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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Lenkungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Lenkrad mit einem Force-Feedback-Aktuator, sowie einen über eine erste Signalleitung mit dem Force-Feedback-Aktuator in Verbindung stehenden Lenkaktuator zur zumindest mittelbaren Einstellung eines Lenkwinkels von Rädern des Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Lenkungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkanordnung.
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Die Lenkachse von Kraftfahrzeugen weist üblicherweise ein sogenanntes Steer-bywire-Lenksystem auf, das Lenkbefehle des Fahrers wie konventionelle mechanische Lenkungen durch manuelle Drehung eines Lenkrades entgegennimmt. Die Einstellung des Lenkwinkels der zu lenkenden Räder erfolgt elektromechanisch mithilfe von Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren, die den in das Lenkrad eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenkaktuator übermitteln, der über ein Stellmodul einen entsprechenden Lenkeinschlag bzw. den Lenkwinkel der Räder der Lenkachse einstellt. Da der Lenkaktuator und ein damit betätigbares Stellmodul mit den damit verbundenen Rädern nicht direkt mechanisch mit dem Lenkrad verbunden sind, steht zu einer ausgeführten Betätigung des Lenkaktuators bzw. des Stellmoduls und damit einhergehender Einstellung des Lenkwinkels der Räder zunächst keine Kraft-Rückmeldung am Lenkrad bereit, die jedoch grundsätzlich wünschenswert ist. Durch die fehlende haptische Rückmeldung ist es für den Fahrer erschwert aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
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Um auch bei einem mechanisch vom Lenkrad entkoppelten Stellmodul eine Kraft-Rückmeldung oder ein Rückstellmoment, auch Force-Feedback genannt, zu erzielen, ist ein Force-Feedback-Aktuator vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass eine fahrsituationsabhängige Kraftrückkopplung bzw. das Rückstellmoment an der Lenkwelle oder direkt am Lenkrad erzeugt wird, die die haptische Kraft-Rückmeldung für den Fahrer liefert. Anders gesagt wird für den Fahrer mittels des Force-Feedback-Aktuators ein bekanntes Lenkgefühl durch eine Einstellung eines Rückstellmoments am Lenkrad nachgebildet.
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Die
EP 24 09 895 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen eines Rückstellmoments an einer Lenkhandhabe eines Kraftwagens mit einer elektromechanischen Fremdkraftlenkvorrichtung. Zunächst wird eine Querbeschleunigung des Kraftwagens sowie wenigstens ein weiterer einen Fahrzustand des Kraftwagens charakterisierender Parameterwert gemessen. Nachfolgend wird eine geschätzte Querbeschleunigung des Kraftwagens aus dem wenigstens einen weiteren Parameterwert mittels eines Fahrdynamikmodells sowie eine angenommene Querbeschleunigung aus der gemessenen und der geschätzten Querbeschleunigung bestimmt. Ferner wird eine angenommene Querbeschleunigung aus der gemessenen und der geschätzten Querbeschleunigung und das aufzubringende Rückstellmoment an der Lenkhandhabe aus der angenommenen Querbeschleunigung bestimmt. Letztlich wird das Rückstellmoment an der Lenkhandhabe mittels eines Lenkmomentaktuators eingestellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektromechanische Lenkungsanordnung weiterzuentwickeln, und insbesondere ein Verfahren zur Einstellung eines Rückstellmoments zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Lenkungsanordnung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten Figur.
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Eine erfindungsgemäße elektromechanische Lenkungsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Lenkrad mit einem Force-Feedback-Aktuator, sowie einen über eine erste Signalleitung mit dem Force-Feedback-Aktuator in Verbindung stehenden Lenkaktuator, der mit einem Stellmodul wirkverbunden ist, wobei das Stellmodul durch den Lenkaktuator betätigbar ist, um zumindest mittelbar einen Lenkwinkel von zwei mit einer jeweiligen Radaufhängung verbundenen Rädern einzustellen, wobei der Force-Feedback-Aktuator dazu vorgesehen ist, ein Rückstellmoment am Lenkrad einzustellen, wobei an der Radaufhängung eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Fahrzeugzustandsgrößen angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung über eine zweite Signalleitung mit dem Force-Feedback-Aktuator verbunden ist. Mit anderen Worten werden über den Force-Feedback-Aktuator einerseits Lenkbefehle als elektrisches Steuersignal an einen Lenkaktuator gesendet und andererseits die Fahrzeugzustandsgrößen von der Steuereinrichtung als elektrisches Datensignal empfangen und ausgewertet.
