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Die
Erfindung betrifft ein Lenksystem mit einem Lenkrad, das über eine
Lenkwelle mechanisch mit einem Lenkgetriebe verbunden ist, das lenkbare Fahrzeugräder abhängig von
einer Drehbewegung der Lenkwelle am Lenkgetriebeeingang des Lenkgetriebes
zur Einstellung des Lenkwinkels auslenkt, und mit einer Stelleinrichtung,
die ein Stellmoment auf das Lenksystem aufbringt, um das am Lenkrad anliegende
Lenkradmoment zu variieren, wobei eine das Stellmoment beschreibende
Ansteuergröße parameterabhängig in
einer Steuereinheit bestimmt wird.
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Ein
derartiges Lenksystem ist beispielsweise in
EP 0 308 259 A1 beschrieben. Über einen
Elektromotor wird eine zusätzliche
Lenkkraft auf die Zahnstange eines Lenkgetriebes aufgebracht, wobei
die zusätzliche
Lenkkraft von dem dem Elektromotor zugeführten Strom abhängt. Ein
Momentensensor erfasst das an der Lenkwelle anliegende Lenkradmoment. Über einen
Gewichtssensor wird das Fahrzeuggewicht erfasst. Die vom Elektromotor
zur Verfügung
gestellte zusätzliche
Lenkkraft wird abhängig vom
erfassten Lenkradmoment und vom erfassten Fahrzeuggewicht eingestellt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
die im Lenksystem beim Betrieb des Fahrzeugs durch Verschleiß verursachte
Veränderung
des Lenkgefühls
zu minimieren.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Hierfür ist vorgesehen,
dass in der Steuereinheit eine den Verschleiß des Lenksystems beschreibende
Verschleißcharakteristik
vorgegeben ist, die bei der Bestimmung des Stellmoments berücksichtigt
wird. Dadurch wird das eingestellte Stellmoment an den aktuellen
Verschleißzustand
des Lenksystems angepasst und das Lenkgefühl für den Fahrer bleibt über die
gesamte Lebenszeit des Fahrzeugs im Wesentlichen unverändert.
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Als
Verschleißcharakteristik
kann jede beliebige Form der Ermittlung oder Schätzung des Verschleißzustandes
aus einer oder mehreren das Lenkverhalten beschreibenden Größen und/oder
Parametern dienen, beispielsweise eine Kennlinie, ein Kennfeld,
eine Funktion, ein Modell oder dergleichen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Lenksystems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Vorteilhafterweise
hängt die
Verschleißcharakteristik
von der bisherigen Lebensdauer des Lenksystems oder des Fahrzeugs
ab, insbesondere von der bisherigen Betriebsauer des Lenksystems
oder des Fahrzeugs und/oder von der bisherigen Laufleistung des
Fahrzeugs. Je länger
die bisherige Lebensdauer des Fahrzeugs und damit des Lenksystems
ist, desto größer ist
der Verschleiß,
so dass das Stellmoment über
die Verschleißcharakteristik
entsprechend angepasst werden muss. Der abhängig von der Lebensdauer auftretende
Verschleiß kann
in Versuchsfahrten mit Versuchsfahrzeugen empirisch ermittelt werden.
Daraus kann die Verschleißcharakteristik abgeleitet
und in der Steuereinheit abgespeichert werden. Die bisherige Lebensdauer
kann dabei sehr einfach gemessen werden, beispielsweise in Form der
bisherigen Betriebsdauer und/oder der bisherigen Laufleistung des
Fahrzeugs.
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Es
ist ferner von Vorteil, wenn die Verschleißcharakteristik abhängig von
Verschleißparametern wie
der Bauart des Lenksystems und/oder von mindestens einer das Fahrzeug
charakterisierenden Fahrzeuggröße und/oder
von der Fahrzeugeinsatzart vorgegeben ist. Entsprechende Angaben
können
in der Steuereinheit abgelegt sein. Beispielsweise kann die Verschleißcharakteristik
davon abhängen,
ob es sich um eine Zahnstangenlenkung oder eine Kugelumlauflenkung
handelt, wie schwer das Fahrzeug ist, wie viele lenkbare Achsen
vorhanden sind, ob das Fahrzeug im Fernverkehr, im Verteilerverkehr
oder im Baustellenverkehr eingesetzt wird, etc. Durch die Berücksichtigung
dieser Parameter ist eine genauere Prognose des Verschleißes über die
Lebensdauer des Fahrzeugs möglich
und damit auch eine exaktere Anpassung des Stellmoments an den aktuellen
Verschleißzustand
des Lenksystems.
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Die
Verschleißcharakteristik
kann als Kennfeld in der Steuereinheit abgespeichert sein. In Versuchsfahrten
empirisch ermittelte Verschleißwerte und
die sich daraus ergebende Anpassung des Stellmoments können in
Form eines Kennfeldes auf sehr einfacher Weise in der Steuereinheit
vorgegeben werden.
