DE102014016017A1

DE102014016017A1 - Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit einer Lenkradhemmung

Info

Publication number: DE102014016017A1
Application number: DE102014016017.3A
Authority: DE
Inventors: Tilo Koch; Thomas Klinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: DE102014016017B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein zweispuriges Fahrzeug, mit einem Fahrzeug-Lenkrad (10), bei dessen Drehbetätigung die gelenkten Fahrzeugräder (11) um einen Lenkwinkel einschlagbar sind und mit einer in einem Fehlerfall oder bei abgestelltem Fahrzeug wirksamen Lenkradhemmung, mit der eine Lenkrad-Drehbetätigung gehemmt oder blockiert ist. Erfindungsgemäß ist zur Bereitstellung der Lenkradhemmung eine Signalerzeugungseinheit (14) vorgesehen, mit der bei einer Fahrzeug-Motorabschaltung eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinheit (24) aktivierbar ist, mit der unter Aufbau eines induktiven Gegenmoments die Lenkrad-Drehbetätigung hemmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein zweispuriges Fahrzeug mit einer Lenkradhemmung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Fahrzeuge weisen in gängiger Praxis eine Lenkradhemmung auf, bei der zum Beispiel ein Lenkradschloss als Diebstahlsicherung eingesetzt wird und/oder bei der ein Drehen des Lenkrades bei abgestelltem Fahrzeug verhindert wird. Auf diese Weise kann das blockierte Lenkrad auch beispielsweise als ein Griff beim Ein- und Aussteigen dienen. Aus der DE 10 2009 053 226 A1 ist eine derartige Lenkvorrichtung bekannt.
Zudem sind sogenannte Steer-by-wire-Lenksysteme bekannt, bei denen keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe erforderlich ist. Bei einem solchen Lenksystem ist eine vollständige elektronische Kraft- und Wegansteuerung von sowohl dem Lenkrad als auch den gelenkten Fahrzeugrädern realisierbar. Hierzu hat das Lenksystem unter anderem einen Lenksensor, der die Drehposition und/oder eine Drehbetätigung des Lenkrads als einen Lenkbefehl erfasst. Zudem ist ein Steuergerät vorgesehen, mit dem in Abhängigkeit von Lenkbefehl ein elektromechanischer Aktor elektrisch ansteuerbar ist, um den jeweiligen Lenkwinkel der gelenkten Fahrzeugräder einzustellen. Darüber hinaus weist das Lenksystem einen weiteren elektromechanischen Aktor auf, mit dem eine Kraft-/Wegansteuerung des Lenkrads erfolgt, um den Fahrer eine haptische Rückmeldung von zum Beispiel dem vorgenommenen Lenkvorgang bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, dessen Lenkradhemmung betriebssicher arbeitet und einfach aufgebaut ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 weist die Lenkradhemmung eine Signalerzeugungseinheit auf, mit der bei einer Fahrzeugmotor-Abschaltung eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinheit aktivierbar ist. Mit Hilfe der elektromagnetisch arbeitenden Stelleinheit wird ein induktives Gegenmoment aufgebaut, mit dem fahrerseitige Lenkrad-Drehbetätigung gehemmt oder blockiert wird.
In einer technischen Realisierung ist die herzu erforderliche, elektromagnetisch arbeitende Stelleinheit sowie das Lenkrad Bestandteil eines Steer-by-wire-Lenksystems, bei dem ein Lenksensor einen fahrerseitigen Lenkbefehl erfasst und in Abhängigkeit von dem Lenkbefehl ein Steuergerät einen Aktor elektrisch ansteuert, um dem fahrerseitig gewünschten Lenkwinkel der gelenkten Fahrzeugräder einzustellen. In dem Steer-by-wire-Lenksystem erfolgt mittels der erfindungsgemäßen Stelleinheit eine Kraft-Weg-Steuerung des Lenkrads, um den Fahrer eine haptische Rückmeldung zu vermitteln. Das heißt, dass im normalen Fahrbetrieb die Stelleinheit die haptische Rückmeldung veranlasst und in Doppelfunktion bei abgestelltem Fahrzeug eine Lenkradhemmung bewirkt.
