DE10142366B4

DE10142366B4 - Verfahren und Vorrichtung für ein aktives Lenkungssystem

Info

Publication number: DE10142366B4
Application number: DE10142366.7A
Authority: DE
Inventors: Barbara Neef; Stefan Berkner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: DE10142366A1

Abstract

Vorrichtung (1) für ein aktives Lenkungssystem, umfassend ein Überlagerungsgetriebe (3), ein mit dem Überlagerungsgetriebe (3) verbundener Motor (5), eine Steuer- und Leistungselektronik (7) zur Ansteuerung des Motors (5) und ein mit der Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes (3) verbundenes Lenkgetriebe (4) zur Auslenkung von Spurstangen, wobei mittels eines zweiten Motors (6) ein Gegenmoment erzeugbar ist, dass mindestens partiell ein von dem ersten Motor (5) erzeugtes zusätzliches Lenkradmoment kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Motor (6) dem Lenkgetriebe (4) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein aktives Lenkungssystem gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren für ein aktives Lenkungssystem.
Ein derartiges aktives Lenksystem ist aus der DE 40 31 316 A1 bekannt. Der vom Fahrer am Lenkrad eingestellte Lenkradwinkel δL liegt einem Eingang eines Überlagerungsgetriebes an. Aus von der Fahrsituation und von der Umgebungssituation abhängigen Signalen ermittelt eine Steuer/Regeleinheit einen Zusatzlenkwinkel δM und führt einem elektrischen Stellmotor einem entsprechenden Ansteuerstrom zu. Der Zusatzlenkwinkel δM liegt dem anderen Eingang des Überlagerungsgetriebes an. Ausgangsseitig erzeugt das Überlagerungsgetriebe einen überlagerten Lenkwinkel δL' für die gelenkten Räder, so daß dieser unabhängig von dem am Lenkrad eingestellten Lenkradwinkel δL verändert werden kann. Ein Lenkgetriebe setzt den überlagerten Winkel δL' in eine entsprechende Bewegung der Lenkwelle um. Mit einem derartigen aktiven Lenksystem können verschiedene Funktionen, die die Fahrdynamik, Fahrsicherheit sowie das Fahrzeugverhalten verbessern, realisiert werden. Eine kraftunterstützende Funktion wie bei einer Servolenkung kann damit nicht erreicht werden. Der vom Fahrer vorgegebene Lenkradwinkel δL soll sich nicht verändern und das Lenkrad seine Position beibehalten. Im Überlagerungsgetriebe wird mechanische Leistung mit fest vorgegebenen Drehmomentverhältnis bzw. Kraftverhältnis aber freien Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten summiert. Das vom Stellmotor aufgebrachte Drehmoment muß am Lenkrad abgestützt werden, damit es in Richtung des Lenkgetriebes geleitet wird. Wird dieses Drehmoment am Lenkrad nicht oder nur teilweise abgestützt, beginnt sich das Lenkrad anstatt der Räder zu verdrehen. Es ist deshalb notwendig, daß das Lenkrad während eines Eingriffs des Stellmotors nicht vom Fahrer losgelassen wird. Das vom Fahrer abzustützende, auf das Lenkrad rückwirkende Motormoment ist von der Beschleunigung des Stellmotors und den vorhandenen Massenträgheiten abhängig. Das abzustützende Moment ist vom Fahrer ab einem Gewissen Betrag spürbar. Dieses spürbare Moment verschlechtert den subjektiven Fahreindruck des Fahrers. Das sehr gute subjektive Lenkgefühl konventioneller Lenksysteme darf durch den Einsatz von elektronischen Lenksystemen mit Übertragungsgetriebe jedoch nicht verschlechtert werden.
Aus der DE 199 05 433 A1 ist ein Verfahren zur Verminderung der Rückwirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeuges bei einem durch einen elektrischen Stellmotor angetriebenen aktiven Lenksystem, welches einem vom Fahrer am Lenkrad vorgegebenen Lenkradwinkel (δL) einen Zusatzlenkwinkel (δM) mittels eines Überlagerungsgetriebes überlagert, bekannt, wobei ein erster Erkennungsschritt vorgesehen ist, der erkennt, ob ein Sollwertsprung des Zusatzlenkwinkels (δM) auftritt, daß ein zweiter Erkennungsschritt vorgesehen ist, der, wenn der erste Erkennungsschritt ergibt, daß ein Sollwertsprung des Zusatzwinkels (δM) auftritt erkennt, ob eine fahrdynamisch kritische Situation vorliegt oder nicht, oder daß ein Begrenzungsschritt vorgesehen ist, der die Stärke des vom elektrischen Stellmotors auf das Überlagerungsgetriebe übertragenen Stellmoments abhängig vom Ergebnis des zweiten Erkennungsschritts derart begrenzt, daß das Stellmoment bei einer fahrdynamisch unkritischen Situation verringert und bei einer fahrdynamisch kritischen Situation vergrößert wird. Vorzugsweise wird die Begrenzung des Motormomentes des elektrischen Stellmotors durch die Begrenzung der Stärke des dem Stellmotor zugeführten Motorstroms ausgeführt. Dieses Verfahren vermindert zwar die aus der DE 40 31 316 A1 bekannten Probleme, führt aber immer noch zu gegebenenfalls irritierenden Momenten am Lenkrad, was in Extremsituationen dazu führen kann, daß der Kraftfahrzeugführer aufgrund der Irritation einen gefährlichen Lenkeingriff durchführt.
Aus der DE 199 57 984 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung für ein aktives Lenkungssystem bekannt, umfassend ein Überlagerungsgetriebe, ein mit dem Überlagerungsgetriebe verbundener Motor, eine Steuer- und Leistungselektronik zur Ansteuerung des Motors und ein mit der Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes verbundenes Lenkgetriebe zur Auslenkung von Spurstangen, wobei mittels eines zweiten Motors ein Gegenmoment erzeugbar ist, das mindestens partiell ein von dem ersten Motor erzeugtes zusätzliches Lenkradmoment kompensiert.
Aus der DE 197 45 733 B4 ist eine Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einem Lenkrad, das über eine Lenkspindel mit einem Lenkgetriebemechanismus verbunden ist, welcher letztlich mit den zu lenkenden Rädern verbundene Spurstangen verschiebend antreibt, um einen vom Fahrer am Lenkrad vorgegebenen Radeinschlag zu erzeugen. Das Gehäuse des Lenkgetriebemechanismus ist zur Überlagerung eines fahrerunabhängigen Radeinschlags mittels einer Stelleinrichtung in Bewegungsrichtung der Spurstangen verschiebbar, wobei eine an der Lenkspindel karosseriefest angeordnete Kompensationseinrichtung vorgesehen ist, die ein Kompensations-Drehmoment auf das Lenkrad überträgt. Die Kompensationseinrichtung wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der aktuellen Stellgröße der Stelleinrichtung angesteuert, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung von einer Sensorik angesteuert wird, die jeweils einen Sensor zum Erfassen eines Drehmoments und eines Lenkwinkels am Lenkrad entsprechend der aktuellen Stellgröße der Stelleinrichtung aufweist.
