WO2023213526A1 - Verfahren sowie steuereinheit zum betreiben einer steer-by-wire-lenkung sowie steer-by-wire-lenkung - Google Patents

Verfahren sowie steuereinheit zum betreiben einer steer-by-wire-lenkung sowie steer-by-wire-lenkung Download PDF

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ZF Friedrichshafen AG
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    • B62D7/1581—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 characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels characterised by comprising an electrical interconnecting system between the steering control means of the different axles

Definitions

  • the invention relates to a method and a control unit for operating steer-by-wire steering and steer-by-wire steering of a motor vehicle according to the preambles of the independent claims.
  • an actuator with a stationary spindle nut and a spindle which is secured against rotation and can be moved axially relative to the spindle nut is known. At least one end of such an actuator, which is used in steer-by-wire steering, is connected to a wheel carrier by means of a steering linkage. The linear displacement of the spindle can change the wheel steering angle of a wheel rotatably mounted on a wheel carrier.
  • the one from a steering handle such.
  • a steering wheel which can be operated at least indirectly or works independently of it, is controlled via the signal path, i.e. without mechanical coupling.
  • Such steering must overcome frictional resistance of the wheels relative to the road and within the spindle drive during a steering process.
  • a method for operating steer-by-wire steering of a motor vehicle is specified, which is operated at a very low speed compared to normal driving from standstill to parking and/or maneuvering. The method has at least the following steps:
  • Steer-by-wire steering includes an actuator with a spindle drive for axial displacement of the spindle.
  • the actuator of the steer-by-wire steering of the motor vehicle preferably has a housing in which a spindle and a rotatably and stationary spindle nut are mounted.
  • the spindle and the spindle nut form a movement thread and are part of a spindle drive within the housing for axially displacing the spindle relative to the spindle nut and thus also relative to the housing.
  • the spindle has an external thread which engages with the internal thread of the spindle nut. If the spindle nut is driven in rotation, e.g. B.
  • the movement thread causes the spindle, which is secured against rotation, to be displaced axially along its longitudinal axis relative to the spindle nut or the housing. Due to the axial displacement along its longitudinal axis, the wheel steering angle of a wheel rotatably arranged on a wheel carrier can be changed, which is at least indirectly connected to one end of the spindle.
  • the high actuating forces required when steering cause a change in the gearbox of the actuator, especially in the movement thread of a spindle drive of the actuator high friction.
  • High friction occurs between the thread flanks within the movement thread, i.e. between the spindle and spindle nut, even when optimized lubricants and materials are used.
  • Due to the static friction and sliding friction occurring between the thread partners on the contact surfaces of the adjacent thread flanks a so-called stick-slip effect can occur. This involves the alternating sticking and sliding of the thread flanks, which can lead to fluctuating torques between the spindle nut and the spindle.
  • the spindle can be excited to oscillate, in particular torsional oscillations.
  • torsional vibration is also known as torsional vibration.
  • torsional oscillation occurs around the rotational degree of freedom of a system, here around the longitudinal axis of the spindle. In both cases it is a mechanical vibration.
  • stick-slip effect is derived from the two English words “stick” and “slip” (to slide). In physics and technology, the stick-slip effect describes a generally undesirable, jerky sliding (standstill-slide-standstill-slide) of solid bodies that move against each other.
  • Steer-by-wire steering is a steering device that is decoupled from the mechanical steering with a steering handle, for example a steering wheel.
  • This steering device can also be operated entirely by a control unit, for example in an autonomous vehicle.
  • the driver's steering movement using the steering handle is not transmitted to the wheel carriers or wheels mechanically, for example via a linkage. Rather, a steering angle, also called wheel steering angle, or its change for the respective wheels of an axle, e.g. B. calculates in a control unit which control signals are sent to the or the Actuators of the steer-by-wire steering sends and ultimately causes the steering angle change or adjustment of the steering angle on the respective wheel.
  • the driver's steering angle requirement or a calculated steering angle change can deviate from the maximum adjustable steering angle on the axle in question, for example be larger. In this case, at most the maximum possible steering angle can be set.
  • the steering angle requirement consists of changing the steering angle from the existing steering angle to an intended steering angle, the steering angle requirement also being a function of time.
  • a driver can turn the steering wheel slowly, for example with 27s, or very quickly, for example with 207s, in order to change the steering angle by, for example, 5°. In other words, both the change in the angle and the speed of the change in the angle are recorded.
  • the approach presented here is based on the knowledge that in certain situations an increased torque or an increased force is required for steering or, in other words, for turning the respective wheel into a desired steering angle or wheel steering angle.
  • the situation considered here assumes that the vehicle has a very low speed from standstill to parking and/or maneuvering. At a complete standstill, the speed is 0 km/h.
  • a speed of less than or equal to 5 km/h is assumed.
  • a speed range from 0 to around 1 km/h particularly high forces are required to turn the desired steering angle.
  • the lower the speed the greater the expected steering forces, which must be accomplished by the steer-by-wire steering actuator. This lies in it reasons that the entire weight of the vehicle rests on the tires.
  • the contact between tires and the road results from the tire contact area.
  • the size of a tire's contact patch depends primarily on the wheel load and tire pressure, because the tire's internal pressure carries the majority of the wheel load. But the tire width, tire diameter and the stiffness of the sidewall also play a role.
  • a higher force is required to steer, i.e. to rotate the wheel about its vertical axis, than when the wheel rolls due to the vehicle's movement.
  • the ambient temperature and the tire temperature also have an influence, as they directly affect the friction between the tire and the road surface.
  • tire compound, tire type, tire friction coefficient, road surface and road condition dry, damp, dirty, icy, etc.
  • the tire of a bike is usually made of rubber - an elastic material. If a force to steer the wheel from the actuator of a steer-by-wire steering system now acts on the wheel, a preload results due to the static friction or sliding friction between the tire and the road surface. The tire is essentially pulled up against the road and is therefore pre-tensioned. Further preload is created between the actuator and the wheel carrier by bearings inserted between them and, if necessary, handlebars, such as a steering linkage, depending on the design of the chassis.
  • the steer-by-wire steering steers back from a large steering angle, preferably starting from a maximum possible steering angle, to a smaller steering angle
  • the preloads are initially reduced for a short time and preloads arise again.
  • the preload increases the lower the speed of the vehicle is or when it is reduced from rolling to a standstill. When parking and/or maneuvering, this happens almost constantly.
  • steering back from the previously set large steering angle there is a change in the direction of force in the actuator of the steer-by-wire steering. This leads to a load change within one Gear or spindle drive of the actuator, so that in turn there is a changed stick-slip behavior. This can lead to vibrations and high thermal loads within the actuator or its movement thread. This behavior needs to be reduced or minimized.
  • the speed of the spindle nut of the actuator of the steer-by-wire steering is limited depending on the current speed of the vehicle, preferably based on its nominal speed at which it is usually operated.
  • the spindle drive of the actuator by limiting the speed, improved behavior of the friction partners in the actuator, e.g. the adjacent thread flanks of the movement thread, can be achieved.
  • the torsional vibrations mentioned above and also the thermal load are minimized or do not arise at all.
  • the limitation of the speed is carried out by means of the step for determining a limit value of a speed of the spindle nut.
  • the limit value is determined at least depending on the current vehicle speed.
  • the speed of the spindle nut is continuously recorded, preferably at intervals, preferably at intervals of 10ms.
  • a current vehicle speed is continuously recorded, preferably at intervals of 10 ms, which is present, for example, due to a driver's request by pressing the accelerator pedal.
  • the detection of the speed of the spindle nut is preferably carried out using a sensor system.
  • the speed can be determined by means of a sensor which is preferably arranged in the housing, preferably in a non-contact manner. For example, an incremental sensor can be used for this.
  • a rotor position sensor of the driving electric motor is used to determine the speed of the spindle nut.
  • a rotor position sensor is preferably designed as an incremental sensor. Simply put, it counts the revolutions of the engine, especially as a function of time.
  • the speed of the spindle nut can be determined with knowledge of the speed of the electric motor. In particular, the speed is determined computationally in a control unit. For example, while parking on the front axle, the largest possible steering angle may have been set so that the wheels were turned as far as possible in one direction, for example to the left.
  • a control unit set a maximum steering angle for the steer-by-wire steering on a rear axle in opposite directions, here to the right.
  • the vehicle comes to a standstill after such a steering maneuver when parking.
  • the steer-by-wire steering actuator also comes to a standstill and no steering angle adjustment is carried out for a moment.
  • the driver now steers the steering wheel back in the opposite direction and/or a change in the vehicle speed is initiated due to a calculated change or a changed accelerator pedal position.
  • a driving assistant may have caused the changes, for example a parking assistant. These changes are also made at a certain speed.
  • the limit value of the spindle nut speed is limited depending on the vehicle speed.
  • the actuator of the steer-by-wire steering is controlled to adjust a steering angle. This now happens with a preferably lower speed of the spindle nut than the otherwise used nominal speed. This causes a changed friction behavior within the spindle drive or the friction partners of the movement thread due to a relative speed between the flanks of the internal thread of the spindle nut and the external thread of the spindle that deviates from normal operation at nominal speed.
  • the stick-slip behavior mentioned above changes and reduces or prevents torsional vibrations in the spindle drive.
  • the actuator is preferably controlled by a control unit such as a control device or a controller.
  • the control unit is preferably part of the steer-by-wire steering.
  • the actuator can also be controlled using another control device installed in the vehicle, which is not part of the steer-by-wire steering system.
  • the drive for example an electric motor
  • the design of the steer-by-wire steering was determined.
  • a speed of the spindle nut results, if necessary with the interposition of a gearbox.
  • the nominal speed causes a predefined positioning speed in connection with the gearbox or the spindle drive of the actuator, which ultimately results in a steering speed and is also referred to as a steering gradient.
  • the steering gradient indicates by what angle per unit of time, for example by how many degrees per second, the steered wheel can be adjusted about its vertical axis.
  • Different steering gradients can be defined for different driving situations with different vehicle speeds and boundary conditions, such as vehicle load, type of tire used or road condition, etc.
  • the actuator can, for example, have an actuating speed at the above-mentioned nominal speed, so that in a vehicle that is ready to drive and is unloaded with its wheels on a dry road, the wheels can be adjusted with a steering gradient of, for example, up to 187 s using the steer-by-wire steering let.
