WO2020200616A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer lenkung eines kraftfahrzeugs sowie steuergerät und lenkung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer lenkung eines kraftfahrzeugs sowie steuergerät und lenkung Download PDF

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WO2020200616A1
WO2020200616A1 PCT/EP2020/055720 EP2020055720W WO2020200616A1 WO 2020200616 A1 WO2020200616 A1 WO 2020200616A1 EP 2020055720 W EP2020055720 W EP 2020055720W WO 2020200616 A1 WO2020200616 A1 WO 2020200616A1
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WO
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electric motor
steering
handlebar
wheel
torque
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PCT/EP2020/055720
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Hubertus Eilers
Caspar Lovell
Jochen SPIEGELBERG
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B62D7/148—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering provided with safety devices
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    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0469—End-of-stroke control

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a steering system and a device for operating a steering system of a motor vehicle, as well as a control unit and a steering system according to the preambles of the independent claims.
  • a drive unit has a driven reduction gear, which acts on a mechanical transmission element in such a way that a self-locking coaxial reduction gear is provided with respect to a back-driving torque exerted by the transmission element, the transmission element itself not being self-locking.
  • a force acting in the reverse drive direction in the direction of the translational movement does not cause any adjustment, since the reduction gear prevents this.
  • the effort due to an additional reduction gear is not insignificant.
  • An additional reduction gear also requires installation space and requires additional weight.
  • the invention initially relates to a method for operating the steering of a motor vehicle, wherein a handlebar can be held or displaced along its longitudinal axis by means of an electric motor, so that the wheel steering angle of at least one Ra of the at least one vehicle axle can be maintained or changed.
  • the electric motor is coupled to the handlebar at least by means of a movement thread, so that when the electric motor is rotated, the handlebar is shifted in one direction or the other.
  • the movement thread has, at least in the return direction, an efficiency with at least a little inhibition.
  • the thread pitch can be selected so that self-locking occurs.
  • a force acts on the handlebar, which essentially acts axially, ie essentially along or in the direction of the longitudinal axis, the handlebar will not shift in the event of self-locking, at least under static loads.
  • the self-locking is therefore equivalent to a blocking.
  • dynamic loads there may be a shift in spite of self-locking - even in the drive and not only in the reverse drive direction.
  • a motion thread with a high degree of efficiency is used, for example a ball or roller screw drive, the force acting essentially axially on the handlebar causes the handlebar to be displaced in the reverse drive direction - that is, against the drive direction.
  • the high degree of efficiency means that such a movement thread, which is intended here, has a low inhibition, but no self-inhibition.
  • the slight inhibition can, for example, be due to the friction in the movement thread and / or due to the tribology within the movement thread, depending on the lubricant used.
  • the movement thread can therefore have at least a slight inhibition, at least as a function of the thread pitch.
  • the lower the escapement the smoother the movement thread and the higher its efficiency.
  • less drive is required for the steering power needed.
  • a smaller drive motor can then be used than with a movement thread with a low degree of efficiency, such as a trapezoidal thread. DIN 103.
  • wheels are arranged at the ends thereof, which wheels are subjected to a wheel steering angle change on at least one axle to steer the vehicle.
  • the wheel steering angle is approximately 0 degrees, depending on the toe-out or toe-out that is provided by the design or that is set.
  • the steering angle of the wheels is changed by means of the steering so that the vehicle can move in the intended direction. It is possible that the wheel steering angle is changed on the front axle or on the rear axle or on both axles or other axles. So that the vehicle can follow the intended route, also known as the trajectory, the wheel steering angle must be maintained after it has been changed.
  • the wheels To maintain a trajectory, the wheels must always be guided so that they maintain the intended wheel steering angle.
  • the wheels which are articulated by means of wheel carriers on the body about their vertical axis, who leads the ge through the steering and by means of articulated links to the steering. If the steering rod is now axial, d. H. shifted along its longitudinal axis, this causes the change in the wheel steering angle of the respective wheel. After changing the wheel steering angle, the retention of the changed wheel steering angle is effected by guiding the wheels.
  • the shifting of the handlebar can be effected by an electric motor if its axis of rotation is coupled directly or indirectly to the handlebar via a pinion or gear or spindle nut or the like.
  • the electric motor can be wired or energized in such a way that it generates a counter-torque by means of a position control, so that a displacement of the handlebar due to the side forces acting by the wheels can be prevented.
  • the wheel steering angle thus remains as set by means of the steering. This is accomplished, for example, by a position control, so that the holding torque of the electric motor determined by means of a sensor is kept so high that a change in the steering angle of the wheels is prevented both when driving straight ahead and when cornering.
  • the electric motor is controlled in such a way that the position of the handlebar is maintained.
  • the movement thread can for example consist of a toothed wheel which rotates around its axis of rotation and is connected to a steering rod in the form of a rack Intervention is. When the gear is rotated, an axial displacement of the steering rod is effected.
  • the toothed wheel and toothing of the rack are designed in such a way that the pinion or toothed wheel cannot rotate when a force is applied to the rack. This is also understood as mechanical self-locking with movement threads.
  • the toothed rack can also be designed in the form of a spindle with its external thread in engagement with a fixedly mounted spindle nut with internal thread.
  • a movement thread with mechanical self-locking has only a low level of efficiency. This is the case, for example, when the movement thread is designed with a worm drive or a trapezoidal thread.
  • the present invention provides that in the event of a force acting essentially axially on the handlebar, a displacement of the handlebar is at least inhibited. In other words, the shift is only permitted to a limited extent and / or even completely inhibited or blocked.
  • the cogging torque of the electric motor is used and, additionally or instead, a torque induced by the electric motor itself is used.
  • the displacement of the handlebar by means of the side force of the wheels due to the coupling of the electric motor by means of the movement thread causes an opposite torque to the electric motor.
  • a torque to prevent the axial displacement of the handlebar must therefore be so large that the Inhibition or blocking of the rotation of the electric motor is made possible.
  • the torque, also called the torque, from the cogging torque and / or the self-induced torque of the electric motor can be designed according to the respective requirement.
  • the invention relates primarily to normal use of the steering. That is, the intended inhibition does not include burdens of abuse. For example, when driving hard on a curb (curb bump), unusually high lateral forces occur during normal operation, which are also referred to as special event loads. With these high loads, an inhibition is rather counterproductive, as an inhibition is then undesirable because it would cause even greater damage to the wheel-guiding chassis components (e.g. tie rods). Such high loads cause lateral forces which e.g. are more than twice as large as the maximum side forces that can be expected in normal operation of the vehicle and the steering.
  • Cogging torque is a property of electric motors that are present due to the use of permanent magnets in the stand and a grooved armature made of electrical steel sheets or vice versa. In the case of motors that are grooved in both the stator and the armature, cogging torques also occur during operation. By changing the air gap when changing from the number of armatures to the armature groove compared to the permanent magnet, the magnetic resistance and thus the force on the armature varies. The effect can be said in simplified terms that the rotor stops in certain positions due to the cogging torque after the electric motor has been switched off. The motor thus has its design-related detent torque when it is at a standstill, ie even when it is de-energized.
  • the invention makes use of this moment as a counter-moment, as it were, which counteracts the moment which is generated due to the force acting on the handlebar by means of the movement thread.
  • the cogging torque of the electric motor provides a counter-torque which is then available.
  • This quasi-passively present detent torque causes a holding force which is directed against the force acting essentially axially on the handlebar.
  • the rotation of the motor is thus prevented changes, so that due to the coupling by means of the movement thread, the steering rod does not move in the event of a fault.
  • the detent torque replaces the self-locking.
  • the electric motor can be designed with regard to a required detent torque.
