DE60311602T2

DE60311602T2 - Lenkssystem für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE60311602T2
Application number: DE60311602T
Authority: DE
Inventors: Steven M. Saginaw Thomas; James M. Lighthouse Point Card
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: EP1350698A3; EP1350698A2; US6659218B2; DE60311602D1; EP1350698B1; US20030183440A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Lenksysteme für Fahrzeuge. Im spezielleren betrifft diese Erfindung ein mechanisches Reservesystem für ein Steer-by-wire-System für Fahrzeuge und ein zugehöriges Sicherungssystem.
HINTERGRUND
Kraftfahrzeuge sind herkömmlicherweise mit einem Paar Vorderräder ausgestattet, die gelenkt werden, um es dem Fahrzeug zu ermöglichen, bei der Fahrt über Land nach links und nach rechts zu steuern. Es ist ebenfalls bekannt, bei Kraftfahrzeugen Aktoren zum Lenken der Hinterräder zu schaffen. In der Vergangenheit verwendeten Fahrzeuglenksysteme üblicherweise eine mechanische Verbindung zwischen dem vom Bediener betätigten Handrad und den vorderen Straßenrädern eines Kraftfahrzeugs. Wenn der Fahrer das Handrad drehte, betätigte eine mechanische Verbindung, in manchen Fällen mit der Unterstützung eines Servolenkungsmotors oder eines Hydraulikkolbens, durch die Spurstangen des Fahrzeugs die Straßenräder.
Vor kurzem sind bei Kraftfahrzeugen so genannte "Steer-by-wire"-Lenksysteme vorgestellt worden, um die Lenkfunktion der Straßenräder wahrzunehmen. Ein typisches "Steer-by-wire"-Lenksystem umfasst einen Handrad-Aktor zur Überwachung der Winkelposition des Lenkrads und Straßenrad-Motoraktoren, die von Steuerungen in Ansprechen auf das Verfolgen der festgestellten Winkelverschiebung des Handrads in Bezug auf eine Zentralposition gesteuert werden. Im Gegensatz zu früheren Lenksystemen verzichtet das "Steer-by-wire"-Lenksystem auf eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den einzelnen Straßenrädern. Beispielhaft für solche Steer-by-wire-Systeme ist das gemein schaftlich erteilte U.S.-Patent 6 176 341, ausgegeben am 23. Januar 2001 an Ansari. Andere vorgeschlagene Systeme sind in "Future Electrical Steering Systems: Realizations with Safety Requirements" von Harter, et al., und in "Steer-by-Wire" von Ebner beschrieben.
Da in einem Steer-by-wire-System keine mechanische Verbindung zwischen dem Handrad und den Straßenrädern vorhanden ist, können erweiterte Lenkfunktionen wie beispielsweise Regellenkung und Übersteuerungs-/Untersteuerungskorrektur auf einfache Weise implementiert werden, um die Lenkbarkeit und Sicherheit des Fahrzeugs zu verbessern. Gleichzeitig ist es bekannt, dass mechanische Reservesysteme bei einem Ausfall des elektronischen Steer-by-wire-Systems eine traditionelle, mechanische Lenkverbindung einkuppeln. Siehe z.B. "Steer-by-Wire" von Dr. Christian Ebner als typisches Beispiel eines solchen Systems, welches einen Handrad-Aktor mit einer Lenkwelle und eine Lenksäule umfasst, die selektiv mit der Welle über eine Kupplung in Eingriff tritt, welche elektrisch betätigt wird. Es wäre wünschenswert, ein Steer-by-wire-System mit einer mechanischen Reservevorrichtung zu schaffen, die keine miteinander in Eingriff zu bringenden, beweglichen Teile benötigt, wodurch die allgemeine Zuverlässigkeit verbessert würde.
Gleichzeitig stellen mechanische Lenkschlösser, die als Diebstahlabschreckung und zur Fahrerunterstützung verwendet werden, indem sie verhindern, dass sich das Lenkrad beim Aus- und Einsteigen verdreht (wodurch ein Festhaltegriff geschaffen wird), insofern ein Problem dar, als ihre bequeme Anordnung Dieben die Möglichkeit gibt, sie zu deaktivieren, und darüber hinaus unerwünschtes Gewicht im oberen Bereich der Lenksäule hinzugefügt wird. Zusätzliches Gewicht in der Nähe des oberen Endes der Lenksäule erfordert eine starke Unterstützung und birgt Sicherheitsrisiken während eines Frontalzusammenstoßes.