  • the steering speed can decrease due to the friction between the tires and the road at a low speed, such as parking and/or maneuvering, and have a lower steering gradient of, for example, 2-8 s.
  • the steering gradient is reduced or limited to, for example, 0.257s in order to avoid sudden steering movements, which can cause dangerous driving situations.
  • Large steering angles here mean steering angles that are within the range of the maximum steering angles possible in terms of design for the respective axle.
  • the vehicle speed and the steering angles on the wheels often change.
  • it is easier to drive into a parking space or maneuver with a trailer, for example. It is therefore particularly advantageous if, in addition to the front axle, the rear axle of the motor vehicle can also be steered.
  • a steering angle of 0° is also referred to as the center position or neutral steering angle and corresponds to the straight-ahead driving of a vehicle if a (wheel) steering angle of 0° is set on each steered axle or wheel.
  • the wheels are aligned parallel to the longitudinal direction of the vehicle.
  • the limit value is applied at least temporarily. The limit value is canceled when a vehicle speed is reached, from which, for example, a limit on the speed of the spindle nut is no longer necessary. It is also possible for the limit value to be applied for a predetermined period of time, so that the limit value is reset to a nominal or maximum value or canceled after this time has elapsed.
  • a previously determined limit value can also be changed, in particular reduced based on the previously set value, in order to take a resulting changed driving situation into account.
  • the reasons for this could be the changed position of the accelerator pedal or a calculated or required change in speed due to a changing road surface (slippery, road with different coefficients of friction, e.g. on each side of the vehicle).
  • the limit value is set to a predefined minimum value in the determining step.
  • a predefined minimum value can correspond to half or three-quarters of the nominal speed of the speed of the spindle nut, at which a structurally defined displacement of the spindle is possible in a predetermined time.
  • This also advantageously ensures that the speed is always sufficient, so that an intended steering movement is possible under every conceivable condition or driving situation. In other words, it is ensured that, taking into account every driving situation of the motor vehicle, a trouble-free change in the wheel steering angle is possible without a damaging increase in temperature or resonance vibrations in the actuator.
  • the nominal speed of the spindle nut is a design-determined value that determines the actuating speed of the steer-by-wire steering actuator. It will be described later that the nominal speed can be exceeded at least temporarily in order to compensate for a so-called offset. The actuating speed of the actuator can thus be maintained even when the limit value for the speed of the spindle nut is temporarily applied, so that the actuating speed of the actuator is not influenced or is not significantly influenced. Exceeding the nominal speed can result in a maximum value for the speed of the spindle nut take place and is, for example, structurally limited by the gearbox and/or the electric motor.
  • the speed limitation is carried out in the step of determining a limit value at least as a function of the current vehicle speed.
  • the position of the spindle and/or the vehicle situation can also be taken into account in an advantageous manner.
  • the steering angle requirement it was already mentioned above that this can vary.
  • a large steering angle change can be made, for example when parking from a maximum steering angle to the left to a maximum steering angle to the right. This can, for example, be controlled at a high rate of change using the steering handle based on the driver's wishes. This changes the position of the spindle within the actuator housing to the maximum.
  • the ambient temperature (temperature of the lubricant within the spindle drive, the road surface and the tires) also plays an important role, since lower temperatures result in higher coefficients of friction, e.g. due to a changed viscosity of the lubricant.
  • the determination of the limit value of the speed of the spindle nut can be further optimized qualitatively.
  • vibrations of the actuator can be detected, which are taken into account in the step of determining the limit value.
  • suitable sensors such as structure-borne sound sensors, preferably using micromechanical piezoelectric signal pickups.
  • At least one signal pickup is, for example, firmly connected to the housing of the actuator, preferably arranged within the housing.
  • the connection to the control unit can be wireless or via a signal line. If the vibration reaches a level stored in the control unit, this is taken into account when determining the limit value for the speed of the spindle nut.
  • steering angle ranges can be defined, with a specific limit value being assigned to a respective range.
  • the range can preferably be limited to a steering angle of less than 65-70% of a maximum possible steering angle. This results, for example, in a first area with a steering angle of 0-70% of a maximum possible steering angle and a second area with a steering angle greater than 70% up to the maximum possible steering angle. For example, a maximum steering angle of 10° can be possible on a rear axle. If this maximum steering angle is set and the steering is steered back to 8°, for example, the speed of the spindle nut is limited in the second range.
  • a limit value can preferably be determined above 70% to 100% of the maximum steering angle.
  • the limit value is canceled when the steering angle is changed to or reaches the range from 0 to 70%.
  • the assignment of the areas can advantageously be stored as a characteristic curve in a control unit, so that a respective limit value can be retrieved or assigned in the determination step based on the characteristic curve.
  • Different characteristics can be stored in a control unit for different driving situations.
  • This consideration takes into account that a predefined maximum steering angle, which is structurally possible with steer-by-wire steering in the respective motor vehicle, can change due to boundary conditions.
  • Such driving situations can arise, for example, when the vehicle is loaded.
  • the wheels sink deeper into the wheel arches and the maximum steering angle must be limited because otherwise the wheels or tires would collide with parts of the chassis or body if the maximum possible steering angle was set.
  • the load also causes a higher wheel load, which requires more steering force.
  • the vehicle can be loaded in a known manner using suitable sensors, such as one Altitude detection can be recorded. Due to the level detection, a characteristic curve can be selected, for example, which can have a lower maximum steering angle.
  • a limited maximum steering angle can also arise, for example, due to the use of wider tires or the use of snow chains, etc. Due to the available installation space in the area of the wheel arches, it may also be necessary here that the maximum available steering angle must be limited, for example by a characteristic curve, because there is not enough space available for steering movements.
  • the tires or wheels can, for example, be equipped with RFID sensors, which signal the tire condition to a control unit. This option can also be used to provide support points for limit values that deviate from the normal state of the vehicle and are sufficient for the driving situation to limit the acceleration.
  • the load and the associated higher wheel loads are preferably taken into account in at least one characteristic curve.
  • the limit value i.e. the limited speed of the spindle nut
  • the actuator is basically driven at a predefined positioning speed in order to be able to set a steering angle on the wheels of an axle in accordance with the steering angle requirement in a specific time.
  • the limited speed would result in an offset, so that the requested steering angle would only be reached later than without the limitation.
  • the steering speed or the steering gradient is at least temporarily changed, preferably increased.
  • the predefined positioning speed is increased taking into account the requested steering angle and/or a currently set steering angle and/or the current vehicle speed.
  • the change in the steering angle is achieved by the steer-by-wire steering in the same time as with the nominal speed without a limitation.
  • the steering gradient can be in a range of 0-127s at a speed of the vehicle from a standstill up to a maximum of 1 km/h, preferably up to 0.7 km/h.
  • the steer-by-wire steering is operated at a speed necessary for the adapted steering gradient. If the steering gradient is temporarily increased, it can be increased by 20 to 70%, preferably by 30 to 50%.
  • the maximum steering gradient can be briefly increased from 127s here by 4 to 67s to 187s, so that the intended steering angle change can be carried out in the intended time, that is, if possible, in accordance with the steering angle requirement.
  • the increase is preferably controlled in such a way that the area critical for the vibration excitation is excluded as far as possible.
  • the limit value for limiting the speed is preferably not changed suddenly. Instead, a gradual adjustment is preferably carried out in the sense of a smooth transition of the previously changed speed to a setpoint or the nominal speed. This is an advantage in terms of driving safety or controllability of the vehicle and driving comfort.
  • the current speed of the motor vehicle is recorded in a further step, in particular at intervals, preferably at intervals of 10 ms.
  • the current speed is taken into account, with the limit value being canceled above a limit speed.
  • the limit speed indicates the departure from the aforementioned low speed and is therefore greater than 1 km/h, preferably 1.1 km/h, preferably above 0.7 km/h, most preferably 0.71 km/h.
  • preference is given to the limit value for the limited speed depending on the current steering angle of the wheels determined on the respective axle of the motor vehicle.
  • the speed is preferably not limited in the step of determining the limit value.
  • the operation of the steer-by-wire steering can advantageously be further improved.
  • characteristic curves can be stored in a control unit, which map certain vehicle parameters in certain areas.
  • characteristic curves can advantageously be used in the determination step. Such characteristics simplify the determination of the limit value and ultimately the setting of the steering angle of at least one wheel on a vehicle axle using the limit value of the speed of the spindle nut.
  • An embodiment is particularly advantageous in which the steering angle on a steerable rear axle of the motor vehicle is controlled in the step of controlling the actuator. If a steering angle can be set on the rear axle, which runs in the opposite direction to the steering angle on the front axle, this results in a smaller turning circle at low speeds than in a vehicle with a non-steered rear axle.
  • the vehicle can be maneuvered or parked better thanks to the steering of the rear wheels.
  • the steerable rear axle is preferably designed as a steer-by-wire steering system.
  • the invention relates to a control unit for controlling an actuator of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, the control unit having at least the following features: • an interface for at least indirectly detecting a speed of a spindle nut (25), which represents a current speed (r_sm_cur),
  • an interface for detecting a steering angle which represents a current steering angle (RLwv_mom, RLwh_mom) of at least one wheel (5, 6) of a motor vehicle,
  • a unit for controlling the actuator of the steer-by-wire steering for setting a steering angle (RLw v , RLwh) of at least one wheel (5, 6) using the limit value (r_sm_lim).
  • the control unit is also able to limit the limited speed temporarily, i.e. temporarily or for a certain period of time.
  • the control unit can determine, preferably calculate, the current speed of the spindle nut from the speed of the electric motor.
  • the speed of the electric motor is preferably determined by means of a rotor position sensor built into it, which is preferably designed as an incremental sensor.
  • the control unit may take into account an existing gear ratio, which results from the gear ratio.
  • the control unit can also determine the spindle position, preferably using the rotor position sensor of the electric motor.
  • a linear path sensor can also be used to check the plausibility of the position of the spindle, which preferably works without contact.
  • the control unit can be a control device, which can be, for example, an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals depending on this.
  • the device can have one or more suitable interfaces, which can be designed in hardware and/or software.
  • the interfaces can, for example, be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented.
  • the interfaces can also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be designed as software modules in the form or as part of a computer program, which are implemented, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable data carrier such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous if the program is on a computer or a control unit is carried out.
  • the invention can minimize the vibration behavior of the actuator or the components contained therein without changing the mechanics of an existing actuator of a steer-by-wire steering by means of control according to the method.
