WO2022028773A1 - Verfahren zum schutz von bauteilen einer steer-by-wire-lenkung sowie steer-by-wire-lenkung - Google Patents

Verfahren zum schutz von bauteilen einer steer-by-wire-lenkung sowie steer-by-wire-lenkung Download PDF

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WO2022028773A1
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Dominik Vogt
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B62D5/0496—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 control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures by using a temperature sensor
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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

Definitions

  • the invention relates to a method for protecting the components of a steer-by-wire system the secondary claims.
  • the spindle drive includes a spindle with a spindle thread and a stationary mounted and rotationally driven spindle nut with a nut thread.
  • the spindle thread and the nut thread are designed as movement threads with self-locking for exclusively axial displacement of the spindle relative to the spindle nut, which is mounted stationary in the actuator.
  • the spindle thread and the nut thread are braced against each other in the longitudinal direction of the spindle by means of a threaded ring and the flanks of the spindle and spindle nut are in permanent contact with each other.
  • One object of the invention is to reduce the thermal load on the steer-by-wire system to a non-critical range.
  • the invention relates to a method for protecting the components of a steer-by-wire steering system, the steer-by-wire steering system having a self-locking spindle drive.
  • the spindle is linearly displaced by means of a rotary drive of a stationary spindle nut.
  • the rotary drive is preferably designed as an electric motor and drives the spindle nut either directly by means of a hollow rotor electric motor or in a preferred variant by means of a gear, preferably a toothed belt gear.
  • the electric motor is arranged coaxially to the common longitudinal axis of the spindle and the spindle nut.
  • the movement thread is preferably designed as a trapezoidal thread.
  • a metric ISO trapezoidal thread according to DIN 103 is preferably used. This thread can be self-locking and, in contrast to a recirculating ball thread, has a high level of friction.
  • the steering of a motor vehicle must be wheel-guiding.
  • the wheels of a steered axle must maintain the set wheel angle so that the vehicle can maintain the specified trajectory, for example driving straight ahead or cornering.
  • the steering not only changes the wheel angle, it also ensures that it is maintained.
  • lateral forces act on the wheels.
  • These lateral forces act on the spindle of the steer-by-wire steering system because they are connected indirectly via a steering linkage or directly to a wheel carrier on which a wheel is rotatably mounted. With increasing speed and depending on the curve radius, the lateral forces increase. Higher lateral forces require higher actuating forces in the steer-by-wire steering, which means an increase in friction in the spindle drive.
  • the high forces on the spindle thus increase the friction in the movement thread of the spindle drive of the steer-by-wire steering.
  • the friction generates heat in the motion thread.
  • longer linear displacements, in other words adjustment paths, of the spindle are required.
  • the heat input is therefore even greater with large travels than with small travels.
  • the heat input can become so great over a longer period of time that the lubricant heats up so much that the tribological properties fail. possibly the lubricant can even reach or exceed its boiling point and the lubricant will fail. Without lubricant, the flanks of the screw drive threads can become severely worn and premature screw drive failure can occur.
  • Other mechanical or electrical components can also heat up considerably and also be damaged.
  • a maximum thermal load is specified during its construction and design for its operation. This is, for example, 140 degrees Celsius for a certain period of time.
  • sensors could be used in the steer-by-wire system to record the current temperature.
  • the actual thermal load in the movement thread is difficult to measure or detect using sensors, because the spindle nut rotates and the spindle moves linearly as a result. A measurement directly on the friction partners is therefore almost impossible. Sensors or a sensor system in the housing require that these are also electrically connected to a value unit Need to become. This results in additional costs in the production of the steer-by-wire steering.
  • the linear displacement of the spindle relative to the spindle nut can be continuously added up over time in order to estimate a maximum thermal load as a function of the vehicle speed.
  • the linear displacement also known as the travel distance, is continuously integrated over time. This can be done easily by forming the integral of the traversing distance over time. It is summed up until a first threshold value is reached. In other words, a temperature integral is formed. Assuming the relationships between the traveled adjustment stroke and the amount of heat introduced by the linear displacement, the probable temperature profile can be determined very precisely based on the traveled travel.
  • this first threshold value is determined for the respective steer-by-wire steering.
  • the threshold value is thus a variable that represents the maximum thermal load to be assumed.
  • a comparison with the threshold value is continuously carried out during the integral formation. When the threshold value is reached, the operation of the spindle drive and thus of the steer-by-wire steering is reduced, which will be explained in more detail below.
  • a decay value also referred to as a cooling value, is preferably cyclically subtracted from the respective current value of the temperature integral during the displacement.
  • the decay value is independent of the driving situation, which is therefore not taken into account.
  • the decay value is preferably subtracted from the value of the temperature integral at intervals of 20-60 ms, preferably every 40 ms.
  • a natural cooling of the spindle drive or the steer-by-wire steering after a certain time is thus taken into account. The physical reason for this is that cooling occurs more quickly due to convection and particularly at high vehicle speeds.
  • further displacement of the spindle is restricted and/or the drive torque of the spindle nut is reduced at least temporarily when the threshold value is reached.
  • the drive torque is reduced to almost 0 Nm, preferably zero Newton meters, in order to reduce further thermal loading of the spindle drive.
  • the restricted displacement can mean a reduction in the travel distance.
  • the angular velocity of the spindle nut can also be adjusted.
