DE102010013597B3 - Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Stellelementes eines Kraftfahrzeugs sowie entsprechendes Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) eines Stellelementes (10) eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Steuerung des Antriebssystems (1), bei dem ein Elektromotor (3) über ein Getriebe (17, 18) ein Antriebselement (21) und ein mit diesem über eine Drehfeder (23) gekoppeltes Abtriebselement (22) um eine gemeinsame Drehachse (20) antreibt. Die Drehfeder (23) überträgt in beiden Drehrichtungen (R, R) ein auf das Antriebselement (21) wirkendes Drehmoment an das Abtriebselement (22) und blockiert ein abtriebsseitiges Drehmoment. Eine Steuerelektronik (25) ist dazu eingerichtet, einen anhand der Motordrehzahl (n) und/oder des Motorstroms (I) sowie der Drehrichtung (R, R) ermittelten aktuellen Positionswert des Stellelementes (10) zu speichern, wenn das in eine der Drehrichtungen (R, R) angetriebene Antriebselement (21) im Anschluss an eine Verstellbewegung gestoppt wird. Bei erneuter Verstellbewegung des Stellelementes (10) in Gleich- oder Gegenrichtung werden eine Überhöhung der Motordrehzahl (n) bzw. ein Anstieg des Motorstroms (I) bis zur oder im Moment einer kraftschlüssigen Kopplung des Antriebselementes (21) über die Drehfeder (23) mit dem Abtriebselement (22) erfasst und daraus ein Korrekturwert zur Kompensation einer Positionsverschiebung des Antriebselementes (21) gegenüber dem gespeicherten Positionswert ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Stellelementes eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Elektromotor über ein Getriebe ein Antriebselement und ein mit diesem über eine Drehfeder gekoppeltes Abtriebselement um eine gemeinsame Drehachse antreibt. Sie bezieht sich weiter auf ein nach diesem Verfahren arbeitendes Antriebssystem.
• In einem Kraftfahrzeug sind üblicherweise mittels elektronisch gesteuerter Antriebssysteme betätigte Stellelemente (Verstellteile), insbesondere elektrische Fensterheber, vorhanden. Während eines Stellvorgangs eines solchen Stellelementes ist eine gewünschte Endposition präzise anzufahren, wozu eine genaue Kenntnis der Stellposition des Verstelltools erforderlich ist. Die Kenntnisse der aktuellen Stellposition oder hieraus ableitbarer Größen, wie der Stellgeschwindigkeit oder des zurückgelegten Verstellwegs, sind darüber hinaus auch für die sichere Erkennung eines Einklemmfalls erforderlich.
• Zur möglichst genauen Erfassung der Stellposition einer Fensterscheibe ist es beispielsweise aus der DE 199 16 400 C1 bekannt, einen Stellungs und Drehrichtungssensor vorzusehen. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Hall-Sensor (Hall-IC) mit zwei in einem Abstand oder Winkel versetzt zueinander angeordneten Sensorflächen und einem mehrpoligen, beispielsweise zwei- oder vierpoligen Ringmagneten, der auf der Antriebswelle des Elektromotors angeordnet ist. Der Hall-Sensor erfasst eine Magnetfeldänderung infolge einer Rotation des mit der Antriebswelle fest verbundenen Ringmagneten und generiert hieraus Zählimpulse. Diese werden zusammen mit einer Information über die Drehrichtung des Ringmagneten und damit des Elektromotors ausgewertet, indem die Zählimpulse je nach Drehrichtung des Antriebs aufwärts oder abwärts gezählt werden und somit die jeweilige Stellung der Fensterscheibe angeben.
• Ein solches Antriebssystem umfasst zusätzlich zu dem Antriebs- bzw. Elektromotor ein Übersetzungsgetriebe, das das Drehmoment des Elektromotors beispielsweise über einen Seilzug (Seilfensterheber) und einen mit diesem gekoppelten sowie in einer Führungsschiene geführten Mitnehmer auf die an diesem befestigte Fensterscheibe überträgt, so dass das Stellelement (Fahrzeugscheibe) infolge eines Steuerbefehls entlang eines Verstellweges zwischen einer Schließposition und einer Offenposition verstellbar (verfahrbar) ist. Um das Stellelement in praktisch beliebiger Position entlang des Verstellweges auch bei ausgeschaltetem (gestopptem) Elektromotor in der jeweils angefahrenen Position zu halten, sind Mittel zur Hemmung des Antriebssystems vorgesehen. Hierzu kann beispielsweise das Getriebe selbsthemmend ausgeführt sein, was bei einem üblicherweise eingesetzten Schneckengetriebe durch eine entsprechende Zahnneigung der Außenverzahnung eines Schneckenrades erreicht wird, das mit einer wellenfesten Schnecke der Antriebs- oder Motorwelle kämmt.
