DE10305132A1

DE10305132A1 - Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10305132A1
Application number: DE2003105132
Authority: DE
Inventors: Sven Fischer
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Eine Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs umfaßt ein vom Fahrer zu betätigendes Lenkmittel (12), das mit wenigstens einem lenkbaren Rad (10) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Simulationseinrichtung, die einen Endanschlag des Lenkmittels (12) simuliert. Bei einem Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs wird ein Endanschlag eines vom Fahrer zu betätigenden Lenkmittels (12), mit dem die Stellung wnigstens eines lenkbaren Rads (10) gesteuert werden kann, durch eine Simulationseinrichtung simuliert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs, mit einem vom Fahrer zu betätigenden Lenkmittel, das mit wenigstens einem lenkbaren Rad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.

Vorrichtungen, bei denen die Kopplung des Lenkmittels mit den lenkbaren Rädern nicht mechanisch sondern elektrisch erfolgt, sind als „Steer-by-Wire"-Systeme bekannt. Diese Systeme kommen ohne starre Lenkwelle aus und bieten zudem einen großen Spielraum zur Realisierung neuer Funktionen.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs, bei der die mechanischen Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Lenkvorrichtungen noch weiter vereinfacht werden können.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Simulationseinrichtung umfaßt, die einen mechanischen Endanschlag des Lenkmittels simuliert. Somit kann ein mechanischer Endanschlag entfallen, was zu einer wesentlichen Vereinfachung des Aufbaus des Lenkmittels beiträgt.

Vorzugsweise ist das Lenkmittel zur Übertragung von Lenksignalen elektrisch oder hydraulisch an eine Stellvorrichtung gekoppelt, die die Stellung des lenkbaren Rads steuert, so daß auf aufwendige starre mechanische Verbindungsteile verzichtet werden kann.

Ferner umfaßt das Lenkmittel vorzugsweise einen Meßwertgeber, der für die Stellung des Lenkmittels repräsentative elektrische Signale erzeugt. Die Simulationseinrichtung simuliert dann den Endanschlag in Abhängigkeit dieser elektrischen Signale.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lenkmittel drehbar, und die Simulationseinrichtung umfaßt einen Elektromotor, der einer Drehbewegung des Lenkmittels ein Drehmoment entgegensetzen kann. So kann dem Fahrer wie bei einem herkömmlichen Lenkrad das vertraute Gefühl eines mechanischen Endanschlags vermittelt werden, ohne daß ein tatsächlicher mechanischer Endanschlag vorhanden ist.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkmittel und dem lenkbaren Rad durch eine an den Meßwertgeber gekoppelte Steuereinheit einstellbar. Somit kann das Lenkverhalten an verschiedene Situationen sofort angepaßt werden.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs vor, bei dem erfindungsgemäß ein mechanischer Endanschlag eines vom Fahrer zu betätigenden Lenkmittels, mit dem die Stellung wenigstens eines lenkbaren Rads gesteuert werden kann, durch eine Simulationseinrichtung simuliert wird.

Vorzugsweise wird der Endanschlag bei Erreichen einer vorbestimmten Position des Lenkmittels simuliert, die einen normalen Arbeitsbereich des Lenkmittels begrenzt. Dem Fahrer kann somit wie bei einer maximalen Drehung eines herkömmlichen Lenkrads zum Erreichen der größtmöglichen Schrägstellung der Räder das vertraute Gefühl eines mechanischen Endanschlags vermittelt werden.

Um bei einer übermäßigen Betätigung des Lenkmittels in eine Richtung, die zu einer Überschreitung des normalen Arbeitsbereichs des Lenkmittels führt, ein sofortiges Gegenlenken zu ermöglichen, kann gemäß einer ersten Alternative ein Steuerprogramm für eine Verschiebung des Arbeitsbereichs des Lenkmittels entsprechend dem Maß der Überschreitung sorgen. In diesem Fall wird die Lenkwinkelübersetzung vorzugsweise konstant gehalten, so daß die Lenkung nach dem Überdrehen genauso direkt bleibt wie vorher.

