WO1999029557A1 - Verfahren zur betätigung eines steer-by-wire-lenkantriebs - Google Patents

Verfahren zur betätigung eines steer-by-wire-lenkantriebs Download PDF

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Matthias Hackl
Wolfgang Kraemer
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0403—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by constructional features, e.g. common housing for motor and gear box

Definitions

  • the invention relates to a method for actuating a "steer-by-wire" steering drive by means of at least two controllable servomotors and gears connected downstream thereof, by means of which a gear element connected to the wheels can be driven simultaneously.
  • steer-by-wire steering drives either require a so-called mechanical fallback level or redundant servomotors are required.
  • the mechanical fallback level can take place, for example, by a direct power transmission from the steering wheel to the wheels to be steered if the servomotors fail.
  • redundant servomotors some of these motors can take over the task of the other part in emergency situations.
  • a steer-by-wire drive, which has redundant servomotors is evident, for example, from US Pat. No. 4,741,409, which describes an individual wheel control. As with all steering systems, a steer-by-wire steering drive of this type may cause a problem with the steering play.
  • the object of the invention is therefore to develop a generic method for actuating a "steer-by-wire" steering drive in such a way that any steering play that occurs is largely avoided, with as little disruptive noise as possible.
  • the object is achieved in a method for actuating a steer-by-wire steering drive of the type described at the outset in that the two servomotors with the transmissions connected downstream can be controlled independently of one another in such a way that the same or different drive forces acting in the same direction or in the opposite direction can be actuated by them Amount can be generated.
  • the possibility of controlling the two servomotors independently of one another in such a way that they simultaneously produce rectified or, in particular, oppositely directed drive forces of the same or different amounts, makes it possible in a particularly advantageous manner that, on the one hand, the play is continuously compensated for by generating oppositely directed drive forces.
  • high steering lock forces can also be generated by rectified drive forces, which are required in particular in extreme situations. If a usually large steering force has to be applied, the two servomotors are preferably controlled in such a way that they produce rectified forces or drive torques.
  • the motors are controlled in such a way that, in the normal operating state, a steering lock is caused in one direction only by actuating one motor, while simultaneously actuating the other motor in the opposite direction Direction to generate a defined braking torque.
  • a steering lock is caused in one direction only by actuating one motor, while simultaneously actuating the other motor in the opposite direction Direction to generate a defined braking torque.
  • the entire steering drive is tensioned to a certain extent, which effectively prevents steering play.
  • the size of the braking torque or the braking force is variable.
  • the braking torque is set so that a constant difference between the driving forces generated by the two motors is established over all steering angle turns. Because of this difference in drive forces, which represents a tensioning force, continuous tensioning of the steering drive is made possible in normal operation.
  • the forces generated by the two servomotors are superimposed with opposite signs a force component which is proportional to the differential speed of the two servomotors.
  • motors can be used as servomotors.
  • hydraulic motors are conceivable.
  • Electric motors are advantageously used as servomotors.
  • FIG. 1 schematically shows a steer-by-wire steering drive in which the method according to the invention is used
  • FIG. 3 schematically shows a force diagram and a further exemplary embodiment of the method according to the invention 4 schematically shows a force diagram which explains yet another exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • a steer-by-wire steering drive shown schematically in FIG. 1 comprises two servomotors Ml, M2, for example electric motors, each of which is followed by a gearbox G1, G2 which, via pinions R1, R2, simultaneously a gear element connected to the wheels RA1, RA2 drive in the form of steering movements on wheels RA1, RA2 causing rack Z.
  • the two motors M1, M2 can be controlled by a control circuit S.
  • the servo motor Ml is controlled so that a rack force FZ is generated via the gear Gl connected downstream and the pinion Rl actuated by it on the rack Z, which essentially is proportional to the driving force Fl.
  • the servomotor M2 is controlled in such a way that it generates a constant braking force -FB via the gearbox G2 connected downstream and the pinion R2 on the rack.
  • the motor M1 exerts a force on the rack Z in one direction, for example 1 to the left, whereas the servomotor M2 generates a force in the opposite direction, for example to the right in FIG. 1.
  • the servo motor Ml When the steering is turned to the left, the servo motor Ml generates a leftward driving force Fl through the gearbox Gl and the pinion R1 on the rack Z, while a rightward braking force FB is generated by the drive motor M2. Conversely, with a steering lock to the right, the drive motor M2 and the gearbox G2 connected to it and the pinion R2 on the rack Z generate a driving force F2 to the right, while at the same time a braking force FB to the left is generated by the drive motor M1.