Auf diese Weise können speziell Steer-by-wire-Lenksysteme verwendet werden, die mechanisch komplett entkoppelt (das heißt ohne mechanische Rückfallebene) konstruiert sind. In diesem Fall wäre das Lenkrad bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor, im Unterschied zu herkömmlichen Lenkvorrichtungen, frei drehbar, was beim Fahrer zu Irritationen führen könnte. Der Fahrer könnte in diesem Fall den Eindruck bekommen, dass es sich aufgrund seiner freien Drehbarkeit um ein defektes Bauteil handelt. Demgegenüber kann mittels der erfindungsgemäßen Stelleinheit ein Gegenmoment aufgebaut werden, dass dem bei einer konventionellen Lenkung aufgebauten Gegenmoment entspricht.
Die Stelleinheit kann bevorzugt ein zum Beispiel permanenterregter Elektromotor mit einem drehfesten Stator und einem mit dem Lenkrad drehgekoppelten Läufer ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Elektromotor nach erfolgter Aktivierung durch die Signalerzeugungseinheit das induktive Gegenmoment ohne zusätzlicher Bestromung von außen, das heißt mittels des Bordnetzes, aufgebaut werden. Alternativ dazu kann der Elektromotor das induktive Gegenmoment nach erfolgter Aktivierung durch die Signalerzeugungseinheit mit zusätzlicher Bestromung von außen, zum Beispiel durch die Fahrzeugbatterie, das induktive Gegenmoment aufbauten. Im Hinblick auf einen reduzierten Energieverbrauch kann die Signalerzeugungseinheit mit einer Insassenerkennung signalgekoppelt sein. In diesem Fall kann die Signalerzeugungseinheit den Elektromotor deaktivieren, das heißt stromlos schalten, sobald die Insassenerkennung erfasst, dass kein Insasse im Fahrzeug vorhanden ist. Die Insassenerkennung kann beispielhaft an die Zentralverriegelung, an eine Sitzbelegungserkennung und/oder an die Innenraumüberwachung des Fahrzeugs gekoppelt sein.
Der Elektromotor kann in gängiger Praxis über eine Leistungselektronik ansteuerbar sein, die für jeden Strang des Elektromotors eine Halbbrückenanordnung aufweist, die über Schaltelemente mit einer Spannungsquelle elektrisch verbunden sind. Die Schaltelemente können im normalen Lenkbetrieb von dem Steuergerät so angesteuert werden, dass am jeweiligen Strang des Elektromotors für eine vorbestimmte Zeitdauer eine Spannung anlegbar ist, wodurch der mit dem Lenkrad gekoppelte Elektromotor-Läufer zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung mit einem Moment beaufschlagbar ist. Das Steuergerät kann bei Vorliegen eines Lenkradhemmungs-Signals, das heißt bei abgeschaltetem Motor sowie bei Erkennung eines Insassen im Fahrzeug, in einen Lenkradhemmungs-Modus schalten, in dem das induktive Gegenmoment erzeugbar ist.
Beispielhaft kann im obigen Lenkradhemmungs-Modus bei jedem Strang des Elektromotors ein Kurzschluss erzeugt werden, das heißt, dass die Schaltelemente der Halbbrückenanordnungen exemplarisch dauerhaft geschlossen sind, und zwar unter Bildung eines Kurzschlussmomentes als induktives Gegenmoment.
Die Größe des erzeugten Kurzschlussmomentes hängt von der Auslegung des Elektromotors ab. Zur Erzeugung des Kurzschlussmomentes können beispielhaft die in den Elektromotor verbauten Permamentmagnete bei einer fahrerseitigen Drehbetätigung eine Spannung induzieren. Durch den Kurzschluss der Phasen entsteht das Kurzschlussmoment, mit dem die Lenkrad-Drehbetätigung gehemmt oder blockiert werden kann.
Zusätzlich zur erfindungsgemäßen Stelleinheit kann die Lenkvorrichtung auch einen mechanischen Anschlag bereitstellen, der trotz dem aufgeprägten induktiven Gegenmoment bei Überschreiten eines Grenz-Lenkradwinkels eine weitere Lenkrad-Drehbetätigung blockiert.
