DE19902557A1 - Redundante Vorrichtung zur Erzeugung von Drehmomenten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer manuell über eine Handhabungseinrichtung 1 zu betätigenden Welle 2, mit einem mittelbar oder unmittelbar auf die Welle 2 wirkenden ersten Elektromotor 3, 13, wobei ein zweiter Elektromotor 4, 14 vorgesehen ist, der zur Erzeugung des Drehmoments auf dieselbe Welle 2 wirkt, wobei der erste Elektromotor 3, 13 und der zweite Elektromotor 4, 14 jeweils anteilig einen Teil des Drehmoments erzeugen und wobei das Drehmoment einem über die Handhabungseinrichtung 1 manuell in die Welle 2 eingeleiteten Drehmoment entgegengesetzt wirkt und insbesondere bei Lenksystemen ohne mechanische Zwangskopplung zwischen Handhabungseinrichtung 1 und gelenkten Rädern zur Simulation von Lenkkräften oder Lenkreaktionskräften dient.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer Welle.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 854 075 A2 bekannt. Dort ist eine Lenksäule dargestellt, die mechanisch nicht mit dem Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Lenksäule mit dem daran befindlichen Lenkrad erfüllt die Funktion eines Sollwinkelgebers, über den der angestrebte Lenkeinschlag der gelenkten Räder des Kraftfahrzeugs eingestellt wird. Auf der Nehmerseite wird das Lenkgetriebe entsprechend dem eingestellten Sollwinkel angetrieben, so daß das Kraftfahrzeug eine Kurvenfahrt einleitet. Für ein sicheres Fahren ist erforderlich, daß der Fahrer über das Lenkrad Lenkreaktionskräfte wahrnimmt. Diese Lenkreaktionskräfte, die ein Maß für die Richtung und den Betrag des Radwinkeleinschlages darstellen, werden über einen Elektromotor in die Lenksäule eingeleitet, der als sogenannter Handmomentensteller bezeichnet wird. Bei einem Ausfall des Handmomentenstellers ist in der EP 0 854 075 A2 vorgesehen, daß eine Torsionsfeder rein mechanisch eine gewisse Handkraft aufbringt, wobei die Lenkung in ihrer Mittellage kräftefrei ist.

Bei den bekannten Vorrichtungen ist problematisch, daß bei einem Ausfall des drehmomenterzeugenden Elektromotors der Betrag der Handkraft schlagartig von dem elektrisch erzeugten Wert auf den mechanisch vorgegebenen Wert der Feder umspringt und insbesondere bei Kurvenfahrt mit relativ hoher Handkraft ein Verreißen der Lenkung wahrscheinlich ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drehmomenten in einer Lenkwelle zu schaffen, die elektrisch redundant ausgelegt ist und im Störungsfall das Handmoment nahezu ungestört aufrecht erhält.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil vorgesehen ist, daß ein zweiter Elektromotor zur Erzeugung des Drehmoments auf dieselbe Welle wirkt, wobei der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor jeweils einteilig einen Teil des Drehmoments erzeugen, kann über einen Vergleich des Drehmomentsollwertes mit dem Drehmomentistwert der Ausfall eines der beiden Elektromotoren sofort kompensiert werden, so daß bei idealer Auslegung eine Änderung der simulierten Lenkreaktionskraft nicht spürbar ist. Weiter ist bei der Vorrichtung vorteilhaft, daß beide Elektromotoren nur jeweils einen Teil der benötigten Leistung erbringen müssen, so daß sie jeweils kleiner ausgelegt werden können als bei Erzeugung des Drehmoments durch einen einzigen Elektromotor. Dabei ergeben sich besondere Kostenvorteile, wenn der erste und der zweite Elektromotor in diesen Dingen baugleich sind und im Betrieb jeweils annähernd gleiche Drehmomente erzeugen. Eine besonders vorteilhafte Applikation ergibt sich, wenn die Handhabungseinrichtung ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs ist. Auch für andere nicht mechanisch zwangsgekoppelte Stelleinrichtungen ergeben sich jedoch die erfindungsgemäßen Vorteile.

