DE102008041962A1 - Verfahren zur Einstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Einstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug wird in Abhängigkeit einer Fahrzeugzustandsgröße über eine Servoeinheit ein Unterstützungsmoment in das Lenksystem eingespeist. Als Zustandsgröße wird eine querdynamische Zustandsgröße berücksichtigt, wobei die Höhe des Unterstützungsmomentes in der Weise gewählt wird, dass das Lenkradmoment, welches vom Fahrer aufzubringen ist, linear mit der querdynamischen Zustandsgröße ansteigt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Stand der Technik
• In der US 6,499,559 B2 wird ein Lenksystem in einem Kraftfahrzeug beschrieben, das zur Lenkmomentunterstützung mit einem elektrischen Servomotor ausgestattet ist, über den ein Unterstützungsmoment in das Lenksystem eingespeist werden kann. Durch die gezielte Ansteuerung des Servomotors kann ein vom Fahrer unabhängiges Moment erzeugt werden, was vom Fahrer durch ein entsprechend reduziertes bzw. erhöhtes Handlenkmoment wahrgenommen wird. Beispielsweise wird mit zunehmender Geschwindigkeit das Unterstützungsmoment reduziert oder entgegengesetzt zum Lenkwinkelausschlag gerichtet, wodurch der Fahrer eine Verhärtung der Lenkbewegung wahrnimmt und ein höheres Handlenkmoment aufbringen muss.
• Offenbarung der Erfindung
• Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Lenksystem in einem Fahrzeug so auszugestalten, dass der Fahrer über das Lenkradmoment Informationen über den aktuellen Zustand des Fahrzeuges erhält.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf Lenksysteme in Fahrzeugen anwendbar, die mit einer einstellbaren Servoeinheit zur Lenkmomentunterstützung ausgestattet sind, wobei über die Servoeinheit in Abhängigkeit einer Fahrzeugzustandsgröße ein Unterstützungsmoment in das Lenksystem eingespeist werden kann. Erfindungsgemäß wird als Zustandsgröße eine querdynamische Zustandsgröße berücksichtigt, wobei die Höhe des Unterstützungsmomentes, welches von der Servoeinheit in das Lenksystem eingespeist wird, so gewählt wird, dass das vom Fahrer aufzubringende Lenkradmoment linear oder progressiv mit der querdynamischen Zustandsgröße ansteigt. Unter dem Begriff „progressiv” wird dabei ein Anstieg mit zunehmender Steilheit bzw. zunehmender Steigung verstanden.
• Im Unterschied zu Lenkeinstellungen, bei denen das Lenkmoment insbesondere in Abhängigkeit der Querbeschleunigung nur während verhältnismäßig kleiner Querbeschleunigungswerte linear ansteigt, wohingegen mit zunehmender Querbeschleunigung der Anstieg des Lenkradmoments üblicherweise degressiv erfolgt und schließlich wieder abfällt, wird gemäß der Erfindung ein durchgehend linearer Anstieg gewählt. Dieser lineare Anstieg vermittelt dem Fahrer ein besseres, harmonischeres Lenkgefühl, da der Anstieg des Lenkradmoments auch subjektiv mit dem Anstieg der querdynamischen Zustandsgröße korreliert und vom Menschen entsprechend wahrgenommen wird. Gemäß bevorzugter Ausführung handelt es sich bei der querdynamischen Zustandsgröße um die Querbeschleunigung, wobei grundsätzlich auch sonstige querdynamische Zustandsgrößen wie beispielsweise die Gierrate in Betracht kommen. Die Querbeschleunigung wird vom Fahrer unmittelbar über menschliche Sinneswahrnehmungen registriert, ebenso der erfindungsgemäß lineare Anstieg des Lenkradmomentes, welches der Fahrer aufzubringen hat. Diese Korrelation vermittelt ein besseres Fahrgefühl.