  • the decay value is continually subtracted from the temperature integral.
  • the restricted displacement is deactivated when a second threshold value is reached.
  • the second threshold can also be referred to as a reactivation threshold. It is taken into account here that after a certain period of restricted operation of the steer-by-wire steering system, it has cooled down to such an extent that unrestricted operation of the steer-by-wire steering system can be returned to. After the reactivation threshold has been reached, the spindle can be moved again with the maximum adjustment stroke s.
  • the difference between restricted and unrestricted operation of the steer-by-wire system can result in a dramatic difference in performance. This would be noticed by the driver or the occupants as erratic steering movements, which is not desirable. Therefore, the change from the restricted to the unrestricted displacement of the spindle preferably takes place gradually, so that there are no erratic, in other words abrupt, steering movements.
  • the steer-by-wire steering is designed for the particular vehicle in such a way that both the driver and the passengers generally do not notice a difference in terms of restricted or unrestricted performance of the steer-by-wire steering. In other words, a gradual change means a gradual change.
  • the estimation of the thermal maximum load according to the invention is a safety device that is used with a view to steering systems Vehicles existing safety requirements and for the longevity of the steer-by-wire steering can be used advantageously. It is a cost-effective solution that preferably runs as a safety function on the existing control unit of the steer-by-wire steering.
  • the method is carried out as a function of the vehicle speed.
  • the vehicle speed is related to the rotation of the wheels.
  • the torque that has to be overcome in order to rotate the wheels about the vertical axis changes depending on the turning movement (rotation) of the wheels.
  • ranges of different vehicle speeds can advantageously be defined in order to take the vehicle speed into account. It is therefore not necessary to take into account every current vehicle speed, rather it is sufficient to take into account the vehicle speed in certain areas or, in other words, bandwidths.
  • ranges of different vehicle speeds are defined to take the vehicle speed into account, with one or more ranges being able to be taken into account when forming the temperature integral (summation of the linear displacement of the spindle relative to the spindle nut over time).
  • maximum actuating forces are required when the vehicle is stationary. In other words, the highest heat input into the spindle drive takes place here. The formation of the temperature integral in full is therefore useful when the vehicle is stationary to determine the determination of the maximum thermal load.
  • a second range is defined, which takes average speeds of about 10 to 50 km/h into account, with a coefficient being formed for this range so that the totaling is reduced.
  • the formation of the coefficient is based, for example, on empirical determination. This is a middle range in which the tire contact forces are still useful to consider because Although this results in lower actuating forces than when the vehicle is stationary. However, due to the actuating forces, an increased heat input into the spindle drive is still to be expected.
  • a third area is defined, which takes into account high speeds of more than 50 km/h, with no summation being carried out in this area.
  • the torque required to steer the wheels is comparatively low or almost non-existent.
  • the linear extension at high speeds is also very low. The reason for this is that, for example, when overtaking at a speed of 100 km/h, changes in the wheel steering angle of less than 1° in the range of a few minutes are sufficient.
  • a control device for executing a method.
  • This control unit is preferably part of the steer-by-wire steering.
  • the control unit can be integrated in the housing of the steer-by-wire system. In any case, the control unit is preferably assigned directly to the steer-by-wire steering.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program with program code means in order to carry out a method as specified above when the program is carried out on a computer, in particular on the aforementioned control unit.
  • the invention relates to a steer-by-wire steering system, which is preferably designed as a rear-axle steering system and is equipped with a control unit as mentioned above, which can carry out a method as mentioned above.
  • Fig. 1 shows a steer-by-wire steering according to the known prior art
  • the steer-by-wire steering system 20 has a spindle drive 21 which includes a spindle 22, a spindle nut 23, bearings 24 and a belt pulley 25 which can be driven by an electric motor 27 via a belt 26.
  • the electric motor 27 is controlled by means of a control device SG, which is arranged on it.
  • the spindle 22 can be adjusted from its left end stop to its right end stop. This corresponds to the maximum stroke or the maximum linear displacement.
  • the spindle 22 is shown in its central position in FIG. This corresponds to a wheel steering angle of 0°, which corresponds to driving straight ahead.
  • the spindle 22 has an anti-twist device, not shown, so that it cannot rotate as a result of the rotation of the spindle nut 32 .
  • the actuator 20 has a housing 28 which is attached to the vehicle body via a first joint 29 .
  • the spindle 22 is firmly connected at one of its two ends to a screw-on pin 30 which is guided in an axially sliding manner relative to the housing 28 and is connected to a second joint 31 at its outer end protruding from the housing 28 .
  • the actuator 20 is connected via the second joint 31 to a steering linkage (not shown), preferably a toe link of a rear axle, directly or indirectly to a wheel carrier of a motor vehicle and can thus cause the steering of a rear wheel, with the vehicle-side support taking place via the first joint 29.
  • a steering linkage not shown
  • a toe link of a rear axle directly or indirectly to a wheel carrier of a motor vehicle and can thus cause the steering of a rear wheel, with the vehicle-side support taking place via the first joint 29.
  • FIGS. 2 and 3 show a coordinate system in which the linear displacement or the adjustment stroke s is plotted on the ordinate versus time t on the abscissa.
  • the wheels of a vehicle can be steered to the left and to the right for the desired steering movement by means of a steering system.
  • the adjustment stroke in the positive area means a steering movement to the left and in the negative Area of the ordinate one stroke to the right.