  • a self-induced torque of the electric motor is used.
  • the self-induced torque is preferably brought about by an at least temporarily present phase short circuit in the electric motor phases. With open phases, the electric motor can be turned almost freely after overcoming its cogging torque. If the phases of the electric motor are short-circuited, when the electric motor begins to rotate, an opposing torque builds up, the so-called self-induced torque. In other words, when the phases are short-circuited, the motor can only be rotated very slightly due to the counter-torque which is set immediately when the motor axis rotates.
  • phase short circuit the actual short circuit
  • FET field effect transistors
  • a temporary phase short circuit is to be understood as a pulsed phase short circuit, i. H. the phase short-circuit is switched at time intervals or clocked.
  • the electric motor phases are wired in such a way that the phase short-circuit on the electric motor phases is present when there is a fault in the steering, preferably when the power supply fails, so that the displacement of the handlebar is at least inhibited.
  • the phases of the electric motor are kept open. A normal voltage supply takes place so that the electric motor can drive the steering in the normal state.
  • a phase short circuit is automatically generated on the electric motor phases. This can be done, for example, by an electromagnetically opened relay which, due to the spring preload of the contacts of the relay, generates a phase short circuit to the electric motor when the supply voltage drops.
  • FETs with preferred positions can be used, which can also switch a phase short circuit in the event of a voltage drop or failure. This ensures that the phase short circuit on the electric motor phases is passively maintained in the event of a fault, so that immediately after the voltage supply drops or fails, the shifting of the steering rod is at least inhibited.
  • the electric motor is controlled via a control device which is designed in such a way that a short circuit on the phases of the electric motor is enabled via the control device in the event of a fault in the voltage supply. It is preferably provided that the control device also generates a phase short circuit when the engine is at a standstill. This ensures that even in the event of a fault which occurs only after the steering is restarted, the displacement of the steering rod is at least inhibited.
  • the aforementioned error can be present in the control system or the control unit as well as due to failure or lack of power supply. The error can also be caused by failure of electrical components in the electric motor or the control unit or a bus system such. B. the CAN bus occur when a steering system is used in a motor vehicle whose control unit operates this steering.
  • the phase short circuit is preferably only switched when a tolerated displacement of the spindle has been exceeded.
  • the position of the handlebar is detected by means of suitable sensors.
  • suitable sensors for example, non-contact Hall sensors or the sensors of the electric motor can be used.
  • the phase short-circuit is switched only after a certain shifting of the spindle, i.e. a so-called tole-ized shifting of the steering rod.
  • the control unit would detect a displacement of the steering rod by a few millimeters, for example 5 to 15 mm, and switch the phase short circuit to the electric motor phases after this threshold has been reached in order to at least inhibit or completely block any further displacement.
  • the method is preferably carried out as a function of parameters of the steering.
  • the parameters can include at least the cogging torque of the electric motor and / or the expected self-induced torque of the electric motor in the event of a phase short circuit and / or the efficiency of the movement thread and / or a gear ratio when using an intermediate gear.
  • An intermediate gear is present, for example, when the electric motor or its drive axle is provided with a belt pinion which drives a belt pulley via a toothed belt.
  • the Rie menrad is in turn coupled to a spindle nut or a gear, which is in engagement with the teeth or the thread of the handlebar.
  • the moment arising due to the force acting essentially axially on the handlebar and / or the instantaneous axial displacement of the handlebar can also be taken into account.
  • parameters such as the temperature in the spindle drive in relation to a possible setting speed of an actuator for operating the steering and the prevailing outside temperature with a view to the tribology of the overall system can be taken into account in order to inhibit or block cause.
  • the efficiency of the movement thread decreases because the lubricant used in the movement thread has a higher viscosity. This fact can be added to the detent torque.
  • the force acting on the handlebar can thus be greater without causing an opposing moment on the electric motor by means of the movement thread.
  • the inhibition or blocking of the displacement of the handlebar is influenced by the parameters not finally mentioned here.
  • the invention also relates to a control device for executing a method for operating a steering system according to the aforementioned embodiments.
  • the aforementioned control device can be designed as a separate device, that is to say a single control device.
  • the method can be carried out on a control device that is present in a motor vehicle.
  • the method can be carried out by means of program code on a computing unit.
  • the computing unit can be part of the control unit.
  • the aforementioned parameters can be determined and stored by means of the control device using suitable sensors.
  • the data determined can be taken into account by the processing unit by means of the program code when the phase short circuit is switched.
  • the invention also relates to a device for operating a steering system for at least one axle of a motor vehicle with a handlebar, an electric motor being coupled to the handlebar at least by means of a movement thread to displace it along its longitudinal axis, the movement thread having an efficiency with at least low self-locking having.
  • the device can be designed as an actuator which can move the handlebar along its longitudinal axis.
  • the handlebar can be part of the actuator.
  • An actuator can be seen for each wheel, which can change the wheel steering angle of the respective wheel.
  • a centrally acting actuator can be provided which is fixed to the body or vehicle body and in which the steering rod can be axially displaced in one direction or the other in order to change the wheel steering angle on at least two wheels at the same time.
  • the device or the actuator can have a housing in which a spindle nut as part of the movement thread is stationary and over the Electric motor is arranged to be drivable. By turning the stationary spindle nut, its rotational movement is converted into a translational movement via a spindle with an external thread. As mentioned above, there can also be a toothing on the handlebar, in which a pinion engages which is connected to the axis of the electric motor. When the gear is rotated, the steering rod or rack is moved in one direction or the other in order to be able to change the wheel steering angle.
  • the device is characterized in that with a force acting essentially axially on the handlebar, at least one inhibition of the displacement of the handlebar by means of a cogging torque of the electric motor and / or a self-induced torque of the electric motor can be brought about.
  • the device or the actuator is, as already said above with regard to the method, advantageously able to allow the displacement of the handlebar to be inhibited and thus the change in the wheel steering angle.
  • the device or the actuator has a spindle drive, the steering rod being designed as a spindle, and a spindle nut mounted stationary in the spindle drive and coupled to the electric motor directly or via an intermediate gear so that Rotation of the spindle nut ter shifts the spindle along its longitudinal axis.
  • the steering rod is designed as a rack in which a gear engages, which is coupled to the electric motor, so that when the electric motor rotates, the rack moves along its longitudinal axis depending on the direction of rotation of the electric motor.
  • the invention finally relates to a steering system which has a device as mentioned above.
  • the steering has at least one handlebar, which directly or with the interposition of other links, eg. B. two-point link with the Radträ like a vehicle axle are connected.
  • the steering rod must be axially displaced to achieve a change in the wheel steering angle.
  • the device or the current ator forms the drive for the axial displacement of the steering rod.
  • the steering can take place purely via one or more control units as a function of data and parameters that have been determined or are available inside or outside the vehicle.
  • environmental data e.g. using car-to-car (c2c) and / or car-to-X (c2x) and / or cloud-based data, which is processed by a control unit of the vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a rear axle of a
  • Fig. 2 is a schematic view of a device for operating a steering system
  • FIG. 1 The schematic representation according to FIG. 1 shows a vehicle axle 1, shown here as a rear axle with an auxiliary frame 2 which is attached to or forms a vehicle body and is connected to the body of a motor vehicle.
  • the wheels 5 and 6 are articulated to the subframe 2 by means of links 3.
  • the links 3 are part of the wheel suspension for the wheels 5, 6.
  • an actuator 10 of a steer-by-wire system 12 is arranged on the subframe 2.
  • the actuator 10 is attached to the auxiliary frame 2 with its housing 21.
  • the actuator 10 has, as a central actuator, a continuous handlebar 27 which is passed through the housing 21 of the actuator 10.
