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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Servo-Lenksystem für
Kraftfahrzeuge insbesondere elektromechanisches Servo-Lenksystem.
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Derartige
Lenksysteme umfassen gewöhnlich einen Regelkreis, dessen
Regelgröße zumindest von dem Lenkradwinkel abhängig
ist. Die in einem Steuergerät gespeicherten Vorgabefunktionen
dienen dem Berechnen des Sollwerts des unterstützenden
Moments in Abhängigkeit von Eingangsgrößen des
Steuergerätes, insbesondere des Lenkradmomentes und des
Lenkradwinkels.
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In 1 ist
der übliche Aufbau eines elektromechanisch arbeitenden
Servo-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welches ein
Lenkrad 1 aufweist, das über einen ersten Abschnitt 2 einer Lenkstange 13,
mittels eines oder mehrerer Kreuzgelenke 7 fest mit einem
zweiten Abschnitt 3 der Lenkstange verbunden ist. Die Lenkstange 13 überträgt das
von dem Fahrer des Kraftwagens auf das Lenkrad 1 aufgebrachten
Moment auf ein Ritzel 6, das in eine Zahnstange 8 eingreift,
die horizontal zur Achse des Fahrzeuges zwischen zwei gelenkten
Rädern 11 angeordnet ist. Das Ritzel 6 kann
auch durch ein beliebiges anderes Übertragungsmittel gebildet
sein, zum Beispiel eine Schneckenwelle. Jedes gelenkte Rad 11 ist
in der Lage, sich bei einer linearen Bewegung der Zahnstange 8 um
eine vertikale Drehachse A zu drehen, wobei das gelenkte Rad 9 über
die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 angetrieben wird.
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Das
Servo-Lenksystem besitzt ferner eine Servo-Steuerung, die dazu dient,
auf die Zahnstange 8 eine Kraft auszuüben, die
in der gleichen Richtung wirkt wie die Kraft des Ritzels 6,
wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs das Drehen des Lenkrads 1 erleichtert
wird. Die Servo-Steuerung umfasst einen Servomotor 9, dessen
Ausgangsmoment von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert
wird, welches ein Sollwertsignal S des Hilfsmomentes an den Servomotor 9 liefert.
Das Ausgangsmoment des Servomotors 9 wird mittels einer
nicht dargestellten Antriebswelle des Servomotors 9 auf
die Zahnstange 8 und damit die Räder 11 übertragen.
Wegen der erheblichen zu übertragenden Kräfte
wirkt die Antriebswelle des Servomotors 9 in der Regel über
ein nicht näher dargestelltes Kugelgetriebe 14 auf
die Zahnstange 8.
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Die
Abtriebswelle des Servomotors 9 ist somit über
das Kugelgetriebe 14, die Zahnstange 8 und das
Ritzel 6 mechanisch mit der Lenkstange 13 verbunden.
Die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebswelle und der Lenkstange 13 kann
aber auch direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenkstange 13 über
ein geeignetes Getriebe direkt angreift. Die Abtriebswelle des Elektromotors
unterstützt dabei den Lenkeinschlag des Lenkrads 1,
indem sie mittels der vorstehend genannten mechanischen Einrichtungen
auf die Lenkstange 13 ein Hilfsmoment ausübt,
das direkt von dem Ausgangsmoment des Servo-Motors 9 und
folglich von dem Sollwertsignal S des Hilfemoments abhängt.
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Das
Steuergerät 12 ist in der Regel derart aufgebaut,
dass es aufgrund der ankommenden Eingangsignale, z. B. des von dem
Drehmomentsensor 4 stammenden Drehmomentes DM und/oder
des von dem Drehwinkelsensor 5 stammenden Drehwinkels DW
die Höhe des durch den Servo-Motor 9 auszuübenden
Hilfsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert S an den
Servomotor 9 ausgibt. Mit Hilfe geeigneter, in dem Steuergerät 12 gespeicherter
Algorithmen und Datensätze wird dabei das Hilfsmoment in
der Regel derart bestimmt, dass in Abhängigkeit von der
errechneten Differenz des Drehwinkels DW und einem von einem Lenkwinkelsensor 15 gemessenen
Lenkwinkel LW der Räder 11 ein von dem Servo-Motor 9 aufzubringendes
Hilfsmoment bestimmt wird. Dieses Hilfsmoment ist derart groß gewählt,
dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder
aufzubringenden Momentes am Lenkrad 1 Restmoment übrig
bleibt, welches von dem Fahrer gut beherrschbar ist. Damit wird
in der Regel das Hilfsmoment auch von Größen abhängen, die
Einfluss auf das Lenkmoment der Räder besitzen, wie beispielsweise
Drehwinkel-Geschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand des Fahrzeugs,
Straßenverhältnisse und so weiter.
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Es
sind weiterhin Sonderformen elektromechanisch arbeitender Servo-Lenksysteme
bekannt geworden, bei denen die mechanische Verbindung zwischen
Lenkrad 1 und Zahnstange 8 aufgetrennt ist. Bei
diesen so genannten steer-by wire-Lenksystemen müssen die
von dem Lenkrad 1 auf die Zahnstange 8 aufzubringenden
Kräfte und Momente durch entsprechende elektrisch arbeitende
Geräte nachgebildet werden, die weiter oben geschilderten grundsätzlichen
Prinzipien bleiben dabei allerdings erhalten.