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Das Stellmodul umfasst bevorzugt ein Ritzel und eine damit in Zahneingriff stehende Zahnstange einer Zahnstangenlenkung, wobei das Ritzel dabei durch den Lenkaktuator drehantreibbar ist, um die Zahnstange in eine longitudinale Bewegung zu versetzen, um den Lenkwinkel der zwei über die jeweilige Radaufhängung mit der Zahnstangenlenkung verbundenen Rädern einzustellen. Alternativ ist denkbar das Stellmodul mit einem Gewindetrieb auszustatten, der die longitudinale Bewegung einer Gewindespindel oder einer Gewindemutter des Gewindetriebs bewirkt.
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Während einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation lassen sich so Fahrzeugzustandsgrößen mittels der Sensoreinrichtung erfassen, wobei aus diesen Fahrzeugzustandsgrößen durch den Force-Feedback-Aktuator ein Rückstellmoment, auch Force-Feedback genannt, generiert wird, um für den Fahrer des Kraftfahrzeugs ein der Fahrsituation entsprechendes, realistisches Lenk- und Fahrgefühl zu erzeugen bzw. nachzubilden. Unter dem Begriff „Force-Feedback“ ist eine Kraftrückkopplung bzw. ein Rückstellmoment zu verstehen, wobei das Rückstellmoment am Lenkrad erzeugt wird, um dem Fahrer eine synthetisch nachgebildete haptische Rückmeldung bezüglich der momentanen Fahrsituation zu liefern.
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Der Force-Feedback-Aktuator empfängt elektrische Signale von Sensorelementen der Sensoreinrichtung und generiert aus den empfangenen Daten über die Fahrzeugzustandsgrößen ein Rückkopplungssignal, mittels dessen ein fahrzustandsabhängiges Rückstellmoment am Lenkrad erzeugt wird, das der Fahrer bei einer konventionellen mechanischen oder hydraulischen Kopplung zwischen Lenkrad und Stellmodul erwarten würde. Mit anderen Worten wird dem Fahrer ein durch den Force-Feedback-Aktuator erzeugtes haptisches Signal geliefert, mithilfe dessen der Fahrer die momentane Fahrsituation bewerten und darauf reagieren kann. Mithin wird ein für den Fahrer bekanntes Lenkgefühl wie bei einer konventionellen Lenkung und somit ein realistisches Fahrgefühl nachgebildet bzw. erzeugt.
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Vorzugsweise ist der Force-Feedback-Aktuator über eine Lenkwelle mit dem Lenkrad verbunden, wobei über die Lenkwelle zum einen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch Drehung des Lenkrades in den Force-Feedback-Aktuator eingeleitet werden und zum anderen Rückstellmomente in einem entgegengesetzten Kraftpfad vom Force-Feedback-Aktuator an das Lenkrad übermittelt werden.
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Die Verbindung zwischen dem Force-Feedback-Aktuator und dem Lenkaktuator und/oder der Sensoreinrichtung kann mittels Kabel, beispielsweise über einen BUSSystem oder mittels kabelloser Datenübertragung erfolgen. In diesem Fall sind entsprechende Sende- und Empfängereinheiten am Force-Feedback-Aktuator, am Lenkaktuator und/oder an der Sensoreinrichtung angeordnet.