  • the actuation of the steering drive can be based on the one explained below in connection with FIG. 3 Way.
  • the braking force FB can be changed, or reduced in the case shown in FIG. 3, if the driving force of the driving servomotors M1, M2 is not sufficient (area I). If there is no braking force at all (points II), the servo motor Ml or M2, which brakes in the normal operating state, can also be controlled in such a way that it generates a driving force in the same direction as the other motor driving the normal operating state. In this case, however, any steering play that may be present becomes effective. This case only occurs in exceptional situations.
  • the two motors M1, M2 are controlled in such a way that a constant difference between the driving forces generated by the two servomotors M1, M2 is set over all steering angle turns.
  • This differential force acting as the tensioning force FV, compensates for any steering play that may be present in the normal operating state.
  • both motors Ml, M2 are used for driving, although any steering play that may be present takes effect when the sign of a motor force changes (see points III).
  • Fl ', F2' represent the forces generated by the motors Ml, M2
  • Fl, 2 is the force component of the motors Ml, M2, which results from the tension characteristic curve
  • K is a gain factor and ⁇ l, ⁇ 2 the speeds of the motors Ml, M2 are.

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Abstract

Ein Verfahren zur Betätigung eines 'Steer-by-Wire'-Lenkantriebs mittels wenigstens zwei ansteuerbaren Stellmotoren (M1, M2) und diesen nachgeschalteten Getrieben (G1, G2), durch welche ein mit den Rädern (RA1, RA2) verbundenes Getriebeelement (Z) simultan antreibbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stellmotoren (M1, M2) derart unabhängig voneinander ansteuerbar sind, daß durch sie gleichzeitig sowohl gleichgerichtete als auch entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte gleichen oder unterschiedlichen Betrags erzeugbar sind.

Description

Verfahren zur Betätigung eines Steer-by-Wire-Lenkantriebs
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines "Steer-by-Wire" -Lenkantriebs mittels wenigstens zwei ansteuerbaren Stellmotoren und diesen nachgeschalteten Getrieben, durch welche ein mit den Rädern verbundenes Getriebeelement simultan antreibbar ist.
Bei Steer-by-Wire-Lenkantrieben ist aus Sicherheitsgründen entweder eine sogenannte mechanische Rückfall - ebene oder es sind redundante Stellmotoren erforderlich. Die mechanische Rückfallebene kann beispielsweise durch eine bei Ausfall der Stellmotoren direkte Kraftübertragung vom Lenkrad auf die zu lenkenden Räder erfolgen. Bei redundanten Stellmotoren kann ein Teil dieser Motoren die Aufgabe des anderen Teils in Notsituationen übernehmen. Ein Steer-by-Wire-Antrieb, welcher redundante Stellmotoren aufweist, geht beispielsweise aus der US 4 741 409, welche eine Einzelradsteuerung beschreibt, hervor . Wie bei allen Lenkystemen ist auch bei derartigen Steer- by-Wire-Lenkantrieben ein eventuell auftretendes Lenkspiel problematisch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Betätigung eines "Steer-by-Wire" -Lenkantriebs derart weiterzubilden, daß eventuell auftretendes Lenkspiel weitestgehend vermieden wird, wobei hierbei möglichst wenig störende Geräusche entstehen sollen.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Betätigung eines Steer-by-Wire-Lenkantriebs der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die beiden Stellmotoren mit den diesen nachgeschalteten Getrieben derart unabhängig voneinander ansteuerbar sind, daß durch sie gleichzeitig gleichgerichtete oder entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte gleichen oder unterschiedlichen Betrags erzeugbar sind.
Durch die Möglichkeit, die beiden Stellmotoren unabhängig voneinander so anzusteuern, daß sie gleichzeitig gleichgerichtete oder insbesondere auch entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte gleichen oder unterschiedlichen Betrags erzeugen, wird auf besonders vorteilhafte Weise ermöglicht, daß zum einen das Spiel durch Erzeugung entgegengesetzt gerichteterAntriebskräfte kontinuierlich ausgeglichen wird. Zum anderen können auch hohe Lenkeinschlagkräfte durch gleichgerichtete Antriebskräfte, die insbesondere in Extremsituationen erforderlich sind, erzeugt werden. Wenn eine gewöhnlich große Lenkkraft aufgebracht werden muß, werden die beiden Stellmotoren vorzugsweise so angesteuert, daß sie gleichgerichtete Kräfte bzw. Antriebsmomente erzeugen.
