DE102019116760B3

DE102019116760B3 - Verfahren zur gleichmäßigen Höhenverstellung einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102019116760B3
Application number: DE102019116760.4A
Authority: DE
Inventors: Max Schwing
Original assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-06-22
Also published as: US20220355849A1; US11904928B2; CN114126952A; WO2020254586A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges, die eine Höhenverstelleinrichtung mit einem Elektromotor (2) und einer Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit den Elektromotor (2) zum Anheben und Absenken entlang eines Verstellwegs eines mit der Lenksäule verbundenen Lenkmittels ansteuert, wobei die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt, und wobei durch Variation des Tastgrads der Pulsweitenmodulation die elektrische Spannung derart angepasst wird, dass das Anheben und/oder Absenken über den Verstellweg mit konstanter Verstellgeschwindigkeit erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges.
Lenksäulen für Kraftfahrzeuge sind in vielen verschiedenen Bauformen bekannt. Allgemein üblich sind Lenksäulen, in denen eine Lenkwelle drehbar in einem Mantelrohr gelagert ist. Das Mantelrohr selbst ist in einer Kastenschwinge axial verstellbar gelagert. Die Kastenschwinge wiederum ist an einer fahrzeugseitig zu befestigenden Konsole schwenkbar gelagert, um eine Höhenverstellung des Lenkrades zu ermöglichen.
Bei der Höhenverstellung des Lenkrades bewirkt die Gewichtskraft beim Anheben eine Gegenkraft und beim Absenken entsprechend eine Schubkraft. Dies führt zu unterschiedlichen Verstellgeschwindigkeiten und Geräuschen, was für den Fahrer des Kraftfahrzeuges störend ist.
Aus der Offenlegungsschrift JP 2007- 110 788 A ist ein Verfahren zum Verstellen einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges bekannt. Jeweils ein Elektromotor ist für die Höhenverstellung und die Längsverstellung vorgesehen. Eine Geräuschentwicklung durch das Anlaufen des Motors wird dadurch unterdrückt, dass der Tastgrad angehoben wird, bis ein minimaler Tastgrad erreicht wird, der den Lärmeinflussbereich überschreitet. Da das Anheben graduell erfolgt, kann verhindert werden, dass der Elektromotor von Anfang an mit einem hohen Tastgrad angesteuert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch verstellbare Lenksäule zur Verfügung zu stellen, welche eine unabhängig von der Höhenverstellrichtung gleichmäßige Geräuschentwicklung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
Demnach ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lenksäule, die eine Höhenverstelleinrichtung mit einem Elektromotor und einer Steuereinheit aufweist, vorgesehen, wobei die Steuereinheit den Elektromotor zum Anheben und Absenken entlang eines Verstellwegs eines mit der Lenksäule verbundenen Lenkmittels ansteuert und die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt, wobei durch Variation des Tastgrads der Pulsweitenmodulation (engl. PWM duty cycle) die elektrische Spannung derart angepasst wird, dass das Anheben und/oder Absenken über den Verstellweg mit konstanter Verstellgeschwindigkeit erfolgt.
Die gleichbleibende Geschwindigkeit ergibt ein gleichbleibendes Klangbild, was für den Fahrer als angenehm empfunden wird.
Bei der ersten Inbetriebnahme der Höhenverstelleinrichtung findet eine Initialisierung statt, die folgende Schritte umfasst:

- Verfahren der Höhenverstelleinrichtung von einer obersten Endposition zu einer untersten Endposition und zurück mit konstantem Tastgrad und Bestimmen des Lastzustandes des Elektromotors;
- In Abhängigkeit des Lastverlaufs Bestimmen eines Tastgrads der Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Position der Höhenverstelleinrichtung und der Verstellrichtung zum Verstellen des Lenkmittels mit konstanter Verstellgeschwindigkeit.

