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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkung und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuergerät und eine Lenkung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 41 27 487 A1 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung offenbart. Eine Antriebseinheit weist ein angetriebenes Untersetzungsgetriebe auf, welches auf ein mechanisches Übertragungselement derart einwirkt, dass ein bezüglich einem vom Übertragungselement ausgeübten rücktreibenden Drehmoment ein selbsthemmend ausgelegtes koaxiales Untersetzungsgetriebe vorgesehen ist, wobei das Übertragungselement selbst nicht selbsthemmend ausgebildet ist. Eine in Rücktriebsrichtung wirkende Kraft in Richtung der Translationsbewegung bewirkt keine Verstellung, da das Untersetzungsgetriebe dieses verhindert. Zu Konstruktion und Auslegung und auch kostenseitig ist der Aufwand durch ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe nicht unerheblich. Ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe benötigt zudem Bauraum und bedingt ein zusätzliches Gewicht.
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Um bei einem Lenksystem im Fehlerfall ein Wandern einer Lenkstange zu verhindern, damit sich die Radlenkwinkel der mit der Lenkstange gekoppelten Räder nicht unbeabsichtigt ändern können, schlägt die
DE 10 2010 042 329 A1 vor, dass das Lenksystem mittels eines Sperrelementes eine axiale Verlagerung der Lenkstange verhindert. Ähnlich zum vorgenannten Stand der Technik mit zusätzlichem Untersetzungsgetriebe ist bei dem hier gezeigten Lenksystem das Sperrelement als zusätzliche Baugruppe zu betrachten. Dieses bedingt ebenfalls Bauraum sowie zusätzliche Kosten und ein zusätzliches Gewicht für das Lenksystem.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs derart auszubilden, dass die zuvor beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können.
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Es wird hierzu ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuergerät und eine Lenkung gemäß den unabhängigen Ansprüchen in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Lenkstange mittels eines Elektromotors entlang ihrer Längsachse gehalten oder verlagert werden kann, so dass der Radlenkwinkel zumindest eines Rades zumindest einer Fahrzeugachse gehalten oder geändert werden kann. Der Elektromotor ist zumindest mittels eines Bewegungsgewindes mit der Lenkstange gekoppelt, so dass bei Drehung des Elektromotors die Lenkstange in die eine oder andere Richtung verlagert wird. Das Bewegungsgewinde weist zumindest in Rücktriebsrichtung einen Wirkungsgrad mit zumindest geringer Hemmung auf.
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Bei einem Bewegungsgewinde kann die Gewindesteigung so gewählt werden, dass eine Selbsthemmung auftritt. Bei Einwirken einer Kraft, welche im Wesentlichen axial, also im Wesentlich entlang bzw. in Richtung zur Längsachse auf die Lenkstange wirkt, wird sich bei Selbsthemmung die Lenkstange zumindest bei statischen Lasten nicht verlagern. Die Selbsthemmung kommt also einer Blockierung gleich. Bei dynamischen Lasten kann es jedoch trotz Selbsthemmung zu einer Verlagerung - sogar in Antriebs- und nicht nur in Rücktriebsrichtung kommen. Wird jedoch ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad verwendet, beispielsweise ein Kugel- oder Rollgengewindetrieb, so bewirkt die im Wesentlichen axial auf die Lenkstange wirkende Kraft eine Verlagerung der Lenkstange in Rücktriebsrichtung - also entgegen der Antriebsrichtung. Der hohe Wirkungsgrad bedingt, dass ein solches und hier beabsichtigtes Bewegungsgewinde eine geringe Hemmung, jedoch keine Selbsthemmung aufweist. Die geringe Hemmung kann z.B. aufgrund der Reibung in dem Bewegungsgewinde und/oder aufgrund der Tribologie innerhalb des Bewegungsgewindes in Abhängigkeit des verwendeten Schmierstoffes vorliegen. Konstruktiv kann also das Bewegungsgewinde zumindest in Abhängigkeit der Gewindesteigung zumindest eine geringe Hemmung aufweisen. Je geringer die vorhandene Hemmung, je leichtgängiger ist das Bewegungsgewinde und je höher ist dessen Wirkungsgrad. Für die Lenkung wird entsprechend weniger Antriebsleistung benötigt. Es kann dann hinsichtlich des Bauraums ein kleiner bauender Antriebsmotor verwendet werden als bei einem Bewegungsgewinde mit niedrigem Wirkungsgrad, wie z.B. einem Trapezgewinde gem. DIN 103.
