockade des Stellmotors bzw. des Überlagerungsgetriebes aufgehoben ist.
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In 3 ist der Verfahrens- bzw. Funktionsablauf zum Betrieb des Lenksystems mit einer Blockade des Stellmotors des Überlagerungsgetriebes dargestellt. Das Bezugszeichen 20 markiert den Ausgangspunkt während eines regulären Lenkbetriebes im Fahrzeug, bei dem der Fahrer über das Lenkrad einen gewünschten Lenkradwinkel und ein Lenkmoment vorgibt und gegebenenfalls über das Überlagerungsgetriebe durch Betätigen des Stellmotors ein Überlagerungslenkwinkel zusätzlich in das Lenksystem eingegeben wird. Der Verfahrensschritt 21 markiert den regulären Lenkbetrieb.
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Der nächste Verfahrensschritt 22 stellt dagegen die mechanische Blockierung des Stellmotors bzw. Überlagerungsgetriebes dar, wobei der Übergang vom regulären Lenkbetrieb gemäß Schritt 21 zur Blockierung des Stellmotors gemäß Schritt 22 nur vollzogen wird, wenn verschiedene Eintrittsbedingungen kumulativ erfüllt sind. Zum einen muss das Lenkmoment einen zugeordneten Momentengrenzwert überschreiten, was beispielsweise der Fall ist, wenn der Fahrer mit dem Erreichen des Endanschlags weiterhin ein hohes Lenkradmoment aufbringt. Eine weitere Möglichkeit stellt eine Parksituation mit schräg gestelltem Rad an einer Bordsteinkante dar.
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Zum andern muss als weitere Bedingung, die ebenfalls erfüllt sein muss, die Temperatur im Stellmotor oder der Leiterplatte einen zugeordneten Grenzwert überschreiten. Die Temperatur muss hierbei nicht direkt gemessen werden, es genügt vielmehr, dass die Temperatur aus einer sonstigen Kenngröße ermittelt wird, beispielsweise aus dem Motorstrom des Stellmotors, aus dem die Temperatur bzw. der Temperaturanstieg ermittelt werden kann.
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Des Weiteren muss aus Sicherheitsgründen die zusätzliche Bedingung erfüllt sein, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit einen verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeitsgrenzwert nicht übersteigt, der beispielsweise bei 5 Km/h liegt. Wenn alle genannten Eintrittsbedingungen erfüllt sind, wird die in 2 dargestellte Sperreinrichtung 10 in die Blockierposition überführt und der Stellmotor bzw. das Überlagerungsgetriebe blockiert. Hierbei wird der aktuell im Moment des Blockierens eingestellte Überlagerungslenkwinkel beibehalten. Zeitgleich mit dem Blockieren bzw. unmittelbar im Anschluss daran wird der Motorstrom reduziert, gegebenenfalls bis auf null, um der Erwärmung des Stellmotors bzw. der Leiterplatte entgegenzuwirken.
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Die Rücküberführung von der Blockiersituation in die reguläre Position, also zurück von Verfahrensschritt 22 zu Verfahrensschritt 21, erfolgt, wenn eine Aufhebungsbedingung erfüllt ist. Es sind zweckmäßigerweise mehrere Aufhebungsbedingungen vorgesehen, wobei für ein Aufheben der Blockiersituation das Eintreten nur einer Aufhebungsbedingung ausreicht.
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Die Aufhebung, also das Überführen der Sperreinrichtung von der Blockierposition in die Löseposition, erfolgt beispielsweise dann, wenn sich der Lenkradwinkel um einen Mindestbetrag ändert. Insbesondere bei einer Ausgangssituation am Endanschlag bedeutet dies, dass der Fahrer das Lenkrad in die Gegenrichtung zurückverstellt, so dass in den regulären Modus zurückgekehrt werden kann. Die Blockierung des Stellmotors kann auch beendet werden, wenn sich die Drehlage der Motorwelle des Stellmotors um einen Mindestbetrag ändert. In diesem Fall dreht sich die Motorwelle trotz der blockierenden Position der Stelleinrichtung; um ein Auseinanderdriften von Soll- und Ist-Motorwinkel zu vermeiden, wird die Blockierposition aufgehoben und die Sperreinrichtung wieder in die Löseposition verstellt.
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Verfahrensschritt 23 in 3 kennzeichnet einen Fehler, beispielsweise wenn eine Eintrittsbedingung zur Überführung vom regulären Modus in den Blockiermodus gleichzeitig mit einer Aufhebungsbedingung erfüllt ist. Der Fehler kann zur Anzeige gebracht werden, außerdem kann es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig sein, im Fehlerfall den Stellmotor bzw. das Überlagerungsgetriebe zu blockieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Überlagerungsgetriebe
- 5
- Stellmotor
- 6
- Lenkgetriebe
- 7
- Lenkgestänge
- 8
- Vorderrad
- 9
- Lenkkraftunterstützungseinrichtung
- 10
- Sperreinrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Hubanker
- 13
- Sperrenstift
- 14
- Spule
- 15
- Stecker
- 16
- Gleitbuchse
- 17
- Gleitbuchse
- 18
- Druckfeder
- δL
- Lenkradwinkel
- δM
- Überlagerungslenkwinkel
- δV
- Radlenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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