DE19952227A1 - Fehlertolerante Kraftfahrzeuglenkung mit autonomem Lenkeingriff - Google Patents
Fehlertolerante Kraftfahrzeuglenkung mit autonomem LenkeingriffInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer Bedienperson zu betätigenden Handhabungseinrichtung, beispielsweise einem Lenkrad (1), sowie mit wenigstens einer Steuerung (15) und mit hydraulischen Stellantrieben (10, 11) für einen Radwinkelstellantrieb, wobei die Stellantriebe (10, 11) dazu eingerichtet sind, in bekannter Weise Lenkfunktionen bereitzustellen und bei Bedarf in Abhängigkeit von der Steuerung autonom und unabhängig von einer Bedienperson einen Lenkvorgang auszuführen, wobei eine von der Steuerung (15) ansteuerbare Kupplung (6) vorgesehen ist, die eine Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung (1) und dem Radwinkelstellantrieb bewirkt. Dadurch wird eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung einer
Kraftfahrzeuglenkung.
Gattungsgemäße Kraftfahrzeuglenkungen sind beispielsweise
aus der DE 42 32 256 bekannt. Dort ist eine Kraftfahrzeug
lenkung offenbart, die eine Handhabungseinrichtung in
Gestalt eines Lenkrades zur Betätigung durch einen Fahrer
aufweist. Die Handhabungseinrichtung dient dabei als
Sollwinkelsteller für den gewünschten Lenkeinschlag. Der
Radwinkel wird von einem mechanisch nicht mit der
Handhabungseinrichtung gekoppelten elektrischen
Stellantrieb vorgenommen und kann zur Kompensation von
unerwünschten Gierbewegungen des Kraftfahrzeugs von einer
Steuerung separat aktiviert werden. Hierdurch werden
autonome Lenkbewegungen zur Verhinderung oder
Kompensation von Übersteuern oder Untersteuern
ermöglicht, ohne dass dies zu Ausschlägen am Lenkrad
führt. Aus derselben Druckschrift ist auch ein Lenksystem
mit permanenter Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem
Lenkgetriebe offenbart, bei dem ein autonomer
Lenkeingriff nur bezüglich eines gelenkten Rades möglich
ist.
Bei der erstgenannten, gattungsgemäßen Ausführungsform
ist bei einem Ausfall eines Stellantriebs lediglich ein
zweiter Stellantrieb als Notlaufsystem vorgesehen. Zu
diesem zweiten Stellantrieb gibt es keine weitere
Rückfallebene. Bei einem Ausfall eines der beiden
Stellantriebe ist die Lenkung folglich nicht mehr
fehlertolerant, so dass dieser Ausfall aus Sicherheits
gründen zu unmittelbarer Beendigung der Fahrt führen
sollte. Außerdem ist bei einem vollständigen Ausfall der
Energieversorgung der Lenkung das Fahrzeug nicht mehr
lenkbar.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Kraftfahrzeuglenkung und ein Verfahren zur Steuerung
einer Kraftfahrzeuglenkung zu schaffen, wobei bei Ausfall
oder fehlerhaftem Betrieb eines Stellantriebs der
verbleibende Stellantrieb weiterhin fehlertolerant
betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Weil eine von der Steuerung ansteuerbare Kupplung
vorgesehen ist, die eine Kopplung zwischen der
Handhabungseinrichtung und dem Radwinkelstellantrieb
bewirkt, kann ein mechanischer Durchgriff von der
Handhabungseinrichtung zu dem Lenkgetriebe und damit zu
den Radwinkelstellen erzeugt werden. Die Lenkung ist
dann jederzeit sicher vom Fahrer beherrschbar. Beim
Ausfall nur eines Stellantriebes kann der verbleibende
Stellantrieb die Lenkfunktionen der hydraulischen
Stellantriebe weiterhin übernehmen, so dass eine nahezu
vollständige Funktionsfähigkeit auch bei Ausfall eines
einzelnen Stellantriebes gewährleistet ist und diese
Funktionsfähigkeit sicher genutzt werden kann, da eine
weitere mechanische Rückfallebene verfügbar ist.