• Aber auch in Situationen, in denen die Querbeschleunigung bzw. die sonstige querdynamische Zustandsgröße nur in verminderter subjektiver Weise vom Fahrer wahrgenommen wird, beispielsweise durch teilweise Kompensation über einen Wankausgleich im Fahrzeug, erhält der Fahrer durch das linear ansteigende Lenkradmoment eine zusätzliche Information. Ein höheres Lenkmoment geht mit einem Anwachsen der querdynamischen Zustandsgröße einher, worauf der Fahrer mit entsprechenden Gegenmaßnahmen, beispielsweise Reduzierung der Fahrzeuggeschwindigkeit während des Durchfahrens von Kurven, reagieren kann. Die erfindungsgemäße Einstellung des Lenksystems trägt somit auch zur Fahrsicherheit bei.
• Der lineare Anstieg des Lenkradmoments erfolgt zweckmäßigerweise nur in stabilen Fahrsituationen. Vorteilhafterweise wird der lineare Lenkradmomentenanstieg nur für den Fall durchgeführt, dass das Fahrzeug nicht übersteuert. Außerdem wird, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung, der lineare Anstieg nur bis zum Beginn eines starken Untersteuerns des Fahrzeuges durchgeführt. Sowohl das Übersteuern als auch das Untersteuern können während des Fahrbetriebs im Fahrzeug anhand der bordeigenen Sensorik festgestellt werden, beispielsweise durch Auswerten der Gierrate, des Schwimmwinkels und/oder des Schräglaufwinkels. Z. B. kann ein Vergleich zwischen der Soll- und der Ist-Gierrate herangezogen werden und es können sowohl modellbasierte als auch gemessene Schräglaufwinkel bzw. Schwimmwinkel berücksichtigt werden.
• Der lineare Anstieg des Lenkradmoments wird bevorzugt bis zum Erreichen eines Zustandsgrößengrenzwerts der querdynamischen Zustandsgröße durchgeführt. Im Falle der Berücksichtigung der Querbeschleunigung handelt es sich hierbei um einen Beschleunigungsgrenzwert, der Vorteilhafterweise im laufenden Betrieb ermittelt und insbesondere auf den Beginn eines starken Untersteuerns des Fahrzeugs gesetzt wird. Das Untersteuern wird, wie oben ausgeführt, auf Modellebene oder auf der Ebene gemessener Zustandsgrößen wie beispielsweise dem Schwimmwinkel ermittelt und kann an die jeweilige, aktuelle Fahrsituation angepasst werden.
• Möglich ist es aber auch, den Grenzwert für die querdynamische Zustandsgröße auf einen festen Wert zu setzen bzw. auf einen Wert, der von der aktuellen Fahrbahnbeschaffenheit bzw. sonstiger Umweltsituationen abhängt. Bei trockener Fahrbahn kommt beispielsweise ein Gierbeschleunigungsgrenzwert von etwa 9 m/s² in Betracht, dieser Wert kann bei schlechteren Witterungsverhältnissen, beispielsweise bei Nässe oder bei Temperaturen unter 0° herabgesetzt werden.
• Nach dem Erreichen des Zustandsgrößengrenzwerts wird der lineare Anstieg des Lenkradmoments vorteilhafterweise abgebrochen. In Betracht kommt insbesondere ein Abfallen des Lenkradmoments bei weiter ansteigender querdynamische Zustandsgröße, wobei vorzugsweise das Unterstützungsmoment der Servoeinheit innerhalb kurzer Zeit, also mit hohem Gradienten auf einen kleineren Wert abgesenkt wird. Dieser kleinere Wert des Unterstützungsmoments ergibt sich vorzugsweise aus einer in dem Lenksystem implementierten Grundfunktion für den Verlauf des Unterstützungsmomentes in Abhängigkeit von der querdynamischen Zustandsgröße, wobei der Verlauf dieser Grundfunktion zweckmäßig nur bei kleinen Werten der querdynamischen Zustandsgröße linear ansteigt, mit Überschreitung eines unteren Grenzwerts bis zum Erreichen eines Maximums degressiv ansteigt und anschließend nach dem Überschreiten des Maximums wieder abfällt. Die erfindungsgemäße, lineare Funktion wird gegenüber der Grundfunktion als Kompensationsfunktion hinzuaddiert, so dass insbesondere im Verlauf des degressiven Anstiegs der Grundfunktion über die Kompensationsfunktion ein progressiv ansteigender Anteil hinzuaddiert wird. Mit dem Erreichen des Grenzwertes fällt jedoch der Gesamtwert des Lenkradmoments mit dem starken Gradienten auf die Grundfunktion zurück, die Kompensationsfunktion ist damit außer Kraft gesetzt.