• Bei Ausführung des Antriebssystems mit einem nicht selbsthemmenden Getriebe ist es aus der WO 2007/014686 A1 bekannt, bei einer Verstelleinrichtung für ein Kraftfahrzeug ein motorseitiges Antriebselement und ein stellelementseitiges Abtriebselement über eine nach Art einer Schlingfeder wirksamen Drehfeder zu koppeln (Schlingfederkupplung). Die Drehfeder überträgt ein auf das Antriebselement wirksames Drehmoment in beiden Drehrichtungen an das Abtriebselement und blockiert – wiederum in beiden Drehrichtungen – ein abtriebsseitiges Drehmoment (Schlingfederbremse).
• Zwar zeichnet sich ein solches Antriebssystem mit nicht selbsthemmendem Getriebe durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Allerdings ist auch in einem solchen Antriebssystem systembedingt ein gewisses mechanisches Spiel in der Selbsthemmung vorhanden. Dies bedeutet, dass bis zum Erreichen der hemmenden Gegenkraft der Dreh- oder Schlingfeder schon aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes, das beispielsweise 1:73 beträgt, mehrere Teilumdrehungen des Motorankers bzw. der Motorwelle erfolgen, bevor eine Blockierung eines abtriebsseitigen Drehmomentes erfolgt, das beispielsweise durch eine Krafteinwirkung auf das Stellelement generiert wird.
• Während nun eine exakte Positionserfassung des Stellelementes und damit des Motorankers (Motorwelle) für die Sicherstellung der gesetzlichen Anforderung bezüglich eines Einklemmschutzes essentiell ist, können auftretende Positionsverschiebungen, insbesondere im Falle eines im so genannten Sleep-Modus, bei dem der üblicherweise zur Positionserfassung verwendete Hall-Sensor aufgrund von Ruhestromanforderungen regelmäßig im Ruhezustand des Antriebssystem bzw. dessen Elektronik (Steuergerät) von der Strom- bzw. Spannungsversorgung getrennt ist, nicht zuverlässig erfasst werden.
• Auch bei einem Antriebssystem mit nur geringem vorhandenen Spiel in der Selbsthemmung besteht daher der Nachteil, dass bereits geringe mechanische Krafteinwirkungen von außen, beispielsweise ein Rütteln an der Fahrzeugscheibe, im Ruhezustand des Antriebssystems (Steuergerätes) einen erheblichen, nicht messbaren Versatz in der Positionierung des Systems zur Folge haben können. Hierdurch können unter Umständen die gesetzlichen Anforderungen bezüglich eines Einklemmschutzes nicht sichergestellt werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Antriebssystem hinsichtlich der Positionsgenauigkeit bzw. -bestimmung des angetriebenen Stellelementes zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Ansprüche und die nachfolgenden Ausführungen.
• Das Antriebssystem umfasst hierzu einen Elektromotor, der über ein Getriebe, insbesondere mit hohem Wirkungsgrad (größer 50%), ein um eine Drehachse drehbewegliches Antriebselement antreibt. Das motorseitig angebundene Antriebselement ist mit einem an das Stellelement angebundenen Abtriebselement gekoppelt, wobei das Antriebselement und das Abtriebselement über eine Drehfeder vorzugsweise koaxial hintereinander gelagert sind. Die geeigneterweise als Schlingfeder wirksame Drehfeder wirkt bei einem antriebsseitigen Drehmoment in beiden Drehrichtungen als Kupplung (Drehfeder- bzw. Schlingfederkupplung) zur Übertragung des Drehmomentes über das Abtriebselement auf das Stellelement. Bei einem abtriebsseitigen Drehmoment, das infolge einer Krafteinwirkung auf das Stellelement und somit auf das Abtriebselement übertragen wird, ist die Drehfeder als Bremse (Drehfeder- bzw. Schlingfederbremse) wirksam und blockiert das abtriebsseitige Drehmoment, um dessen Übertragung auf das Antriebselement weitest möglich zu unterbinden.
• Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst zudem eine Steuerelektronik, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner nachfolgend beschriebenen Varianten schaltungs- und/oder programmtechnisch eingerichtet ist, so dass das erfindungsgemäße Verfahren automatisch durchgeführt wird. Die Steuerelektronik ist dazu eingerichtet, einen anhand der Motordrehzahl und/oder des Motorstroms sowie der Drehrichtung ermittelten aktuellen Positionswert des Stellelementes zu speichern, wenn das in eine der Drehrichtungen angetriebene Antriebselement im Anschluss an eine Verstellbewegung gestoppt wird. Bei erneuter Verstellbewegung des Stellelementes in Gleich- oder Gegenrichtung werden eine Überhöhung der Motordrehzahl bzw. ein Anstieg des Motorstrom bis zur oder im Moment einer kraftschlüssigen Kopplung des Antriebselementes über die Drehfeder mit dem Abtriebselement erfasst und daraus ein Korrekturwert zur Kompensation einer Positionsverschiebung des Antriebselements gegenüber dem gespeicherten Positionswert ermittelt.