  • the drive motor 22 is arranged axially parallel to the steering rod 27.
  • tie rods 23 are articulated, which are articulated with the end facing away from the actuator 10 each with the wheel carrier of the wheels 5 and 6, not shown. It is obvious that with an axial displacement, i.e. a displacement of the handlebar 27 along the longitudinal axis a in one direction or the other, a change in the wheel steering angle 8, 9 takes place because the tie rods 23 have a positive connection between the wheel 5, 6 or Represent the wheel carrier and the actuator 10. To steer the wheels 5, 6, they are hinged to the wheel suspension 3 so that they can rotate about their vertical axis.
  • the actuator 10 is a device which enables the steering 12 to be operated.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the actuator 10 already shown in FIG. 1.
  • the actuator 10 has a housing 21 on which a drive motor 22 is arranged axially parallel.
  • the spindle drive 20 consisting of the spindle nut 25 and the handlebar 27 designed as a threaded spindle, is net angeord.
  • the spindle nut 25 is mounted in a fixed and rotatable manner in relation to the housing 21 with a roller bearing 29.
  • the threaded spindle 27g is passed through the spindle nut 25 and arranged coaxially therewith.
  • a belt wheel 30 is rotatably arranged on the Spindelmut ter 25.
  • the electric motor 22 has a drive pinion 32.
  • a drive belt 34 in the form of a toothed belt wraps around both the drive pinion 32 and the belt wheel 30 so that when the electric motor or drive motor 22 rotates, the spindle nut 25 rotates around the longitudinal axis a without slipping becomes.
  • Drive pinion 32, pulley 30 and the drive belt 34 form an intermediate gear.
  • the steering rod 27 is linearly shifted in one direction or the other along the longitudinal axis a depending on the direction of rotation of the electric motor 22.
  • a force Fext acting essentially axially on the steering rod 27 the spindle nut 25 wants to rotate so that a torque is caused due to the force Fext.
  • the electric motor 22 will also rotate and there may be an axial displacement of the steering rod 27 in the return direction if no measures according to the invention are taken against it. This is particularly undesirable in the event of a fault, for example when the actuator is de-energized and this state can lead to an uncontrolled change in the wheel steering angle.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the method for operating a steering system in one possible embodiment.
  • An electric motor 22 has a cogging torque RM and a self-induced torque Msip.
  • the electric motor 22 or its phases are controlled or switched via a control unit SG.
  • the properties of the electric motor in the form of the Rastmo ments RM and the self-induced moment Msip are stored in the control unit. If an external force Fext now acts on the steering rod 27 or the threaded spindle 27g, a torque is generated depending on the efficiency of the movement thread 20 in the return direction. This torque acts on the electric motor 22 directly or indirectly when an intermediate gear ZG in the form of a belt drive is used.
  • the movement thread 20 consists of a steering rod 27 in the form of a rack and a gear engaging in the rack, which is connected to the axis of the electric motor 22, the torque acts directly on the electric motor 22.
  • the movement thread consists of a threaded spindle 27g and a spindle nut 25 encompassing this when the spindle nut 25 is coupled to the axis of the electric motor 22, as in the embodiment according to FIG. 2.
  • the electric motor 22 can be designed as a hollow-shaft motor instead of a coaxial motor, so that in the latter case the rotor of the electric motor 22 forms the spindle nut 25 and so, when rotating, the spindle 27g is device shifted axially. So that the spindle does not rotate, an anti-rotation device is used with respect to the housing 21 if necessary.
  • An indirect connection is used here when the gear or the spindle nut 25 are coupled to the electric motor 22 via an intermediate gear ZG.
  • the detent torque present in the electric motor 22 provides a counter-torque to the torque generated by the external force Fext and the movement thread 20, possibly with the interposition of the intermediate gear. A shift of the steering rod is inhibited or blocked until the torque generated by the movement thread is higher than the cogging torque of the electric motor 22. If there is a phase short circuit in the phases of the electric motor, for example switched in the event of a fault by the control unit SG, a self-induced torque Msip is generated when the detent torque RM is exceeded and the axis of the electric motor 22 begins to rotate.
  • the self-induced torque Msip builds up as soon as the axis of the electric motor begins to rotate and inhibits or blocks the displacement of the steering rod 27
  • the axial displacement of the steering rod 27 is at least immediately inhibited or blocked.
  • the type and size of the inhibition can be controlled by a control device by means of temporary switching of the phase short circuit or via resistors (FET).
  • Subframe vehicle body handlebar, wheel suspension wheel

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkung (12) eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Lenkstange (27) mittels eines Elektromotors (22) entlang ihrer Längsachse a gehalten oder verlagert werden kann, so dass der Radlenkwinkel (8, 9) zumindest eines Rades (5, 6) zumindest einer Fahrzeugachse (1) gehalten oder geändert werden kann. Bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange (27) einwirkenden Kraft Fext wird eine Verlagerung der Lenkstange (27) mittels eines Rastmoments RM des Elektromotors (22) und/oder eines selbstinduzierten Moments Msip des Elektromotors zumindest gehemmt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Betreiben des Verfahrens sowie eine Lenkung, welche vo zugsweise als steer-by-wire-Lenkung ausgebildet ist. Zum Ausführen des Verfahrens ist ein Steuergerät vorgesehen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie
Steuergerät und Lenkung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkung und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuergerät und eine Len kung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Aus der DE 41 27 487 A1 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewe gung in eine Translationsbewegung offenbart. Eine Antriebseinheit weist ein angetriebe nes Untersetzungsgetriebe auf, welches auf ein mechanisches Übertragungselement derart einwirkt, dass ein bezüglich einem vom Übertragungselement ausgeübten rück treibenden Drehmoment ein selbsthemmend ausgelegtes koaxiales Untersetzungsge triebe vorgesehen ist, wobei das Übertragungselement selbst nicht selbsthemmend ausgebildet ist. Eine in Rücktriebsrichtung wirkende Kraft in Richtung der Translations bewegung bewirkt keine Verstellung, da das Untersetzungsgetriebe dieses verhindert. Zu Konstruktion und Auslegung und auch kostenseitig ist der Aufwand durch ein zusätz liches Untersetzungsgetriebe nicht unerheblich. Ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe benötigt zudem Bauraum und bedingt ein zusätzliches Gewicht.
Um bei einem Lenksystem im Fehlerfall ein Wandern einer Lenkstange zu verhindern, damit sich die Radlenkwinkel der mit der Lenkstange gekoppelten Räder nicht unbeab sichtigt ändern können, schlägt die DE 10 2010 042 329 A1 vor, dass das Lenksystem mittels eines Sperrelementes eine axiale Verlagerung der Lenkstange verhindert. Ähn lich zum vorgenannten Stand der Technik mit zusätzlichem Untersetzungsgetriebe ist bei dem hier gezeigten Lenksystem das Sperrelement als zusätzliche Baugruppe zu be trachten. Dieses bedingt ebenfalls Bauraum sowie zusätzliche Kosten und ein zusätzli ches Gewicht für das Lenksystem.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs derart auszu bil den, dass die zuvor beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Es wird hierzu ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuergerät und eine Lenkung gemäß den unabhängigen An sprüchen in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen vorgeschlagen. Be vorzugte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkung eines Kraft fahrzeugs, wobei eine Lenkstange mittels eines Elektromotors entlang ihrer Längsachse gehalten oder verlagert werden kann, so dass der Radlenkwinkel zumindest eines Ra des zumindest einer Fahrzeugachse gehalten oder geändert werden kann. Der Elektro motor ist zumindest mittels eines Bewegungsgewindes mit der Lenkstange gekoppelt, so dass bei Drehung des Elektromotors die Lenkstange in die eine oder andere Rich tung verlagert wird. Das Bewegungsgewinde weist zumindest in Rücktriebsrichtung ei nen Wirkungsgrad mit zumindest geringer Hemmung auf.