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Die Sensoreinrichtung weist vorzugsweise mehrere Sensorelemente auf. Ferner bevorzugt umfasst die Sensoreinrichtung zumindest einen Dehnungsmessstreifen und/oder zumindest einen magnetostriktiven Sensor. Die Art und Anzahl der Sensorelemente der Sensoreinrichtung sind dabei in Abhängigkeit der zu erfassenden Fahrzeugzustandsgrößen, insbesondere an einem Radlager der Radaufhängung angeordnet. Es ist ferner denkbar Sensorelemente einzusetzen, die auf einem anderen physikalischen Wirkprinzip basieren.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen der Force-Feedback-Aktuator und/oder der Lenkaktuator eine jeweilige Steuer- und Auswerteeinheit. Weist der Force-Feedback-Aktuator eine Steuer- und Auswerteeinheit auf, lassen sich beispielsweise aus dem durch den Fahrer manuell betätigten Lenkbefehl Steuersignale generieren, die als elektrisches Steuersignal an den Lenkaktuator gesendet werden. Weist der Lenkaktuator ebenfalls eine Steuer- und Auswerteeinheit auf, lassen sich die vom Steuersignal der Steuer- und Auswerteeinheit des Force-Feedback-Aktuators kommenden Daten empfangen und zur Betätigung des Steuermoduls bzw. für die Verstellung des Lenkwinkels der Räder auswerten bzw. umrechnen. Es ist ferner denkbar, dass eine einzige, übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die alle Datensignale zwischen dem Force-Feedback-Aktuator und dem Lenkaktuator und/oder der Sensoreinrichtung über eine jeweilige Steuerleitung sendet bzw. empfängt und anschließend entsprechend auswertet und Steuerbefehle erzeugt.
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Vorzugsweise sind der Force-Feedback-Aktuator und/oder der Lenkaktuator als Elektromotor ausgebildet und weisen bevorzugt jeweils eine Getriebeeinheit auf. Der Force-Feedback-Aktuator ist dabei insbesondere mit der Lenkwelle des Lenkrades verbunden, die gleichzeitig als Antriebswelle zur manuellen Eingabe des Lenkbefehls sowie als Abtriebswelle zur Übertragung des Rückstellmoments auf das Lenkrad ausgebildet ist. Der Lenkaktuator weist eine Antriebswelle auf, die mit dem Ritzel wirkverbunden ist, um die Zahnstange des Stellmoduls in eine Längsverlagerung zu versetzen.
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Die Zahnstange, welche längsbeweglich mit dem Ritzel in Zahneingriff steht, kann einteilig mit der Zahnstangenlenkung ausgebildet oder fest mit einem ein- oder mehrteiligen Stellgestänge der Zahnstangenlenkung verbunden sein. Das Stellgestänge ist dabei derart mit der ersten Radaufhängung des ersten Rades sowie der zweiten Radaufhängung des zweiten Rades verbunden, dass eine Längsverlagerung des Stellgestänges eine Verstellung des Lenkwinkels bzw. eine gleichmäßige Verschwenkung der Räder zur Einleitung einer Kurvenfahrt bewirkt.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkanordnung ist ein mit einem Lenkrad verbundener Force-Feedback-Aktuator über eine erste Signalleitung mit einem Lenkaktuator verbunden, wobei der Lenkaktuator mit einem Ritzel eines Stellmoduls wirkverbunden ist, wobei das Stellmodul ferner eine mit dem Ritzel in Zahneingriff stehende Zahnstange einer Zahnstangenlenkung umfasst, wobei das Ritzel durch den Lenkaktuator drehangetrieben wird, um die Zahnstange in eine longitudinale Bewegung zu versetzen und einen Lenkwinkel von zwei über eine jeweilige Radaufhängung mit der Zahnstangenlenkung verbundenen Rädern einzustellen, wobei mittels einer Sensoreinrichtung an der jeweiligen Radaufhängung Fahrzeugzustandsgrößen erfasst werden, die über eine zweite Signalleitung an das Force-Feedback-Aktuator gesendet werden, wobei mittels des Force-Feedback-Aktuators ein Rückstellmoment am Lenkrad eingestellt wird. Das Rückstellmoment wird durch den Force-Feedback-Aktuator aus den Fahrzeugzustandsgrößen generiert.
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Vorzugsweise werden die erfassten Fahrzeugzustandsgrößen auf einer Steuer- und Auswerteeinheit der Force-Feedback-Aktuator empfangen und ausgewertet. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dabei im Wesentlichen dazu vorgesehen, die Lenkbefehle ausgehend vom Lenkrad zu erfassen und als Steuersignal an den Lenkaktuator weiterzusenden, sowie die Daten zu den Fahrzeugzustandsgrößen von der Sensoreinrichtung zu empfangen, zu verarbeiten und das Rückstellmoment am Lenkrad zu erzeugen. Alternativ können auch der Lenkaktuator und/oder die Sensoreinrichtung eine jeweilige Steuer- und Auswerteeinheit aufweisen, die mit der Steuer- und Auswerteeinheit des Force-Feedback-Aktuator kommunizieren können.