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Bei einer Fahrzeugachse sind an deren Enden Räder angeordnet, welche zum Lenken des Fahrzeugs zumindest an einer Achse mit einer Radlenkwinkeländerung beaufschlagt werden. Bei der Geradeausfahrt beträgt der Radlenkwinkel in Abhängigkeit von der konstruktiv vorgesehenen bzw. der eingestellten Vor- oder Nachspur annähernd 0 Grad. Je nach beabsichtigter Fahrt in einer Kurve oder beim Abbiegen des Fahrzeugs werden mittels der Lenkung die Radlenkwinkel der Räder geändert, so dass das Fahrzeug in die vorgesehene Richtung fahren kann. Dabei ist es möglich, dass der Radlenkwinkel an der Vorderachse oder an der Hinterachse oder aber an beiden Achsen oder weiteren Achsen verändert wird. Damit das Fahrzeug dem vorgesehenen Fahrweg, auch Trajektorie genannt, folgen kann, muss der Radlenkwinkel nach dessen Änderung gehalten werden. Zum Beibehalten einer Trajektorie müssen die Räder grundsätzlich geführt werden, damit diese den beabsichtigten Radlenkwinkel beibehalten. Die Räder, welche mittels Radträgern an der Karosserie um ihre Hochachse angelenkt sind, werden durch die Lenkung und mittels mit der Lenkung gelenkig verbundenen Lenkern geführt. Wird nun bei der Lenkung die Lenkstange axial, d. h. entlang ihrer Längsachse verlagert, so bedingt dieses die Änderung des Radlenkwinkels des jeweiligen Rades. Nach der Änderung des Radlenkwinkels wird durch die Führung der Räder die Beibehaltung des geänderten Radlenkwinkels bewirkt. Die Verlagerung der Lenkstange kann dabei durch einen Elektromotor bewirkt werden, wenn dessen Drehachse unmittelbar oder mittelbar über ein Ritzel oder Zahnrad oder Spindelmutter oder dergleichen mit der Lenkstange gekoppelt ist.
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Bei einem Kraftfahrzeug wirken je nach Fahrweg Seitenkräfte auf die jeweiligen Räder. Bei der Geradeausfahrt sind beispielsweise Seitenkräfte eher gering und durch dynamische Einflüsse aufgrund der Oberfläche bzw. dem Zustand der Fahrbahn oder Seitenwind gegeben. Bei einer Kurvenfahrt hingegen werden beispielsweise bei einer Linkskurve die Räder nach links gelenkt, wodurch sich hohe Querkräfte als Seitenkräfte ergeben, die auf das Rad und den Radträger wirken. Ohne Führung würden sich die Radlenkwinkel unkontrolliert ändern. Zur Führung der Räder müssen diese Seitenkräfte von den Lenkern bzw. der Lenkstange der Lenkung aufgenommen werden. Zur Abstützung der Lenkung ist diese wiederum über einen Hilfsrahmen bzw. unmittelbar dem Fahrzeugaufbau verbunden. Im Normalbetrieb der Lenkung kann der Elektromotor derart beschaltet bzw. bestromt werden, dass dieser mittels einer Lageregelung ein Gegenmoment erzeugt, so dass eine Verlagerung der Lenkstange aufgrund der durch die Räder einwirkenden Seitenkräfte verhindert werden kann. Der Radlenkwinkel verbleibt somit wie mittels der Lenkung eingestellt. Dieses wird beispielsweise durch eine Lageregelung bewerkstelligt, so dass das mittels eines Sensors ermittelte Haltemoment des Elektromotors so groß gehalten wird, dass sowohl bei der Geradeausfahrt als auch bei der Kurvenfahrt eine Änderung der Radlenkwinkel an den Rädern unterbunden wird. Mit anderen Worten wird der Elektromotor so angesteuert, dass die Lage der Lenkstange gehalten wird.
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Für den Fehlerfall, d. h. wenn die Stromversorgung zum Elektromotor z.B. unterbrochen oder ausgefallen ist, müssen Sicherheiten vorgesehen werden, so dass eine axiale Verlagerung der Lenkstange aufgrund von Seitenkräften verhindert wird. Mit anderen Worten ist bei einer anliegenden Seitenkraft aufgrund einer Kurvenfahrt vorzusehen, dass die Lenkstange sich eigenständig axial nicht verlagert oder nur im zulässigen, d.h. toleriertem Rahmen gering verlagert werden kann, so dass das Fahrzeug kontrollierbar bleibt. Wird die Verlagerung der Lenkstange nicht wenigstens gehemmt oder gar blockiert, so kann sich ein unkontrollierbarer Fahrzustand aufgrund einer willkürlichen Änderung der Radlenkwinkel der Räder ergeben. Dieses ist insbesondere bei einer Lenkung der Fall, welche ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad ist beispielsweise bei einem Kugelgewindetrieb vorhanden. Dieses weist eine zumindest geringe Selbsthemmung auf.