• Mit anderen Worten sind geeignete Mittel vorgesehen, jeden Positionswert des Stellelementes anhand der Motordrehzahl und/oder des Motorstroms sowie der Drehrichtung zu ermitteln und den aktuellen Positionswert zu speichern, wenn das Antriebselement im Anschluss an eine Verstellbewegung stoppt bzw. gestoppt wird. Zudem sind Mittel vorgesehen, bei einer erneuten oder folgenden Verstellbewegung des Stellelementes in derselben Drehrichtung (Gleichrichtung) und/oder in die entgegengesetzte Drehrichtung (Gegenrichtung) eine Überhöhung der Motordrehzahl (Drehzahlüberhöhung) bzw. des Motorstroms (Stromanstieg) bis zur und insbesondere im Moment eines (mechanischen) Kraftschlusses innerhalb des Antriebssystems, d. h. ausgehend vom Antriebselement und über die Drehfeder mit dem Abtriebselement sowie letztendlich darüber hinaus, insbesondere bei einem Seilfensterheber, bis zum Kraftschluss bzw. im Moment des Kraftschlusses mit dem die Fahrzeugscheibe tragenden Mitnehmer zu erfassen und zur Positionskompensation auszuwerten. Aus dieser Drehzahlüberhöhung bzw. dem Motorstromanstieg erfolgt die Ermittlung (Bestimmung) eines Korrekturwertes zur Kompensation einer Positionsverschiebung des Antriebselementes gegenüber dem gespeicherten Positionswert und demnach zur Positionsbestimmung bzw. -korrektur des Stellelementes.
• Zur Drehzahl- bzw. Drehrichtungserfassung ist der Steuerelektronik ein Hall-Sensor zugeordnet, der mit einem mit der Motorwelle drehfest verbundenen Ringmagneten zusammenwirkt. Der Hall-Sensor kann dabei bereits auf einer Platine (Leiterplatte) der Steuerelektronik montiert sein. Zur Ermittlung des Stromanstiegs im Moment des Kraftschlusses wird das in der Regel bereits für andere Zwecke erfasste und ausgewertete Motorstromsignal herangezogen.
• Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad weist das Antriebssystem ein nicht selbsthemmendes Schneckengetriebe mit einer mit der Motorwelle drehfesten Schnecke und mit einem mit diesem kämmenden Schneckenrad auf. Das Schneckenrad umfasst einstückig oder trägt ein Gehäuse, das das Antriebselement und das Abtriebselement sowie die Drehfeder aufnimmt und koaxial hintereinander lagert. Die Drehfeder liegt an der Gehäuseinnenwand im Ausgangszustand unter einer gewissen Federvorspannung reibschlüssig an und kann von dort nur mittels des Antriebselementes in beiden Drehrichtungen gelöst werden (Kupplungswirkung). Infolge eines abtriebsseitigen Drehmomentes weitet das Abtriebselement die Drehfederwindungen mit ansteigendem Drehmoment zunehmend auf und verspannt hierdurch die Drehfeder gegen die Gehäuseinnenwand reibschlüssig (Bremswirkung).
• Die Drehfeder weist geeigneterweise etwa rechtwinklig nach innen, d. h. zur gemeinsamen Drehachse hin abgebogene Federenden auf, die (zumindest in einem symmetrischen Ausgangszustand) mit einem definierten Winkelspiel zwischen Anschlägen des Antriebselementes (Antriebsanschläge) und Anschlägen des Abtriebselementes (Abtriebsanschläge) einliegt. Vorzugsweise ist hierbei innerhalb des Winkelspiels zwischen dem jeweiligen Federende und dem diesem zugeordneten Antriebsanschlag ein Lösewinkel definiert. Diesen Lösewinkel durchläuft das Antriebselement infolge eines antriebsseitigen Drehmomentes bis zum Lösen der Drehfeder von der zugeordneten Berührungs- oder Reibfläche.
• Bei einer Verstellbewegung des Stellelementes in Gleichrichtung erfolgt die Ermittlung des Korrekturwertes aus dem (mechanischen) Kraftanstieg des Antriebs- und Verstellsystems innerhalb dieses Lösungswinkels. Als Kriterium innerhalb des Kraftanstiegs, der systembedingt bis zum Lösen der Drehfeder mit der Motordrehzahl ansteigt und anschließend bis zur Kopplung mit dem Abtriebselement abfällt, wird geeigneterweise ein positionsbestimmender Extremwert herangezogen, beispielsweise der Maximalwert der Drehzahlüberhöhung. Auch kann die abfallende Flanke des Kraftanstiegs als Kriterium zur Bestimmung des Korrekturwertes herangezogen werden. Da erkanntermaßen dem Kraftanstieg und dem anschließenden Kraftabfall ein weiterer Extremwert in Form eines Minimums folgt und sich im Anschluss daran die Motordrehzahl quasi auf einen konstanten Wert einschwingt, kann auch die positionsbestimmende Lage dieses Minimum zur Bestimmung des Korrekturwertes herangezogen werden.
• Analog kann bei einer Verstellbewegung des Stellelementes in Gleichrichtung als Kriterium im Moment des Kraftanstiegs, in dem systembedingt beim Lösen der Drehfeder und gegebenenfalls anschließend bis zur Kopplung mit dem Abtriebselement der Motorstrom ansteigt, geeigneterweise wiederum ein positionsbestimmender Extremwert des Motorstroms (Motorstromsignals), beispielsweise der Maximalwert des Stromanstiegs, zur Bestimmung des Korrekturwertes aus dem (mechanischen) Kraftanstieg des Antriebs- und Verstellsystems herangezogen werden. Auch kann die abfallende Flanke des Motorstromverlaufs als Kriterium zur Bestimmung des Korrekturwertes herangezogen werden.