  • the overall service life of the steer-by-wire steering can be improved cost-effectively.
  • Fig. 3 is a diagram of the method according to the invention
  • Fig. 1 shows a steer-by-wire steering system 12 known from the prior art on a vehicle axle 1, shown here in a top view as a rear axle with a subframe 2, which is attached to a vehicle body or is attributable to it and with which Chassis (running gear) is connected to the body of a motor vehicle.
  • Chassis running gear
  • the invention is not limited to a rear axle.
  • the wheels 5 and 6 are articulated to the subframe 2 by means of links 3, 4.
  • the links 3, 4 are part of the wheel suspension for the wheels 5, 6.
  • An actuator 10 of a steer-by-wire steering system 12 is arranged on the subframe 2.
  • the actuator 10 is attached to the subframe 2 with its housing 21.
  • the steer-by-wire steering 12 is designed as a central steering system which acts on both wheels 5, 6 of the axle. It has a continuous handlebar in the form of a spindle 27, which is passed through the housing 21 of the actuator 10 and is designed as an axially displaceable spindle.
  • the electric motor 22 is arranged axially parallel to the spindle 27.
  • tie rods 23, 24 are articulated, which are each articulated with the end facing away from the actuator 10 to a wheel carrier, not shown, of the wheels 5 and 6. It is obvious that with an axial displacement, i.e.
  • the actuator 10 has a housing 21 on which an electric motor 22 is arranged parallel to the axis.
  • the spindle is secured against twisting (not shown).
  • Spindle nut 25 and spindle 27 are in engagement and form a movement thread.
  • the spindle nut 25 is mounted in a stationary and rotatable manner relative to the housing 21 with a roller bearing 29.
  • the spindle (handlebar 27) is passed through the spindle nut 25 and is arranged coaxially therewith.
  • a belt wheel 30 is non-rotatably mounted on the spindle nut 25 arranged.
  • 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 22 rotates, the spindle nut 25 is set in rotation about the longitudinal axis s without slipping.
  • Drive pinion 32, belt wheel 30 and the drive belt 34 form a gear.
  • a linear displacement or displacement of the spindle 27 takes place in one direction or the other along the longitudinal axis s depending on the direction of rotation of the electric motor 22.
  • the spindle can be caused to vibrate due to the friction. As a result, the smooth running of the spindle drive 20 can deteriorate due to a reaction of the friction partners spindle nut 25 and spindle or handlebar 27.
  • Fig. 3 schematically shows a method according to the invention in a flow chart.
  • the control unit SG receives a current vehicle speed v_cur, a current steering angle request LW_req_cur, and a spindle position S_pos Vehicle state c_sit, a vibration value vib_cur of the actuator 10 and a speed r_sm_cur of the spindle nut 25 are provided.
  • Interfaces 100, 110, 120, 130, 140, 150 are provided for this purpose.
  • the arrows provide a simplified representation of the signal flow of the aforementioned parameters to the control unit SG.
  • a first step 200 at least the speed r_sm_cur of the spindle nut 25 of the spindle drive 20 and the current vehicle speed v_cur are recorded in the control unit SG.
  • the parameters are recorded in the control unit continuously and at intervals of 10 ms.
  • a comparison is made with the characteristics stored in the control unit. Using the characteristic curves, the relationships between the aforementioned parameters are stored in certain areas. For example, in a speed range of 0-1 km/h the change of a Friction value can be stored depending on a tire size or tire width.
  • the change in the spindle position S_pos depending on the speed of the spindle nut 25 can be stored in a further characteristic curve.
  • a change in the coefficient of friction within the movement thread depending on the spindle position S_pos relative to the spindle nut 25 can be stored in a further characteristic curve.
  • the influence of the friction within the spindle drive 20 or within the movement thread on the vibration behavior of the spindle (handlebar) 27 can be stored in a further characteristic curve.
  • the limit value r_sm_lim of the speed of the spindle nut 25 is determined at least as a function of the vehicle speed v_cur.
  • the control unit SG can access the characteristic curves stored there and take into account the value pairings stored there, which were previously mentioned as examples.
  • the actuator 10 is controlled to set a steering angle RLw v , RLwh of at least one wheel 5, 6 on a vehicle axle, the limit value r_sm_lim of the speed of the spindle nut 25 being applied.
  • the actuator 10 sets the steering angle at a speed that deviates from the nominal speed, namely a lower speed, due to the previously determined limit value r_sm_lim. Due to the reduced speed of the spindle nut 25 compared to the nominal speed, resonance vibrations of the spindle 27 are avoided in the current situation.
  • the limit value r_sm_lim is maintained at least until the vehicle speed v_cur increases above a threshold value, for example greater than or equal to 1 km/h. If, for example, a characteristic curve is stored in the control unit that from this speed onwards the speed limited by the limit value r_sm_lim can be raised back to the nominal speed, the control unit controls the actuator 10 in such a way that the speed of the spindle nut 25 gradually decreases from the limited speed r_sm_lim is increased to the nominal speed. Depending on the length of time the speed is limited, the speed of the spindle nut 25 is temporarily increased to a speed that exceeds the nominal speed.
  • a threshold value for example greater than or equal to 1 km/h.
  • Step of comparing with characteristic curve 240 Step of determining a limit value (spindle nut speed)

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs bei Geschwindigkeiten vom Stillstand bis zum Parkieren und/oder Rangieren vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Erfassen einer Drehzahl (r_sm_cur) einer Spindelmutter (25) eines Spindelantriebes (20), - Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur) - Bestimmen eines Grenzwertes (r_sm_lim) der Drehzahl (r_sm_cur) der Spindelmutter zumindest in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur) - Ansteuern des Aktuators zum Einstellen eines Lenkwinkels (RLWv, RLWh) zumindest eines Rades (5, 6) unter Anwendung des Grenzwertes (r_sm_lim) der Drehzahl der Spindelmutter.

Description

Verfahren sowie Steuereinheit zum Betreiben einer Steer-by-wire-Lenkunq sowie Steer-by-wire-Lenkunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Steuereinheit zum Betreiben einer Steer- by-wire-Lenkung sowie eine Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeuges nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aus der DE 10 2014 206 934 A1 ist ein Aktuator mit einer ortsfest gelagerten Spindelmutter und eine gegen Verdrehen gesicherte und axial gegenüber der Spindelmutter verlagerbaren Spindel bekannt. Zumindest ein Ende eines solchen Aktuators, welcher in einer Steer-by-wire-Lenkung Anwendung findet, ist mittels eines Lenkgestänges mit einem Radträger verbunden. Durch die lineare Verlagerung der Spindel kann eine Änderung des Radlenkwinkels eines drehbar an einem Radträger gelagerten Rades erfolgen. Die von einer Lenkhandhabe wie z. B. einem Lenkrad zumindest mittelbar betätigbare oder unabhängig von dieser arbeitende Steer-by-wire-Lenkung wird auf dem Signalwege, also ohne mechanische Kopplung angesteuert. Eine derartige Lenkung muss bei einem Lenkvorgang einen Reibungswiderstand der Räder gegenüber der Fahrbahn und innerhalb des Spindelantriebes überwinden. Besonders bei sehr geringen Geschwindigkeiten beim Rangieren oder Parkieren bis zum Stillstand des Kraftfahrzeugs werden vergleichsweise hohe Lenkkräfte benötigt, die den Aktuator stark belasten. Aufgrund abwechselnder Haftreibung und Gleitreibung zwischen den Flanken der Gewinde der Spindelmutter und der Spindel kann die Spindel im Spindelantrieb des Aktuators zu Resonanzschwingungen neigen und der Spindelantrieb hohe Temperaturen erlangen, welches zur Schädigung des Aktuators und somit der Steer-by-wire-Lenkung führen kann.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie eine Steuereinheit zum Betreiben einer Steer-by-wire-Lenkung sowie eine Steer- by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeuges anzugeben, wenn ein oder mehrere Räder an einer Achse des Fahrzeugs im Stillstand oder beim Parkieren bzw. Rangieren mit sehr niedriger Geschwindigkeit gelenkt werden. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Steer- by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeuges angegeben, welches mit einer im Vergleich zu einer normalen Fahrt sehr niedrigen Geschwindigkeit vom Stillstand bis zum Parkieren und/oder Rangieren betrieben wird. Das Verfahren weist zumindest folgende Schritte auf:
- Erfassen einer Drehzahl einer Spindelmutter eines Spindelantriebes,
- Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit
- Bestimmen eines Grenzwertes einer Drehzahl der Spindelmutter zumindest in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit
- Ansteuern des Aktuators zum Einstellen eines Lenkwinkels zumindest eines Rades an einer Fahrzeugachse unter Anwendung des Grenzwertes der Drehzahl der Spindelmutter.
Die Steer-by-wire-Lenkung umfasst einen Aktuator mit einem Spindelantrieb zur axialen Verschiebung der Spindel. Der Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung des Kraftfahrzeuges weist bevorzugt ein Gehäuse auf, in welchem eine Spindel und eine drehbar sowie ortsfest angeordnete Spindelmutter gelagert ist. Die Spindel und die Spindelmutter bilden ein Bewegungsgewinde und sind innerhalb des Gehäuses Teil eines Spindelantriebs zum axialen Verlagern der Spindel gegenüber der Spindelmutter und somit auch gegenüber dem Gehäuse. Die Spindel weist hierzu ein Außengewinde auf, welches mit dem Innengewinde der Spindelmutter in Eingriff ist. Wird die Spindelmutter drehangetrieben, z. B. durch einen Elektromotor, bevorzugt mittelbar durch ein Getriebe, vorzugsweise Riemengetriebe, höchst vorzugsweise mittels Zahnriemengetriebe, so bewirkt das Bewegungsgewinde, dass die gegen Verdrehen gesicherte Spindel axial entlang ihrer Längsachse gegenüber der Spindelmutter bzw. dem Gehäuse verlagert wird. Durch die axiale Verlagerung entlang ihrer Längsachse kann der Radlenkwinkel eines drehbar an einem Radträger angeordneten Rades geändert werden, welcher zumindest mittelbar mit einem Ende der Spindel verbunden ist.
