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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein korrespondierendes Steuergerät zum Reduzieren einer Auswirkung einer Fehlfunktion einer Lenkunterstützung sowie ein Lenksystem mit einem solchen Steuergerät. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine ausfallsichere Vermeidung eines plötzlich auftretenden Lenkmomentes, welches der Fahrer eines Fahrzeugs nach eintretender Fehlfunktion der Lenkunterstützung zu übernehmen hat.
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Im Stand der Technik sind Lenkunterstützungssysteme bekannt, welche unter Vermittlung von Öldruck und/oder elektromechanischer Kraft einen Fahrer beim Durchführen eines Lenkmanövers unterstützen. Beim plötzlichen Abschalten eines elektrischen Lenksystems aufgrund eines internen Fehlers muss der Fahrer die durch die Lenkunterstützung bislang bereitgestellte Kraft plötzlich selbst übernehmen. Dies führt zu einem Schlag im Lenkrad, da der Fahrer etwa 0,5 Sekunden braucht, um die erforderliche Kraft selbst aufzubringen. Dies gilt speziell bei konstanter Kurvenfahrt. Bei ordnungsgemäß funktionierender Lenkunterstützung sind vom Fahrer bei herkömmlichen Lenksystemen in etwa 3 Nm aufzuwenden. Je nach aktuellem Fahrmanöver erhöht sich dieser Wert ohne Lenkunterstützung auf 25 bis 30 Nm.
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EP 2 116 444 A1 offenbart ein nach dem „steer-by-wire“-Verfahren funktionierendes Lenkunterstützungssystem, bei welchem Komforteinbußen beim Wechsel zwischen zwei Betriebsarten (steer-by-wire und Lenkkraftunterstützung) vermieden werden.
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DE 601 21 898 T2 beschreibt ein Kraftfahrzeuglenksystem, bei welchem Teilausfälle (primärer oder sekundärer Lenkaktuator) durch die Ansteuerung eines Gegenkraftaktuators in ihrer Auswirkung für den Fahrer vermindert werden, indem eine zusätzliche Lenkhilfskraft erzeugt wird. In einer Ausgestaltung wird eine Kupplung eingesetzt, um eine variable Übersetzungsfunktion zu überbrücken.
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Die gattungsbildende
EP 1 510 436 A2 offenbart ein Lenksystem, umfassend ein steer-by-wire-System und ein mechanisches Lenksystem. Im Falle einer Fehlfunktion beim Übergang zwischen dem Steer-by-wire-Lenksystem zu einer Lenkunterstützung durch das mechanische Lenksystem werden ein Lenkfehlererkennungsbereich und ein Lenksteuerungsbegrenzungsmodul vorgesehen. Mit Hilfe dieser Module wird zum Zeitpunkt einer Erkennung einer Fehlfunktion bis zum Einrasten einer Kupplung nur ein begrenztes Lenkunterstützungsmoment zugelassen.
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DE 10 2007 003 783 A1 offenbart ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betrieb einer elektrischen Servolenkung, wobei bei einer Erkennung einer fehlerhaften oder ausbleibenden Lenkmomentinformation die Sollvorgabe einer Unterstützungskennlinie in Abhängigkeit einer Lenkwinkelinformation die Sollvorgabe einer Unterstützungskennlinie in Abhängigkeit einer Lenkwinkelinformation monoton reduziert wird.
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DE 37 41 581 A1 offenbart eine elektrische Lenkhilfevorrichtung mit Motorbremsfunktion, welche einen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen des Lenkhilfemotors herstellt, wenn ein Lenkvorgang angehalten wird und das Ansteuersignal des Lenkhilfemotors verschwindet.