• Bei einer Verstellbewegung des Stellelementes in Gegenrichtung erfolgt die Bestimmung des zweiten Korrekturwertes geeigneterweise aus dem vom Antriebselement durchlaufenen Bereich des zweifachen Winkelspiels – je nach Drehrichtung – zwischen dem einen oder anderen Antriebsanschlag und dem jeweils gegenüberliegenden Abtriebsanschlag. Beträgt beispielsweise das Winkelspiel unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes zwölf Viertelumdrehungen am Motoranker (Motorwelle), so ist erkanntermaßen davon auszugehen, dass sich der erwartete Positionswert an der Stelle der gemessenen Drehzahlüberhöhung bzw. des erfassten Motorstromanstiegs in Gegenrichtung um zwölf Viertelumdrehungen von dem gespeicherten Positionswert unterscheidet. Die Anzahl der Viertelumdrehung ist dabei als in beiden Richtungen parametrierbarer (+/–)-Offset anzusehen.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Fensterheberantriebssystems eines Kraftfahrzeugs,
• 2 in einer teilweisen Schnittdarstellung das Antriebssystem mit einem Elektromotor und mit einem Schneckengetriebe sowie mit einer Steuerelektronik und einer Drehfederkupplung bzw. -bremse im Getriebegehäuse,
• 3 die wesentlichen Funktionselemente der Drehfederbremse/-kupplung mit einem über die Dreh- oder Schlingfeder mit einem Antriebselement gekoppelten Abtriebselement in einem symmetrischen Ausgangszustand,
• 4 in einer Darstellung gemäß 3 die Funktionselemente (Antriebselement, Abtriebselement und Drehfeder) bei einer kraftschlüssigen Kopplung infolge eines abtriebsseitigen Drehmomentes,
• 5 in einer Darstellung gemäß 5 die Ausrichtung der Funktionselemente zueinander nach Wegfall des abtriebsseitigen Drehmomentes,
• 6 in einer Darstellung gemäß 1 die kraftschlüssige Kopplung zwischen den Funktionselementen bei einem antriebsseitigen Drehmoment zur Veranschaulichung einer erneuten Verstellbewegung in Gegenrichtung,
• 7 in einem Strom-Drehzahl-Zeit-Diagramm den Verlauf der Motordrehzahl und des Motorstroms in dem Antriebssystems bei einer Verstellbewegung in Gegenrichtung mit einer Drehzahlüberhöhung und einem Stromanstieg bis zur bzw. im Moment der Kraftschlusskopplung der Funktionselemente zur Ermittlung eines Korrekturwertes,
• 8 in einem Diagramm gemäß 7 den Verlauf der Motordrehzahl und des Motorstroms im Antriebssystems bei einer Verstellbewegung in Gleichrichtung, und
• 9 in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform der als Schlingfeder ausgebildeten Drehfeder in 1.
• Entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist schematisch ein Fensterheber eines Kraftfahrzeugs dargestellt, dessen Antriebssystem 1 einen auf einer Grundplatte 2 montierten Elektromotor (Antriebsmotor) 3 umfasst, der über ein Getriebe (2) eine Seiltrommel 4 antreibt, um die mehrere Windungen eines zu einer Schlaufe geschlossenen Seils (Seilzug) 5 gewickelt sind. Das Seil 5 wird über Seilumlenkrollen 6 entlang einer Führungsschiene 7 geführt, auf der mittels des Seils 5 ein Mitnehmer 8 mit einer Hebeschiene 9 zur Aufnahme einer Fahrzeugscheibe 10 infolge einer entsprechenden Ansteuerung des Antriebssystems 1 bewegt wird. Mittels des Seils 5 wird demnach die Verstellkraft, d. h. ein antriebsseitiges Drehmoment des Elektromotors 3 auf die Fahrzeugscheibe 10 übertragen, die je nach Drehrichtung des Elektromotors 3 entlang eines Verstellweges 11 zwischen einer Schließposition P_S und einer Offenposition P_O angehoben oder abgesenkt werden kann.
• In 2 ist das Antriebssystem 1 vergleichsweise detailliert dargestellt. Dieses umfasst den Elektromotor 3 mit einem in einem Motor- oder Polgehäuse 12 und einem damit verbundenen Getriebegehäuse 13 drehbeweglich gelagerten, bewickelten Motoranker (Rotor) 14 sowie einen aus Dauermagneten gebildeten Stator 15. Der Elektromotor 3 treibt über dessen Motorwelle (Antriebswelle) 16 ein Schneckengetriebe mit einer wellenfesten Schnecke 17 und mit einem im Getriebegehäuse 13 drehbeweglich gelagerten Schneckenrad 18 an.
• Mit dem Schneckenrad 18 verbunden oder auf dieses aufgesetzt ist ein zylinderförmiges oder topfartiges Kopplungs- bzw. Bremsgehäuse 19, in dem um eine zentrale Drehachse 20 ein Antriebselement 21 und ein Abtriebselement 22 über eine Dreh- oder Schlingfeder 23 koaxial hintereinander gelagert sind. Eine Ausführungsform der Schlingfeder 23 mit einer Anzahl von Federwindungen 24 und nach innen radial abgewinkelten Federenden 24a und 24b ist in 8 perspektivisch dargestellt. Erkennbar ist, dass die beiden Federenden 24a und 24b in Axialrichtung entlang der Drehachse 20 um die Dicke und Anzahl der Federwicklungen 24 zueinander beabstandet sind.