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Wirkt eine Seitenkraft auf ein Rad, so wird in Rücktriebsrichtung eine Kraft auf die Lenkstange ausgeübt, so dass sich aufgrund des Bewegungsgewindes ein Gegenmoment bzw. ein zum Antriebsmoment gegenläufiges Moment für den Elektromotor ergibt. Das Bewegungsgewinde kann beispielsweise aus einem Zahnrad bestehen, welches sich um seine Rotationsachse dreht und mit einer Lenkstange in Form einer Zahnstange in Eingriff ist. Bei Drehung des Zahnrades wird somit eine axiale Verlagerung der Lenkstange bewirkt. Bei einem selbsthemmenden Bewegungsgewinde sind Zahnrad und Verzahnung der Zahnstange so ausgelegt, dass bei einer Krafteinwirkung auf die Zahnstange eine Verdrehung des Ritzels bzw. Zahnrads nicht möglich ist. Dieses wird auch als mechanische Selbsthemmung bei Bewegungsgewinden verstanden. Auch kann die Zahnstange in Form einer Spindel mit ihrem Außengewinde in Eingriff mit einer ortsfest gelagerten Spindelmutter mit Innengewinde ausgebildet sein. Ein Bewegungsgewinde mit mechanischer Selbsthemmung hat jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn das Bewegungsgewinde mit einem Schneckentrieb oder einem Trapezgewinde ausgebildet ist.
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Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird jedoch von einem Bewegungsgewinde mit einem hohen Wirkungsgrad, d. h. von einem hohen Wirkungsgrad mit zumindest geringer Hemmung ausgegangen. Dieses ist neben einem Kugelgewindetrieb in der Regel auch bei einem Rollengewindetrieb der Fall. Aufgrund der zumindest geringen Selbsthemmung, also mit anderen Worten geringen bis gar nicht vorhandenen Selbsthemmung, würde bei einer Seitenkraft bzw. Krafteinwirkung, welche im Wesentlichen in Richtung der Längsachse der Lenkstange einwirkt, eine Verlagerung der Lenkstange bewirkt werden. Mit anderen Worten würde im Fehlerfall die unerwünschte Verlagerung der Lenkstange und somit der unkontrollierten Radlenkwinkeländerung der Räder an der jeweiligen gelenkten Fahrzeugachse eintreten.
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Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft eine Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt wird. Mit anderen Worten wird die Verlagerung nur begrenzt zugelassen und/oder sogar ganz gehemmt bzw. blockiert. Hierzu wird das Rastmoment des Elektromotors genutzt und zusätzlich oder stattdessen ein von dem Elektromotor selbst induziertes Moment genutzt. Wie bereits oben gesagt bewirkt die Verlagerung der Lenkstange mittels Seitenkraft der Räder aufgrund der Kopplung des Elektromotors mittels des Bewegungsgewindes ein gegenläufiges Drehmoment auf den Elektromotor. Ein Drehmoment zur Verhinderung der axialen Verlagerung der Lenkstange muss demnach so groß sein, dass die Hemmung bzw. Blockierung der Drehung des Elektromotors ermöglicht wird. Das Drehmoment, auch Moment genannt, aus Rastmoment und/oder selbstinduziertem Moment des Elektromotors kann dabei auf den jeweiligen Bedarf konstruktiv ausgelegt werden.
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Die Erfindung bezieht sich vor allem auf den normalen Gebrauch der Lenkung. Das heißt, dass die beabsichtigte Hemmung keine Missbrauchslasten umfasst. Beispielsweise bei einer harten Auffahrt auf eine Bordsteinkante (Bordsteinrempler) entstehen für den Normalbetrieb unüblich hohe Seitenkräfte, die auch als Sonderereignislasten bezeichnet werden. Bei diesen hohen Lasten ist eine Hemmung eher kontraproduktiv, da eine Hemmung dann unerwünscht ist, weil dadurch ein noch größerer Schaden an radführenden Fahrwerksbauteilen (z.B. Spurstangelenker) entstünde. Derart hohe Lasten bewirken Seitenkräfte, die z.B. mehr als doppelt so groß sind wie maximal zu erwartende Seitenkräfte im Normalbetrieb des Fahrzeuges und der Lenkung.