  • Maximum values s_max(+), s_max(-) are entered on the ordinate and correspond to the maximum actuating stroke s to the left or to the right.
  • a first threshold value T_max and a second threshold value T_reactiv are entered on the ordinate.
  • a temperature integral T_int is represented by the linearly rising line. It can be seen that the adjustment stroke s or the linear displacement of the spindle with the maximum steering movement shown here or the
  • Adjustment stroke s_max(+), s_max(-) after time t is summed up to form a temperature integral T_int until the first threshold value T_max is reached.
  • T_int the first threshold value
  • T_safe_s the thermal maximum load for the spindle drive 21 or the steer-by-wire steering 20 has been reached by the previous steering movement in this time.
  • a heat input has taken place due to the friction and loading in the spindle drive. If the first threshold value T_max is reached, a protective function is activated at this point in time t_safe_s.
  • the curly brackets show that after the protective function has been activated, the steer-by-wire steering system 20 is operated with a limited actuating stroke s_red. With the limited adjustment stroke s_red, the adjustment stroke s is significantly reduced. In addition, a decay value T_fade is continually subtracted from the temperature integral T_int, independently of the driving situation. This can only be clearly seen here in the period of the limited actuating stroke s_red. However, the decay value T_safe is continually subtracted cyclically from the temperature integral T_int. However, the summation is so dominant that this is not recognizable in the graphic representation during the summation.
  • FIG. 3 shows a coordinate system similar to FIG. 2. It shows the time sequence after the first threshold value T_max has been reached and the protective function has been activated at the time t_safe_s.
  • the steer-by-wire steering system 20 is operated with a restricted actuating stroke s_red. It can be seen that the actuating stroke s is significantly reduced.
  • the thermal load in the spindle drive 21 decreases significantly, which is represented by a falling temperature integral T_int.
  • the decay value or its subtraction is dominant due to the limited actuating stroke s, so that a certain summation is less important.
  • the decay value T_fade which actually corresponds to the decrease in the temperature in the spindle drive 21, predominates. If the temperature integral T_int reaches a second threshold value T_reactiv, the protective function is deactivated at time t_safe_e. The steer-by-wire steering 20 can then continue to be operated with the normal adjustment stroke s (unrestricted operation) and the temperature integral T_int of the adjustment stroke s continues to be added up after the time t.

Abstract

Verfahren zum Schutz der Bauteile einer Steer-by-wire-Lenkung, wobei die Steer-by-wire-Lenkung einen Spindelantrieb mit Selbsthemmung aufweist, wobei die Spindel mittels eines Drehantriebs einer ortsfest gelagerten Spindelmutter linear verlagert wird. In Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit wird die lineare Verlagerung der Spindel gegenüber der Spindelmutter nach der Zeit fortwährend aufsummiert bis ein erster Schwellwert erreicht ist.

Description

Verfahren zum Schutz von Bauteilen einer Steer-bv-wire-Lenkunq sowie Steer-bv-wire-Lenkunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Bauteile einer Steer-by-wire- Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens, ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln sowie eine Steer-by-wire-Lenkung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.
Die DE 10 2018 208 199 A1 offenbart einen Aktuator mit einem Spindelantrieb einer Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug. Der Spindelantrieb umfasst eine Spindel mit einem Spindelgewinde sowie eine ortsfest gelagerte und drehend angetriebene Spindelmutter mit einem Muttergewinde. Dabei sind das Spindelgewinde und das Muttergewinde als Bewegungsgewinde mit Selbsthemmung zur ausschließlich axialen Verlagerung der Spindel gegenüber der ortsfest im Aktuator gelagerten Spindelmutter ausgebildet. Das Spindelgewinde und das Muttergewinde sind in Längsrichtung der Spindel mittels eines Gewinderings gegeneinander verspannt und die Flanken von Spindel und Spindelmutter berühren einander permanent. Durch die Selbsthemmung und die Verspannung und vor allem durch auf die Spindel wirkende Seitenkräfte aus dem Fahrwerk des Kraftfahrzeugs ergibt sich eine hohe Reibung. Der Schmierstoff wirkt dieser Reibung entgegen, jedoch bewirkt im Betrieb der Steer-by-wire-Lenkung eine andauernd hohe Last eine starke Erwärmung des Spindelantriebes und der umliegenden Bauteile und des Schmierstoffes. Mechanische und elektrische Bauteile werden dadurch belastet und der Schmierstoff kann seine tribologischen Eigenschaften verlieren, welches sich negativ auf die Lebensdauer der Steer-by-wire-Lenkung auswirken kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die thermische Belastung der Steer- by-wire-Lenkung in einen unkritischen Bereich zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Aspekte der Erfindung werden mit einem Steuergerät zum Ausführen eines Verfahrens, einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln sowie einer Steer-by-wire-Len- kung angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Bauteile einer Steer-by-wire- Lenkung, wobei die Steer-by-wire-Lenkung einen Spindelantrieb mit Selbsthemmung aufweist. Die Spindel wird mittels eines Drehantriebs einer ortsfest gelagerten Spindelmutter linear verlagert. Der Drehantrieb ist bevorzugt als Elektromotor ausgebildet und treibt die Spindelmutter entweder unmittelbar mittels eines Hohlrotor-Elektromotors oder in einer bevorzugten Variante mittels eines Getriebes, bevorzugt eines Zahnriemengetriebes an. Der Elektromotor ist dabei koaxial zur gemeinsamen Längsachse der Spindel und der Spindelmutter angeordnet. Wird die Spindelmutter in die eine oder andere Richtung gedreht, so wird die Spindel, welche permanent in Eingriff mit der Spindelmutter ist, linear in die eine oder andere Richtung entlang ihrer Längsachse verlagert. Das Bewegungsgewindes ist bevorzugt als Trapezgewinde ausgebildet. Vorzugsweise wird ein metrisches ISO-Trapezgewinde gemäß DIN 103 verwendet. Dieses Gewinde kann selbsthemmend ausgeführt sein und weist im Gegensatz zu einem Kugelumlaufgewinde eine hohe Reibung auf.