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Ferner bevorzugt werden mittels der Sensoreinrichtung Radaufstandskräfte, Längskräfte, Querkräfte, Bremskräfte, Querbeschleunigungen, ein Lenkwinkel der Räder und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erfasst. Anders gesagt sind also Radaufstandskräfte, Längskräfte, Querkräfte, Bremskräfte, Lenkkräfte, Querbeschleunigungen, der Lenkwinkel der Räder und die Fahrzeuggeschwindigkeit Fahrzeugzustandsgrößen. Die Fahrzeugzustandsgrößen sind abhängig von der momentanen Fahrsituation und Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs und werden von den Sensorelementen kontinuierlich oder gezielt erfasst.
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Bevorzugt werden auf der Steuer- und Auswerteeinheit zumindest ein Kennfeld, zumindest eine mathematische Beziehung, zumindest ein Modell einer Lenkkinematik und/oder zumindest ein Fahrzeugmodell zur Auswertung der erfassten Fahrzeugzustandsgrößen bereitgestellt, wobei die ausgewerteten Fahrzeugzustandsgrößen zur Einstellung des Rückstellmoments am Lenkrad verwendet werden. Als Eingangsdaten zur Generierung des Rückstellmoments dienen die mittels der Sensorelemente der Sensoreinrichtung erfassten Fahrzeugzustandsgrößen, beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Querbeschleunigung, der Lenkwinkel und Radaufstandskräfte sowie Längs- und Querkräfte. Ist ein Fahrzeugmodell bereitgestellt, kann damit beispielsweise die Querbeschleunigung berechnet werden. Die Daten für das Kennfeld, die mathematische Beziehungen, das zumindest eine Fahrzeugmodell und/oder das zumindest eine Modell der Lenkkinematik basieren bevorzugt auf vorhergehende Berechnungen und Simulationen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektromechanische Lenkungsanordnung. Es ist denkbar, die Lenkungsanordnung mit einer oder mehr Sensoreinrichtungen auszubilden, wobei dabei entweder jedes Rad bzw. jede Radaufhängung der Lenkachse oder alle Räder bzw. alle Radaufhängungen der Lenkachse mit einer jeweiligen Sensoreinrichtung ausgestattet sind. Ferner können Radaufhängungen weiterer Achsen des Kraftfahrzeugs eine jeweilige Sensoreinrichtung mit einem oder mehreren Sensorelementen aufweisen, beispielsweise zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figuren näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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Gemäß der einzigen Figur ist an einer Vorderachse 18 eines Kraftfahrzeugs 10 eine elektromechanische Lenkungsanordnung 1 angeordnet. Die Lenkungsanordnung 1 umfasst ein Lenkrad 2 mit einem Force-Feedback-Aktuator 3, sowie einen über eine erste Signalleitung 4 mit dem Force-Feedback-Aktuator 3 elektrisch verbundenen Lenkaktuator 5. Der Force-Feedback-Aktuator 3 und der Lenkaktuator 5 sind vorliegend jeweils als Elektromotoren ausgebildet und weisen sowohl eine Steuer- und Auswerteeinheit 14 als auch eine Getriebeeinheit 15 auf. Die Getriebeeinheit 15 des Lenkaktuators 5 ist mit der Antriebswelle 19 wirkverbunden, wobei die Getriebeeinheit 22 des Force-Feedback-Aktuators 3 über eine Lenkwelle 20 mit dem Lenkrad 2 wirkverbunden ist.
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Der Lenkaktuator 5 ist über die Getriebeeinheit 15 mit einem Stellmodul 6 wirkverbunden, welches vorliegend ein Ritzel 7 und eine damit in Zahneingriff stehende Zahnstange 8a einer Zahnstangenlenkung 8 aufweist. Die Zahnstange 8a ist an beiden Enden fest mit einem jeweiligen Stellgestänge 16 verbunden. Das Ritzel 7 des Stellmoduls 6 wird über die Antriebswelle 19 des Lenkaktuators 5 drehangetrieben, wobei eine Rotationsbewegung des Ritzels 7 die damit kämmende Zahnstange 8a in eine longitudinale Bewegung versetzt. Am radseitigen Ende des jeweiligen Stellgestänges 16 ist jeweils eine verschwenkbare Radaufhängung 9a, 9b mit einem jeweiligen daran angeordneten Rad 11a, 11b ausgebildet, wobei die Längsbewegung der Zahnstange 8a und des Stellgestänges 16 eine Verschwenkung der Räder 11a, 11b bewirkt, sodass ein Lenkwinkel der Räder 11a, 11b eingestellt wird.