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Üblicherweise
ist das Lenkrad über die Lenkstange, einen Torsionsstab,
mindestens ein Kreuzgelenk, das Ritzel und die Zahnstange mit dem
Gestänge der Räder gekoppelt. Damit ist der von
dem Lenkrad einstellbare Handwinkel eindeutig dem Lenkwinkel der
Räder zugeordnet. Es lässt sich also unter Berücksichtigung
der Übersetzungen der Getriebe, der Wirkung des Kreuzgelenkes
und der Wirkung des Gestänges aus dem Handwinkel der Lenkwinkel
der Räder eindeutig berechnen. Das gilt auch dann, wenn
der Drehmomentsensor in Folge der Torsion des Torsionsstabes einen
Torsionswinkel und damit ein Drehmoment misst, da der gemessene
Torsionswinkel bei der Umrechnung von Handwinkel in Lenkwinkel rechnerisch
berücksichtigt werden kann.
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Für
eine Reihe von Anwendungsfällen muss der Lenkwinkel der
Räder allerdings in besonders feinen Stufen gemessen werden
können, um hinsichtlich des Lenkrades ein gutes Fahrgefühl
bewirken zu können. Dies gilt beispielsweise für
den selbsttätigen Rücklauf der Räder
in ihre Ausgangstellung oder Maßnahmen, die verhindern
sollen, dass der Fahrer das Lenkrad mit großer Kraft gegen
die äußeren Anschläge bringen kann. Hierzu
ist aus der
DE 102004054921
A1 bekannt geworden, die Übersetzung des Servomotors
mittels dessen an der Zahnstange angreifenden Getriebes für
die Unterteilung des Lenkwinkels in feine Stufen auszunutzen. Die Grundidee
ist hierbei, dass die Antriebswelle des Motors über ein
Kugelgetriebe mit den Rädern gekoppelt ist und dass eine
Umdrehung des Motors einer bestimmten Verschiebung der Zahnstange
entspricht, woraus sich dann eine entsprechende Änderung
des Lenkwinkels der Räder errechnen lässt. Da
eine Vielzahl von Umdrehungen des Servomotors nur einem vergleichsweise
kleinen Lenkwinkel entsprechen, ist die Drehlage der Antriebswelle
allerdings mehrdeutig, so dass Maßnahmen notwendig sind,
um festzustellen, welchem Lenkwinkelbereich die aktuelle Drehlage
der Antriebswelle zuzuordnen ist. In der genannten Anmeldung ist
dieses Problem durch verschiedene Referenzeinheiten gelöst,
die mit geeigneten Zählern versehen sind. In der
DE10 2006037014 wurde
hierzu vorgeschlagen, die Stellung der Zahnstange gegenüber
dem Chassis des Fahrzeugs zur Referenzierung des beschriebenen Lenkwinkelsensors
auszunutzen.
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Ein
Problem ergibt sich dadurch, dass sich trotz der Referenzierung
die Zuordnung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrades (Handwinkel)
und dem Lenkwinkel der Räder ändern kann, indem
beispielsweise die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern
zumindest zeitweise aufgehoben wird, etwa bei einer Reparatur des
Fahrzeugs. Entsprechendes gilt bei Fehlern in der Erkennung der Drehlage
der Antriebswelle oder Fehlern bei der Messung des Handwinkels am
Lenkrad. In einigem Fällen ist auch nicht unabwendbar sichergestellt, dass
die Drehlage der Antriebswelle sich nicht gegenüber der
zugeordneten Lage der Zahnstange ändert, beispielsweise,
wenn das Kugelgetriebe von der Antriebswelle über einen
Riemen angetrieben wird, der möglicherweise rutscht. Bei
Verwendung eines Zahnriemens kann es unter Umständen sein,
dass ein oder mehrere Riemensprünge auftreten. Dabei ist zu
beachten, dass die fehlerfreie Funktion von Lenksystemen für
die Sicherheit eines Fahrzeugs äußerst relevant
ist.
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Die
vorliegende Erfindung geht daher aus von einem Lenksystem der sich
aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.
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Für
komplexere Lenkfunktionen mit hohen haptischen Ansprüchen
(z. B. aktiver Rücklauf) wird ein hoch aufgelöstes
Winkelsignal benötigt. Der in den Fahrzeugen verbaute Lenkwinkelsensor
im Lenkrad (im Folgenden vielfach als Handwinkel-Sensor bezeichnet)
besitzt für derart anspruchsvolle Anwendungen eine zu grobe
Auflösung und eine zu geringe Abtastrate. Aus dem Motorpositionssensor,
bei dem die Lage der Antriebswelle des Motors abgetastet wird, kann
ein hoch aufgelöster Lenkwinkel berechnet werden, der mit
dem Lenkwinkelsensor am Lenkrad synchronisiert werden kann. Es muss
daher überwacht werden, ob sich das Lenksystem und speziell
der Elektromotor synchron zum Lenkrad mit seinem Lenkwinkelsensor
bewegt, damit ein Übersprung des Antriebsriemens oder eine
Trennung zwischen Lenksystem und Lenkwinkelsensor erkannt werden
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Lenkungssystem
die Berechnung und Überwachung eines hoch aufgelösten,
absoluten Lenkwinkels in elektromechanischen Lenksystemen mit achsparallelem
Antrieb durch Auswertung der relativen Motorposition und eines sekundären,
grob aufgelösten Drehwinkelsensor-Signals. Dazu gehört eine
Lösung dafür anzugeben, dem Handwinkel am Lenkrad
den berechneten Lenkwinkel der Räder zuzuordnen und die
Zuordnung als Möglichkeit der Überwachung zu benutzen.
Zusätzlich ist Aufgabe der Erfindung die Erkennung von
Riemenüberspringern des Antriebsriemens der Lenkung. Hierzu
soll eine geeignete Ausgestaltung des gattungsgemäßen Lenkungssystems
angegebenen werden sowie ein zur Lösung der Aufgabe geeignetes
Verfahren bei dem gattungsgemäßen Lenkungssystem.
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Die
Aufgabe wird durch Merkmalkombination nach Anspruch 1 und 16 gelöst.
Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, einen hochaufgelösten Lenkwinkel
zu berechnen und Maßnahmen vorzusehen, durch welche die
Zuordnung zwischen Handwinkel und berechnetem Lenkwinkel ständig überwacht
wird. Hierzu werden bestimmte, zu überwachende Randbedingungen
festgelegt, bei deren Eintreten Handwinkel und Lenkwinkel neu miteinander in
Beziehung gesetzt werden. Der Vorteil liegt insbesondere darin,
dass auf diese Weise nicht der absolute Wert des Lenkwinkels festgestellt
werden muss, so dass auf einen hoch genauen Lenkwinkelsensor verzichtet
werden kann, welcher mit den Rädern oder der Zahnstange
zusammenwirken müsste. Es wird betont, dass der Antrieb
Mittel besitzt, durch welche es möglich ist, eine feinere
Unterteilung des Handwinkels zu erreichen, wie dies beispielsweise
mit einem Motorlagesensor möglich ist.
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Wesentlich
ist, dass der Antrieb Mittel besitzt, durch welche es möglich
ist, eine feinere Unterteilung des Handwinkels zu erreichen. wie
dies beispielsweise mit einem Drehstrommotor möglich ist, der
einen Sensor zur Erkennung der Drehlage des Rotors besitzt. Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung ist auch nicht darauf beschränkt,
dass der Fahrerwunsch in einem durch ein Lenkrad eingestellten Handwinkel
besteht. Der Handwinkel kann auch mit anderen Eingabenmitteln wie
beispielsweise Steuerknüppel, digitale Eingabegeräte
und ähnliches eingegeben werden, soweit nur die Möglichkeit
besteht, dass der aktuelle Handwinkel durch den Lenkwinkel übernommen
werden kann. So wäre der Abgleich der beiden Winkelsignale
bei Steer-by-wire ebenfalls möglich, würde aber
weitere Maßnahmen wie z. B. zusätzliche Sensoren
erfordern, kann also nicht wie bei einer elektromechanischen Servo-Lenkung übernommen
werden. Die später noch genauer beschriebenen Mechanismen
der Riemensprungerkennung und Gleichlaufüberwachung können
somit prinzipiell auch bei Steer-by-wire eingesetzt werden. Gemäß Anspruch
2 ist das Ziel des Abgleichs der Winkelsignale letztlich, einen
hochaufgelösten Winkel befreit von Torsionseffekten zu
erhalten, der statt dem (grob gerasterten) Handwinkel verwendet
werden kann.
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Nachteilig
ist dabei allerdings die Möglichkeit, dass für
den Fall, dass das Lenkrad über einen Torsionsstab direkt
auf die Stellung der Räder einwirkt, durch eine aktuelle
Torsion des Torsionsstabes an dem Lenkrad ein Handwinkel eingestellt
ist, der mit dem aktuellen Lenkwinkel nicht übereinstimmt.
In diesem Falle würde bei einer glatten Übernahme
des Handwinkels durch den Lenkwinkel dieser Lenkwinkel dem von einem
Handmoment freien Handwinkel um den Wert des Torsionswinkels voreilen
beziehungsweise nacheilen. Für diese Fallgestaltung empfiehlt
sich somit die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 3, durch welche
der Lenkwinkel gegenüber dem Wert des Handwinkels um den
Winkel der Verdrehung des Torsionsstabes korrigiert wird. Auf diese
Weise ist es möglich in jeder Fahrsituation den Lenkwinkel
auf einen korrekten Handwinkel auch dann einzustellen, wenn der
Fahrer zum Steuern des Fahrzeugs ein Drehmoment auf das Lenkrad
aufbringt.
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Um
Fehler auszuschließen, die durch dynamische Größen
wie Trägheit oder Elastizität des Systems eingebracht
werden könnten, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung
die Anwendung der Merkmalkombination nach Anspruch 4. Diese Merkmale
gehen von der Überlegung aus, dass der Torsionswinkel eine
hinreichend lange Zeit unter einer maximalen Obergrenze geblieben
ist und die möglicherweise Fehler verursachenden dynamischen
Effekte abgeklungen sind.
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Die
oben beschriebenen Maßnahmen sind hervorragend geeignet,
um eine schnelle Anpassung und damit Korrektur des Lenkwinkels an
den Handwinkel zu erreichen, da sie jederzeit und in jedem Fahrzustand
des Fahrzeugs durchgeführt werden können. Hinsichtlich
der für die Korrektur benötigten Zeit ist nur
die Ausgabezeit der benötigten Informationen und die Rechenzeit
in der Abgleicheinrichtung erheblich. Die genannten Maßnahmen
wird man daher, gestaffelt nach der gewünschten Genauigkeit und
der gewünschten Korrekturzeit anwenden.
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Um
sicherzustellen, dass durch die Abgleicheinrichtung in dem Lenksystem
der geltende Torsionswinkel des Torsionsstabes berücksichtigt
wird, empfiehlt es sich in Weiterbildung der Erfindung entsprechend
den Merkmalen nach Anspruch 5 vorzugehen. Praktisch heißt
dies, dass bei der Berechnung des auszugebenden Lenkwinkels dem
bisher gültigen Lenkwinkel einen Korrekturwert in Form
eines offset-Winkels oder Versatzes hinzugefügt wird. Dieser
Versatz kann je nach Drehrichtung des Lenkrades und damit Richtung
des Drehmomentes positiv oder negativ sein. Im Folgenden wird diese
Maßnahme als erste Stufe einer 2-Stufen-Synchronisation bezeichnet.
Dabei werden bevorzugt die Maßnahmen nach Anspruch 3 oder
4 angewendet.