Bei einem Bewegungsgewinde kann die Gewindesteigung so gewählt werden, dass eine Selbsthemmung auftritt. Bei Einwirken einer Kraft, welche im Wesentlichen axial, also im Wesentlich entlang bzw. in Richtung zur Längsachse auf die Lenkstange wirkt, wird sich bei Selbsthemmung die Lenkstange zumindest bei statischen Lasten nicht ver lagern. Die Selbsthemmung kommt also einer Blockierung gleich. Bei dynamischen Lasten kann es jedoch trotz Selbsthemmung zu einer Verlagerung - sogar in Antriebs und nicht nur in Rücktriebsrichtung kommen. Wird jedoch ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad verwendet, beispielsweise ein Kugel- oder Rollgengewinde trieb, so bewirkt die im Wesentlichen axial auf die Lenkstange wirkende Kraft eine Ver lagerung der Lenkstange in Rücktriebsrichtung - also entgegen der Antriebsrichtung. Der hohe Wirkungsgrad bedingt, dass ein solches und hier beabsichtigtes Bewegungs gewinde eine geringe Hemmung, jedoch keine Selbsthemmung aufweist. Die geringe Hemmung kann z.B. aufgrund der Reibung in dem Bewegungsgewinde und/oder auf grund der Tribologie innerhalb des Bewegungsgewindes in Abhängigkeit des verwende ten Schmierstoffes vorliegen. Konstruktiv kann also das Bewegungsgewinde zumindest in Abhängigkeit der Gewindesteigung zumindest eine geringe Hemmung aufweisen. Je geringer die vorhandene Hemmung, je leichtgängiger ist das Bewegungsgewinde und je höher ist dessen Wirkungsgrad. Für die Lenkung wird entsprechend weniger Antriebs- leistung benötigt. Es kann dann hinsichtlich des Bauraums ein kleiner bauender An triebsmotor verwendet werden als bei einem Bewegungsgewinde mit niedrigem Wir kungsgrad, wie z.B. einem Trapezgewinde gern. DIN 103.
Bei einer Fahrzeugachse sind an deren Enden Räder angeordnet, welche zum Lenken des Fahrzeugs zumindest an einer Achse mit einer Radlenkwinkeländerung beauf schlagt werden. Bei der Geradeausfahrt beträgt der Radlenkwinkel in Abhängigkeit von der konstruktiv vorgesehenen bzw. der eingestellten Vor- oder Nachspur annähernd 0 Grad. Je nach beabsichtigter Fahrt in einer Kurve oder beim Abbiegen des Fahrzeugs werden mittels der Lenkung die Radlenkwinkel der Räder geändert, so dass das Fahr zeug in die vorgesehene Richtung fahren kann. Dabei ist es möglich, dass der Radlenk winkel an der Vorderachse oder an der Hinterachse oder aber an beiden Achsen oder weiteren Achsen verändert wird. Damit das Fahrzeug dem vorgesehenen Fahrweg, auch Trajektorie genannt, folgen kann, muss der Radlenkwinkel nach dessen Änderung gehalten werden. Zum Beibehalten einer Trajektorie müssen die Räder grundsätzlich geführt werden, damit diese den beabsichtigten Radlenkwinkel beibehalten . Die Räder, welche mittels Radträgern an der Karosserie um ihre Hochachse angelenkt sind, wer den durch die Lenkung und mittels mit der Lenkung gelenkig verbundenen Lenkern ge führt. Wird nun bei der Lenkung die Lenkstange axial, d. h. entlang ihrer Längsachse verlagert, so bedingt dieses die Änderung des Radlenkwinkels des jeweiligen Rades. Nach der Änderung des Radlenkwinkels wird durch die Führung der Räder die Beibe haltung des geänderten Radlenkwinkels bewirkt. Die Verlagerung der Lenkstange kann dabei durch einen Elektromotor bewirkt werden, wenn dessen Drehachse unmittelbar oder mittelbar über ein Ritzel oder Zahnrad oder Spindelmutter oder dergleichen mit der Lenkstange gekoppelt ist.
Bei einem Kraftfahrzeug wirken je nach Fahrweg Seitenkräfte auf die jeweiligen Räder. Bei der Geradeausfahrt sind beispielsweise Seitenkräfte eher gering und durch dynami sche Einflüsse aufgrund der Oberfläche bzw. dem Zustand der Fahrbahn oder Seiten wind gegeben. Bei einer Kurvenfahrt hingegen werden beispielsweise bei einer Links kurve die Räder nach links gelenkt, wodurch sich hohe Querkräfte als Seitenkräfte erge ben, die auf das Rad und den Radträger wirken. Ohne Führung würden sich die Rad lenkwinkel unkontrolliert ändern. Zur Führung der Räder müssen diese Seitenkräfte von den Lenkern bzw. der Lenkstange der Lenkung aufgenommen werden. Zur Abstützung der Lenkung ist diese wiederum über einen Hilfsrahmen bzw. unmittelbar dem Fahr zeugaufbau verbunden. Im Normalbetrieb der Lenkung kann der Elektromotor derart beschältet bzw. bestromt werden, dass dieser mittels einer Lageregelung ein Gegenmo ment erzeugt, so dass eine Verlagerung der Lenkstange aufgrund der durch die Räder einwirkenden Seitenkräfte verhindert werden kann. Der Radlenkwinkel verbleibt somit wie mittels der Lenkung eingestellt. Dieses wird beispielsweise durch eine Lagerege lung bewerkstelligt, so dass das mittels eines Sensors ermittelte Haltemoment des Elektromotors so groß gehalten wird, dass sowohl bei der Geradeausfahrt als auch bei der Kurvenfahrt eine Änderung der Radlenkwinkel an den Rädern unterbunden wird. Mit anderen Worten wird der Elektromotor so angesteuert, dass die Lage der Lenkstange gehalten wird.
Für den Fehlerfall, d. h. wenn die Stromversorgung zum Elektromotor z.B. unterbrochen oder ausgefallen ist, müssen Sicherheiten vorgesehen werden, so dass eine axiale Ver lagerung der Lenkstange aufgrund von Seitenkräften verhindert wird. Mit anderen Wor ten ist bei einer anliegenden Seitenkraft aufgrund einer Kurvenfahrt vorzusehen, dass die Lenkstange sich eigenständig axial nicht verlagert oder nur im zulässigen, d.h. tole riertem Rahmen gering verlagert werden kann, so dass das Fahrzeug kontrollierbar bleibt. Wird die Verlagerung der Lenkstange nicht wenigstens gehemmt oder gar blo ckiert, so kann sich ein unkontrollierbarer Fahrzustand aufgrund einer willkürlichen Än derung der Radlenkwinkel der Räder ergeben. Dieses ist insbesondere bei einer Len kung der Fall, welche ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad ist beispielsweise bei einem Kugelgewindetrieb vorhanden. Dieses weist eine zumindest geringe Selbsthemmung auf.