Die beim Lenken erforderlichen hohen Stellkräfte bewirken in dem Getriebe des Aktuators, speziell in dem Bewegungsgewinde eines Spindelantriebs des Aktuators, eine hohe Reibung. Zwischen den Gewindeflanken innerhalb des Bewegungsgewindes, also zwischen Spindel und Spindelmutter, tritt auch bei Verwendung von optimierten Schmiermitteln und Werkstoffen ein hohe Reibung auf. Aufgrund der zwischen den Gewindepartnern auftretenden Haftreibung und Gleitreibung an den Kontaktflächen der aneinander liegenden Gewindeflanken kann es zu einem sogenannten Stick-Slip-Effekt kommen. Es handelt sich hierbei um das abwechselnde Haften und Gleiten der Gewindeflanken, welche zum einen zu schwankenden Drehmomenten zwischen der Spindelmutter und der Spindel führen kann. Hierbei kann beispielsweise die Spindel zu Schwingungen, insbesondere Drehschwingungen angeregt werden. Eine fortwährende oder temporäre Anregung über einen Mindestzeitraum kann bewirken, dass eine Resonanzfrequenz der Spindel oder anderer Bauteile in dem Aktuator erreicht wird. Des Weiteren bewirken die Schwingungen thermische Belastungen, welche die Schmiereigenschaft des Schmiermittels negativ belasten können. Dieses kann sich negativ auf die Lebensdauer des Aktuators auswirken.
Die vorgenannte Drehschwingung ist auch als Torsionsschwingung bekannt. Im Gegensatz zur translatorischen Schwingung erfolgt bei der Drehschwingung eine Schwingung um den rotatorischen Freiheitsgrad eines Systems, hier um die Längsachse der Spindel. In beiden Fällen handelt es sich um eine mechanische Schwingung.
Der Begriff Stick-Slip-Effekt (Haftgleiteffekt) leitet sich aus den beiden englischen Wörtern "stick" (haften) und "slip" (gleiten) ab. In der Physik und Technik beschreibt der Stick-Slip-Effekt ein in aller Regel unerwünschtes, ruckartiges Gleiten (Stillstand-Glei- ten-Stillstand-Gleiten) von Festkörpern, die sich gegeneinander bewegen.
Bei einer Steer-by-wire-Lenkung handelt es sich um eine von der mechanischen Lenkung mit einer Lenkhandhabe, bspw. eines Lenkrads, entkoppelte Lenkvorrichtung. Diese Lenkvorrichtung kann auch gänzlich von einer Steuereinheit betrieben werden, beispielsweise bei einem autonom fahrenden Fahrzeug. Die Lenkbewegung des Fahrers mittels Lenkhandhabe wird nicht auf mechanischem Wege, beispielsweise über ein Gestänge, auf die Radträger bzw. Räder übertragen. Vielmehr wird ein Lenkwinkel, auch Radlenkwinkel genannt, bzw. dessen Änderung für die jeweiligen Räder einer Achse, z. B. in einer Steuereinheit berechnet, welches Stellsignale an den oder die Aktuatoren der Steer-by-wire-Lenkung sendet und letztlich die Lenkwinkeländerung bzw. Einstellung des Lenkwinkels an dem jeweiligen Rad bewirkt. Dabei kann die Lenkwinkelanforderung des Fahrers oder eine berechnete Lenkwinkeländerung von dem maximal einstellbaren Lenkwinkel an der betreffenden Achse abweichen, z.B. größer sein. In diesem Fall kann höchstens der maximal mögliche Lenkwinkel eingestellt werden. Die Lenkwinkelanforderung besteht aus der Änderung des Lenkwinkels von dem bestehenden Lenkwinkel auf einen beabsichtigten Lenkwinkel, wobei die Lenkwinkelanforderung ebenfalls in Abhängigkeit von der zeit ist. Als Beispiel sei hier genannt, dass ein Fahrer langsam, z.B. mit 27s, oder aber sehr zügig z.B. mit 207s an dem Lenkrad drehen kann, um eine Lenkwinkeländerung von z.B. 5° vorzunehmen. Mit anderen Worten wird zum einen die Änderung des Winkels als auch die Geschwindigkeit der Änderung des Winkels erfasst.
Im Normalbetrieb einer Lenkvorrichtung werden größtenteils geringe Radlenkwinkeländerungen vorgenommen, wenn sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit deutlich oberhalb des o.g. Bereichs bewegt, bspw. beim Fahren in einer geschlossenen Ortschaft, z.B. mit 30 bis 50 km/h oder auf einer Landstraße oder einer Autobahn mit noch größerer Geschwindigkeit. Dort ist in der Regel von Lenkwinkeländerungen unterhalb von 1 ° auszugehen. Für diese geringen Änderungen werden somit im Vergleich deutlich geringere Stellkräfte benötigt, so dass Drehschwingungen kaum oder gar nicht auftreten.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass in bestimmten Situationen ein erhöhtes Drehmoment bzw. eine erhöhte Kraft zum Lenken oder mit anderen Worten zum Einschlagen des jeweiligen Rades in einen gewünschten Lenkwinkel bzw. Radlenkwinkel erforderlich ist. Die hier betrachtete Situation geht von einer sehr geringen Geschwindigkeit des Fahrzeuges vom Stillstand bis zum Parkieren und/oder Rangieren aus. Bei einem völligen Stillstand ist die Geschwindigkeit gleich 0 km/h. Beim Parkieren und/oder Rangieren wird hier von einer Geschwindigkeit kleiner oder gleich 5 km/h ausgegangen. In einem Geschwindigkeitsbereich von 0 bis etwa 1 km/h werden besonders hohe Kräfte zum Einschlagen des gewünschten Lenkwinkels benötigt. Je geringer die Geschwindigkeit je größer sind dabei die zu erwartenden Lenkkräfte, welche durch den Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung bewerkstelligt werden müssen. Dieses liegt darin begründet, dass die gesamte Gewichtskraft des Fahrzeugs auf den Reifen lastet. Der Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn ergibt sich aus der Reifenaufstandsfläche. Die Größe der Aufstandsfläche eines Reifens hängt in erster Linie von der Radlast und vom Reifendruck ab, weil der Innendruck des Reifens den Großteil der Radlast trägt. Aber auch die Reifenbreite, der Reifendurchmesser und die Steifigkeit der Seitenwand spielen eine Rolle. Es wird bei einem stillstehenden Rad eine höhere Kraft zum Lenken, also zum Drehen des Rades um seine Hochachse benötigt, als wenn das Rad aufgrund der Fahrzeugbewegung rollt. Mit zunehmender Rollbewegung, also Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit, wird jeweils weniger Kraft zum Lenken benötigt. Es ist ersichtlich, dass neben der Fahrzeugmasse auch die Temperatur der Umgebung sowie die Reifentemperatur einen Einfluss haben, da sie sich unmittelbar auf die Reibung zwischen Reifen und Fahrbahnoberfläche auswirken. Nicht erschöpfend seien hier folgende weitere Parameter genannt: Reifenmischung, Reifenart, Reifen reibkennwert, Fahrbahnbelag sowie Fahrbahnbeschaffenheit (trocken, feucht, verschmutzt, eisglatt etc.).
Der Reifen eines Rades ist in der Regel aus Gummi - einem elastischen Werkstoff. Wirkt nun eine Kraft zum Lenken des Rades von dem Aktuator einer Steer-by-wire-Len- kung auf das Rad, so ergibt sich eine Vorspannung aufgrund der Haftreibung bzw. Gleitreibung zwischen Reifen und Fahrbahnoberfläche. Der Reifen wird quasi gegenüber der Fahrbahn aufgezogen und somit vorgespannt. Weitere Vorspannung ergibt sich zwischen Aktuator und Radträger durch zwischen diesen eingesetzte Lager sowie ggfs. Lenker, wie zum Beispiel von einem Lenkgestänge, je nach Ausbildung des Fahrwerks.
Wird nun in dem vorgenannten geringen Geschwindigkeitsbereich durch die Steer-by- wire-Lenkung von einem großen, bevorzugt von einem maximal möglichen Lenkwinkel ausgehend auf einen kleineren Lenkwinkel zurückgelenkt, so werden die Vorspannungen zunächst kurzzeitig reduziert und es ergeben sich erneut Vorspannungen. Die Vorspannung nimmt zu, je geringer die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist bzw. wenn diese vom Rollen zu Stillstand hin reduziert wird. Beim Parkieren und/oder Rangieren ist das quasi in ständigem Wechsel der Fall. Beim Zurücklenken aus dem zuvor eingestellten großen Lenkwinkel kommt es zu einem Kraftrichtungswechsel in dem Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung. Dieses führt zu einem Lastwechsel innerhalb eines Getriebes bzw. Spindeltriebes des Aktuators, so dass es wiederum zu einem geänderten Stick-Slip-Verhalten kommt. Dieses kann zu Schwingungen und hohen thermischen Belastungen innerhalb des Aktuators bzw. dessen Bewegungsgewinde führen. Dieses Verhalten gilt es zu reduzieren bzw. zu minimieren.
Gemäß der Erfindung wird in dem vorgenannten Verfahren in Abhängigkeit der momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeugs die Drehzahl der Spindelmutter des Aktuators der Steer-by-wire-Lenkung limitiert, vorzugsweise ausgehend von ihrer Nenndrehzahl mit der diese üblicher weise betrieben wird. In dem Spindelantrieb des Aktuators kann durch die Limitierung der Drehzahl ein verbessertes Verhalten der Reibpartner in dem Aktuator, z.B. der aneinander liegenden Gewindeflanken des Bewegungsgewindes, erzielt werden. Dadurch werden die oben genannten Drehschwingungen und auch die thermische Belastung minimiert oder entstehen gar nicht erst.