• Das Antriebssystem 1 umfasst des Weiteren eine Elektronik oder ein Elektronikmodul 25 mit einer bauteilbestückten Leiterplatte (Elektronikplatine) 26 mit darauf am der Motorwelle 16 zugewandten Plattenende montiertem Hall-Sensor 27 in einem Elektronikgehäuse 28. Dieser steht einem drehfest auf der Motorwelle 16 angeordneten Ringmagnet 29 möglichst gering axial beabstandet gegenüber. Der Hall-Sensor 27 erfasst ein sich bei rotierendem Ringmagneten 29 änderndes Magnetfeld. Dies führt in Abhängigkeit von der Anzahl der Magnetpole des Ringmagneten 29 zu einer Anzahl von zählbaren Hall-Impulsen, die zur Bestimmung der Motordrehzahl n und der Drehrichtung des Elektromotors 3 von der Elektronik 25 ausgewertet werden. Zur Drehrichtungsbestimmung weist der Hall-Sensor 27 in geeigneter, nicht näher dargestellter Art und Weise zwei zueinander beabstandete Sensorflächen auf, so dass aus der Abfolge der von den Sensorflächen zeitlich versetzt erzeugten Zählimpulsfolgen die jeweilige Drehrichtung identifiziert wird.
• Über einen Anschluss- oder Elektronikstecker 30 und gehäuseinterne Motorkontakte 31, die mit Bürstenträgern 32 verbunden sind, über die der Motorstrom I_M auf einen Kommutator 33 des Motorankers 14 übertragen wird, erfolgt die Energie- bzw. Stromversorgung des Elektromotors 3 aus einer (nicht dargestellten) Fahrzeugbatterie. Über den Anschlussstecker 30 können zudem Steuersignale des Antriebssystems 1 ein- und/oder ausgekoppelt werden.
• Die 2 zeigt im Bereich zwischen dem Ringmagnet 29 und der Schnecke 17 des Schneckengetriebes eine als Kugellager 35 ausgebildete Lagerstelle. Das Kugellager 35 befindet sich im Getriebegehäuse 13. Das Kugellager 35 besteht aus einem wellenfesten Lagerinnenring 35a und einem gehäusefesten Lageraußenring 35b sowie aus einer Anzahl von Kugeln 35c zwischen den Lagerringen 35a, 35b. Anstelle von Kugeln 35c können auch Rollen vorgesehen sein. Das Kugellager 35 kann somit auch als Rollen- oder Nadelkugellager ausgeführt sein.
• Der Lagerinnenring 35a ist auf die Lagerwelle 16 in einem vergrößerten Wellenbereich wellenfest aufgesetzt, beispielsweise aufgepresst oder -geschrumpft, dessen Außendurchmesser größer ist als der Wellendurchmesser d₁ der übrigen Wellenbereiche der Ankerwelle 16. Der Lageraußenring 35b liegt zu dessen radialer Lagerung in einem in das Getriebegehäuse 13 eingeformten Lagersitz ein. Dieser Lagersitz ist im Schnitt L-förmig, so dass das Kugellager 35 auf der dem Getriebe 17,18 zugewandten Seite unter Bildung einer Durchgangsöffnung für die Ankerwelle 16 in das Getriebegehäuse 13 praktisch eingebettet ist. Eine axiale Fixierung des Lageraußenrings 35b des Kugellagers 35 auf der anderen Lagerseite ist mittels einer kragenartigen Umbördelung aus Gehäusematerial des Getriebegehäuses 13 hergestellt. Diese Umbördelung hintergreift auf der dem Getriebe 17, 18 abgewandten Lagerseite des Kugellagers 35 den Lageraußenring 35b zumindest teilweise.
• Die Anker- bzw. Antriebswelle 16 ist in Wellenrichtung vor dem Motoranker 14 und hinter dem Getriebe 17, 18 in Lagerstellen 36 bzw. 37 gelagert. Diese Lagerstellen 36, 37 können ebenfalls als Festlager (Kugellager) oder auch als Gleitlager in Form von Kalotten- oder Zylinderlagern ausgeführt sein. Die motorseitige Lagerstelle 36 ist von einem vom Motorgehäuse 12 gebildeten Lagerschild nach außen verschlossen.
• Die 3 bis 6 zeigen in vereinfachter, schematischer Darstellung die Funktionselemente, d. h. das Antriebselement 21 und das Abtriebselement 22 sowie die Drehfeder 23 in einem symmetrischen, neutralen Ausgangszustand. Die Drehfeder 23 liegt dabei in nicht dargestellter Art und Weise an der zylindrischen Gehäuseinnenwand des Kupplungs- bzw. Bremsgehäuses 19 unter gewisser Vorspannung bereits reibschlüssig an. Die Federenden 24a, 24b der Drehfeder 23 liegen zwischen dem Antriebselement 21 und dem Abtriebselement 22 symmetrisch ein. Dabei ist zwischen dem jeweiligen Federende 24a, 24b und diesen zugewandten Anschlägen (Antriebsanschlägen) 21a bzw. 21b des Antriebselementes 21 ein definiertes Winkelspiel (Winkelabstand) α₁ gegeben. Analog ist zwischen den Federenden 24a, 24b und diesen zugewandten Anschlägen 22a bzw. 22b (Abtriebsanschlägen) des Abtriebselementes 22 ein definiertes Winkelspiel (Winkelabstand) α₂ vorhanden.