Wirkt eine Seitenkraft auf ein Rad, so wird in Rücktriebsrichtung eine Kraft auf die Lenk stange ausgeübt, so dass sich aufgrund des Bewegungsgewindes ein Gegenmoment bzw. ein zum Antriebsmoment gegenläufiges Moment für den Elektromotor ergibt. Das Bewegungsgewinde kann beispielsweise aus einem Zahnrad bestehen, welches sich um seine Rotationsachse dreht und mit einer Lenkstange in Form einer Zahnstange in Eingriff ist. Bei Drehung des Zahnrades wird somit eine axiale Verlagerung der Lenk stange bewirkt. Bei einem selbsthemmenden Bewegungsgewinde sind Zahnrad und Verzahnung der Zahnstange so ausgelegt, dass bei einer Krafteinwirkung auf die Zahn stange eine Verdrehung des Ritzels bzw. Zahnrads nicht möglich ist. Dieses wird auch als mechanische Selbsthemmung bei Bewegungsgewinden verstanden. Auch kann die Zahnstange in Form einer Spindel mit ihrem Außengewinde in Eingriff mit einer ortsfest gelagerten Spindelmutter mit Innengewinde ausgebildet sein. Ein Bewegungsgewinde mit mechanischer Selbsthemmung hat jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn das Bewegungsgewinde mit einem Schneckentrieb o- der einem Trapezgewinde ausgebildet ist.
Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird jedoch von einem Bewegungsge winde mit einem hohen Wirkungsgrad, d. h. von einem hohen Wirkungsgrad mit zumin dest geringer Hemmung ausgegangen. Dieses ist neben einem Kugelgewindetrieb in der Regel auch bei einem Rollengewindetrieb der Fall. Aufgrund der zumindest gerin gen Selbsthemmung, also mit anderen Worten geringen bis gar nicht vorhandenen Selbsthemmung, würde bei einer Seitenkraft bzw. Krafteinwirkung, welche im Wesentli chen in Richtung der Längsachse der Lenkstange einwirkt, eine Verlagerung der Lenk stange bewirkt werden. Mit anderen Worten würde im Fehlerfall die unerwünschte Ver lagerung der Lenkstange und somit der unkontrollierten Radlenkwinkeländerung der Räder an der jeweiligen gelenkten Fahrzeugachse eintreten.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenk stange einwirkenden Kraft eine Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt wird. Mit anderen Worten wird die Verlagerung nur begrenzt zugelassen und/oder sogar ganz gehemmt bzw. blockiert. Hierzu wird das Rastmoment des Elektromotors genutzt und zusätzlich oder stattdessen ein von dem Elektromotor selbst induziertes Moment ge nutzt. Wie bereits oben gesagt bewirkt die Verlagerung der Lenkstange mittels Seiten kraft der Räder aufgrund der Kopplung des Elektromotors mittels des Bewegungsgewin des ein gegenläufiges Drehmoment auf den Elektromotor. Ein Drehmoment zur Verhin derung der axialen Verlagerung der Lenkstange muss demnach so groß sein, dass die Hemmung bzw. Blockierung der Drehung des Elektromotors ermöglicht wird. Das Dreh moment, auch Moment genannt, aus Rastmoment und/oder selbstinduziertem Moment des Elektromotors kann dabei auf den jeweiligen Bedarf konstruktiv ausgelegt werden.
Die Erfindung bezieht sich vor allem auf den normalen Gebrauch der Lenkung. Das heißt, dass die beabsichtigte Hemmung keine Missbrauchslasten umfasst. Beispiels weise bei einer harten Auffahrt auf eine Bordsteinkante (Bordsteinrempler) entstehen für den Normalbetrieb unüblich hohe Seitenkräfte, die auch als Sonderereignislasten bezeichnet werden. Bei diesen hohen Lasten ist eine Hemmung eher kontraproduktiv, da eine Hemmung dann unerwünscht ist, weil dadurch ein noch größerer Schaden an radführenden Fahrwerksbauteilen (z.B. Spurstangelenker) entstünde. Derart hohe Las ten bewirken Seitenkräfte, die z.B. mehr als doppelt so groß sind wie maximal zu erwar tende Seitenkräfte im Normalbetrieb des Fahrzeuges und der Lenkung.
Als Rastmoment oder englisch auch cogging torque wird eine Eigenschaft elektrischer Motoren bezeichnet, die aufgrund der Verwendung von Permanentmagneten im Stän der und einem genuteten Anker aus Elektroblechen oder umgekehrt vorliegen. Bei Mo toren, die sowohl im Ständer als auch im Anker genutet sind, treten im Betrieb ebenfalls Rastmomente auf. Durch die Änderung des Luftspalts beim Wechsel von Ankerzahl auf Ankernut gegenüber dem Permanentmagneten variiert der magnetische Widerstand und damit die Kraft auf den Anker. Als Wirkung kann vereinfacht gesagt werden, dass der Rotor aufgrund des Rastmoments nach dem Abschalten des Elektromotors in be stimmten Stellungen stehen bleibt. Der Motor besitzt somit im Stillstand, d. h. auch im stromlosen Zustand sein konstruktiv bedingtes Rastmoment. Die Erfindung macht sich dieses Moment quasi als Gegenmoment zu Nutze, welches dem Moment entgegen wirkt, welches aufgrund der Krafteinwirkung auf die Lenkstange mittels des Bewegungs gewindes erzeugt wird. Mit anderen Worten wird im Fehlerfall, z.B. bei einem stromlo sen Zustand der Lenkung, durch das Rastmoment des Elektromotors ein Gegenmo ment vorgehalten, welches dann zur Verfügung steht. Dieses quasi passiv vorhandene Rastmoment bewirkt eine Haltekraft, die der im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft entgegengerichtet ist. Die Drehung des Motors wird somit verhin- dert, so dass sich aufgrund der Kopplung mittels des Bewegungsgewindes die Lenk stange im Fehlerfall nicht verlagert. Das Rastmoment ersetzt damit die Selbsthemmung. Der Elektromotor kann hinsichtlich eines benötigten Rastmomentes ausgelegt werden.
Zusätzlich bzw. alternativ zur Hemmung bzw. Blockierung des Elektromotors wird ein selbst induziertes Moment des Elektromotors genutzt. Das selbst induzierte Moment wird vorzugsweise durch einen zumindest temporär vorliegenden Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen bewirkt. Bei offenen Phasen kann der Elektromotor nach Überwindung seines Rastmoments quasi frei gedreht werden. Werden die Phasen des Elektromotors kurzgeschlossen, so baut sich bei beginnender Drehung des Elektromo tors ein gegenläufiges Moment auf, das sogenannte selbst induzierte Moment. Mit an deren Worten kann der Motor bei kurzgeschlossenen Phasen aufgrund des sich bei Drehung der Motorachse sofort einstellenden Gegenmoments nur sehr gering gedreht werden. Die Erfindung macht sich diese Eigenschaft zu Nutze, so dass bei zumindest temporärem Phasenkurzschluss die axiale Verlagerung der Lenkstange zumindest ge hemmt bzw. blockiert wird, wenn eine im Wesentlichen axial auf die Lenkstange ein wirkende Kraft, z. B. aufgrund von Seite nkräften, die auf die Räder wirken, vorliegt.
