Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftbeaufschlagung einer Lenkeinrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Stand der Technik

Vorrichtungen zur Kraftbeaufschlagung einer Lenkeinrichtung, insbesondere der Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, sind bekannt. Sie werden insbesondere in Verbindung mit Fahrassistenzsystemen eingesetzt, die der Führung eines Kraftfahrzeugs auf einer definierten Fahrbahnspur dienen. Dabei wird die Spur mit Sensorsystemen vermessen. Anhand der gewonnenen Ergebnisse kann dann beispielsweise ein Verlassen der Spur detektiert oder ein Zeitpunkt extrapoliert werden, an dem das Kraftfahrzeug die Spur ohne weiteren Eingriff verlassen würde. Aus den gewonnenen Daten lassen sich Möglichkeiten ableiten, den Fahrer mit Hinweisen oder auch durch einen aktiven Eingriff zu unterstützen. Hinweise werden gemäß dem Stand der Technik beispielsweise über einen Lautsprecher oder durch ein Vibrieren der Sitzfläche auf der Fahrerseite gegeben. Diese Verfahren warnen den Fahrer zwar, zeigen ihm aber nicht ausreichend schnell an, welche Maßnahmen zur Abwendung der möglichen Gefahrensituation einzuleiten sind. So ist beispielsweise einem Fahrer, der in einen Sekundenschlaf gefallen und über eine

Begrenzungslinie gefahren ist, im Moment des Warnhinweises nicht klar, wie stark und in welche Richtung eine das Kraftfahrzeug zur Spur zurückführende Lenkbewegung erfolgen muss. Um diesen Nachteil zu beheben, können Stellmotoren eingesetzt werden, die mechanisch mit einer Lenksäule der Lenkeinrichtung verbunden sind. Erkennen die Sensoren beispielsweise, dass das Fahrzeug die Spur nach rechts verläset, so wird mittels

des Motors eine Kraft beziehungsweise ein Drehmoment auf die Lenksäule ausgeübt, um den Lenkwinkel nach links zu ändern und das Fahrzeug wieder zur Spur zurückzuführen. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass Fehler im Motor oder in der Ansteuerung des Motors die Lenksäule mit einem ungewünschten Fehlermoment beaufschlagen können, was zu einer Gefährdung der Querdynamik führen kann. Außerdem stellt der Motor mit seiner eigenen Drehmassenträgheit, insbesondere bei einer großen Übersetzung, zu einer störenden Veränderung des Lenkgefühls, was für den Fahrzeugführer inakzeptabel ist. Es verbleibt demnach der Wunsch nach einer Vorrichtung, die das Lenkgefühl nur unwesentlich oder gar nicht beeinflusst und bei einer Fehlfunktion kein Gefahrenrisiko darstellt.

Vorteile der Erfindung

Für eine Vorrichtung zur Kraftbeaufschlagung einer Lenkeinrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine der Lenkeinrichtung zugeordnete Wirkvorrichtung und ein an der Lenkeinrichtung angeordnetes oder ihr zugehöriges Gegenelement, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Wirkvorrichtung eine eine elektromagnetische Kraft auf das Gegenelement bewirkende Induktionsanordnung aufweist, wobei das Gegenelement mindestens einen elektromagnetisch beeinflussbaren Bereich aufweist, so dass eine das Gegenelement gegenüber der Wirkvorrichtung verlagernde Kraft bewirkt werden kann zur Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung. Die Wirkvorrichtung ist dabei an einem gegenüber den beweglichen Teilen der Lenkeinrichtung ortsfesten Teil (oder Teilen) des Kraftfahrzeugs angeordnet, während das Gegenelement derart an der Lenkeinrichtung angeordnet ist, dass eine räumliche Verlagerung des Gegenelements, sei es eine Verlagerung entlang einer Geraden/einer Kurve oder auch eine Rotation um eine

Achse, eine Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung bewirkt. Insbesondere kann eine starre Verbindung zwischen dem Gegenelement und der Lenkeinrichtung gewählt werden. Ist die Wirkvorrichtung inaktiv geschaltet, das heißt, sie übt keine elektromagnetische Kraft auf das Gegenelement aus, ist das Gegenelement von der Wirkvorrichtung entkoppelt. Dies bedeutet, dass der Fahrzeugführer bei einer manuellen