• 3 veranschaulicht zudem einen Lösewinkel γ₁, der den vom Antriebselement 21 in jeder der beiden Drehrichtungen R₁, R₂ zu überwindenden Weg (Winkel) bis zum vollständigen Ablösen der Drehfeder 23 bzw. deren Federwindungen 24 von der Gehäuseinnenwand des Gehäuses (Kupplungsgehäuse) 19 repräsentiert. Analog repräsentiert der in 3 veranschaulichte Bremswinkel γ₂ den vom Abtriebselement 22 infolge eines abtriebsseitigen Drehmomentes in beiden Drehrichtungen R₁, R₂ zu überwindenden Weg (mechanisches Spiel) bis zur vollständigen Blockierung der Drehfeder 23 durch einen entsprechenden Reibschluss mit dem Gehäuse (Bremsgehäuse) 19. Dadurch, dass das Antriebselement 21 und das Abtriebselement 22 auf gegenüberliegenden Seiten der nach innen abgewinkelten Federenden 24a, 24b der Drehfeder 23 angeordnet sind, wirkt diese bei einem antriebsseitigen Drehmoment, also von der Antriebsseite zur Abtriebsseite hin als Kupplung, indem infolge eines Zusammenziehens der Federwindungen 24 durch das Antriebselement 21 die der Außendurchmesser der Drehfeder 23 verringert wird. Bei einem abtriebsseitigen Drehmoment, also von der Abtriebsseite zur Antriebsseite hin, wirkt die Drehfeder als Bremse, indem deren Außendurchmesser vergrößert wird.
• 4 veranschaulicht den Zustand und die relative Lage der Funktionselemente 21 bis 23 infolge eines abtriebsseitigen Drehmomentes in der Drehrichtung R₁. Bis zur Blockierung der abtriebsseitigen Drehbewegung infolge eines vollständigen Reibschlusses der Drehfeder 23 mit dem Gehäuse (Bremsgehäuse) 19 durchläuft das Abtriebselement 22 und damit dessen Abtriebsanschlag 22a einen sich aus dem Winkelspiel α₂ und dem Bremswinkel γ₂ ergebendes Winkel β, mit β = α₂ + γ₂. Infolge des dadurch bedingten Kraftschlusses zwischen den Funktionselementen 21 bis 23 ist das Gesamtsystem ausgehend von der Fahrzeugscheibe 10 über den Mitnehmer 8 und das Seil 5 sowie über das Abtriebselement 22 bis hin zum Antriebselement 21 mechanisch verspannt.
• Ist das abtriebsseitige Drehmoment aufgehoben und somit nicht mehr wirksam, so entspannt sich das System, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Dabei erfolgt eine Rückbewegung nur des Abtriebselementes 22 und der Drehfeder 23, nicht jedoch auch des Antriebselementes 21, jedenfalls nicht in gleichem Maße. Bei noch wirksamem abtriebsseitigen Drehmoment hat sich im Zuge der Verspannung des Gesamtsystems jedoch auch das Antriebselement 21 zumindest geringfügig in Drehrichtung R₁ verstellt, wobei diese Verstellbewegung bei nicht mehr wirksamem abtriebsseitigem Drehmoment nicht zu einer vollständigen Rückbewegung des Antriebselementes 21 führt. Diese Positionsverschiebung oder -verstellung des Antriebselementes 21 ist jedoch bereits aufgrund der Ankopplung über das Schneckengetriebe 17, 18 auf die Motorwelle 16 und somit auch auf den Ringmagnet 29 übertragen worden, der demzufolge seine Winkelposition entsprechend geändert hat.
• Ist nun die Elektronik und somit auch der Hall-Sensor 27 in dieser Situation im so genannten Sleep-Modus, bei dem zuvor der aktuelle Positionswert des Ringmagneten 29 und damit die aktuelle Verstellposition der Fahrzeugscheibe 10 in der Elektronik 25 hinterlegt (abgespeichert) worden ist, so stimmt bei erneuter Spannungsversorgung des Hall-Sensors 27 (wake up) der gespeicherte Positionswert nicht mehr mit der tatsächlichen Position des Antriebselementes 21 – wie diese aktuelle Position die in 4 veranschaulichte Position des Antriebselementes 1 im Zustand des Sleep-Modus gewesen war – nicht mehr überein. Dies bedeutet, dass bei einer erneuten Verstellbewegung in gleicher Drehrichtung, beispielsweise der Drehrichtung R₂, das Antriebselement 21 zunächst bis zum erfolgten Kraftschluss mit dem Abtriebselement 22 die in 5 veranschaulichten Winkelspiele δ₁ und δ₂ durchläuft.
• Dieses, lediglich aufgrund eines unerwünschten abtriebsseitigen Drehmomentes bewirkte mechanische Spiel zwischen den Funktionselementen 21 bis 23 führt bei einer erneuten Verstellbewegung in die gleiche Drehrichtung R₂ (Gleichrichtung) zu einer Drehzahlüberhöhung und einem Motorstromanstieg des Elektromotors 3: Grund hierfür ist, das der zum Zeitpunkt des Sleep-Modus bestandene Kraftschluss zwischen den Funktionselementen 21 bis 23 bei einem erneuten Wake up der Elektronik 25 und des Hall-Sensors 27 nicht mehr besteht. Dadurch ist das dem Antriebsdrehmoment von den Funktionselementen 21 bis 23 im Vergleich zum Kraftschlusszustand entgegengebrachte Gegendrehmoment vergleichsweise gering, was zu der Drehzahlüberhöhung des Elektromotors 3 führt.