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Als Rastmoment oder englisch auch cogging torque wird eine Eigenschaft elektrischer Motoren bezeichnet, die aufgrund der Verwendung von Permanentmagneten im Ständer und einem genuteten Anker aus Elektroblechen oder umgekehrt vorliegen. Bei Motoren, die sowohl im Ständer als auch im Anker genutet sind, treten im Betrieb ebenfalls Rastmomente auf. Durch die Änderung des Luftspalts beim Wechsel von Ankerzahl auf Ankernut gegenüber dem Permanentmagneten variiert der magnetische Widerstand und damit die Kraft auf den Anker. Als Wirkung kann vereinfacht gesagt werden, dass der Rotor aufgrund des Rastmoments nach dem Abschalten des Elektromotors in bestimmten Stellungen stehen bleibt. Der Motor besitzt somit im Stillstand, d. h. auch im stromlosen Zustand sein konstruktiv bedingtes Rastmoment. Die Erfindung macht sich dieses Moment quasi als Gegenmoment zu Nutze, welches dem Moment entgegenwirkt, welches aufgrund der Krafteinwirkung auf die Lenkstange mittels des Bewegungsgewindes erzeugt wird. Mit anderen Worten wird im Fehlerfall, z.B. bei einem stromlosen Zustand der Lenkung, durch das Rastmoment des Elektromotors ein Gegenmoment vorgehalten, welches dann zur Verfügung steht. Dieses quasi passiv vorhandene Rastmoment bewirkt eine Haltekraft, die der im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft entgegengerichtet ist. Die Drehung des Motors wird somit verhindert, so dass sich aufgrund der Kopplung mittels des Bewegungsgewindes die Lenkstange im Fehlerfall nicht verlagert. Das Rastmoment ersetzt damit die Selbsthemmung. Der Elektromotor kann hinsichtlich eines benötigten Rastmomentes ausgelegt werden.
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Zusätzlich bzw. alternativ zur Hemmung bzw. Blockierung des Elektromotors wird ein selbst induziertes Moment des Elektromotors genutzt. Das selbst induzierte Moment wird vorzugsweise durch einen zumindest temporär vorliegenden Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen bewirkt. Bei offenen Phasen kann der Elektromotor nach Überwindung seines Rastmoments quasi frei gedreht werden. Werden die Phasen des Elektromotors kurzgeschlossen, so baut sich bei beginnender Drehung des Elektromotors ein gegenläufiges Moment auf, das sogenannte selbst induzierte Moment. Mit anderen Worten kann der Motor bei kurzgeschlossenen Phasen aufgrund des sich bei Drehung der Motorachse sofort einstellenden Gegenmoments nur sehr gering gedreht werden. Die Erfindung macht sich diese Eigenschaft zu Nutze, so dass bei zumindest temporärem Phasenkurzschluss die axiale Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt bzw. blockiert wird, wenn eine im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkende Kraft, z. B. aufgrund von Seitenkräften, die auf die Räder wirken, vorliegt.
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Alternativ oder in Verbindung mit dem Rastmoment des Elektromotos kann somit wirkungsvoll die Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt bzw. ganz blockiert werden. Alternativ zum direkt an den Motorphasen geschalteten Phasenkurzschluss (=eigentlicher Kurzschluss) kann dieser unter Zwischenschaltung von Widerständen oder Transistoren bewirkt werden. Bei Verwendung von Transistoren können sogenannte Feldeffekttransistoren (FET) verwendet werden, die als variable Widerstände eingesetzt werden können. Die Hemmung bzw. das selbstinduzierte Moment ist damit einstellbar bzw. hinsichtlich der zu erwartenden Seitenkräfte anpassbar. Unter einem temporären Phasenkurzschluss ist ein gepulster Phasenkurzschluss zu verstehen, d. h. der Phasenkurzschluss wird in zeitlichen Intervallen bzw. getaktet geschaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Elektromotorphasen derart beschaltet, dass der Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen bei Vorliegen eines Fehlers in der Lenkung anliegt, vorzugsweise bei Ausfall der Spannungsversorgung, so dass die Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt wird. Bei Vorliegen der Spannungsversorgung werden die Phasen des Elektromotors offengehalten. Es findet eine normale Spannungsversorgung statt, so dass der Elektromotor die Lenkung im Normalzustand antreiben kann. Bei temporärem oder totalem Ausfall der Spannungsversorgung wird automatisch ein Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen erzeugt. Dieses kann beispielsweise durch ein elektromagnetisch geöffnetes Relais bewerkstelligt werden, welches aufgrund der Federvorspannung der Kontakte des Relais bei Abfall der Versorgungsspannung einen Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen erzeugt. Alternativ können FET mit Vorzugslagen verwendet werden, die ebenfalls einen Phasenkurzschluss bei Spannungsabfall oder -ausfall schalten können. Damit wird ein passives Halten des Phasenkurzschlusses an den Elektromotorphasen im Fehlerfall sichergestellt, so dass es sofort nach Abfall bzw. Ausfall der Spannungsversorgung zumindest zu einer Hemmung der Verlagerung der Lenkstange kommt.
