DE102021206791B3 - Steer-by-wire-Lenksystem und Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems - Google Patents

Steer-by-wire-Lenksystem und Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-wire-Lenksystem (1), umfassend eine Lenkhandhabe (2), mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels (φ) oder Drehmoments an der Lenkhandhabe (2), einen Aktor (3) zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe (2) und ein Steuergerät (4) zur Ansteuerung des Aktors (3), wobei der Aktor (3) je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag (H-E) und einen Software-Endanschlag (S-E) aufweist, wobei der Software-Endanschlag (S-E) vor dem Hardware-Endanschlag (H-E) liegt, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) weiter ein Lenkgetriebe (6) aufweist, das mit einer Zahnstange (7) verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren (8, 9) angetrieben wird, wobei über mindestens ein Steuergerät (12) eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel (φ) an der Lenkhandhabe (2) und Zahnstangenhub (ZH) einstellbar ist, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall oder einer Leistungsreduzierung eines Servomotors (8, 9) die Lenkübersetzung beibehalten wird und der jeweilige Software-Endanschlag (S-E) entsprechend dem reduzierten Zahnstangenhub (ZH') nach vorne geschoben wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steer-by-wire-Lenksystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems.
  • Steer-by-wire-Lenksysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Lenkhandhabe und einem Lenkgetriebe keine mechanische Verbindung oder Kopplung mehr existiert. Typischerweise ist an der Lenkhandhabe mindestens ein Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels oder Drehmoments angeordnet, dessen Sensorsignale an ein Steuergerät übertragen werden, das dann mittels des Lenkgetriebes die Lenkanforderung umsetzt. Hierzu wird das Lenkgetriebe durch mindestens einen elektrischen Servomotor angetrieben. Aus Redundanzgründen werden üblicherweise mindestens zwei Servomotoren mit eigener Leistungselektronik verwendet. Die Servomotoren arbeiten dabei auf einem gemeinsamen Rotor, der mit dem Lenkgetriebe verbunden ist, das wiederum mit einer Zahnstange verbunden ist. Dabei ist es auch bekannt, einen Servomotor mit zwei Halbmaschinen zu verwenden, die vorzugsweise symmetrisch aufgebaut sind, also jeweils 50 % der Gesamtleistung aufbringen. Weiter ist es bekannt, an der Lenkhandhabe einen Aktor vorzusehen, der ein definiertes Gegenmoment an der Lenkhandhabe erzeugt, um so dem Kraftfahrzeugführer ein besseres haptisches Gefühl zu vermitteln. Dieser Aktor wird auch als Force-Feedback-Actor bezeichnet. Dabei weist der Aktor einen mechanischen Endanschlag auf sowie einen Software-Endanschlag, der vor dem mechanischen Endanschlag liegt, d.h. der Kraftfahrzeugführer erreicht den Software-Endanschlag vor dem mechanischen Endanschlag. Anders ausgedrückt liegt der Software-Endanschlag näher an einer Neutral- bzw. Geradeausstellung.
  • Die DE 10 2017 206 610 A1 zeigt eine Steer-by-wire-Lenkung, die bei einer Überdrehung der Lenkhandhabe über dem Software-Endanschlag ein angepasstes Übersetzungsverhältnis einstellt.
  • Die DE 198 42 624 A1 offenbart eine Steer-by-wire-Lenkung, bei welcher im Fehlerfall ein Notbetrieb mit mechanischer oder hydraulischer Kopplung stattfindet und somit auch ein Lenkanachlag durch diese Notfall-Kopplung entsteht.
