DE10051187A1

DE10051187A1 - Feedback-Aktuator

Info

Publication number: DE10051187A1
Application number: DE2000151187
Authority: DE
Inventors: Herbert Lohner; Peter Dominke; Chi-Thuan Cao; Wolfgang Pfeiffer; Klaus-Dieter Leimbach; Bernd Mueller; Werner Harter; Peter Blessing; Juergen Schuele
Original assignee: Robert Bosch GmbH; ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Es wird ein Lenkmodul einer Steer-By-Wire-Lenkanlage mit einer Lenkhandhabe (1), mit einem Rückwirkungen der Fahrbahn auf die gelenkten Räder auf die Lenkhandhabe übertragenden Feedback-Aktuator (7) mit einem Elektromotor vorgeschlagen, die ein Federelement (11) und ein auf die Lenkhandhabe wirkendes Dämpfungselement (9) aufweist, so dass auch bei Ausfall des Elektromotors des Feedback-Aktuators oder dessen Ansteuerung der Steer-By-Wire-Lenkbetrieb aufrechterhalten werden kann.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Lenkmodul für eine Steer-By-Wire- Lenkanlage für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Steer-By-Wire-Lenkanlagen ist im Steer-By-Wire-Betrieb eine Verbindung zwischen einer Lenkhandhabe und den gelenkten Rädern über elektrische Signale vorhanden. Sobald Fehlfunktionen im Steer-by-Wire-Betrieb auftreten, wird auf eine mechanische oder hydraulische Rückfallebene umgeschaltet.

Um die Rückwirkungen der Fahrbahn auf die gelenkten Räder des Fahrzeugs auf den Fahrer zu übertragen, ist ein auf die Lenkhandhabe wirkender Feedback-Aktuator vorgesehen, welcher in Abhängigkeit der genannten Rückwirkungen der Lenkhandhabe Momente aufprägt. Ohne diese Momente - nachfolgend auch als Lenkgefühl bezeichnet - ist ein Fahrzeug nur schwer zu beherrschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steer-By- Wire-Lenkanlage bereitzustellen, die auch beim Ausfall des geregelten Feedback-Aktuators, dessen Ansteuerung oder der gesamten Steer-By-Wire-Lenkanlage die Beherrschung des Fahrzeugs erleichtert, bzw. erst ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lenkmodul für eine Steer-By-Wire-Lenkanlage für ein Fahrzeug, mit einer Lenkhandhabe, mit einem Rückwirkungen der Fahrbahn auf die gelenkten Räder auf die Lenkhandhabe übertragenden Feedback-Aktuator, wobei der Feedback- Aktuator einen von einem Steuergerät angesteuerten Elektromotor aufweist und wobei der Feedback-Aktuator zusätzlich ein auf die Lenkhandhabe wirkendes Federelement und ein auf die Lenkhandhabe wirkendes Dämpfungselement aufweist.

Vorteile der Erfindung

Durch das Federelement und das Dämpfungselement wird auch beim Ausfall des Elektromotors, des Steuergeräts oder der gesamten Steer-By-Wire-Lenkanlage, der Lenkhandhabe ein Moment aufgeprägt, welches von der Lage der Lenkhandhabe und deren Verstellgeschwindigkeit abhängt. Durch den Einsatz des passiven Federelements und des passiven Dämpfungselements ist gewährleistet, dass über die gesamte Fahrzeuglebensdauer, unabhängig von der Funktionsfähigkeit der Steer-By-Wire-Lenkanlage oder einzelner Komponenten derselben, der Fahrer beim Betätigen der Lenkhandhabe einen gewissen Widerstand überwinden muss. Dieser Widerstand vermittelt dem Fahrer des Fahrzeugs ein gewisses Lenkgefühl und verbessert dadurch die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs in allen Fahrsituationen. Weil das Dämpfungselement und das Federelement passive Elemente sind, kann über die gesamte Fahrzeuglebensdauer und ohne ständige Überwachung die Funktionsfähigkeit dieser Elemente gewährleistet werden. Außerdem kann, wenn der Feedback-Aktuator oder dessen Ansteuerung ausfällt, der Steer-By-Wire-Betrieb aufrechterhalten werden und es muss nicht auf den Betrieb einer Rückfallebene umgeschaltet werden.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement zwei gegenläufige Spiralfedern und/oder eine Torsionsfeder aufweist, die an der Lenkhandhabe, insbesondere der Lenksäule, angreift, so dass auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Rückstellung der Lenkanlage in ihre Mittellage gewährleistet wird. Dadurch wird die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs auch beim Ausfall des elektrischen Teils des Feedback-Aktuators oder dessen Ansteuerung weiter verbessert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Federelement aus einem Material mit hoher Eigendämpfung, insbesondere Kunststoff oder Kautschuk, hergestellt wird und/oder dass die Federn des Federelements eine lineare oder nichtlineare Kennlinie aufweisen, so dass ohne zusätzlichen Aufwand das Dämpfungselement in das Federelement integriert werden kann und über die Wahl einer geeigneten Federkennlinie das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Steer-By-Wire-Lenkanlage beim Ausfall des elektrischen Teils des Feedback-Aktuators weiter verbessert wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Dämpfungselement ein mit der Lenkhandhabe gekoppeltes Flügelrad oder einen mit den Lenkhandhabe gekoppelten Kolben auf, und dreht das Flügelrad sich in einem Dämpfungsmedium insbesondere Öl oder Luft, oder fördert der Kolben ein Dämpfungsmedium durch eine Drossel, so dass einfach aufgebaute und zuverlässige Dämpfungselemente verfügbar sind.