Bei der obigen aktiven Ansteuerung der Stelleinheit (force-feedback-Aktuator), erfolgt eine geregelte Bestromung, um Lenkradbewegungen einen Widerstand entgegenzusetzen, und zwar mittels einer in der Regelung hinterlegten Feder-Dämpfer-Kennlinie oder eines mathematischen Modells der Reifenbohrmomentes.
Der oben erwähnte mechanische Anschlag kann zudem als Schutz vorhandener Übertragungselemente von Schaltern, Hupe, Airbag oder dergleichen vom Lenkrad zur Lenksäule („Wickelfederkassette”) sein, die bei zu großen Lenkradwinkeln beschädigt werden können.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile sind nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Lenkvorrichtung mit den, in einem Blockschaltdiagramm dargestellten Programmbausteinen der Lenkvorrichtung; und
2 eine schematische Schaltungsskizze eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems für eine Stelleinheit, die als dreiphasiger, permanenterregter Elektromotor ausgeführt ist.
In der 1 ist grob vereinfacht der Aufbau einer Fahrzeug-Lenkvorrichtung insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge ist in einem Fahrzeuginnenraum 1 eines nicht dargestellten Fahrzeugs ein, den Fahrer symbolisierender Dummy 3 mit angelegtem Sicherheitsgurt auf einem Fahrersitz 6 positioniert. In einer Fahrbetriebssituation kann das Lenkrad 10 vom Fahrer 3 in eine Drehposition betätigt werden, in der die Fahrzeugräder 11 um einen Drehwinkel eingeschlagen sind.
Das Lenkrad 10 ist in der 1 Bestandteil eines Steer-by-wire-Lenksystems, bei dem auf eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 10 und einem mit den Fahrzeugrädern 11 gekoppelten Lenkgetriebe 17 verzichtet ist. Anstelle einer solchen mechanischen Verbindung werden im Lenksystem Lenkbefehle des Fahrers 3 in einem Steuergerät 13 verarbeitet, das in Abhängigkeit davon einen Aktor 22 elektrisch ansteuert. Der Aktor 22 ist in der 1 in nicht dargestellter trieblicher Verbindung mit dem Lenkgetriebe 17, um eine fahrerseitig gewünschte Einstellung des Lenkwinkels der gelenkten Fahrzeugräder 11 durchzuführen. Dem Steuergerät 13 ist ein Lenksensor 12 zugeordnet, der eine Drehbetätigung des Lenkrads 10 als einen Lenkbefehl erfasst. In Abhängigkeit von dem erfassten Lenkbefehl wird der oben erwähnte Aktor 22 angesteuert. Zudem ist dem Steuergerät 13 eine Stelleinheit 24 zugeordnet, mit der eine Kraft-Wegansteuerung des Lenkrads 10 durchführbar ist. Mit Hilfe der Stelleinheit 24 wird dem Fahrer 3 über das Lenkrad 10 eine haptische Rückmeldung über zum Beispiel den Lenkvorgang bereitgestellt.
In den 1 und 2 ist die Stelleinheit 24 ein Elektromotor mit einem, mit dem Lenkrad 10 gekoppelten Läufer 4, einem Stator 5 sowie einer vom Steuergerät 13 ansteuerbaren Leistungselektronik 7.
Zudem ist das Steuergerät 13 mit einer Signalerzeugungseinheit 14 in Signalverbindung, die eingangsseitig wiederum mit einem Sensor 15 verbunden ist, der detektiert, ob der Fahrzeugantrieb, das heißt zum Beispiel ein Brennkraftmotor, ein- oder ausgeschaltet ist, und mit einer Insassenerkennung 16, die detektiert, ob ein Insasse im Fahrzeug vorhanden ist oder nicht. Bei abgestelltem Fahrzeug, das heißt bei einer vom Sensor 15 erfassten Motorabschaltung, sowie/oder bei einem von der Insassenerkennung 16 ermittelten Insassen im Fahrzeug generiert die Signalerzeugungseinheit 14 ein Lenkradhemmungs-Signal S_H, mit dem über das Steuergerät 13 die Leistungselektronik 7 des Elektromotors 24 ansteuerbar ist. Die Leistungselektronik 7 wird dabei so angesteuert, dass unter Aufbau eines induktiven Gegenmoments die Lenkrad-Drehbetätigung gehemmt oder vollständig blockiert wird. In diesem Fall erfolgt nach der Motorabschaltung eine dauerhafte Bestromung des Elektromotors 24, um im Falle einer fahrerseitigen Drehbetätigung das induktive Gegenmoment zu erzeugen. Zur Reduzierung des Energieverbrauches ist in der 1 die Signalerzeugungseinheit 14 mit der Insassenkennung 16 gekoppelt. Sobald diese erfasst, dass kein Fahrzeuginsasse mehr im Fahrzeug vorhanden ist, deaktiviert die Signalerzeugungseinheit 14 den Elektromotor 24.