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In einer bevorzugten Ausführung wird der Elektromotor über ein Steuergerät angesteuert, welches derart beschaffen ist, dass über das Steuergerät bei einem Fehler in der Spannungsversorgung ein Kurzschluss an den Phasen des Elektromotors ermöglicht wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Steuergerät auch bei Motorstillstand einen Phasenkurzschluss erzeugt. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einem Fehler, welcher erst nach Wiederinbetriebnahme der Lenkung auftritt, die Verlagerung der Lenkstange zumindest gehemmt wird. Der vorgenannte Fehler kann sowohl in der Steuerung oder dem Steuergerät als auch durch Ausfall oder mangelnder Spannungsversorgung vorliegen. Der Fehler kann ebenfalls durch Ausfall elektrischer Bauteile im Elektromotor oder dem Steuergerät oder einem Bussystem wie z. B. dem CAN-Bus auftreten, wenn bei einem Kraftfahrzeug eine Lenkung eingesetzt wird, dessen Steuergerät diese Lenkung betreibt.
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Bevorzugt wird der Phasenkurzschluss erst dann geschaltet, wenn eine tolerierte Verlagerung der Spindel überschritten wurde. Um den passenden Radlenkwinkel einstellen zu können, ist es bei Lenkungen üblich, dass die Position der Lenkstange mittels geeigneter Sensorik detektiert wird. Hier können beispielsweise berührungslos arbeitende Hall-Sensoren oder die Sensorik des Elektromotors eingesetzt werden. Wenn bei bestimmten Fahrzeugen oder Anforderungen bei bestimmten Fahrten, z.B. Fahren in einem Sportmodus oder Geländemodus, eine gewisse Radlenkwinkeländerung und somit eine Verlagerung der Spindel in geringen Grenzen zulässig ist, so ist es von Vorteil, wenn erst nach einer gewissen Verlagerung der Spindel, also einer sogenannten tolerierten Verlagerung der Lenkstange, der Phasenkurzschluss geschaltet wird. Beispielsweise würde das Steuergerät eine Verlagerung der Lenkstange um wenige Millimeter, beispielsweise 5 bis 15 mm, erkennen, und nach Erreichen dieser Schwelle den Phasenkurzschluss an den Elektromotorphasen schalten, um eine weitere Verlagerung zumindest zu hemmen oder ganz zu blockieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach einer tolerierten Verlagerung mit anfänglicher Hemmung eine Blockierung der Verlagerung der Lenkstange erfolgt. Im Gegensatz zur vorher genannten Ausführung wird hier bereits bei einsetzender Verlagerung der Lenkstange z.B. durch temporären Phasenkurzschluss die weitere Verlagerung der Lenkstange gehemmt. Je nach Fahrzeug oder Fahrsituation kann so festgelegt werden, dass erst nach einer gewissen tolerierten Radlenkwinkeländerung die Lenkung blockiert wird, so dass danach keine weitere Änderung des Radlenkwinkels erfolgt.
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Bevorzugt wird das Verfahren in Abhängigkeit von Parametern der Lenkung ausgeführt. Die Parameter können zumindest das Rastmoment des Elektromotors und/oder das zu erwartende selbst induzierte Moment des Elektromotors bei Phasenkurzschluss und/oder den Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes und/oder eine Getriebeübersetzung bei Verwendung eines Zwischengetriebes umfassen. Ein Zwischengetriebe liegt beispielsweise vor, wenn der Elektromotor bzw. dessen Antriebsachse mit einem Riemenritzel versehen ist, welches über einen Zahnriemen ein Riemenrad antreibt. Das Riemenrad ist wiederum einer Spindelmutter oder einem Zahnrad gekoppelt, welches mit der Verzahnung bzw. dem Gewinde der Lenkstange in Eingriff ist. Des Weiteren können zusätzlich das aufgrund der im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft entstehende Moment und/oder die momentane axiale Verlagerung der Lenkstange berücksichtigt werden. Zusätzlich können Parameter, wie die Temperatur im Spindeltrieb in Bezug auf eine mögliche Stellgeschwindigkeit eines Aktuators zum Betreiben der Lenkung sowie der vorherrschenden Außentemperatur mit Blick auf die Tribologie des Gesamtsystems berücksichtigt werden, um die Hemmung bzw. die Blockierung zu bewirken. Bei niedrigen Temperaturen nimmt beispielsweise der Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes ab, weil der verwendete Schmierstoff im Bewegungsgewinde eine höhere Viskosität aufweist. Diese Tatsache kann dem Rastmoment hinzugerechnet werden. Die auf die Lenkstange einwirkende Kraft kann somit größer sein, ohne mittels des Bewegungsgewindes ein gegenläufiges Moment auf den Elektromotor zu bewirken. Die Hemmung bzw. Blockierung der Verlagerung der Lenkstange wird durch die hier nicht abschließend genannten Parameter beeinflusst.