Gemäß einer zweiten Alternative sorgt ein Steuerprogramm für eine Erweiterung des Arbeitsbereichs des Lenkmittels um das Maß der Überschreitung, so daß auch in diesem Fall ein sofortiges Gegenlenken möglich ist. Eine anschließende „Schiefstellung" des Lenkmittels kann durch eine Anpassung der Lenkwinkelübersetzung an den erweiterten Arbeitsbereich vermieden werden.

Aus Sicherheitsgründen oder zum Schutz der Räder kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Vorliegen eines Signals, das anzeigt, daß eine Änderung der Stellung des lenkbaren Rads vermieden werden soll, ein Endanschlag des Lenkmittels simuliert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung und aus den beigefügten Zeichungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Komponenten der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung;
2 eine Diagrammdarstellung des Motormoments in Abhängigkeit des Lenkradwinkels gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3a eine Diagrammdarstellung des Motormoments in Abhängigkeit des Lenkradwinkels gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3b eine Diagrammdarstellung der Lenkwinkelübersetzung in Abhängigkeit des Lenkradwinkels gemäß der zweiten Ausführungsform.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit lenkbaren Rädern 10 dargestellt. Zu den Komponenten der Lenkvorrichtung gehören ein vom Fahrer zu betätigendes Lenkmittel, das bei den hier beschriebenen Ausführungsformen ein Lenkrad 12 ist, mit einem Meßwertgeber 14 zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die für die Stellung des Lenkrads 12 repräsentativ sind, ein mechanisch an das Lenkrad 12 gekoppelter Elektromotor 16, eine Steuereinheit 18, die mit dem Meßwertgeber 14 und dem Elektromotor 16 in Verbindung steht, und ein Lenkgetriebe mit zwei elektrisch an die Steuereinheit 18 gekoppelten Stelleinrichtungen 20 zur Steuerung der Stellung der lenkbaren Räder 10.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren für eine solche programmgesteuerte Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung beschrieben, bei dem das Lenkrad 12 keinen mechanischen Endanschlag aufweist. Der Endanschlag des Lenkrads 12 wird, unterstützt durch ein in der Steuereinheit 18 ablaufendes Steuerprogramm, simuliert, indem der Lenkbewegung vor dem Überschreiten des maximal realisierbaren Lenkwinkels ein vom Elektromotor 16 bereitgestelltes Motormoment M entgegengesetzt wird, das der Fahrer als Endanschlag wahrnimmt. Aus den vom Meßwertgeber 14 erzeugten Signalen ist die Stellung des Lenkrads 12 und damit ein Überschreiten des normalen Arbeitsbereichs der Lenkung jederzeit bestimmbar. Der Endanschlag des Lenkrads 12 wird dementsprechend in Abhängigkeit dieser Signale simuliert.
Es gibt aber auch Situationen, bei denen bereits innerhalb des normalen Arbeitsbereichs der Lenkung eine Änderung der Stellung eines der lenkbaren Räder 10 nicht mehr möglich ist oder nicht mehr gestattet werden soll, weil ein weitergehender Radeinschlag nicht sinnvoll wäre. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Rad 10 durch ein Hindernis wie zum Beispiel einen Bordstein blockiert ist. Wird eine solche Situation durch ein entsprechendes Signal angezeigt, sorgt das Steuerprogramm dafür, daß ein Endanschlag des Lenkmittels 12 simuliert wird.
Wie bereits erwähnt, wird der Endanschlag jeweils durch ein der Drehrichtung des Lenkrads 12 entgegengesetztes Drehmoment des Elektromotors 16 simuliert. Da das maximale Moment M_max, das der Elektromotor 16 bereitstellen kann, begrenzt ist, kann es in fahrdynamisch anspruchsvollen Situationen vorkommen, daß der Fahrer bei einer Lenkbewegung dieses maximale Moment M_max überschreitet und das Lenkrad 12 über den normalen Arbeitsbereich hinausdreht.
