DE4042196C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kupplungsbetätigung bei einer Servolenkung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kupp­ lungsbetätigung bei einer nur zeitweise im Eingriff befindlichen Servolenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung zur Kupplungsbe­ tätigung bei einer solchen Servolenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Es sind eine Vielzahl von elektrisch unterstützten Servolenkungen bekannt, beispielsweise aus dem SAE- Paper 851 630, die einen Sensorbereich aufweisen, der die Momenteneinleitung durch den Fahrer eines Kraftfahrzeugs an der Lenksäule infolge Betätigen des Lenkrades erfaßt und einen Elektroservomotor ent­ sprechend der gewünschten Drehrichtung ansteuert.

Als Sensor werden dabei üblicherweise Torsionseinrich­ tungen im Bereich der Lenksäule verwendet.

Der Elektroservomotor unterstützt über ein geeignetes Untersetzungsgetriebe die vom Fahrer eingeleitete Drehbewegung der Lenksäule und damit die Radverstel­ lung in der gewünschten Drehrichtung des Fahrzeugs. Die elektrische Grundkonzeption einer solchen Servo­ lenkung ermöglicht den gesteuerten Eingriff bei der Stromzuführung zum Servomotor, so daß sich bei der Auslegung der Servolenkung eine Vielzahl von Variablen anbieten, um die Servowirkung in gewünschter Weise zu beeinflussen.

Solche elektromotorischen Servolenkungen sind beson­ ders als Lenkhilfen für den Parkiergeschwindigkeitsbe­ reich geeignet, da sie kostengünstig sind und als Park-Servo allgemein Vorteile hinsichtlich der Hand­ habbarkeit eines mit einer solchen elektromotorischen Lenkhilfe ausgestatteten Fahrzeugs aufweisen.

Allerdings ist es bei Einsatz solcher elektromotori­ schen Lenkhilfen erforderlich, bestimmte Einrichtungen oder Trennsysteme vorzusehen, die bei Ausfall oder Störungen im elektrischen System oder bei den mecha­ nischen Komponenten der elektromotorischen Servolen­ kung eine Lenkbetätigung unter allen Umständen mög­ lich machen, also in der Lage sind, den Servobereich von der manuell beeinflußbaren Lenkung abzukoppeln. Solche Trennsysteme sind üblicherweise Trennkupplun­ gen oder auch Freiläufe.

Eine Trennkupplung bzw. ein Freilauf ist auf jeden Fall auch dann erforderlich, wenn die elektromotorisch unterstützte Lenkhilfe lediglich bei vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten eingesetzt werden soll, um ein Einparken zu erleichtern. Dies bedeutet gleichzeitig, daß sich die Servolenkung oberhalb einer vorgegebenen Mindestgrenzgeschwindigkeit nicht im Eingriff befindet; diese Geschwindigkeitsgrenze V_X kann beispielsweise bei 25 km/h liegen. Hier bleibt allerdings ein Problem offen, welches darin besteht, daß dann, wenn der Elektroservomotor bei Unterschreiten der genannten Geschwindigkeitsgrenze des Fahrzeugs mechanisch zugeschaltet, also eingekuppelt wird, der Fahrer bei einer nicht synchronisierten Kupplung notwendigerweise einen Momentenstoß aufgrund der zugeschalteten Motorträgheit in Verbindung mit der Drehzahldifferenz der Kupplungsscheiben erfährt, was sehr störend ist.

