DE102017201208B4

DE102017201208B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102017201208B4
Application number: DE102017201208.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Maria Schäfer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: DE102017201208A1

Abstract

Vorrichtung (1) zum Lenken eines Kraftfahrzeug (50), umfassend eine Lenkhandhabe (2), eine Stelleinrichtung (3), die die Stellung mindestens eines lenkbaren Rades (51) steuert, mindestens ein Steuergerät (7) sowie einen ersten Aktor (4) und zweiten Aktor (5), wobei der erste Aktor (4) die Stelleinrichtung (3) steuert und der zweite Aktor (5) derart ausgebildet ist, ein Gegenmoment (M) an der Lenkhandhabe (2) zu erzeugen, wobei das Gegenmoment (M) von einer Neutralstellung der Lenkhandhabe (2) aus zu einem Maximalwert (Mmax) zunimmt, wobei der Maximalwert (Mmax) einen mechanischen Endanschlag der Stelleinrichtung (3) an der Lenkhandhabe (2) simuliert, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Stelleinrichtung (3) mechanisch entkoppelt sind und das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von Eingaben (11) der Lenkhandhabe (2) ein Steuersignal für den ersten Aktor (4) und den zweiten Aktor (5) erzeugt wird, wobei ein Übersetzungsverhältnis (Ü1, Ü2) zwischen Eingabe (11) an der Lenkhandhabe (2) und Stellsignal der Stelleinrichtung (3) von mindestens einem weiteren Fahrzeugparameter (FP) abhängig ist, der sich während des Betriebes der Vorrichtung (1) ändert, wobei der Fahrzeugparameter (FP) ein Fahrmodus ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fahrmodus mindestens zwischen einem Fahrbetrieb und einem Manövrier- oder Parkiervorgang unterschieden wird, wobei der Lenkhandhabe (2) ein Drehwinkelsensor (6) zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, aus einer Lenkwinkelgeschwindigkeit an der Lenkhandhabe (2) auf den Fahrmodus zu schließen oder der Lenkhandhabe (2) ein Drehmomentsensor zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, aus einem Momentengradienten an der Lenkhandhabe (2) auf den Fahrmodus zu schließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei elektromechanischen Lenksystemen ist üblicherweise eine Lenkhandhabe über eine Lenksäule mechanisch mit einer Stelleinrichtung für die lenkbaren Räder verbunden. Die Lenkhandhabe ist beispielsweise ein Lenkrad und die Stelleinrichtung eine Zahnstange, wobei durch einen Servomotor ein Unterstützungsmoment auf die Zahnstange aufgebracht wird. Wird dann ein mechanischer Endanschlag der Stelleinrichtung erreicht, ist dies durch die mechanische Kopplung an der Lenkhandhabe als Gegenmoment haptisch für den Nutzer spürbar.
Bei steer-by-wire Lenkungen ist diese mechanische Kopplung aufgehoben. Damit der Fahrer aber ein ähnliches haptisches Lenkgefühl hat, ist es bekannt, mittels eines Aktors ein Gegenmoment an der Lenkhandhabe zu erzeugen, um den Fahrer eine haptische Rückkopplung für die Lenkeingriffe zu geben.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 05 132 A1 bekannt. Dabei wird der Endanschlag bei Erreichen einer vorbestimmten Position des Lenkmittels simuliert, die einen normalen Arbeitsbereich des Lenkmittels begrenzt, wobei das Lenkmittel beispielsweise eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe ist. Weiter ist vorgesehen, dass bei einer übermäßigen Betätigung des Lenkmittels in eine Richtung, die zu einer Überschreitung des normalen Arbeitsbereiches des Lenkmittels führt, ein Steuerprogramm für eine Verschiebung des Arbeitsbereiches des Lenkmittels entsprechend dem Maß der Überschreitung sorgt, wobei die Lenkwinkelübersetzung konstant gehalten wird.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2004 005 348 A1 ein System und ein Verfahren zur Steuerung von Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Baugruppen mit einstellbarem Lenkgefühl bekannt.