• Die Drehzahlüberhöhung sowie ein signifikanter Stromanstieg im Moment des Kraftschlusses sind in 7 für eine erneute Verstellbewegung in Gegenrichtung R₁ und in 8 für eine erneute Verstellbewegung in Gleichrichtung R₂ veranschaulicht. Dabei zeigt 7 in einem Strom-Drehzahl-Zeit-Diagramm den Drehzahlverlauf n_k(t) ohne Drehfederspeil im Vergleich zu einem Drehzahlverlauf n(t) mit Drehfederspiel. Die zugehörige Motorstromverläufe I_Mk(t) und I_M(t) bei einer solchen Verstellbewegung in Gegenrichtung R₁ ohne bzw. mit Drehfederspeil sind unterhalb der Drehzahlverläufe n_k(t) und n(t) dargestellt. In den Zeitpunkten t₁ (ohne Drehfederspiel) und t₂ (mit Drehfederspiel) zeigt sich im Anschluss an eine Drehzahlüberhöhung n_max ein deutliches Drehzahlminimum n_min bei Kraftschluss. In den Motorstromsignalen I_Mk(t) und I_M(t) zeigt sich zu diesen Zeitpunkten t₁ (ohne Drehfederspiel) und t₂ (mit Drehfederspiel) ein entsprechender Stromanstieg (Kraftanstieg). Ab dem Zeitpunkt t₁ bzw. t₂ verhält sich der Drehzahlverlauf gleich demjenigen ohne vorheriges abtriebsseitiges Drehmoment im Sleep-Modus bei weiterhin bestehendem Kraftschluss zwischen den Funktionsteilen 21 bis 23.
• Erkennbar ist bei einer erneuten Verstellbewegung im Falle eines zuvor im Sleep-Modus erzeugten abtriebsseitigen Drehmomentes ein zunächst relativ steiler Drehzahlanstieg (Drehzahlüberhöhung) bis zu einem Maximalwert n_max(t₂) und von dort entlang einer abfallenden Drehzahlflanke bis zu einer minimalen Motordrehzahl n_min(t₄). Von dort geht dieser Drehzahlverlauf n_k(t) bzw. n(t) in den eingeschwungenen Zustand in Übereinstimmung mit dem normalen Drehzahlverlauf ohne vorheriges abtriebsseitiges Drehmoment im Sleep-Modus über.
• Analog ist bei einer erneuten Verstellbewegung im Falle eines zuvor im Sieb-Modus erzeugten abtriebsseitigen Drehmomentes im Zeitpunkt t₁ ein kurzzeitig hoher Motorstrom I_M erkennbar, der auf ein Lösen der mechanischen Systemverspannungen, insbesondere auch durch das Lösen des Reibschlusses der Drehfeder hervorgerufen wird. Anschließend fällt der Motorstrom I_M ab, um bis zum Zeitpunkt t₃ vergleichsweise geringfügig bis zu einem Maximalwert I_max(t₃) bzw. I_max(t₄) anzusteigen. Von dort geht der Motorstromverlauf I_Mk(t) bzw. I_M(t) in den eingeschwungenen Zustand in Übereinstimmung mit dem normalen Motorstromverlauf über.
• In 7 sind zudem die Scheibenpositionen P ohne Drehfederspiel und P_k mit Drehfederspiel sowie die Verläufe der Positionszähler P ohne Drehfederspiel bzw. C_k mit Drehfederspiel veranschaulicht. Die Scheibenpositionen P, P_k stehen dabei synonym für die Stellelementpositionen.
• 8 zeigt in einem Diagramm gemäß 7 die Verhältnisse bei einer erneuten Verstellbewegung in Gleichrichtung. Hier ist anhand des Drehzahlverlaufs n(t) keine wesentliche Drehzahlüberhöhung erkennbar, sondern vielmehr ein asymptotischer Verlauf bis hin zur Nenndrehzahl. Analog ist auch bei dem Stromverlauf des Motorstroms I_M(t) wiederum ein eher asymptotischer Verlauf bis hin zum Nennstrom erkennbar. Dennoch ist auch hier zum Zeitpunkt t₁ im Falle des Drehfedersystems ein entsprechender Drehzahleinbruch bzw. Stromanstieg bei Kraftschluss erkennbar, der wiederum zur Positionskompensation der Stellelement- bzw. Scheibenposition durch Bestimmung eines entsprechenden Korrekturwertes herangezogen wird.
• Zur Ermittlung des Korrekturwertes zur Kompensation der im Sleep-Modus hervorgerufenen Positionsverschiebung werden die Zeitpunkte t₃, t₄ des Drehzahlminimums n_min der Drehzahlüberhöhung bzw. des Stromanstiegs I_max (Gegenrichtung, 7) bzw. t₁ (Gleichrichtung, 8) herangezogen. Alternativ kann zudem die Drehzahländerung Δn im Bereich oder entlang des Drehzahlanstiegs der Drehzahlüberhöhung als Maß für den Korrekturwert herangezogen werden. Ein entsprechender Korrekturwert kann somit aus dem Drehzahlmaximum n_max, dem Drehzahlminimum n_min und/oder der Drehzahländerung während des Drehzahlanstiegs ermittelt werden. Auch kann der Drehzahlabfall entlang der abfallenden Flanke der Drehzahlüberhöhung herangezogen werden. Analog kann der Stromanstieg oder -abfall bis zum bzw. ab dem Maximalwert I_max zur Bestimmung des jeweiligen Korrekturwertes herangezogen werden. Da in Gegendrehrichtung R₁ das Winkelspiel α₁ und α₂ bekannt ist oder auch beispielsweise zur Laufzeit ausgemessen werden kann, ist dieses definiert und durch die Beziehung 2 (α₁ + α₂).
• Beträgt das Winkelspiel α₁ + α₂ beispielsweise 3,7°, und ist das Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes 17, 18 mit 1:73 bestimmt, so führt das in Gegenrichtung zu durchlaufende Gesamtwinkelspiel 2·(α₁ + α₂) zu etwa zwölf Viertelumdrehungen des Motorankers 14. Dieser Wert ist dann der maximale Korrekturwert. Ein Zwischenwert, d. h. ein Winkelspiel kleiner 2·(α₁ + α₂) ist dann wiederum durch die in den 7 und 8 veranschaulichte Drehzahlüberhöhung bzw. den Stromanstieg des Motorstroms I_M bestimmt.
• Bezugszeichenliste