Andere Ausführungsformen des Dämpfungselements sehen eine elektrische Dämpfungsspule oder einen Kurzschlussring vor, in die ein mit der Lenkhandhabe gekoppelter Permanentmagnet eintaucht oder sich dreht, so dass auf ein Dämpfungsmedium verzichtet werden kann.

In weiterer Ergänzung der Erfindung kann der Elektromotor eine Dämpfungsspule aufweisen, wobei der Elektromotor ein Asynchronmotor, ein Switched-Reluctance-Motor oder ein DC- Motor, insbesondere ein Brushless-DC-Motor, ist, so dass das Dämpfungselement platzsparend und kostengünstig in den ohnehin vorhandenen Elektromotor integrierbar ist. Dadurch werden Kosten und Bauraum eingespart.

Zur weiteren Verbesserung der Betriebssicherheit ist es vorteilhaft, evtl. vorhandene Permanentmagnete gegen Lösen zu sichern, so dass ein Verklemmen oder Blockieren des Dämpfungselements und damit auch der Lenkhandhabe verhindert wird.

Bei weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Steer- By-Wire-Lenkanlage ist die Dämpfungscharakteristik des Dämpfungselements nicht linear oder hängt vom Lenkradwinkel ab, so dass das Dämpfungsverhalten der Steer-By-Wire- Lenkanlage auch bei Ausfall des elektrischen Teils des Feedback-Aktuators weiter verbessert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass zwischen Lenkhandhabe und Dämpfungselement und/oder zwischen Lenkhandhabe und Federelement ein Getriebe vorgesehen ist, so dass die Wirksamkeit des Federelements und/oder des Dämpfungselements verbessert werden kann und außerdem beide Elemente nicht direkt an der Lenkhandhabe angeordnet werden müssen.

Bei ergänzenden Varianten des erfindungsgemäßen Lenkmoduls ist ein Steuergerät zum Ansteuern des Feedback-Aktuators vorhanden ist und/oder weist das Steuergerät ein Rechnermodul und ein Überwachungsmodul auf und steuert den Elektromotor über eine Leistungselektronik an, so dass Fehlfunktionen des Steuergeräts erkannt und entsprechende Maßnahmen, wie z. B. das Umschalten in die Rückfallebene, eingeleitet werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkmoduls;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkmoduls, und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkradmoduls für eine elektrische Steer-By-Wire-Lenkanlage.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkmoduls für eine Steer-By-Wire- Lenkanlage schematisch dargestellt. Die gelenkten Räder des Fahrzeugs sowie der Lenksteller und die Rückfallebene sind in den Fig. 1 bis 3 nicht dargestellt.

Eine Lenkhandhabe 1, bestehend aus einem Lenkrad 3 und einer Lenksäule 5, ist mit einem Feedback-Aktuator 7 gekoppelt. Der Feedback-Aktuator 7 weist einen nicht dargestellten Elektromotor auf, der ein Drehmoment auf die Lenksäule 5 und damit auch auf das Lenkrad 3 aufprägen kann. Dieses Moment wird beim Betrieb der Steer-By-Wire- Lenkanlage, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, in Abhängigkeit der von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder übertragenen Rückwirkungen geregelt.