Aus der DE 101 02 244 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, wobei die Simulation des Lenkanschlags fahrerseitig zwischen komfortbetont und sportlich umstellbar ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs hinsichtlich des Lenkkomforts zu verbessern sowie ein hierfür geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs eine Lenkhandhabe, eine Stelleinrichtung, die die Stellung mindestens eines lenkbaren Rades steuert, mindestens ein Steuergerät sowie einen ersten Aktor und einen zweiten Aktor. Der erste Aktor steuert die Stelleinrichtung. Der zweite Aktor ist derart ausgebildet, ein Gegenmoment an der Lenkhandhabe zu erzeugen, wobei das Gegenmoment von einer Neutralstellung der Lenkhandhabe aus zu einem Maximalwert zunimmt, wobei der Maximalwert einen mechanischen Endanschlag der Stelleinrichtung an der Lenkhandhabe simuliert. Die Lenkhandhabe und die Stelleinrichtung sind mechanisch entkoppelt, wobei das Steuergerät in Abhängigkeit der Eingaben der Lenkhandhabe ein Steuersignal für den ersten Aktor und den zweiten Aktor erzeugt. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingabe an der Lenkhandhabe und Stellsignal der Stelleinrichtung von mindestens einem weiteren Fahrzeugparameter abhängig, der sich während des Betriebes der Vorrichtung ändert oder ändern kann.
Dabei ist der Fahrzeugparameter ein Fahrmodus. Unter einem Fahrmodus wird dabei verstanden, dass mindestens zwischen einem Fahrbetrieb und einem Manövrier- oder Parkiervorgang unterschieden werden kann, wobei zusätzliche Einstufungen möglich sind. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass dem Fahrer situativ ein angepasstes Lenkverhalten zur Verfügung gestellt wird. Dabei wird bei Manövrier- oder Parkiervorgängen ein größeres Übersetzungsverhältnis eingestellt, sodass der Nutzer einfacher und schneller in die jeweiligen mechanischen Endanschläge einlenken kann, sodass Manövrier- oder Parkiervorgänge erleichtert werden.
Dabei ist an der Lenkhandhabe ein Drehwinkelsensor angeordnet, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, aus einer Lenkwinkelgeschwindigkeit an der Lenkhandhabe auf den Fahrmodus zu schließen. Dabei wird ausgenutzt, dass typischerweise bei Manövrier- oder Parkiervorgängen die Lenkwinkelgeschwindigkeit größer ist, was leicht detektierbar ist. Alternativ ist an der Lenkhandhabe ein Drehmomentsensor angeordnet, wobei das Steuergerät anhand eines Momentengradienten auf den Fahrmodus schließt, wobei bei großen Momentengradienten auf einen Manövrier- oder Parkiervorgang geschlossen wird.
In einer Ausführungsform wird zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit bei der Ermittlung des Fahrmodus berücksichtigt. Dabei wird ausgenutzt, dass bei Manövrier- oder Parkiervorgängen die Fahrzeuggeschwindigkeit null bzw. nicht größer als wenige Stundenkilometer ist. Daher wird nur auf einen Manövrier- oder Parkiervorgang geschlossen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein Schwellwert ist, wobei der Schwellwert beispielsweise 12 km/h ist. Somit wird verhindert, dass im normalen Fahrtbetrieb bei schnellen Lenkbewegungen sich das Übersetzungsverhältnis schlagartig ändert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Steuergerät derart ausgebildet, dass das Steuergerät in Abhängigkeit des aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnisses mindestens eine Position an der Lenkhandhabe ermittelt, an der der mechanische Endanschlag der Stelleinrichtung erreicht wird, wobei die Momentenkennlinie für den zweiten Aktor derart angepasst wird, dass der Maximalwert des Gegenmoments an der ermittelten Position erzeugt wird. Dadurch kann der Fahrer im Manövrier- oder Parkiervorgang noch schneller in die Endanschläge lenken, da der Widerstand geringer ist oder sogar aktiv in Richtung der Endanschläge gelenkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, dass bei einem größeren Übersetzungsverhältnis eine Rückstellkraft von dem Maximalwert zur Neutralstellung erhöht wird. Durch die beschleunigte Rückstellung kann der Nutzer noch schneller von einem Endanschlag in den gegenüberliegenden Endanschlag einschlagen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Maximalwert derart groß gewählt, dass dieser manuell nicht übersteuerbar ist. Vorzugsweise ist der Maximalwert größer 60 Nm und weiter vorzugsweise größer 80 Nm.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen zur Vorrichtung Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs,
2 eine Darstellung des Gegenmoments an einer Lenkhandhabe über einem Drehwinkel der Lenkhandhabe bei einem großen Übersetzungsverhältnis und
3 eine Darstellung des Gegenmoments an einer Lenkhandhabe über einem Drehwinkel der Lenkhandhabe bei einem kleineren Übersetzungsverhältnis.