Die Lenkung eines Kraftfahrzeuges muss radführend ausgebildet sein. Die Räder einer gelenkten Achse müssen den eingestellten Radwinkel beibehalten, damit das Fahrzeug die vorgegebene Trajektorie, zum Beispiel Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt beibehalten kann. Die Lenkung verändert also nicht nur den Radwinkel sondern sie sorgt auch dafür, dass dieser beibehalten wird. Bei einem Kraftfahrzeug ergeben sich insbesondere bei der Kurvenfahrt hohe Seitenkräfte, welche auf die Räder wirken. Diese Seitenkräfte wirken auf die Spindel der Steer-by-wire-Lenkung, weil diese mittelbar über ein Lenkgestänge oder unmittelbar mit einem Radträger verbunden sind, an welchem ein Rad drehbar gelagert ist. Mit zunehmender Geschwindigkeit und in Abhängigkeit vom Kurvenradius erhöhen sich die Seitenkräfte. Höhere Seitenkräfte bedingen höhere Stellkräfte in der steer-by-wire-Lenkung, welche einer Erhöhung der Reibung in dem Spindelantrieb bedeuten. Aber auch bei sehr langsamer Fahrt ergeben sich somit hohe und erst recht bei Stillstand ergeben sich sogar höchste Stellkräfte. Dieses liegt darin begründet, dass sich eine auf jeden Reifen wirkende Normalkraft ergibt - bedingt durch die Masse des Fahrzeuges verteilt sich die Gewichtskraft etwa gleichmäßig auf die Anzahl der Reifen. Der Reifen steht mit seiner Kontaktfläche auf der Fahrbahn. Um den Reifen zu lenken muss dieser um seine Hochachse gedreht werden. Dieses wird durch die Lenkung vorgenommen, welche auf den Radträger wirkt. Es muss demnach ein Drehmoment wirken, welches so groß ist, dass die Reibung und die wirkende Normalkraft des Reifens gegenüber der Fahrbahn überwunden wird. Die Spindel drückt bei der Lenkbewegung gegen den Radträger, um diesen mit dem Rad um die Hochachse des Rades zu lenken. Es erhöht sich dadurch die Reibung im Bewegungsgewinde des Spindelantriebs. Die Wirkung ist somit wie durch die auf die Spindel wirkende Seitenkraft, wobei die Kräfte bei Stillstand des Fahrzeug bzw. Reifen am größten sind.
Die hohen Kräfte auf die Spindel erhöhen somit die Reibung in dem Bewegungsgewinde des Spindelantriebs der Steer-by-wire-Lenkung. Die Reibung erzeugt Wärme in dem Bewegungsgewinde. Besonders bei großen Lenkwinkeln, bspw. beim Parkieren des Fahrzeugs, sind längere lineare Verlagerungen, mit anderen Worten Stellwege der Spindel erforderlich. Somit ist der Wärmeintrag bei großen Stellwegen noch größer als bei kleinen Stellwegen. Der Wärmeeintrag kann über einen längeren Zeitraum so groß werden, dass der Schmierstoff so stark erhitzt, dass die tribologischen Eigenschaften versagen. Ggfs. kann sogar der Schmierstoff dessen Siedepunkt erreichen oder überschreiten und der Schmierstoff versagt. Ohne Schmierstoff können die Flanken der Gewinde des Spindelantriebs sich stark abnutzen und es kann zum vorzeitigen Versagen des Spindelantriebs kommen. Auch können weitere mechanische oder auch elektrische Bauteile stark erhitzen und ebenfalls geschädigt werden.
