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Die Erfindung betrifft ein Steer-By-Wire
Baugruppe und ein Verfahren zur Betätigung (Lenkung) der Räder eines
Kraftfahrzeugs.
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Steer-By-Wire Systeme für Kraftfahrzeuge sind
wohlbekannt. Eine repräsentatives
Steer-By-Wire Baugruppe kann eine Lenkvorrichtung, z.B. ein Lenkrad
oder einen Steuerknüppel,
aufweisen, die elektrisch mit den Rädern des Kraftfahrzeugs verbunden
ist. Bei einigen Steer-By-Wire Baugruppen werden Lenkeingaben an
der Lenkvorrichtung elektronisch zu einer mit dem Lenkgestänge verbundenen
Antriebseinheit übertragen,
um die Räder
zu drehen. Eine Lenkeingabe von der Lenkvorrichtung kann z.B. über eine
Leitung zu einer elektronischen Steuereinheit oder einem Mikrocontroller übertragen werden,
die dann über
eine Leitung einen Stellbefehl an einen Motor sendet, der eine Lenkbewegung
am Lenkgestänge
des Kraftfahrzeugs, z.B. einem Vorderachslenkgestänge, generiert,
um die Räder
zu lenken.
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Obwohl viele der gegenwärtigen Steer-By-Wire
Baugruppen hinreichend sind, können diese
Baugruppen weiter verbessert werden. Einer dieser Punkte ist der
Ausfall von Steer-By-Wire-Aktuatoren oder -Motoren. Die Hersteller
haben auf diese Bedenken mit der Ausrüstung von Steer-By-Wire Baugruppen
mit Strategien und Steuersystemen für den Fall eines Geräte- oder Systemfehlers
reagiert. Sie haben Steer-By-Wire Baugruppen mit Backup-Systemen,
Redundanzen, hydraulischen Systemen und/oder Reserveenergieversorgung
konfiguriert. Solche zusätzlichen
Vorrichtungen und Verfahren erfordern jedoch eine relativ hohe Volumendichte und
verursachen relativ hohe Kosten.
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Es ist festgestellt worden, dass
eine Erhöhung
der elektrischen Leistungsfähigkeit
eines Motors eine exponentielle Erhöhung der Volumenleistungsdichte
bzw. der Leistung des Motors erfordert. Die Hersteller waren daher
gefordert, eine Steer-By-Wire Baugruppe mit einem verbesserten Ausfallsicherungssystem
zur Verfügung
zu stellen, das die typischen Anforderungen an die Volumendichte
verringert und trotzdem geringe Kosten verursacht.
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Es ist daher ein Aspekt der vorliegenden
Erfindung, eine Steer-By-Wire Baugruppe und Verfahren zur Betätigung der
mit den Rädern
eines Kraftfahrzeugs verbundenen Lenkgestängebaugruppe vorzustellen.
Das System soll Ausfallsicherungen für Geräte- und Systemausfälle beinhalten.
Die Baugruppe soll operative Einheiten, die nur eine relativ geringe
Leistung erfordern, aufweisen. Die Baugruppe soll Ausfallsicherungen
für Geräte- und
Systemausfälle
beinhalten. Die Baugruppe soll operative Einheiten, die nur eine
relativ verringerte Volumendichte besitzen, aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Steer-By-Wire-Baugruppe
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist also eine Steer-By-Wire-Baugruppe
zur Betätigung
der mit den Rädern
eines Kraftfahrzeugs verbundenen Lenkgestängebaugruppe. Die Baugruppe
umfasst die Lenkgestängebaugruppe,
die eine elektrisch mit der Lenkvorrichtung verbundenen Eingangswelle,
eine mit den Rädern
des Kraftfahrzeugs verbundene Ab gangswelle und eine die Eingangs-
und Abgangswelle zur Lenkung der Räder verbindende Getriebeeinheit
aufweist.
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Die Baugruppe umfasst weiterhin einen
Mikrocontroller zur Regelung einer Steuerungsstrategie, die einen
Normal- und Fehlererkennungsmodus beinhaltet. Der Mikrocontroller
ist elektrisch mit der Lenkvorrichtung, z.B. einem Lenkrad, verbunden. Der
Mikrokontroller ist konfiguriert, ein Lenksignal zu erhalten, das
eine Lenkeingabe an der Lenkvorrichtung kennzeichnet. Die Baugruppe
schließt
weiterhin einen ersten und einen zweiten Leistungselektronik-Antrieb
ein, die elektrisch mit dem Mikrocontroller zur Stromversorgung
verbunden sind. Weiterhin umfasst das System einen ersten und einen
zweiten Motor zum simultanen Betrieb mit der Steer-By-Wire-Lenkeinrichtung.