Bei einer aus DE 37 23 205 A1 bekannten, elektrisch unterstützten Hilfskraftlenkung wird ein Elektromotor von einem Steuerkreis entsprechend einem Ausgangssignal einer Drehmoment-Meßeinrichtung gesteuert. Um Fehlsteuerungen zu vermeiden, ist ein redundanter Sicherheitskreis mit einer Sicherheitseinrichtung und einer Schalteinrichtung vorgesehen. Dieser Sicherheitskreis steuert ein Trennglied, das zur Zu- und Abschaltung des Elektromotors dient. Zwischen dem Elektromotor und dem Lenkgetriebe ist eine zweite Drehmoment-Meßeinrichtung zur Messung des Drehmoments des Elektromotors angeordnet. Die Schalteinrichtung des Sicherheitskreises öffnet das Trennglied immer dann, wenn die von den beiden Drehmoment-Meßeinrichtungen gemessenen Drehmomente unterschiedliche Richtungen aufweisen. Das Trennglied hat beispielsweise die Form einer Kupplung, die zwischen dem Elektromotor und dem Lenkgetriebe angeordnet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer elektromotorischen Servolenkung dafür zu sorgen, daß die automatische Zuschaltung der Parkierhilfe im praktischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs für den Fahrer im wesentlichen unmerklich verläuft.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 und hat den Vorteil, daß durch eine Synchronisation der Drehgeschwindigkeiten der Kupplungsscheiben der die Zuschaltung des Servomotors der Parkierhilfe be­ wirkenden Kupplung Drehzahldifferenzen minimiert bzw. vollständig auf Null gebracht werden, so daß ein träg­ heitsbedingter Momentenstoß beim Einkuppeln reduziert bzw. vollständig eliminiert werden kann; andere Momen­ tenstoßanteile lassen sich durch eine entsprechende Regelung ebenfalls minimieren. Dabei erfolgt die Syn­ chronisation auf vordefinierte Restwinkelgeschwindig­ keits-Differenzen unabhängig von Parameteränderungen im Bereich der Servolenkung und im ausgekuppelten Zustand, so daß Koppelmomente vom Servomotor auf die Lenksäule, an welcher die Bedienungsperson angreift, nicht übertragen werden.

Von Vorteil ist ferner, daß trotz Realisierung einer vollständigen Drehzahldifferenz-Regelung im Bereich der Kupplung einer Servolenkung kein gesonderter Sen­ sor zur Erfassung von Drehzahldifferenzen erforderlich ist, so daß neben günstigen Kosten auch der Aufwand für die durch die vorliegende Erfindung ermöglichte Synchronisation im Kupplungsbereich gering bleibt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun­ gen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der ohnehin vorhandenen Kupplungsspule der Trennkupplung in derem geöffneten Zustand als Meßsensor für die Differenzdrehwinkelbestimmung, so daß es durch Auswerten einer in der Kupplungsspule induzierten Wechselspannung in Verbindung mit dem Aufbau eines einfachen P-Synchronisations-Regelkrei­ ses für den Elektroservomotor möglich ist, diesen auf solche Drehzahlen zu bringen, daß die Drehzahldif­ ferenz zur manuellen Lenkradbetätigung im wesentlichen zu Null wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Rotorscheibe der Kupplung mit Randnuten in Draufsicht und

Fig. 2 die Rotorscheibe der Fig. 1 längs der Schnitt­ linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 schematisiert einen Gleichstromerregerkreis, der sich bei Anschluß der Kupplungsspule an die Versorgungsspannung mit reduziertem Strom­ fluß ergibt, und

Fig. 4 den sich bildenden Wechselstromkreis bei Auf­ treten von Drehzahldifferenzen und einer ent­ sprechenden Induktion und

Fig. 5 den Verlauf eines an einem Vorwiderstand ab­ fallenden Meßsignals über der Zeit, mit dem zur Regelung des Servomotors gearbeitet werden kann;

Fig. 6 zeigt in der Form von drei zueinander zeitbe­ zogenen Diagrammverläufen schematisiert die Herleitung (Entstehung) des induzierten Wech­ selstromsignals;

Fig. 7 zeigt als Pendant zu der Rotorscheibe der Fig. 1 die entsprechende Ankerscheibe der aus diesen beiden Hauptteilen bestehenden Trenn­ kupplung für die Parkierhilfe, während die

Fig. 8 und 9 im wesentlichen den Verlauf des Hand­ drehmoments über der Zeit beim Einkuppeln der Parkierhilfe ohne Synchronisation und mit ak­ tiver Synchronisation in dieser Reihenfolge zeigen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, im Bereich der Trennkupplung einer von einem Elektro­ servomotor angetriebenen Servolenkung für Kraftfahr­ zeuge einen Meßsensor anzuordnen, der Drehzahldiffe­ renzen zeitlich vorlaufend zum Einkuppelzeitpunkt erfaßt und aus dem gewonnenen Meßsignal über einen Regelvorgang den Elektroservomotor so beaufschlagt, daß sich auf beiden Seiten der Kupplung eine im we­ sentlichen gleiche Drehzahl ergibt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei noch darin, daß als Meß­ sensor unmittelbar die teilerregte Kupplungsspule im geöffneten Zustand der Kupplung Verwendung findet.