Das Dokument DE-A-10046167 offenbart ein Lenkschloss mit einem elektrischen Aktor zum Versperren einer Lenkwelle an dem umgebenden Gehäuse.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben erwähnten und andere Nachteile und Unzulänglichkeiten des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt oder gemindert, und zwar durch die Schaffung eines Lenksystems mit einem Handrad, das entsprechend angeordnet ist, um von einem Fahrer gehandhabt zu werden, und einer Lenkwelle, die sich von dem Handrad aus erstreckt, sowie mit einem magnetischen Lenkschloss. Die Lenkwelle wird durch ein Lenksäulengehäuse unterstützt, so dass sie sich um ihre eigene Achse drehen kann. Das magnetische Lenkschloss umfasst einen an der Lenkwelle angebrachten Rotor, einen an dem Säulengehäuse angebrachten Stator und magnetorheologisches Fluid (MR-Fluid), das einen Zwischenraum zwischen Rotor und Stator ausfüllt.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die Lenkwelle von dem Handrad durch einen Handrad-Aktor mit einem Positionssensor und einem Motor zum Erzeugen von Fahrer-Rückmeldekräften. Eine Lenksäule erstreckt sich von einem unteren Abschnitt der Lenkwelle zu einer Zahnstange und umfasst an ihrem unteren Ende ein Ritzel, um mit der Zahnstange in Eingriff zu treten, so dass die Zahnstange sich nach rechts und links verschiebt, wenn das Ritzel in die entsprechenden Richtungen gedreht wird. Die Zahnstange ist mit den vorderen Straßenrädern verbunden und bewirkt eine Lenkung der vorderen Straßenräder, wenn sie verschoben wird. Eine elektronische Steuerung empfängt Signale von dem Positionssensor, welche die Winkelposition des Handrads anzeigen, und ein mit der Lenk-Zahnstange verbundener Straßenrad-Aktor empfängt Signale von der elektronischen Steuerung und stellt die Lenk-Zahnstange in Ansprechen auf die von der elektronischen Steuerung kommenden Signale um. Eine magnetische Kupplung mit MR-Fluid ist vorgesehen, um die Lenkwelle selektiv mit der Lenksäule in Eingriff zu bringen.
Die weiter oben erörterten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen für einschlägig gebildete Fachleute erkenntlich und verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Übersicht eines Steer-by-wire-Systems zeigt;
2 eine vereinfachte Übersicht eines Steer-by-wire-Systems mit einem mechanischen Reservesystem zeigt;
3 einen anderen Aspekt eines Steer-by-wire-Systems mit einem mechanischen Reservesystem zeigt;
4 einen Aspekt eines Diebstahl-Abschreckungssystems zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 und 2, auf welche nun Bezug genommen wird, wird ein beispielhaftes Lenksystem 10 mit einem mechanischen Reservesystem beschrieben. Die Fahrereingabe erfolgt an das Handrad 12, welches durch die Lenkwelle 16 mit dem Handrad-Aktor 20 verbunden ist. Der Handrad-Aktor 20 umfasst einen Positionssensor 22 zur Erfassung der Winkelverschiebung des Handrads 12. Aus Redundanzgründen können mehrere Po sitionssensoren vorgesehen sein. Ein Signal, das die Winkelverschiebung des Handrads 12 anzeigt, wird von dem Positionssensor 22 generiert und zu der elektronischen Steuerung 30 geleitet, welche einen Mikroprozessor sowie verschiedene andere auf dem Gebiet der elektronischen Steuerung zur Bereitstellung von Speicher-, Eingabe-/Ausgabe- und Verarbeitungsfunktionen allgemein bekannte elektronische Komponenten umfasst. Die elektronische Steuerung 30 empfängt Signale von dem/den Handrad-Positionssensor(en) 22 in dem Handrad-Aktor 20 und bestimmt, welche Signale gegebenenfalls an den Straßenrad-Aktor 40 gesendet werden, so dass die Stellung der Straßenräder 38 (nur eines gezeigt) mit der Stellung des Handrads 12 übereinstimmt. Der Straßenrad-Aktor 40 steuert die Lenkstellung der Straßenräder 38 durch Erzeugen einer linearen Bewegung einer Zahnstangen-Anordnung innerhalb des Zahnstangengehäuses 34 mittels einer in der Technik bekannten Konfiguration bestehend aus Kugelumlaufspindel und Kugelmutter, wobei die Zahnstange dann ein Drehen der Räder 38 (nur eines gezeigt) durch die Spurstangen 36 (nur eine gezeigt) bewirkt.