Dabei ist von Vorteil, wenn die Stellantriebe zwei
unabhängig voneinander betreibbaren Einheiten zugeordnet
sind, wobei mit jeder Einheit für sich zumindest
zeitweise die vollständigen Lenkfunktionen auszuführen
sind. In einem Lenksystem, das für autonome Lenkeingriffe
ohne Beteiligung des Fahrers eingerichtet ist, kann dann
jede Einheit für sich den autonomen Lenkeingriff zu Ende
führen, bevor die mechanische Kopplung hergestellt wird.
So ist bei schnellen Lenkeingriffen zur Aufrechterhaltung
der Fahrstabilität vermeidbar, dass der Fahrer beim
Ausfall einer Einheit plötzlich die Lenkeingriffe der
autonomen Lenkfunktionen im Lenkrad spürt. Bei
selbsttätigen Fahrmanövern langsamerer Art wie
automatischem Spurwechsel, Einparken und dergleichen ist
vermeidbar, dass der Fahrer mit der manuellen Fortführung
eines Fahrmanövers überfordert wird.
Weiter ist von Vorteil, wenn die Kupplung mechanisch
einrückbar ist. Hierdurch ergibt sich ein einfaches und
deshalb sehr betriebssicheres System. Dies ist
insbesondere der Fall, wenn die Kupplung einen
Ruhezustand und einen von der Steuerung einstellbaren
Arbeitszustand aufweist, wobei die Kupplung im
Ruhezustand eingerückt ist. Dann ist auch bei einem
vollständigem Ausfall der Steuerung oder der
Energieversorgung gewährleistet, dass die Lenkbarkeit
automatisch mechanisch hergestellt wird.
Bei einem Verfahren zur Steuerung einer insoweit
beschriebenen Kraftfahrzeuglenkung ist vorteilhaft, wenn
als Verfahrensschritt vorgesehen ist, dass bei Ausfall
einer Einheit die Kupplung sofort oder zeitverzögert
eingerückt wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn das
Einrücken der Kupplung nicht während eines autonom
durchgeführten Lenkvorganges erfolgt. Weiter ist für eine
komfortable Bedienung der Kraftfahrzeuglenkung
vorteilhaft, wenn bei eingerückter Kupplung die jeweils
aktive Einheit eine Lenkhilfskraft bereitstellt und so
die Eigenschaften einer gewöhnlichen Hilfskraftlenkung
aufrechterhalten bleiben.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1: Ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge in einer
Prinzipdarstellung mit zwei hydraulischen
Antriebseinheiten und einem zuschaltbaren
mechanischen Durchgriff vom Lenkrad auf den
Radwinkelstellantrieb.
In der Fig. 1 ist eine Kraftfahrzeuglenkung schematisch
als Blockschaltbild dargestellt. Die Kraftfahrzeuglenkung
umfasst ein Lenkrad 1, das drehfest mit einer Lenksäule 2
verbunden ist. Die Lenksäule 2 trägt wiederum einen
ersten Elektromotor 3 sowie einen zweiten Elektromotor 4,
die als Handmomentensteller wirken. Weiter trägt die
Lenksäule 2 ein Verformungsglied 5, das in an sich
bekannter Weise die Aufprallsicherheit der
Lenkeinrichtung herstellt. Schließlich trägt die
Lenksäule 2 eine ansteuerbare mechanische Kupplung 6, die
im eingerückten Zustand die Lenksäule 2 mit einer
Ritzelwelle 7 drehfest verbindet. Die Ritzelwelle 7
wiederum wirkt auf eine Zahnstange 8, die verschieblich
in einem Lenkgehäuse 9 gelagert ist.