Die Trennkupplung der Servolenkung kann von durchaus beliebiger Form und Funktion sein; üblicherweise sind aber stets zwei einander axial gegenüberliegende kon­ zentrische Kupplungsscheiben vorgesehen, von denen die eine angetrieben ist und die andere mitnimmt, wenn die Kupplung schließt, sich die beiden Scheiben also axial aufeinander zu bewegen.

In Fig. 1 ist eine der Kupplungsscheiben, nämlich eine sogenannte Rotorscheibe mit 10 bezeichnet; sie ist auf ihrer der in Fig. 7 gezeigten zweiten Kupp­ lungsscheibe als Ankerscheibe 11 zugewandten Seite randseitig genutet; es können beispielsweise über den Umfang von Rotorscheibe 10 und Ankerscheibe 11 insgesamt 24 Nuten 10' bzw. 11' in einem Abstand von 15° zueinander angeordnet sein, was auf eine ent­ sprechende Materialverdünnung des auch elektrisch bzw. magnetisch leitfähigen Kupplungsmaterials der beiden Scheiben hinaus läuft.

Es versteht sich, daß Art, Ausbildung, Anzahl und Abstand der Nuten 10', 11' grundsätzlich beliebig ist; die Nutung gegenüberliegender Kupplungsteile ist lediglich so zu treffen, daß dann, wenn eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Kupplungsspule erregt wird, durch die aufeinander zugewandten Nuten ein sich ändernder magnetischer Fluß dann auftritt, wenn die beiden Kupplungsscheiben unterschiedliche Drehzahl aufweisen.

Entsprechend Fig. 3 wird zu diesem Zweck so vorgegan­ gen, daß dem vorhandenen Gleichstromkreis zur Spei­ sung der Kupplungsspule L_k (mit eigenem Spulenwi­ derstand R_sp) ein Vorwiderstand Rv zugeschaltet wird, so daß sich der Stromkreis zur Versorgungsspannung U_BATT über eine Schalteinrichtung S schließt, die für die Erregung der Kupplung, also für den Einkuppelvor­ gang verantwortlich ist, wenn das mit einer solchen Parkierhilfe ausgerüstete Kraftfahrzeug eine vorge­ gebene Mindestgeschwindigkeit Vx beispielsweise un­ terschreitet.

Die Schalteinrichtung S ist dann entsprechend vorliegen­ der Erfindung so ausgelegt, daß bei Unterschreitung der Geschwindigkeitsgrenze V_X des Fahrzeugs der Synchroni­ sationsregler eingeschaltet und bei Erreichen der Synchroni­ sation der Schalter S1 geschlossen und damit die Regelung aktiviert wird. Vor dem Eintreten der oben beschriebenen Bedingungen ist der Schalter S1 geöffnet, so daß unter der Wirkung des Vorwiderstands Rv zunächst ein Erregerstrom I_E durch die Kupplungsspule fließt, der zwar möglichst groß, aber so bemessen ist, daß das Anzugsmoment der Kupplung sicher unterschritten bleibt, d. h. die Kupplung während der Synchronisierungsphase im geöffneten Zustand verbleibt.

Beispielsweise kann der Erregerstrom I_E ≃ 0,1 I_N be­ tragen, d. h. den zehnten Teil des Nennstroms, der ein sicheres Anziehen der beiden Kupplungsscheiben 10, 11 bewirkt.

In diesem Fall kommt es notwendigerweise zur Bildung eines Wechselstromkreises, und zwar deshalb, weil aufgrund unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeiten der beiden Kupplungsscheiben 10, 11 ein wechselnder Magnetfluß auftritt, wie im folgenden anhand der Dar­ stellung der Fig. 6 erläutert.

Die Fig. 6 zeigt im oberen Diagramm die Abwicklung der genuteten gegenüberliegenden randseitigen Kupp­ lungsteile, wobei die Pfeile A und B eine entgegenge­ setzte Laufrichtung andeuten, also eine Drehzahldif­ ferenz, in welcher Richtung auch immer.

Aus dieser relativen Nutverschiebung resultiert ein Delta-Fluß Δϕ, wie im mittleren Diagrammverlauf über dem Differenzwinkel gezeigt. Beispielsweise kann die­ ser Wechselfluß Δϕ je nach Abstand der Scheiben und kupplungsinaktiv verbleibendem Erregerstrom Δϕ/ϕ_o = 20% betragen.