Der Straßenrad-Aktor 40 umfasst Drehmoment- oder Dehnungssensoren (nicht gezeigt), um die Kraft zu messen, welche von dem Straßenrad-Aktor 40 benötigt wird, um die Straßenräder 38 in ihre gewünschte Stellung zu bringen und sie in dieser zu halten. Die Ausgangsinformation von den Straßenrad-Drehmomentsensoren (nicht gezeigt) wird an die elektronische Steuerung 30 übermittelt, welche daraufhin eine Fahrer-Rückmeldekraftinformation an den Handrad-Aktor 20 überträgt. Der Handrad-Aktor 20 umfasst einen Elektromotor 24 oder einen anderen Aktor, um eine Kraft-Rückmeldung an das Lenkrad 12 bereitzustellen und so dem Fahrer eine haptische Rückmeldung betreffend die Straßenverhältnisse zu geben. Der Motor 24 umfasst eine Schnecke 25, die ein Schneckenrad 23 dreht, das an der Lenkwelle 16 befestigt ist. Der Handrad-Aktor 20 kann auch einen Drehmomentsensor (nicht gezeigt) umfassen, um ein Signal an die elektronische Steuerung bereitzustellen, um sicherzustellen, dass der Fahrer tatsächlich das korrekte Maß an Fahrer-Rückmeldekräften erhält.
Falls von der Steuerung 30 ein Fehler an irgendeiner kritischen Komponente des Lenksystems 10 festgestellt wird, sendet die Steuerung 30 ein Signal an die Kupplung 26, durch welches das mechanische Reservesystem 15 in Eingriff gebracht wird. Das Reservesystem 15 umfasst eine Lenksäule 8, die zumindest einen oberen Schaft 17 und einen durch ein Universalgelenk 18 verbundenen, unteren Schaft 19 umfasst, um eine relative Bewegung zwischen dem unteren Schaft 19 und dem Handrad 12 zu ermöglichen. Ein Ritzel in dem Ritzelgehäuse 32, das an dem unteren Ende des unteren Schafts 19 befestigt ist, tritt mit einer Zahnstange in dem Zahnstangengehäuse 34 in Eingriff. Das Drehen des unteren Schafts 19 bewirkt eine Drehung des Ritzels und eine lineare Bewegung der Zahnstange in dem Zahnstangengehäuse 34. An beiden Enden der Zahnstange sind Stangen 36 (nur eine gezeigt) verbunden, welche die Lenkdrehung der Straßenräder 38 steuern.
3 ist eine andere Ansicht des Lenksystems 10 mit einer übertrieben dargestellten Ansicht der Kupplung 26. Bei der Kupplung 26 handelt es sich um einen Typ, der magnetorheologisches Fluid (MR-Fluid) verwendet und somit nur zwei bewegliche Teile, einen Rotor 28 und einen Stator 29, aufweist. Eine Dichtung 31 schließt MR-Fluid 33 zwischen dem Rotor 28 und dem Stator 29 der Kupplung 26 ein. MR-Fluid enthält typischerweise eine Zufalls-Dispersion von magnetisierbaren Partikeln, die in einer Basis-Trägerflüssigkeit wie beispielsweise Mineralöl, synthetischem Kohlenwasserstoff, Wasser, Siliconöl, veresterter Fettsäure, oder einer anderen, geeigneten, organischen Flüssigkeit schweben. Eine Silikamasse wird typischerweise zu der Suspension hinzugefügt, um der Suspension thixotrope Eigenschaften zu verleihen, wodurch verhindert wird, dass die magneti schen Partikel aus der Suspension ausgefällt werden. Die Partikel weisen eine charakteristische Härte auf und sind im allgemeinen von mikrosphärischer Struktur. Bei den Partikeln kann es sich um Carbonyleisen-Partikel handeln, die ein Tensid aufweisen, welches durch chemische Bindung auf deren Oberfläche aufgebracht ist. Andere Partikeltypen, die für das MR-Fluid verwendet werden können, umfassen Nickel, Cobalt und deren Legierungen, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Unter normalen Bedingungen weist das MR-Fluid 33 die Merkmale einer Flüssigkeit mit relativ geringer Viskosität auf und ermöglicht es daher der Lenkwelle 16 und der Lenksäule 8, sich in Bezug aufeinander frei zu drehen. Erfolgt jedoch eine Magnetisierung, so verändert sich das MR-Fluid 33, so dass die darin dispergierten, mikrosphärischen Partikel sich zu fibrösen Strukturen ausrichten und das MR-Fluid ein