Wenn die Elektromotoren derart dimensioniert sind, daß von ihnen jeweils einzeln in Normalbetrieb oder Dauerbetrieb nicht das maximal erforderliche Drehmoment erzeugbar ist, sie also an sich einzeln für die jeweilige Aufgabe unterdimensioniert wären, können sich besondere Vorteile hinsichtlich der Kosten der Elektromotoren und ihrer Ansteuerung, aber hinsichtlich der Wärmeentwicklung, des beanspruchten Bauraums und des Gewichts ergeben. Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Welle als gemeinsame Motorwelle des ersten und des zweiten Elektromotors ausgebildet ist. Schließlich können die Elektromotoren über ein Getriebe, insbesondere über ein Stirnradgetriebe, ein Schneckengetriebe oder ein Planetengetriebe auf die Welle wirken. Bei letzterem Getriebe können die Motoren auch trotz der Getriebeuntersetzung konzentrisch die Welle umgeben.

Weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer manuell über einer Handhabungseinrichtung zu betätigenden Welle mit zwei mittelbar oder unmittelbar auf die Welle wirkenden Elektromotoren vorgesehen ist, daß das Drehmoment durch simultanen Betrieb beider Motoren erzeugt wird, kann ein Ausfall eines der beiden Motoren sofort detektiert werden. Bei anderer Auslegung, wenn nämlich die Motoren abwechselnd betrieben würden oder ein Motor im Dauerbetrieb arbeitet, während der andere Motor das Reserveaggregat bildet, könnte der gerade nicht im Einsatz befindliche Elektromotor ausfallen, ohne daß dies unmittelbar bemerkt würde. Außerdem können zwei kleine, simultan arbeitende Elektromotoren im Sinne einer gleichmäßigen und mit geringer Welligkeit ansteigenden Drehmomenterzeugung besser geregelt werden als ein einzelner großer Motor.

Hierbei ist von Vorteil, wenn bei Ausfall eines Elektromotors der andere Elektromotor das erforderliche Drehmoment vollständig aufbringt. Die Änderung des Regelzustandes kann so schnell erfolgen, daß der Benutzer dies nicht bemerkt oder zumindest nicht als störend empfindet. Bei einer relativ kleinen Dimensionierung der Elektromotoren kann bei Ausfall eines Elektromotors der jeweils andere Elektromotor kurzzeitig in Überlast betrieben werden, so daß das Drehmoment auch dann zunächst nicht oder nur kurzzeitig abfällt. Dabei ist zur Schonung des in Funktion befindlichen Elektromotors von Vorteil, wenn der Überlastbetrieb dieses Elektromotors nur kurzfristig aufrecht erhalten bleibt und kontinuierlich auf einen Normalbetrieb übergeleitet wird, der ohne weiteres auf Dauer zu verkraften ist. An der Handhabungseinrichtung, insbesondere an einem Lenkrad, würde dieser Effekt durch einen allmählichen Abfall der Lenkreaktionskräfte auf 50% des Normalwerts spürbar. Wenn dieser Übergang allmählich, beispielsweise innerhalb einiger Sekunden oder Minuten vor sich geht, ist dieser Übergang nicht störend und insbesondere nicht gefährlich hinsichtlich der Beherrschung des Kraftfahrzeugs.

Eine besonders günstige Anwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens ergibt sich, wenn das Drehmoment einem über die Handhabungseinrichtung manuell auf die Welle eingeleiteten Drehmoment entgegengesetzt wird und insbesondere bei Lenksystemen ohne mechanische Zwangskopplung zwischen Handhabungseinrichtung und den gelenkten Rädern zu Simulation von Lenkkräften oder Lenkreaktionskräften dient. Hierbei kann die Größe des an der Handhabungseinrichtung anstehenden Drehmoments zuverlässig über die Stromaufnahme wenigstens eines Elektromotors ermittelt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Lenkreaktionskräften mit konzentrischer Anordnung von zwei Elektromotoren um die Welle herum; sowie

Fig. 2 eine andere Ausführungsform, bei der zwei Elektromotoren über ein seitlich neben der Welle angeordnetes Schneckengetriebe auf die Welle einwirken.

In der Fig. 1 ist eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkrad 1 und einer über das Lenkrad zu betätigenden Welle 2 dargestellt. Die Welle 2 trägt einen hier nicht dargestellten Lenkwinkelsensor zur Ermittlung des Sollenkwinkels sowie gegebenenfalls eine mechanische Torsionsfeder zur mechanischen Rückstellung des Lenkrades 1 in die Mittellage.