Dieser Wechselfluß induziert, wie dem Wechselstrom­ kreis der Fig. 4 entnehmbar, eine der zeitlichen Ände­ rung und der Windungszahl der Kupplungsspule propor­ tionale Wechselspannung

Diese theoretischen Betrachtungen verdeutlichen, daß jeden­ falls über dem Vorwiderstand Rv eine annähernd sinus­ förmige Meßspannung abfällt, die als Sensorsignal ausge­ wertet werden kann und die über den Abstand der Null­ durchgänge die Information der Drehzahldifferenz be­ inhaltet. Es ist zur Regelung der Drehzahl des Servo­ motors dann lediglich noch notwendig, diese Meßspan­ nung in einen einfachen P-Synchronisations-Regelkreis einzubinden, um so die Anzahl der Nulldurchgänge pro Zeiteinheit immer kleiner werden zu lassen, was einer entsprechenden Reduzierung der Drehzahldifferenzen der beiden Kupplungsscheiben entspricht.

Es empfiehlt sich, die Drehzahldifferenzmessung rein digital über die zeitliche Vermessung der Nulldurch­ gänge des Meßsignals U_Mess durchzuführen, wobei zum besseren Verständnis von folgenden numerischen Werten ausgegangen werden kann, die allerdings nicht als einschränkend zur Erfindung zu verstehen sind.

Bei einer zugrunde gelegten Nutzahl von beispielsweise 20 bis 24 und einer der Leerlaufdrehzahl des Motors entsprechenden Differenzgeschwindigkeit von ω_D 200 rad/s ergibt sich eine Frequenz des Meßsignals von

Dies entspricht einem To von ca. 1,5 ms; eine geeig­ nete Grenzzeitdauer Tog könnte bei etwa dem Fünfzig­ fachen dieses Wertes liegen. Sobald ein solcher Null­ durchgangsabstand durch entsprechende Ansteuerung der Servomotor-Regelung erreicht ist, kann auf Einkup­ peln umgeschaltet werden. Umgeschaltet wird dadurch, daß der Vorwiderstand Rv durch Schließen des Schal­ ters S1 über die Schaltvorrichtung S aus dem Gleich­ strom-Erregerkreis der Fig. 3 herausgeschaltet wird; in diesem Fall fließt der volle Nennstrom, und die Trennkupplung für die Servolenkung schließt. Es verschwindet dann auch der Wechselstromanteil.

Untersuchungen haben gezeigt, daß entsprechend dem Kurvenverlauf der Fig. 8 bei einem Einkuppeln ohne aktive Synchronisation ein simuliertes Handmoment MH beim Einkuppeln einen Wechselanteil von ca. 12 Nm aufweist; mit aktiver Synchronisation entsprechend dem Kurvenverlauf der Fig. 9 ergibt sich ein Wech­ selanteil von lediglich nur noch 1,8 Nm.

In den Fig. 8 und 9 ist in durchgezogener Linien­ führung auf der linken Seite des Diagrammverlaufs die Drehzahldifferenz ω_D/rad/sec aufgetragen; man erkennt, daß ohne Synchronisierung der Handmomentver­ lauf MH steil nach oben verläuft und in der Rück­ schwingung nahezu auf den Anfangswert wieder abfällt, während bei hinreichender Synchronisationszeit und Reduzierung der Differenzgeschwindigkeit auf nahezu Null das Handmoment mit nur geringen Schwankungen im Moment des Einkuppelns konstant verbleibt.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Lösung unter Zugrundelegung des gewonnenen Meßsignals sowohl mit rein digitalen, rein analogen oder auch mit hybri­ den Lösungsmitteln realisiert werden kann, wobei die Verarbeitung des Meßsignals bis zur Ansteuerung des Servomotors auch von entsprechenden, programmgesteuer­ ten Systemen wie Kleinrechnern, Mikroprozessoren u. dgl. durchgeführt werden kann. Da der Fachmann mit solchen Regelungs- und Steuerungsvorgängen vertraut ist, braucht auf den Aufbau eines geeigneten P-Synchronisations- Regelkreises zur Ansteuerung des elektrischen Servo­ motors nicht genauer eingegangen zu werden.