  • Aufgrund der redundanten Auslegung arbeitet stets im Fehlerfall ein Servomotor bzw. eine Halbmaschine weiter. Dies bedeutet aber auch, dass nun weniger Leistung zur Verfügung steht, um die potentiellen Fahrmanöver abzudecken. Insbesondere ist hierbei der Parkierbereich zu erwähnen, welcher die Leistungsauslegung (maximales Drehmoment) des oder der Servomotoren maßgeblich definiert. Diese hohe Leistungsanforderung wird vor allem im Stand (0 km/h) und im Bereich hoher Zahnstangenhübe (maximale Auslenkung der Zahnstange) benötigt. Dies steht im Zielkonflikt, dass die Beziehung zwischen Lenkradwinkel und Lenkwinkel (bzw. Zahnstangenhub) mit einer definierten Lenkübersetzung gewährleistet werden muss. Ein weiteres Problem stellt der Ausfall des Aktors dar, wenn also kein aktives Feedback mehr an die Lenkhandhabe übertragen werden kann.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes Steer-by-wire-Lenksystem zu schaffen sowie ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines solchen Steer-by-wire-Lenksystems zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Steer-by-wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 2 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 5 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das Steer-by-wire-Lenksystem eine Lenkhandhabe, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels oder Drehmoments an der Lenkhandhabe, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe und ein Steuergerät zur Ansteuerung des Aktors. Dabei weist der Aktor je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag und einen Software-Endanschlag auf, wobei der Software-Endanschlag vor dem Hardware-Endanschlag liegt, d.h. also bei betragsmäßig kleineren Drehwinkeln bereits erreicht wird. Weiter weist das Steer-by-wire-Lenksystem ein Lenkgetriebe auf, das mit einer Zahnstange verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren angetrieben wird. Weiter ist über mindestens ein Steuergerät eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel an der Lenkhandhabe und Zahnstangenhub einstellbar, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall oder einer Leistungsreduzierung eines Servomotors die Lenkübersetzung beibehalten wird und der jeweilige Software-Endausschlag entsprechend dem reduzierten Zahnstangenhub nach vorne geschoben wird, also zu betragsmäßig kleineren Drehwinkeln. Hierdurch bleibt das Lenkgefühl an der Lenkhandhabe für den Nutzer trotz des geringeren, zur Verfügung stehenden Zahnstangenhubes gleich. Dabei sei angemerkt, dass vorzugsweise der Drehwinkelsensor oder Drehmomentsensor ebenfalls redundant ausgebildet ist.
  • In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist das Steer-by-wire-Lenksystem derart ausgebildet, dass bei einem Ausfall des aktiven Feedbacks durch den Aktor die Lenkübersetzung derart angepasst wird, dass der mechanische Endanschlag zum maximal stellbaren Zahnstangenhub passt. Hierdurch wird erreicht, dass bei Ausfall des Aktors die Lenkübersetzung sich zwar verändert, diese aber über den gesamten Drehwinkelbereich gleich bleibt, also insbesondere keine Sprünge im Lenkverhalten auftreten.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Servomotoren symmetrisch aufgebaut, d.h. diese bringen jeweils 50 % der Gesamtleistung auf, wobei die beiden Servomotoren vorzugsweise zwei Halbmaschinen eines Servomotors sind.
  • Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Steer-by-wire-Lenksystems und
    • 2 einen schematischen Verlauf eines Drehwinkels an einer Lenkhandhabe sowie einen Verlauf der dazugehörigen Zahnstangenkraft über dem Zahnstangenhub.
  • In der 1 ist stark vereinfacht ein Blockschaltbild eines Steer-by-wire-Lenksystems 1 dargestellt, das eine Lenkhandhabe 2, einen Aktor 3, ein Steuergerät 4 und mindestens einen Drehwinkelsensor 5 zur Erfassung eines Drehwinkels φ an der Lenkhandhabe 2 aufweist. Weiter weist das Steer-by-wire-Lenksystem 1 ein Lenkgetriebe 6 auf, das mit einer Zahnstange 7 verbunden ist. Dabei übt das Lenkgetriebe 6 eine Zahnstangenkraft ZF auf die Zahnstange 7 aus, die einen Zahnstangenhub ZH zur Folge hat. Der Zahnstangenhub ZH lenkt dann die zu lenkenden Räder aus, sodass der Zahnstangenhub proportional zum Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs ist. Weiter weist das Steer-by-wire-Lenksystem 1 zwei Servomotoren 8, 9 auf, denen jeweils eine eigene Leistungselektronik 10, 11 zugeordnet ist und die zwei voneinander unabhängige Spannungsversorgungen U1, U2 aufweisen. Schließlich weist das Steer-by-wire-Lenksystem 1 ein weiteres Steuergerät 12 auf, das die Leistungselektroniken 10, 11 ansteuert. Das Steuergerät 12 kann dabei ebenfalls redundant ausgebildet sein. Das Steuergerät 12 erhält dabei die Sensorwerte vom Drehwinkelsensor 5. Zusätzlich kann der Drehwinkelsensor 5 mit dem Steuergerät 4 verbunden sein. Des Weiteren sind die beiden Steuergeräte 4, 12 miteinander verbunden. Je nach Fahrsituation berechnet das Steuergerät 12 eine Lenkübersetzung zwischen dem Drehwinkel φ an der Lenkhandhabe 2 und dem Zahnstangenhub ZH an der Zahnstange 7. Entsprechend der Lenkübersetzung stellt dann der Aktor 3 ein Gegenmoment an der Lenkhandhabe 2 ein, gegen das der Nutzer lenken muss. Dabei weist der Aktor 3 je Lenkrichtung einen Hardware-Endanschlag H-E auf (siehe 2). Dies stellt einen mechanischen Endanschlag dar, der vom Nutzer nicht überdreht werden kann. Weiter stellt der Aktor 3 auch mindestens einen Software-Endanschlag S-E ein, wo der Aktor 3 ein nicht überlenkbares Gegenmoment erzeugt, wobei der Software-Endanschlag S-E vor dem Hardware-Endanschlag H-E liegt. Im Normalbetrieb kann der Nutzer also nicht in den Handware-Endanschlag H-E drehen.