In Fig. 1 nicht dargestellt sind die elektrischen Versorgungsleitungen des Feedback-Aktuators 7 sowie die Signalleitungen, welche den Feedback-Aktuator 7 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Steuergerät verbinden. Der Feedback-Aktuator 7 kann außerdem einen Momentensensor umfassen, mit dessen Hilfe der Regelkreis zur Regelung des auf die Lenksäule 5 wirkenden Moments geschlossen werden kann.

An der Lenksäule 5 sind darüber hinaus ein Dämpfungselement 9 und ein Federelement 11 angeordnet. Das Federelement 11 bewirkt, dass mit zunehmendem Lenkeinschlag ein immer größeres Rückstellmoment über die Lenksäule 5 auf das Lenkrad 3 übertragen wird. Dadurch erhält der Fahrer des Fahrzeugs eine Information über die Stellung der gelenkten Räder und ein Lenkgefühl, auch wenn die Steer-by-Wire- Lenkanlage oder der Feedback-Aktuator außer Betrieb ist. Die Kennlinie des Federelements kann linear oder nicht linear sein.

Das Dämpfungselement 9 setzt dem von Fahrer auf das Lenkrad 3 übertragenen Lenkmoment ein entgegenwirkendes Moment entgegen, welches mit zunehmender Drehgeschwindigkeit der Lenksäule 5 zunimmt. Durch das Dämpfungselement 9 werden vor allem sehr schnelle Lenkbewegungen, die leicht zu instabilen Fahrzuständen des Fahrzeugs führen können, wirkungsvoll unterbunden. Das Federelement 11 und das Dämpfungselement 9 sind auch in Betrieb, wenn der Feedback- Aktuator 7 ordnungsgemäß funktioniert. Das Betriebsverhalten des Dämpfungselements 9 und des Federelements 11 kann vom Steuergerät des Feedback- Aktuators 7 beim Steer-by-Wire-Betrieb berücksichtigt werden.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkmoduls dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Federelement 11 zwei gegensinnig gewickelte Spiralfedern 12 auf, die mit ihrem einen Ende an der Lenksäule 5 befestigt sind und mit ihrem anderen Ende am Fahrzeug befestigt sind (nicht dargestellt). Durch die gegensinnige Wicklung der Spiralfedern 12 wird eine Zentrierung der Lenkung in ihrer Mittellage, entsprechend einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs, bewirkt. Diese Zentrierung, welche bei allen Ausführungsbeispielen von Federelementen vorhanden sein kann, erleichtert die Beherrschung des Fahrzeugs auch bei Ausfall der Steer-By-Wire-Lenkanlage zusätzlich.

Das Dämpfungselement 9 ist in Fig. 2 nur schematisch dargestellt. Es kann beispielsweise ein mit der Lenksäule 5 gekoppeltes Flügelrad (nicht dargestellt) umfassen, welches ein ebenfalls nicht dargestelltes Dämpfungsmedium durch eine Drossel fördert oder Energie dissipiert, indem es das Dämpfungsmedium verwirbelt. Es ist ebenfalls denkbar, ein Dämpfungselement 9 mit einem Kolben, der in einem Zylinder geführt ist, auszubilden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel fördert der Kolben ein Dämpfungsmedium durch eine Drossel. Allerdings muss die Drehbewegung der Lenksäule 5 in eine Linearbewegung, bspw. durch ein Zahnstangengetriebe, umgewandelt werden.

Der Feedback-Aktuator 7 wird von einem Steuergerät 13, welches aus einem Rechnermodul RMD und einem Überwachungsmodul ÜMD besteht, gesteuert. Das Überwachungsmodul ÜMD dient dazu, eventuelle Fehlfunktionen des Rechnermoduls RMD oder falsche Eingangssignale zu erkennen. Angesteuert wird der Feedback-Aktuator 7 vom Steuergerät 13 über eine Leistungselektronik ALRM. Zwischen Steuergerät 13 und der Leistungselektronik ALRM sowie anderen nicht dargestellten Steuergeräten und Sensoren des Fahrzeugs wird eine Signalverbindung mit Hilfe eines Datenbusses 15 hergestellt. Die Versorgung des Steuergeräts 13 und der Leistungselektronik ALRM erfolgt über elektrische Leitungen 17. Selbstverständlich ist es möglich, Steuergerät 13, Datenbus 15, Versorgungsleitung 17 und Leistungselektronik ALRM ebenso wie den Feedback- Aktuator 7 redundant auszuführen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind Lenksäule 5 und Feedback-Aktuator 7 über ein Stirnradgetriebe 19 gekoppelt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkmoduls dargestellt. Das Federelement 11 ist als ein direkt mit der Lenksäule 5 gekoppelter Torsionsstab 20 ausgebildet, dessen zweites Ende fest mit dem Fahrzeug verbunden ist. Das Dämpfungselement 9 ist ebenso wie der Feedback-Aktuator 7 über ein Stirnradgetriebe 19 mit der Lenksäule 5 gekoppelt.

Um Beschädigungen des Federelements 11 vorzubeugen, kann es bei allen Ausführungsbeispielen erforderlich sein, den Lenkeinschlag des Lenkrads 3 zu beschränken. Dies kann durch nicht dargestellte Anschläge oder durch entsprechende Auslegung der Federelemente gewährleistet werden. Bspw. können die Federn des Federelements 11, falls es sich um Schraubenfedern handelt, mit Erreichen des größtmöglichen Lenkradwinkels auf Block liegen.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

1. Lenkmodul für eine Steer-By-Wire-Lenkanlage für ein Fahrzeug, mit einer Lenkhandhabe (1), mit einem Rückwirkungen der Fahrbahn auf die gelenkten Räder auf die Lenkhandhabe (1) übertragenden Feedback-Aktuator (7), wobei der Feedback-Aktuator (7) einen Elektromotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedback-Aktuator (7) ein auf die Lenkhandhabe (1) wirkendes Federelement (11) aufweist, und dass der Feedback-Aktuator (7) ein auf die Lenkhandhabe (1) wirkendes Dämpfungselement (9) aufweist.

2. Lenkmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkhandhabe (1) als Lenkrad (3) mit Lenksäule (5) ausgebildet ist.

3. Lenkmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) zwei gegenläufige Spiralfedern (12) aufweist, die an der Lenkhandhabe (1), insbesondere der Lenksäule (5), angreifen.

4. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) eine Torsionsfeder (20) aufweist, die an der Lenkhandhabe (3), insbesondere der Lenksäule (5), mittelbar oder unmittelbar angreift.

5. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) aus einem Material mit hoher Eigendämpfung, insbesondere Kunststoff oder Kautschuk hergestellt wird.

6. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (12, 20) des Federelements (11) eine lineare oder eine nichtlineare Federkennlinie aufweisen.

7. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Federelement (11) gegen die Karosserie des Fahrzeugs abstützt.

8. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (9) ein mit der Lenkhandhabe (1) gekoppeltes Flügelrad () oder einen mit der Lenkhandhabe (1) gekoppelten Kolben () aufweist, und dass das Flügelrad () oder der Kolben () sich in einem Dämpfungsmedium, insbesonder Öl oder Luft, dreht oder eintaucht.

9. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (9) eine elektrische Dämpfungsspule oder einen Kurzschlussring aufweist, und dass in die Dämpfungsspule oder in den Kurzschlussring ein mit der Lenkhandhabe (1) gekoppelter Permanentmagnet eintaucht oder sich dreht.

10. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine elektrische Dämpfungsspule aufweist.

11. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Asynchronmotor, ein Switched-Reluctance-Motor oder ein DC- Motor, insbesondere ein Brushless-DC-Motor, ist.

12. Lenkmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete gegen Lösen gesichert sind.

13. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungscharakteristik des Dämpfungselements (9) nichtlinear ist, und/oder, dass die Dämpfungscharakteristik vom Lenkradwinkel abhängt.

14. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lenkhandhabe (1) und Dämpfungselement (9) und/oder zwischen Lenkhandhabe (1) und Federelement (11) ein Getriebe (19) vorgesehen ist:

15. Lenkmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (13) zum Ansteuern des Feedback-Aktuators (7) vorhanden ist.

16. Lenkmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (13) ein Rechnermodul (RM) und ein Überwachungsmodul (ÜM) aufweist, und dass das Steuergerät () den Elektromotor () über eine Leistungselektronik (ALRM) ansteuert.