DE102007027041A1

DE102007027041A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Drehmomentes an einem Lenkungsstrang

Info

Publication number: DE102007027041A1
Application number: DE102007027041A
Authority: DE
Inventors: Thomas Riepold; Salvatore Oliveri
Original assignee: Tedrive Holding BV
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2027-06-09
Also published as: US20080015749A1; US8838339B2; DE102007027041B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des in einen Lenkstrang eingeleiteten Drehmoments. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: - Ermitteln von Winkelsignalen mit Hilfe zweier Sensoren, zwischen denen sich ein Bereich des Lenkungsstrangs befindet, der ein Drehmoment erfährt, - Auswerten der Differenzen der Winkelsignale unter Berücksichtigung bekannter Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Drehmomentes an einem Lenkungsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Servolenksysteme mit und ohne mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern (EPS und Steer by Wire).
Bei einem üblichen Lenksystem (EPS) werden lenkbare Räder von einem Fahrer über eine Betätigungseinheit, insbesondere durch Verdrehen eines Lenkrades gelenkt. Das Drehen des Lenkrades bewirkt eine Verschiebung einer Zahnstange, die wiederum die Räder schwenkt. Die Lenkbewegung des Fahrers wird bei Servolenkungen durch einen zusätzlichen Elektromotor unterstützt. Die Lenkunterstützung erfolgt dabei im Allgemeinen durch kennfeldgesteuerte bzw. -geregelte Systeme, bei denen die Lenkunterstützung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgebracht wird.
Darüber hinaus sind Lenksysteme bekannt, bei denen keine mechanische Verbindung zwischen den lenkbaren Rädern und dem Lenkrad besteht (Steer by wire). Die Räder werden dabei in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Lenkrades mit Hilfe von entsprechenden Motoren geschwenkt. Ein wesentliches Problem dieser Systeme besteht darin, dass der Fahrer keine fühlbare Rückmeldung mehr von den Rädern bekommt.
Moderne Fahrzeuge sind darüber hinaus üblicherweise mit Fahrdynamiksystemen ausgestattet, die beispielsweise die Stabilität des Fahrzeugs beeinflussen kön nen. Ein solches Fahrdynamiksystem ermittelt permanent Daten zur Fahrerunterstützung. Durch die Verknüpfung von zum Beispiel Schlupfregel-, Brems- und Fahrstabilitätssystemen (ABS, ASC, DSC, ESP usw.) gelingt es, die aktive Sicherheit und den Fahrkomfort zu steigern und so den Fahrer zu entlasten, sie helfen dem Fahrer, sein Fahrzeug auch in kritischen Situationen sicher zu beherrschen. Derartige Systeme treten erst dann in Aktion, wenn beispielsweise die Reifen Gefahr laufen, die Haftung zu verlieren, d.h. bevor die Räder durchdrehen, rutschen oder blockieren. Radsensoren überwachen z.B., wie schnell sich die Räder während des Bremsvorgangs drehen. Neigt ein Rad zum Blockieren, wird automatisch der Bremsdruck am entsprechenden Radbremszylinder soweit verringert, bis das Rad wieder unter normalem Schlupf läuft.
Bei der Antriebsschlupfregelung sorgen Sensoren dafür, dass die Antriebskraft beim Beschleunigen mit minimalem Schlupf übertragen wird. Unabhängig von der Stellung des Gaspedals wird nur soviel Motorleistung zugelassen, wie in der momentanen Fahrsituation ohne durchdrehende Rad möglich ist. Durch Erfassung der Radgeschwindigkeiten durch Sensoren erkennt dieses System ob die Räder sicher greifen. Neigen die angetriebenen Räder zum Durchdrehen, greift die Regelung in das Motormanagement ein und nimmt unabhängig von der momentanen Gaspedalstellung des Drehmoments zurück.
Bei der dynamischen Stabilitätskontrolle ermitteln zusätzliche Sensoren weitere Fahrzustände, um die Fahrsicherheit bei abrupten Ausweichmanövern oder plötzlichen Gefahrsituationen zu erhöhen. Eine Erweiterung des ABS erhöht die Fahrstabilität besonders beim Bremsen in Kurven. Das Regelungssytem regelt die Bremsdrücke unterhalb der ABS-Regelschwelle durch unterschiedlich hohe Bremsdrücke rechts und links für stabilisierende Gegenmomente. Weiterhin sind dynamische Bremsmanagement-Systeme bekannt, die das Bremsen des Fahrers unterstützen bzw. den Bremsvorgang beispielhaft beschleunigen.
Sensoren ermitteln die Gierrate, die angibt, wie schnell sich das Fahrzeug um seine Hochachse dreht, die Querbeschleunigung, als Maß für Kurvenradius- und Geschwindigkeit, den Lenkwinkel, der die gewünschte Richtung angibt und den Bremsdruck, den der Fahrer über das Pedal ausübt sowie die Drehzahl der einzelnen Räder. Die oben genannten Ausführungen sind nur beispielhaft zu verste hen, Fahrdynamikdaten werden auch durch weitere Systeme ermittelt und genutzt
Elektrische Servolenksysteme benutzen in Allgemeinen einen separaten, dem Lenksystem zugeordneten Drehmomentsensor zur Messung des Lenkmomentes, welches vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebracht wird. Dieser Drehmomentsensor dient zumeist ausschließlich der Messung des Drehmoments, kann aber auch mit einem Drehwinkelsensor kombiniert sein Als Funktionsprinzip existiert die indirekte Momentenmessung über den Verdrehwinkel zweier mit einem dafür ausgelegten elastischen Element wie einem Drehstab verbundenen Teile der Lenksäule oder des Lenkgetriebes oder aber die direkte Momentenmessung an einem Teil des Lenkungsstranges wie zum Beispiel über das magnetoelastische Prinzip.
Bei der indirekten Momentenmessung in elektischen Servolenkungen sind zwei Wirkprinzipien üblich:

– Ein Differenzwinkelsensor, welcher ausschließlich die Winkeldifferenz direkt zwischen den beiden mit dem Drehstab verbundenen Teile (zumeist Eingangswelle und Ritzel) misst,
– zwei separate rotatorisch wirkende Winkelsensoren, von denen jeweils einer auf einem der mit dem Drehstab verbundenen Teile der Lenkung montiert ist. Aus der Differenz der Winkelsignale der beiden Sensoren wird das Drehmoment ermittelt.

Es ist aber in jedem Falle ein dem EPAS-System zugeordneter Momentensensor erforderlich, der ggf. in diesem konstruktiv integriert ist.
Das Drehmomentensignal wird je nach Konzept der Steuerung bzw. Regelung des Lenksystems benutzt, um die Lenkbefehle des Fahrers im Sinne einer gleichsinnigen Lenkunterstützung zu verstärken oder aber ein konstantes Drehmoment am Lenkrad einzuregeln im Sinne einer Rückmeldung zum Fahrer über den Lenkwinkel.
Nachteilig bei den bekannten Systemen ist, dass eingesetzte Drehmomentsensoren aufwendig konstruiert und teuer sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung des aufgebrachten Drehmoments an einem Lenksystem zu schaffen, das möglichst kostengünstig herstellbar ist, und trotzdem zuverlässig funktioniert und genau misst.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Drehmoments auf einen Lenkungsstrang, mit den Verfahrensschritten:

– Ermitteln von Winkelsignalen mit Hilfe zweier Sensoren, zwischen denen sich ein Bereich des Lenkungsstrangs befindet, der ein Drehmoment erfährt,
– Auswerten der Differenzen der Winkelsignale unter Berücksichtigung bekannter Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges.

Mit Hilfe des Verfahrens ist es somit ohne einen explizit dafür vorgesehenen Drehmomentsensor möglich, das Drehmoment zu ermitteln, das auf den Lenkstrang aufgebracht wird. Der kostenaufwendige und als zusätzliches Bauteil Platz benötigende Drehmomentsensor kann entfallen. Erfindungsgemäß wird erstmalig aus den bis dahin nur für die Fahrdynamik ermittelten Daten ein Wert abgeleitet, der für das Lenksystem wesentlich ist und von diesem umgesetzt werden kann.
Als auszuwertende Winkelsignale eignen sich auf der einen Seite des maßgeblichen Bereichs des Lenkungsstrangs Lenkwinkelsignale des Lenkungsstranges, die in der Lenksäule oder im Lenkgetriebe, ermittelt werden. Auf der anderen Seite stehen zur Verfügung:

– Winkelsignale, die über einen Positionssensor eines ohnehin vorhandenen Elektromotors, der die Drehung des Lenkungsstranges bzw. die Verschiebung der Zahnstange unterstützt, ermittelt werden, oder
– Winkelsignale, die über einen Positionssensor an der Zahnstange ermittelt werden.