Das Lenkgehäuse 9 trägt weiter zwei Stellantriebsein
heiten 10 und 11, in denen hydraulische Zylinder/Kolben
einheiten mit der Zahnstange 8 in Eingriff stehen, die
über ein oder mehrere Ventile mit Hydraulikflüssigkeit
versorgt werden. Bei einer hydraulischen Ansteuerung der
Einheiten 10 und 11 oder einer Drehung der Ritzelwelle 7
wird die Zahnstange 8 in ihrer Längsrichtung verlagert,
so dass sie über Spurstangen 12 den Radwinkel von
gelenkten Rädern 13 verändert.
Eine zentrale Steuereinheit 15, die auch mehrfach
ausgeführt sein kann, ist für die Ansteuerung der
Handmomentenstellmotoren 3, 4, der Kupplung 6 und der
Einheiten 10 und 11 vorgesehen.
Im Betrieb arbeitet die Lenkung wie folgt:
Die Steuerung 15 trennt durch Ansteuerung die Kupplung 6,
so dass die Lenksäule 2 von der Ritzelwelle 7 entkoppelt
ist. Eine Bedienperson gibt am Lenkrad 1 den gewünschten
Lenkwinkel vor, der über die Steuerung 15 an die
Einheiten 10 und 11 übermittelt wird. Deren hydraulische
Stellantriebe betätigen simultan die Zahnstange 8 in der
Weise, dass die Räder 13 den vom Fahrer gewünschten
Radwinkel erhalten und das Fahrzeug den gewünschten
Kurvenradius fährt. Gleichzeitig wird über die
Handmomentenstellmotoren 3 und 4 dem Fahrer an dem
Lenkrad 1 eine Rückstellkraft mitgeteilt, die die
Rückstellkräfte der Lenkung sowie die Lenkreaktionskräfte
simuliert und damit das Fahrgefühl einer herkömmlichen
Lenkung erzeugt.
Ein autonomer Lenkeingriff kann durch sogenannte
Fahrdynamikregelungen oder Stabilitätssysteme ausgelöst
werden. Hierbei veranlasst die Steuerung 15 die Einheiten
10 und 11 zu einem Lenkeingriff, der dem Fahrer nicht
mitgeteilt wird und der zu einer Verschiebung der
Zahnstange 8 unabhängig von der Lenksäule 2 führt. Dieser
Lenkeingriff kann beispielsweise im Gegenlenken bei
Ausbrechen eines übersteuernden Fahrzeugs, in der
Kompensation von Seitenwind oder zur Beibehaltung der
Fahrtrichtung bei Bremsvorgängen auf einseitig rutschiger
Fahrbahn dienen. Die Lenkeingriffe können je nach
Fahrsituation relativ schnell und mit großer Amplitude
erfolgen, so dass ein Fahrer am Lenkrad 1 nicht
notwendigerweise folgen könnte, wenn die Kupplung 6
geschlossen wäre. Eine derartige Lenkbewegung wird
folglich dem Fahrer nicht an das Lenkrad 1 übermittelt.
Außerdem können autonome Lenkeingriffe bei
komfortorientierten Anwendungen wie automatischem
Einparken und automatischem Spurwechsel erfolgen, bei
denen das Lenkrad von den Handmomentenstellmotoren 3
und 4 mitbewegt wird. Hier kann die simulierte Drehung
des Lenkrades 1 mit einer direkteren Übersetzung erfolgen
als es der tatsächlichen Übersetzung im Lenkgetriebe
entspricht. Ein sofortiges Einrücken der Kupplung 6 führt
dann zu einer plötzlichen scheinbaren Übersetzungs
änderung und kann den Fahrer in Schwierigkeiten bei der
manuellen Beendigung des Fahrmanövers bringen.