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DE 10 2004 022 450 A1 offenbart eine elektrische Servolenkung, bei welcher für den Fall eines Ausfalls oder einer Fehlfunktion eines Momentensensors fortlaufend ein Offsetwert aus einem Lenkwinkel-Sollwert und einem Lenkwinkel-Istwert gebildet wird und ein virtuelles Moment an einem Lenkrad anhand des Offsetwertes ermittelt wird, mit welchem der elektrische Motor der Servolenkung angesteuert wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fehlfunktion eines Lenkunterstützungssystems einfach, sicher und kostengünstig abzufangen und eine geordnete Übergabe eines aufzubringenden Lenkmomentes vom Lenkunterstützungssystem an den Fahrzeuglenker zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 sowie ein Lenksystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Entsprechend wird ein Verfahren zum Reduzieren einer Auswirkung einer Fehlfunktion einer Lenkunterstützung in einem Lenksystem vorgeschlagen. Das Lenksystem ist durch die Lenkunterstützung im Normfall im Stande, ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment zur ordnungsgemäßen Führung des Fahrzeugs zu verstärken. Die Fehlfunktion sei im Rahmen der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass das Unterstützungsmoment zumindest anteilig entfällt. Erfindungsgemäß wird die Fehlfunktion in einem ersten Schritt des Verfahrens erkannt und im Ansprechen darauf automatisch einer Veränderung eines Lenkeinschlages des Lenksystems mit abnehmender Kraft entgegengewirkt. Mit anderen Worten wird eine mit der Zeit abnehmende Kraftwirkung auf das Lenksystem ermöglicht, um einer Veränderung aufgrund des entfallenen Lenkunterstützungsmomentes entgegenzuwirken. Aufgrund der abnehmenden Kraft wird eine allmähliche Übergabe eines aufzubringenden Lenkmomentes an den Fahrzeuglenker bewirkt. Dieser wird erfindungsgemäß nicht überrascht und kann auf die abnehmende Lenkunterstützung rechtzeitig und adäquat reagieren. Ein sogenanntes „Verreißen“ des Lenkrades findet so nicht statt, was die Fahrsicherheit im Falle einer Fehlfunktion einer Lenkunterstützung erhöht.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt wird die Kraft über eine niederohmige Verbindung der Anschlüsse zumindest einer Phase eines elektrischen Motors zur Lenkunterstützung erzeugt. Dies setzt voraus, dass das Lenksystem einen zur Lenkunterstützung verwendeten elektrischen Motor umfasst, so dass durch einen einfachen Schaltvorgang ein elektrisches Moment des Motors zur automatischen Entgegenwirkung einer Veränderung des Lenkeinschlages erzeugt werden kann. Durch die niederohmige Verbindung der elektrischen Anschlüsse wird ein Stromfluss durch die Spulen des elektrischen Motors ermöglicht, aufgrund dessen der Motor ein Bremsmoment entwickelt, welches erfindungsgemäß zur Bereitstellung der abnehmenden Kraft verwendet wird. Auf diese Weise ist wenig zusätzliche Hardware erforderlich, um die vorliegende Erfindung in einem Fahrzeug mit einem Lenkunterstützungssystem zu implementieren.
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Bevorzugt kann die Kraft über einen vordefinierten Zeitraum abnehmen. Dieser kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 Sekunden bis 2 Sekunden, bevorzugt im Bereich zwischen 0,4 Sekunden und 0,6 Sekunden, liegen. Diese Zeitbereiche haben sich in Versuchen als adäquat herausgestellt, um einerseits eine allmähliche Übergabe und rechtzeitige Reaktion des Fahrzeuglenkers zu ermöglichen, andererseits den Lenkvorgang bzw. gegebenenfalls anschließend erforderliche Lenkvorgänge nicht unnötig zu behindern. Dabei kann eine vordefinierte Charakteristik der Abnahme der Kraft verwendet werden. Diese kann an übliche Reaktionen eines Fahrzeuglenkers auf ein Ausbleiben einer Lenkunterstützungskraft angepasst sein. Beispiele für Charakteristiken sind eine lineare Abnahme der Kraft über der Zeit sowie eine Kurve, die sich aus einem ersten, progressiven und einem zweiten, daran anschließenden degressiven Verlauf zusammensetzt. Die vorgenannten Ausgestaltungen ermöglichen eine ausfallsichere und dennoch wirksame Möglichkeit zum Reduzieren einer Auswirkung einer Fehlfunktion einer Lenkunterstützung.
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Bevorzugt entspricht die Kraft zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens einem auf die Lenksäule des Lenksystems wirkenden Drehmoment in Höhe von 20 Nm bis 40 Nm, insbesondere im Bereich zwischen 25 Nm und 35 Nm. Auf diese Weise kann die durch das ausgefallene Lenksystem frei gewordene Kraft (bzw. ein entsprechendes Drehmoment) zunächst automatisch übernommen werden und allmählich an den Fahrzeuglenker übergeben werden. Zudem ist eine Betätigung des Lenkrades durch den Fahrzeuglenker in diesem Bereich zwar erheblich erschwert, jedoch nicht gänzlich unmöglich. Alternativ oder zusätzlich entspricht die Kraft gegen Ende des automatischen Entgegenwirkens einem auf die Lenksäule des Lenksystems wirkenden Drehmoment in Höhe von 0 Nm. Mit anderen Worten ist das aufzubringende Lenkmoment gegen Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens vollständig an den Fahrzeuglenker übergeben worden.
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Eine erste mögliche Charakteristik zur Übergabe ist ein linearer Abfall der Kraft über der Zeit. Eine solche Charakteristik ist einfach und kostengünstig realisierbar. Alternativ kann in einem ersten Zeitabschnitt eine progressive Abnahme und in einem zweiten, darauffolgenden Zeitabschnitt eine degressive Abnahme der Kraft erfolgen, um eine Übernahme bzw. Übergabe durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne Irritationen für den Fahrzeuglenker durchzuführen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuergerät für eine Lenkunterstützung eines Lenksystems vorgeschlagen. Das Steuergerät umfasst eine Analyseeinheit und eine Steuereinheit, wobei die Analyseeinheit eingerichtet ist, eine Fehlfunktion der Lenkunterstützung zu erkennen. Dabei kann die Analyseeinheit beispielsweise ein zyklisch generiertes oder kontinuierlich anliegendes Signal auswerten und beim Ausbleiben des Signals auf eine Fehlfunktion der Lenkunterstützung schließen. Im Stand der Technik hat sich als zyklisches Signal ein sogenanntes „Heartbeat“-Signal durchgesetzt. Bei diesem wird mit einer Frequenz von 1 kHz ein „Lebenszeichen“ des Lenkunterstützungssystems generiert, welches erfindungsgemäß zum Überprüfen einer ordnungsgemäßen Funktion ausgewertet werden kann. Die Steuereinheit ist eingerichtet, im Ansprechen auf ein Erkennen der Fehlfunktion einer Veränderung eines Lenkeinschlages des Lenksystems mit abnehmender Kraft entgegenzuwirken. Dies kann beispielsweise durch ein Betätigen einer Bremse (z.B. eine mechanische Bremse mit Bremsbacken) erfolgen, deren Bremskraft über der Zeit verringert wird. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und mit diesen verbundenen Vorteile ergeben sich entsprechend dem erstgenannten Erfindungsaspekt, weshalb auf die obigen Ausführungen zur analogen Anwendung auf das erfindungsgemäße Steuergerät ausdrücklich verwiesen wird.
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Bevorzugt kann das Steuergerät weiter eine Schalteinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf ein Signal der Steuereinheit die Anschlüsse zumindest einer Phase eines Elektromotors des Lenksystems elektrisch niederohmig miteinander zu verbinden. Beispielsweise kann der Elektromotor dreiphasig ausgestaltet sein, wobei erfindungsgemäß mindestens eine Phase elektrisch niederohmig beschaltet wird, bevorzugt drei Phasen elektrisch niederohmig beschaltet werden. Die Schalteinrichtung kann dabei beispielsweise Transistoren einer sogenannten „B6-Brücke“, welche üblicherweise 6 MOSFETs umfasst, zum Herstellen der niederohmigen Verbindung ansteuern. Mit anderen Worten können Transistoren als Schalteinrichtung beim Ausbleiben eines „Heartbeat“-Signals geschlossen werden, um einen Stromfluss durch die Phasen (z.B. mit über der Zeit zunehmendem Widerstand) zu ermöglichen mittels des Elektromotors die Lenksäule zu bremsen. Auf diese Weise ist eine kostengünstige und robuste Realisierung eines erfindungsgemäßen Steuergerätes möglich.
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Bevorzugt können die Transistoren der Schalteinrichtung einer sogenannten „Highside“ einer B6-Brücke des Lenksystems angehören. Als „Highside“ werden die an dasjenige elektrische Potential angeschlossenen Transistoren bezeichnet, welche bei herkömmlichen Fahrzeugen als Klemme 30 bekannt sind.
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Die Analyseeinheit ist bevorzugt eingerichtet, zur Erkennung der Fehlfunktion der Lenkunterstützung ein „Heartbeat“-Signal auszuwerten. Hierzu kann die Analyseeinheit beispielsweise das „Heartbeat“-Signal über ein RC-Glied zum Aufladen eines Kondensators verwenden, dessen Spannungspegel beim Ausbleiben des „heartbeat“-Signals rasch unter einem vordefinierten Schwellwert abfällt. Beim Unterschreiten des Schwellwertes kann die Analyseeinheit die Steuereinheit instruieren, die Schalteinheit zum automatischen Entgegenwirken der Veränderung des Lenkeinschlages zu verwenden. Dieser Aufbau ist eine robuste und kostengünstige sowie platzsparende Realisierung zur Implementierung der Erfindung in ein Steuergerät.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem vorgeschlagen. Dieses umfasst eine Lenksäule und eine elektrische Lenkunterstützung mit einem Steuergerät und einem Elektromotor. Der Elektromotor ist entsprechend den obigen Ausführungen eingerichtet, ein Lenkunterstützungsmoment auf die Lenksäule aufzubringen. Das Steuergerät ist gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgestaltet und insbesondere eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt auszuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile ergeben sich derart ersichtlich aus den obigen Ausführungen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf den erstgenannten und zweitgenannten Erfindungsaspekt verwiesen werden darf.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Lenksystems;
- 2 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß modifizierten B6-Brücke zur Ansteuerung eines Elektromotors zur Lenkunterstützung;
- 3 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 4 ein Diagramm eines erfindungsgemäß aufzubringenden Bremsmomentes über der Zeit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein schematisch dargestelltes Lenksystem 1, bei welchem zwei Fahrzeugräder 10, 11 über eine Zahnstange 9 miteinander verbunden sind. Eine Lenksäule 4 verbindet die Zahnstange 9 mit einem Lenkrad 8. Zur Unterstützung des Fahrzeuglenkers ist weiter eine Lenkunterstützung, umfassend einen Elektromotor 3 und ein Steuergerät 5, vorgesehen. Das Steuergerät 5 umfasst eine Analyseeinheit 6 und eine Steuereinheit 7. Im Normalfall steuert das Steuergerät 5 den Elektromotor 3 zur Unterstützung des Lenkmoments derart an, dass für den Fahrzeuglenker ein aufzubringendes Lenkmoment im einstelligen Nm-Bereich verbleibt. Ein typischer Wert für ein solches Lenkmoment sind 3 Nm. Im Falle einer Fehlfunktion des Steuergerätes 5, bei welchem auch ein (nicht dargestellter) Mikroprozessor zur Realisierung einer komfortablen Lenkunterstützung versagt, meldet die Analyseeinheit 6 der Steuereinheit 7 die Fehlfunktion, welche die elektrischen Anschlüsse des Elektromotors 3 über eine Schalteinrichtung 2 (siehe 2) miteinander kurzschließt, so dass der Elektromotor 3 ein Bremsmoment auf die Zahnstange 9 ausübt. Beispielsweise über eine getaktete Ansteuerung der Schalteinrichtung 2 kann die Steuereinheit 7 das Bremsmoment entsprechend einer vordefinierten Charakteristik über der Zeit verringern, um dem Fahrzeuglenker allmählich das zur Kurvenfahrt aufzubringende Lenkmoment zu übergeben.
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2 zeigt eine erfindungsgemäß modifizierte B6-Brücke als Schalteinrichtung 2, umfassend sechs Transistoren T1 bis T6, deren inhärente Dioden mit D1 bis D6 ebenfalls eingezeichnet sind. Die Transistoren T1 bis T6 sind als MOSFETs ausgestaltet. Zwischen dem ersten Transistor T1 und dem vierten Transistor T4 ist ein erster elektrischer Anschluss 12 des Elektromotors 3 angeschlossen. Zwischen dem zweiten Transistor T2 und dem fünften Transistor T5 ist ein zweiter elektrischer Anschluss 13 des Elektromotors 3 angeschlossen. Zwischen dem dritten Transistor T3 und dem sechsten Transistor T6 ist ein dritter elektrischer Anschluss 14 des Elektromotors 3 angeschlossen. Der erste Transistor T1 wird von einer schematisch dargestellten Baugruppe, umfassend eine Analyseeinheit 6a und eine Steuereinheit 7a, angesteuert, die andererseits mit der Klemme 30 verbunden ist. Der zweite Transistor T2 wird von einer schematisch dargestellten Baugruppe, umfassend eine Analyseeinheit 6b und eine Steuereinheit 7b, angesteuert, die andererseits mit der Klemme 30 verbunden ist. Der dritte Transistor T3 wird von einer schematisch dargestellten Baugruppe, umfassend eine Analyseeinheit 6c und eine Steuereinheit 7c, angesteuert, die andererseits mit der Klemme 30 verbunden ist. Die Analyseeinheiten 6 sowie die Steuereinheiten 7 sind dabei eingerichtet, im Ansprechen auf eine Fehlfunktion den ersten Transistor T1 bzw. den zweiten Transistor T2 bzw. den dritten Transistor T3 leitend zu schalten, um den Elektromotor 3 zum automatischen Entgegenwirken einer Veränderung eines Lenkeinschlages des Lenksystems zu verwenden. Die vorgenannten Bauteile (bis auf den Elektromotor 3) können einem erfindungsgemäß ausgestalteten Steuergerät 5 zugeordnet werden. Das Steuergerät 5 ist mit der Fahrzeugmasse (Klemme 31) verbunden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird eine Fehlfunktion einer Lenkunterstützung in einem Lenksystem eines Fortbewegungsmittels erkannt. In Schritt 200 wird im Ansprechen darauf mit abnehmender Kraft einer Veränderung eines aktuellen Lenkeinschlages des Lenksystems automatisch entgegengewirkt. Dabei wird zunächst eine Veränderung des Lenkeinschlages durch Übernahme des gesamten frei gewordenen Lenkmomentes verhindert und aufgrund der mit vordefinierter Charakteristik abnehmenden Kraft dieses allmählich an den Fahrzeuglenker übergeben. In Schritt 300 erfolgt eine Ausgabe einer Signalisierung an den Fahrzeuglenker, wodurch dieser über die Fehlfunktion informiert und gegebenenfalls zum Anfahren einer Werkstatt oder Einstellen des Betriebes seines Fahrzeugs aufgefordert wird. In Schritt 400 erfolgt ein Fehlerspeichereintrag zur erkannten Fehlfunktion, um die Fehlersuche und -behebung zu erleichtern.
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4 zeigt Verläufe möglicher abnehmender Kräfte bzw. Momente über der Zeit. Ein erster Verlauf eines Momentes M(t)1 startet bei einem Anfangsmoment M(0) und nimmt binnen 0,5 Sekunden linear auf 0 Nm ab. Ein zweiter Momentverlauf M(t)2 startet ebenfalls bei einem Anfangsmoment M(0) und nimmt zunächst progressiv ab. Ab einem Wendepunkt, welcher in etwa bei 0,25 Sekunden liegt, verändert sich die Charakteristik zu einer degressiven Abnahme des Momentes über der Zeit, welche bei 0,5 s und 0 Nm endet. Auf diese Weise kann die Übernahme bzw. Übergabe des frei gewordenen Lenkmoments an den Fahrer mit geringstmöglicher Irritation des Fahrers erfolgen.
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Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, einen Ausfall einer Lenkunterstützung in seinen Auswirkungen auf die Fahrsicherheit durch Aufbringen einer abnehmenden Kraft auf das Lenksystem zu reduzieren. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, wie die abnehmende Kraft realisiert wird. Ein zusätzliches Bremssystem wird häufig aus Kostengründen als technische Realisierung ausscheiden. In einer Weiterbildung wird daher vorgeschlagen, zur Erzeugung eines elektromechanisch erzeugbaren Lenkmomentes Komponenten zu verwenden, welche ohnehin bereits in einem System zur Lenkunterstützung vorhanden sind. Die Erkennung einer Fehlfunktion des Lenksystems erfolgt dabei in im Stand der Technik bekannter Weise. Auf diese Weise wird eine einfache und robuste Möglichkeit zur Erhöhung der Fahrsicherheit geschaffen.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Schalteinrichtung
- 3
- Elektromotor
- 4
- Lenksäule
- 5
- Steuergerät
- 6
- Analyseeinheit
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Lenkrad
- 9
- Zahnstange
- 10
- Rad
- 11
- Rad
- 12
- Elektrischer Anschluss
- 13
- Elektrischer Anschluss
- 14
- Elektrischer Anschluss
- 100-400
- Schritt
- D1-D6
- inhärente Diode
- M(t)
- Momentverlauf
- T1-T6
- MOSFET