Der von dem Schalter S1 im aktivierten Kupplungszu­ stand überbrückte Vorwiderstand Rv kann etwa der zehn­ fachen Größe des Spulenwiderstandes Rsp entsprechen; es empfiehlt sich den Schalter S1 als einfachen Schalttransistor auszulegen, der nach der Synchronisier­ phase kurzgeschlossen wird.

Wird bei der Meßsignalverarbeitung rein digital der zeitliche Abstand der Nulldurchgänge vermessen, dann ist beispielsweise lediglich ein Zähler erforder­ lich, der durch jeweils einen der Nulldurchgänge des Meßsignals gesteuert und den nachfolgenden rückgesetzt ein das Schließen des Schalters S1 bewirkendes Aus­ gangssignal erzeugt, wenn ein vorgegebener Zähler­ stand entsprechend einer gewünschten Dauer von To erreicht ist.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprü­ che und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungs­ versuche der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der Technik und daher ohne einschränkende Prä­ judiz sind. Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung darge­ stellten Merkmale sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander als erfindungs­ wesentlich anzusehen und in den Ansprüchen niederzu­ legen sowie den Hauptanspruch in seinem Merkmalsge­ halt zu reduzieren.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kupplungsbetätigung bei einer ledig­ lich zeitweise im Eingriff befindlichen Servolen­ kung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung von Momentenstößen beim Einkuppeln eines Servomotors der Differenzdrehwin­ kel der beiden beteiligten Kupplungsteile im geöff­ neten Zustand der Kupplung erfaßt und zur Synchro­ nisation nach Umsetzung in ein Meßsignal zur An­ steuerung des Servomotors eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Synchronisierungsphase die elektrische Kupplungsspule durch Zuführung eines Gleichstroms derart teilerregt wird, daß einerseits das Anzugs­ moment der Kupplung sicher unterschritten bleibt, andererseits ein ein Meßsignal induzierender magne­ tischer Wechselfluß aufgrund unterschiedlicher Materialdicke des magnetisch permeablen Materials der Kupplungsteile bei Differenzdrehzahl gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Synchronisierungsphase durch Teilstromansteuerung der Kupplungsspule dann einge­ leitet wird, wenn ein vorgegebener Geschwindig­ keitsgrenzwert (V_X) zur Zuschaltung der Parkier­ hilfe nahezu erreicht ist.

4. Vorrichtung zur Kupplungsbetätigung bei einer le­ diglich zeitweise im Eingriff befindlichen Servo­ lenkung zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einander ge­ genüberliegende Kupplungsteile (Rotorscheibe 10; Ankerscheibe 11) Nuten aufweisen und eine Schalt­ einrichtung (S) vorgesehen ist, die zu Beginn einer Synchronisierungsphase der Kupplungsspule (L_K) der Trennkupplung für die Servolenkung einen re­ duzierten Erregerstrom (I_E) zuführt, der zu einer Wechselspannungsinduktion im geschlossenen Strom­ kreis führt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Kupplungsspule (Lk) ein Vorwiderstand (Rv) in Reihe geschaltet ist, an welchem eine Meß­ spannung abfällt, deren Nulldurchgangsabstand eine Information über die Drehzahldifferenz enthält, und daß dem Vorwiderstand (Rv) ein Schalter (S1) parallel geschaltet ist, der diesen im Moment des Einkuppelvorgangs überbrückt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein P-Synchronisations-Regelkreis gebildet ist, der den Elektroservomotor der Servo­ lenkung derart ansteuert, daß in der Synchroni­ sierungsphase die Drehzahldifferenz der beteiligten Kupplungsteile reduziert wird entsprechend der Vergrö­ ßerung des Nulldurchgangsabstands des gewonnenen Meßsignals, ferner mit Mitteln, die bei Erreichen eines Grenz-Nulldurchgangsabstands durch Kurzschlie­ ßen des Kupplungsspulen-Vorwiderstands und Zulei­ ten des vollen Nennstroms den Einkuppelvorgang bewirken.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Erfassung und Ausregelung der Drehzahldifferenz ein Zähler vorgesehen ist, der von jedem Null­ durchgangs-Signal rückgesetzt wird bis zum Errei­ chen eines vorgegebenen Zählstandes, der einem Drehzahldifferenz-Grenzwert zur Bewirkung des Ein­ kuppelvorgangs entspricht, mit darauffolgender Ansteuerung des als Schalttransistor ausgebildeten Überbrückungsschalters (S1) für den Kupplungsspu­ len-Vorwiderstand (Rv).