Alternativ oder in Verbindung mit dem Rastmoment des Elektromotos kann somit wir kungsvoll die Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt bzw. ganz blockiert wer den. Alternativ zum direkt an den Motorphasen geschalteten Phasenkurzschluss ^ei gentlicher Kurzschluss) kann dieser unter Zwischenschaltung von Widerständen oder Transistoren bewirkt werden. Bei Verwendung von Transistoren können sogenannte Feldeffekttransistoren (FET) verwendet werden, die als variable Widerstände eingesetzt werden können. Die Hemmung bzw. das selbstinduzierte Moment ist damit einstellbar bzw. hinsichtlich der zu erwartenden Seitenkräfte anpassbar. Unter einem temporären Phasenkurzschluss ist ein gepulster Phasenkurzschluss zu verstehen, d. h. der Pha senkurzschluss wird in zeitlichen Intervallen bzw. getaktet geschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Elektromotorphasen derart beschäl tet, dass der Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen bei Vorliegen eines Feh lers in der Lenkung anliegt, vorzugsweise bei Ausfall der Spannungsversorgung, so dass die Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt wird. Bei Vorliegen der Spannungsversorgung werden die Phasen des Elektromotors offengehalten. Es findet eine normale Spannungsversorgung statt, so dass der Elektromotor die Lenkung im Normalzustand antreiben kann. Bei temporärem oder totalem Ausfall der Spannungs versorgung wird automatisch ein Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen er zeugt. Dieses kann beispielsweise durch ein elektromagnetisch geöffnetes Relais be werkstelligt werden, welches aufgrund der Federvorspannung der Kontakte des Relais bei Abfall der Versorgungsspannung einen Phasenkurzschluss an den Elektromotor phasen erzeugt. Alternativ können FET mit Vorzugslagen verwendet werden, die eben falls einen Phasenkurzschluss bei Spannungsabfall oder -ausfall schalten können. Da mit wird ein passives Halten des Phasenkurzschlusses an den Elektromotorphasen im Fehlerfall sichergestellt, so dass es sofort nach Abfall bzw. Ausfall der Spannungsver sorgung zumindest zu einer Hemmung der Verlagerung der Lenkstange kommt.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Elektromotor über ein Steuergerät angesteu ert, welches derart beschaffen ist, dass über das Steuergerät bei einem Fehler in der Spannungsversorgung ein Kurzschluss an den Phasen des Elektromotors ermöglicht wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Steuergerät auch bei Motorstillstand einen Phasenkurzschluss erzeugt. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einem Fehler, wel cher erst nach Wiederinbetriebnahme der Lenkung auftritt, die Verlagerung der Lenk stange zumindest gehemmt wird. Der vorgenannte Fehler kann sowohl in der Steue rung oder dem Steuergerät als auch durch Ausfall oder mangelnder Spannungsversor gung vorliegen. Der Fehler kann ebenfalls durch Ausfall elektrischer Bauteile im Elektro motor oder dem Steuergerät oder einem Bussystem wie z. B. dem CAN-Bus auftreten, wenn bei einem Kraftfahrzeug eine Lenkung eingesetzt wird, dessen Steuergerät diese Lenkung betreibt.
Bevorzugt wird der Phasenkurzschluss erst dann geschaltet, wenn eine tolerierte Verla gerung der Spindel überschritten wurde. Um den passenden Radlenkwinkel einstellen zu können, ist es bei Lenkungen üblich, dass die Position der Lenkstange mittels geeig neter Sensorik detektiert wird. Hier können beispielsweise berührungslos arbeitende Hall-Sensoren oder die Sensorik des Elektromotors eingesetzt werden. Wenn bei be stimmten Fahrzeugen oder Anforderungen bei bestimmten Fahrten, z.B. Fahren in ei nem Sportmodus oder Geländemodus, eine gewisse Radlenkwinkeländerung und somit eine Verlagerung der Spindel in geringen Grenzen zulässig ist, so ist es von Vorteil, wenn erst nach einer gewissen Verlagerung der Spindel, also einer sogenannten tole rierten Verlagerung der Lenkstange, der Phasenkurzschluss geschaltet wird. Beispiels weise würde das Steuergerät eine Verlagerung der Lenkstange um wenige Millimeter, beispielsweise 5 bis 15 mm, erkennen, und nach Erreichen dieser Schwelle den Pha senkurzschluss an den Elektromotorphasen schalten , um eine weitere Verlagerung zu mindest zu hemmen oder ganz zu blockieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach einer tolerierten Verlage rung mit anfänglicher Hemmung eine Blockierung der Verlagerung der Lenkstange er folgt. Im Gegensatz zur vorher genannten Ausführung wird hier bereits bei einsetzender Verlagerung der Lenkstange z.B. durch temporären Phasenkurzschluss die weitere Ver lagerung der Lenkstange gehemmt. Je nach Fahrzeug oder Fahrsituation kann so fest gelegt werden, dass erst nach einer gewissen tolerierten Radlenkwinkeländerung die Lenkung blockiert wird, so dass danach keine weitere Änderung des Radlenkwinkels er folgt.
Bevorzugt wird das Verfahren in Abhängigkeit von Parametern der Lenkung ausgeführt. Die Parameter können zumindest das Rastmoment des Elektromotors und/oder das zu erwartende selbst induzierte Moment des Elektromotors bei Phasenkurzschluss und/o der den Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes und/oder eine Getriebeübersetzung bei Verwendung eines Zwischengetriebes umfassen. Ein Zwischengetriebe liegt bei spielsweise vor, wenn der Elektromotor bzw. dessen Antriebsachse mit einem Riemen ritzel versehen ist, welches über einen Zahnriemen ein Riemenrad antreibt. Das Rie menrad ist wiederum einer Spindelmutter oder einem Zahnrad gekoppelt, welches mit der Verzahnung bzw. dem Gewinde der Lenkstange in Eingriff ist. Des Weiteren können zusätzlich das aufgrund der im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft entstehende Moment und/oder die momentane axiale Verlagerung der Lenkstange berücksichtigt werden. Zusätzlich können Parameter, wie die Temperatur im Spindel trieb in Bezug auf eine mögliche Stellgeschwindigkeit eines Aktuators zum Betreiben der Lenkung sowie der vorherrschenden Außentemperatur mit Blick auf die Tribologie des Gesamtsystems berücksichtigt werden, um die Hemmung bzw. die Blockierung zu bewirken. Bei niedrigen Temperaturen nimmt beispielsweise der Wirkungsgrad des Be wegungsgewindes ab, weil der verwendete Schmierstoff im Bewegungsgewinde eine höhere Viskosität aufweist. Diese Tatsache kann dem Rastmoment hinzugerechnet werden. Die auf die Lenkstange einwirkende Kraft kann somit größer sein, ohne mittels des Bewegungsgewindes ein gegenläufiges Moment auf den Elektromotor zu bewirken. Die Hemmung bzw. Blockierung der Verlagerung der Lenkstange wird durch die hier nicht abschließend genannten Parameter beeinflusst.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät zum Ausführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Lenkung nach den vorgenannten Ausführungen. Das vorgenannte Steuergerät kann als separate Vorrichtung, also einzelnes Steuergerät, ausgeführt sein. Alternativ kann das Verfahren auf einem in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Steuerge rät ausgeführt werden. Das Verfahren kann mittels Programmcode auf einer Rechen einheit ausgeführt werden. Die Recheneinheit kann Teil des Steuergerätes sein. Die vorgenannten Parameter können mittels des Steuergerätes mittels geeigneter Sensorik ermittelt und gespeichert werden. Die ermittelten Daten können von der Recheneinheit mittels des Programmcodes bei der Schaltung des Phasenkurzschlusses berücksichtigt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung zu mindest einer Achse eines Kraftfahrzeugs mit einer Lenkstange, wobei ein Elektromotor zumindest mittels eines Bewegungsgewindes mit der Lenkstange zu deren Verlagerung entlang ihrer Längsachse gekoppelt ist, wobei das Bewegungsgewinde einen Wirkungs grad mit zumindest geringer Selbsthemmung aufweist. Die Vorrichtung kann als ein Ak tuator ausgeführt sein, welcher die Lenkstange entlang ihrer Längsachse bewegen kann. Die Lenkstange kann Teil des Aktuators sein. Es kann pro Rad ein Aktuator vor gesehen sein, weicher den Radlenkwinkel des jeweiligen Rades ändern kann. Alternativ kann auch ein zentral wirkender Aktuator vorgesehen sein, welcher karosserie- bzw. fahrzeugaufbaufest angeordnet ist und in welchem die Lenkstange axial in die eine oder die andere Richtung verlagerbar ist, um den Radlenkwinkel an zumindest zwei Rädern gleichzeitig zu ändern. Die Vorrichtung bzw. der Aktuator kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem eine Spindelmutter als Teil des Bewegungsgewindes ortsfest und über den Elektromotor antreibbar angeordnet ist. Durch Drehen der ortsfest gelagerten Spindel mutter wird deren Rotationsbewegung über eine Spindel mit Außengewinde in eine Translationsbewegung umgewandelt. Wie zuvor gesagt kann auch auf der Lenkstange eine Verzahnung vorhanden sein, in die ein Ritzel eingreift, welches mit der Achse des Elektromotors verbunden ist. Bei Drehung des Zahnrades wird die Lenkstange bzw. Zahnstange in die eine oder andere Richtung bewegt, um eine Änderung des Radlenk winkels durchführen zu können.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft zumindest eine Hemmung der Verlagerung der Lenkstange mittels eines Rastmoments des Elektromotors und/oder eines selbstindu zierten Moments des Elektromotors bewirkbar ist. Die Vorrichtung bzw. der Aktuator ist, wie oben bereits zum Verfahren gesagt, in vorteilhafter Weise in der Lage, eine Hem mung der Verlagerung der Lenkstange und somit der Änderung der Radlenkwinkel zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung bzw. der Aktuator einen Spindelantrieb auf, wobei die Lenkstange als Spindel ausgebildet ist, und eine Spindel mutter in dem Spindelantrieb ortsfest gelagert und mit dem Elektromotor unmittelbar o- der über ein Zwischengetriebe gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung der Spindelmut ter die Spindel entlang ihrer Längsachse verlagert.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Lenkstange als Zahnstange ausgebildet, in welche ein Zahnrad eingreift, welches mit dem Elektromotor gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung des Elektromotors die Zahnstange entlang ihrer Längsachse abhängig von der Drehrichtung des Elektromotors in die jeweilige Richtung verlagert.