Die Limitierung der Drehzahl wird mittels des Schrittes zum Bestimmen eines Grenzwertes einer Drehzahl der Spindelmutter vorgenommen. Der Grenzwert wird zumindest in Abhängigkeit der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Die Drehzahl der Spindelmutter wird fortwährend erfasst, bevorzugt in Intervallen, vorzugsweise in Intervallen von 10ms. Es wird dabei fortwährend, bevorzugt in Intervallen, vorzugsweise in Intervallen von 10ms eine momentane Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst, welche zum Beispiel aufgrund eines Fahrerwunsches durch Drücken des Gaspedals vorliegt. Die Erfassung der Drehzahl der Spindelmutter wird bevorzugt mittels einer Sensorik vorgenommen. Es kann die Drehzahl mittels eines bevorzugt im Gehäuse angeordneten Sensors, vorzugsweise berührungslos, erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein Inkrementalsensor verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestimmung der Drehzahl der Spindelmutter ein Rotorlagesensor des antreibenden Elektromotors verwendet. Ein solcher Rotorlagesensor ist bevorzugt als ein Inkrementalsensor ausgebildet. Einfach ausgedrückt werden damit die Umdrehungen des Motors gezählt, insbesondere in Abhängigkeit der Zeit. Bei einem mittelbaren Antrieb der Spindelmutter mittels eines Getriebes, bevorzugt eines Riemengetriebes, vorzugsweise mittels eines Zahnriemengetriebes, kann die Drehzahl der Spindelmutter in Kenntnis der Drehzahl des Elektromotors bestimmt werden. Insbesondere erfolgt die Bestimmung der Drehzahl rechnerisch in einer Steuereinheit. Beispielsweise kann während des Parkierens an der Vorderachse ein größtmöglicher Lenkwinkel eingestellt worden sein, sodass die Räder größtmöglich in eine Richtung, z.B. nach links, eingeschlagen wurden. Aufgrund dieser Lenkwinkelanforderung wurde von einer Steuereinheit ein maximaler Lenkwinkel von der Steer-by-wire-Lenkung an einer Hinterachse gegenläufig, hier also nach rechts, eingestellt. Typischerweise kommt das Fahrzeug nach einem solchen Lenkmanöver beim Parkieren zum Stillstand. Der Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung kommt ebenfalls zum Stillstand und es wird einen Moment lang keine Lenkwinkeleinstellung ausgeführt. Nun lenkt der Fahrer erneut an dem Lenkrad in die entgegengesetzte Richtung zurück und/oder es wird eine Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund einer errechneten Änderung oder einer geänderten Gaspedalstellung eingesteuert. Alternativ kann auch ein Fahrassistent die Änderungen bewirkt haben, z.B. ein Parkassistent. Diese Änderungen werden zudem mit einer gewissen Geschwindigkeit vorgenommen. Diese Parameter werden von der Steuereinheit erfasst und im Schritt des Bestimmens des Grenzwertes wird in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit der Grenzwert der Drehzahl der Spindelmutter limitiert. Unter Berücksichtigung zumindest der vorgenannten Parameter und unter Anwendung des Grenzwertes wird schließlich der Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung zum Einstellen des eines Lenkwinkels angesteuert. Dieses geschieht nun mit einer von der ansonsten genutzten Nenndrehzahl geänderten, bevorzugt niedrigeren Drehzahl der Spindelmutter. Dieses bewirkt ein geändertes Reibverhalten innerhalb des Spindelantriebes bzw. der Reibpartner des Bewegungsgewindes aufgrund einer vom Normalbetrieb bei Nenndrehzahl abweichenden Relativgeschwindigkeit zwischen den Flanken des Innengewindes der Spindelmutter und des Außengewindes der Spindel. Das oben angesprochene Stick-Slip-Verhalten ändert sich und reduziert bzw. verhindert Torsionsschwingungen im Spindelantrieb. Das Ansteuern des Aktuators erfolgt vorzugsweise durch eine Steuereinheit wie ein Steuergerät oder eine Steuerung. Die Steuereinheit ist bevorzugt Teil der Steer-by-wire-Lenkung. Die Ansteuerung des Aktuators kann jedoch auch mittels eines weiteren im Fahrzeug verbauten Steuergerätes erfolgen, welches nicht Teil der Steer-by-wire-Lenkung ist.
Ohne eine solche Limitierung mittels der Anwendung eines Grenzwertes würde der Antrieb, z.B. ein Elektromotor, mittels einer vordefinierten Beschleunigung auf eine Nenndrehzahl gebracht, welche für das Verstellen eines Lenkwinkels bei der konstruktiven Auslegung der Steer-by-wire-Lenkung festgelegt wurde. Bedingt durch die Drehzahl des Antriebes ergibt sich, ggfs. unter Zwischenschaltung eines Getriebes, eine Drehzahl der Spindelmutter. Die Nenndrehzahl bewirkt mit anderen Worten im Zusammenhang mit dem Getriebe bzw. dem Spindelantrieb des Aktuators eine vordefinierte Stellgeschwindigkeit, welche letztlich eine Lenkgeschwindigkeit ergibt und auch als Lenkgradient bezeichnet wird. Der Lenkgradient gibt an, um welchen Winkel pro Zeiteinheit, also bspw. um wie viel Grad pro Sekunde das jeweils gelenkte Rad um seine Hochachse verstellt werden kann. Für unterschiedliche Fahrsituationen mit unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten und Randbedingungen, wie z.B. Fahrzeugbeladung, verwendete Reifenart oder Fahrbahnzustand etc., können dabei unterschiedliche Lenkgradienten festgelegt sein. Der Aktuator kann bei o.g. Nenndrehzahl z.B. eine Stellgeschwindigkeit aufweisen, so dass bei einem Fahrzeug, welches fahrbereit und unbeladen mit seinen Rädern auf trockener Fahrbahn steht, die Räder sich mit einem Lenkgradienten von beispielsweise bis zu 187s mittels der Steer-by-wire-Lenkung verstellen lassen. Dabei kann die Lenkgeschwindigkeit aufgrund der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn bei einer niedrigen Geschwindigkeit, wie beispielsweise dem Parkieren und/oder Rangieren, abnehmen und einen geringeren Lenkgradienten von z.B. 2-8 s aufweisen. Hingegen wird bei sehr hohen Geschwindigkeiten von beispielsweise 200 km/h der Lenkgradient beispielsweise auf 0,257s reduziert bzw. begrenzt, um schlagartige Lenkbewegungen zu vermeiden, welche gefährliche Fahrsituationen hervorrufen können.
Mit großen Lenkwinkeln sind hier Lenkwinkel gemeint, welche in den Bereich der konstruktiv möglichen maximalen Lenkwinkel der jeweiligen Achse reichen. Beim Rangieren oder Parkieren ändern sich zudem häufig die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Lenkwinkel an den Rädern. Durch Ausnutzung großer, vorzugsweise der größtmöglichen Lenkwinkel ist ein einfacheres Einfahren in z.B. eine Parklücke oder auch Rangieren mit einem Anhänger möglich. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn neben der Vorderachse zusätzlich auch die Hinterachse des Kraftfahrzeuges lenkbar ist.
Ein Lenkwinkel von 0° wird auch als Mittenposition oder Neutrallenkwinkel bezeichnet und entspricht der Geradeausfahrt eines Fahrzeugs, wenn an jeder gelenkten Achse bzw. an jedem gelenkten Rad ein (Rad-) Lenkwinkel von 0° eingestellt ist. Die Räder sind dabei parallel zur Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Grenzwert zumindest temporär angewendet. Der Grenzwert wird aufgehoben, wenn eine Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht ist, ab welchem bspw. keine Limitierung der Drehzahl der Spindelmutter mehr erforderlich ist. Möglich ist auch, dass der Grenzwert für eine vorbestimmte Zeitdauer angewendet wird, so dass der Grenzwert nach Ablauf dieser Zeit auf einen Nenn- oder Maximalwert zurückgesetzt oder aufgehoben wird. In Abhängigkeit einer beabsichtigten Fahrzeuggeschwindigkeit kann ein zuvor bestimmter Grenzwert ebenfalls verändert werden, insbesondere ausgehend vom zuvor eingestellten Wert reduziert werden, um einer sich ergebenden veränderten Fahrsituation Rechnung zu tragen. Gründe hierfür können die geänderte Stellung des Gaspedals oder eine errechnete bzw. erforderliche Geschwindigkeitsänderung aufgrund eines sich ändernden Fahrbahnbelages sein (Glätte, Fahrbahn mit unterschiedlichen Reibwerten, z.B. je Fahrzeugseite).
Bevorzugt ist ferner eine Ausführungsform, bei der im Schritt des Bestimmens der Grenzwert auf einen vordefinierten Minimalwert gesetzt wird. Beispielsweise kann ein solcher vordefinierter Minimalwert der Hälfte oder dreiviertel der Nenndrehzahl der Drehzahl der Spindelmutter entsprechen, bei welcher eine konstruktiv festgelegte Verschiebung der Spindel in einer vorbestimmten Zeit möglich ist. In vorteilhafter Weise wird somit ebenfalls sichergestellt, dass die Drehzahl stets ausreichend ist, so dass eine beabsichtigte Lenkbewegung angepasst unter jeder denkbaren Bedingung bzw. Fahrsituation möglich ist. Mit anderen Worten wird sichergestellt, dass unter Berücksichtigung jeder Fahrsituation des Kraftfahrzeugs eine störungsfreie Radlenkwinkeländerung ohne schadhaften Temperaturanstieg oder Resonanzschwingungen im Aktuator möglich ist. Die Nenndrehzahl der Spindelmutter ist ein konstruktiv festgelegter Wert, welcher maßgeblich für die Stellgeschwindigkeit des Aktuators der Steer-by-wire-Len- kung ist. Es wird später beschrieben, dass die Nenndrehzahl zumindest temporär überschritten werden kann, um einen sogenannten Offset zu kompensieren. Die Stellgeschwindigkeit des Aktuators kann so auch bei temporärer Anwendung des Grenzwertes für die Drehzahl der Spindelmutter beibehalten werden, so dass die Stellgeschwindigkeit des Aktuators nicht bzw. nicht nennenswert beeinflusst wird. Das Überschreiten der Nenndrehzahl kann bis zu einem Maximalwert für die Drehzahl der Spindelmutter erfolgen und ist beispielsweise konstruktiv durch das Getriebe und/oder den Elektromotor begrenzt.