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Es
ist außerdem
möglich,
das Stellmoment abhängig
von einem oder mehreren der folgenden Parameter zu bestimmen:
- – Lenkradwinkel,
- – Lenkradwinkelgeschwindigkeit,
- – Lenkradwinkelbeschleunigung,
- – Lenkradmoment,
- – Lenkradmomentenänderung,
- – Fahrzeuglängsgeschwindigkeit.
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Das
Lenkgefühl
wird dadurch an den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs angepasst.
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Eine
einfach zu realisierende Ausführungsform
ergibt sich durch eine elektromechanische Stelleinrichtung, die
insbesondere von einem Elektromotor gebildet ist. Das Stellmoment
kann dabei ohne großen
konstruktiven Aufwand durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung
der Stelleinrichtung wunschgemäß eingestellt
werden.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Lenksystems
anhand der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische, blockschaltbildartige Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
Lenksystems und
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2 ein
Beispiel einer Prinzipdarstellung eines Kennfeldes einer Verschleißcharakteristik
V über
der Laufleistung S des Fahrzeugs und abhängig von einem Verschleißparameter
E.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Lenksystems 5 weist ein Lenkrad 6 auf, das über eine Lenkwelle 7 mit
dem Lenkgetriebeeingang 8 eines Lenkgetriebes 9 mechanisch
verbunden ist. Die Drehbewegung der Lenkwelle 7 wird im
Lenkgetriebe 9 in eine translatorische Bewegung zur Einstellung des
Lenkwinkels an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 umgesetzt.
Ein Hydroaggregat 11 ist hydraulisch mit dem Lenkgetriebe 9 verbunden,
um das Auslenken der lenkbaren Fahrzeugräder 10 durch eine
hydraulische Kraft durchzuführen
bzw. zu unterstützen.
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Eine
elektrisch ansteuerbare Stelleinrichtung 15 dient dazu,
ein Stellmoment auf die Lenkwelle 7 aufzubringen, um das
am Lenkrad 6 anliegende Lenkradmoment LM zu variieren.
Insbesondere wird das Lenkradmoment LM parameterabhängig eingestellt,
um dem Fahrer in jeder Fahrsituation ein gutes Lenkgefühl zu vermitteln.
Des Weiteren bietet die Stelleinrichtung 15 die Möglichkeit,
Assistenzfunktionen zu realisieren. Der Fahrer kann in bestimmten Fahrsituationen
durch ein entsprechend eingestelltes Lenkradmoment LM unterstützt werden,
beispielsweise in kritischen Fahrsituationen, um das Fahrzeug wieder
zu stabilisieren. Ferner ist mit Hilfe der Stelleinrichtung 15 auch
eine autonome Lenkfunktion durchführbar, z.B. während Parkiermanövern des Fahrzeugs,
wenn der Fahrer das Lenkrad 6 freigibt. Der Betrag des
Stellmoments wird dabei stets nur so gewählt, dass der Fahrer das Lenkrad 6 auch
gegen das anliegende Lenkradmoment LM festhalten bzw. drehen kann,
so dass er immer die Hoheit über
das Lenken des Fahrzeugs behält.
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Bei
dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
ist die Stelleinrichtung 15 elektromechanisch ausgeführt und
beispielsgemäß von einem
Elektromotor 16 gebildet. Der Elektromotor 16 ist
als Innenläufermotor
realisiert und koaxial zur Lenkwelle 7 angeordnet. Der
Rotor 17 ist drehfest mit der Lenkwelle 7 verbunden.
Der Stator 18 des Elektromotors 16 ist radial
weiter außen
um den Rotor 17 herum angeordnet und kann sich am Fahrzeugaufbau
bzw. an der Fahrzeugkarosserie abstützen.
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Es
versteht sich, dass alternativ zu den beschriebenen elektromechanischen
Stelleinrichtung 15 auch eine hydraulische Stelleinrichtung
verwendet werden könnte.
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Im
Bereich zwischen dem Lenkrad 6 und dem Elektromotor 16 ist
an der Lenkwelle 7 ein Stellungssensor 20 vorgesehen,
der eine die Lenkradstellung beschreibende Lenkradstellungsgröße erfasst,
beispielsgemäß den Lenkradwinkel
LW. Auf der dem Stellungssensor 20 entgegengesetzten Seite
des Elektromotors 16 ist ein Momentensensor 21 an
der Lenkwelle 7 angeordnet, der eine Lenkradmomentengröße ermittelt,
die das am Lenkrad 6 herrschende Lenkradmoment LM beschreibt.
Im vorliegenden Fall ist die Lenkradmomentengröße vom Lenkradmoment LM gebildet.