2 veranschaulicht den Verlauf des Motormoments M in Abhängigkeit des (positiven) Lenkradwinkels φ. (Der Verlauf des Motormoments im nicht dargestellten negativen Lenkwinkelbereich ist symmetrisch zum Verlauf im positiven Bereich.) Im normalen Arbeitsbereich des Lenkrads 12 wird einer Lenkbewegung bis zum Erreichen eines vorbestimmten Winkels φ₁ kein Motormoment M entgegengesetzt. Der Teilbereich des normalen Arbeitsbereichs zwischen φ₁ und φ₂, in dem das Motormoment M auf den maximalen Wert M_max ansteigt, um dem Fahrer den Endanschlag anzuzeigen, wird als Lock-Stop-Bereich bezeichnet. Im Bereich jenseits des Winkels φ₂, dem „überdrehten Bereich", kann einer fortgesetzten Lenkbewegung kein höheres Motormoment M mehr entgegengesetzt werden.
Dreht der Fahrer das Lenkrad 12 in einer Richtung über dem Lock-Stop-Bereich in den überdrehten Bereich hinaus, beispielsweise bis zu dem in 2 dargestellten Winkel φ₃, hat das Lenkrad 12 seinen normalen Arbeitsbereich überschritten. Diese Information wird dem Steuerprogramm übermittelt. Im folgenden werden nun zwei erfindungsgemäße Alternativen beschrieben, mit denen vermieden wird, daß das Fahrzeug bis zur Rückkehr des Lenkrads 12 in den normalen Arbeitsbereich manövrierunfähig bleibt.
Gemäß der ersten Alternative sorgt das Steuerprogramm dafür, daß der Arbeitsbereich des Lenkrads 12 unter Beibehaltung der Lenkwinkelübersetzung (Verhältnis zwischen Einschlag des Lenkrads und dem damit erreichten Einschlag der lenkbaren Räder) verschoben wird, und zwar vom ursprünglichen Bereich zwischen φ₀ bis φ₂ zu einem neuen Bereich zwischen einem Winkel φ_A und φ₃, wobei der Winkel φ_A den Wert φ₃-φ₂ hat. Diese Situation ist in 2 dargestellt. Der neue Arbeitsbereich wird als „verschobener Arbeitsbereich" bezeichnet, weil er genauso groß wie der normale Arbeitsbereich des Lenkrads 12, aber um den Winkel φ_A verschoben ist. Wird nun vom Fahrer oder automatisch eine Lenkkorrektur vorgenommen, wird also der Lenkradwinkel φ verringert, kann die Korrektur mit sofortiger Wirkung umgesetzt werden.
Dem Vorteil, daß die sofortige Lenkkorrektur mit der gewohnten Lenkwinkelübersetzung vorgenommen werden kann, steht die durch die Verschiebung des Arbeitsbereichs des Lenkrads 12 bedingte anschließende „Schiefstellung" des Lenkrads 12 entgegen. Die Schiefstellung kann aber angesichts einer vorangegangenen extremen Fahrsituation zunächst in Kauf genommen und später durch geeignete Maßnahmen wieder korrigiert werden.
Die zweite Alternative zur Vermeidung der Manövrierunfähigkeit des Fahrzeugs bei Überschreiten des normalen Arbeitsbereichs des Lenkrads 12 setzt ein Steer-by-Wire-System mit variabler Lenkübersetzung voraus. Das Steuerprogramm sorgt in diesem Fall dafür, daß der Arbeitsbereich des Lenkrads 12 nicht verschoben, sondern bis zum momentan eingeschlagenen Lenkradwinkel φ₃ im überdrehten Bereich erweitert wird, wie in 3a dargestellt ist („erweiterter Arbeitsbereich").
Die Erweiterung des Arbeitsbereichs um den Bereich von φ₂ bis φ₃ wird dadurch realisiert, daß die Lenkung durch eine Erhöhung der Lenkwinkelübersetzung i an den nun aktuellen Arbeitsbereich φ₀ bis φ₃ angepaßt wird. Dieser Vorgang ist in 3b veranschaulicht, in der die Lenkwinkelübersetzung i in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel φ dargestellt ist. Die Lenkwinkelübersetzung i ist bis zum Erreichen des Lenkradwinkels φ₃ im überdrehten Bereich konstant (i₀). Nimmt nun der Fahrer manuell oder das System automatisch eine Lenkkorrektur in die andere Richtung vor, wird die Lenkwinkelübersetzung i auf einen dem erweiterten Arbeitsbereich entsprechenden Wert i₁ erhöht. Somit ist auch hier ein Gegenlenken mit sofortiger Wirkung möglich.
Die durch die Vergrößerung des Arbeitsbereichs bedingte Erhöhung der Lenkwinkelübersetzung i führt zwar (vorläufig) zu einer indirekteren Lenkung. Dafür wird bei dieser Alternative aber eine anschließende Schiefstellung des Lenkrads 12 vermieden. Die erhöhte Lenkwinkelübersetzung i₁ kann später allmählich wieder auf den Ausgangswert i₀ verringert werden, wenn sich das Fahrzeug in einem fahrdynamisch unkritischen Zustand befindet (zum Beispiel bei Geradeausfahrt), ohne daß dies vom Fahrer wahrgenommen wird und ohne daß das Fahrverhalten des Fahrzeugs dadurch beeinflußt wird.