Für einen Spindelantrieb und letztlich für die Steer-by-wire-Lenkung wird bei dessen Konstruktion und Auslegung für deren Betrieb eine thermische Maximallast festgelegt. Diese liegt bei bspw. 140 Grad Celsius für einen gewissen Zeitraum. Um zu vermeiden, dass die zuvor genannten Wärmeeinträge eine Überschreitung der thermischen Maximallast bedeuten, könnten in der Steer-by-wire-Lenkung Sensoren zur Erfassung der vorliegenden Temperatur genutzt werden. Die tatsächliche thermische Last in dem Bewegungsgewindes ist sensorisch jedoch schwer messbar bzw. erfassbar, weil die Spindelmutter rotiert und die Spindel sich dadurch linear bewegt. Eine Messung direkt an den Reibpartnern ist somit nahezu unmöglich. Sensoren bzw. eine Sensorik im Gehäuse bedingen, dass diese auch elektrisch mit einer aus Werteeinheit verbunden werden müssen. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Steer-by-wire-Lenkung.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass sich die thermische Maximallast sehr gut durch Abschätzen ermitteln lässt. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung lässt sich zur Abschätzung einer thermischen Maximallast in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit die lineare Verlagerung der Spindel gegenüber der Spindelmutter nach der Zeit fortwährend aufsummieren. Dabei wird die lineare Verlagerung, auch Verfahrweg genannt, über die Zeit fortwährend integriert. Dieses lässt sich auf einfache Weise durch die Integralbildung des Verfahrweges nach der Zeit vornehmen. Dabei wird so lange aufsummiert, bis ein erster Schwellwert erreicht ist. Es wird mit anderen Worten ein Temperaturintegral gebildet. Unter der Annahme der Zusammenhänge zwischen dem zurückgelegten Stellhub und der durch die lineare Verlagerung, eingebrachten Wärmemenge lässt sich so der voraussichtliche Temperaturverlauf sehr genau anhand des zurückgelegten Stellwegs ermitteln. In Kenntnis der Werkstoffe des Bewegungsgewindes und deren Reibwerte, sowie der maximal zu erwartenden Kräfte, welche auf die Spindel wirken, als auch der bekannten maximalen Verlagerung der Spindel wird dieser erste Schwellwert für die jeweilige Steer-by-wire-Lenkung festgelegt. Der Schwellwert ist somit eine Größe, welche die anzunehmende thermische Maximallast darstellt. Während der Integralbildung wird fortwährend ein Vergleich mit dem Schwellwert vorgenommen. Bei Erreichen des Schwellwertes wird eine Reduzierung des Betriebes des Spindelantriebs und somit der Steer-by-wire-Lenkung vorgenommen, welche noch näher erläutert wird.
Bevorzugt wird während der Verlagerung zyklisch ein Abklingwert, auch Kühlwert genannt, von dem jeweils aktuellen Wert des Temperaturintegrals subtrahiert. Der Abklingwert ist insbesondere unabhängig von der Fahrsituationen, welche somit nicht berücksichtigt wird. Der Abklingwert wird vorzugsweise in Intervallen von 20-60 ms, bevorzugt jeweils jede 40 ms von dem Wert des Temperaturintegrals subtrahiert. Es wird damit eine natürliche Abkühlung des Spindelantriebes bzw. der Steer-by-wire-Lenkung nach einer gewissen Zeit berücksichtigt. Dieses liegt physikalisch darin begründet, dass die Abkühlung aufgrund von Konvektion und besonders bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten schneller erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Erreichen des Schwellwertes die weitere Verlagerung der Spindel eingeschränkt und/oder das Antriebsmoment der Spindelmutter zumindest temporär reduziert. Insbesondere wird das Antriebsmoment auf nahezu 0 Nm, bevorzugt null Newtonmeter abgesenkt, um eine weitere thermische Belastung des Spindelantriebs zu reduzieren. Die eingeschränkte Verlagerung kann eine Reduzierung des Verfahrweges bedeuten. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Winkelgeschwindigkeit der Spindelmutter angepasst werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird nach Erreichen des ersten Schwellwertes bei eingeschränktem Verlagern der Spindel fortwährend der Abklingwert von dem Temperaturintegral subtrahiert. Es wird bei Erreichen eines zweiten Schwellwertes die eingeschränkte Verlagerung deaktiviert. Der zweite Schwellwert kann auch als Reaktivierungsschwelle bezeichnet werden. Es wird hierbei berücksichtigt, dass nach einer gewissen Zeit des eingeschränkten Betriebes der Steer-by-wi re- Lenkung eine Abkühlung soweit erfolgt ist, dass wieder zum uneingeschränkten Betrieb der Steer-by-wire- Lenkung zurückgekehrt werden kann. Es kann die Spindel nach Erreichen der Reaktivierungsschwelle wieder mit maximalem Stellhub s verlagert werden.
Der Unterschied zwischen einem eingeschränkten und uneingeschränkten Betrieb der Steer-by-wire-Lenkung kann sich in starken Leistungsunterschieden bemerkbar machen. Dieses würde vom Fahrer bzw. den Insassen als sprunghafte Lenkbewegungen bemerkt, was nicht erwünscht ist. Bevorzugt erfolgt daher die Änderung von der eingeschränkten auf die uneingeschränkte Verlagerung der Spindel graduell, sodass keine sprunghaften, mit anderen Worten schlagartigen Lenkbewegungen entstehen. Die Steer-by-wire-Lenkung wird für das jeweilige Fahrzeug derart ausgelegt, dass sowohl der Fahrer als auch die Insassen im Allgemeinen keinen Unterschied bezüglich einer eingeschränkten oder uneingeschränkten Leistung der Steer-by-wire-Lenkung bemerken. Unter einer graduellen Änderung ist mit anderen Worten eine allmähliche Änderung zu verstehen.
Bei der erfindungsgemäßen Abschätzung der thermischen Maximallast handelt es sich um eine Sicherheitseinrichtung, die mit Blick auf die für Lenkungen bei Fahrzeugen vorliegenden Sicherheitsanforderungen und für die Langlebigkeit der Steer- by-wire-Lenkung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Es handelt sich um eine kostengünstige Lösung, welche bevorzugt auf dem vorhandenen Steuergerät der Steer-by- wire-Lenkung als Sicherheitsfunktionen abläuft.