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Ein Lenkbefehl der durch einen Fahrer in das Lenkrad 2 manuell eingeleitet wird, wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit 21 des Force-Feedback-Aktuators 3 festgestellt, wobei daraufhin über die erste Signalleitung 4 ein Steuerbefehl an den Lenkaktuator 5 gesendet wird. Dieser Steuerbefehl wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 14 des Lenkaktuators erkannt und bewirkt, dass das Ritzel 7 angetrieben wird, sodass in Abhängigkeit seiner Rotationsbewegung eine Verschwenkung der Räder 11a, 11b erfolgt.
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An der ersten Radaufhängung 9a ist eine Sensoreinrichtung 12 zur Erfassung von Fahrzeugzustandsgrößen angeordnet, die über eine zweite Signalleitung 13 mit dem Force-Feedback-Aktuator 3 elektrisch verbunden ist. Ergänzend oder alternativ kann auch an der zweiten Radaufhängung 9b eine weitere Sensoreinrichtung 12 zur Erfassung von Fahrzeugzustandsgrößen angeordnet sein.
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Die Sensoreinrichtung 12 umfasst vorliegend vier Sensorelemente 17, die in Abhängigkeit der zu erfassenden Größen als Dehnungsmessstreifen und als magnetostriktiver Sensor ausgebildet sind. Auch weniger oder mehr Sensorelemente 17 sind denkbar. Mittels der Sensorelemente 17 der Sensoreinrichtung 12 werden beispielsweise Radaufstandskräfte, Längskräfte, Querkräfte, Bremskräfte, Lenkkräfte, Querbeschleunigungen, ein Lenkwinkel des ersten Rades 11a sowie eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 10 erfasst, wobei die durch die Sensorelemente 17 erfassten Fahrzeugzustandsgrößen als Datensignal über die zweite Signalleitung 13 an den Force-Feedback-Aktuator 3 gesendet und dort ausgewertet werden.
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Der Force-Feedback-Aktuator 3 ist dazu vorgesehen, mithilfe der Steuer- und Auswerteeinheit 21 aus den erfassten Fahrzeugzustandsgrößen der Sensoreinrichtung 12 ein Rückstellmoment am Lenkrad 2 zu generieren bzw. einzustellen. Dazu empfängt die Steuer- und Auswerteeinheit 21 des Force-Feedback-Aktuators 3 die von der Sensoreinrichtung 12 erfassten Daten und wertet diese aus. Die Steuer- und Auswerteeinheit 21 stellt dazu ein Kennfeld, eine mathematische Beziehung sowie ein Fahrzeugmodell zur Auswertung der erfassten Fahrzeugzustandsgrößen bereit, die den erfassten Fahrzeugzustandsgrößen gegenübergestellt werden, um daraus ein entsprechendes Rückstellmoment am Lenkrad 2 zu erzeugen. Mit anderen Worten werden die ausgewerteten Fahrzeugzustandsgrößen zur Einstellung des Rückstellmoments am Lenkrad 2 und zur Nachbildung eines für den Fahrer bekannten Lenkgefühls verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromechanische Lenkungsanordnung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Force-Feedback-Aktuator
- 4
- erste Signalleitung
- 5
- Lenkaktuator
- 6
- Stellmodul
- 7
- Ritzel
- 8
- Zahnstangenlenkung
- 8a
- Zahnstange
- 9a, 9b
- Radaufhängung
- 10
- Kraftfahrzeug
- 11a, 11b
- Rad
- 12
- Sensoreinrichtung
- 13
- zweite Signalleitung
- 14
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 15
- Getriebeeinheit
- 16
- Stellgestänge
- 17
- Sensorelement
- 18
- Vorderachse
- 19
- Antriebswelle
- 20
- Lenkwelle
- 21
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 22
- Getriebeeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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