Weiter ist die Welle 2 mit einem ersten Elektromotor 3 und einem zweiten Elektromotor 4 versehen. Die Elektromotoren 3 und 4 sind über ein Stirnrädergetriebe mit der Welle 2 gekoppelt.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in Axialrichtung auf die Welle 2. Die Welle 2 trägt hierbei ein drehfestes Schneckenrad 5, das über ein Ritzel 6 in Zwangskopplung mit einer Motorwelle 7 steht. Die Motorwelle 7 ist gemeinsame Motorwelle eines ersten Elektromotors 13 und eines zweiten Elektromotors 14.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird in der Praxis eingesetzt, um bei nicht mechanisch zwangsgekoppelten Lenksystemen dem Lenkrad 1 eine Rückstellkraft aufzuprägen. Dazu werden bei einer Abweichung des Lenkrades 1 von der Mittellage, die der Geradeausstellung entspricht, die beiden Elektromotoren 3 und 4 mit Strom beaufschlagt, so daß sie der Welle 2 ein in die Mittellage der Lenkung gerichtetes Drehmoment aufprägen. Die Stärke des Drehmoments kann dabei von der Abweichung des Lenkwinkels von der Mittellage sowie von verschiedenen Fahrzuständen abhängen. Sie soll in jedem Fall dem Fahrer des Kraftfahrzeugs die von einer herkömmlichen mechanischen Lenkung gewohnten Lenkreaktionskräfte vermitteln. Sofern die Rückstellkraft der nicht dargestellten Torsionsfeder größer ist als das am Lenkrad 1 erwünschte Rückstellmoment, können die Elektromotoren 3 und 4 auch ein Drehmoment erzeugen, daß in die von der Mittellage weg weisende Drehrichtung gerichtet ist. Hierbei wird dann ein zu starkes mechanisches Rückstellmoment teilweise kompensiert, so daß die Lenkung subjektiv leichtgängiger wird.

Da die beiden Elektromotoren 3 und 4 bzw. 13 und 14 simultan betrieben werden, erzeugen sie jeweils etwa 50% des erforderlichen Drehmoments, das wiederum maximal den oberen Grenzwert der Handkraft einer üblichen Servolenkung entsprechen muß. Für dieses maximale Solldrehmoment sind die Elektromotoren 3 und 4 bzw. 13 und 14 hinsichtlich ihrer Dauerleistung ausgelegt.

Fällt nun einer der beiden Motoren 3, 4; 13, 14 aus, so wird dies über näher dargestellte Sensoren unmittelbar detektiert. Beispielsweise kann das von den beiden Motoren erzeugte Drehmoment überwacht werden, das bei Ausfall eines Motors plötzlich auf die Hälfte abfällt, oder es kann die elektrische Stromaufnahme beider Motoren überwacht werden, wobei der Ausfall eines Motors durch den Wegfall seiner elektrischen Leistungsaufnahme erkennbar wird. In diesem Fall soll verhindert werden, daß die Lenkreaktionskraft schlagartig halbiert wird. Dazu wird dem verbleibenden Elektromotor 3, 4; 13, 14 eine höhere Antriebsleistung und damit ein höheres Drehmoment aufgeprägt. Der Ausfall eines der Motoren wird damit innerhalb kürzester Zeit kompensiert, so daß der Benutzer dies nicht störend wahrnimmt. Insbesondere wird bei hohen Lenkreaktionskräften wie bei schneller Kurvenfahrt ein Verreißen der Lenkung durch den plötzlichen Wegfall des Rückstellmoments verhindert.

Der verbleibende Elektromotor wird hierbei in einen Betriebszustand gebracht, der aufgrund seiner Dimensionierung nur kurzzeitig zulässig ist. Das Rückstellmoment kann dann über eine gewisse Zeit von einigen Sekunden oder Minuten auf die Hälfte des Sollwertes und damit auf den Wert gebracht werden, für den ein einzelner Motor ausgelegt ist. Dies macht sich als allmählich zunehmende Leichtgängigkeit der Lenkung bemerkbar, ohne jedoch überraschend oder gefährlich zu wirken.