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Die
zweite Stufe dieser 2-Stufen-Synchronisation wird gemäß Anspruch
6 erst eingeleitet, wenn hinreichend sicher ist, dass nicht auf
Torsion oder Trägheit beruhende Effekte das Ergebnis verfälschen können.
Dies ist regelmäßig dann der Fall, wenn die im
Zusammenhang mit Anspruch 4 oder 5 angegebenen Randbedingungen erfüllt
sind.
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Um
sicher zu gehen, dass nicht alle Maßnahmen zum Nachführen
des Lenkwinkels an den Handwinkel ständig vorgenommenen
werden, auch wenn die beiden Winkel miteinander synchron laufen,
werden in Weiterbildung der Erfindung die Maßnahmen gemäß Anspruch
7 vorgeschlagen. Hierzu ist eine Überwachungsschaltung
vorgesehen, die innerhalb der Abgleicheinrichtung angeordnet sein
kann, welche ständig den Lenkwinkel und den Handwinkel
auf mögliche Abweichungen überwacht. Abhängig
von den festgestellten Abweichungen kann durch die Überwachungsschaltung
die Anpassung des Lenkwinkels an den Handwinkel entsprechend den
weiter oben beschriebenen Maßnahmen veranlasst werden oder
aber auch eine genauere Bestimmung des Handwinkels durch den Lenkwinkel
unterbunden werden. Die Steuerung der Antriebsmittel geschieht letzten
Falls nur noch in Abhängigkeit von dem am Lenkrad eingestellten
Handwinkel.
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Während
die Abtastung des den Handwinkel messenden Sensors im wesentlichen
konstant und langsam ist, kann sich der Motor der Antriebsmittel
in Abhängigkeit von der Drehwinkelgeschwindigkeit des Lenkrades
schneller oder langsamer drehen und dadurch kommen größere
Differenzen zwischen dem berechneten Lenkwinkel aus der Motorpositionssensorik
und dem Handwinkel zustande. Um sicherzustellen, dass unter diesen
Umständen die Überwachungsschaltung besonders
sinnvolle Entscheidungen trifft, wird in Weiterbildung der Erfindung
die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 8 vorgeschlagen. Dabei
ist zu berücksichtigen, dass zwischen zwei Abtastungen
des Drehwinkelsensors der in dieser Zeit zurückgelegte
Positionswinkel des Motors je nach seiner Geschwindigkeit größer
oder kleiner sein kann. Dementsprechend empfiehlt sich in Weiterbildung
der Erfindung bei der Bestimmung der Toleranzen entsprechend den
Merkmalen nach Anspruch 9 vorzugehen.
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Weiterhin
ist zu berücksichtigen, dass je nach Zuordnung der Drehrichtung
von Handwinkel beziehungsweise bereinigten Handwinkel gegenüber der
Drehrichtung des Lenkwinkels unterschiedliche Effekte auftreten
können. Dies resultiert daraus, dass unter Umständen
trotz eines erheblichen Drehmomentes an dem Lenkrad der Lenkwinkel
sich nur geringfügig geändert, weil beispielsweise
das Lenkgetriebe radseitig gegen einen Anschlag läuft,
der auch durch Softwaremaßnahmen vorgesehen sein kann. Wenn
in diesem Fall ein hohes Drehmoment am Lenkrad aufgebracht wird,
dann folgt der Handwinkel dem Drehmoment über das normale
Maß hinaus, ohne dass sich der berechnete Lenkwinkel der
Räder ändert, da die Mechanik radseitig blockiert
ist (Anspruch 10).
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Die
vorliegende Erfindung ist hervorragend geeignet auch dann den Lenkwinkel
an den Handwinkel anzupassen, wenn zu berücksichtigen ist, dass
die Zuordnung zwischen der Lage der Antriebswelle des Motors gegenüber
der Stellung der Räder sich ändern kann. Dies
ist z. B. bei einem Lenkungssystem der Fall, dessen Merkmale in
Anspruch 11 aufgeführt sind. Wird nämlich das
an der Zahnstange angreifenden Kugelgetriebe durch einen Treibriemen von
der Antriebswelle des Motors angetrieben, so kann es durchaus sein,
dass der Riemen verrutscht oder Schlupf hat. Selbst bei Verwendung
eines Zahnriemens kann es auch geschehen, dass bei entsprechenden
Kräften und einem möglichen Verschleiß des
Riemens es zu einem so genannten Riemensprung kommt, bei dem die
Zähne des Zahnriemens von einer Lücke des Zahnrades
in die jeweils nachfolgende Lücke springen. Mit den weiter
oben geschilderten Überwachungsmaßnahmen ist es
aber bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem ohne
weiteres möglich, die notwendige Zuordnung zwischen der
Lage der Antriebswelle des Motors und den Drehwinkel des Lenkrades
wieder herzustellen. Hierzu ist das erfindungsgemäße
Lenksystem entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 11 mit einer
Riemensprung-Erkennungseinrichtung versehen, die in der Abgleicheinrichtung
vorgesehen sein kann und welche anhand zweckmäßiger
Randbedingungen entscheidet, ob ein Riemensprung vorliegt oder nicht.
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Entsprechend
der Merkmalkombination nach Anspruch 12 kann ein derartiger Riemensprung
dann erkannt werden, wenn ein hinreichend großes, auf das
Lenkrad einwirkendes Handmoment erkannt wird und wenn gleichzeitig
eine hinreichend große Abweichung zwischen dem bereinigten
Handwinkel und dem geltenden Lenkwinkel besteht, wobei der Lenkwinkel
in Drehrichtung des Lenkrades dem bereinigten Handwinkel in der
gleichen Richtung voraus eilt. Ist nämlich ein Riemensprung
eines Zahnriemens oder ein Schlupf eines Riemens aufgetreten, so
hat sich die Antriebswelle in Antriebsrichtung ein Stück
voran bewegt und zeigt einen in dieser Richtung vergrößerten
Lenkwinkel an. Da aber aufgrund des Riemensprungs des Kugelgetriebes
beziehungsweise die Zahnstange dieser Bewegung der Antriebswelle
nicht gefolgt ist, zeigt die Drehlage der Antriebswelle einen größeren
Lenkwinkel an als er tatsächlich hinsichtlich der Stellung
der Räder besteht.
