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Die Erfindung betrifft ein steer-by-wire-Lenksystem für ein Fahrzeug, mit einer Lenkhandhabe zur Einstellung eines Radlenkwinkels von zumindest einem gelenkten Rad des Fahrzeugs, mit einem Aktuator zur Veränderung des Radlenkwinkels des gelenkten Rades, mit einem Force-Feedback-Aktuator zur Aufprägung von Radreaktionskräften auf die Lenkhandhabe, wobei der Aktuator zur Veränderung des Radlenkwinkels aus einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe gebildet ist, und mit einer Einrichtung zur Synchronisation der Position der Lenkhandhabe mit dem jeweiligen, der Position der Lenkhandhabe referierenden Radlenkwinkels des gelenkten Rades, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Steer-by-wire-Lenksysteme weisen im Gegensatz zu mechanischen Lenksystemen oder hydraulischen oder elektrischen Hilfskraft-Lenksystemen keine mechanische Wirkverbindung zwischen einer Lenkhandhabe (Lenkrad) und einem oder mehreren gelenkten Rädern eines Fahrzeugs auf. Sie werden auch als Fremdkraftlenksysteme bezeichnet. An der Lenkhandhabe ist eine Sensorik, bestehend aus einem Lenkwinkelsensor und einem Lenkmomentsensor angeordnet, mit Hilfe derer Lenkbewegungen eines Fahrers oder einer Bedienperson des Fahrzeugs erfasst und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zugeführt werden. Daraus wird ein gewünschter Radlenkwinkel ermittelt und dieser durch einen Aktuator, bestehend aus einem Elektromotor und eines, diesem nachgelagerten Untersetzungsgetriebes, in eine Stellbewegung an beispielsweise eine Spurstange und einem mit dieser gelenkig verbundenen Radlenkhebel umgesetzt. Der Aktuator zur Veränderung des Radlenkwinkels ist häufig aus einem bürstenlosen Elektromotor gebildet, der ein Untersetzungsgetriebe, bestehend aus einer Kugelumlaufmutter antreibt, die mit einer in ihr axial verfahrbaren Kugelumlaufspindel zusammenwirkt.
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Um dem Fahrer des Fahrzeugs ein realistisches Fahrgefühl an der Lenkhandhabe zu vermitteln, ist es bekannt, aus einer tatsächlichen, aktuellen Fahrsituation Parameter, wie Radlenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit oder Radreaktionskräfte und dergleichen zu erfassen und daraus ein Rückkoppelungssignal zu bilden, welches einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung für einen Force-Feedback-Aktuator zugeführt wird. Der Force-Feedback-Aktuator stellt einen Handmoment- oder Lenkradsteller dar und kann in Abhängigkeit von dem Rückkoppelungssignal ein, den realen Radreaktionsmomenten oder Radreaktionskräften der gelenkten Räder entsprechendes Rückstellmoment auf die Lenkhandhabe aufbringen. Derartige Lenkeinrichtungen geben dem Fahrer somit den Eindruck einer realen Fahrsituation, wie bei einer mechanischen Lenkung oder einer Hilfskraftlenkung, was eine intuitive Reaktion des Fahrers auf sich ändernde Fahrsituationen erleichtert.
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Die
US 2018/0141584 A1 beschreibt eine elektrische Hilfskraftlenkung, die auch für autonomes Fahren geeignet ist. Autonomes Fahren bedeutet, dass zumindest das Lenken eines Fahrzeugs durch eine Steuerung übernommen wird, deren Betrieb durch Sensorsignale, die die Umgebung des Fahrzeugs und technische Parameter des Fahrzeugs selbst abbilden, durchgeführt wird. Ein Fahrer des Fahrzeugs hat hierbei nur beobachtenden Funktion.
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Um ein mit einer Hilfskraftlenkung ausgestattetes Fahrzeug in einen Betriebsmodus, in dem das Fahrzeug autonom gelenkt wird, überführen zu können, bedarf es zumindest der Entkoppelung der Lenkhandhabe des Fahrzeugs von einem Lenkgetriebe bzw. eines dieses antreibenden Aktuators.
