DE102008021862B4 - Lenksystem - Google Patents

Abstract

Lenksystem für Fahrzeuge, wobei ein Lenkrad (1) über eine Lenkstange (13) und ein Ritzel (6) mit einer Zahnstange (8) verbunden ist, wobei ein Servo-Motor vorgesehen ist, der von einem Steuergerät (12) angesteuert wird und ein an der Zahnstange (8) wirkendes Hilfsmoment erzeugt, wobei weiter eine Einrichtung zur Kompensation von auf das Lenkrad (1) einwirkenden Störmomenten vorgesehen ist, wobei die Einrichtung eine Reibung zwischen Ritzel (6) und Zahnstange (8) ermittelt und für den Servo-Motor (9) ein die Reibung kompensierendes Moment ermittelt, das einem Sollmoment für den Servo-Motor (9) überlagert wird, um die aufgrund von Reibung resultierenden Störmomente am Lenkrad (1) zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (8) im Sinne einer variablen Lenkübersetzung ausgebildet ist, wobei zu großen Drehwinkeln (DW) des Lenkrades (1) hin das Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel (6) und Zahnstange (8) ansteigt, wobei eine Ausgabeeinrichtung (21) vorgesehen ist, die das die Reibung kompensierende Moment als ein erstes Ausgangssignal (M-reib-komp) ausgibt, wobei die Ausgabeeinrichtung (21) mindestens den Drehwinkel (DW) des Lenkrades (1) als Eingangsgröße erhält, wobei das erste Ausgangssignal (M-reib-komp) eine zu größeren Drehwinkeln (DW) steigende Reibung kompensiert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Hierzu wurde in der gattungsgemäßen 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.
• Aus der US 6543570 B2 ist weiterhin für ein gattungsgemäßes Lenksystem 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.
• Ein weiteres gattungsgemäßes Lenksystem ist aus der DE 101 15 018 A1 bekannt.
• Aus der US 4,890,683 A ist ein Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung bekannt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Lenksystem für Fahrzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 2, empfiehlt es sich, als Parameter die Temperatur, die Lenkwinkelgeschwindigkeit und das Handmoment zu verwenden.
• 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 3 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 weitgehend freies Moment am Ritzel und damit am Lenkrad erhalten wird.
• 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.
• Daher wird erfindungsgemäß das Übersetzungsverhältnis nicht mehr von der Fahrgeschwindigkeit, sondern nur von dem aktuellen Drehwinkel des Lenkrades abhängig gemacht. 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 4 und 5 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.
• 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.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
• 1 den üblichen Aufbau einer elektromechanischen Servolenkung,
• 2 en praktischen Aufbau für die erfindungsgemäße Lenkung wesentlicher Baugruppen
• 3 den Verlauf des in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel der Räder gemessenen Reibmomentes
• 4 ein Blockschaltbild einer Ausgabeeinrichtung gemäß der Erfindung mit den ihr zugeführten Eingangssignalen und von ihr abgegebenen Ausgangssignalen und
• 5 eine Erläuterung hinsichtlich des Entstehens der zu bekämpfenden Schwankungen des Momentes.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 (C_N ) ist also abhängig vom Ort des Wälzpunktes (g_y ) 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)
• Die bei Verzahnungseingriff wirkende Zahnkraft lässt sich aus der Normalkraft und dem Schrägungswinkel der Verzahnung berechnen durch $${\text{F}}_{\text{Z}}={\text{F}}_{\text{normal}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{R}}\right)$$

  

  wobei sich die Zahnnormalkraft als Funktion der Federsteifigkeit (sowie einer Dämpferkonstanten) und einer Relativkoordinate ergibt. $${\text{F}}_{\text{normal}}=\text{f}\left({\text{C}}_{\text{N}},{\text{D}}_{\text{N}}\right)\text{genauer}\left({\text{F}}_{\text{normal}}={\text{C}}_{\text{N}}*x_{normal}+\text{Dz}*{\dot{x}}_{normal}\right).$$

  
• Die Relativkoordinate x_normal wiederum ist abhängig vom Ritzelwinkel, Grundkreisradius vom Ritzel, dem Neigungswinkel der Eingriffslinie bzw. Eingriffswinkel der Verzahnung sowie dem Schrägungswinkel der Verzahnung.
• Ist nun also neben der Federsteifigkeit (durch Verschiebung des Wälzpunktes) auch noch der Schrägungswinkel der Verzahnung (β_R) veränderlich, sowie der Flankenwinkel der Zähne (a_t) 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)
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (5)

1. Lenksystem für Fahrzeuge, wobei ein Lenkrad (1) über eine Lenkstange (13) und ein Ritzel (6) mit einer Zahnstange (8) verbunden ist, wobei ein Servo-Motor vorgesehen ist, der von einem Steuergerät (12) angesteuert wird und ein an der Zahnstange (8) wirkendes Hilfsmoment erzeugt, wobei weiter eine Einrichtung zur Kompensation von auf das Lenkrad (1) einwirkenden Störmomenten vorgesehen ist, wobei die Einrichtung eine Reibung zwischen Ritzel (6) und Zahnstange (8) ermittelt und für den Servo-Motor (9) ein die Reibung kompensierendes Moment ermittelt, das einem Sollmoment für den Servo-Motor (9) überlagert wird, um die aufgrund von Reibung resultierenden Störmomente am Lenkrad (1) zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (8) im Sinne einer variablen Lenkübersetzung ausgebildet ist, wobei zu großen Drehwinkeln (DW) des Lenkrades (1) hin das Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel (6) und Zahnstange (8) ansteigt, wobei eine Ausgabeeinrichtung (21) vorgesehen ist, die das die Reibung kompensierende Moment als ein erstes Ausgangssignal (M-reib-komp) ausgibt, wobei die Ausgabeeinrichtung (21) mindestens den Drehwinkel (DW) des Lenkrades (1) als Eingangsgröße erhält, wobei das erste Ausgangssignal (M-reib-komp) eine zu größeren Drehwinkeln (DW) steigende Reibung kompensiert.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinrichtung (21) zusätzlich eine Temperatur, eine Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder ein Handmoment als Eingangsgrößen erhält.
3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ausgangssignal (M-reib-komp) aus geeigneten, in der Ausgabeeinrichtung (21) hinterlegten Kennlinien-Daten direkt ausgelesen und somit über aus der Ausgabeeinrichtung (21) hinterlegten Berechnungsformeln unter Berücksichtigung des aktuellen Drehwinkels (DW) des Lenkrades (1) und gegebenenfalls aktueller zusätzlicher Parameter berechnet wird.
4. Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand oder die Breite der Zähne der Zahnstange zu großen Lenkwinkeln vergrößert oder dass das Ritzel (6) unkreisförmig ist und/oder exzentrisch gelagert ist.
5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Servo-Motor (9) über ein Kugelgewindetrieb (14) mit der Zahnstange (8) gekoppelt ist.

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