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In
Abwandlung zum beschriebenen Ausführungsbeispiel könnte der
Momentensensor 21 auch neben dem Stellungssensors 20 zwischen
dem Lenkrad 6 und dem Elektromotor 16 angeordnet
sein.
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Eine
Steuereinheit 25 dient zur Bestimmung einer Ansteuergröße IM für die Ansteuerung
des Elektromotors 16. Als Ansteuergröße IM dient hier der Statorstrom, über den
das vom Elektromotor 16 auf die Lenkwelle 7 ausgeübte Stellmoment
eingestellt werden kann.
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Zur
Bestimmung der Ansteuergröße IM und mithin
des vom Elektromotor aufzubringenden Stellmoments werden der Steuereinheit 25 beispielsgemäß der Lenkradwinkel
LW und/oder das Lenkradmoment LM als wenigstens eine Eingangsgröße zugeführt. Darüber hinaus
können
der Steuereinheit 25 weitere Fahrzeugparameter P von einer
Ermittlungseinheit 26 als weitere Eingangsgrößen zur
Verfügung gestellt
werden. Die Ansteuergröße IM kann
neben dem Lenkradwinkel LW und dem Lenkradmoment LM abhängig von
einem oder mehreren Fahrzeugparametern P wie der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und/oder
der Giergeschwindigkeit und/oder der Gierbeschleunigung und/oder
der Querbeschleunigung und/oder dem Fahrbahnreibwert und/oder weiteren im
Fahrzeug verfügbaren,
den Fahrzustand des Fahrzeugs beschreibenden Größen berechnet werden. In der
Steuereinheit 25 können
aus den übermittelten
Eingangsgrößen auch
weitere Größen abgeleitet
und bei der Ermittlung der Ansteuergröße IM berücksichtigt werden. Solche abgeleitete
Größen können beispielsweise
die Lenkradwinkelgeschwindigkeit und/oder die Lenkradwinkelbeschleunigung und/oder
die Lenkradmomentenänderung
sein.
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In
der Steuereinheit 25 wird mittels einer Berechnungsfunktion
F abhängig
von der wenigstens einen Eingangsgröße eine Ausgangsgröße IF ermittelt,
die als Ausgangswert für
die weitere Ermittlung der Ansteuergröße IM dient. In der Steuereinheit 25 ist
eine Verschleißcharakteristik
V abgespeichert mittels der aus der Ausgangsgröße IF die Ansteuergröße IM für den Elektromotor 16 bestimmt
wird. Die Verschleißcharakteristik
V beschreibt den Verschleißzustand
des Lenksystems abhängig
von der Lebensdauer des Fahrzeugs. Um die verschleißbedingte
Veränderung
der Lenkcharakteristik zu kompensieren oder zumindest zu reduzieren,
wird der Ausgangswert IF durch die Verschleißcharakteristik modifiziert
und dann als Ansteuergröße IM für den Elektromotor 16 zur
Erzeugung des entsprechenden Stellmoments ausgegeben.
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Durch
den während
des Betriebs des Fahrzeugs auftretenden Verschleiß im Lenksystem 5 reduziert
sich die mechanische Reibung – beispielsweise
im Lenkgetriebe 9 – und
das vom Fahrer in gleichen Fahrsituationen aufzubringende Lenkradmoment
LM nimmt mit zunehmendem Verschleiß ab. Die vorgegebene Verschleißcharakteristik
V trägt diesem
Umstand Rechnung, in dem der berechnete Ausgangswert IF mit zunehmender
Lebensdauer des Fahrzeugs durch die Verschleißcharakteristik reduziert wird.
Abhängig
vom Lenkradwinkel LW kann diese Reduzierung variieren, da in der Regel
der Verschleiß im
Bereich der Geradeausstellung, also im der Ausgangslage des Lenkrades 6 entsprechenden Bereich,
stärker
ist, als bei betragsmäßig großen Lenkradwinkeln,
da diese beim Fahren des Fahrzeugs weniger oft eingestellt werden.
Des Weiteren ist der lebensdauerabhängige Verschleiß auch davon abhängig, ob
das Fahrzeug im Fernverkehr, im Verteilerverkehr oder im Baustellenverkehr
eingesetzt wird. Die Einsatzart des Fahrzeugs kann daher als Verschleißparameter
in der Steuereinheit 25 abgespeichert werden. Weitere den
Verschleiß beeinflussende
Verschleißparameter,
wie das Fahrzeuggewicht oder die Bauart des Lenksystems oder dergleichen,
können
ebenfalls in der Steuereinheit 25 abgelegt sein. Abhängig von
den vorgegebenen Verschleißparametern
und der bisherigen Lebensdauer des Fahrzeugs wird dann durch die
Verschleißcharakteristik
V aus der Ausgangsgröße IF die
Ansteuergröße IM ermittelt.