Es wurde oben bereits gesagt, dass das Verfahren in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeit geht einher mit der Rotation der Räder. Wie oben ebenfalls bereits gesagt ändert sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung (Rotation) der Räder das Drehmoment, welches zur Drehung der Räder um die Hochachse überwunden werden muss. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass zur Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorteilhaft Bereiche unterschiedlicher Fahrzeuggeschwindigkeiten festgelegt werden können. Es muss somit nicht jede aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt werden, sondern es ist ausreichend die Fahrzeuggeschwindigkeit in bestimmten Bereichen oder mit anderen Worten Bandbreiten zu berücksichtigen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden somit zur Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit mehrere Bereiche unterschiedlicher Fahrzeuggeschwindigkeiten festgelegt, wobei einer oder mehrere Bereiche bei der Bildung des Temperaturintegrals (Aufsummierung der linearen Verlagerung der Spindel gegenüber der Spindelmutter nach der Zeit) berücksichtigt werden können.
Es wird ein erster Bereich festgelegt, welcher den Fahrzeugstillstand kennzeichnet (Geschwindigkeit = 0 km/h), in welchem die Aufsummierung die lineare Verlagerung der Spindel gegenüber der Spindelmutter nach der Zeit fortwährend erfolgt. Wie oben bereits gesagt sind bei Fahrzeugstillstand höchste Stellkräfte erforderlich. Mit anderen Worten erfolgt hier der höchste Wärmeeintrag in den Spindelantrieb. Die Bildung des Temperaturintegrals in vollem Umfang ist somit bei Fahrzeugstillstand zur Ermittlung der Bestimmung der maximalen thermischen Belastung sinnvoll.
Des Weiteren wird ein zweiter Bereich festgelegt, welcher mittlere Geschwindigkeiten von etwa 10 bis 50 km/h berücksichtigt, wobei für diesen Bereich ein Koeffizient gebildet wird, sodass die Aufsummierung reduziert erfolgt. Die Bildung des Koeffizienten basiert z.B. auf empirischer Ermittlung. Es handelt sich hierbei um einen mittleren Bereich, bei dem die Reifenaufstandskräfte noch sinnvoll zu berücksichtigen sind, weil sich dadurch zwar geringere Stellkräfte als bei dem Fahrzeugstillstand ergeben. Jedoch ist durch die Stellkräfte noch ein erhöhter Wärmeeintrag in den Spindelantrieb zu erwarten.
Zudem wird ein dritter Bereich festgelegt, welcher hohe Geschwindigkeiten von größer 50 km/h berücksichtigt, wobei in diesem Bereich keine Aufsummierung vorgenommen wird. Bei hohen Geschwindigkeiten ist das aufzuwendende Drehmoment zur Lenkung der Räder vergleichsweise gering bis kaum vorhanden. Zudem ist die lineare Verlängerung bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten ebenfalls sehr gering. Das liegt darin begründet, dass zum Beispiel bei einem Überholvorgang bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h Änderungen der Radlenkwinkel unter 1 ° im Bereich von wenigen Minuten ausreichend sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Steuergerät zum Ausführen eines Verfahrens vorgesehen. Dieses Steuergerät ist bevorzugt Teil der Steer-by-wire- Lenkung. Das Steuergerät kann in der Steer-by-wire-Lenkung in dessen Gehäuse integriert sein. Jedenfalls ist das Steuergerät bevorzugt der Steer-by-wire-Lenkung direkt zugeordnet.
Ein weiteren Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren wie oben angegeben auszuführen, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere auf dem vorgenannten Steuergerät ausgeführt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Steer-by-wire-Lenkung, welche vorzugsweise als Hinterachslenkung ausgebildet und mit einem Steuergerät wie vorgenannt ausgestattet ist, welches ein Verfahren wie vorgenannt ausführen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Steer-by-wire-Lenkung nach dem bekannten Stand der Technik und
Fig. 2 ein Schaubild gern, des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 3 eine weiteres Schaubild des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Steer-by-wire-Lenkung 20, der für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird. Die Steer-by-wire-Lenkung 20 weist einen Spindelantrieb 21 auf, welcher eine Spindel 22, eine Spindelmutter 23, Lager 24 sowie eine Riemenscheibe 25 umfasst, welche über einen Riemen 26 von einem Elektromotor 27 antreibbar ist. Die Ansteuerung des Elektromotors 27 erfolgt mittels eines Steuergerätes SG, welches an diesem angeordnet ist. Durch Drehen der ortsfest gelagerten Spindelmutter 23 wird die Spindel 22 axial verschoben. Die lineare Verlagerung s ist durch einen Doppelpfeil angedeutet. Durch die lineare Verlagerung s ergibt sich für die Spindel 22 ein Stellhub s, auch Verfahrweg genannt. Die Spindel 22 kann von ihrem linken Endanschlag bis zu ihrem rechten Endanschlag verstellt werden. Das entspricht dem maximalen Stellhub bzw. der maximalen linearen Verlagerung. Die Spindel 22 ist in Figur in ihrer Mittenstellung gezeigt. Dieses entspricht einem Radlenkwinkel von 0°, welches der Geradeausfahrt entspricht. Die Spindel 22 weist eine nicht gezeigte Verdrehsicherung auf, so dass sich diese durch die Drehung der Spindelmutter 32 nicht mitdrehen kann. Der Aktuator 20 weist ein Gehäuse 28 auf, welches über ein erstes Gelenk 29 am Fahrzeugaufbau befestigt ist. Die Spindel 22 ist an einem ihrer beiden Enden mit einem Aufschraubzapfen 30 fest verbunden, welcher gegenüber dem Gehäuse 28 axial gleitend geführt und an seinem äußeren, aus dem Gehäuse 28 herausragenden Ende mit einem zweiten Gelenk 31 verbunden ist. Der Aktuator 20 ist über das zweite Gelenk 31 mit einem nicht dargestellten Lenkgestänge, vorzugsweise einem Spurlenker einer Hinterachse mittelbar oder unmittelbar mit einem Radträger eines Kraftfahrzeuges verbunden und kann somit die Lenkung eines Hinterrades bewirken, wobei die fahrzeugseitig Abstützung über das erste Gelenk 29 erfolgt.