Der erste Motor ist elektrisch mit dem ersten Leistungselektronik-Antrieb
verbunden, um von diesem mit Strom versorgt zu werden, und der zweite
Motor ist elektrisch mit dem zweiten Leistungselektronik-Antrieb verbunden,
um von diesem mit Strom versorgt zu werden. Der erste und zweite Motor
sind mit der Eingangswelle verbunden, um die Eingangswelle für eine Linearbewegung
der Abgangswelle zur Lenkung der Räder basierend auf dem Steuersignal
zu bewegen. Der erste und zweite Motor sind konfiguriert simultan
zusammenzuarbeiten, um die Räder
im Normalmodus zu lenken.
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Weitere Aspekte, Charakteristika
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden.
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1:
zeigt eine schematische Ansicht eines Ausschnitts eines Kraftfahrzeugs
mit einer Steer-By-Wire Baugruppe in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung; und
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2:
zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Betätigung einer Lenkgestängebaugruppe
des Kraftfahrzeugs mit einer Steer-By-Wire-Baugruppe nach 1 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung stellt
allgemein eine Steer-By-Wire-Baugruppe und ein Verfahren zur Betätigung einer
Lenkgestängebaugruppe
eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung.
Eine Mehrzahl Antriebseinheiten, z.B. zwei Motoren, sind simultan
nebeneinander auf einer Eingangswelle einer Lenkgestängebaugruppe
eines Kraftfahrzeugs zur Linearbewegung, basierend auf einer Lenkeingabe
an einer Lenkvorrichtung, einer mit den Rädern des Kraftfahrzeugs verbundenen
Abgangswelle verbaut, wobei die Linearbewegung der Abgangswelle
die Räder lenkt.
Der simultane Betrieb der Aktuatorvorrichtungen bedingt verringerte
Leistungs- und Gewichtserfordernisse, wodurch Volumendichte und
Kosten gespart werden. Die Vielzahl der Aktuatorvorrichtungen bieten
eine verbesserte Ausfallsicherheit und eine raumsparendes Steer-By-Wire-Baugruppe
mit relativ verringerten Volumendichte- und Gewichtserfordernissen.
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1 stellt
ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Steer-By-Wire-Baugruppe 14 zur
Betätigung
der Lenkgestängebaugruppe 12 zur
Lenkung der Räder 19 des
Kraftfahrzeugs 10 dar. Das Kraftfahrzeug 10 weist,
wie dargestellt, eine Lenkgestängebaugruppe 12 und
die Steer-By-Wire-Baugruppe 14 auf, die konfiguriert ist,
die Lenkgestängebaugruppe 12 zu
betätigen,
um die Räder 19 des
Kraftfahrzeugs 10 zu lenken. Die Lenkgestängebaugruppe 12 umfasst
eine Eingangswelle 16, eine über Spurstangen 21 mit
den Rädern 19 des
Kraftfahrzeugs 10 verbundene Abgangswelle 18 und
ein Getriebe 20, das die Eingangswelle 16 und
die Abgangswelle 18 verbindet. Wie dargestellt verbindet
das Getriebe 20 die Eingangswelle 16 und die Abgangswelle 18,
wodurch die Rotation der Eingangswelle 16 zu einer linearen Bewegung
der Abgangswelle 18 führt,
um die Räder 19 zu
lenken.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Lenkgestängebaugruppe 12 ein
konventionelles Zahnstangenlenkgestänge oder eine Kugel-Kreislauflenkung
sein. Es ist jedoch festzuhalten, dass jedes andere Lenkgestänge mit
einem „Eingang" verwendet werden
kann, ohne den Anwendungsbereich, bzw. die Idee der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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1 stellt
ferner einen Mikrocontroller 23 dar, der elektrisch mit
der Lenkvorrichtung 22 zur Regelung einer Steuerungsstrategie
verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
schließt
die Steuerungsstrategie einen Normal- und einen Fehlermodus der
Steer-By-Wire Baugruppe 14 ein. Der Mikrocontroller ist
konfiguriert, ein Lenksignal, das kennzeichnend für eine Lenkeingabe
an der Lenkvorrichtung 22 ist, zu erhalten, um die Räder 19 in Übereinstimmung
mit der Lenkeingabe basierend auf der vorherbestimmten Lenkübersetzung
des Kraftfahrzeugs 10 zu lenken. Der Mikrocontroller 23 kann
jede geeignete Steuereinheit mit einem Mikroprozessor zur Steuerung
der Baueinheiten der Steer-By-Wire Baugruppe 14 sein. Der
Mikrocontroller kann aus einer Vielzahl von Steuereinheiten mit
eigenen Mikroprozessoren für
jeden Antrieb und Motor bestehen, ohne den Anwendungsbereich der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weiterhin beinhaltet die Steer-By-Wire
Baugruppe 14 einen ersten Leistungselektronik-Antrieb 34 und
einen zweiten Leistungselektronik-Antrieb 36, die elektrisch
mit dem Mikrocontroller 23 zur Stromversorgung verbunden
sind, um die Lenkgestängebaugruppe 12 zur
Lenkung der Räder 19 zu
bewegen. Wie dargestellt umfasst die Steer-By-Wire-Baugruppe 14 ferner
einen ersten Motor 30 und einen zweiten Motor 32 zur
simultanen Operation der Lenkgestängebaugruppe 12. Der
erste Motor 30 ist elektrisch zur Stromversorgung mit dem
ersten Leistungselektronik-Antrieb 34 und der zweite Motor 32 ist
elektrisch mit dem ersten Leistungselektronik-Antrieb 34 verbunden
, um von diesem elektrische Energie zu bekommen, und der zweite
Motor 32 ist elektrisch zur Stromversorgung mit dem zweiten
Leistungselekt ronik-Antrieb verbunden, um von diesem elektrische
Energie zu bekommen.