In der 1 ist eine Vorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeugs 50 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lenkhandhabe 2, die beispielsweise als Lenkrad ausgebildet ist, und eine Stelleinrichtung 3, die die Stellung 10 mindestens eines lenkbaren Rades 51 steuert, sodass ein Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs 50 eingestellt wird. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 mindestens ein Steuergerät 7 sowie einen ersten Aktor 4 und einen zweiten Aktor 5. Der erste Aktor 4 und der zweite Aktor 5 sind dabei vorzugsweise als Elektromotoren ausgebildet. Der erste Aktor 4 steuert dabei die Stelleinrichtung 3 an, die beispielsweise als Zahnstange ausgebildet ist. Der zweite Aktor 5 ist derart ausgebildet, dass dieser ein Gegenmoment M an der Lenkhandhabe 2 erzeugt, wobei das Gegenmoment M von einer Neutralstellung der Lenkhandhabe 2 aus zu einem Maximalwert Mmax zunimmt (siehe 2). Lenkhandhabe 2 und Stelleinrichtung 3 sind mechanisch entkoppelt. Das Steuergerät 7 ist dabei derart ausgebildet, in Abhängigkeit von Eingaben 11 der Lenkhandhabe 2, die durch einen Drehwinkelsensor 6 erfasst werden, ein Steuersignal für den ersten Aktor 4 und den zweiten Aktor 5 zu erzeugen. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingabe 11 an der Lenkhandhabe 2 und Stellsignal der Stelleinrichtung 3 mindestens von einem Fahrmodus abhängig, der sich während des Betriebes der Vorrichtung 1 ändert. Dabei ist mindestens ein Fahrmodus ein Manövrier- oder Parkiervorgang und ein weiterer Fahrmodus eine Fahrt mit einer Geschwindigkeit größer einem Schwellwert. Dabei wird auf einen Manövrier- oder Parkiervorgang vom Steuergerät 7 geschlossen, wenn die Drehwinkelgeschwindigkeit größer als ein Schwellwert ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit V kleiner als ein Schwellwert ist, wobei dieser Schwellwert nicht identisch sein muss zum Schwellwert für den Fahrmodus. Hat nun das Steuergerät 7 einen Manövrier- oder Parkiervorgang erfasst oder ermittelt, so wird eine große Übersetzung Ü1 eingestellt, die größer ist als eine Übersetzung Ü2 für den Fahrbetrieb. Dadurch erreicht der Fahrer mit weniger Lenkeinschlag an der Lenkhandhabe 2 den mechanischen Endanschlag an der Stelleinrichtung 3.
Das Steuergerät 7 ist nun weiter derart ausgebildet, dass das Steuergerät 7 in Abhängigkeit des aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnisses mindestens eine Position an der Lenkhandhabe 2 ermittelt, an der ein mechanischer Endanschlag der Stelleinrichtung 3 erreicht wird, wobei die Momentenkennlinie MK für den zweiten Aktor 5 derart angepasst wird, dass der Maximalwert Mmax des Gegenmoments M an der Position erzeugt wird (siehe auch 2 und 3). Somit korrespondiert der simulierte Endanschlag an der Lenkhandhabe 2 mit dem realen mechanischen Endanschlag der Stelleinrichtung 3 für jedes gewählte Übersetzungsverhältnis.
Zusätzlich kann das Steuergerät 7 derart ausgebildet sein, dass bei der größeren Übersetzung das Gegenmoment M zwischen Neutralstellung und Maximalwert geringer ist, sodass sich das Lenkrad sehr leichtgängig drehen kann. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Rückstellkraft in die Neutralstellung entsprechend vergrößert wird.