Bei einem Fehler in einer der beiden Einheiten 10 oder 11
ist durch die redundante Auslegung dieser Einheiten die
jeweils verbleibende Einheit in der Lage, zumindest
kurzzeitig und zum wesentlichen Teil die gesamte Funktion
der Radwinkelstellantriebe zu übernehmen. Ein autonomer
Eingriff kann von einer der beiden Einheiten durchgeführt
und in der vorgesehenen Weise beendet werden. Aus
Sicherheitsgründen ist bei weiterem Betrieb des
Kraftfahrzeugs mit einer ausgefallenen Einheit 10 oder 11
erforderlich, dass die verbleibende funktionsfähige
Einheit 11 oder 10 eine weitere Rückfallebene für den
Notlauf erhält, so dass das Fahrzeug nicht plötzlich
unlenkbar werden kann. Für diesen Fall ist vorgesehen,
dass die Steuerung 15 die Kupplung 6 einrückt und dadurch
ein mechanischer Durchgriff von dem Lenkrad 1 über die
Lenksäule 2, die Kupplung 6 und die Ritzelwelle 7 auf die
Zahnstange 8 hergestellt wird. Der verbleibende
Stellantrieb wirkt dann zusammen mit der Betätigungskraft
über die Lenksäule 2 als herkömmliche Hilfskraftlenkung.
Sollte auch die zweite Einheit ausfallen, so ist eine
herkömmliche mechanische Lenkung ohne Hilfskraft
gewährleistet.
Das Einrücken der Kupplung 6 kann entweder unmittelbar
bei einem erkannten Fehler in einer Einheit 10 oder 11
erfolgen oder zeitversetzt vorgenommen werden. Das
unmittelbare Einrücken ist vorgesehen, wenn die Steuerung
15 zum Zeitpunkt der Fehlererkennung keinen autonomen
Lenkvorgang durchführt, so dass das Einrücken der
Kupplung nicht zu Lenkbewegungen am Lenkrad 1 führt, die
für den Fahrer überraschend sind. Ein zeitversetztes
Einrücken der Kupplung 6 ist erforderlich, wenn autonome
Lenkvorgänge durchgeführt werden, die zur
Wiederherstellung eines stabilen Fahrzustandes
erforderlich sind. Die Zeitverzögerung bis zum Einrücken
der Kupplung 6 ist dann so zu bemessen, dass die
autonomen Lenkvorgänge zunächst beendet werden und erst
dann der mechanische Durchgriff hergestellt wird.
Anderenfalls würde cier Fahrer am Lenkrad 1 plötzlich
schnelle Lenkbewegungen mit möglicherweise großer
Amplitude mitgeteilt bekommen, die für ihn vollkommen
überraschend sind und ihn deshalb überfordern. Außerdem
kann durch die vom Fahrer aufgebrachte Handkraft die
Funktion der autonomen Lenkeingriffe behindert werden.
Eine letzte mechanische Rückfallebene ergibt sich, wenn
die Steuerung 15 den Ausfall beider Einheiten 10 und 11
detektiert. Für diesen Fall ist die Kupplung nach dem
vorhergehenden Verfahrensschritt bereits geschlossen und
es fällt lediglich die Servounterstützung weg.
Gegen einen völligen Verlust des Hydraulikdrucks kann
eine doppelt ausgelegte Versorgungseinrichtung vorgesehen
sein, beispielsweise eine separate Pumpe 17, die
unabhängig vom Antriebsmotor Energie aus der
Fahrzeugbewegung, abgegriffen an einem Rad oder an einer
Kardanwelle, verfügbar macht. Auch bei einem völligen
Ausfall der Hydraulik bleibt die insoweit beschrieben
Lenkung jedoch funktionsfähig.