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Der erste und zweite Motor 30, 32 sind
mit der Eingangswelle 16 zum Antrieb derselben verbunden,
um die Räder 19 basierend
auf dem Lenksignal und einer vorherbestimmten Lenkübersetzung
des Kraftfahrzeugs 10 zu lenken. Der erste und zweite Motor 30, 32 sind
konfiguriert, simultan zusammen zu arbeiten, um die Räder 19 im
Normalmodus zu lenken. Der erste und zweite Leistungselektronik-Antrieb 34, 36 können über verschiedene
Quellen oder dieselbe Quelle mit Energie (Strom) versorgt werden. In
dieser Ausführung
werden die Leistungselektronik-Antriebe 34, 36 aus
einer Quelle, der Batterie 40, gespeist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel applizieren gleichzeitig
der erste Motor 30 ein erstes Moment auf die Eingangswelle 16 und
der zweite Motor 32 ein zweites Moment auf die Eingangswelle 16.
Das erste Moment ist proportional einer vom ersten Leistungselektronik-Antrieb 34 über den
ersten Motor 30 erzeugten ersten Kraft. Das zweite Moment
ist proportional einer vom zweiten Leistungselektronik-Antrieb 34 über den
zweiten Motor 30 erzeugten zweiten Kraft. Die erste und
zweite Kraft entsprechen beide einem bestimmten Anteil der für die Motoren 30,32 erforderlichen
Kraft, um die Räder 19 im
Normalmodus zu lenken. Der erste und zweite Motor 30,32 operieren
gleichzeitig, um eine Gesamtkraft gleich der erforderlichen Kraft
zur Lenkung der Räder 19 zu
generieren. In diesem Ausführungsbeispiel
betragen die erste und zweite Kraft ungefähr 50% der für die Motoren 30, 32 erforderlichen
Kraft, um die Lenkgestängebaugruppe 12 zur
Lenkung der Räder 19 im
Normalmodus zu betätigen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Steuerungsstrategie
auf jede dem Stand der Technik bekannte Weise im Mikrocontroller 23 konfiguriert sein.
Zusätzliche
Einheiten, z.B. Sensoren, (nicht dargestellt) können implementiert sein, um
Lenkradwinkelsignale und Radsignale im Normal- und im Feh lermodus
zum Mikrocontroller 23 zu übertragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
entspricht der Normalmodus einem fehlerlosen Betriebsstatus der Steer-By-Wire-Baugruppe 14.
Beide Motoren 30, 32 arbeiten im Normalmodus gleichzeitig.
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Der Fehlermodus zeigt bei diesem
Ausführungsbeispiel
einen fehlerhaften Betriebsstatus der Steer-By-Wire-Baugruppe 14 an.
Der Fehlermodus kann die Betriebsstörung jedweder o.g. Einheit
der Steer-By-Wire-Baugruppe 14, eingeschlossen des ersten
oder zweiten Motors 30, 32, anzeigen. Darüber hinaus
arbeitet im Fehlermodus einer der Motoren 30, 32 allein,
abhängig
davon welche Einheit ausgefallen ist oder wo der Fehler aufgetreten
ist. Zeigt z.B. der erste Leistungselektronik-Antrieb 34 eine Störung, arbeiten
der zweite Leistungselektronik-Antrieb 36 und der zweite
Motor 32 unabhängig,
um die Lenkgestängebaugruppe 12 zu
betätigen.