Die Laufeigenschaften der Höhenverstelleinrichtung werden so zu Beginn quantifiziert und bei der zukünftigen Verstellung berücksichtigt. Die bei der Initialisierung gewonnenen Werte werden vorzugsweise zur Ansteuerung des Elektromotors für die restliche Lebensdauer der Höhenverstelleinrichtung verwendet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Messung des Lastzustandes nach beispielsweise einer vorgegebenen Zeit oder Anzahl an Verstellzyklen wiederholt wird, um einen Verschleiß oder sonstige Änderungen bei der Höhenverstelleinrichtung zu berücksichtigen.
Es ist bevorzugt, wenn der Lastzustand durch Messen der Stromaufnahme des Elektromotors bestimmt wird.
Der Höhenverstellantrieb ist vorzugsweise ein Spindelantrieb, welcher eine auf dem Abtrieb des Elektromotors angeordnete Schneckenwelle aufweist, wobei die Schneckenwelle mit einem Schneckenrad in Eingriff steht. Das Schneckenrad ist entweder drehfest mit der Gewindestange oder drehfest mit einer Spindelmutter gekoppelt. Vorzugsweise treibt der Elektromotor eine Gewindespindel an, die mit einer Spindelmutter in Eingriff steht, wobei eine rotatorische Bewegung der Gewindespindel in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter in Richtung der Längsachse der Gewindespindel umgewandelt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Lenksäule eine Lenkwelle umfasst, die drehbar in einem Mantelrohr gelagert ist, wobei das Mantelrohr selbst in einer Führungsklammer axial verstellbar gelagert ist, die in einem Halteteil um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, das mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbindbar ist, und wobei die Höhenverstelleinrichtung die Führungsklammer zum Anheben und Absenken des Lenkmittels gegenüber dem Halteteil verschwenkt. Dabei ist es bevorzugt, wenn ein Hebel verschwenkbar in einer Gelenkachse am Halteteil und in einer Gelenkachse an der Führungsklammer gehalten ist, und der Elektromotor ein Verschwenken der Führungsklammer mittels des Hebels bewirkt.
Für eine vom Fahrer als angenehm wahrgenommene Geräuschentwicklung liegt die Frequenz der Pulsweitenmodulation bei bevorzugt etwa 21 kHz. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder vergleichbare Bauelemente in verschiedenen Zeichnungen tragen dieselben Bezugsziffern. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Teils einer Höhenverstelleinrichtung einer Lenksäule beim Anheben des Lenkrads;
2: eine schematische Darstellung des Teils der Höhenverstelleinrichtung der 1 beim Absenken des Lenkrads; sowie
3: den zeitlichen Verlauf der Motoransteuerung.

Die 1 und 2 zeigen in räumlicher Darstellung einen Aktuator 1 mit einem Elektromotor 2 und einem Untersetzungsgetriebe 3 einer Höhenverstelleinrichtung einer Lenksäule. Der Elektromotor 2 treibt über das Untersetzungsgetriebe 3 eine Gewindespindel 4 an, die mit einer Spindelmutter 5 in Eingriff steht. Die Spindelmutter 5 wird mittels des Elektromotors 2 auf der Gewindespindel 4 entlang einer Längsachse 100 verfahren, wobei durch das Zusammenwirken der Gewindespindel 4 und der Spindelmutter 5 die rotatorische Bewegung der Gewindespindel 4 in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter 5 in Richtung der Längsachse 100 der Gewindespindel 4 umgewandelt wird. Die Spindelmutter 5 ist mittelbar mit einem nicht dargestellten Lenkmittel, insbesondere einem Lenkrad verbunden, so dass eine Bewegung der Spindelmutter 5 entlang der Längsachse 100 der Gewindespindel 4 in einer Höhenverstellung des Lenkrads resultiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine mit dem Lenkrad verbundene Lenkwelle drehbar in einem Mantelrohr gelagert. Das Mantelrohr ist in einer Führungsklammer entlang der Längsachse der Lenkwelle verschiebbar geführt. Die Führungsklammer ist um eine Schwenkachse in einer Konsole oder allgemein einem Halteteil schwenkbar gelagert. Das Halteteil kann in Befestigungspunkten an einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges befestigt werden. Die Spindelmutter ist mit der Führungsklammer verbunden, die wiederrum mittels eines Hebels mit dem Halteteil verbunden ist, so dass eine Bewegung der Spindelmutter entlang der Längsachse der Gewindespindel zum Verschwenken der Führungsklammer gegenüber dem Halteteil und Verstellen des Lenkrads in Höhenverstellrichtung führt. In einer Ausführungsform verändert sich die Hebelübersetzung des Hebels entlang des Verstellwegs. Sie liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1,3 und 1,6. In den beiden Figuren ist das auf die Höhenverstelleinrichtung wirkende Gewicht 6 rein schematisch dargestellt. Das Gewicht ergibt sich aus dem Lenkrad und insbesondere weiteren Teilen der Lenksäule.