Neben dem Fahrmodus kann das Übersetzungsverhältnis Ü1, Ü2 auch noch von weiteren Fahrzeugparametern FP abhängig sein. Beispielsweise kann generell das Übersetzungsverhältnis mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert werden. Weiter ist auch ein Eingabeelement möglich, mittels dessen ein Übersetzungsverhältnis durch den Nutzer einstellbar ist.
Die Anpassung des simulierten Endanschlages an das eingestellte Übersetzungsverhältnis soll nun anhand der 2 und 3 näher erläutert werden.
In der 2 ist das Gegenmoment M über einen Drehwinkel φ_LH der Lenkhandhabe dargestellt. Der Drehwinkel φ_LH entspricht dabei der Eingabe 11 gemäß 1. Dabei wird das Gegenmoment M von dem zweiten Aktor 5 symmetrisch zu einer Neutralstellung bei 0° aufgebracht. Dabei liegt in 2 ein Übersetzungsverhältnis Ü1 und in der 3 ein Übersetzungsverhältnis von Ü2 vor, wobei Ü1 > Ü2 ist, d.h. in der 2 hat ein Drehwinkel φ_LH ein größeres Stellsignal an der Stelleinrichtung 3 zur Folge als bei der 3. Im Ergebnis wird daher auch schon bei kleineren Drehwinkeln ±φ₁ der mechanische Endanschlag erreicht.
Entsprechend wird die Momentenkennlinie MK angepasst, sodass bei ±φ₁ der Maximalwert Mmax durch den zweiten Aktor 5 aufgebracht wird, der manuell nicht überlenkbar ist. Ist die Übersetzung Ü2 hingegen kleiner, wird erst bei größeren Drehwinkeln ±φ₂ der mechanische Endanschlag erreicht.
Der Übergang zum Maximalwert Mmax kann dabei sehr unterschiedlich ausgebildet sein. So kann der Gradient bei größeren Übersetzungen Ü1 größer gewählt werden als bei kleineren Übersetzungen Ü2. Allerdings kann der Gradient auch gleich gewählt werden oder aber auch bei größeren Übersetzungen Ü1 auch kleiner gewählt werden. In diesem Fall spürt der Fahrer entsprechend frühzeitig ein Gegenmoment M, d.h. er nimmt die Lenkung als entsprechend hart wahr.

Claims

Vorrichtung (1) zum Lenken eines Kraftfahrzeug (50), umfassend eine Lenkhandhabe (2), eine Stelleinrichtung (3), die die Stellung mindestens eines lenkbaren Rades (51) steuert, mindestens ein Steuergerät (7) sowie einen ersten Aktor (4) und zweiten Aktor (5), wobei der erste Aktor (4) die Stelleinrichtung (3) steuert und der zweite Aktor (5) derart ausgebildet ist, ein Gegenmoment (M) an der Lenkhandhabe (2) zu erzeugen, wobei das Gegenmoment (M) von einer Neutralstellung der Lenkhandhabe (2) aus zu einem Maximalwert (M_max) zunimmt, wobei der Maximalwert (M_max) einen mechanischen Endanschlag der Stelleinrichtung (3) an der Lenkhandhabe (2) simuliert, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Stelleinrichtung (3) mechanisch entkoppelt sind und das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von Eingaben (11) der Lenkhandhabe (2) ein Steuersignal für den ersten Aktor (4) und den zweiten Aktor (5) erzeugt wird, wobei ein Übersetzungsverhältnis (Ü1, Ü2) zwischen Eingabe (11) an der Lenkhandhabe (2) und Stellsignal der Stelleinrichtung (3) von mindestens einem weiteren Fahrzeugparameter (FP) abhängig ist, der sich während des Betriebes der Vorrichtung (1) ändert, wobei der Fahrzeugparameter (FP) ein Fahrmodus ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fahrmodus mindestens zwischen einem Fahrbetrieb und einem Manövrier- oder Parkiervorgang unterschieden wird, wobei der Lenkhandhabe (2) ein Drehwinkelsensor (6) zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, aus einer Lenkwinkelgeschwindigkeit an der Lenkhandhabe (2) auf den Fahrmodus zu schließen oder der Lenkhandhabe (2) ein Drehmomentsensor zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, aus einem Momentengradienten an der Lenkhandhabe (2) auf den