Das bedeutet, dass im Fehlermodus einer, der erste oder der zweite
der Motoren 30, 32, die Steer-By-Wire-Baugruppe 14 betreibt,
um das Lenkgestänge 12 zur
Lenkung der Räder 15 zu
bewegen. Der Mikrocontroller 23 kann auf jede geeignete
Art und Weise oder mit jeder geeigneten Strategie programmiert (konfiguriert)
werden, um den Modus, in dem die Steer-By-Wire-Baugruppe arbeiten
soll, zu determinieren.
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Im Normalmodus arbeiten daher der
erste und zweite Motor 30, 32 simultan, um Moment
an der Eingangswelle 16 zu applizieren, so dass sich die
Abgangswelle 18 linear bewegt, um die Räder 19 basierend auf
einer vorherbestimmten Lenkübersetzung des
Kraftfahrzeugs 10 zu lenken. Bei diesem Ausführungsbeispiel
arbeiten sowohl der erste und der zweite Motor 30, 32 mit
einer Leistung von 50% der erforderlichen an der Eingangswelle 16 angewandtem Leistung
oder Moment, um die Räder 19 mit
der vorherbestimmten Lenkübersetzung
zu lenken. Wie bekannt, sind die Kraft und Momenterfordernisse an
der Eingangswelle 16 bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten,
z.B. von 0 – 16
km/h verhältnismäßig größer als
bei höheren
Fahrzeug geschwindigkeiten, z.B. größer als 16 km/h, um die Räder 19 basierend
auf der vorherbestimmten Lenkübersetzung
zu lenken. Es ist festgelegt worden, dass die zur Lenkung der Räder 19 erforderliche
Kraft mit der Kraftanforderung für
eine Geschwindigkeit für
0 km/h zu Verfügung
gestellt wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Volumendichte
jeden Motors 30, 32 dadurch bestimmt, dass sowohl
der erste als auch der zweite Motor 30, 32 auf
eine Leistungsanforderung und Momentleistung von 50% der zur Lenkung
der Räder
bei einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs von 0 km/h erforderlichen
Kraft und Moment ausgelegt sind. Da die vorliegende Erfindung mindestens
zwei Motoren aufweist, die jeweils mit 50% der erforderlichen Leistung und
Moment arbeiten, ist die Volumendichte jeden Motors relative zur
Größe eines
Motors mit 100% der geforderten Leistung reduziert.
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2 stellt
ein Verfahren 110 zur Betätigung der Lenkgestängebaugruppe 12 eines
Kraftfahrzeugs 10 implementiert in die oben genannte Steer-By-Wire-Baugruppe 14 dar.
in Schritt 112 dieses Ausführungsbeispiels
wird die oben genannte Baugruppe (12) bereitgestellt. In
Schritt 114 dieses Ausführungsbeispiels
erhält
der Mikrocontroller 23 ein Lenksignal, das kennzeichnend
für die
Lenkeingabe an der Lenkvorrichtung basierend auf der vorherbestimmten
Lenkübersetzung
des Kraftfahrzeugs 10 ist. Der Mikrocontroller 23 berechnet
das Lenksignal und sendet ein erstes und ein zweites Steuersignal
jeweils zum ersten und zweiten Leistungelektronik-Antrieb 34, 36.
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In Schritt 116 dieses Ausführungsbeispiels erzeugt,
basierend auf dem ersten und zweiten Steuersignal, der erste Leistungselektronik-Antrieb 34 eine
erste Kraft am ersten Motor 30 und zweite Leistungselektronik-Antrieb 36 eine
zweite Kraft am zweiten Motor 32. In Schritt 118 applizieren
anschließend der
erste und zweite Motor 30, 32 simultan jeweils
ein ersten und zweites Moment an der Eingangswelle 16 zur
Lenkung der Räder 19.
Sowohl die erste Antriebsspannung als auch die zweite Antriebsspannung
repräsentie ren,
wie obern erwähnt,
jeweils einen Anteil der im Normalmodus zur Lenkung der Räder 19 erforderlichen
Spannung.
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Im Fall, dass einer der Motoren 30, 32 oder einer
der Leistungselektronik-Antriebe 34, 36 ausfällt, kann
der jeweils andere Motor oder Antrieb mit seiner konfigurierten
Leistung weiter arbeiten. Der Betrieb des jeweils anderen Motors
oder Antriebs gestattet dem Kraftfahrzeugführer das Kraftfahrzeug 10 in
eine Werkstatt zur Fehlerdiagnose oder Reparatur zu fahren.
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Weitere Aspekte, Charakteristika
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden.