DE19947265A1 - Fehlertolerante Kraftfahrzeuglenkung mit autonomem Lenkeingriff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer Bedienperson zu betätigenden Handhabungseinrichtung, beispielsweise einem Lenkrad 1, sowie mit einer Steuerung 15 und mit elektrischen Stellmotoren 10, 11 für einen Radwinkelstellantrieb, wobei die Stellmotoren 10, 11 dazu eingerichtet sind, in bekannter Weise Lenkfunktionen bereitzustellen und bei Bedarf in Abhängigkeit von der Steuerung 15 autonom und unabhängig von einer Bedienperson einen Lenkvorgang auszuführen, wobei eine von der Steuerung 15 ansteuerbare Kupplung 6 vorgesehen ist, die eine Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung 1 und dem Radwinkelstellantrieb bewirkt. Dadurch wird eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeuglenkung.

Gattungsgemäße Kraftfahrzeuglenkungen sind beispielsweise aus der DE 42 32 256 bekannt. Dort ist eine Kraftfahrzeug­ lenkung offenbart, die eine Handhabungseinrichtung in Gestalt eines Lenkrades zur Betätigung durch einen Fahrer aufweist. Die Handhabungseinrichtung dient dabei als Sollwinkelsteller für den gewünschten Lenkeinschlag. Der Radwinkel wird von einem mechanisch nicht mit der Handhabungseinrichtung gekoppelten elektrischen Stellantrieb vorgenommen und kann zur Kompensation von unerwünschten Gierbewegungen des Kraftfahrzeugs von einer Steuerung separat aktiviert werden. Hierdurch werden autonome Lenkbewegungen zur Verhinderung oder Kompensation von Übersteuern oder Untersteuern ermöglicht, ohne daß dies zu Ausschlägen am Lenkrad führt. Aus derselben Druckschrift ist auch ein Lenksystem mit permanenter Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe offenbart, bei dem ein autonomer Lenkeingriff nur bezüglich eines gelenkten Rades möglich ist.

Bei der erstgenannten, gattungsgemäßen Ausführungsform ist bei einem Ausfall eines Stellmotors lediglich ein zweiter Stellmotor als Notlaufsystem vorgesehen. Zu diesem zweiten Stellmotor gibt es keine weitere Rückfallebene. Bei einem Ausfall eines der beiden Stellmotoren ist die Lenkung folglich nicht mehr fehlertolerant, so daß dieser Ausfall aus Sicherheits­ gründen zu unmittelbarer Beendigung der Fahrt führen sollte. Außerdem ist bei einem vollständigen elektrischen Ausfall das Fahrzeug nicht mehr lenkbar.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeuglenkung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeuglenkung zu schaffen, wobei bei Ausfall oder fehlerhaftem Betrieb eines Stellmotors der verbleibende Stellmotor weiterhin fehlertolerant betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Weil eine von der Steuerung ansteuerbare Kupplung vorgesehen ist, die eine Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem Radwinkelstellantrieb bewirkt, kann ein mechanischer Durchgriff von der Handhabungseinrichtung zu dem Lenkgetriebe und damit zu den Radwinkelstellern erzeugt werden. Die Lenkung ist dann jederzeit sicher vom Fahrer beherrschbar. Beim Ausfall nur eines Stellantriebes kann der verbleibende Stellantrieb die Lenkfunktionen der elektrischen Stellantriebe weiterhin übernehmen, so daß eine nahezu vollständige Funktionsfähigkeit auch bei Ausfall eines einzelnen Stellantriebes gewährleistet ist und diese Funktionsfähigkeit sicher genutzt werden kann, da eine weitere mechanische Rückfallebene verfügbar ist.

Dabei ist von Vorteil, wenn die Stellmotoren zwei unabhängig voneinander betreibbaren Einheiten zugeordnet sind, wobei mit jeder Einheit für sich zumindest zeitweise die vollständigen Lenkfunktionen auszuführen sind. In einem Lenksystem, das für autonome Lenkeingriffe ohne Beteiligung des Fahrers eingerichtet ist, kann dann jede Einheit für sich den autonomen Lenkeingriff zu ende führen, bevor die mechanische Kopplung hergestellt wird. So ist bei schnellen Lenkeingriffen zur Aufrechterhaltung der Fahrstabilität vermeidbar, daß der Fahrer beim Ausfall einer Einheit plötzlich die Lenkeingriffe der autonomen Lenkfunktionen im Lenkrad spürt. Bei selbsttätigen Fahrmanövern langsamerer Art wie automatischem Spurwechsel, Einparken und dergleichen ist vermeidbar, daß der Fahrer mit der manuellen Fortführung eines Fahrmanövers überfordert wird.

Weiter ist von Vorteil, wenn die Kupplung mechanisch einrückbar ist. Hierdurch ergibt sich ein einfaches und deshalb sehr betriebssicheres System. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Kupplung einen Ruhezustand und einen von der Steuerung einstellbaren Arbeitszustand aufweist, wobei die Kupplung im Ruhezustand eingerückt ist. Dann ist auch bei einem vollständigem Ausfall der Steuerung gewährleistet, daß die Lenkbarkeit automatisch mechanisch hergestellt wird. Bei einem Verfahren zur Steuerung einer insoweit beschriebenen Kraftfahrzeuglenkung ist vorteilhaft, wenn als Verfahrensschritt vorgesehen ist, daß bei Ausfall einer Einheit die Kupplung sofort oder zeitverzögert eingerückt wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn das Einrücken der Kupplung nicht während eines autonom durchgeführten Lenkvorganges erfolgt. Weiter ist für eine komfortable Bedienung der Kraftfahrzeuglenkung vorteilhaft, wenn bei eingerückter Kupplung die jeweils aktive Einheit eine Lenkhilfskraft bereitstellt und so die Eigenschaften einer gewöhnlichen Hilfskraftlenkung aufrechterhalten bleiben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge in einer Prinzipdarstellung mit zwei elektrischen Antriebseinheiten und einem zuschaltbaren mechanischen Durchgriff vom Lenkrad auf den Radwinkelstellantrieb.

In der Fig. 1 ist eine Kraftfahrzeuglenkung schematisch als Blockschaltbild dargestellt. Die Kraftfahrzeuglenkung umfaßt ein Lenkrad 1, das drehfest mit einer Lenksäule 2 verbunden ist. Die Lenksäule 2 trägt wiederum einen ersten Elektromotor 3 sowie einen zweiten Elektromotor 4, die als Handmomentensteller wirken. Weiter trägt die Lenksäule 2 ein Verformungsglied 5, das in an sich bekannter Weise die Aufprallsicherheit der Lenkeinrichtung herstellt. Schließlich trägt die Lenksäule 2 eine ansteuerbare mechanische Kupplung 6, die im eingerückten Zustand die Lenksäule 2 mit einer Ritzelwelle 7 drehfest verbindet. Die Ritzelwelle 7 wiederum wirkt auf eine Zahnstange 8, die verschieblich in einem Lenkgehäuse 9 gelagert ist.

Das Lenkgehäuse 9 trägt weiter zwei Stellmotoreneinheiten 10 und 11, in denen Stellmotoren unmittelbar oder mittelbar über Getriebe mit der Zahnstange 8 in Eingriff stehen. Der Einheit 10 ist dabei die Ritzelwelle 7 als Abtriebswelle zugeordnet, während der Einheit 11 eine eigene Ritzelwelle zugeordnet ist. Bei einer Betätigung der Ritzelwelle 7 sowie der Einheiten 10 und 11 wird die Zahnstange 8 in ihrer Längsrichtung verlagert, so daß sie über Spurstangen 12 den Radwinkel von gelenkten Rädern 13 verändert.

Eine zentrale Steuereinheit 15, die auch mehrfach ausgeführt sein kann, ist für die Ansteuerung der Handmomentensteller 3, 4, der Kupplung 6 und der Einheiten 10 und 11 vorgesehen.

Im Betrieb arbeitet die Lenkung wie folgt:
Die Steuerung 15 trennt durch Ansteuerung die Kupplung 6, so daß die Lenksäule 2 von der Ritzelwelle 7 entkoppelt ist. Eine Bedienperson gibt am Lenkrad 1 den gewünschten Lenkwinkel vor, der über die Steuerung 15 an die Einheiten 10 und 11 übermittelt werden. Deren Elektromotoren betätigen simultan die Zahnstange 8 in der Weise, daß die Räder 13 den vom Fahrer gewünschten Radwinkel erhalten und das Fahrzeug den gewünschten Kurvenradius fährt. Gleichzeitig wird über die Handmomentensteller 3 und 4 dem Fahrer an dem Lenkrad 1 eine Rückstellkraft mitgeteilt, die die Rückstellkräfte der Lenkung sowie die Lenkreaktionskräfte simuliert und damit das Fahrgefühl einer herkömmlichen Lenkung erzeugt.

Ein autonomer Lenkeingriff kann durch sogenannte Fahrdynamikregelungen oder Stabilitätssysteme ausgelöst werden. Hierbei veranlaßt die Steuerung 15 die Einheiten 10 und 11 zu einem Lenkeingriff, der dem Fahrer nicht mitgeteilt wird und der zu einer Drehung der Ritzelwelle 7 unabhängig von der Lenksäule 2 führt. Dieser Lenkeingriff kann beispielsweise im Gegenlenken bei Ausbrechen eines übersteuernden Fahrzeugs, in der Kompensation von Seitenwind oder zur Beibehaltung der Fahrtrichtung bei Bremsvorgängen auf einseitig rutschiger Fahrbahn dienen. Die Lenkeingriffe können je nach Fahrsituation relativ schnell und mit großer Amplitude erfolgen, so daß ein Fahrer am Lenkrad 1 nicht notwendigerweise folgen könnte, wenn die Kupplung 6 geschlossen wäre. Eine derartige Lenkbewegung wird folglich dem Fahrer nicht an das Lenkrad 1 übermittelt.

Außerdem können autonome Lenkeingriffe bei komfortorientierten Anwendungen wie automatischem Einparken und automatischem Spurwechsel erfolgen, bei denen das Lenkrad 1 von den Handmomentenstellern 3 und 4 mitbewegt wird. Hier kann die simulierte Drehung des Lenkrades 1 mit einer direkteren Übersetzung erfolgen als es der tatsächlichen Übersetzung im Lenkgetriebe entspricht. Ein sofortiges Einrücken der Kupplung 6 führt dann zu einer plötzlichen scheinbaren Übersetzungs­ änderung und kann den Fahrer in Schwierigkeiten bei der manuellen Beendigung des Fahrmanövers bringen.

Bei einem Fehler in einer der beiden Einheiten 10 oder 11 ist durch die redundante Auslegung dieser Einheiten die jeweils verbleibende Einheit in der Lage, zumindest kurzzeitig und zum wesentlichen Teil die gesamte Funktion der Radwinkelstellantriebe zu übernehmen. Ein autonomer Eingriff kann von einer der beiden Einheiten durchgeführt und in der vorgesehenen Weise beendet werden. Aus Sicherheitsgründen ist bei weiterem Betrieb des Kraftfahrzeugs mit einer ausgefallenen Einheit 10 oder 11 erforderlich, daß die verbleibende funktionsfähige Einheit 11 oder 10 eine weitere Rückfallebene für den Notlauf erhält, so daß das Fahrzeug nicht plötzlich unlenkbar wird. Für diesen Fall ist vorgesehen, daß die Steuerung 15 die Kupplung 6 einrückt und dadurch ein mechanischer Durchgriff von dem Lenkrad 1 über die Lenksäule 2, die Kupplung 6 und die Ritzelwelle 7 auf die Zahnstange 8 hergestellt wird. Der verbleibende Stellantrieb wirkt dann zusammen mit der Betätigungskraft über die Lenksäule 2 als herkömmliche Hilfskraftlenkung. Sollte auch die zweite Einheit ausfallen, so ist eine herkömmliche mechanische Lenkung ohne Hilfskraft gewährleistet.

Das Einrücken der Kupplung 6 kann entweder unmittelbar bei einem erkannten Fehler in einer Einheit 10 oder 11 erfolgen oder zeitversetzt vorgenommen werden. Das unmittelbare Einrücken ist vorgesehen, wenn die Steuerung 15 zum Zeitpunkt der Fehlererkennung keinen autonomen Lenkvorgang durchführt, so daß das Einrücken der Kupplung nicht zu Lenkbewegungen am Lenkrad 1 führt, die für den Fahrer überraschend sind. Ein zeitversetztes Einrücken der Kupplung 6 ist erforderlich, wenn autonome Lenkvorgänge durchgeführt werden, die zur Wiederherstellung eines stabilen Fahrzustandes erforderlich sind. Die Zeitverzögerung bis zum Einrücken der Kupplung 6 ist dann so zu bemessen, daß die autonomen Lenkvorgänge zunächst beendet werden und erst dann der mechanische Durchgriff hergestellt wird. Anderenfalls würde der Fahrer am Lenkrad 1 plötzlich schnelle Lenkbewegungen mit möglicherweise großer Amplitude mitgeteilt bekommen, die für ihn vollkommen überraschend sind und ihn deshalb überfordern. Außerdem kann durch die vom Fahrer aufgebrachte Handkraft die Funktion der autonomen Lenkeingriffe behindert werden.

Eine letzte mechanische Rückfallebene ergibt sich, wenn die Steuerung 15 den Ausfall beider Einheiten 10 und 11 detektiert. Für diesen Fall ist die Kupplung nach dem vorhergehenden Verfahrensschritt bereits geschlossen und es fällt lediglich die Servounterstützung weg.

Gegen einen völligen Verlust der Bordspannung kann eine doppelt ausgelegte Versorgungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein separater Generator, der unabhängig vom Antriebsmotor Energie aus der Fahrzeugbewegung, abgegriffen an einem Rad oder an einer Kardanwelle, verfügbar macht. Auch bei einem völligen Ausfall bleibt die insoweit beschrieben Lenkung jedoch funktionsfähig.

Die Kupplung 6 ist dafür so ausgestaltet, daß sie ohne ein Ansteuerungssignal selbsttätig in den mechanisch eingerückten Zustand fällt. Diese Eigenschaft kommt bei einem völligen Ausfall der elektrischen Steuerung 15 sowie der beiden Einheiten 10 und 11 zum tragen. Dann wird automatisch ohne weitere Ansteuerung ein Kraftschluß zwischen dem Lenkrad 1 und der Lenkung hergestellt. Das Fahrzeug bleibt also auch bei einem vollständigen Ausfall der elektrischen Hilfseinrichtungen steuerbar. Der beschriebene autonome Lenkeingriff, der zunächst kein Einrücken der Kupplung 6 gestattet, bricht bei einem Stromausfall automatisch ab, so daß dessen Rückwirkungen auf das Lenkrad 1 beim selbsttätigen Einrücken der Kupplung 6 infolge eines Versagens der Steuerung ausbleiben.

Insgesamt ergibt sich eine Kraftfahrzeuglenkung, die ein hohes Maß an Ausfallsicherheit bietet. Für den rein elektrischen Betrieb mit autonomen Lenkeingriffen ist eine erste elektrische Rückfallebene vorgesehen, die durch eine weitere mechanische Rückfallebene abgesichert ist. Der Betrieb des Kraftfahrzeugs ist in jedem Zustand, sowohl bei Ausfall eines Systems als auch bei Ausfall aller Systeme sicher gewährleistet, ohne daß für den Fahrer eine nicht beherrschbare Situation eintreten kann.

Claims (7)

1. Kraftfahrzeuglenkung mit einer von einer Bedienperson zu betätigenden Handhabungseinrichtung, beispielsweise einem Lenkrad (1), sowie mit einer Steuerung (15) und mit elektrischen Stellmotoren (10, 11) für einen Radwinkelstellantrieb, wobei die Stellmotoren dazu eingerichtet sind, in bekannter Weise Lenkfunktionen bereitzustellen und bei Bedarf in Abhängigkeit von der Steuerung (15) autonom und unabhängig von einer Bedienperson einen Lenkvorgang auszuführen, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Steuerung (15) ansteuerbare Kupplung (6) vorgesehen ist, die eine Kopplung zwischen der Handhabungseinrichtung (1) und dem Radwinkelstellantrieb bewirkt.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren (10, 11) zwei unabhängig voneinander betreibbaren Einheiten zugeordnet sind, wobei mit jeder Einheit für sich zumindest zeitweise die vollständigen Lenkfunktionen auszuführen.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplung (6) mechanisch einrückbar ist.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kupplung (6) einen Ruhezustand und einen von der Steuerung (15) einstellbaren Arbeitszustand aufweist, wobei die Kupplung (6) im Ruhezustand eingerückt ist.

5. Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall einer Einheit (10, 11) die Kupplung (6) eingerückt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einrücken der Kupplung (6) nicht während eines autonomen Lenkvorgangs erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingerückter Kupplung (6) die aktive Einheit (10, 11) eine Lenkhilfskraft bereitstellt.