Der Erfindung liegt daher das technischen Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein aktives Lenkungssystem zu schaffen, mittels derer die Verminderung der Momentenrückwirkungen auf das Lenkrad verbessert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu wird mittels eines zweiten Motors ein Gegenmoment erzeugt, das mindestens partiell das von dem ersten Motor erzeugte zusätzliche Lenkradmoment kompensiert. Die Grundidee dabei ist, daß bei einem System mit zwei Freiheitsgraden, nämlich Spurstangenposition und Lenkradwinkel, und zwei Antrieben durch eine geeignete Regelung das resultierende Moment am Lenkrad frei einstellbar ist. Der erste und/oder zweite Motor können dabei als Elektromotor oder anderer geeigneter Antrieb ausgebildet sein, wie beispielsweise als hydraulischer Antrieb.
Dabei kann das zu kompensierende Moment nutzerindividuell oder vom Hersteller angepasst auf das erzeugte Zusatzmoment angepaßt werden, wobei vorzugsweise das Zusatzmoment vollständig kompensiert wird, so daß der Fahrer am Lenkrad nichts von den aufgeprägten Zusatzlenkwinkeln und den daraus resultierenden Lenkradmomenten spürt.
Dies ist insbesondere bei Anwendungen vorteilhaft, wo der Zusatzlenkwinkel zur Verbesserung der Fahrdynamik aufgeprägt wird, da ansonsten der Fahrer nahezu permanent Zusatzmomente am Lenkrad ausgleichen müßte, die er sich aus seinem eigenen Fahrverhalten nicht erklären könnte.
Da die Kompensation der Lenkmomente keinen Einfluß auf den Lenkwinkel haben darf und nur das Moment am Lenkrad kompensiert werden soll, wird der zweite Motor vorzugsweise dem Lenkgetriebe zugeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der zweite Motor darüber hinaus zusätzlich kraftunterstützend wirken in der Art eines Servomotors. Hierbei ist jedoch abzuschätzen, wie groß der Aufwand zur Auslegung des zweiten Motors im Vergleich zur erzielbaren Kraftunterstützung ist.
Die Ansteuerung des zweiten Motors kann bei vorhandener Sensorik als echte Regelung ausgebildet sein oder aber aus den Steuergrößen des ersten Motors abgeleitet werden, da sich die erzeugten Momente durch den ersten Motor leicht aus den elektrischen Größen berechnen lassen, wenn dieser als Elektromotor ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung für ein aktives Lenkungssystem.
Die Vorrichtung 1 für ein aktives Lenkungssystem umfaßt ein Lenkrad 2, ein Überlagerungsgetriebe 3, ein Lenkgetriebe 4, einen ersten Motor 5, einen zweiten Motor 6 und eine Leistungselektronik 7. Der Leistungselektronik 7 ist ein Speicher 8 zugeordnet, in dem ein Fahrzeug- und/oder Umgebungsmodell abgespeichert ist. Der Leistungselektronik 7 werden zusätzlich die Signale Lenkradmoment und Lenkradwinkel von einem Sensormodul 9 zugeführt. Des weiteren werden der Leistungselektronik weitere fahrdynamische Größen zugeführt wie beispielsweise die Gierrate. Ebenso werden die am Lenkgetriebe 4 erfaßten Ist-Werte wie beispielsweise Spurstangenkraft und -position bzw. Lenkwellenmoment und -position an die Leistungselektronik 7 übermittelt. Der erste Motor 5 ist mit dem Überlagerungsgetriebe 3 und der zweite Motor 6 ist mit dem Lenkgetriebe 4 verbunden. Das Lenkgetriebe 4 ist über die Spurstangen mit den Rädern 10 verbunden.
Der vom Fahrer eingestellte Lenkradwinkel δL liegt an einem ersten Eingang des Überlagerungsgetriebes 3 an, das vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet ist. Aus von der Fahrsituation und von der Umgebungssituation abhängigen Signalen ermittelt die Leistungselektronik 7 anhand der im Speicher 8 abgelegten Modelle eines Zusatzlenkwinkels δM. Zur Erzeugung dieses Zusatzlenkwinkels wird der erste Motor 5 entsprechend mit einem Steuerstrom i₁ angesteuert, der dann an der Antriebswelle den Zusatzlenkwinkel δM auf einen zweiten Eingang des Überlagerungsgetriebes 3 gibt. Am Ausgang des Überlagerungsgetriebes 3 liegt dann der überlagerte Lenkwinkel δL'. Das Lenkgetriebe 4 setzt dann diesen überlagerten Lenkwinkel δL' in eine entsprechende Bewegung der Lenkwelle bzw. Spurstange um. Dieser zusätzliche Lenkwinkel δM verursacht eine Rückwirkung über das Überlagerungsgetriebe 3 auf das Lenkrad 2 und erzeugt dort ein entsprechendes Zusatzmoment. Zur Kompensation dieses unerwünschten Zusatzmomentes dient nun der zweite Motor 6, der über das Lenkgetriebe 4 ein entgegengesetztes Moment auf die Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes 3 überträgt, so daß das am Lenkrad resultierende Moment ausschließlich durch den eingeschlagenen Lenkwinkel δL verursacht wird. Die Erzeugung des Gegenmomentes durch den zweiten Motor 6 kann dabei durch einen Regelkreis oder durch eine einfache Steuerung erfolgen. Bei der Regelung wird hierzu die Spurstangenkraft oder das Lenkwellenmoment auf die Leistungselektronik 7 zurückgeführt und mit einem Sollwert verglichen. Dieser Sollwert stellt die Spurstangenkraft bzw. Lenkwellenmoment bei dem Lenkwinkel δL ohne Zusatzlenkwinkel δM dar. Alternativ kann das resultierende Lenkmoment über den Sensor 9 an die Leistungselektronik 7 übergeben und ausgeregelt werden. Bei der Steuerung hingegen wird das zusätzliche Lenkmoment berechnet. Dabei wird ausgenutzt, daß das Moment des Motors 5 von der Stromstärke i₁ abhängig ist. Da die Leistungselektronik 7 die Stromstärke i₁ kennt, ist auch das zusätzliche Moment näherungsweise bekannt, so daß entsprechend der zweite Motor 6 angesteuert werden kann, um das kompensierende Moment zu erzeugen.