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Die
Ermittlungseinheit 26 übermittelt
der Steuereinheit 25 hierfür die bisherige Lebensdauer des
Fahrzeugs. Die bisherige Lebensdauer des Fahrzeugs kann durch die
bisherige Laufleistung S und/oder die bisherige Gesamtbetriebsdauer
des Fahrzeugs angegeben sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die bisherige Laufleistung S, also die bisher zurückgelegte
Gesamtfahrstrecke des Fahrzeugs übermittelt.
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Die
Verschleißcharakteristik
V ist beispielsgemäß in Form
eines verschleißparameterabhängigen Kennfeldes
in der Steuereinheit 25 abgespeichert. Das Kennfeld kann
dadurch ermittelt werden, dass der Verschleiß und die sich daraus ergebende Veränderung
des Lenkradmoments – bezogen
auf gleiche Fahr- bzw.
Lenksituationen – während Versuchsfahrten
in Versuchsfahrzeugen erfasst und daraus das die Verschleißcharakteristik
bildende Kennfeld abgeleitet wird. Beispielsweise können Lenkradmomentenmessungen
in bestimmten, definierten Fahrsituationen mit Neufahrzeugen und
dann alle 100.000 km oder 200.000 km bis zu einer Laufleistung S
von etwa 1 Million km durchgeführt
werden. Daraus kann dann abgleitet werden, wie der Ausgangswert
durch die Verschleißcharakteristik
V zu verändern
ist, um die verschleißbedingten
Auswirkungen auf das aufzubringende Lenkradmoment LM zumindest im
Wesentlichen auszugleichen. Hieraus ergibt sich das die Verschleißcharakteristik
V darstellende Kennfeld.
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In 2 ist
ein Beispiel für
ein Kennfeld der Verschleißcharakteristik
V über
der bisherigen Laufleistung S des Fahrzeugs aufgetragen, wobei das
gezeigte Beispiel nur als qualitative Prinzipdarstellung zu verstehen
ist.
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Für das in 2 gezeigte
Verschleißcharakteristik
gilt folgende Beziehung zur Berechnung der Ansteuergröße IM: IM = IF·V(S,
E).
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Die
Verschleißcharakteristik
V ist demnach ein Verschleißfaktor
zur Anpassung der berechneten Ausgangsgröße IF abhängig von der Laufleistung S und
einem beispielhaft ausgewählten
Verschleißparameter
E. Der Verschleißparameter
E stellt hier die Einsatzart des Fahrzeugs dar und kann drei Werte E1,
E2 oder E3 annehmen. Das Fahrzeug E1 wird im Fernverkehr eingesetzt
und hat daher einen geringen Verschleiß am Lenksystem 5 über die
Laufleistung S. Der Verschleißparameter
E2 steht für
ein im Verteilerverkehr eingesetztes Fahrzeug, wobei der Verschleiß des Lenksystems 5 höher ist
als bei einem in Fernverkehr eingesetzten Fahrzeug. Den größten Verschleiß weist
ein Lenksystem 5 eines im Baustellenbetrieb eingesetzten
Fahrzeugs auf, wobei der zugehörige
Verschleißfaktor
durch den Verschleißparameter
E3 gekennzeichnet ist.
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Bei
einer bisherigen Laufleistung S = 0 beträgt der Verschleißfaktor
V(0, E) = 1, da bei einem Neufahrzeug noch kein Verschleiß am Lenksystem 5 aufgetreten
ist und der berechnete Ausgangswert IF nicht verändert werden muss. Mit zunehmender Laufleistung
nimmt der Verschleiß zu
und das Lenksystem 5 wird wegen abnehmender mechanischer Reibung
leichtgängiger,
so dass das Stellmoment zur Lenkunterstützung reduziert werden muss,
um die Auswirkung des Verschleißes
auf das Lenkradmoment LM zumindest teilweise auszugleichen. Der Verschleißfaktor
nimmt daher mit zunehmender Laufleistung S ab, je nach Verschleißparameter
E etwas stärker
oder schwächer.
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Zusätzlich von
der Einsatzart E könnten
weitere Verschleißparameter
berücksichtigt
werden, wie z.B. der Lenkwinkel oder Lenkradwinkel LW, so dass sich
eine Verschleißcharakteristik
V mit drei oder mehr Dimensionen ergeben würde.
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Anstelle
eines Verschleißfaktors
könnte
auch ein Verschleißsubtrahend
in der Verschleißcharakteristik
V bestimmt werden, so dass sich die Ansteuergröße IM aus einer Subtraktion
von Ausgangsgröße IF minus
dem Verschleißsubtrahenden
ergeben würde.
Auch beliebige andere mathematischen Methoden bei der Ermittlung
der Ansteuergröße IM aus
der Ausgangsgröße IF sind
verwendbar.