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Wird nun die Stromversorgung für die genannte Steuereinrichtung unterbrochen, so geht in der Regel die Synchronisation des Lenkwinkels der Lenkhandhabe und des jeweiligen Radlenkwinkels verloren. Die
US 2018/0141584 A1 schlägt daher eine Einrichtung zur Synchronisierung des Lenkwinkels und des Radlenkwinkels vor, die zu diesem Zweck ein Verfahren steuert. Dabei wird, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, die Lenkhandhabe auf eine Mittelstellung gestellt und die gelenkten Räder, also der Aktuator zur Einstellung des jeweiligen Radlenkwinkels, auch auf eine Mittelstellung gebracht.
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Solche Verfahren bergen jedoch Verletzungsrisiken für den Fahrer des Fahrzeugs, sieht sich dieser doch einem rasch drehenden Lenkrad bzw. Lenkhandhabe gegenüber.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein steer-by-wire-Lenksystem anzugeben, das in jeder Phase seines Betriebes sicher, insbesondere sicher in Bezug auf ein Verletzungsrisiko einer Bedienperson eines Fahrzeugs mit dem steer-by-wire-Lenksystem ist.
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Die Aufgabe wird mit einem steer-by-wire-Lenksystem mit der Gesamtheit der Merkmale von Patenanspruch 1 gelöst,
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Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen steer-by-wire-Lenksystem die Einrichtung zur Synchronisierung nach einer Unterbrechung der Spannungsversorgung des Force-Feedback-Aktuators und/oder des Aktuators zur Veränderung des Radlenkwinkels und/oder der Einrichtung zur Synchronisierung selbst und nach Wiederaufnahme deren Spannungsversorgung die Lenkhandhabe und/oder des gelenkten Rad mit einer für den Fahrer oder Bedienperson des Fahrzeugs ungefährlichen, geringen Stellgeschwindigkeit bewegt wird, ist eine Gefährdung der Sicherheit der Bedienperson ausgeschlossen. Das Lenkrad bzw. die Lenkhandhabe bewegt sich bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem so langsam und mit so wenig Drehmoment, dass der Fahrer die Bewegung der Lenkhandhabe mühelos und ohne nennenswerten Kraftaufwand übersteuern kann und anhalten kann.
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Die Lenkhandhabe wird in Bezug auf ihren Lenkwinkel an den aktuell ermittelten Radlenkwinkel langsam angepasst oder der Radlenkwinkel wird an den Lenkwinkel der Lenkhandhabe angepasst.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des steer-by-wire-Lenksystems wird auch bei unterbrochener Spannungsversorgung, mithin bei einer Schaltstellung eines Zündschlosses des Fahrzeugs „AUS“ die Einrichtung zur Synchronisierung von einem Schlafmodus in einen Aufwachmodus überführt, wenn durch die Bedienperson des Fahrzeugs die Lenkhandhabe betätigt wird. Dasselbe kann erfolgen, wenn durch eine Bedienperson des Fahrzeugs, beispielsweise durch einen KFZ-Mechaniker, der Aktuator zur Veränderung des Radlenkwinkels oder ein gelenktes Rad des Fahrzeugs selbst bewegt wird.
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Es kann auch vorteilhaft sein, bei Unterbrechung der Spannungsversorgung der Einrichtung zur Synchronisierung oder des steer-by-wire-Lenksystems, dass die Lenkhandhabe von dem Force-Feedback-Aktuator blockiert wird. Die Lenkhandhabe kann von der Bedienperson daher von sich aus nicht bewegt werden und die Bedienperson kann auch nicht durch einen Synchronisations-Vorgang zwischen dem Lenkwinkel und dem Radlenkwinkel verletzt werden, indem sich das Lenkrad rasch anfängt zu drehen.
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Die Synchronisierung von Radlenkwinkel und Lenkwinkel erfolgt dann nur durch Veränderung des Radlenkwinkels gemäß des jeweiligen Lenkwinkels, mit welchem die blockierte Lenkhandhabe festgesetzt ist.
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In einem typischen, vorteilhaften Ausführungsbeispiel des steer-by-wire-Lenksystems umfasst die Einrichtung zur Synchronisierung einen Resolver, der den Lenkwinkel der Lenkhandhabe oder eine Welle des Force-Feedback-Aktuators erfasst. Etwa durch Detektion eines aktuellen, absoluten elektrischen Winkels eines den Force-Feedback-Aktuator antreibenden bürstenlosen Elektromotors und eines bekannten Übersetzungsverhältnisses eines Untersetzungsgetriebes des Force-Feedback-Aktuators.