Bingham-plastisches Fließverhalten annimmt. Bei einem Bingham-plastischen Fließverhalten wird zwischen der Scherspannung des Fluids und der Schergeschwindigkeit des Fluids ein lineares Verhältnis beibehalten, wie dies beim Newtonschen Fließen der Fall ist; bei einem Bingham-plastischen Fließverhalten ist jedoch eine begrenzte Scherspannung erforderlich, um das Fließen zu initiieren. In einem solchen Zustand ist die Scherspannung des MR-Fluids gleich der Fließgrenze des MR-Fluids plus dem Produkt aus der Viskosität des MR-Fluids und der Schergeschwindigkeit des MR-Fluids. Die Steuerung der Fließgrenze erfolgt durch die Anwendung eines Magnetfeldes auf das MR-Fluid. Wird das MR-Fluid einer Schergeschwindigkeit unter dem Einfluss eines Magnetfeldes unterzogen, so führt der Wechsel von einer Zufallsbeschaffenheit der Dispersion der mikrosphärischen Partikel zu der fibrösen Struktur der angeordneten mikrosphärischen Partikel zu einer erhöhten Viskosität. Somit ermöglicht die elektromagnetische Beschaffenheit des MR-Fluids eine selektive und variabel betätigbare Steuerung der von dem MR-Fluid aushaltbaren Scherspannung. MR-Fluide werden von Foister detailliert in dem U.S.-Patent 5 667 715 beschrieben, welches den Titel "Magnetorheological Fluids" trägt und hierin durch Bezugnahme miteingeschlossen ist.
Wenn die Steuerung 30 (1 und 2) eine Fehlfunktion bei einer kritischen Komponente feststellt, versorgt sie den Elektromagnet 35 mit Strom, welcher das MR-Fluid 33 einem Magnetfeld aussetzt, das wiederum bewirkt, dass sich das Fluid von einer Flüssigkeit in einen Binghamplastischen Körper verwandelt und dabei den Rotor 33 und den Stator 29 im Wesentlichen zueinander feststellt, so dass sie sich als ein Teil drehen, wodurch die Lenkwelle 16 und die Lenksäule 8 miteinander verbunden werden. Somit wird, wenn der Elektromagnet 35 mit Strom versorgt wird, das Handrad 12, wie weiter oben beschrieben, über die Kupplung 26 mechanisch mit den Straßenrädern 38 verbunden. Der Magnet 35 stellt ein genügend starkes Magnetfeld bereit, um zu bewirken, dass das Bruch-Drehmoment entsprechend hoch ist, so dass das zur manuellen Lenkung des Fahrzeugs im Notzustand erforderliche Drehmoment aufrecht erhalten werden kann.
4 zeigt ein Lenksäulengehäuse 14 mit einem Lenkschloss 50 mit MR-Fluid, das entfernt von dem Zündschalter 52 angeordnet ist. Das Lenkschloss 50 funktioniert in ähnlicher Weise wie die weiter oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Kupplung 26, außer dass der Stator 29 an dem Säulengehäuse befestigt ist und darin einen Elektromagnet (nicht gezeigt) umfasst. Beim Abziehen des Schlüssels 53 von dem Zündschalter 52 wird das Lenkschloss 50 aktiviert, wodurch die Lenkwelle 16 im Wesentlichen daran gehindert wird, sich zu drehen und das Handrad 12 somit in seiner Stellung blockiert wird. Eine Steuerung (nicht gezeigt) zum Feststellen und Lösen des Lenkschlosses 50 kann bei dem Lenkschloss, bei dem Zündschalter oder entfernt davon angeordnet sein. Somit ist eine direkte Verbindung 54 von dem Zündschalter 42 zu dem Lenkschloss 50 nicht erforderlich.
Der Schlüssel 53 kann einen Mikrochip oder eine andere Sicherheitsvorrichtung umfassen, welcher) von dem Steuersystem (nicht gezeigt) erkannt und authentifiziert wird, bevor das Lenkschloss 50 gelöst wird. Solche Sicherheitsmaßnahmen mit elektronischen Schlüsseln sind auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugsicherheit bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung. Zusätzlich zu der so geschaffenen, erhöhten Sicherheit hält das Lenkschloss 50 das Handrad 12 in einer fixierten Stellung und macht es somit möglich, es als zuverlässigen Festhaltegriff beim Betreten und Verlassen des Fahrzeugs zu verwenden.