Die Erfindung betrifft schließlich eine Lenkung, welche eine Vorrichtung wie zuvor ge nannt aufweist. Die Lenkung weist zumindest eine Lenkstange auf, welche direkt oder unter Zwischenschaltung von weiteren Lenkern, z. B. Zweipunktlenker, mit den Radträ gern einer Fahrzeugachse verbunden sind. Die Lenkstange muss axial verlagert wer den, um eine Änderung der Radlenkwinkel zu erreichen. Die Vorrichtung bzw. der Aktu- ator bildet den Antrieb zur axialen Verlagerung der Lenkstange. Eine mögliche Ausfüh rung der Lenkung ist in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Lenkung ist vorzugsweise als steer-by-wire-Lenkung ausgeführt. Eine steer-by-wire- Lenkung ist eine mechanisch entkoppelte Lenkvorrichtung, bei denen die Änderung der Radlenkwinkel nicht durch eine mechanische Verbindung zur Lenkhandhabe, z.B. ei nem Lenkrad, bewirkt wird. Die Stellbewegung des Lenkrades wird in ein elektrisches Stellsignal gewandelt und beispielsweise einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät steuert dann die eigentliche Systemkomponente, d. h. im vorliegenden Fall den Aktua tor elektrisch an. Die Lenkbewegung wird letztlich ohne mechanische Verbindung, eben „by-wire“, also mittels eines Kabels oder ggf. auch drahtlos übertragen. Die Lenkbewe gung eines steer-by-wire-Lenksystems kann auch ohne Einfluss des Fahrers bzw. der Lenkhandhabe erfolgen. Beispielsweise bei zumindest teilautonom fahrenden Fahrzeu gen kann die Lenkung rein über ein oder mehrere Steuergeräte in Abhängigkeit von Da ten und Parametern erfolgen, welche innerhalb oder außerhalb des Fahrzeuges ermit telt wurden bzw. vorliegen. Hier können Umgebungsdaten z.B. mittels car-to-car (c2c) und/oder car-to-X (c2x) und/oder cloudbasierte Daten genutzt werden, welche von ei nem Steuergerät des Fahrzeugs verarbeitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug nahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Hinterachse eines
Fahrzeugs,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Betreiben einer Len kung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
(Verfahren) In der schematischen Darstellung gemäß Figur 1 ist eine Fahrzeugachse 1 gezeigt, hier dargestellt als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Die Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3 an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Die Lenker 3 sind Teil der Rad aufhängung für die Räder 5, 6. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer steer-by- wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 21 an dem Hilfs rahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung als ein zent raler Aktuator eine durchgehende Lenkstange 27 auf, welche durch das Gehäuse 21 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Der Antriebsmotor 22 ist achsparallel zur Lenk stange 27 angeordnet. An den Enden der Lenkstange 27 sind Spurstangen 23 ange lenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit dem nicht dargestellten Radträger der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Es ist offensicht lich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 27 ent lang der Längsachse a in die eine oder andere Richtung eine Veränderung des Rad lenkwinkels 8, 9 erfolgt, weil die Spurstangen 23 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger und dem Aktuator 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar an der Radaufhängung 3 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 er möglicht.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des in Figur 1 bereits gezeigten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist ein Gehäuse 21 auf, an dem achsparallel ein Antriebsmotor 22 angeordnet ist. In dem Gehäuse 21 ist der Spindelantrieb 20, bestehend aus der Spindelmutter 25 und der als Gewindespindel ausgeführten Lenkstange 27, angeord net. Die Spindelmutter 25 ist gegenüber dem Gehäuse 21 mit einem Wälzlager 29 orts fest und drehbar gelagert. Durch die Spindelmutter 25 hindurchgeführt und koaxial zu dieser angeordnet ist die Gewindespindel 27g. Auf der von dem Wälzlager 29 abge wandten Seite der Spindelmutter 25 ist ein Riemenrad 30 drehfest auf der Spindelmut ter 25 angeordnet. Der Elektromotor 22 weist ein Antriebsritzel 32 auf. Ein Antriebsrie men 34 in Form eines Zahnriemens umschlingt sowohl das Antriebsritzel 32 als auch das Riemenrad 30, so dass bei Drehbewegung des Elektromotors bzw. Antriebsmotors 22 die Spindelmutter 25 schlupffrei in Drehbewegung um die Längsachse a versetzt wird. Antriebsritzel 32, Riemenrad 30 und der Antriebsriemen 34 bilden eine Zwischen getriebe. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter 25 erfolgt eine lineare Verlagerung der Lenkstange 27 in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse a in Ab hängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 22. Bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange 27 einwirkenden Kraft Fext will sich die Spindelmutter 25 verdrehen, so dass aufgrund der Kraft Fext ein Drehmoment bewirkt wird. Daher wird sich der Elektro motor 22 ebenfalls mitdrehen und es kann zu einer axialen Verlagerung der Lenkstange 27 in Rücktriebsrichtung kommen kann, wenn keine erfindungsgemäßen Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Dieses ist insbesondere im Fehlerfall unerwünscht, z.B. wenn der Aktuator stromlos ist und dieser Zustand zu einer unkontrollierten Radlenk winkeländerung führen kann.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Betreiben einer Len kung in einer möglichen Ausführungsform. Ein Elektromotor 22 weist ein Rastmoment RM sowie ein selbst induziertes Moment Msip auf. Der Elektromotor 22 bzw. dessen Phasen werden über ein Steuergerät SG angesteuert bzw. geschaltet. In dem Steuer gerät sind unter anderem die Eigenschaften des Elektromotors in Form des Rastmo ments RM sowie des selbst induzierten Moments Msip hinterlegt. Wirkt nun auf die Lenk stange 27 bzw. die Gewindespindel 27g eine externe Kraft Fext, so wird in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes 20 in Rücktriebsrichtung ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment wirkt auf den Elektromotor 22 unmittelbar oder mittelbar, wenn ein Zwischengetriebe ZG in Form eines Riemengetriebes eingesetzt wird. Besteht das Bewegungsgewinde 20 aus einer Lenkstange 27 in Form einer Zahnstange und ei nem in die Zahnstange eingreifenden Zahnrad, welches mit der Achse des Elektromo tors 22 verbunden ist, so wirkt das Drehmoment unmittelbar auf den Elektromotor 22. Dies ist ebenso der Fall, wenn das Bewegungsgewinde aus einer Gewindespindel 27g und eine diese umgreifende Spindelmutter 25 besteht, wenn die Spindelmutter 25 mit der Achse des Elektromotors 22 gekoppelt ist, wie im der Ausführung gemäß Fig. 2.