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Dieser Lenkwinkel kann auch erfasst werden, wenn der Zündschalter des Fahrzeugs auf „AUS“-Position ist.
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Um einen aktuellen Radlenkwinkel erfassen oder berechnen zu können, weist das steer-by-wire-Lenksystem vorzugsweise eine Drehbetrags-Erfassungseinheit auf. Zudem kann es vorteilhaft sein, eine elektronische Gegenspannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen der elektromotorischen Gegenspannung eines Elektromotors des Aktuators zur Veränderung des Radlenkwinkels vorzusehen, die auch bei ausgeschalteter Spannungsversorgung den aktuellen absoluten Drehbetrag des Elektromotors oder einer Welle des Untersetzungsgetriebes des Aktuators zur Veränderung des Radlenkwinkels erfasst.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem eignet sich zur Verwendung in einem Personenkraftwagen oder Nutzkraftwagen oder in einem mobilen Arbeitsgerät verschiedenster Bauart.
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Die Erfindung wird nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur:
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen steer-by-wire-Lenksystems.
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In 1 ist in einer schematischen Ansicht ein steer-by-wire-Lenksystem 1 gezeigt, das zum Lenken von gelenkten Rädern 3 eines in seiner Gesamtheit nicht gezeigten Personenkraftwagens dient. Eine als Lenkrad gebildete Lenkhandhabe 2 ist mit einer Welle eines Force-Feedback-Aktuators 5 wirkverbunden.
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Ein nicht näher dargestellter Lenkwinkelsensor an der Lenkhandhabe 2 dient der Erfassung der Steuereingaben des Fahrers. Der Force-Feedback-Aktuator 5 und der Lenkwinkelsensor sind über eine Steuerleitung 10, die sowohl die Sensorsignale des Lenkwinkelsensors, als auch Steuersignale für den Force-Feedback-Aktuator 5 überträgt, mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11 verbunden.
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Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11 ist mit weiteren, nicht näher dargestellten Sensoren zur Messung von Radlenkwinkeln, der Fahrgeschwindigkeit oder mit Sensoren zur Messung der Sitzbelegung des Fahrzeugs und weiteren Sensoren, die den jeweiligen aktuellen Fahrzustand und Fahrtparameter des Fahrzeugs abbilden, verbunden.
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Ein Aktuator 4 zur Veränderung des Radlenkwinkels β ist mit einem Elektromotor 6, in der Art einer bürstenlosen elektrischen Maschine, die ein Untersetzungsgetriebe 7 antreibt, bestehend aus einer Kugelumlaufmutter, die auf einer Kugelumlaufspindel abrollt und diese axial verschiebt, gebildet. Die Axialverschiebung der Kugelumlaufspindel wird auf gelenkig mit ihr verbundene Spurstangen 12, 13 und Radlenkhebel 14, 15 übertragen und die jeweiligen Radlenkwinkel β der gelenkten Räder 3 dadurch verstellt.
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Der Force-Feedback-Aktuator 5 dient zur haptischen Rückkoppelung der Rückstellkräfte der gelenkten Räder 3 auf den nicht dargestellten Fahrer des Fahrzeugs und ermöglicht trotz der fehlenden mechanischen Verbindung der Räder 3 mit der Lenkhandhabe 2 eine authentische Rückmeldung über die aktuelle Fahrsituation des Fahrzeugs an den Fahrer.
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Das Rückstellmoment des Force-Feedback-Aktuators 5 wird auf die Lenkhandhabe 2 aufgeprägt. Dies erfolgt in Abhängigkeit eines aktuellen Lenkwinkels an der Lenkhandhabe 2, nach einem Reaktionsmoment der gelenkten Räder 3 durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11.