Betätigung der Lenkeinrichtung mittels eines Bedienelements, regelmäßig ein Lenkrad, das Vorhandensein der Vorrichtung nicht wahrnimmt. Das Lenkgefühl bleibt also völlig oder zumindest im Wesentlichen unverändert. Tritt eine Situation ein, in der eine zentrale Überwachungseinrichtung des Kraftfahrzeugs die Notwendigkeit eines unterstützenden Eingriffs in die Lenkeinrichtung ermittelt, so wird die Wirkvorrichtung aktiv geschaltet,

das heißt, sie übt eine elektromagnetische Kraft auf das Gegenelement aus. Da die Wirkvorrichtung in Bezug auf das Fahrzeug im Wesentlichen ortsfest ist, entsteht eine Kraft, die darauf hinwirkt, das Gegenelement gegenüber der Wirkvorrichtung zu verlagern und damit die Lenkeinrichtung zu betätigen. Aufgrund gewisser Toleranzen innerhalb der Lenkeinrichtung und weiterer Kräfte und Momente, die auf die

Lenkeinrichtung wirken, muss diese Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung nicht zwangsläufig zu einer Änderung des Lenkwinkels führen, wenngleich bei entsprechender Auslegung der Vorrichtung und der Steuerung der Wirkvorrichtung eine elektromagnetische Kraft bewirkt werden kann, die für eine Änderung des Lenkwinkels ausreicht. Die Wirkvorrichtung kann auch zwischen verschiedenen Ansteuerzuständen geschaltet werden, so dass sich im zeitlichen Verlauf Kraftbeaufschlagungen mit verschieden großen Beträgen und/oder in verschiedene Richtungen ergeben. Dadurch kann eine wechselnde Verlagerung der Lenkeinrichtung oder in Teilen davon ausgelöst werden, insbesondere in Form eines Vibrierens, Oszillierens, Rütteins oder Schütteins, die vom Fahrzeugführer wahrnehmbar ist, insbesondere indem er durch seine das

Lenkrad führende Hand diese wechselnde Verlagerung fühlt/spürt. Die letztgenannte Variante der Signalisierung hat zudem den Vorteil, dass die von der Vorrichtung ausgehende Warnfunktion für weitere Fahrzeuginsassen im Wesentlichen unbemerkt bleibt, so dass das Warnsignal in Situationen, in denen der Fahrzeugführer beispielsweise die Spur bewusst verläset oder bewusst eine Linie überfährt, nicht ein unnötiges

Unsicherheitsgefühl bei den Fahrzeuginsassen hervorruft. Es sei darauf hingewiesen, dass die wechselnde Verlagerung auch mit einer gezielten Beaufschlagung zur Änderung des Lenkwinkels kombiniert werden kann. Dadurch wird der Fahrer auf eine mögliche Gefahrensituation hingewiesen und gleichzeitig die zur Verringerung oder Abwehr der Gefahr erforderliche Änderung des Lenkwinkels vorgenommen. Die Ausgestaltung des

Gegenelements kann auf vielfältige Weise erfolgen, solange die von der Wirkvorrichtung erzeugte elektromagnetische Kraft zur Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung führt. Falls die Lenkeinrichtung bereits über einen elektromagnetisch beeinflussbaren Bereich (oder mehrere) verfügt, so kann auf ein zusätzliches Gegenelement verzichtet werden, da das Gegenelement im Sinne der Erfindung dann bereits in der Lenkeinrichtung realisiert ist, das heißt der Lenkeinrichtung zugehörig ist.

Vorteilhafterweise ist die Wirkvorrichtung einer Lenksäule der Lenkeinrichtung zugeordnet und ist das Gegenelement an der Lenksäule angeordnet oder ihr zugehörig. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige Anordnung der Vorrichtung. So kann die

- A -

Wirkvorrichtung in ein existierendes Schaltermodul integriert werden. Eine Kraftbeaufschlagung wirkt dann bevorzugt als ein Drehmoment auf die Lenksäule.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die elektrische Speisung der Induktionsanordnung aus einem Energiespeicher, insbesondere aus einem Kondensator, mit einer auf eine maximal gewünschte Wirkung der Vorrichtung abgestimmten

Kapazität. Somit kann sichergestellt werden, dass die Vorrichtung -auch im Fehlerfall- nur eine begrenzte Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung bewirken kann. Dabei können insbesondere eine maximale Zeitdauer von einer Sekunde bis fünf Sekunden, bevorzugt von ca. drei Sekunden, und/oder eine maximale Änderung des Lenkwinkels von 10 bis 50 Grad, bevorzugt 30 Grad, vorgesehen werden.