Die Kupplung 6 ist dafür so ausgestaltet, dass sie ohne
ein Ansteuerungssignal selbsttätig in den mechanisch
eingerückten Zustand fällt. Diese Eigenschaft kommt bei
einem völligen Ausfall der elektrischen Steuerung 15
sowie der beiden Einheiten 10 und 11 zum Tragen. Dann
wird automatisch ohne weitere Ansteuerung ein
Kraftschluss zwischen dem Lenkrad 1 und der Lenkung
hergestellt. Das Fahrzeug bleibt also auch bei einem
vollständigen Ausfall der hydraulischen
Hilfseinrichtungen steuerbar. Der beschriebene autonome
Lenkeingriff, der zunächst kein Einrücken der Kupplung 6
gestattet, bricht bei einem Stromausfall automatisch ab,
so dass dessen Rückwirkungen auf das Lenkrad 1 beim
selbsttätigen Einrücken der Kupplung 6 infolge eines
Versagens der Steuerung 15 ausbleiben.
Um den Fahrer über eine aufgetretene Störung zu
informieren, bevor die Kupplung 6 eingerückt wird, kann
über die Steuerung 15 ein Warnsignal ausgelöst werden.
Dies kann ein optisches oder akustisches Warnsignal sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, dass
das Warnsignal allein oder zusätzlich zu den erwähnten
optischen oder akustischen Signalen als mechanisches
Signal über das Lenkrad übermittelt wird, beispielsweise
in Gestalt einer über die Handmomentenstellmotoren 3 und
4 aufgeprägten Vibration oder eines erhöhten Handmoments.
Insgesamt ergibt sich eine Kraftfahrzeuglenkung, die ein
hohes Maß an Ausfallsicherheit bietet. Für den rein
hydraulischen Betrieb mit autonomen Lenkeingriffen ist
eine erste hydraulische Rückfallebene vorgesehen, die
durch eine weitere mechanische Rückfallebene abgesichert
ist. Der Betrieb des Kraftfahrzeugs ist in jedem Zustand,
sowohl bei Ausfall eines Systems als auch bei Ausfall
aller Systeme sicher gewährleistet, ohne dass für den
Fahrer eine nicht beherrschbare Situation eintreten kann.
Claims (9)
1. Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer
Bedienperson zu betätigenden Handhabungseinrichtung,
beispielsweise einem Lenkrad (1), sowie mit
wenigstens einer Steuerung (15) und mit
Stellantrieben (10,11) für einen
Radwinkelstellantrieb, wobei die Stellantriebe
(10,11) dazu eingerichtet sind, in bekannter Weise
Lenkfunktionen bereitzustellen und bei Bedarf in
Abhängigkeit von der Steuerung (15) autonom und
unabhängig von einer Bedienperson einen Lenkvorgang
auszuführen, dadurch
gekennzeichnet, dass eine von der
Steuerung ansteuerbare Kupplung (6) vorgesehen ist,
die eine Kopplung zwischen der
Handhabungseinrichtung (1) und dem
Radwinkelstellantrieb bewirkt.
2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stellantriebe
(10,11) zwei unabhängig voneinander betreibbaren
Einheiten zugeordnet sind, wobei mit jeder Einheit
für sich zumindest zeitweise die vollständigen
Lenkfunktionen auszuführen sind.
3. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Kupplung (6) mechanisch einrückbar
ist.
4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Kupplung (6) einen Ruhezustand und
einen von der Steuerung (15) einstellbaren
Arbeitszustand aufweist, wobei die Kupplung (6) im
Ruhezustand eingerückt ist.
5. Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeuglenkung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei
Ausfall einer Einheit (10, 11) die Kupplung (6)
eingerückt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Einrücken der
Kupplung (6) nicht während eines autonomen
Lenkvorgangs erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei
eingerückter Kupplung (6) die aktive Einheit (10,11)
eine Lenkhilfskraft bereitstellt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei
Auftreten einer Störung ein Warnsignal erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das Warnsignal als
mechanisches Signal über das Lenkrad (1) übermittelt
wird, insbesondere als eine über die
Handmomentensteller (3) und (4) aufgeprägte
Vibration.
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