1 zeigt den Aktuator 1 und stellt das Anheben des Lenkrads dar. Die Gewichtskraft des Lenkrades und weiterer möglicher Lenksäulenkomponenten, insbesondere der Führungsklammer und des Mantelrohrs, wirkt mit ihrer Vektorkomponente F_G der durch den Elektromotor zur Höhenverstellung aufgebrachten Kraft F_E entgegen.
In der 2 ist das Absenken des Lenkrades dargestellt. Die Gewichtskraft des Lenkrades mit ihrer Vektorkomponente F_G unterstützt den Elektromotor bei der Höhenverstellung. Mit anderen Worten, der Elektromotor muss weniger Drehmoment aufbringen, um die gleiche Verstellgeschwindigkeit wie beim Anheben zu erreichen.
Der Elektromotor 2 wird mittels einer Steuereinheit (ECU) angesteuert. Das Steuersignal ist in 3 dargestellt.
Da sich auf der Strecke des Verfahrwegs die durch das Lenkrad und die möglichen Lenksäulenkomponenten hervorgerufene Last aufgrund der sich verändernden Hebelübersetzung verändert, werden an jeder Position des Verstellwegs andere Spannung benötigt um eine gleichbleibende Geschwindigkeit der Höhenverstellung zu erreichen. Zusätzlich können sich durch Fertigungstoleranzen Unterschiede in Laufeigenschaften zwischen unterschiedlichen Lenksäulen / Aktuatoren bis zu 20% ergeben, die ebenfalls beachtet werden müssen, um eine gleichmäßige Verstellgeschwindigkeit zu erreichen.
In dem oberen Graphen der 3 ist die Verstellgeschwindigkeit v gegen die Zeit s aufgetragen. Ein positiver Wert der Verstellgeschwindigkeit stellt dabei ein Anheben des Lenkrads und ein negativer Wert der Verstellgeschwidigkeit ein Absenken des Lenkrades dar.
Ein erster Durchlauf der Höhenverstellung wird zur Initialisierung verwendet. Das Lenkrad wird dabei von der obersten Endposition zur untersten Endposition und zurück mit konstantem Tastgrad der PWM verfahren. Der Lastzustand des Elektromotors kann durch Messung der Stromaufnahme in einfacher Weise entlang des Verstellwegs bestimmt werden. Es ist aber auch möglich zur Bestimmung des Lastzustands das Drehmoment des Elektromotors zu messen.
In Abhängigkeit des Lastverlaufs wird der Tastgrad der PWM zur Erzielung einer gleichbleibenden Verstellgeschwindigkeit angepasst. Der Tastgrad (engl. duty cycle) gibt für eine periodische Folge von Impulsen das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer an. Durch Variation des Tastgrades lässt sich der Gleichwert der elektrischen Spannung verändern. Bevorzugt wird ein Ist-Tastgrad an einen Soll-Tastgrad angepasst. Dabei gibt es ein theoretisches Limit als Funktion der maximal verfügbaren Spannung bei einer Soll-Verstellgeschwindigkeit, welche mit einer Motorkonstante intern berechnet werden kann.