Fahrmodus zu schließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit (V) bei der Ermittlung des Fahrmodus berücksichtigt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass das Steuergerät (7) in Abhängigkeit des aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnisses (Ü1, Ü2) mindestens eine Position (±φ₁, ±φ₂) an der Lenkhandhabe (2) ermittelt, an der der mechanische Endanschlag der Stelleinrichtung (3) erreicht wird, wobei die Momentenkennlinie (MK) für den zweiten Aktor (5) derart angepasst wird, dass der Maximalwert (M_max) des Gegenmoments (M) an der ermittelten Position (±φ₁, ±φ₂) erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass bei einem großen Übersetzungsverhältnis (Ü1) das Gegenmoment zwischen Neutralstellung und Maximalwert (M_max) kleiner als bei einem kleinen Übersetzungsverhältnis (Ü2) ist oder ein Unterstützungsmoment an der Lenkhandhabe (2) erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) derart ausgebildet ist, dass bei einem größeren Übersetzungsverhältnis (Ü1) eine Rückstellkraft von dem Maximalwert (M_max) an der ermittelten Position (±φ₁) zur Neutralstellung erhöht wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (M_max) derart groß gewählt ist, dass dieser manuell nicht übersteuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (M_max) größer 60 Nm ist.
Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs (50), mittels einer Lenkhandhabe (2), einer Stelleinrichtung (3), die die Stellung mindestens eines lenkbaren Rades (51) steuert, mindestens eines Steuergeräts (7) sowie eines ersten Aktors (4) und eines zweiten Aktors (5), wobei der erste Aktor (4) die Stelleinrichtung (3) steuert und der zweite Aktor (5) ein Gegenmoment (M) an der Lenkhandhabe (2) erzeugt, wobei das Gegenmoment (M) von einer Neutralstellung der Lenkhandhabe (2) aus zu einem Maximalwert (M_max) zunimmt, wobei der Maximalwert (M_max) einen mechanischen Endanschlag der Stelleinrichtung (3) an der Lenkhandhabe (2) simuliert, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Stelleinrichtung (3) mechanisch entkoppelt sind und das Steuergerät (7) in Abhängigkeit von Eingaben (11) der Lenkhandhabe (2) ein Steuersignal für den ersten Aktor (4) und den zweiten Aktor (5) erzeugt, wobei ein Übersetzungsverhältnis (Ü1, Ü2) zwischen Eingabe (11) an der Lenkhandhabe (2) und Stellsignal der Stelleinrichtung (3) von mindestens einem weiteren Fahrzeugparameter (FP) abhängig ist, der sich während der Fahrt verändert, wobei das Steuergerät (7) einen Fahrmodus als Fahrzeugparameter (FP) erfasst oder ermittelt und in Abhängigkeit des Fahrmodus das Übersetzungsverhältnis (Ü1, Ü2) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fahrmodus mindestens zwischen einem Fahrbetrieb und einem Manövrier- oder Parkiervorgang unterschieden wird wobei der Lenkhandhabe (2) ein Drehwinkelsensor (6) zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) aus einer Lenkwinkelgeschwindigkeit auf den Fahrmodus schließt oder der Lenkhandhabe (2) ein Drehmomentsensor zugeordnet ist, wobei das Steuergerät (7) aus einem Momentengradienten an der Lenkhandhabe (2) auf den Fahrmodus schließt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) in Abhängigkeit des aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnisses (Ü1, Ü2) mindestens eine Position (±φ₁, ±φ₂) an der Lenkhandhabe (2) ermittelt, an der der mechanische Endanschlag der Stelleinrichtung (3) erreicht wird, wobei die Momentenkennlinie (MK) für den zweiten Aktor (5) derart angepasst wird, dass der Maximalwert (M_max) des Gegenmoments (M) an der ermittelten Position (±φ₁, ±φ₂) erzeugt wird.