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Da
die Abweichung zwischen Handwinkel und Lenkwinkel infolge eines
Riemensprungs immer nur in einer Richtung größer
werden kann empfiehlt es sich, für ein frühzeitiges
Erkennen eines Riemensprungs die Merkmale nach Anspruch 13 in Weiterbildung
der Erfindung anzuwenden. Um Fehlerkennung zu vermeiden muss ebenfalls
eine Rückentprellung der auslösenden Bedingung
vorgesehen werden.
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Um
hier eine sinnvolle Entscheidung zu treffen, empfiehlt sich in Weiterbildung
der Erfindung die Merkmale nach Anspruch 14 anzuwenden. Im Prinzip
wird dabei derart vorgegangen, dass die nacheinander erfolgenden Änderungen
in der Differenz zwischen Handwinkel und Lenkwinkel zahlenmäßig
bewertet werden, wobei den einzelnen Änderungen entsprechende
Zahlen zugeordnet werden. Geben sich in einer ersten Richtung große Änderungen
so wird dem eine große positive Zahl zugeordnet. Ergibt sich
nachfolgend eine kleine Abschwächung der Abweichung zu
wird dieser eine kleine negativen Zahl zugeordnet und so weiter.
Die einzelnen Zahlen werden nacheinander summiert, so dass festgestellt werden
kann ob es sich nur allein um eine Schwankung oder zusätzlich
noch um eine in einer bestimmten Richtung verlaufende stetige Änderung
handelt. Ist diese Änderung in ihrer Summe groß genug,
wird schließlich auf einen Riemensprung erkannt und es werden
entsprechende Maßnahmen ergriffen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist es auch möglich,
entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 15, nachträglich
einen Riemensprung zu erkennen. Dies geschieht dadurch, dass die
Erkennungseinrichtung die Abweichungen zwischen Handwinkel und Lenkwinkel
zu Zeiten, die sich durch die momentane Lenkposition ergeben, untersucht,
in denen aufgrund des gemessenen Handmomentes keine Torsionswinkel
oberhalb einer berechenbaren Obergrenze vorliegen können.
Ergibt sich aber gleichwohl eine gleich bleibende und in entsprechende
Richtung weisende Differenz, so wird hier auf einen Riemensprung
geschlossen und es werden entsprechende Maßnahmen ergriffen.
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Geeignete
Maßnahmen für diesen Fall ergeben sich aus der
Merkmalkombination nach Anspruch 16. Wichtig hierbei ist, dass nicht
ohne weiteres die Servo-Unterstützung des Antriebsmittels komplett
abgeschaltet wird sondern, dass das Hilfsmoment sofort soweit abgesenkt
wird, dass ein stattfindender Riemensprung gestoppt wird. Da nach
einem detektierten Riemensprung der Riemen als vorgeschädigt
betrachtet werden muss und mit vermehrtem Auftreten von Riemensprüngen
gerechnet werden muss, empfiehlt es sich, die Lenkunterstützung so
weit abzusenken, dass ein erneuter Riemensprung unwahrscheinlich
wird.
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Die
erwähnten Ansprüche 1 bis 16 befassen sich mit
dem Aufbau des erfindungsgemäßen Lenksystems in
Form von Sachansprüchen. Diese Sachansprüche umfassen
zum Teil neuartige Einrichtungen, die durch ihre Funktionen und
ablaufenden Prozesse beschrieben werden. Durch Anspruch 17 wird
deutlich gemacht, dass die Anmelderin auch Schutz für die
durch Zusammenwirken der einzelnen Einrichtungen sich ergebenden
Verfahren beansprucht.
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Nach
allem werden mit der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile erreicht:
- 1.) Kostenreduktion durch Lösung nur
innerhalb der Software ohne Hardwareteile
- 2.) Die 2-Stufen-Synchronisation ist schneller und genauer als
sofortige Synchronisation, was haptische Vorteile während
der Synchronisation und ein stabileres Systemverhalten nach der
Synchronisation mit sich führt.
- 3.) Die Gleichlaufüberwachung kann mit einer sehr geringen
Toleranz betrieben werden, da eine dynamische Anpassung erfolgt,
woraus sich eine schnellere Erkennung von Asynchronitäten
ergibt.
- 4.) Die Riemenübersprungerkennung während des Übersprungs
ist sehr robust ausgelegt durch eine Abfrage auf Vorbedingungen
(Vermeidung von Fehlerkennungen), aber gleichzeitig sehr schnell
durch die dynamische Entprellung. Bei einem Nichterkennen während
des Übersprungs greift eine nachträgliche Erkennung
durch Offsetüberwachung. Hieraus ergibt sich einem doppelte
Riemensprungüberwachung.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 in
skizzierter Darstellung einen an sich bekannten und gebräuchlichen
Aufbau eines elektromechanischen Lenksystems,
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2 in
aufgebrochener und perspektivischer Darstellung einen wesentlichen
Ausschnitt eines elektromechanischen Lenksystems,
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3 den
Signalfluss innerhalb der Recheneinheit des erfindungsgemäßen
elektromechanischen Lenksystems,
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4 einzelne
Signale verarbeitende Einrichtungen innerhalb der Recheneinrichtung
des erfindungsgemäßen Lenksystems.