Mit Vorteil weist die Vorrichtung eine den Ladezustand des Energiespeichers überwachende Ladekontrolleinrichtung auf. Es kann dabei einerseits überwacht werden, ob der Ladezustand für die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung ausreicht und andererseits, ob der maximal vorgegebene Spannungspegel des Energiespeichers eingehalten wird. Wird eine Abweichung vom Sollzustand ermittelt, so können Hinweise auf eine Fehlfunktion gegeben und/oder ein Abschalten der Vorrichtung durchgeführt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Induktionsanordnung mehrere Induktionselemente, insbesondere als Spulen ausgebildet, auf. Dies ermöglicht es, insbesondere bei einem zeitversetzten Schalten der Induktionselemente, vielfältige Muster der Kraftbeaufschlagung auf das Gegenelement wirken zu lassen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Induktionselemente entlang eines zur Lenksäule im Wesentlichen konzentrischen Kreisbogens angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kraftbeaufschlagung einer

Lenkeinrichtung, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erfindungsgemäß ein an der Lenkeinrichtung angeordnetes, mindestens einen elektromagnetisch beeinflussbaren Bereich aufweisendes Gegenelement von einer eine elektromagnetische Kraft erzeugenden Wirkvorrichtung verlagert wird.

Vorteilhafterweise führt das Gegenelement durch die Kraftbeaufschlagung eine rotatorische Verlagerung durch. Ist das Gegenelement an einer Lenksäule der Lenkeinrichtung angeordnet, dann kann sich das Gegenelement insbesondere auf einer Kreisbahn um die zentrale Achse der Lenksäule verlagern. Dabei ergibt sich ein besonders geeignetes Zusammenspiel mit der Wirkvorrichtung, wenn die

Induktionselemente entlang einer zweiten Kreisbahn um die zentrale Achse der Lenksäule und radial zumindest geringfügig vom Gegenelement beabstandet angeordnet sind. Der Begriff der rotatorischen Verlagerung ist dabei als eine, auch sehr geringe, Bewegung des Gegenelements auf einer zumindest ungefähren Kreisbahn zu verstehen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die rotatorische Verlagerung in wechselnde Richtungen. Dadurch lässt sich das zuvor erläuterte Vibrieren, Oszillieren, Rütteln oder Schütteln einfach realisieren.

Mit Vorteil wird mindestens ein der Wirkvorrichtung zugeordnetes Induktionselement, insbesondere eine Spule, von einer Steuer- oder Regeleinheit mit einem über der Zeit variierbaren Ansteuersignal angesteuert. Dadurch lassen sich vielfältige Muster der Kraftbeaufschlagung auf das Gegenelement realisieren. Insbesondere kann durch eine geeignete Bestromung, üblicherweise mehrerer Induktionselemente, eine kontinuierliche, gleichgerichtete Kraftbeaufschlagung, ähnlich des Wirkprinzips einer elektrischen

Maschine, und/oder die zuvor beschriebe wechselnde Verlagerung bewirkt werden. Werden mehrere Induktionselemente verwendet, was üblicherweise der Fall sein wird, so kann jedes über ein eigenes Ansteuersignal angesteuert werden oder auch eine gruppenweise Ansteuerung mehrerer Induktionselemente erfolgen.

Es ist vorteilhaft, wenn mindestens ein Verlauf des Ansteuersignals gespeichert ist. Somit können gewünschte Verläufe im Voraus bestimmt oder berechnet werden, so dass bei einer Aktivierung der Wirkvorrichtung lediglich der gespeicherte Verlauf abgerufen wird.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist mindestens ein Verlauf des

Ansteuersignals derart ausgestaltet, dass eine Abfolge mehrerer, mittels des Ansteuersignals hervorgerufener Kraftbeaufschlagungen in einem im Wesentlichen unveränderten Lenkwinkel der Lenkeinrichtung resultiert. Auf diese Weise kann der Fahrer über eine mögliche Gefahrensituation informiert werden, ohne dass ein effektiver Eingriff in die Lenkeinrichtung, insbesondere hinsichtlich des Lenkwinkels, erfolgt.