Die Limitierung der Drehzahl wird im Schritt des Bestimmens eines Grenzwertes zumindest in Abhängigkeit der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt. In vorteilhafter Weise lassen sich neben einer momentanen Lenkwinkelanforderung auch die Position der Spindel und/oder der Fahrzeugsituation berücksichtigen. Zur Lenkwinkelanforderung wurde oben bereits erwähnt, dass diese unterschiedlich ausfallen kann. Es kann eine große Lenkwinkeländerung, zum Beispiel beim Parkieren von Lenkeinschlag maximal nach links zu einem Lenkeinschlag maximal nach rechts geändert werden. Dieses kann zum Beispiel aufgrund des Fahrerwunsches mit einer großen Ände- rungsgeschwindigkeit mittels der Lenkhandhabe angesteuert werden. Hierbei ändert sich die Position der Spindel innerhalb des Gehäuses des Aktuators maximal. Zusätzlich kann es sein, dass auf dem Fahrzeug sehr breite Reifen verwendet werden und das Fahrzeug stark beladen ist. Die Umgebungstemperatur (Temperatur des Schmiermittels innerhalb des Spindelantriebes, der Fahrbahn und der Reifen) spielt ebenfalls eine bedeutende Rolle, da bei niedriger Temperatur sich höhere Reibwerte ergeben, z.B. aufgrund einer geänderten Viskosität des Schmiermittels. Unter der zusätzlichen Berücksichtigung der Lenkwinkelanforderung und/oder der Spindelposition und/oder der Fahrzeugsituation kann die Bestimmung des Grenzwerts der Drehzahl der Spindelmutter qualitativ weiter optimiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können Schwingungen des Aktuators, bevorzugt sich ankündigende Resonanzschwingungen, detektiert werden, welche im Schritt des Bestimmens des Grenzwerts berücksichtigt werden. Diese können mittels geeigneter Sensorik, wie zum Beispiel Körperschallsensoren, bevorzugt mittels mikromechanischen piezoelektrischen Signalaufnehmern, vorgenommen werden. Zumindest ein Signalaufnehmer ist beispielsweise mit dem Gehäuse des Aktuators fest verbunden, bevorzugt innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Verbindung mit der Steuereinheit kann drahtlos oder über eine Signalleitung ausgeführt sein. Erreicht die Schwingung ein in der Steuereinheit hinterlegtes Niveau, so wird dieses bei der Bestimmung des Grenzwertes für die Drehzahl der Spindelmutter berücksichtigt. Es können des Weiteren Lenkwinkelbereiche festgelegt sein, wobei einem jeweiligen Bereich ein bestimmter Grenzwert zugeordnet sein kann. Bei einem momentanen Lenkwinkel kleiner 50-80 % eines maximal möglichen Lenkwinkels kann im Schritt des Bestimmens ein anderer Grenzwert bestimmt werden als außerhalb dieses Bereiches. Vorzugsweise lässt sich der Bereich beschränken auf einen Lenkwinkel kleiner 65-70 % eines maximal möglichen Lenkwinkels. Es ergibt sich bspw. ein erster Bereich mit einem Lenkwinkel von 0-70 % eines maximal möglichen Lenkwinkels und ein zweiter Bereich mit einem Lenkwinkel größer 70 % bis zum maximal möglichen Lenkwinkel. Beispielsweise kann an einer Hinterachse konstruktiv maximal ein Lenkwinkel von 10° möglich sein. Ist dieser maximale Lenkwinkel eingestellt und erfolgt ein Zurücklenken zum Beispiel auf 8°, so wird in dem zweiten Bereich eine Limitierung der Drehzahl der Spindelmutter vorgenommen. In dem ersten Bereich 0 bis 70% bzw. hier von 0 bis 7° kann beispielsweise keine Limitierung vorgesehen sein, weil bei Lenkwinkeln dieser Größenordnung die Vorspannung derart gering ist, dass Drehschwingungen in dem Aktuator zu vernachlässigen sind oder nicht auftreten. Mit anderen Worten kann ein Grenzwert bevorzugt oberhalb von 70% bis 100% des maximalen Lenkwinkels bestimmt werden.
Vorzugsweise wird der Grenzwert aufgehoben, wenn der Lenkwinkel in den Bereich von 0 bis 70% geändert wird bzw. diesen erreicht. Die Zuordnung der Bereiche kann in vorteilhafter Weise als Kennlinie in einer Steuereinheit hinterlegt sein, sodass im Schritt des Bestimmens anhand der Kennlinie ein jeweiliger Grenzwert abgerufen oder zugeordnet werden kann.
Für unterschiedliche Fahrsituationen können dabei unterschiedliche Kennlinien in einer Steuereinheit hinterlegt sein. Diese Überlegung berücksichtigt, dass sich ein vordefinierter maximaler Lenkwinkel, welcher konstruktiv mit der Steer-by-wire-Lenkung in dem jeweiligen Kraftfahrzeug möglich ist, aufgrund von Randbedingungen ändern kann. Eine solche Fahrsituationen kann sich beispielsweise durch eine Beladung des Fahrzeugs ergeben. Durch die Beladung tauchen beispielsweise die Räder tiefer in die Radhäuser ein und der maximale Lenkwinkel muss limitiert werden, weil ansonsten die Räder bzw. Reifen mit Teilen des Fahrwerks oder der Karosserie kollidieren würden, wenn der konstruktiv maximal mögliche Lenkwinkel eingestellt würde. Die Beladung bewirkt zudem eine höhere Radlast, welche eine höhere Kraft zum Lenken bedingt. Die Beladung des Fahrzeugs kann in bekannter Weise mittels geeigneter Sensorik, wie zum Beispiel einer Höhenstandserkennung, erfasst werden. Aufgrund der Höhenstandserkennung kann beispielsweise eine Kennlinie gewählt werden, welche einen geringeren maximalen Lenkwinkel aufweisen kann. Ein begrenzter maximaler Lenkwinkel kann sich zum Beispiel auch aufgrund der Verwendung breiterer Reifen oder der Verwendung von Schneeketten etc. ergeben. Aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums im Bereich der Radhäuser kann es hier ebenfalls erforderlich sein, dass der maximal zur Verfügung stehende Lenkwinkel z.B. durch eine Kennlinie beschränkt werden muss, weil nicht ausreichend Raum für Lenkbewegungen zur Verfügung steht. Die Reifen bzw. Räder können hierzu beispielsweise mit RFID-Sensorik ausgestattet sein, welche einer Steuereinheit die Reifenbeschaffenheit signalisiert. Somit können über diese Möglichkeit auch von dem Normalzustand des Fahrzeugs abweichende und für die Fahrsituation hinreichende Stützstellen für Grenzwerte zur Limitierung der Beschleunigung gegeben sein.
Bevorzugt wird die Beladung und die damit einhergehenden höheren Radlasten in zumindest einer Kennlinie berücksichtigt.
Wird das Fahrzeug mit der oben genannten niedrigen Geschwindigkeit bewegt, so bewirkt der Grenzwert, also die limitierte Drehzahl der Spindelmutter, ein langsameres Ändern der Radlenkwinkel. Zur Erreichung eines Solllenkwinkels aufgrund einer Lenkwinkelanforderung wird der Aktuator grundsätzlich mit einer vordefinierten Stellgeschwindigkeit gefahren, um einen Lenkwinkel an Rädern einer Achse gemäß der Lenkwinkelanforderung in einer bestimmten Zeit einstellen zu können. Durch die limitierte Drehzahl ergäbe sich ein Offset, sodass der angeforderte Lenkwinkel erst später erreicht wird als ohne die Limitierung. Um diesen Offset zu kompensieren, wird die Lenkgeschwindigkeit bzw. der Lenkgradient zumindest temporär verändert, bevorzugt erhöht. Dazu wird die vordefinierte Stellgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des angeforderten Lenkwinkels und/oder eines momentan eingestellten Lenkwinkels und/oder der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht. Es wird mit anderen Worten nach dem langsameren Drehen der Spindelmutter unter Anwendung des Grenzwertes zumindest temporär auf eine höhere Drehzahl erhöht und somit auf einen höheren Lenkgradienten beschleunigt. In vorteilhafter Weise wird so, trotz der limitierten Drehzahl, die Änderung des Lenkwinkels durch die Steer-by-wire-Lenkung in der gleichen Zeit erreicht wie mit der Nenndrehzahl ohne eine Limitierung. Der Lenkgradient kann bei einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs vom Stillstand bis zu maximal 1 km/h, vorzugsweise bis zu 0,7 km/h, in einem Bereich von 0-127s liegen. In Abhängigkeit der Lenkwinkelanforderung wird die Steer-by-wire-Lenkung mit einer dem angepassten Lenkgradienten notwendigen Geschwindigkeit betrieben. Bei einer temporären Erhöhung des Lenkgradienten kann dieser um 20 bis 70%, vorzugsweise um 30 bis 50% erhöht werden. Bevorzugt kann der maximale Lenkgradient von hier 127s kurzzeitig um 4 bis 67s auf 187s erhöht werden, so dass die beabsichtigte Lenkwinkeländerung in der vorgesehenen Zeit, d.h. möglichst gemäß der Lenkwinkelanforderung durchgeführt werden kann. Die Erhöhung wird bevorzugt so eingesteuert, dass der für die Schwingungsanregung kritische Bereich möglichst ausgeschlossen wird.
Damit es bei Verlassen der niedrigen Geschwindigkeit und zunehmender Geschwindigkeit, vorzugsweise einer starken Zunahme der Geschwindigkeit des Fahrzeuges aufgrund z.B. einer plötzlichen hohen Beschleunigung des Fahrzeuges, nicht zu einer schlagartigen Drehzahländerung und somit zu einer plötzlichen Lenkbewegung kommt, kann vorgesehen sein, dass mit zunehmender Geschwindigkeit kein hartes Umschalten der Drehzahl und somit des Lenkgradienten vorgenommen wird. Es wird der Grenzwert zur Limitierung der Drehzahl bevorzugt nicht schlagartig geändert. Stattdessen wird bevorzugt eine allmähliche Anpassung im Sinne eines sanften Überganges der zuvor geänderten Drehzahl auf einen Sollwert bzw. die Nenndrehzahl vorgenommen. Dieses ist mit Blick auf Fahrsicherheit bzw. Beherrschbarkeit des Fahrzeuges und dem Fahrkomfort von Vorteil.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt die momentane Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, insbesondere in Intervallen, vorzugsweise in Intervallen von 10 ms erfasst. Dabei wird im Schritt des Bestimmens des Grenzwertes die momentane Geschwindigkeit berücksichtigt, wobei oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit der Grenzwert aufgehoben wird. Die Grenzgeschwindigkeit kennzeichnet das Verlassen der vorgenannten niedrigen Geschwindigkeit und liegt somit größer 1 km/h, bevorzugt 1 ,1 km/h, vorzugsweise oberhalb von 0,7 km/h, höchst vorzugsweise 0,71 km/h. Bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Grenzwert für die limitierte Drehzahl in Abhängigkeit des momentanen Lenkwinkels der Räder an der jeweiligen Achse des Kraftfahrzeuges bestimmt. Liegt der Lenkwinkel in dem vorgenannten ersten Bereich bei 0-70 % eines maximal möglichen Lenkwinkels an der betreffenden Achse, so wird bei dieser Ausführung im Schritt des Bestimmens des Grenzwertes die Drehzahl vorzugsweise nicht limitiert. Im Sinne einer zusätzlichen Redundanz bzw. um das Verfahren im Hinblick auf das Bestimmen des Grenzwerts genauer und mit größerer Sicherheit für die Fahrzeuginsassen ausführen zu können, kann in vorteilhafter Weise das Betreiben der Steer-by-wire-Lenkung weiter verbessert werden.