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In 2 ist
eine praktische Ausführung eines wesentlichen Teils des
erfindungsgemäßen Lenksystems in teilweise aufgebrochener
Form dargestellt. Dabei wurden die Bezugszeichen von 1 für
die einander entsprechenden Bauteile beibehalten. In 2 ist
ein Teil des Kreuzgelenkes 7 zu erkennen, an das sich der
zweite Abschnitt 3 der Lenkstange 13 anschließt.
Dieser zweite Abschnitt der Lenkstange weist in Richtung der Zahnstange 8,
an dem der zweite Abschnitt 3 über einen Torsionsstab
und ein Ritzel angreift. In Höhe des Torsionsstabes sind
ein Drehwinkelsensor 5 und mindestens ein Drehmomentsensor 4 angeordnet.
Die beiden zuletzt genannten Sensoren sind gemeinsam in einem Gehäuse
angeordnet, so dass Einzelheiten hierzu in 2 nicht
erkennbar sind. Rechts in 2 ist in
aufgeschnittener Form ein Motor 9 zu erkennen, dessen Antriebswelle über
ein Zahnrad und einen Treibriemen 16 ein Kugelgetriebe 14 antreibt.
Die Zahnstange 8 ist axial verschiebbar aber drehfest gelagert
und wird mittels des die Zahnstange 8 umfassende Getriebes 14 durch
dessen konzentrische Drehbewegung nach rechts oder links bewegt.
Der Servo-Motor 9 ist mit einer Motor-Positionssensorik
(15) versehen, die analog dem Lenkwinkelsensor 15 nach 1 wirkt.
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Dargestellt
ist somit in 2 ist ein elektromechanisches
Lenksystem mit den wesentlichen Systemkomponenten für die
Lenkwinkelberechnung. Das elektronische Steuergerät 12 (siehe 1)
ist in 2 zur Ansteuerung des Antriebsmotors 9 und
zur Auswertung der Sensordaten ist in das Lenkgetriebegehäuse
integriert. Auf dem Steuergerät werden komplexe Lenkfunktionen
gerechnet, um die Ansteuerung des Antriebsmotors 9 fahrsituationsabhängig zu
gestalten. Manche der komplexen Lenkfunktionen haben einen hohen
haptischen Anspruch (z. B. aktiver Rücklauf) und benötigen
dafür ein hoch aufgelöstes Lenkwinkelsignal, das
mit einer hohen Abtastrate bereitgestellt werden muss.)
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Aus 2 ist
deutlich zu erkennen, dass bei einem Durchrutschen des Treibriemens 16 der
Lenkwinkelsensor 15 zwar betätigt aber die Zahnstange 8 nicht
in axialer Richtung bewegt wird. Hierdurch kommt es zu einer Verschiebung
des durch den Lenkwinkelsensor 15 festgestellten Lenkwinkels
gegenüber dem, durch die Lage der Zahnstange 8 festgelegten,
tatsächlichen Lenkwinkel der Räder.
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In 3 sind
das Steuergerät (insbesondere die ECU) und der Aufbau der
Software dargestellt. 3 stellt in skizzierter Form
den Informationsfluss innerhalb des Steuergerätes 12 dar.
Die Eingänge des Steuergerätes 12 werden
durch digitale Signale, analoge Signale und durch Signale auf dem CAN-Bus
beaufschlagt. Bei den durch den Lenkwinkelsensor 15 abgegebenen
Signalen (LW-Nachricht) kann es sich, je nach Aufbau dieses Sensors,
um analoge oder digitale Signale handeln. Weiter oben war schon
erläutert worden, dass dieser Sensor die Winkellage der
Antriebswelle des Motors 9 abtastet und so eine Information
zur Verfügung stellt, die als lineare Unterteilung der
von dem Drehwinkelsensor 5 grob angegebenen Drehwinkel-Werte
aufgefasst werden kann. Wegen der großen Übersetzung
des Kugelgetriebes 14 fallen auf einen vergleichsweise kleinen
Drehwinkelbereich eine größere Anzahl von Umdrehungen
der Antriebswelle des Motors 9 an, so dass das Ausgangssignal
dieses Sensors mehrdeutig ist und referenziert und plausibel gemacht
werden muss. Dies kann in einer Vorverarbeitung in dem Lenkwinkelsensor 15 selbst
oder aber, wie im Zusammenhang mit 3 ersichtlich,
in dem Steuergerät 12 geschehen, wie dies in dem
Block ”Lenkwinkel-Berechnung” angedeutet ist.
In diesem Block werden daher die mehrdeutigen Lenkwinkel-Nachrichten über
die Motorpositionen durch entsprechende Speicher und rechnerische
Behandlung in Lenkwinkel umgerechnet. Die berechneten Lenkwinkel sowie
hieraus resultierende Ersatzmaßnahmen gelangen von dem
Block ”Lenkwinkel-Berechnung” zu einem Software-Block ”Lenkfunktionen”,
in dem die eingehenden Informationen zu einem Sollwert-Signal S
verarbeitet werden, durch welches u. a. der Servomotor 9 angesteuert
wird. Von den Steuergeräten 12 werden wiederum
digitale Ausgangssignale, analoge Ausgangssignale und für
den CAN-Bus bestimmte Signale ausgegeben.
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Das
oben beschriebene Softwaremodul Lenkwinkelberechnung stellt den
Lenkfunktionen einen berechneten Lenkwinkel über eine Softwareschnittstelle
bereit, den sie ständig überwacht und auf Plausibilität
prüft. Die Überwachung umfasst ebenfalls die Detektion
von Riemenüberspringern. Riemenüberspringer können
auftreten, wenn das Motormoment sehr hoch ist, sich die Lenkung
aber nicht oder nur sehr langsam bewegt, da dadurch hohe Umfangskräfte
am Riemenrad entstehen. Auch die Einleitung etwaiger Ersatzmaßnahmen
gehört dabei zu den Aufgaben.