Die insoweit beschriebenen Vorrichtungen können also zur Simulation der an einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs erwünschten Lenkreaktionskräfte dienen, wobei die relativ kleine Baugröße der erforderlichen Elektromotoren Bauraum, Gewicht und Kosten spart. Bei einem Ausfall eines der beiden Elektromotoren ist eine elektrische Rückfallebene gesichert, die das Eintreten gefährlicher Fahrzustände verhindert. Eine mechanische zweite Rückfallebene kann ebenfalls vorgesehen sein. Schließlich kann die Simulation der Lenkreaktionskräfte regelungsseitig auf besonders komfort- oder sicherheitsorientierte Kennfelder zurückgreifen, wobei die Lenkreaktionskräfte am Lenkrad keinen notwendigen Zusammenhang mit denjenigen an der gelenkten Achse haben müssen.

Eine weitergehende Möglichkeit zur Simulation von herkömmlichen Lenkgetrieben wird ermöglicht, wenn über das Getriebe zwischen der Welle und den Elektromotoren eine Drehwinkelbegrenzung gegen manuelles Weiterdrehen der Welle durch Stoppen der Elektromotoren erzeugt wird. Die an sich beliebig oft drehbare Welle kann dann ausgehend von der Mittellage, die der Geradeausfahrt entspricht, nach 1 bis 2,5 Umdrehungen gegen Weiterdrehen blockiert werden, wodurch der Fahrer den Eindruck eines mechanischen Anschlag erhält.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer manuell über eine Handhabungseinrichtung (1) zu betätigenden Welle (2), mit einem mittelbar oder unmittelbar auf die Welle (2) wirkenden ersten Elektromotor (3, 13), dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Elektromotor (4, 14) vorgesehen ist, der zur Erzeugung des Drehmoments auf dieselbe Welle (2) wirkt, wobei der erste Elektromotor (3, 13) und der zweite Elektromotor (4, 14) jeweils anteilig einen Teil des Drehmoments erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (3, 13) und der zweite (4, 14) Elektromotor im wesentlichen baugleich sind und im Betrieb jeweils annähernd gleiche Drehmomente erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabungseinrichtung (1) ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotoren (3, 4, 13, 14) derart dimensioniert sind, daß von ihnen jeweils einzeln im Normalbetrieb nicht das maximal erforderliche Drehmoment erzeugbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2, 7) als gemeinsame Motorwelle des ersten (3, 13) und des zweiten (4, 14) Elektromotors ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotoren (13, 14) über ein Getriebe (5, 6), insbesondere über ein Stirnradgetriebe, ein Schneckengetriebe oder ein Planetengetriebe auf die Welle (2) wirken.

7. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments an einer manuell über eine Handhabungseinrichtung (1) zu betätigenden Welle (2), mit zwei mittelbar oder unmittelbar auf die Welle (2) wirkenden Elektromotoren (3, 4, 13, 14), wobei das Drehmoment durch simultanen Betrieb beider Motoren erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Elektromotors das Drehmoment vollständig von dem anderen Elektromotor aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Elektromotors (3, 13, 4, 14) der andere Elektromotor (4, 14, 3, 13) in Überlast betrieben wird, so daß das Drehmoment zunächst nicht oder nur kurzzeitig abfällt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Elektromotors (3, 13, 4, 14) der Überlastbetrieb des anderen Elektromotors (4, 14, 3, 13) kurzfristig aufrechterhalten bleibt und kontinuierlich auf einen Normallastbetrieb übergeleitet wird.

11. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment einem über die Handhabungseinrichtung (1) manuell in die Welle (2) eingeleiteten Drehmoment entgegengesetzt wirkt und insbesondere bei Lenksystemen ohne mechanische Zwangskopplung zwischen Handhabungseinrichtung (1) und gelenkten Rädern zur Simulation von Lenkkräften oder Lenkreaktionskräften dient.

12. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe zwischen der Welle (2) und den Elektromotoren (3, 13, 4, 14) vorgesehen ist und eine Drehwinkelbegrenzung gegen manuelles Weiterdrehen der Welle (2) durch Stoppen der Elektromotoren (3, 13, 4, 14) erzeugt wird.

13. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des an der Handhabungseinrichtung (1) anstehenden Drehmoments über die Stromaufnahme wenigstens eines Elektromotors (3, 13, 4, 14) ermittelt wird.