Aus dem vorgenannten Ausführungsbeispiel sind diverse Fahrzeugparameter bekannt, welche zum Teil sensorisch erfasst werden können. Für verschiedene Fahrzeugsituationen ergeben sich, wie vorgenannt beschrieben, Bereiche. In Abhängigkeit von zum Beispiel der Fahrzeuggeschwindigkeit können Kennlinien in einer Steuereinheit hinterlegt sein, welche bestimmte Fahrzeugparameter in bestimmten Bereichen abbilden. Bei der Bestimmung des Grenzwertes für die Drehzahl der Spindelmutter können im Schritt des Bestimmens in vorteilhafter Weise Kennlinien herangezogen werden. Derartige Kennlinien vereinfachen die Bestimmung des Grenzwertes und schließlich das Einstellen des Lenkwinkels zumindest eines Rades an einer Fahrzeugachse unter Anwendung des Grenzwertes der Drehzahl der Spindelmutter.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der im Schritt des Ansteuerns des Aktuators der Lenkwinkel an einer lenkbaren Hinterachse des Kraftfahrzeugs angesteuert wird. Ist an der Hinterachse ein Lenkwinkel einstellbar, welcher gegensinnig zu den Lenkwinkeln an der Vorderachse verläuft, so ergibt sich bei niedrigen Geschwindigkeiten ein kleinerer Wendekreis als bei einem Fahrzeug mit nicht gelenkter Hinterachse. Das Fahrzeug lässt sich aufgrund der Lenkung der Hinterräder verbessert Rangieren bzw. Parkieren. Die lenkbare Hinterachse ist vorzugsweise als eine Steer-by-wire-Len- kung ausgebildet.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zur Steuerung eines Aktuators einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinheit zumindest die folgenden Merkmale aufweist: • eine Schnittstelle zum zumindest mittelbaren Erfassen einer Drehzahl einer Spindelmutter (25), welche eine momentane Drehzahl (r_sm_cur) repräsentiert,
• eine Schnittstelle zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, welche eine momentane Geschwindigkeit (v_cur) des Kraftfahrzeuges repräsentiert
• eine Schnittstelle zum Erfassen eines Lenkwinkels, welcher einen momentanen Lenkwinkel (RLwv_mom, RLwh_mom) zumindest eines Rades (5, 6) eines Kraftfahrzeugs repräsentiert,
• eine Schnittstelle zum Erfassen einer Lenkwinkelanforderung (Lw_req_cur), welche eine momentane Lenkwinkeländerung aufgrund eines Fahrerwunsches oder von dieser Steuereinheit (SG) oder einer weiteren Steuereinheit bestimmten Änderung eines Lenkwinkels repräsentiert,
• eine Einheit zum Bestimmen eines Grenzwertes der Drehzahl der Spindelmutter (25) des Aktuators (10) einer Steer-by-wire-Lenkung (12), welcher einen Grenzwert (r_sm_lim) repräsentiert,
• eine Einheit zum Ansteuern des Aktuators der Steer-by-wire-Lenkung zum Einstellen eines Lenkwinkels (RLwv, RLwh) zumindest eines Rades (5, 6) unter Anwendung des Grenzwertes (r_sm_lim).
Die Steuereinheit ist dabei ebenfalls in der Lage, die limitierte Drehzahl temporär, also zeitweise bzw. für eine bestimmte Zeitdauer zu begrenzen. Die Steuereinheit kann die momentane Drehzahl der Spindelmutter bevorzugt aus der Drehzahl des Elektromotors bestimmen, bevorzugt errechnen. Die Drehzahl des Elektromotors ergibt sich bevorzugt mittels eines in diesen eingebauten Rotorlagesensors, welcher vorzugsweise als Inkrementalsensor ausgebildet ist. Die Steuereinheit berücksichtigt hierbei gegebenenfalls eine vorhandene Übersetzung, welche sich durch die Getriebeübersetzung ergibt. Die Steuereinheit kann ebenfalls die Spindelposition bestimmen, vorzugsweise mittels des Rotorlagesensors des Elektromotors. Es kann zusätzlich ein Linearwegsensor für die Plausibilisierung der Position der Spindel genutzt werden, welcher bevorzugt berührungslos arbeitet. Die Steuereinheit kann ein Steuergerät sein, welches beispielsweise ein elektrisches Gerät sein kann, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule in Form bzw. als Teil eines Computerprogramms ausgebildet sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen implementiert sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogramm-Produkt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Datenträger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Steuereinheit ausgeführt wird.
In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung ohne Änderung der Mechanik eines bestehenden Aktuators einer Steer-by-wire-Lenkung mittels verfahrensgemäßer Ansteuerung eine Minimierung des Schwingverhaltens des Aktuators bzw. der darin enthaltenen Bauteile bewirkt werden. Im Zusammenhang mit der Verbesserung der Schmierstoffversorgung kann somit insgesamt die Lebensdauer der Steer-by-wire-Lenkung kostengünstig verbessert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Fahrzeugachse mit Steer-by-wire-Lenkung,
Fig. 2 einen Aktuator einer Steer-by-wire-Lenkung,
Fig. 3 ein Schaubild zum erfindungsgemäßen Verfahren Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Steer-by-wire-Lenkung 12 an einer Fahrzeugachse 1 , hier dargestellt in Draufsicht als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesem zuzurechnen ist und mit dem Chassis (Fahrwerk) der Karosserie eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Die Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3, 4 an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Die Lenker 3, 4 sind Teil der Radaufhängung 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 Hilfsrahmen 2 befestigt. Die Steer-by-wire-Lenkung 12 ist in der vorliegenden Ausführung als eine zentrale Lenkung ausgebildet, welche auf beide Räder 5, 6 der Achse wirkt. Sie weist eine durchgehende Lenkstange in Form einer Spindel 27 auf, welche durch das Gehäuse 21 des Aktuators 10 hindurchgeführt und als axial verschiebbare Spindel ausgebildet ist. Der Elektromotor 22 ist achsparallel zur Spindel 27 angeordnet. An den Enden der längsverschiebbaren Spindel 27 sind Spurstangen 23, 24 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit einem nicht dargestellten Radträger der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Spindel 27 entlang der Längsachse s in die eine oder andere Richtung eine Veränderung des Radlenkwinkels 8, 9 erfolgt. Dieses ergibt sich daraus, dass die Spurstangen 23, 24 eine Zwangsverbindung zwischen den jeweiligen Rädern 5, 6 bzw. den Radträgern und dem Aktuator 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese bzw. die Radträger um deren Hochachse drehbar mit den Radträgem verbunden.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte schematische Darstellung des in Figur 1 bereits gezeigten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist ein Gehäuse 21 auf, an dem achsparallel ein Elektromotor 22 angeordnet ist. In dem Gehäuse 21 ist der Spindelantrieb 20, bestehend aus der Spindelmutter 25 und der als Spindel mit Außengewinde ausgeführten Spindel 27, angeordnet. Die Spindel ist gegen Verdrehen gesichert (nicht dargestellt). Spindelmutter 25 und Spindel 27 befinden sich in Eingriff und bilden ein Bewegungsgewinde aus. Die Spindelmutter 25 ist gegenüber dem Gehäuse 21 mit einem Wälzlager 29 ortsfest und drehbar gelagert. Durch die Spindelmutter 25 hindurchgeführt und koaxial zu dieser angeordnet ist die Spindel (Lenkstange 27). Auf der von dem Wälzlager 29 abgewandten Seite der Spindelmutter 25 ist ein Riemenrad 30 drehfest auf der Spindelmutter 25 angeordnet. Der Elektromotor 22 weist ein Antriebsritzel 32 auf. Ein Antriebsriemen 34 in Form eines Zahnriemens umschlingt sowohl das Antriebsritzel 32 als auch das Riemenrad 30, so dass bei Drehbewegung des Elektromotors 22 die Spindelmutter 25 schlupffrei in Drehbewegung um die Längsachse s versetzt wird. Antriebsritzel 32, Riemenrad 30 und der Antriebsriemen 34 bilden ein Getriebe aus. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter 25 erfolgt eine lineare Verlagerung bzw. Verschiebung der Spindel 27 in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse s in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 22. Aufgrund der Drehung des Elektromotors ergibt sich durch die Drehzahl des Elektromotors 22 in Verbindung mit der Übersetzung des Riemengetriebes eine Drehzahl der Spindelmutter 25. Durch eine im Wesentlichen axial auf die Spindel 27 einwirkenden Kraft Fext, z.B. aufgrund von Seitenkräften der Räder, kann es zu einer Erhöhung der Reibung in dem Bewegungsgewinde kommen. Dieses liegt darin begründet, dass sich aufgrund der Kraft Fext die Flächenpressung der Flanken des Außengewindes der Spindel 27 und des Innengewindes der Spindelmutter 25 erhöht. Es kann die Spindel aufgrund der Reibung zu Schwingungen angeregt werden. Als Folge kann sich die Laufruhe des Spindelantriebs 20 aufgrund einer Reaktion der Reibpartner Spindelmutter 25 und Spindel bzw. Lenkstange 27 verschlechtern.