Alternativ zu der obigen dauerhaften Bestromung des Elektromotors 24 kann, je nach Auslegung des Elektromotors 24, das induktive Gegenmoment auch ohne Stromzufuhr von außen erzeugt werden, wie es beispielhaft anhand der in der 2 gezeigten schematischen Schaltungsskizze nachfolgend beschrieben ist. In der 2 ist die Stelleinheit 24 ein dreiphasiger permanenterregter Elektromotor, dessen Leistungselektronik 7 drei Halbbrücken 17, 19, 21 aufweist, wobei jede der Halbbrücken 17, 19, 21 jeweils einer der Elektromotor-Phasen 23, 25, 27 des Elektromotors 24 zugeordnet ist. Die Leistungselektronik 7 weist außerdem einen Zwischenkreis 29 mit einem Zwischenkreiskondensator 31 auf, wobei der Zwischenkreis 29 mit einer Fahrzeugbatterie 9 verbunden ist. Das Steuergerät 13 steuert über Signalleitungen die Halbbrücken 17, 19, 21 der Leistungselektronik 7 an. In der 2 umfasst jede der Halbbrücken 17, 19, 21 ein erstes Schaltelement 33 mit parallel geschalteter Freilaufdiode 34 sowie ein zweites Schaltelement 35 mit ebenfalls parallel geschalteter Freilaufdiode 36. Die einzelnen Schaltelemente 33, 35 werden durch das Steuergerät 13 angesteuert, um die Stränge 23, 25, 27 des Elektromotors im normalen Lenkbetrieb mit dem Gegenmoment zu beaufschlagen, um eine haptische Rückmeldung bereitzustellen. Bei Vorliegen eines Lenkhemmungssignals S_H steuert dagegen das Steuergerät 13 in einem Lenkradhemmungs-Modus an, bei dem in jedem Strang 23, 25, 27 des Elektromotors 24 ein Kurzschluss erzeugt wird. Das heißt, dass die Schaltelemente 33, 35 dauerhaft geschlossen sind, und zwar unter Bildung eines Kurzschlussmomentes, dass als induktives Gegenmoment einer fahrerseitigen Lenkrad-Drehbetätigung entgegenwirkt. Die Größe des so erzeugten Kurzschlussmomentes ist von der Auslegung des Elektromotors 24 abhängig. Zur Erzeugung des Kurzschlussmomentes induzieren die in dem Elektromotor verbauten Permanentmagnete eine Spannung, wobei durch den Kurzschluss der Phasen das Kurzschlussmoment besteht. Die Größe des Kurzschlussmomentes hängt von der Auslegung des Elektromotors ab. Beispielhaft kann das Kurzschlussmoment alleine ausreichen, um die Lenkrad-Drehbetätigung zu blockieren. Gegebenenfalls kann zusätzlich noch ein mechanischer Anschlag bereitgestellt werden, der bei Überschreiten eines Grenz-Lenkradwinkels trotz des von dem Elektromotor 24 erzeugten induktiven Gegenmoments eine weitere Lenkrad-Drehbetätigung blockiert.