Fig. 2 zeigt ein Koordinatensystem, in welchem die lineare Verlagerung bzw. der Stellhub s an der Ordinate gegenüber der Zeit t an der Abszisse aufgetragen ist. Grundsätzlich können mittels einer Lenkung die Räder eines Fahrzeugs nach links und nach rechts für die entsprechend gewünschte Lenkbewegung gelenkt werden. Dieses erfordert durch die Steer-by-wire-Lenkung 20 bzw. dessen Aktuator einen Stellhub nach links bzw. nach rechts. Für die Darstellung gemäß der Figuren 2 und 3 bedeutet der Stellhub in den positiven Bereich eine Lenkbewegung nach links und in den negativen Bereich der Ordinate einen Stellhub nach rechts. Auf der Ordinate sind Maximalwerte s_max(+), s_max (-) eingetragen und entsprechen dem maximalen Stellhub s nach links bzw. nach rechts. Dieses entspricht einer linearen Verlagerung der Spindel 22 in den linken bzw. rechten Endanschlag der Steer-by-wire-Lenkung 20. Des Weiteren sind an der Ordinate ein erster Schwellwert T_max sowie ein zweiter Schwellwert T_reactiv eingetragen. Durch die linear ansteigend dargestellte Linie wird ein Temperaturintegral T_int dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Stellhub s bzw. die lineare Verlagerung der Spindel mit der hier maximal dargestellten Lenkbewegung bzw. des
Stellhubs s_max(+), s_max(-) nach der Zeit t zu einem Temperaturintegral T_int aufsummiert wird, bis der erste Schwellwert T_max erreicht ist. Verdeutlicht ist dieses mit dem Abszissenwert Zeitpunkt t_safe_s. Dieses bedeutet, dass die thermische Maximallast für den Spindelantrieb 21 bzw. die Steer-by-wire-Lenkung 20 durch die bisherige Lenkbewegung in dieser Zeit erreicht ist. Mit anderen Worten ist nach dieser Zeit in Abhängigkeit von dem erfolgten Stellhub s und der Fahrzeuggeschwindigkeit ein Wärmeeintrag durch die Reibung und Belastung im Spindelantrieb erfolgt. Ist der erste Schwellwert T_max erreicht, so wird zu diesem Zeitpunkt t_safe_s eine Schutzfunktion aktiviert. Mit der geschweiften Klammer ist verdeutlichend dargestellt, dass nach Aktivierung der Schutzfunktion die Steer-by-wire-Lenkung 20 mit einem eingeschränkten Stellhub s_red betrieben wird. Beim eingeschränkten Stellhub s_red ist der Stellhub s deutlich verringert. Es wird zudem unabhängig von der Fahrsituation von dem Temperaturintegral T_int fortwährend ein Abklingwert T_fade abgezogen. Dieses ist hier deutlich lediglich in dem Zeitraum des eingeschränkten Stellhubs s_red zu erkennen. Der Abklingwert T_safe wird jedoch zyklisch fortwährend von dem Temperaturintegral T_int abgezogen. Die Aufsummierung ist jedoch derart dominant, dass in der zeichnerischen Darstellung dieses während der Aufsummierung nicht erkennbar ist. Die Subtraktion des Abklingwertes T_safe entspricht dem natürlichen Abkühlverhalten des Spindelantriebes beim Betrieb der Steer-by-wire-Lenkung 20. Diese ist sinnvoll und eine realistische Abbildung der tatsächlichen Vorgänge in der Steer-by-wire-Lenkung 20, da zwischen Lenkbewegungen immer wieder kleine Lenkpausen vorliegen in denen nicht gelenkt wird. Die Begründung liegt darin, dass die kontinuierliche Kühlung der steer-by- wire Lenkung hauptsächlich über Konvektion erfolgt. Fig. 3 zeigt ein ähnliches Koordinatensystem wie Figur 2. Es stellt den zeitlichen Ablauf nach Erreichen des ersten Schwellwertes T_max und der Aktivierung der Schutzfunktion zum Zeitpunkt t_safe_s dar. Die Steer-by-wire-Lenkung 20 wird mit eingeschränktem Stellhub s_red betrieben. Es ist erkennbar, dass der Stellhub s deutlich verringert ist. Die thermische Belastung in dem Spindelantrieb 21 nimmt deutlich ab, welches durch ein fallendes Temperaturintegral T_int dargestellt ist. Der Abklingwert bzw. dessen Subtraktion ist durch den eingeschränkten Stellhub s dominant, so dass eine gewisse Aufsummierung weniger bedeutend ins Gewicht fällt. Quasi überwiegt der Abklingwert T_fade, welches dem Abnehmen der Temperatur im Spindelantrieb 21 reell entspricht. Erreicht das Temperaturintegral T_int einen zweiten Schwellwert T_reactiv so wird die Schutzfunktion zum Zeitpunkt t_safe_e deaktiviert. Die Steer-by-wire-Len- kung 20 kann sodann mit dem normalen Stellhub s weiter betrieben werden (uneingeschränkter Betrieb) und es erfolgt weiter die Aufsummierung des Temperaturintegrals T_int des Stellhubes s nach der Zeit t.