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät zum Ausführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Lenkung nach den vorgenannten Ausführungen. Das vorgenannte Steuergerät kann als separate Vorrichtung, also einzelnes Steuergerät, ausgeführt sein. Alternativ kann das Verfahren auf einem in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Steuergerät ausgeführt werden. Das Verfahren kann mittels Programmcode auf einer Recheneinheit ausgeführt werden. Die Recheneinheit kann Teil des Steuergerätes sein. Die vorgenannten Parameter können mittels des Steuergerätes mittels geeigneter Sensorik ermittelt und gespeichert werden. Die ermittelten Daten können von der Recheneinheit mittels des Programmcodes bei der Schaltung des Phasenkurzschlusses berücksichtigt werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung zumindest einer Achse eines Kraftfahrzeugs mit einer Lenkstange, wobei ein Elektromotor zumindest mittels eines Bewegungsgewindes mit der Lenkstange zu deren Verlagerung entlang ihrer Längsachse gekoppelt ist, wobei das Bewegungsgewinde einen Wirkungsgrad mit zumindest geringer Selbsthemmung aufweist. Die Vorrichtung kann als ein Aktuator ausgeführt sein, welcher die Lenkstange entlang ihrer Längsachse bewegen kann. Die Lenkstange kann Teil des Aktuators sein. Es kann pro Rad ein Aktuator vorgesehen sein, welcher den Radlenkwinkel des jeweiligen Rades ändern kann. Alternativ kann auch ein zentral wirkender Aktuator vorgesehen sein, welcher karosserie- bzw. fahrzeugaufbaufest angeordnet ist und in welchem die Lenkstange axial in die eine oder die andere Richtung verlagerbar ist, um den Radlenkwinkel an zumindest zwei Rädern gleichzeitig zu ändern. Die Vorrichtung bzw. der Aktuator kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem eine Spindelmutter als Teil des Bewegungsgewindes ortsfest und über den Elektromotor antreibbar angeordnet ist. Durch Drehen der ortsfest gelagerten Spindelmutter wird deren Rotationsbewegung über eine Spindel mit Außengewinde in eine Translationsbewegung umgewandelt. Wie zuvor gesagt kann auch auf der Lenkstange eine Verzahnung vorhanden sein, in die ein Ritzel eingreift, welches mit der Achse des Elektromotors verbunden ist. Bei Drehung des Zahnrades wird die Lenkstange bzw. Zahnstange in die eine oder andere Richtung bewegt, um eine Änderung des Radlenkwinkels durchführen zu können.
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Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange einwirkenden Kraft zumindest eine Hemmung der Verlagerung der Lenkstange mittels eines Rastmoments des Elektromotors und/oder eines selbstinduzierten Moments des Elektromotors bewirkbar ist. Die Vorrichtung bzw. der Aktuator ist, wie oben bereits zum Verfahren gesagt, in vorteilhafter Weise in der Lage, eine Hemmung der Verlagerung der Lenkstange und somit der Änderung der Radlenkwinkel zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung bzw. der Aktuator einen Spindelantrieb auf, wobei die Lenkstange als Spindel ausgebildet ist, und eine Spindelmutter in dem Spindelantrieb ortsfest gelagert und mit dem Elektromotor unmittelbar oder über ein Zwischengetriebe gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung der Spindelmutter die Spindel entlang ihrer Längsachse verlagert.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Lenkstange als Zahnstange ausgebildet, in welche ein Zahnrad eingreift, welches mit dem Elektromotor gekoppelt ist, so dass sich bei Drehung des Elektromotors die Zahnstange entlang ihrer Längsachse abhängig von der Drehrichtung des Elektromotors in die jeweilige Richtung verlagert.
