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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 Lenkradmoment 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.
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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 2 aufgebrachte
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 11 über
die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 durch
einen Servomotor 9 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. In dem Fall sitzt der Servo-/Unterstützungsmotor
an der Lenkstange. 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
Hilfsmoments abhängt.
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Das
Steuergerät 12 ist in der Regel derart aufgebaut,
dass es aufgrund der ankommenden Eingangsignale, z. B. des Drehmomentes
DM und/oder des 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 abgelegter
Berechnungsalgorithmen wird dabei das Hilfsmoment in der Regel derart
bestimmt, dass in Abhängigkeit von dem mit dem Drehmomentsensor
des Lenkrades gemessenen Drehmoment DM (welches der Differenz des
Drehwinkels DW und dem Lenkwinkel LW der Räder 11 entspricht)
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 ein 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
Drehwinkelgeschwindigkeit, 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
gewöhnlich 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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Der
durch den Servomotor abgegebenen Hilfskraft steht die Reibung des
Systems gegenüber, die von mehreren Eingangsgrößen
abhängig ist. Da diese Eingangsgrößen
sich ändern können ist damit zu rechnen, dass
das Servo-Lenksystem den Fahrer mit von der aktuellen Reibung abhängigen,
schwankenden Hilfskräften bedient. Es hat daher in der
Vergangenheit Bemühungen gegeben, die jeweilige Reibung
zu kompensieren, um dem Fahrer ein gleich bleibendes Hilfsmoment
zur Verfügung stellen zu können. Der Fahrer behält dann,
unabhängig von dem jeweiligen Zustand der Reibung, das
gleiche Lenkengefühl.
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Hierzu
wurde in der
DE
10 2004 021 951 A1 vorgeschlagen, bei einem Richtungswechsel
des Servomotors ein allmählich ansteigendes Zusatzmoment
zur Verfügung zu stellen, welches bis zu einem Maximum ansteigt
und solange beibehalten wird, bis sich die Drehrichtung des Motors
wieder umkehrt. Dieses Zusatzmoment ist unabhängig von
dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment.
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Aus
der
US-PS 6543570 B2 ist
weiterhin bekannt, speziell die auf die Zahnstange wirkende Reibung, insbesondere
gegenüber dem Getriebegehäuse, zu kompensieren.
Hierzu ist ein so genannter Reibungs-Kompensator vorgesehen, in
dem in Tabellen Reibungswerte gespeichert sind, deren ausgebbare
Werte von der Größe der Eingangsignale abhängig
sind, die dem Reibungs-Kompensator zugeführt werden. Eingangsgrößen
sind dabei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und das von dem Drehmomentsensor
gemessene Drehmoment. Eine weitere Eingangsgröße
kann die Kraft sein, mit der das Gegenlager über die Zahnstange
auf das Ritzel wirkt. Der Reibungs-Kompensator gibt ein Ausgangssignal
aus, welches zu dem in gebräuchlicher Weise berechneten
Wert für das durch den Motor aufzubringende Sollmoment
hinzugefügt wird.
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Die
genannten Schriften wirken der Reibung nur entgegen, soweit diese
weitgehend gleichmäßig wirksam ist. Es hat sich
allerdings nun gezeigt, dass es auch Reibungskräfte und
andere Kräfte mit höherer Frequenz auftreten können,
die gegebenenfalls durch das Lenkungssystem selbst verstärkt
auf das Lenkrad des Fahrers zurück gekoppelt werden und
sich dort auf das Fahrgefühl störend bemerkbar
machen. Diese zeitweise oder generell auftretenden höheren
Schwingungen können insbesondere deshalb zu Irritationen
des Fahrers führen, weil es sich bei der Lenkung um ein
Sicherheitsteil des Fahrzeugs handelt und hier Unregelmäßigkeiten
die Konzentration des Fahrers auf das Verkehrsgeschehen leicht ablenken
können.
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Dieses
Problem wird unter anderen in der
DE 10 2005 007 307 A1 angesprochen,
die eine hydraulisch arbeitende Servo-Lenkung beschreibt. Um Schwankungen
des auf das Lenkrad ausgeübten Momentes zu reduzieren ist
dort eine Gegenkopplung vorgesehen, die derart ausgestaltet ist,
dass sie den auf das Lenkrad einwirkenden schwankenden Momenten
entgegenwirkt. Die dort gezeigte Konstruktion ist vergleichsweise
aufwändig und bedient sich eines elektrisch gesteuerten Überlagerungsgetriebes,
welches dem mit dem Lenkrad gekoppelten Drehmomentsensor entgegenwirkt.
Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der auf das Lenkrad ausgeübten
und für den Fahrer unangenehmen Schwankungen des Momentes am
Lenkrad heraus geregelt.
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Mit
den schwerer werdenden Fahrzeugen und den ansteigenden Ansprüchen
an den Fahrkomfort ist auch das von den Servomotoren ausgeübte
Hilfsmoment der Servolenkung stark gestiegen. Auf diese Weise ergibt
sich eine erheblich größere Verstärkung
der auf das Lenkrad wirkenden Drehmomente. Dies gilt auch dann,
wenn diese Schwankungen durch das Servo-System selbst ausgelöst
werden. Es wurden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, um
diese Schwankungen zu reduzieren, wobei die Bekämpfung
dieser Störungen gezielt auf die unterschiedlichen Störquellen
ausgerichtet wird, um die hieraus resultierenden Störungen
entkoppelt bekämpfen zu können. Eine hiervon abweichende
Vorgehensweise hat sich als unbrauchbar erwiesen, da eine große
Summe von sich einander überlagernden Störsignalen
nicht mehr reproduzierbar ist und somit nicht mehr durch geeignete
Steuersignale beeinflusst werden kann. Dem Hersteller großer
Fahrzeugserien bleibt daher nur die Möglichkeit, die Störungen
einzelner Störquellen gezielt zu untersuchen und gezielt
zu bekämpfen, da ja die Fahrzeuge nicht einzelnen und für
sich abgestimmt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung geht daher aus von Lenksystemen der sich aus
dem Oberbegriff des Hauptanspruches ergebenden Gattung. Aufgabe
der Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen
elektromechanischen Lenksystem die sich durch den Verzahnungseingriff
zwischen Ritzel und Zahnstange ergebenden Schwankungen des Handmomentes
am Lenkrad zu beseitigen oder mindestens zu reduzieren, da diese Schwankungen
sich negativ auf die Haptik auswirken. Insbesondere bezieht sich
diese Erfindung auf Lenksysteme mit variabler Übersetzung
der Zahnstange, da die vorhandenen Schwankungseffekte hier noch
deutlicher werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die sich aus
dem Anspruch 1 sowie aus Anspruch 11 ergebenden Merkmalkombinationen
gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip darin, eine Ausgabeeinrichtung
vorzusehen, in der in geeigneter Form die sich beim Eingriff des
Ritzels in die Zahnstange ergebenden Schwankungen des Momentes beziehungsweise
der wirkenden Kräfte ermittelt werden. In Abhängigkeit
von dem gerade geltenden Lenkwinkel der Räder wird von
der Ausgabeeinrichtung ein Ausgangssignal derart an eine Hilfskrafteinrichtung
abgegeben, dass die Schwankungen aufgehoben oder zumindest reduziert
werden.
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Der
Hintergrund für diese Maßnahmen ist folgender.
Durch den geregelten Antrieb wird, ausgehend von dem Drehwinkel
des Lenkrades und dem durch das Lenkrad ausgeübten Handmoment
der Fahrerwunsch erkannt. Dabei bringt der geregelte Antrieb ein
dem Fahrerwunsch entsprechendes Drehmoment auf, durch welches der
Lenkwinkel der Räder entsprechend verstellt wird. Allerdings
ist die Regelung derart eingestellt, dass an dem Lenkrad ein geeignetes
Restmoment verbleibt, welches dem Fahrer ein notwendiges Lenkgefühl vermittelt.
Dieses Lenkgefühl benötigt der Fahrer, um den
Zustand der Straße und die Wirkung seiner Betätigung
des Lenkrades mittels haptisch wirkender Signale gut abschätzen
zu können. Wirken nun Schwankungen bei der Kraftübertragung über
die Zahnstange, das Ritzel und die Lenkstange auf das Lenkrad zurück, wirkt
sich dies beim Lenkvorgang negativ auf die Haptik aus.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass die weiter oben geschilderten Störmomenten
hauptsächlich durch die Reibung zwischen Ritzel und Zahnstange
bedingt sind und dass die Schwankungen im Wesentlichen sinusförmig
gegenüber einem Sollmoment verlaufen. Zusätzlich
kann auch noch eine durch die Verschiebung der Zahnstange bedingte
Reibung festgestellt werden, welche besonders bei variabler Übersetzung
der Zahnstange nicht konstant bzw. schwankend ist.