Fig. 3 stellt in einem Ablaufdiagramm schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren dar. Zum Beispiel über einen Signalbus im Fahrzeug, wie einen CAN-Bus oder Flexray- Bus, werden der Steuereinheit SG eine momentane Fahrzeuggeschwindigkeit v_cur, eine momentane Lenkwinkelanforderung LW_req_cur, eine Spindelposition S_pos, ein Fahrzeugzustand c_sit, ein Schwingungswert vib_cur des Aktuators 10 sowie eine Drehzahl r_sm_cur der Spindelmutter 25 bereitgestellt. Hierzu sind jeweils Schnittstellen 100, 110, 120, 130, 140, 150 vorgesehen. Durch die Pfeile wird vereinfacht der Signalfluss der vorgenannten Parameter zur Steuereinheit SG dargestellt. In einem ersten Schritt 200 wird zumindest die Drehzahl r_sm_cur der Spindelmutter 25 des Spindelantriebes 20 sowie die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit v_cur in der Steuereinheit SG erfasst. Die Erfassung der Parameter in der Steuereinheit erfolgt fortwährend und in Intervallen von 10 ms. In einem nächsten Schritt 220 erfolgt ein Abgleich mit in der Steuereinheit hinterlegten Kennlinien. Mittels der Kennlinien sind die Beziehungen der vorgenannten Parameter zueinander in bestimmten Bereichen hinterlegt. Beispielsweise kann in einem Geschwindigkeitsbereich von 0-1 km/h die Änderung eines Reibwertes in Abhängigkeit von einer Reifengröße bzw. Reifenbreite hinterlegt sein. In einer weiteren Kennlinie kann die Änderung der Spindelposition S_pos in Abhängigkeit von der Drehzahl der Spindelmutter 25 hinterlegt sein. In einer weiteren Kennlinie kann eine Änderung des Reibwertes innerhalb des Bewegungsgewindes in Abhängigkeit von der Spindelposition S_pos gegenüber der Spindelmutter 25 hinterlegt sein. In einer weiteren Kennlinie kann der Einfluss der Reibung innerhalb des Spindelantriebes 20 bzw. innerhalb des Bewegungsgewindes auf das Schwingverhalten der Spindel (Lenkstange) 27 hinterlegt sein. In einem weiteren Schritt 240 wird der Grenzwert r_sm_lim der Drehzahl der Spindelmutter 25 zumindest in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit v_cur bestimmt. Dabei kann die Steuereinheit SG auf dort hinterlegte Kennlinien zugreifen und die dort hinterlegten Wertepaarungen berücksichtigen, welche vorher beispielhaft genannt sind.
Ist der Grenzwert r_sm_lim bestimmt, so wird in einem weiteren Schritt 250 der Aktuator 10 zum Einstellen eines Lenkwinkels RLwv, RLwh zumindest eines Rades 5, 6 an einer Fahrzeugachse angesteuert, wobei der Grenzwert r_sm_lim der Drehzahl der Spindelmutter 25 angewendet wird. Der Aktuator 10 stellt im Schritt 300 daraufhin den Lenkwinkel mit einer von der Nenndrehzahl abweichenden, nämlich geringeren Drehzahl aufgrund des zuvor bestimmten Grenzwertes r_sm_lim, ein. Durch die gegenüber der Nenndrehzahl verminderte Drehzahl der Spindelmutter 25 wird in der aktuellen Situation vermieden, dass es zu Resonanzschwingungen der Spindel 27 kommt. Der Grenzwert r_sm_lim wird zumindest solange beibehalten, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit v_cur über einen Schwellwert ansteigt, beispielsweise größer oder gleich 1 km/h. Ist in dem Steuergerät beispielsweise mittels einer Kennlinie hinterlegt, dass ab dieser Geschwindigkeit die durch den Grenzwert r_sm_lim begrenzte Drehzahl wieder auf die Nenndrehzahl angehoben werden kann, so steuert die Steuereinheit den Aktuator 10 derart an, dass die Drehzahl der Spindelmutter 25 allmählich von der begrenzten Drehzahl r_sm_lim auf die Nenndrehzahl angehoben wird. In Abhängigkeit von der Zeitdauer der Begrenzung der Drehzahl wird die Drehzahl der Spindelmutter 25 temporär auf eine die Nenndrehzahl übersteigende Drehzahl angehoben. Damit kann kompensiert werden, dass die angeforderte Änderung des Lenkwinkels in derselben Zeit erfolgt, als wäre der Grenzwert r_sm_lim der Drehzahl nicht angewendet und die Spindelmutter mit der Nenndrehzahl betrieben worden. Die vorhergehend gezeigte Berücksichtigung von Fahrzeugparametern zur Bestimmung des Grenzwertes einer Drehzahl der Spindelmutter 25 zeigt lediglich eine Möglichkeit im Sinne eines Ausführungsbeispiels. Die dort ebenfalls genannten weiteren Parameter können einzeln oder in beliebiger Kombination für die Bestimmung des Grenzwertes der Drehzahl der Spindelmutter 25 berücksichtigt werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können wiederholt sowie in einer anderen als in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Erfindung ist somit nicht auf eine hier genannte Reihenfolge beschränkt.
Bezugszeichen
Fahrzeugachse
Hilfsrahmen
Lenker
Lenker
Rad
Rad
Radlenkwinkel
Radlenkwinkel
Aktuator
Steer-by-wire-Lenkung
Spindelantrieb
Gehäuse
Elektromotor
Spurstange
Spurstange
Spindelmutter
Lenkstange, Spindel
Wälzlager
Riemenrad
Antriebsritzel
Zugmittel, (Zahn-) Riemen
Schnittstellen
Schnittstellen
Schnittstellen
Schnittstellen
Schnittstellen
Schnittstellen
Schritt des Erfassens
Schritt des Abgleichens mit Kennlinie 240 Schritt des Bestimmens eines Grenzwerts (Drehzahl Spindelmutter)
250 Schritt des Ansteuerns des Aktuators
300 Einstellen Lenkwinkel c_sit Fahrzeugzustand
Fext Kraft
Lw_req_cur Lenkwinkelanforderung r_sm_cur Drehzahl Spindelmutter r_sm_lim Grenzwert Drehzahl
RLwv (Rad-) Lenkwinkel vorne
RLwh (Rad-) Lenkwinkel hinten
RLwv_mom (Rad-) Lenkwinkel vorne
RLwh_mom (Rad-) Lenkwinkel hinten s Längsachse s_1 Sensor s 2 Sensor
SG Steuereinheit
S_pos Spindelposition v_cur Geschwindigkeit vib_cur Schwingungswert

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Steer-by-wire-Lenkung (12) eines Kraftfahrzeugs bei Geschwindigkeiten vom Stillstand bis zum Parkieren und/oder Rangieren, wobei die Steer-by-wire-Lenkung einen Aktuator (10) mit einem Spindelantrieb (20) zur axialen Verschiebung einer Spindel (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- Erfassen einer Drehzahl (r_sm_cur) einer Spindelmutter (25) des Spindelantriebes (20),
- Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur)
- Bestimmen eines Grenzwertes (r_sm_lim) einer Drehzahl der Spindelmutter (25) zumindest in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur)
- Ansteuern des Aktuators zum Einstellen eines Lenkwinkels (RLwv, RLwh) zumindest eines Rades (5, 6) an einer Fahrzeugachse unter Anwendung des Grenzwertes (r_sm_lim).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens der Grenzwert (r_sm_lim) zumindest temporär verändert, vorzugsweise reduziert oder aufgehoben wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens der Grenzwert (r_sm_lim) auf einen vordefinierten Minimalwert oder Maximalwert gesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in weiteren Schritten zumindest eine Lenkwinkelanforderung (Lw_req_cur) und/oder eine Spindelposition (S_pos) und/oder ein Fahrzeugzustand (c_sit) erfasst wird oder werden, welche im Schritt des Bestimmens des Grenzwerts (r_sm_lim) berücksichtigt wird oder werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Sensors (s_1 , s_2) Schwingungen des Aktuators (10) detektiert werden, welche im Schritt des Bestimmens des Grenzwerts (r_sm_lim) berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bestimmen des Grenzwertes (r_sm_lim) ein Lenkgradient temporär verändert wird, bevorzugt erhöht wird, bevorzugt in Abhängigkeit zumindest der momentanen Lenkwinkelanforderung (Lw_req_cur) und/oder eines momentan eingestellten Lenkwinkels (RLwv_mom, RLwh_mom) und/oder der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Drehzahl (r_sm_cur) und/oder die momentane Geschwindigkeit (v_cur) des Fahrzeugs in Intervallen erfasst wird, wobei in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_cur) der Grenzwert (r_sm_lim) der Drehzahl der Spindelmutter (25) aufgehoben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufhebung des Grenzwertes (r_sm_lim) eine allmähliche Rückführung auf den Sollwert der Drehzahl der Spindelmutter, bevorzugt in Abhängigkeit des momentan eingestellten Lenkwinkels (RLwv_mom, RLwh_mom) und/oder einer Lenkwinkelanforderung (Lw_req_cur) und/oder einer beabsichtigten Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung eines Grenzwerts (r_sm_lim) im Schritt des Bestimmens Fahrzeugparameter verwendet werden, welche aufgrund zumindest einer, insbesondere in einer Steuereinheit (SG) hinterlegten, Kennlinie bestimmt werden.
10. Steuereinheit (SG) zum Betreiben einer Steer-by-wire-Lenkung (12) eines Kraftfahrzeugs nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit die folgenden Merkmale aufweist: • eine Schnittstelle zum zumindest mittelbaren Erfassen einer Drehzahl einer Spindelmutter (25), welche eine momentane Drehzahl (r_sm_cur) repräsentiert,
• eine Schnittstelle zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, welche eine momentane Geschwindigkeit (v_cur) des Kraftfahrzeuges repräsentiert
• eine Schnittstelle zum Erfassen eines Lenkwinkels, welcher einen momentanen Lenkwinkel (RLwv_mom, RLwh_mom) zumindest eines Rades (2, 3) eines Kraftfahrzeugs repräsentiert,
• eine Schnittstelle zum Erfassen einer Lenkwinkelanforderung (Lw_req_cur), welche eine momentane Lenkwinkeländerung aufgrund eines Fahrerwunsches oder von dieser Steuereinheit (SG) oder einer weiteren Steuereinheit bestimmten Änderung eines Lenkwinkels repräsentiert,
• eine Einheit zum Bestimmen eines Grenzwertes der Drehzahl der Spindelmutter (25) des Aktuators (10) einer Steer-by-wire-Lenkung (12), welcher einen Grenzwert (r_sm_lim) repräsentiert,
• eine Einheit zum Ansteuern des Aktuators der Steer-by-wire-Lenkung zum Einstellen eines Lenkwinkels (RLwv, RLwh) zumindest eines Rades (5, 6) unter Anwendung des Grenzwertes (r_sm_lim).
11 . Steer-by-wire-Lenkung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche von 1 bis 9 betrieben wird, wobei die Steer-by-wire- Lenkung (12) bevorzugt als Hinterachslenkung ausgebildet ist.
12. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche von 1 bis 9 auszuführen, wobei das Computerprogramm bevorzugt auf einer Steuereinheit (SG) nach Anspruch 10 ausgeführt wird.
13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.
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