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Die Erfindung betrifft schließlich eine Lenkung, welche eine Vorrichtung wie zuvor genannt aufweist. Die Lenkung weist zumindest eine Lenkstange auf, welche direkt oder unter Zwischenschaltung von weiteren Lenkern, z. B. Zweipunktlenker, mit den Radträgern einer Fahrzeugachse verbunden sind. Die Lenkstange muss axial verlagert werden, um eine Änderung der Radlenkwinkel zu erreichen. Die Vorrichtung bzw. der Aktuator bildet den Antrieb zur axialen Verlagerung der Lenkstange. Eine mögliche Ausführung der Lenkung ist in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Die Lenkung ist vorzugsweise als steer-by-wire-Lenkung ausgeführt. Eine steer-by-wire-Lenkung ist eine mechanisch entkoppelte Lenkvorrichtung, bei denen die Änderung der Radlenkwinkel nicht durch eine mechanische Verbindung zur Lenkhandhabe, z.B. einem Lenkrad, bewirkt wird. Die Stellbewegung des Lenkrades wird in ein elektrisches Stellsignal gewandelt und beispielsweise einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät steuert dann die eigentliche Systemkomponente, d. h. im vorliegenden Fall den Aktuator elektrisch an. Die Lenkbewegung wird letztlich ohne mechanische Verbindung, eben „by-wire“, also mittels eines Kabels oder ggf. auch drahtlos übertragen. Die Lenkbewegung eines steer-by-wire-Lenksystems kann auch ohne Einfluss des Fahrers bzw. der Lenkhandhabe erfolgen. Beispielsweise bei zumindest teilautonom fahrenden Fahrzeugen kann die Lenkung rein über ein oder mehrere Steuergeräte in Abhängigkeit von Daten und Parametern erfolgen, welche innerhalb oder außerhalb des Fahrzeuges ermittelt wurden bzw. vorliegen. Hier können Umgebungsdaten z.B. mittels car-to-car (c2c) und/oder car-to-X (c2x) und/oder cloudbasierte Daten genutzt werden, welche von einem Steuergerät des Fahrzeugs verarbeitet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Hinterachse eines Fahrzeugs,
- 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Betreiben einer Lenkung,
- 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung (Verfahren)
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In der schematischen Darstellung gemäß 1 ist eine Fahrzeugachse 1 gezeigt, hier dargestellt als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Die Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3 an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Die Lenker 3 sind Teil der Radaufhängung für die Räder 5, 6. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer steer-by-wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 21 an dem Hilfsrahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung als ein zentraler Aktuator eine durchgehende Lenkstange 27 auf, welche durch das Gehäuse 21 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Der Antriebsmotor 22 ist achsparallel zur Lenkstange 27 angeordnet. An den Enden der Lenkstange 27 sind Spurstangen 23 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit dem nicht dargestellten Radträger der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 27 entlang der Längsachse a in die eine oder andere Richtung eine Veränderung des Radlenkwinkels 8, 9 erfolgt, weil die Spurstangen 23 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger und dem Aktuator 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar an der Radaufhängung 3 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 ermöglicht.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des in 1 bereits gezeigten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist ein Gehäuse 21 auf, an dem achsparallel ein Antriebsmotor 22 angeordnet ist. In dem Gehäuse 21 ist der Spindelantrieb 20, bestehend aus der Spindelmutter 25 und der als Gewindespindel ausgeführten Lenkstange 27, angeordnet. Die Spindelmutter 25 ist gegenüber dem Gehäuse 21 mit einem Wälzlager 29 ortsfest und drehbar gelagert. Durch die Spindelmutter 25 hindurchgeführt und koaxial zu dieser angeordnet ist die Gewindespindel 27g. Auf der von dem Wälzlager 29 abgewandten Seite der Spindelmutter 25 ist ein Riemenrad 30 drehfest auf der Spindelmutter 25 angeordnet. Der Elektromotor 22 weist ein Antriebsritzel 32 auf. Ein Antriebsriemen 34 in Form eines Zahnriemens umschlingt sowohl das Antriebsritzel 32 als auch das Riemenrad 30, so dass bei Drehbewegung des Elektromotors bzw. Antriebsmotors 22 die Spindelmutter 25 schlupffrei in Drehbewegung um die Längsachse a versetzt wird. Antriebsritzel 32, Riemenrad 30 und der Antriebsriemen 34 bilden eine Zwischengetriebe. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter 25 erfolgt eine lineare Verlagerung der Lenkstange 27 in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse a in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 22. Bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange 27 einwirkenden Kraft Fext will sich die Spindelmutter 25 verdrehen, so dass aufgrund der Kraft Fext ein Drehmoment bewirkt wird. Daher wird sich der Elektromotor 22 ebenfalls mitdrehen und es kann zu einer axialen Verlagerung der Lenkstange 27 in Rücktriebsrichtung kommen kann, wenn keine erfindungsgemäßen Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Dieses ist insbesondere im Fehlerfall unerwünscht, z.B. wenn der Aktuator stromlos ist und dieser Zustand zu einer unkontrollierten Radlenkwinkeländerung führen kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Betreiben einer Lenkung in einer möglichen Ausführungsform. Ein Elektromotor 22 weist ein Rastmoment RM sowie ein selbst induziertes Moment Msip auf. Der Elektromotor 22 bzw. dessen Phasen werden über ein Steuergerät SG angesteuert bzw. geschaltet. In dem Steuergerät sind unter anderem die Eigenschaften des Elektromotors in Form des Rastmoments RM sowie des selbst induzierten Moments Msip hinterlegt. Wirkt nun auf die Lenkstange 27 bzw. die Gewindespindel 27g eine externe Kraft Fext , so wird in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad des Bewegungsgewindes 20 in Rücktriebsrichtung ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment wirkt auf den Elektromotor 22 unmittelbar oder mittelbar, wenn ein Zwischengetriebe ZG in Form eines Riemengetriebes eingesetzt wird. Besteht das Bewegungsgewinde 20 aus einer Lenkstange 27 in Form einer Zahnstange und einem in die Zahnstange eingreifenden Zahnrad, welches mit der Achse des Elektromotors 22 verbunden ist, so wirkt das Drehmoment unmittelbar auf den Elektromotor 22. Dies ist ebenso der Fall, wenn das Bewegungsgewinde aus einer Gewindespindel 27g und eine diese umgreifende Spindelmutter 25 besteht, wenn die Spindelmutter 25 mit der Achse des Elektromotors 22 gekoppelt ist, wie im der Ausführung gemäß 2.
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Alternativ kann der Elektromotor 22 anstatt als Koaxialmotor als Hohlwellenmotor ausgebildet sein, so dass im letzteren Fall der Rotor des Elektromotors 22 die Spindelmutter 25 bildet und so bei Drehbewegung die Spindel 27g in die eine oder andere Richtung axial verlagert. Damit sich die Spindel nicht dreht, wird ggfs. eine Verdrehsicherung gegenüber dem Gehäuse 21 eingesetzt. Von einer mittelbaren Verbindung wird hier gesprochen, wenn das Zahnrad oder die Spindelmutter 25 über ein Zwischengetriebe ZG mit dem Elektromotor 22 gekoppelt sind.
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Das in dem Elektromotor 22 vorhandene Rastmoment bietet ein Gegenmoment zu dem über die externe Kraft Fext und das Bewegungsgewinde 20, ggf. unter Zwischenschaltung des Zwischengetriebes erzeugten Drehmomentes. Eine Verlagerung der Lenkstange wird solange gehemmt bzw. blockiert, bis das über das Bewegungsgewinde erzeugte Drehmoment höher als das Rastmoment des Elektromotors 22 ist. Liegt ein Phasenkurzschluss an den Phasen des Elektromotors an, z.B. geschaltet im Fehlerfall durch das Steuergerät SG, so wird bei Überschreiten des Rastmomentes RM und beginnender Drehung der Achse des Elektromotors 22 ein selbstinduziertes Moment Msip erzeugt. Wird also das Rastmoment RM durch das mittels des Bewegungsgewindes 20 aufgrund der externen Kraft Fext erzeugte Gegenmoment in Rücktriebsrichtung überwunden, so baut sich sofort bei beginnender Drehbewegung der Achse des Elektromotors das selbstinduzierte Moment Msip auf und hemmt bzw. blockiert die Verlagerung der Lenkstange 27. In vorteilhafter Weise wird so bei Auftreten der externen Kraft Fext die axiale Verlagerung der Lenkstange 27 umgehend zumindest gehemmt bzw. blockiert. Dabei kann die Art und Weise bzw. die Größe der Hemmung durch ein Steuergerät mittels temporärer Schaltung des Phasenkurzschlusses oder über Widerstände (FET) gesteuert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugachse
- 2
- Hilfsrahmen, Fahrzeugaufbau
- 3
- Lenker, Radaufhängung
- 5
- Rad
- 6
- Rad
- 8
- Radlenkwinkel
- 9
- Radlenkwinkel
- 10
- Aktuator
- 12
- Lenkung
- 20
- Bewegungsgewinde
- 21
- Gehäuse
- 22
- Antriebsmotor, Elektromotor
- 23
- Spurstange
- 25
- Spindelmutter
- 26
- Innengewinde
- 27
- Lenkstange
- 27g
- Gewindespindel, Spindel
- 29
- Wälzlager
- 30
- Riemenrad
- 32
- Antriebsritzel
- 34
- (Zahn-) Riemen
- a
- Längsachse
- h
- Hochachse
- SG
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4127487 A1 [0002]
- DE 102010042329 A1 [0003]