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Dem
Software-Block ”Lenkfunktionen” werden zusätzlich
weitere Kenngrößen zugeführt, welche
Einfluss auf die in diesen Block festgelegten Lenkfunktionen haben.
Dies können beispielsweise Informationen über
den Fahrzustand des Fahrzeugs wie Radgeschwindigkeit, Temperaturen,
Querbeschleunigung des Fahrzeugs und Ähnliches sein.
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In 4 ist
das Steuergerät 12 in Blöcken nach Aufgaben
aufgeteilt wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die
zu dem Steuergerät 12 gehörenden Recheneinrichtung 17 durchgeführt
werden. Die Recheneinrichtung 17 ist mit einer Abgleicheinrichtung 18 versehen,
zu der eine Überwachungsschaltung 19 und einer
Riemensprung-Erkennung 20 gehören.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Lenksystems
näher erläutert. Als Grundlage der Berechnung
stehen dem Modul ”Lenkwinkelberechnung” in 3 die
Motorpositionsdaten zur Verfügung (Motorwinkel und Drehzahl). Die
absolute Lenkwinkelposition wird von einer zweiten externen Quelle
mit geringer Auflösung eingelesen, nämlich dem
Drehwinkelsensor 5 (1). Zusätzlich
kann das Modul auf intern berechnete Größen, wie
das Fahrerhandmoment (siehe Drehmomentsensor 4 in 1)
und das Motorsollmoment S zugreifen.
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Zusammenfassend
lässt sich die Erfindung kurz wie folgt beschreiben. Der
Zusammenhang zwischen Lenkwinkel und Motorposition kann über
die verschiedenen Übersetzungsverhältnisse in
der Antriebseinheit des Lenksystems abgeleitet werden, die durch
ihre mechanischen Eigenschaften vorgegeben sind. Durch die räumliche
Trennung von externem Lenkwinkelsensor, der sich z. B. im Lenkrad
befinden kann und der Motorpositionssensorik im Lenksystem (siehe 2),
muss eine mögliche Asynchronität der beiden Informationen
zueinander berücksichtigt werden. Diese kann einerseits
durch eine Trennung der beiden Komponenten bei Reparaturarbeiten
in der Werkstatt geschehen. Da von einer elektromechanischen Lenkung
mit achsparallelem Antrieb ausgegangen wird, kann dies andererseits
auch durch ein Überspringen des Riemens in der Antriebseinheit 9 ausgelöst
werden. Weitere Asynchronitäten, z. B. durch extreme Torsionen
der Lenkstange müssen ebenfalls berücksichtigt
werden.
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Lenkwinkelberechnung:
Mittels eines Umdrehungszählers wird aus den Motorpositionsinformationen
unter Kenntnis des Übersetzungsverhältnisses,
zwischen Lenkritzel und Motorwelle ein Lenkwinkel mit der feinen
Auflösung des Motorwinkels berechnet. Der absolute Lenkwinkel
wird durch Addition eines Offsets, der mit der 2-Stufen-Synchronisation festgelegt
wird, berechnet.
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2-Stufen-Synchronisation:
Bei der Initialisierung der Software wird sofort das grob aufgelöste
Signal vom externen Lenkwinkelsensor eingelesen. Die Differenz zwischen
externem Lenkwinkel und interner Lenkwinkelberechnung ohne Offsetaddition wird
als Offset für die absolute Lenkwinkelberechnung übernommen,
eine handmomentenbedingte Torsion der Lenkstange 13 muss
dabei ausgerechnet werden. Durch die sofortige Übernahme
(Stufe 1) kann sogleich ein absoluter, korrekter Lenkwinkel berechnet
werden, in dem der übernommene Ausgangswert vom derzeitig
berechneten Winkel abgezogen wird und die Differenz als dauerhafter
Offset in die Berechnung einfließt: Durch die schnelle
erste Stufe kann den Lenkfunktionen sofort ein fein aufgelöster
Lenkwinkel bereitgestellt werden.
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Da
diese schnelle Synchronisation noch nicht genau genug ist, muss
in einer zweiten Stufe die Synchronisation verbessert werden. Wenn
abhängig vom Handmoment, von der momentanen Umdrehungszahl
des Motors und vom Empfang neuer Winkelwerte davon ausgegangen werden
kann, dass das externe Lenkwinkelsignal des Drehmomentsensors 5 durch
keine Torsions- oder Trägheitseffekte verfälscht
ist, wird es in der zweiten Stufe zur neuen Offsetberechnung übernommen.
Der Vorteil der 2-Stufen-Synchronisation ist dabei ein sehr schneller und
letztlich sehr genauer Abgleich der Lenkwinkel, um den hohen haptischen
Ansprüchen während der Synchronisation zu genügen
und ein konstanteres Systemverhalten nach der Synchronisation zu
gewährleisten.
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Gleichlaufüberwachung:
Während der Lenkwinkelberechnung soll ständig überwacht
werden, ob der berechnete Lenkwinkel mit dem Winkel vom Drehwinkelsensor 5 synchron
läuft. Da der Drehwinkelsensor 5 eine geringe
Abtastrate und eine grobe Auflösung hat, muss dafür
eine Toleranz vorgesehen werden. Die Toleranz wird dynamisch in
Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors angepasst. Torsionseffekte
in der Lenkstange 13 werden dabei besonders berücksichtigt
durch ein Herausrechnen der Torsion des Drehstabs bedingt durch
das Handmoments und eine Toleranzerhöhung durch eine Vorzeichenprüfung
von Handmoment und Gleichlaufdifferenz. D. h. bei einer Verdrehung
des Lenkstabs in Richtung des Handmoments und einer daraus resultierenden
Gleichlaufdifferenz muss die Toleranz erhöht werden, da
Torsionseffekte durch eine blockierte Lenkung (z. B. im Endanschlag)
entstehen. Sind die Vorzeichen verschiedenen, ist eine kleine Toleranz zu
wählen, da in diesem Fall Riemenüberspringer möglich
sind und Torsionseffekte ausgeschlossen werden können.