Um eine möglichst optimale Kompensation des Lenkspiels zu erzielen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Motoren so angesteuert werden, daß im Normalbetriebs- zustand ein Lenkeinschlag in eine Richtung nur durch Betätigen eines Motors hervorgerufen wird, während simultan hierzu eine Betätigung des anderen Motors in die entgegengesetzte Richtung zur Erzeugung eines definierten Bremsmoments erfolgt. Auf diese Weise wird der gesamte Lenkantrieb gewissermaßen verspannt, wodurch ein Lenkspiel sehr wirkungsvoll verhindert wird.
Um das Bremsmoment oder der Bremskraft unterschiedlichen Lenkanforderungen anpassen zu können, die insbesondere durch unterschiedliche Fahr-, Straßenzustände u.dgl. hervorgerufen werden, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Größe des Bremsmoments oder der Bremskraft veränderbar ist .
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Bremsmoment so eingestellt wird, daß sich über sämtliche Lenkwinkeleinschläge eine konstante Differenz der von den beiden Motoren erzeugten Antriebskräfte einstellt. Aufgrund dieser, eine Verspannungskraft darstellenden Differenz der Antriebskräfte wird eine kontinuierliche Verspannung des Lenkantriebs im Normal - betrieb ermöglicht.
Um diese Verspannung noch weiter zu verbessern und um insbesondere auch ein Spiel bei sehr schnellen Stell - bewegungen zu verhindern, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß den von den beiden Stellmotoren erzeugten Kräften jeweils mit entgegengesetzten Vorzeichen ein Kraftanteil überlagert wird, der der Differenzdrehzahl der beiden Stellmotoren proportional ist. Hierdurch werden insbesondere auch Differenzschwingungen der Motoren, die infolge von Elastizitäten von Bauteilen der Motoren sowie der Getriebe entstehen können, sehr wirkungsvoll gedämpft.
Rein prinzipiell können als Stellmotoren die unterschiedlichsten Motoren verwendet werden. So sind beispielsweise Hydromotoren denkbar. Vorteilhafterweise werden als Stellmotore Elektromotoren verwendet.
Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Steer-by-Wire-Lenkantrieb, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
Fig. 2 schematisch ein ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterndes Kräftediagramm;
Fig. 3 schematisch ein ein weiteres Ausführungsbei- spiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterndes Kräftediagramm und Fig. 4 schematisch ein ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterndes Kräftediagramm.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein schematisch in Fig. 1 dargestellter Steer-by-Wire- Lenkantrieb umfaßt zwei Stellmotoren Ml, M2 , beispielsweise Elektromotoren, denen jeweils ein Getriebe Gl , G2 nachgeschaltet ist, welche über Ritzel Rl, R2 simultan ein mit den Rädern RAl, RA2 verbundenes Getriebeelement in Form einer Lenkbewegungen an Rädern RAl, RA2 hervorrufenden Zahnstange Z antreiben. Die beiden Motoren Ml, M2 sind durch eine Steuerschaltung S ansteuerbar.
Verfahren zur Beseitigung von eventuell auftretendem Lenkspiel werden nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 4 beschrieben.
In den Figuren 2 bis 4 sind die von den Stellmotoren Ml und M2 erzeugten Kräfte Fl, F2 jeweils über der Zahnstangenkraft FZ aufgetragen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird, wenn die Zahnstangenkraft FZ positiv sein soll, der Stellmotor Ml so angesteuert, daß über das ihm nachgeschaltete Getriebe Gl und das von diesem betätigte Ritzel Rl auf die Zahnstange Z eine Zahnstangenkraft FZ erzeugt wird, die im wesentlichen proportional zur Antriebskraft Fl ist. Simultan hierzu wird der Stellmotor M2 so angesteuert, daß er über das ihm nachgeschaltete Getriebe G2 und das Ritzel R2 auf die Zahnstange eine konstante Bremskraft -FB erzeugt. Dabei ist zu beachten, daß der Motor Ml auf die Zahnstange Z eine Kraft in eine Richtung ausübt, beispiels- weise in Fig. 1 nach links, wohingegen der Stellmotor M2 eine Kraft in die dazu entgegengesetzte Richtung, beispielsweise in Fig. 1 nach rechts erzeugt. Bei einem Lenkeinschlag nach links wird auf diese Weise durch den Stellmotor Ml über das Getriebe Gl und das Ritzel Rl auf die Zahnstange Z eine nach links gerichtete Antriebskraft Fl erzeugt, während gleichzeitig eine nach rechts gerichtete Bremskraft FB von dem Antriebsmotor M2 erzeugt wird. Umgekehrt wird bei einem Lenkeinschlag nach rechts von dem Antriebsmotor M2 und dem ihm nachgeschalteten Getriebe G2 sowie dem Ritzel R2 auf die Zahnstange Z eine Antriebskraft F2 nach rechts erzeugt, während gleichzeitig von dem Antriebsmotor Ml eine Bremskraft FB nach links erzeugt wird.