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Das
Reibverhalten wird durch einen entsprechenden Versuchsaufbau ermittelt,
bei dem die durch die Verschiebung der Zahnstange mit dem Drehmomentsensor
gemessenen Drehmomente in Abhängigkeit von dem gemessenen
Drehwinkel des Lenkrades gemessen werden. Bei dem Versuchsaufbau
sind alle Bauteile des Lenksystems entfernt, deren Reibung beziehungsweise
Widerstandsmoment nicht gemessen werden soll, also das Gestänge
zwischen Zahnstange und Räder, die Räder selbst
und der Antrieb.
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Diese
Messreihen werden für alle sinnvollen Parameter durchgeführt,
bei deren Änderung eine Änderung des Widerstandsmomentes
zu verzeichnen ist. In Weiterbildung der Erfindung, entsprechend
der Merkmalkombination nach Anspruch 3, empfiehlt es sich, als Parameter
die Temperatur, die Lenkwinkelgeschwindigkeit und das Handmoment
zu verwenden.
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Es
wird aus den Ergebnissen ein entsprechender Algorithmus abgeleitet,
der die Berechnung eines Ausgleichsmomentes ermöglicht.
Für die Ausgabe des ersten Ausgangssignals müssen
in der Ausgabeeinrichtung in Abhängigkeit von dieser zugeführten
Eingangssignalen die entsprechende Berechnung durchgeführt
werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
nach Anspruch 4 geschieht dies vorteilhaft, indem in geeigneten,
den einzelnen Parametern zugeordneten Kennlinien, die Reibmomente
in Abhängigkeit von den möglichen Größen
der einzelnen Parameter beschrieben sind. In Abhängigkeit
von der Größe der dann später im Fahrzustand
anliegenden Parameter kann die Berechnung durchgeführt
werden. Dazu besitzt die Ausgabeeinrichtung zusätzlich
eine Kalkulationseinrichtung, in der die ausgegebenen Kennlinienwerte
nach einer geeigneten Regel miteinander zu einem einzigen ersten
Ausgangssignal verknüpft werden. Dieses erste Ausgangssignal
bzw. Ausgleichsmoment wird dann dem berechneten Sollwert für
das gewünschte Moment des Antriebes derart hinzugefügt, dass
die hinsichtlich der einzelnen Parameter im Feldversuch erkannten,
durch Reibungen und Widerstände bedingten Abweichungen
und Schwankungen vorab berücksichtigt werden. Mit anderen
Worten, es werden durch das erste Ausgangssignal auf den für
den Antrieb vorgesehenen Sollwert zu den vorher ermittelten Schwankungen
des Momentes inverse Momente aufgeprägt, so dass im Ergebnis ein
von Störungen wert gehend freies Moment am Ritzel und damit
am Lenkrad erhalten wird.
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Üblicherweise
haben die dem Ritzel gegenüberliegenden Zähne
der Zahnstange zueinander den gleichen Abstand. In der Praxis hat
sich aber gezeigt, dass es günstig ist, bei Geradeausfahrt,
bei der ja meist das Fahrzeug eine höhere Geschwindigkeit
hat, einem bestimmten Ausschlag am Lenkrad einen kleineren Lenkwinkel
der Räder zuzuordnen, während bei der meist langsameren
Kurvenfahrt für den bestimmten Ausschlag am Lenkrad größere
Verstellungen des Lenkwinkels der Räder erwünscht
sind. Es ist daher vorgeschlagen worden, bei wachsender Fahrgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs mittels eines Überlagerungsgetriebes die Übersetzung
zwischen Drehwinkel am Lenkrad und Lenkwinkel der Räder
zu vermindern, so dass bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten ein bestimmter
Drehwinkel am Lenkrad zu einem vergrößerten Lenkwinkel
der Räder führt und umgekehrt. Nachteilig dabei
ist allerdings, dass beim Einfahren in eine Kurve gewöhnlich
die Geschwindigkeit stark zurückgenommen wird, wodurch
sich das Lenkverhalten des Fahrzeugs sehr schnell ändert.