Wird durch die Gleichlaufüberwachung eine Asynchronität
festgestellt, die nicht auf einen Riemensprung zurückzuführen
ist, wird die Lenkwinkelberechnung abgebrochen. Dies kann z. B.
im Werkstattfall oder bei einem defekten Lenkwinkelsensor möglich
sein.
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Riemensprungerkennungen
im Moment des Übersprungs: Zunächst wird geprüft,
ob die Randbedingungen für einen Riemensprung vorhanden
sind. Die Randbedingungen umfassen, dass ein Handmoment oberhalb
einer Minimalgrenze vorhanden sein muss, dass eine Abweichung zwischen
berechnetem Lenkwinkel und externem Lenkwinkel vorhanden sein muss
und dass das Handmoment in Richtung der Abweichung vorhanden ist,
d. h. dass das berechnete Signal trotz Torsionseffekt in Richtung
des Handmoments vorauseilt.
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Sind
die Randbedingungen erfüllt, wird das Anwachsen der Abweichung
geprüft, wobei eine dynamische Entprellung verwendet wird.
Je größer der Anstieg der Abweichung pro Rechenschritt
ist, desto höher wird ein Entprellzähler gezählt.
Bei einer kleiner werdenden Abweichung wird der Entprellzähler zurückgezählt.
Ist eine obere Grenze des Entprellzählers erreicht und
ist die Abweichung inzwischen größer als ein Minimalwert,
gilt ein Riemensprung als erkannt. Die dynamische Entprellung bietet
sowohl eine sehr robuste wie auch äußerst schnelle
Erkennung von Riemenüberspringern.
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Nachträgliche
Riemensprungerkennung: Sollte ein Riemensprung nicht im Moment des Übersprungs
erkannt werden, findet eine Offsetüberwachung statt. Die
Offsetüberwachung prüft, ob eine konstante Abweichung
zwischen intern berechnetem und externem Lenkwinkelsignal vorhanden
ist. Die Abweichung muss während des Lenkens über
einen gewissen Lenkbereich vorhanden sein, wobei auch das Handmoment
auf eine Maximalgrenze geprüft wird, um extreme Torsionseffekte
auszuschließen. Zur Offsetüberwachung werden sowohl
die momentane Abweichung der Winkel wie auch eine geeignet gefilterte
Abweichung benutzt, damit sowohl kurzzeitige Sprünge wie
auch Trägheitseffekte zu keiner Fehlerkennung führen.
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Ist über
einen größeren Lenkwinkelbereich ein Offset oberhalb
einer Minimalgrenze festgestellt, gilt ein Riemensprung als erkannt.
Eine immer größer werdende Abweichung würde
entweder durch die aktive Erkennung erkannt werden, wenn ein Riemensprung
vorliegt oder durch die Gleichlaufüberwachung, wenn ein
sonstiger Ausnahmezustand vorliegt. Durch diese doppelte Riemensprungerkennung ist
eine hohe Erkennungsrate ohne Fehlerkennung realisiert.
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Einleitung
von Ersatzmaßnahmen: Zur Vermeidung kritischer Fahrsituationen
und eines fortgesetzten Riemensprungs muss das Motormoment reduziert
werden. Dazu wird das Niveau der Lenkunterstützungskraft
schlagartig abgesenkt. Diese Maßnahme soll dazu dienen,
den weiteren Sprung zu stoppen, da die Umfangskraft am Riemen abnimmt. Außerdem
wird ein Übersteuern oder Leichtsteuern vermieden, wenn
der Riemen wieder greift und (da der Fahrer inzwischen das Handmoment
erhöht hat), um eine mögliche Kurvenfahrt während
des Übersprungs beizubehalten.
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Damit
kein weiterer Riemensprung auftritt, was als wahrscheinlich gilt,
wenn der Riemen erst einmal vorgeschädigt ist, muss das
Unterstützungsniveau dauerhaft gesenkt werden, so dass
keine hohen Umfangskräfte am Riemen mehr möglich
sind, die ein Überspringen begünstigen könnten.
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Gemäß dem
oben Gesagten bietet die vorliegende Erfindung Lösungen
an für folgende Probleme:
- 1. Berechnung
eines hoch aufgelösten Lenkwinkels aus der relativen Motorposition
- 2. Schnelle Synchronisation des berechneten Lenkwinkels mit
dem Lenkwinkel vom externen Lenkwinkelsensor unter Berücksichtigung
der aktuellen Bewegung und des Lenkmoments zur Bestimmung der absoluten
Lenkwinkelposition
- 3. Gleichlaufüberwachung der Lenkwinkelsignale während
der Berechnung mit dynamischer Toleranzanpassung und Berücksichtigung
von Torsionseffekten in der Lenkstange durch hohe Lenkmomente zur
Erkennung einer Trennung des Lenksystems vom Lenkwinkelsensor
- 4. Erkennung von Überspringern des Antriebsriemens
ausgelöst durch bestimmte Lenksituationen mit einer dynamischen
Entprellung im Moment des Übersprungs und nach erfolgtem
Riemensprung durch Offsetüberwachung
- 5. Einleitung von Ersatzreaktionen nach Riemenübersprung
zur Vermeidung weiterer Überspringer in der Zukunft und
kritischer Fahrsituationen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004054921
A1 [0009]
- - DE 102006037014 [0009]