Mit Vorteil ist mindestens ein Verlauf des Ansteuersignals derart ausgestaltet, dass eine Abfolge mehrerer, mittels des Ansteuersignals hervorgerufener Kraftbeaufschlagungen in einem veränderten Lenkwinkel der Lenkeinrichtung resultiert. Dadurch kann eine Korrektur oder Vorkorrektur des Lenkwinkels erfolgen, um das Fahrzeug wieder in

Richtung des gewünschten Fahrzustands zu bewegen. Zudem kann das effektive Moment, welches die Lenkeinrichtung beeinflusst, dem Fahrer, der das mit der Lenkeinrichtung wirkverbundene Lenkrad festhält, einen Hinweis darauf geben, in welche Richtung der Lenkwinkel zu korrigieren ist. Droht beispielsweise das Fahrzeug die rechte Fahrspurbegrenzung zu überfahren, so kann durch ein Drehmoment, welches unter anderem am Lenkrad als Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn wirkt, dem Fahrer signalisiert werden, dass er weiter nach links fahren muss.

Vorteilhafterweise wird ein aufgrund der Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung erwarteter Lenkwinkel mit einem tatsächlichen Lenkwinkel verglichen. Dadurch lassen sich unerwartete Betriebsbedingungen erkennen und -je nach Bedarf- Gegenmaßnahmen einleiten.

Bevorzugt wird die Wirkvorrichtung wirkungslos geschaltet, wenn der Differenzbetrag zwischen erwartetem und tatsächlichem Lenkwinkel einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Es kann die Situation eintreten, dass die zentrale Überwachungseinrichtung des Kraftfahrzeugs die Notwendigkeit einer Korrektur des Lenkwinkels ermittelt und die Vorrichtung aktiviert, der Fahrer aber bewusst an der bestehenden Fahrsituation festhalten möchte, beispielsweise hat der Fahrer bewusst die Fahrspurbegrenzung überfahren. In dieser Situation hält der Fahrer das Lenkrad fest, so dass er der

Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung durch die Vorrichtung eine Kraft entgegensetzt. Dadurch wird die definierte Kraftbeaufschlagung nicht zu dem Lenkwinkel führen, der zu erwarten gewesen wäre. Da die Funktion der Vorrichtung dem Willen des Fahrers nachrangig bleiben muss, wird die Wirkvorrichtung im geschilderten Fall wirkungslos geschaltet.

Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Ladekontrolleinrichtung den Ladezustand eines der

Wirkvorrichtung zugeordneten Energiespeichers überwacht und bei Erkennung eines

Fehlerfalls die Wirkvorrichtung abschaltet und/oder den Energiespeicher entleert. Sollte der Ladezustand des Energiespeichers außerhalb eines Sollbereichs, insbesondere darüber

liegen, so wird die Wirkvorrichtung wirkungslos geschaltet. Im Falle einer zu großen Spannung des Energiespeichers könnte die Wirkvorrichtung sonst eine zu große Kraftbeaufschlagung bewirken.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die

Figur eine Vorrichtung zur Kraftbeaufschlagung einer Lenkeinrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kraftbeaufschlagung einer Lenkeinrichtung 10, hier über eine Lenksäule 12, aufweisend eine der Lenkeinrichtung 10 zugeordnete

Wirkvorrichtung 14 und ein an der Lenkeinrichtung 10 angeordnetes Gegenelement 16. Das Gegenelement 16 weist mindestens einen elektromagnetisch beeinflussbaren Bereich 18 auf, der entsprechend der zuvor allgemein beschriebenen Funktionsweise ausgebildet ist. Die Wirkvorrichtung 14 mit einer Induktionsanordnung 22, hier aus mehreren Induktionselementen 24 beziehungsweise Spulen 26 gebildet, übt bei entsprechender

Ansteuerung eine elektromagnetische Kraft auf das Gegenelement 16 und damit ein Drehmoment auf die Lenksäule 12 um die zentrale Achse 28 der Lenksäule 12 aus. Die Induktionselemente 24 sind entlang eines zur Lenksäule 12 im Wesentlichen konzentrischen Kreisbogens angeordnet und vom Gegenelement 16 beabstandet. Die elektrische Speisung der Induktionsanordnung 22 erfolgt aus einem Energiespeicher 30, der hier als Kondensator 32 ausgebildet ist, über eine Umrichtvorrichtung 34. Die Ladung des Kondensators 32 erfolgt mittels einer Ladeeinheit 36, die an eine Spannung U angeschlossen ist. Eine Steuereinheit 38, gegebenenfalls auch als Regeleinheit ausgeführt, wertet Signale aus einem Informationsübertragungssystem 40 aus, überwacht mittels einer integrierten Ladekontrolleinrichtung 42 den Ladezustand des Kondensators 32 und die Funktion der Ladeeinheit 36 und steuert im Bedarfsfall die Umrichtvorrichtung 34 über Steuerleitungen 44 an. Die Ladeeinheit 36 weist einen Schalter 46 auf, der zwischen einer ersten, mit einer durchgezogenen Linie dargestellten Stellung 48 und einer zweiten, mit einer gestrichelten Linie dargestellten Stellung 50 geschaltet werden kann. In der ersten Stellung 48 besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator 32