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Daher
geht ein anderer Vorschlag dahin, das Übersetzungsverhältnis
nicht mehr von der Fahrgeschwindigkeit sondern nur von dem aktuellen
Drehwinkel des Lenkrades abhängig zumachen. Dies lässt
sich vergleichsweise einfach dadurch erreichen, dass das Übersetzungsverhältnis
zwischen Ritzel und Zahnstange in Richtung zu den Anschlägen
des Lenkrades hin tendenziell vergrößert wird,
das heißt immer direkter wird. Für eine derartige
Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Lenksystemen
entsprechend der Merkmalkombination nach Anspruch 5 und 6 hervorragend
geeignet. Dies lässt sich so erklären, dass bei
einer größer werdenden Übersetzung zwischen
Ritzel und Zahnstange, der Abstand der Zähne an der Zahnstange
zunimmt (von Lenkradwinkel 0 zum Außenbereich hin also
immer größer wird. In diesem Fall müssen
aber auch die Zähne tiefer in die Zahnlücken eingreifen
und der Weg des Eingriffs der jeweiligen Zähne zueinander
wird länger. Da sich hierdurch die Hebelwirkung der Zähne
während des Eingriffs starker ändert ergibt sich
auch eine stärkere Schwankung des resultierenden Momentes,
so dass hinsichtlich für derartige Lenksysteme die vorliegende
Erfindung besonders effizient ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht nur für die üblichen
elektromechanischen Servo-Lenksysteme geeignet sondern auch für
hydraulisch arbeitende Servo-Lenksysteme. Auch für Lenksysteme
des Typs ”steer by wire” ist die vorliegende Erfindung
unter gewissen Randbedingungen mit Vorteil anwendbar.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Darin zeigt:
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1 den üblichen
Aufbau einer elektromechanischen Servolenkung,
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2 en
praktischen Aufbau für die erfindungsgemäße
Lenkung wesentlicher Baugruppen
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3 den
Verlauf des in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel der Räder
gemessenen Reibmomentes
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4 ein
Blockschaltbild einer Ausgabeeinrichtung gemäß der
Erfindung mit den ihr zugeführten Eingangssignalen und
von ihr abgegebenen Ausgangssignalen und
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5 eine
Erläuterung hinsichtlich des Entstehens der zu bekämpfenden
Schwankungen des Momentes.
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Nachdem
Einzelheiten zu 1 schon eingangs erläutert
wurden zeigt 2 den Aufbau wesentlicher Baugruppen
des elektromechanischen Lenksystems. Dabei wurden gegenüber 1 die
Bezugszeichen beibehalten, so dass einander entsprechende Bauteile
in 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen
besitzen. Die 2 ist damit weitgehend selbsterklärend.
Speziell in dem Lenksystem nach 2 ist die
integrierte Anordnung von Drehwinkelsensor und Drehmomentsensor 4, 5 an
der Lenkstange nahe dem Ritzel 6 und in einem gemeinsamen
Gehäuse. Die Lenkstange 13 ist nur in Form eines
abgeschnittenen Abschnitts 3 in 2 zu erkennen.
Von dem Gehäuse für den Drehmomentsensor und den
Drehwinkelsensor werden die Signale DW und DM über eine
abgeschirmte Leitung zu dem Steuergerät 12 geführt,
welches an das Gehäuse des Servomotors 9 angeflanscht
ist, der als Elektromotor ausgestaltet ist. Abgesehen von der Tatsache,
dass zur Messung der Reibmomente dass Servogetriebe (Kugelgetriebe)
für die erfindungsgemäße Messung der
Widerstandsmomente nicht gebraucht wird, entspricht der in 2 gezeigte
Aufbau weitgehend dem Aufbau der Messeinrichtung nach Anspruch 11.
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In 3 ist
beispielhaft das Widerstandsmoment von Ritzel 6 und Zahnstange 8 über
dem Drehwinkel des Lenkrades aufgetragen, der unter Berücksichtigung
des Momentes in den Lenkwinkel der Räder umgerechnet werden
kann. Dabei ist zu beachten, dass wegen fehlender Lasten durch die
Räder und anderer Bauteile der Drehwinkel am Lenkrad dem
Drehwinkel der (demontierten) Räder entspricht, bis auf
die durch den Reibwiderstand bedingte Winkeldifferenz, die bei bekanntem
Torsionsverhalten des Torsionsstabes sich aber heraus rechnen lässt.
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3 zeigt
zwei Kurvenverläufe über dem Drehwinkel des Lenkrades,
der sich, wie weiter oben erläutert, aber in den Lenkwinkel
der Räder umrechnen lässt. Von dem Nullwert des
Drehwinkels ist der Verlauf des Reibmomentes jeweils über
1,5 Umdrehungen des Lenkrades in den beiden Richtungen aufgetragen.