1

Antriebssystem

2

Grund-/Tragplatte

3

Elektromotor

4

Seiltrommel

5

Seil/-schlaufe

6

Seilumlenkrolle

7

Führungsschiene

8

Mitnehmer

9

Hebeschiene

10

Fahrzeugscheibe

11

Verstellweg

12

Motor-/Polgehäuse

13

Getriebegehäuse

14

Motoranker/Rotor

15

Dauermagnete/Stator

16

Motor-/Antriebswelle

17

Schnecke

18

Schneckenrad

19

Kupplungs-/Bremsgehäuse

20

Drehachse

21

Antriebselement

21a, b

Anschlag des Antriebselements

22

Abtriebselement

22a, b

Anschlag des Antriebselements

23

Dreh-/Schlingfeder

24

Federwindung

24a, b

Federende

25

Steuer-/Elektronik

26

Leiterplatte/Elektronikplatine

27

Hall-Sensor

28

Elektronikgehäuse

29

Ringmagnet

30

Elektronik-/Anschlussstecker

31

Motorkontakt

32

Bürstenträger

33

Kommutator

35

Kugellager

35a

Lagerinnenring

35b

Lageraußenring

35c

Kugel

36

motorseitige Lagerstelle

37

getriebeseitige Lagerstelle

n

Motordrehzahl

IM

Motorstrom

C

Zählerposition

P

Stellelement-/Scheibenposition

PS

Schließposition

PO

Offenposition

R1,2

Drehrichtung

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems (1) eines Stellelementes (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Fensterhebers, bei dem ein Elektromotor (3) über ein Getriebe (17, 18) ein Antriebselement (21) und ein mit diesem über eine Drehfeder (23) gekoppeltes Abtriebselement (22) um eine gemeinsame Drehachse (20) antreibt, – wobei die Drehfeder (23) in beiden Drehrichtungen (R₁, R₂) ein auf das Antriebselement (21) wirkendes Drehmoment an das Abtriebselement (22) überträgt und ein abtriebsseitiges Drehmoment blockiert, – wobei eine Steuerelektronik (25) einen anhand der Motordrehzahl (n) und/oder des Motorstroms (I_M) sowie der Drehrichtung (R₁, R₂) ermittelten aktuellen Positionswert des Stellelementes (10) speichert, wenn das in eine der Drehrichtung (R₁, R₂) angetriebene Antriebselement (21) im Anschluss an eine Verstellbewegung gestoppt wird, und – wobei bei erneuter Verstellbewegung des Stellelementes (10) in dieselbe Drehrichtung (Gleichrichtung) eine Überhöhung der Motordrehzahl (n) bzw. des Motorstroms (I_M) bis zur kraftschlüssigen Kopplung des Antriebselementes (21) über die Drehfeder (23) mit dem Abtriebselement (22) erfasst und daraus ein Korrekturwert zur Kompensation einer Positionsverschiebung des Antriebselements (21) gegenüber dem gespeicherten Positionswert ermittelt wird.
2. Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems (1) eines Stellelementes (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Fensterhebers, bei dem ein Elektromotor (3) über ein Getriebe (17, 18) ein Antriebselement (21) und ein mit diesem über eine Drehfeder (23) gekoppeltes Abtriebselement (22) um eine gemeinsame Drehachse (20) antreibt, – wobei die Drehfeder (23) in beiden Drehrichtungen (R₁, R₂) ein auf das Antriebselement (21) wirkendes Drehmoment an das Abtriebselement (22) überträgt und ein abtriebsseitiges Drehmoment blockiert, – wobei eine Steuerelektronik (25) einen anhand der Motordrehzahl (n) und/oder des Motorstroms (I_M) sowie der Drehrichtung (R₁, R₂) ermittelten aktuellen Positionswert des Stellelementes (10) speichert, wenn das in eine der Drehrichtung (R₁, R₂) angetriebene Antriebselement (21) im Anschluss an eine Verstellbewegung gestoppt wird, und – wobei bei erneuter Verstellbewegung des Stellelementes (10) in die entgegengesetzte Drehrichtung (Gegenrichtung) eine Überhöhung der Motordrehzahl (n) bzw. des Motorstroms (I_M) bis zur kraftschlüssigen Kopplung des Antriebselementes (21) mit dem Abtriebselement (22) erfasst und anhand des aktuellen Winkelabstands (α₁, α₂) zwischen dem Antriebselement (21) und dem Abtriebselement (22) ein Korrekturwert zur Synchronisation des aktuellen Positionswertes mit der tatsächlichen Position des Stellelementes (10) bestimmt wird.
3. Antriebssystems (1) für ein Stellelement (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Fensterhebersteuerung, mit einem Elektromotor (3), der über ein Getriebe (17, 18) ein um eine Drehachse (20) drehbewegliches Antriebselement (21) antreibt, mit einem um die Drehachse (20) drehbeweglichen Abtriebselement (22), mit einer das Antriebselement (21) und das Abtriebselement (22) koppelnden Drehfeder (23), die in beiden Drehrichtungen (R₁, R₂) ein auf das Antriebselement (21) wirkendes Drehmoment an das Abtriebselement (22) überträgt und ein abtriebsseitiges Drehmoment blockiert, und mit einer Steuerelektronik (25), die dazu eingerichtet ist, – jeden Positionswertes des Stellelementes (10) anhand der Motordrehzahl (n) und/oder des Motorstroms (I_M) und der Drehrichtung (R₁, R₂) zu ermitteln sowie den aktuellen Positionswert zu speichern, wenn das Antriebselement (21) im Anschluss an eine Verstellbewegung stoppt, und – bei einer folgenden Verstellbewegung des Stellelementes (10) aus einer Überhöhung der Motordrehzahl (n) bzw. des Motorstroms (I_M) bis zur kraftschlüssigen Kopplung des Antriebselementes (21) über die Drehfeder (23) mit dem Abtriebselement (22) einen Korrekturwert zur Kompensation einer Positionsverschiebung des Antriebselements (21) gegenüber dem gespeicherten Positionswert zu ermitteln.
4. Antriebssystem (1) nach Anspruch 3, mit einem der Steuerelektronik (25) zugeordneten Hall-Sensor (27), der zur Drehzahl- bzw. Drehrichtungserfassung mit einem mit der Motorwelle (16) drehfest verbundenen Ringmagneten (29) zusammenwirkt.
5. Antriebssystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, mit einem nicht selbsthemmenden Schneckengetriebe (17, 18) mit einer mit der Motorwelle (16) drehfesten Schnecke (17) und mit einem mit diesem kämmenden Schneckenrad (18), welches ein das Antriebselement (21) und das Abtriebselement (22) sowie die Drehfeder (23) aufnehmendes Gehäuse (19) trägt, an dessen Gehäuseinnenwand die Drehfeder (23) reibschlüssig und mittels des Antriebselementes (21) lösbar anliegt.
6. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Drehfeder (23) abgewinkelte Federenden (24a, 24b) aufweist, die mit definiertem Winkelspiel (α₁, α₂) zwischen Anschlägen (21a, 21b) des Antriebselementes (21) und Anschlägen (22a, 22b) des Abtriebselementes (22) einliegen.
7. Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, wobei innerhalb des Winkelspiels (α₁, α₂) zwischen dem jeweiligen Federende (24a, 24b) und dem diesem zugewandten Anschlag (21a, 21b) des Antriebselementes (21) ein Lösewinkel (γ₁) definiert ist, den das Antriebselement (21) infolge eines antriebsseitigen Drehmomentes bis zum Lösen der Drehfeder (23) durchläuft.
8. Antriebssystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei innerhalb des Winkelspiels (α₁, α₂) zwischen dem jeweiligen Federende (24a, 24b) und dem diesem zugewandten Anschlag (22a, 22b) des Abtriebselementes (22) ein Bremswinkel (γ₂) definiert ist, den das Abtriebselement (22) infolge eines abtriebsseitigen Drehmomentes bis zur Blockierung der Drehfeder (23) durchläuft.
9. Antriebssystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei bei einer Verstellbewegung des Stellelementes (10) in Gleichrichtung der Korrekturwert aus der die Kraftänderung repräsentierenden Drehzahl- bzw. Motorstromänderung und/oder aus einem Extremwert (n_max, n_min; l_max) ermittelt wird.
10. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Verstellbewegung des Stellelementes (10) in Gegenrichtung der Korrekturwert anhand der die Kraftänderung repräsentierenden Drehzahl- bzw. Motorstromänderung und/oder deren Extremwerte (n_max, m_min; l_max) aus dem vom Antriebselement (21) durchlaufenen Winkelspiel (α₁, α₂) zwischen den Anschlägen (21a, 21b, 22a, 22b) des Antriebselementes (21) und des Abtriebselementes (22) bestimmt wird.

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