  • Dies ist in 2 für eine bestimmte Lenkübersetzung dargestellt, bei der der maximale Zahnstangenhub ZH,max dargestellt ist, der mit einem Software-Endanschlag S-E zusammenfällt. Für den maximalen Zahnstangenhub ZH,max wird die maximale Zahnstangenkraft ZF,max benötigt.
  • Fällt nun beispielsweise ein Servomotor 8, 9 aus, so kann über das Lenkgetriebe 6 nur noch die halbe Zahnstangenkraft ZF aufgebracht werden, sodass sich der einstellbare Zahnstangenhub ZH' reduziert. Dies übermittelt das Steuergerät 12 an das Steuergerät 4, das daraufhin die Lage des Software-Endanschlags S-E nach S-E' nach vorne schiebt (in Richtung Neutralstellung 0), sodass der Software-Endanschlag S-E' zum reduzierten Zahnstangenhub ZH' passt. Die Lenkübersetzung bleibt gleich und der Nutzer hat ein gleichbleibendes Lenkgefühl.
  • Ein anderer Ausfall kann den Aktor 3 betreffen, sodass dieser keinen Software-Endanschlag S-E mehr zur Verfügung stellen kann und kein aktives Feedback bzw. Gegenmoment mehr erzeugen kann. In diesem Fall passt das Steuergerät 12 die Lenkübersetzung an, sodass der maximale Zahnstangenhub ZH,max oder ein gegebenenfalls nur noch reduzierter Zahnstangenhub ZH' (falls z.B. zusätzlich ein Servomotor 8, 9 ausgefallen ist) mit dem Hardware-Endanschlag H-E des Aktors 3 übereinstimmt. Hierdurch wird erreicht, dass über die volle Drehung der Lenkhandhabe 2 das Lenkverhalten gleichbleibt (bis der Hardware-Endanschlag H-E erreicht ist).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Steer-by-wire-Lenksystem
    2
    Lenkhandhabe
    3
    Aktor
    4
    Steuergerät
    5
    Drehwinkelsensor
    6
    Lenkgetriebe
    7
    Zahnstange
    8
    Servomotor
    9
    Servomotor
    10
    Leistungselektronik
    11
    Leistungselektronik
    12
    Steuergerät
    ZF
    Zahnstangenkraft
    ZH
    Zahnstangenhub
    φ
    Drehwinkel
    S-E
    Software-Endanschlag
    H-E
    Hardware-Endanschlag

Claims (6)

  1. Steer-by-wire-Lenksystem (1), umfassend eine Lenkhandhabe (2), mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels (φ) oder Drehmoments an der Lenkhandhabe (2), einen Aktor (3) zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe (2) und ein Steuergerät (4) zur Ansteuerung des Aktors (3), wobei der Aktor (3) je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag (H-E) und einen Software-Endanschlag (S-E) aufweist, wobei der Software-Endanschlag (S-E) vor dem Hardware-Endanschlag (H-E) liegt, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) weiter ein Lenkgetriebe (6) aufweist, das mit einer Zahnstange (7) verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren (8, 9) angetrieben wird, wobei über mindestens ein Steuergerät (12) eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel (φ) an der Lenkhandhabe (2) und Zahnstangenhub (ZH) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-wire-Lenksystem (1) derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall oder einer Leistungsreduzierung eines Servomotors (8, 9) die Lenkübersetzung beibehalten wird und der jeweilige Software-Endanschlag (S-E) entsprechend dem reduzierten Zahnstangenhub (ZH') nach vorne geschoben wird.