Der Verlauf der elektrischen Spannung bei einer Höhenverstellung nach der Initialisierung ist in 3, unten, dargestellt. Die Gewichtskraft des Lenkrades wirkt dem Anheben des Lenkrades entgegen. Durch den zwischen Spindelmutter und Lenkrad angeordneten Hebel, nimmt die Last mit Anheben des Lenkrades ab. Die elektrische Spannung verringert sich somit entlang des Verstellwegs. Beim Absenken des Lenkrades unterstützt die Gewichtskraft des Lenkrades den Elektromotor und die Last ist reduziert. Die elektrische Spannung ist daher vom Betrag her deutlich geringer als die beim Anheben benötigte elektrische Spannung. Während des Absenkens nimmt die elektrische Spannung ab, da durch den Hebel die auf die Spindelmutter in Verstellrichtung wirkende Gewichtskraft zunimmt. Für die PWM wird eine Frequenz um 21 kHz verwendet. Die elektrische Spannung wird durch die Initialisierung so an die Position und die Richtung der Verstellung angepasst, dass die Verstellgeschwindigkeit im Betrag gleich ist (siehe 3, oben). Die Stromaufnahme des Elektromotors ist dann ebenfalls konstant für ein Anheben des Lenkrades sowie für ein Absenken des Lenkrads (siehe 3, Mitte). Die bei der Initialisierung gewonnenen Werte werden bevorzugt für die restliche Lebensdauer des Höhenverstellantriebs verwendet.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges, die eine Höhenverstelleinrichtung mit einem Elektromotor (2) und einer Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit den Elektromotor (2) zum Anheben und Absenken entlang eines Verstellwegs eines mit der Lenksäule verbundenen Lenkmittels ansteuert, wobei die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt, wobei durch Variation des Tastgrads der Pulsweitenmodulation die elektrische Spannung derart angepasst wird, dass das Anheben und/oder Absenken über den Verstellweg mit konstanter Verstellgeschwindigkeit erfolgt und bei der ersten Inbetriebnahme der Höhenverstelleinrichtung eine Initialisierung stattfindet, die folgende Schritte umfasst: -Verfahren der Höhenverstelleinrichtung von einer obersten Endposition zu einer untersten Endposition und zurück mit konstantem Tastgrad und Bestimmen des Lastzustandes des Elektromotors (2); - In Abhängigkeit des Lastverlaufs Bestimmen eines Tastgrads der Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des Elektromotors (2) in Abhängigkeit von der Position der Höhenverstelleinrichtung und der Verstellrichtung zum Verstellen des Lenkmittels mit konstanter Verstellgeschwindigkeit;
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastzustand durch Messen der Stromaufnahme des Elektromotors (2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Initialisierung gewonnenen Werte zur Ansteuerung des Elektromotors (2) und zur Anpassung der elektrischen Spannung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) eine Gewindespindel (4) antreibt, die mit einer Spindelmutter (5) in Eingriff steht, wobei eine rotatorische Bewegung der Gewindespindel (4) in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter (5) in Richtung der Längsachse (100) der Gewindespindel (4) umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenksäule eine Lenkwelle umfasst, die drehbar in einem Mantelrohr gelagert ist, wobei das Mantelrohr selbst in einer Führungsklammer axial verstellbar gelagert ist, die in einem Halteteil um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, das mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbindbar ist, und wobei die Höhenverstelleinrichtung die Führungsklammer zum Anheben und Absenken des Lenkmittels gegenüber dem Halteteil verschwenkt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hebel verschwenkbar in einer Gelenkachse am Halteteil und in einer Gelenkachse an der Führungsklammer gehalten ist, und der Elektromotor (2) ein Verschwenken der Führungsklammer mittels des Hebels bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation bei etwa 21 kHz liegt.