In dem oben erwähnten Lenkradhemmungs-Modus sind entweder sämtliche erste Schaltelemente 33 oder sämtliche zweite Schaltelemente 35 der Halbbrücken 17, 19, 21 dauerhaft geschlossen. Dadurch baut sich keine Spannung im Zwischenkreis 29 der Leistungselektronik 7 auf. Vielmehr erzeugt der Elektromotor 24 das als induktives Gegenmoment wirkende Kurzschlussmoment.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009053226 A1 [0002]

Claims

Lenkvorrichtung für ein zweispuriges Fahrzeug, mit einem Fahrzeug-Lenkrad (10), bei dessen Drehbetätigung die gelenkten Fahrzeugräder (11) um einen Lenkwinkel einschlagbar sind und mit einer, in einem Fehlerfall oder bei abgestelltem Fahrzeug wirksamen Lenkradhemmung, mit der eine Lenkrad-Drehbetätigung gehemmt oder blockiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Lenkradhemmung eine Signalerzeugungseinheit (14) vorgesehen ist, mit der bei einer Fahrzeug-Motorabschaltung eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinheit (24) aktivierbar ist, mit der unter Aufbau eines induktiven Gegenmoments die Lenkrad-Drehbetätigung hemmbar ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkrad (10) Bestandteil eines Steer-by-wire-Lenksystems ist, und zwar mit einem Lenksensor (12), der eine Drehposition und/oder eine Drehbetätigung des Lenkrads (10) als einen Lenkbefehl erfasst, und mit einem Steuergerät (13), mit dem in Abhängigkeit vom Lenkbefehl ein Aktor (22) zur Einstellung des Lenkwinkels der gelenkten Fahrzeugräder (11) elektrisch ansteuerbar ist, und dass mittels der Stelleinheit (24) eine Kraft-/Wegansteuerung des Lenkrads (10) durchführbar ist, mit der eine haptische Rückmeldung für den Fahrer (3) bereitstellbar ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (24) nach erfolgter Aktivierung durch die Signalerzeugungseinheit (14) das induktive Gegenmoment ohne Bestromung von außen aufbaut.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (24) nach erfolgter Aktivierung durch die Signalerzeugungseinheit (14) mit Bestromung von außen (9) das induktive Gegenmoment aufbaut.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (14) mit einer Insassenerkennung (16) signalgekoppelt ist, und dass bei Erfassen einer Nichtbelegung des Fahrzeugs die Signalerzeugungseinheit (14) die Stelleinheit (24) deaktiviert.
Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (24) ein, zum Beispiel permanenterregter Elektromotor ist, der über eine Leistungselektronik (7) ansteuerbar ist, die für jeden Strang (23, 25, 27) des Elektromotors (24) eine Halbbrückenanordnung (17, 19, 21) aufweist, die über Schaltelemente (33, 35) mit einer Spannungsquelle (9) elektrisch verbunden sind, welche Schaltelemente (33, 35) von dem Steuergerät (13) so ansteuerbar sind, dass am jeweiligen Strang (23, 25, 27) des Elektromotors (5) für eine vorbestimmte Zeitdauer eine Spannung anlegbar ist, wodurch der mit dem Lenkrad (10) gekoppelte Elektromotor-Läufer (4) mit dem Gegenmoment beaufschlagbar ist, und dass die Steuereinrichtung (13) bei Erfassen eines Lenkradhemmungs-Signals (S_H) die Leistungselektronik (7) in einen Lenkradhemmungs-Modus schaltet, in dem das induktive Gegenmoment erzeugbar ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Lenkradhemmungs-Modus bei jedem Strang (23, 25, 27) des Elektromotors (24) ein Kurzschluss erzeugt wird, das heißt, dass die Schaltelemente (33, 35) der Halbbrückenanordnungen (17, 19, 21) dauerhaft geschlossen sind, und zwar unter Bildung eines Kurzschlussmoments als induktives Gegenmoment.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Kurzschlussmoments von der Auslegung des Elektromotors (24) abhängt, und/oder dass zur Erzeugung des Kurzschlussmoments die in dem Elektromotor (24) verbauten Permanentmagnete eine Spannung induzieren, wobei durch den Kurzschluss der Phasen das Kurzschlussmoment entsteht, und/oder dass mittels der Kurzschlussmoments die Lenkrad-Drehbetätigung blockierbar ist.
Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Stelleinheit (24) ein mechanischer Anschlag bereitstellbar ist, der bei Überschreiten eines Grenz-Lenkradwinkels trotz von der Stelleinheit (24) erzeugtem induktivem Gegenmoment eine weitere Drehbetätigung des Lenkrads (10) blockiert.