Es hat sich gezeigt, dass durch diese Funktionalität eine sehr gute Bewertung der thermischen Maximallast auch ohne Temperatursensorik möglich ist. In vorteilhafter Weise kann daher auf eine separat in dem Spindeltrieb vorhandene direkte sensorische Erfassung der Temperatur verzichtet werden.
Bezuqszeichen
20 Steer-by-wire-Lenkung
21 Spindelantrieb
22 Spindel
23 Spindelmutter
24 Lager
25 Riemenscheibe
26 Riemen
27 Elektromotor
28 Gehäuse
29 erstes Gelenk
30 Aufschraubzapfen
31 zweites Gelenk
SG Steuergerät v_veh Fahrzeuggeschwindigkeit
T_int Temperaturintegral
T_max (erster) Schwellwert t_safe_s Zeitpunkt Aktivierung Schutzfunktion t_safe_e Zeitpunkt Deaktivierung Schutzfunktion
T_fade Abklingwert
T_reactiv (zweiter) Schwellwert t Zeit (der Verlagerung der Spindel) s Stellhub, lineare Verlagerung s_max maximaler Stellhub s_red eingeschränkter Stellhub

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Schutz der Bauteile einer Steer-by-wire-Lenkung (20), wobei die Steer-by-wire-Lenkung einen Spindelantrieb (21 ) mit Selbsthemmung aufweist, wobei die Spindel (22) mittels eines Drehantriebs einer ortsfest gelagerten Spindelmutter (23) linear verlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschätzung einer thermischen Maximallast in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_veh) die lineare Verlagerung (s) der Spindel (22) gegenüber der Spindelmutter (23) nach der Zeit (t) fortwährend als ein Temperaturintegral (T_int) aufsummiert wird, bis ein erster Schwellwert (T_max) erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während der Verlagerung zyklisch eine Abklingwert (T_safe), insbesondere unabhängig von der Fahrsituation, von dem Temperaturintegral (T_int) subtrahiert wird, vorzugsweise in Intervallen von 20 bis 60ms, bevorzugt nach jeweils 40ms.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des ersten Schwellwertes (T_max) zum Zeitpunkt (t_safe_s) die weitere Verlagerung der Spindel (22) eingeschränkt wird und/oder das Antriebsmoment der Spindelmutter (23) zumindest temporär reduziert wird, insbesondere ein Antriebsmoment der Spindelmutter (23) auf 0 abgesenkt wird, um eine weitere thermische Belastung zu reduzieren.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des ersten Schwellwertes (T_max) das eingeschränkte Verlagern (s_red) der Spindel (22) fortwährend durchgeführt wird bis das Temperaturintegral (T_int) mittels fortwährendes Subtrahieren des Abklingwertes T_safe einen zweiten Schwellwert (T_reactiv) erreicht und sodann ab dem Zeitpunkt (t_safe_e) die eingeschränkte Verlagerung (s_red) aufgehoben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung von der eingeschränkten auf die uneingeschränkte Verlagerung (s) der Spindel (22) graduell erfolgt, so dass keine sprunghafte Lenkbewegungen entstehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_veh) mehrere Bereiche unterschiedlicher Fahrzeuggeschwindigkeiten festgelegt werden, wobei einer oder mehrere Bereiche aus der folgenden Liste der Bereiche bei der Aufsummierung der linearen Verlagerung (s) der Spindel (22) gegenüber der Spindelmutter (23) nach der Zeit berücksichtigt werden können:
• ein erster Bereich (v_veh_0), welcher den Fahrzeugstillstand kennzeichnet, in welchem die Aufsummierung der linearen Verlagerung (s) der Spindel (22) nach der Zeit (t) gegenüber der Spindelmutter (23) fortwährend erfolgt
• ein zweiter Bereich (v_veh_med), welcher mittlere Geschwindigkeiten (v_veh_0 < v_veh_med < v_veh_high) berücksichtigt, wobei für diesen Bereich ein Koeffizient gebildet wird, so dass die Aufsummierung nach der Zeit (t) reduziert erfolgt
• ein dritter Bereich (v_veh_high), welcher hohe Geschwindigkeiten (v_veh_high » v_veh_med) berücksichtigt, wobei in diesem Bereich keine Aufsummierung nach der Zeit (t) vorgenommen wird
7. Steuergerät (SG) zum Ausführen eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche von 1 bis 6 auszuführen, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere auf dem Steuergerät (SG) nach Anspruch 9 ausgeführt wird.
9. Steer-by-wire-Lenkung (20), vorzugsweise ausgebildet als Hinterachslenkung, mit einem Steuergerät (SG) nach Anspruch 7.
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