Claims

Vorrichtung (1) für ein aktives Lenkungssystem, umfassend ein Überlagerungsgetriebe (3), ein mit dem Überlagerungsgetriebe (3) verbundener Motor (5), eine Steuer- und Leistungselektronik (7) zur Ansteuerung des Motors (5) und ein mit der Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes (3) verbundenes Lenkgetriebe (4) zur Auslenkung von Spurstangen, wobei mittels eines zweiten Motors (6) ein Gegenmoment erzeugbar ist, dass mindestens partiell ein von dem ersten Motor (5) erzeugtes zusätzliches Lenkradmoment kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Motor (6) dem Lenkgetriebe (4) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenmoment frei einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenmoment das zusätzliche Lenkradmoment vollständig kompensiert.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Motors (6) ein kraftunterstützendes Moment dem Lenkgetriebe (4) aufprägbar ist.
Verfahren zur aktiven Lenkunterstützung, mittels eines aktiven Lenkungssystems nach Anspruch 1, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Berechnen eines Zusatzwinkels durch die Steuer- und Leistungselektronik (7) anhand fahrzeugdynamischer Zustandsgrößen, b) Generieren eines Steuersignals für den ersten Motor (5) zur Erzeugung eines Zusatzlenkwinkels und c) Generieren eines Steuersignals für den zweiten Motor (6) zur Erzeugung eines Gegenmomentes, das das durch den ersten Motor (5) erzeugte zusätzliche Moment am Lenkrad (2) mindestens partiell kompensiert.