Claims

Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs, mit einem vom Fahrer zu betätigenden Lenkmittel (12), das mit wenigstens einem lenkbaren Rad (10) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Simulationseinrichtung umfaßt, die einen mechanischen Endanschlag des Lenkmittels (12) simuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkmittel (12) zur Übertragung von Lenksignalen elektrisch oder hydraulisch an eine Stellvorrichtung (20) gekoppelt ist, die die Stellung des lenkbaren Rads (10) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkmittel (12) einen Meßwertgeber (14) umfaßt, der für die Stellung des Lenkmittels (12) repräsentative elektrische Signale erzeugt und daß die Simulationseinrichtung den Endanschlag in Abhängigkeit dieser elektrischen Signale simuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkmittel (12) und dem lenkbaren Rad (10) durch eine an den Meßwertgeber (14) gekoppelte Steuereinheit (18) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkmittel (12) drehbar ist und die Simulationseinrichtung einen Elektromotor (16) umfaßt, der einer Drehbewegung des Lenkmittels (12) ein Drehmoment (M) entgegensetzen kann.
Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Endanschlag eines vom Fahrer zu betätigenden Lenkmittels (12), mit dem die Stellung wenigstens eines lenkbaren Rads (10) gesteuert werden kann, durch eine Simulationseinrichtung simuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endanschlag bei Erreichen einer vorbestimmten Position des Lenkmittels (12) simuliert wird, die einen normalen Arbeitsbereich des Lenkmittels (12) begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer übermäßigen Betätigung des Lenkmittels (12) in eine Richtung, die zu einer Überschreitung des normalen Arbeitsbereichs des Lenkmittels (12) führt, ein Steuerprogramm für eine Verschiebung des Arbeitsbereichs des Lenkmittels (12) entsprechend dem Maß der Überschreitung sorgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwinkelübersetzung (i) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer übermäßigen Betätigung des Lenkmittels in eine Richtung, die zu einer Überschreitung des normalen Arbeitsbereichs des Lenkmittels (12) führt, ein Steuerprogramm für eine Erweiterung des Arbeitsbereichs des Lenkmittels (12) um daß Maß der Überschreitung sorgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwinkelübersetzung (i) an den erweiterten Arbeitsbereich angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei Vorliegen eines Signals, das anzeigt, daß eine Änderung der Stellung des lenkbaren Rads (10) vermieden werden soll, ein Endanschlag des Lenkmittels (12) simuliert wird.