Mit Hilfe des Positionsgebers im Elektromotor ist es stets möglich, eine exakte Position der Zahnstange bzw. der Räder zu bestimmen. Grundsätzlich sind für das erfindungsgemäße Verfahren sämtliche Elektromotoren geeignet, die einen Positionsgeber beinhalten, wie beispielsweise bürstenlose Elektromotoren.
Erfindungsgemäß kann aber auch ein Geber- und ein Empfängerbauteil vorgesehen sein, die jeweils an der bewegbaren Zahnstange und einem feststehenden Bauteil, zum Beispiel dem Zahnstangengehäuse angeordnet sein können. Insbesondere eignen sich sogenannte PLCD Sensor Systeme (Permanent linear contactless Displacement), bei denen ein magnetisches Element verschoben wird und das Magnetfeldverhalten über ein dichtes System redundant abgegriffen werden kann. Der Weg des magnetischen Elements kann dann als Steuersignal weitergeleitet werden. Das magnetische Element ist demnach auf der Zahnstange angeordnet und bewegt sich mit dieser. Der Empfänger ist als Spule oder Anordnung von mehrere Spulen ortfest im Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Aluminium oder einem ähnlichen Material gefertigt. Optional kann die Auswerteeinheit in den Sensor integriert werden.
Alternativ kann auch ein Positionssensor verwendet werden, der nach dem Kurzsschlußringprinzip ausgeführt ist. Ein Kurzschlußring bzw. mehrere Kurzschlußringe ist/sind auf der Zahnstange und die Spule oder die Spulen ortsfest im Gehäuse angeordnet. Optional kann die Auswerteeinheit in den Sensor integriert werden.
Diese Sensoren sind einfacher und robuster aufgebaut und kostengünstiger herstell- und einbaubar, als die bekannten im Lenkgetriebe und/oder an der Lenksäule angeordneten Sensoren.
Wesentlich für die Erfindung ist die Bekanntheit der Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges zwischen den Sensoren, um somit zuverlässig die Torsion bzw. das Drehmoment bestimmen zu können. Ist die Torsionssteifigkeit nicht ohne weiteres zu ermitteln, kann zusätzlich ein Drehstab vorgesehen sein, der die Torsinn ermittelt. Ein Drehstab (auch Drehstabfeder oder Torsionsstab) ist ein Stab mit fester Einspannung an beiden Enden, wobei die befestigten Bauteile gegeneinander eine Schwenkbewegung um die Drehachse ausführen können. Die Torsionssteifigkeit eines solchen Drehstabes kann festgelegt sein bzw. ist bekannt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Diese sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung nicht beschränken. Es zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Servolenkung zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Lenkwinkelsensor in einer Lenksäule und einem Positionssensor im Elektromotor,
2: eine Prinzipdarstellung einer weiteren elektrischen Servolenkung zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Lenkwinkelsensor in einem Lenkgetriebe und einem Positionssensor im Elektromotor,
3: eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Servolenkung zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Lenkwinkelsensor in einer Lenksäule und einem Positionssensor an einer Zahnstange,
4: eine Prinzipdarstellung einer weiteren elektrischen Servolenkung zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Lenkwinkelsensor in einem Lenkgetriebe und einem Positionssensor an einer Zahnstange.
Die Figuren zeigen jeweils ein Prinzipschema zur Nutzung eines erfindungsgemäßen Lenksystems. Wie sich der jeweils zugehörigen Legende entnehmen lässt, ist zwischen den gezeigten Komponenten strukturelle Verbindungen, Signalfluss oder Kraftfluss bzw. Energiefluss möglich. Systemgrenzen und Subsystemgrenzen sind durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt. In den Lenksystemen gemäß der 1 und 2 befindet sich ein Positionssensor 12 in einem Elektromotor 26, in den Lenksystemen gemäß der 3 und 4 befindet er sich an einer Zahnstange 10.
Der Elektromotor 26 der die Drehung des Lenkungsstranges bzw. eine Verschiebung einer Zahnstange, die die Räder schwenkt, unterstützt, kann also einen Positionssensor 12, durch den auf die aktuelle Stellung der Räder bzw. den Lenkwinkel rückgeschlossen werden kann, beinhalten.
Der Positionssensor 12, der an der Zahnstange 10 angeordnet ist, kann beispielsweise durch ein PLCD-Sensor-System gebildet sein. Dieser Positionssensor 12 ermittelt die Position der Zahnstange 10 im Verhältnis zu einem ortsfesten Bauteil, vorzugsweise einem Zahnstangengehäuse.