Obgleich hier bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedenen Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Demgemäß versteht es sich, dass die bevorzugte Ausführungsform hier im Sinne einer Veranschaulichung und nicht einer Beschränkung beschrieben wurde.

Claims

Lenksystem, umfassend: ein Handrad (12), das entsprechend angeordnet ist, um von einem Fahrer gehandhabt zu werden; eine Lenkwelle (16), die sich von dem Handrad (12) aus erstreckt, wobei die Lenkwelle (16) von einem Lenksäulengehäuse (14) unterstützt ist, so dass sie sich um ihre eigene Achse drehen kann, gekennzeichnet durch ein magnetisches Lenkschloss (50) mit einem Rotor (28), der an der Lenkwelle (16) befestigt ist, einem Stator (29), der an dem Säulengehäuse (14) befestigt ist, sowie mit magnetorheologischem Fluid (33), welches einen Zwischenraum zwischen dem Rotor (28) und dem Stator (29) ausfüllt.
Lenksystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Zündschalter (52), durch den das Lenkschloss (50) festgestellt wird und der verhindert, dass die Lenkwelle (16) sich dreht, nachdem ein Zündschlüssel (53) von dem Zündschalter (52) entfernt worden ist.
Lenksystem nach Anspruch 2, wobei das magnetische Lenkschloss (50) entfernt von dem Zündschalter (52) positioniert ist.
Lenksystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Lenksäule (14) die sich von einem unteren Abschnitt (19) der Lenkwelle (16) zu einer Zahnstange (34) hin erstreckt, wobei die Lenksäule (14) an ihrem unteren Ende (19) ein Ritzel (32) aufweist, um mit der Zahnstange (34) in Eingriff zu treten, so dass die Zahnstange (34) sich nach links und rechts verschiebt, wenn das Ritzel (32) in die entsprechenden Richtungen gedreht wird, wobei die Zahnstange (34) mit den vorderen Straßenrädern (38) verbunden ist und eine Lenkung der vorderen Straßenräder (38) bewirkt, wenn sie verschoben wird.
Lenksystem nach Anspruch 4, wobei: die Lenkwelle (16) sich durch einen Handrad-Aktor (20) mit einem Positionssensor (22) und einem Motor (24) zum Erzeugen von Fahrer-Rückmeldekräften hindurch erstreckt; das Lenksystem (10) weiterhin eine elektronische Steuerung (30), die Signale, welche die Winkelverschiebung des Handrads (12) anzeigen, von dem Positionssensor (22) empfängt; ein Straßenrad-Aktor (40), der mit der Lenk-Zahnstange (34) verbunden ist, wobei der Straßenrad-Aktor (40) Signale von der elektronischen Steuerung (30) empfängt und die Lenk-Zahnstange (34) in Ansprechen auf die Signale von der elektronischen Steuerung (30) umstellt, und eine magnetische Kupplung (26), die MR-Fluid (33) aufweist, um die Lenkwelle (16) selektiv mit der Lenksäule (14) in Eingriff zu bringen, umfasst.
Lenksystem nach Anspruch 5, wobei die magnetische Kupplung (26) in Eingriff gebracht wird, wenn die elektronische Steuerung (30) einen Fehler in dem Lenksystem (10) feststellt.
Lenksystem nach Anspruch 5, wobei die magnetische Kupplung (26) folgendes umfasst: einen Rotor (28), der mit einem der Elemente bestehend aus der Lenkwelle (16) und der Lenksäule (14) verbunden ist, einen Stator (29), der mit einem jeweils anderen der Elemente bestehend aus der Lenkwelle (16) und der Lenksäule (14) verbunden ist, wobei das MR-Fluid (33) zwischen dem Rotor (28) und dem Stator (29) angeordnet ist; wobei die Kupplung (26) weiterhin einen Elektromagnet umfasst, der in der Nähe des Rotors (28) und des Stators (29) angeordnet ist, so dass der Elektromagnet, wenn er mit Strom versorgt wird, ein Magnetfeld erzeugt, das durch das MR-Fluid (33) hindurch verläuft und bewirkt, dass das MR-Fluid (33) Bingham-plastische Eigenschaften annimmt.