und der Umrichtvorrichtung 34, wobei Kondensator 32 und Umrichtvorrichtung 34 von der Spannung U abgekoppelt sind. (Die Spannungsversorgung wurde hier symbolisch erneut in der Ladeeinheit 36 dargestellt, um das Prinzip der Funktionsweise zu verdeutlichen). Im Vergleich dazu besteht in der zweiten Stellung 50 eine elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator 32 und der Spannungsversorgung, wobei die

Umrichtvorrichtung 34 sowohl von der Spannungsversorgung als auch vom Kondensator 32 abgekoppelt ist. Dies bedeutet, dass die Umrichtvorrichtung 34 immer nur aus dem Kondensator 32 mit begrenzter Kapazität gespeist werden kann und eine unkontrollierte Verbindung mit der Spannungsversorgung (Spannung U), die gewissermaßen eine nahezu unbegrenzte Energiequelle darstellt, ausgeschlossen ist. Die Funktionsweise der

Vorrichtung 1 wird nachfolgend beschrieben.

Initial wird über ein externes Signal der Ladevorgang des Kondensators 32 über die Ladeeinheit 36 angestoßen. Dabei befindet sich der Schalter 46 in der zweiten Stellung 50. Mit dem Erreichen einer vorgegebenen Sollspannung wird der Ladevorgang beendet und der Schalter 46 wird in die erste Stellung 48 bewegt. Die Vorrichtung 1 ist nun betriebsbereit. Erfasst die Steuereinheit 38 aus dem Informationsübertragungssystem 40 ein Signal, welches die Aktivität der Vorrichtung 1 anfordert, steuert die Steuereinheit 38 über die Steuerleitungen 44 die Umrichtvorrichtung 34 an. Dabei erfolgt die Ansteuerung anhand von in der Steuereinheit 38 gespeicherten Verläufen beziehungsweise

Signalfolgen. Die Steuereinheit 38 kann auch auf unterschiedliche Situationen mit verschiedenen Signalfolgen reagieren. Die Funktion einer Umrichtvorrichtung 34 ist an sich bekannt und soll nicht näher erläutert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird mittels geeigneter Schaltanordnungen in der Umrichtvorrichtung 34 aus einer Gleichspannung U ₌ eine Wechselspannung, hier ein Drehstrom U=, erzeugt. Dadurch wird an der Lenksäule 12 eine Schüttelbewegung bewirkt, die wahlweise ein resultierendes Restmoment zur Lenkwinkelkorrektur ergibt. Nur ein gezieltes Ansteuern der Spulen 26 ergibt ein solches Restmoment, so dass beispielsweise in den Fehlerfällen einer zufälligen Ansteuerung oder bei einem Verharren der Signalfolgen auf einem festen Pegel kein kontinuierliches Restmoment auftritt.

Zusammengefasst, zeichnet sich die Erfindung insbesondere durch folgende Vorteile aus:

• Bei deaktivierter Vorrichtung 1 ergibt sich gegenüber einer Lenkeinrichtung 10 ohne eine Vorrichtung 1 ein unverändertes Lenkgefühl.

• Durch die indirekte Speisung der Wirkvorrichtung 14 hält sich die maximal mögliche Kraftbeaufschlagung in definierten Grenzen.

• Da zu keinem Zeitpunkt die Umrichtvorrichtung 34 direkt an die Spannung U angeschlossen ist, kann die Spannung U nie eine direkte Bestromung der Spulen 26 bewirken.

• Die Ladekontrolle stellt sicher, dass der Energiespeicher 30 nur auf einen definierten Pegel geladen wird.

• Eine effektive Kraftbeaufschlagung der Lenkeinrichtung 10 erfolgt nur bei gezielten Bestromungsmustern der Spulen 26. Eine zufällige oder zeitlich invariante Bestromung führt nicht zu einer kontinuierlichen Kraftbeaufschlagung.

Es handelt sich also um eine sehr sichere Vorrichtung 1, die bei Inaktivität unbemerkt bleibt.