In 3 erkennt man eine konstant bleibende Reibung
von etwa 1 Nm, die man als Gleitreibung der Zahnstange 8 gegenüber
ihrem Gehäuse auffassen kann. Dieser kann als konstant
betrachtet werden, da sie eine sinusförmige Form hat und
eine fast gleich bleibende Amplitude besitzt.
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In 3 ist
noch eine zweite Kurve eingezeichnet, die den Verlauf des Widerstandsmomentes
für eine Zahnstange mit progressiver/variabler Übersetzung
zeigt, das heißt einem Übersetzungsverhältnis,
das nach den äußeren Anschlägen des Lenkrades
hin immer größer und damit direkter wird. Man
erkennt, dass der Mittelwert der Reibung in diesem Fall von der
Mittelstellung des Lenkrades kommend etwa stetig ansteigt, wobei allerdings
die Schwankungen in den äußeren Drehwinkelbereichen
konstant zunehmen. Weiter unten wird versucht eine Erklärung
hierfür zu geben.
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In 4 ist
die Arbeitsweise der Ausgabeeinrichtung 21 in Form eines
Blockschaltbildes dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass der Ausgabeeinrichtung 21 mehrerer
Eingangsgrößen wie Lenkwinkel, Lenkwinkelgeschwindigkeit,
Temperatur und gegebenenfalls weitere Größen zugeführt
werden, deren Änderung einen Einfluss auf das Widerstandsmoment
der Zahnstange besitzen. Weiterhin bildet das Sollmoment eine Eingangsgröße
der Ausgabeeinrichtung 21, wobei dieses Sollmoment der
Wert ist, den der Servomotor 9 der Lenkung schließlich
ausüben soll. Die Eingabe des Sollmomentes in die Ausgabeeinrichtung 21 dient
zu Kontrollzwecken. Für die Berechnung der Korrektur ist
an sich die Kenntnis der anderen sich mit dem Drehwinkel beziehungsweise
Lenkwinkel ändernden Eingangsgrößen hinreichend.
In der Ausgabeeinrichtung 21 befinden sich Kennlinien,
die den einzelnen Eingangsgrößen zugeordnet sind
und aus denen der sich für die aktuelle Eingangsgröße
gültige Reibwiderstand berechnen lässt. Die verschiedenen
auf diese Weise ermittelten Daten werden nach einer geeigneten mathematischen
Formel zusammengefasst und somit ein Ausgleichsmoment berechnet.
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Es
ergibt sich dann ein erstes Ausgangssignal A1, das in einem Korrigierer 22 einem
Sollmoment hinzugefügt wird, so dass man ein korrigiertes
Sollmoment M_korr erhält, dessen Verlauf mit einer derartigen Schwankung
versehen ist, dass schließlich das an den Rädern
resultierende Moment dem gewünschten Sollmoment entspricht.
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5 zeigt
schließlich eine Prinzip-Skizze für den Versuch
einer Erklärung für die weiter oben beschriebenen
Schwankungen des Reibmomentes. Bei Aufzeichnung des Durchlenk-/Handmoments über
den kompletten Lenkwinkelbereich ohne Lenkunterstützung
(bei konstanter Drehzahl und somit konstanter Lenkwinkelgeschwindigkeit)
entsteht eine gleichmäßige Schwingung um einen
Mittelwert. Dieser Mittelwert ist konstant und stellt das Reibmoment
dar. Die Schwingung ist dabei auf die Änderungen der Federsteifigkeit
im Verzahnungseingriff bei Schrägverzahnung zurückzuführen.
Die Federsteifigkeit (CN) ist also abhängig
vom Ort des Wälzpunktes (gy) auf
der Eingriffslinie und da sich dieser bei Schrägverzahnung
kontinuierlich verschiebt, ähnelt die Änderung
der Federsteifigkeit einer cos-Funktion (siehe Prinzipskizze Reibmoment
bei normaler/konstanter Lenkübersetzung)
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Die
bei Verzahnungseingriff wirkende Zahnkraft lässt sich aus
der Normalkraft und dem Schrägungswinkel der Verzahnung
berechnen durch FZ =
Fnormal·cos(bR)wobei
sich die Zahnnormalkraft als Funktion der Federsteifigkeit (sowie
einer Dämpferkonstanten) und einer Relativkoordinate ergibt.