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Wenn nun z.B. das Fahrzeug aus Anlass eines Parkvorganges oder eines Wartungstermins in einer Werkstatt abgestellt wird, also die Spannungsversorgung des steer-by-wire- Lenksystems 1 ausgeschaltet wird, so kann es vorkommen, dass die Lenkhandhabe 2 in einer Stellung festgelegt wird, die gelenkten Räder 3 aber sich noch verschwenken. Eine Asynchronität zwischen dem Lenkwinkel und dem Radlenkwinkel β ist die Folge,
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Beim Wiedereinschalten der Zündung ist dann eine Synchronisierung von Lenkhandhabe 2 und den gelenkten Rädern 3 erforderlich. Sind die gelenkten Räder 3 aus irgendwelchen Gründen der Fahrbahnbeschaffenheit unbeweglich, so wird allein die Lenkhandhabe 2 nachgeführt. Hierzu dient eine Einrichtung 8 zur Synchronisierung der Position der Lenkhandhabe 2 mit dem jeweiligen, der Position der Lenkhandhabe 2 referierenden Radlenkwinkel β der gelenkten Räder 3. Grundsätzlich kann die Einrichtung 8 die Lenkhandhabe 2 und die gelenkten Räder 3 synchronisieren und zu diesem Zweck bewegen.
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Die Einrichtung 8 führt die Synchronisation so durch, dass sich das Lenkrad 2 nur langsam bewegt und mit einem geringen Drehmoment, das mühelos von dem Fahrer übersteuert werden kann.
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Die Einrichtung 8 weist neben einer CPU mit Datenspeicher und ein oder verschiedenen Steuerprogrammen einen nicht näher dargestellten Resolver zur Erfassung eines absoluten Drehwinkels der Lenkhandhabe 2 oder einer Welle des Force-Feedback-Aktuators 5 auf. Ferner eine Drehbetrags-Erfassungseinheit 9, mit Hilfe derer der absolute Drehbetrag des Elektromotors 6 oder einer Welle des Untersetzungsgetriebes 7 des Aktuators 4 zur Veränderung des Radlenkwinkels β erfasst ist.
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Der Resolver erfasst auch bei unterbrochener Spannungsversorgung den Lenkwinkel. Die Drehbetrags-Erfassungseinheit 9 erfasst den Radlenkwinkel β dann, wenn die Einrichtung 8 zur Synchronisierung von einem Schlafmodus in einen Aufwachmodus übergeht.
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Eine elektrische Gegenspannungs-Erfassungseinheit, die nicht näher dargestellt ist, dient zur Erfassung des Radlenkwinkels, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist. Eine solche Gegenspannungs-Erfassungseinheit kann auch bei dem Elektromotor des Force-Feedback-Aktuators 5 vorgesehen sein. Wenn z.B. das Lenkrad vom Fahrer betätigt wird, während die Hauptstromversorgung des steer-by-wire-Lenksystems 1 unterbrochen ist, wird in jeder Phase eines bürstenlosen Elektromotors (Aktuator 4 oder 5) eine elektromotorische Gegenkraft erzeugt. Die elektromotorische Gegenspannungs-Erfassungseinheit ist daher in der Lage, die elektromotorische Gegenspannung basierend auf einer Spannung in zumindest einer Phase des jeweiligen Elektromotors des Aktuators 4 oder 5 zu erfassen.
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Die Einrichtung 8 wird von einem Schlafmodus, bei Unterbrechung der Spannungsversorgung in einen Aufwachmodus überführt, wenn entweder an der Lenkhandhabe 2 oder an den gelenkten Rädern 3 bewegt wird. Wie erwähnt erfolgt dann eine, die Bedienperson in keiner Weise gefährdende Synchronisation der Lenkhandhabe 2 bzw. deren Lenkwinkel mit dem Radlenkwinkel β der gelenkten Räder 3. in einer Ausführungsform des Lenksystems 1 ist die Lenkhandhabe 2 durch den Force-Feedback-Aktuator 6 blockiert und die Synchronisationsbewegung für die genannten Winkel erfolgt nur an den gelenkten Rädern 3 durch den Aktuator 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- steer-by-wire-Lenksystem
- 2
- Lenkhandhabe
- 3
- Rad, gelenkt
- 4
- Aktuator
- 5
- Force-Feedback-Aktuator
- 6
- Elektromotor, v. 4
- 7
- Untersetzungsgetriebe
- 8
- Einrichtung zur Synchronisierung
- 9
- Drehbetrags-Erfassungseinheit
- 10
- Steuerleitung
- 11
- Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
- 12
- Spurstange
- 13
- Spurstange
- 14
- Radlenkhebel
- 15
- Radlenkhebel
- β
- Radlenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0141584 A1 [0004, 0006]