In allen gezeigten Lenksystemen ist dargestellt, dass ein Fahrer 14 ein Lenkmoment über eine Lenksäule 16 auf ein Lenkgetriebe 18 aufbringt. Optional kann die Lenksäule 16 einen Lenkwinkelsensor 20 nach dem Stand der Technik aufweisen (vergl. 2).
Das Lenkgetriebe 18 weist in allen Fällen ein Ritzel 22 auf, über das das Lenkmoment auf die Zahnstange 10 übertragen wird. Das Lenkmoment wird durch ein Reduktionsgetriebe 24 unterstützt, das wiederum vom Elektromotor 26 angetrieben wird. Optional weist das Lenkgetriebe 18 weiterhin einen Drehstab 28 auf. Über den Drehstab ist es möglich, ein auf das Lenkgetriebe 18 wirkendes Lenkmoment zu ermitteln.
Gemäß der 1 und 3 ist ein Lenkwinkelsensor 30 im Lenkgetriebe 18 vorgesehen, der den Lenkwinkel ermittelt. Der ermittelte Lenkwinkel wird an ein Steuergerät 32 übermittelt, welches ebenfalls einen vom Positionssensor 12 ermittelten Daten empfängt. Das Steuergerät 32 ist somit in der Lage, aus den empfangenen Winkeldaten das optimale Unterstützungsmoment zu ermitteln.
In der Ausführung gemäß der 2 und 4 ist der Lenkwinkelsensor 20, wie oben bereits ausgeführt, nicht im Lenkgetriebe 18, sondern in der Lenksäule 16 angeordnet.
Durch den Positionssensor 12 an der Zahnstange 10 oder im Elektromotor 26 und den Lenkwinkelsensor 20, entweder angeordnet im Lenkgetriebe 18 oder an der Lenksäule 16, ist es möglich, das aufgebrachte Lenkmoment des Fahrers 14 zu bestimmen. Hierzu kann entweder die bekannte Steifigkeit zwischen dem Lenkwinkelsensor 20 und dem Positionssensor 12 oder optional der Drehstab 28 zur Berechnung verwendet werden.
Die Figuren erläutern nur ein mögliches Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Lenksystem. In der Ermittlung des Lenkmoments kann es für verschiedene Anwendungen ausreichend sein, lediglich die Position der Zahnstange 10 durch den Positionssensor 12 zu bestimmen.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst vielmehr auch alle gleichwirkenden Ausführungsformen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Drehmoments auf einen Lenkungsstrang, mit den Verfahrensschritten: – Ermitteln von Winkelsignalen mit Hilfe zweier Sensoren, zwischen denen sich ein Bereich des Lenkungsstrangs befindet, der ein Drehmoment erfährt, – Auswerten der Differenzen der Winkelsignale unter Berücksichtigung bekannter Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln von Winkelsignalen über einen Positionssensor (12) eines Elektromotors (26), der die Drehbewegung des Lenkungsstranges unterstützt, Ermitteln von Lenkwinkelsignalen aus dem Lenkungsstranges unter Nutzung eines Lenkwinkelsensors (20) und Auswerten der Differenzen der Winkelsignale des Positionssensors (12) des Elektromotors und des Lenkwinkelsensors (20) unter Berücksichtigung bekannter Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges zwischen dem Positionssensor (12) des Elektromotors (26) und dem Lenkwinkelsensor (20).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bürstenloser Elektromotor (26) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln von Winkelsignalen über einen Positionssensor (12) an einer Zahnstange (10), Ermitteln von Lenkwinkelsignalen aus dem Lenkungsstranges unter Nutzung eines Lenkwinkelsensors (20) und Auswerten der Differenzen der Winkelsignale des Positionssensors (12) an einer Zahnstange (10) und des Lenkwinkelsensors (20) unter Berücksichtigung bekannter Torsionssteifigkeit des Lenkungsstranges zwischen dem Positionssensor (12) des Elektromotors (26) und dem Lenkwinkelsensor (20).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geber- und ein Empfängerbauteil vorgesehen sind, die an der bewegbaren Zahnstange (10) und einem feststehenden Bauteil angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Element vorgesehen ist, dass sich mit der Zahnstange (10) bewegt und dessen Magnetfeldverhalten zur Bestimmung der Position der Zahnstange (10) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (12) nach dem Kurzsschlußringprinzip ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzschlußring bzw. mehrere Kurzschlußringe auf der Zahnstange und eine Spule bzw. mehrere Spulen ortsfest im Gehäuse angeordnet ist/sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionssteifigkeit des Lenkungsstrangs durch einen Drehstab (28) bestimmt wird.