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Die
Relativkoordinate xnormal wiederum ist abhängig
vom Ritzelwinkel, Grundkreisradius vom Ritzel, dem Neigungswinkel
der Eingriffslinie bzw. Eingriffswinkel der Verzahnung sowie dem
Schrägungswinkel der Verzahnung.
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Ist
nun also neben der Federsteifigkeit (durch Verschiebung des Wälzpunktes)
auch noch der Schrägungswinkel der Verzahnung (bR) veränderlich, sowie der Flankenwinkel
der Zähne (at) veränderlich,
so ergibt sich auch eine Änderung der Zahnkraft. Je kleiner
der Flankenwinkel, desto größer wird die Kraft
und somit auch das Reibmoment, da Moment und Kraft über
einen Umrechnungsfaktor ineinanderüberführbar
sind und somit proportional (siehe Prinzipskizze Reibmoment bei
variabler Übersetzung)
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Zusammenfassend
lässt sich die vorliegende Erfindung kurz wie folgt beschreiben:
Die
Erfindung geht von folgender Aufgabe aus. Bei elektromechanischen
Lenksystemen (speziell mit variabler Lenkübersetzung) kommt
es durch sich verändernde Reibungsverhältnisse
beim Verzahnungseingriff von Ritzel und Zahnstange zu Schwankungen im
Handmoment, welche sich negativ auf die Haptik auswirken. Erwünscht
ist daher die Kompensation von drehwinkelabhängigen Handmomentschwankungen
zur Verbesserung der Haptik bei elektromechanischen Lenksystemen.
Dabei sollen zur Verbesserung der Haptik bei elektromechanischen
Lenksystemen mit variabler Lenkübersetzung drehwinkelabhängige
Handmomentschwankungen ermittelt und kompensiert werden.
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Die
Lösung für die gestellte Aufgabe ergibt sich aus
folgenden Überlegungen. Beim Verzahnungseingriff zwischen
Zahnrad und Zahnstange entsteht immer Reibung. So auch beim Lenken
mit einem elektromechanischen Lenksystem, bei welchem das Ritzel
die Lenkbewegung des Fahrers (rotatorische Bewegung) auf die Zahnstange
(lineare Bewegung) überträgt. Bei einer elektromechanischen
Lenkung mit variabler Lenkübersetzung verändert
sich, bei Durchlenken von Mittelpunkt zum Endanschlag, der Verzahnungseingriff
und somit auch die Reibung. Diese sich erhöhende Reibung
führt zu Schwankungen im Handmoment, welche sich negativ
auf das Lenkgefühl auswirken.
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Um
diese Momentschwankungen zu kompensieren wird zunächst
in Abhängigkeit von möglichen Einflussfaktoren
(wie der Lenkwinkel, die Lenkwinkelgeschwindigkeit, das Sollmoment
sowie der Systemtemperatur) das Reibverhalten ermittelt. In einem
mathematischen Fehlermodell werden die Abhängigkeiten von Lenkwinkel,
Federsteifigkeit, Schrägungswinkel der Verzahnung und aller
weiteren Einfluss nehmenden Faktoren berücksichtigt. Während
des Betriebes werden die aktuellen Systembedingungen (wie Lenkwinkel,
Temperatur, etc.) gemessen und vom Fehlerberechnungsmodell verarbeitet.
Durch die zusätzliche Aufschaltung eines zur aktuellen
Abweichung des Handmomentes inversen Zusatzmomentes auf das Sollmoment
wird im Modell eine Momentkorrektur vorgenommen. Das korrigierte
Moment wird dann an den Aktor, also den Unterstützungsmotor
der Lenkung weitergeleitet. Nach diesem Prinzip können
die durch Reibung verursachten Schwankungen im Handmoment eliminiert
werden.
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Durch
das Ermitteln des Reibverhaltens in Abhängigkeit des Lenkwinkels
und weiterer Einflussfaktoren (z. B. Temperatur, Lenkkraft) und
die Berechnung eines Ausgleichmomentes zur Kompensation der Momentschwankung
werden somit folgende Vorteile erreicht:
- a.)
Optimierung der Lenkungshaptik (Zielgenauigkeit)
- b.) Ermittlung des Reibverhalten des Lenksystems über
den kompletten Lenkwinkelbereich
- c.) Kompensation der Schwankungen im Handmoment, die sich negativ
auf das Lenkgefühl auswirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004021951
A1 [0009]
- - US 6543570 B2 [0010]
- - DE 102005007307 A1 [0012]