Hierdurch werden in dem Lenkantrieb definierte Ver- spannungskräfte erzeugt, nämlich bei einem Lenkeinschlag nach links eine nach rechts gerichtete Verspannungskraft und bei einem Lenkeinschlag nach rechts eine linksgerichtete Verspannungskraft . Aufgrund dieser Verspannungskrafte wird erreicht, daß die Zahnräder der Getriebe und die Ritzel Rl, R2 immer an denselben Zahnflanken der Zahnstange Z anliegen, wodurch Spiele keine Wirkung haben. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel liegt das dem Stellmotor Ml nachgeschaltete Ritzel Rl immer an den linken, wohingegen das dem Stellmotor M2 nachgeschaltete Ritzel R2 immer an den rechten Zahnflanken der Zahnstange Z an.
Wenn beispielsweise eine Zahnstangenkraft in positive Richtung, um beispielsweise eine Lenkbewegung nach links zu bewerkstelligen, erforderlich ist, liefert der Stellmotor Ml und das ihm nachgeschaltete Getriebe Gl über das Ritzel Rl eine Motorkraft Fl = FZ + FB, wohinge- gen M2 eine Kraft F2 = -FB liefert, wie es aus Fig. 2 hervorgeht. Es versteht sich, daß jeder Stellmotor Ml, M2 so große Kräfte erzeugen können muß, daß die maximale erforderliche Zahnstangenkraft FZmax erreichbar ist, d.h. es muß gelten: Fmax > FZmax + FB, wobei Fmax die Maximal - kraft eines Stellmotors Ml, M2 ist.
Wenn dann beispielsweise beim Lenken im Stand (bei schlechten Straßenverhältnissen) oder aufgrund anderer Umstände die einzelnen Stellmotoren Ml, M2 nicht genügend hohe Kräfte erzeugen können, um einen Lenkeinschlag zu bewerkstelligen, kann die Betätigung des Lenkantriebs auf die in Verbindung mit Fig. 3 nachfolgend erläuterte Weise erfolgen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann die Bremskraft FB verändert, im in Fig. 3 dargestellten Falle verringert, werden, wenn die Antriebskraft der antreibenden Stellmotoren Ml, M2 nicht ausreicht (Bereich I) . Ist überhaupt keine Bremskraft mehr vorhanden (Punkte II) , kann der im Normalbetriebszustand bremsende Stellmotor Ml oder M2 auch so angesteuert werden, daß er eine Antriebskraft in die gleiche Richtung erzeugt wie der jeweils im Normalbetriebszustand antreibende andere Motor. In diesem Falle wird jedoch ein eventuell vorhandenes Lenkspiel wirksam. Dieser Fall tritt nur in Ausnahmesituationen ein.
Bei einem wiederum anderen, im Zusammenhang mit Fig. 4 erläuterten Ausführungsbeispiel werden die beiden Motoren Ml, M2 so angesteuert, daß über sämtliche Lenkwinkeleinschlage eine konstante Differenz der von den beiden Stellmotoren Ml, M2 erzeugten Antriebskräfte eingestellt wird. Diese als Verspannungskraft FV wirkende Differenz- kraft gleicht ein eventuell vorhandenes Lenkspiel im Normalbetriebszustand aus. Wie oben beschrieben, können auch in diesen Fällen bei außergewöhnlich hohen Zahnstangenkräften beide Motoren Ml, M2 zum Antreiben verwendet werden, wobei allerdings beim Vorzeichenwechsel jeweils einer Motorkraft (vergl . Punkte III) eventuell vorhandene Lenkspiele wirksam werden.