Alternativ kann der Elektromotor 22 anstatt als Koaxialmotor als Hohlwellenmotor aus gebildet sein, so dass im letzteren Fall der Rotor des Elektromotors 22 die Spindelmut ter 25 bildet und so bei Drehbewegung die Spindel 27g in die eine oder andere Rieh- tung axial verlagert. Damit sich die Spindel nicht dreht, wird ggfs eine Verdrehsiche rung gegenüber dem Gehäuse 21 eingesetzt. Von einer mittelbaren Verbindung wird hier gesprochen, wenn das Zahnrad oder die Spindelmutter 25 über ein Zwischenge triebe ZG mit dem Elektromotor 22 gekoppelt sind.
Das in dem Elektromotor 22 vorhandene Rastmoment bietet ein Gegenmoment zu dem über die externe Kraft Fext und das Bewegungsgewinde 20, ggf. unter Zwischenschal tung des Zwischengetriebes erzeugten Drehmomentes. Eine Verlagerung der Lenk stange wird solange gehemmt bzw. blockiert, bis das über das Bewegungsgewinde er zeugte Drehmoment höher als das Rastmoment des Elektromotors 22 ist. Liegt ein Phasenkurzschluss an den Phasen des Elektromotors an, z.B. geschaltet im Fehlerfall durch das Steuergerät SG, so wird bei Überschreiten des Rastmomentes RM und be ginnender Drehung der Achse des Elektromotors 22 ein selbstinduziertes Moment Msip erzeugt. Wird also das Rastmoment RM durch das mittels des Bewegungsgewindes 20 aufgrund der externen Kraft Fext erzeugte Gegenmoment in Rücktriebsrichtung über wunden, so baut sich sofort bei beginnender Drehbewegung der Achse des Elektromo tors das selbstinduzierte Moment Msip auf und hemmt bzw. blockiert die Verlagerung der Lenkstange 27. In vorteilhafter Weise wird so bei Auftreten der externen Kraft Fext die axiale Verlagerung der Lenkstange 27 umgehend zumindest gehemmt bzw. blo ckiert. Dabei kann die Art und Weise bzw. die Größe der Hemmung durch ein Steuerge rät mittels temporärer Schaltung des Phasenkurzschlusses oder über Widerstände (FET) gesteuert werden.
Bezuqszeichen
1 Fahrzeugachse
Hilfsrahmen, Fahrzeugaufbau Lenker, Radaufhängung Rad
Rad
8 Radlenkwinkel
9 Radlenkwinkel
10 Aktuator
12 Lenkung
20 Bewegungsgewinde
21 Gehäuse
22 Antriebsmotor, Elektromotor
23 Spurstange
25 Spindelmutter
26 Innengewinde
27 Lenkstange
27g Gewindespindel, Spindel
29 Wälzlager
30 Riemenrad
32 Antriebsritzel
34 (Zahn-) Riemen a Längsachse
h Hochachse
SG Steuergerät

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Lenkung 12 eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Lenkstange 27 mittels eines Elektromotors 22 entlang ihrer Längsachse a gehalten oder verlagert werden kann, so dass der Radlenkwinkel 8, 9 zumindest eines Rades 5, 6 zumindest einer Fahrzeugachse 1 gehalten oder geändert wer den kann, wobei der Elektromotor 22 zumindest mittels eines Bewegungsgewin des 20 mit der Lenkstange 27 gekoppelt ist, wobei das Bewegungsgewinde 20 zumindest in Rücktriebsrichtung einen Wirkungsgrad mit zumindest geringer Hemmung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenk stange 27 einwirkenden Kraft Fext eine Verlagerung der Lenkstange 27 mittels ei nes Rastmoments RM des Elektromotors 22 und/oder eines selbstinduzierten Moments Msip des Elektromotors zumindest gehemmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das selbstin duzierte Moment Msip durch einen zumindest temporären Phasenkurzschluss der Elektromotorphasen bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromo torphasen derart beschältet werden, dass der Phasenkurzschluss an den Elekt romotorphasen bei Vorliegen eines Fehlers in der Lenkung 12 anliegt, vorzugs weise bei Ausfall der Spannungsversorgung, so dass die Verlagerung der Lenk stange 27 zumindest gehemmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Phasenkurzschluss erst dann geschaltet wird, wenn eine tole rierte Verlagerung der Lenkstange 27 überschritten wurde.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass nach einer tolerierten Verlagerung mit anfänglicher Hemmung eine Blockierung der Verlagerung der Lenkstange 27 erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Verfahren in Abhängigkeit von Parametern der Lenkung 12, vorzugsweise auf einem Steuergerät SG, ausgeführt wird, wobei die Parameter zumindest das Rastmoment RM des Elektromotors 22 und/oder das selbstindu zierte Moment Msip des Elektromotors 22 bei Phasenkurzschluss und/oder der Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes 20 und/oder das aufgrund der im We sentlichen axial auf die Lenkstange 27 einwirkenden Kraft Fext entstehende Mo ment und/oder die momentane axiale Verlagerung der Lenkstange 27 umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder sämtliche Schritte des Verfahrens mittels Programmcode auf einer Rechenein heit ausgeführt wird, welche Teil des Steuergerätes SG ist, wobei die vorgenann ten Parameter mittels des Steuergerätes mittels geeigneter Sensorik ermittelt und gespeichert werden.
8. Steuergerät zum Ausführen eines Verfahrens zum Betreiben eines Aktua tors 10 oder einer Lenkung 12 nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung 12 zumindest eines Rades 5, 6 an zumindest einer Fahrzeugachse 1 eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lenkstange 27, wobei ein Elektromotor 22 zumindest mittels eines Bewegungsgewindes 20 mit der Lenkstange 27 zur deren Verlagerung entlang ihrer Längsachse a gekop pelt ist, wobei das Bewegungsgewinde einen Wirkungsgrad mit zumindest gerin ger Selbsthemmung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenk stange 27 einwirkenden Kraft Fext zumindest eine Hemmung der Verlagerung der Lenkstange 27 mittels eines Rastmoments RM des Elektromotors 22 und/oder eines selbstinduzierten Moments Msip des Elektromotors 22 bewirkbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenk stange 27 als Spindel 27g ausgebildet ist, und eine Spindelmutter 25 in der Vor richtung ortsfest gelagert und mit dem Elektromotor 22 gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung der Spindelmutter 25 die Spindel 27g entlang ihrer Längsachse a verlagert.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenk stange 27 als Zahnstange ausgebildet ist, in welche ein Zahnrad eingreift, wel ches mit dem Elektromotor 22 gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung des Zahn rades die Zahnstange entlang ihrer Längsachse a verlagert.
12. Lenkung 12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der An sprüche 8, 9 oder 10.
13. Lenkung 12 nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als steer-by-wire Lenkung, vorzugweise an einer Hinterachse, ausgebildet ist.
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