  2. Steer-by-wire-Lenksystem (1), umfassend eine Lenkhandhabe (2), mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels (φ) oder Drehmoments an der Lenkhandhabe (2), einen Aktor (3) zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe (2) und ein Steuergerät (4) zur Ansteuerung des Aktors (3), wobei der Aktor (3) je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag (H-E) und einen Software-Endanschlag (S-E) aufweist, wobei der Software-Endanschlag (S-E) vor dem Hardware-Endanschlag (H-E) liegt, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) weiter ein Lenkgetriebe (6) aufweist, das mit einer Zahnstange (7) verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren (8, 9) angetrieben wird, wobei über mindestens ein Steuergerät (12) eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel (φ) an der Lenkhandhabe (2) und Zahnstangenhub (ZH) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-wire-Lenksystem (1) derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall des aktiven Feedbacks durch den Aktor (3) die Lenkübersetzung derart angepasst wird, dass der Hardware-Endanschlag (H-E) zum maximal stellbaren Zahnstangenhub (ZH) passt.
  3. Steer-by-wire-Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-wire-Lenksystem (1) derart ausgebildet ist, bei einem Ausfall oder einer Leistungsreduzierung eines Servomotors (8, 9) die Lenkübersetzung beibehalten wird und der jeweilige Software-Endanschlag (S-E) entsprechend dem reduzierten Zahnstangenhub (ZH') nach vorne geschoben wird.
  4. Steer-by-wire-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Servomotoren (8, 9) symmetrisch aufgebaut sind.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems (1), wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels (φ) oder Drehmoments an der Lenkhandhabe (2), einen Aktor (3) zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe (2) und ein Steuergerät (4) zur Ansteuerung des Aktors (3) umfasst, wobei der Aktor (3) je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag (H-E) und einen Software-Endanschlag (S-E) aufweist, wobei der Software-Endanschlag (S-E) vor dem Hardware-Endanschlag (H-E) liegt, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) weiter ein Lenkgetriebe (6) aufweist, das mit einer Zahnstange (7) verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren (8, 9) angetrieben wird, wobei über mindestens ein Steuergerät (12) eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel (φ) an der Lenkhandhabe (2) und Zahnstangenhub (ZH) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall oder einer Leistungsreduzierung eines Servomotors (8, 9) die Lenkübersetzung beibehalten wird und der jeweilige Software-Endanschlag (S-E) entsprechend dem reduzierten Zahnstangenhub (ZH') nach vorne geschoben wird.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-wire-Lenksystems (1), wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels (φ) oder Drehmoments an der Lenkhandhabe (2), einen Aktor (3) zur Erzeugung eines Gegenmoments an der Lenkhandhabe (2) und ein Steuergerät (4) zur Ansteuerung des Aktors (3) umfasst, wobei der Aktor (3) je Drehrichtung einen Hardware-Endanschlag (H-E) und einen Software-Endanschlag (S-E) aufweist, wobei der Software-Endanschlag (S-E) vor dem Hardware-Endanschlag (H-E) liegt, wobei das Steer-by-wire-Lenksystem (1) weiter ein Lenkgetriebe (6) aufweist, das mit einer Zahnstange (7) verbunden ist und von mindestens zwei Servomotoren (8, 9) angetrieben wird, wobei über mindestens ein Steuergerät (12) eine Lenkübersetzung zwischen Drehwinkel (φ) an der Lenkhandhabe (2) und Zahnstangenhub (ZH) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ausfall des aktiven Feedbacks durch den Aktor (3) die Lenkübersetzung derart angepasst wird, dass der Hardware-Endanschlag (H-E) zum maximal stellbaren Zahnstangenhub (ZH) passt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102017206610A1 (de) 2017-04-19 2018-10-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Steer-by-wire-Lenkung und Verfahren zur Einstellung eines Lenkwinkels bei einer Steer-by-wire-Lenkung

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