Die oben beschriebenen Verspannungen können noch verbessert werden, indem den Motorkräften Fl, F2 ein zusätzlicher Anteil überlagert wird, der von der Differenz der Drehzahlen der Motoren Ml, M2 abhängt und die Differenzbewegung bedämpft. Bei einer proportionalen AufSchaltung ist dann:
Fl' = Fl + K x (ω2 - ωl) ,
F2' = F2 - K x (ω2 - ωl) ;
wobei Fl', F2 ' die von den Motoren Ml, M2 erzeugten Kräfte darstellen, Fl,2 der Kraftanteil der Motoren Ml, M2 ist, der sich aus der Verspannungskennlinie ergibt, K ein Verstärkungsfaktor und ωl, ω2 die Drehzahlen der Motoren Ml, M2 sind.
Die Addition derartiger Kraftanteile verhindert auch bei schnellen Stellbewegungen, daß Spiele wirksam werden. Außerdem werden Differenzschwingungen der Motoren, die infolge von Elastizitäten der Getriebebauteile, Wellen u.dgl. auftreten können, gedämpft.
Bei Ausfall eines Motors ist eine Verspannung nicht mehr möglich ist. In diesem Falle kann die Ansteuerung des noch funktionierenden Motors über ein Notlaufprogramm ohne Verspannung erfolgen. Der besonders große Vorteil des obenbeschriebenen Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, daß bei der Konstruktion der Lenkantriebe nicht mehr auf Spiel - freiheit geachtet werden muß. Dies hat zur Folge, daß bei der Fertigung größere Toleranzen zulässig sind, wodurch die Herstellungskosten erheblich verringert werden. Durch Ansteuerung der Motoren Ml, M2 können die Verspannungs- kennlinien so gewählt und über Parameter modifiziert werden, daß entweder das Spiel unter keinen Umständen wirksam wird (Verspannung der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie) oder ein Spiel nur bei extrem großen Lenkkräften kurzzeitig wirksam wird (vgl. Fig. 3, Fig. 4) . Es können elektrische Motoren mit Vorzugsdrehrichtung verwendet werden, wobei die Vorzugsdrehrichtung der gewöhnlichen Treibrichtung des jeweiligen Motors entspricht. Hierdurch sind größere Motorkräfte erzeugbar oder kleinere Motoren verwendbar.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Betätigung eines "Steer-by-Wire" - Lenkantriebs mittels wenigstens zwei ansteuerbaren Stellmotoren (Ml, M2) und diesen nachgeschalteten Getrieben (Gl, G2) , durch welche ein mit den Rädern (RAl, RA2) verbundenes Getriebeelement (Z) simultan antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stellmotoren (Ml, M2) derart unabhängig voneinander ansteuerbar sind, daß durch sie gleichzeitig sowohl gleichgerichtete als auch entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte (Fl, F2) gleichen oder unterschiedlichen Betrags erzeugbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren (Ml, M2) so angesteuert werden, daß im Normalbetrieb ein Lenkeinschlag in eine Richtung nur durch Betätigen eines Stellmotors (Ml oder M2) hervorgerufen wird, während simultan hierzu eine Betätigung des anderen Stellmotors (M2 oder Ml) in die entgegengesetzte Richtung zur Erzeugung eines definierten Bremsmoments bzw. einer definierten Bremskraft erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren (Ml, M2) so angesteuert werden, daß sie gleichgerichtete Kräfte bzw. Antriebsmomente erzeugen, wenn eine gewöhnlich große Lenkkraft aufgebracht werden muß.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Bremsmoments bzw. der Bremskraft veränderbar ist .
5. Verfahren nach Anspruch 2 , 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsmoment bzw. die Bremskraft so eingestellt wird, daß sich über sämtliche Lenkwinkeleinschläge eine konstante Differenz der von den beiden Stellmotoren (Ml, M2) erzeugten Antriebskräfte (Fl, F2) einstellt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den von den beiden Stellmotoren (Ml, M2) erzeugten Kräften jeweils mit entgegengesetztem Vorzeichen ein Kraftanteil überlagert wird, der der Differenzdrehzahl der Stellmotoren (Ml, M2) proportional ist.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellmotoren (Ml, M2) Elektromotoren verwendet werden.
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