• Um den linearen Anstieg des Lenkradmoments zu erreichen, kommt sowohl eine Vorsteuerung ohne Regelung in Betracht, die insbesondere auf der querdynamischen Zustandsgröße, vorzugsweise auf der Querbeschleunigung basiert, als auch eine geregelte Einstellung, bei der insbesondere die Soll- und Istwerte des Lenkradmoments einer Regelung unterzogen werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einem Regel- bzw. Steuergerät im Lenksystem bzw. im Fahrzeug realisiert. Das Lenksystem umfasst vorzugsweise als Servoeinheit einen elektrischen Servomotor (Electrical Power Steering – EPS), über den das positive oder negative Unterstützungsmoment in das Lenksystem eingespeist wird. Grundsätzlich kommen aber auch andere Ausführungen von Servoeinheiten in Betracht, insbesondere elektrohydraulische Servoeinheiten oder ggf. auch hydraulische Servoeinheiten.
• Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
• 2 ein Fahrzeug während Kurvenfahrt in Draufsicht,
• 3 ein Schaubild mit dem Verlauf des Lenkradmoments in Abhängigkeit der Querbeschleunigung,
• 4 ein Ablaufschema zum Einstellen eines Lenkradmomentes, welches linear von der Querbeschleunigung abhängt.
• Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem Kraftfahrzeug umfasst eine als Lenkrad 2 ausgeführte Lenkhandhabe, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 4 und ein Lenkgestänge 5 sowie einen elektrischen Servomotor 7. Über das Lenksystem 1 wird ein vom Fahrer vorgegebener Lenkradwinkel δ_L in einen Radlenkwinkel δ_V an den lenkbaren Vorderrädern 6 des Fahrzeuges umgesetzt. Über den elektrischen Servomotor 7 kann ein positives oder negatives Unterstützungsmoment M_S in das Lenksystem eingespeist werden. Das vom Fahrer aufzubringende Lenkradmoment M_L wird durch das Unterstützungsmoment M_S beeinflusst, wobei ein positives Unterstützungsmoment M_S zu einer Reduzierung des Lenkradmoments M_L und ein negatives Unterstützungsmoment zu einer Erhöhung des Lenkradmomentes führt.
• Auf Grund der Ausführung der Servoeinheit als elektrischer Servomotor 7 handelt es sich um ein Electrical Power Steering (EPS). Grundsätzlich kommen aber auch alternative Ausführungen für Servoeinheiten in Betracht, insbesondere eine elektrohydraulische Servoeinheit.
• In 2 ist das Fahrzeug 8 dargestellt, das einer vorgegebenen Fahrspur 9 folgt, im Ausführungsbeispiel eine Kurve. Im Schwerpunkt 10 des Fahrzeugs wirkt bei Kurvenfahrt die Querbeschleunigung a_y.
• In 3 ist ein Schaubild mit dem Verlauf des Lenkradmomentes M_L in Abhängigkeit der Querbeschleunigung a_y dargestellt. Mit durchgezogenem Stich ist der Lenkmomentenverlauf 11 ohne so genannte Kompensationsfunktion dargestellt, bei der bis zu einem unteren Grenzwert, der im Ausführungsbeispiel bei etwa 4 m/s² liegt, ein linearer Anstieg des Lenkradmoments M_L als Funktion der Querbeschleunigung a_y vorliegt. Zwischen dem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert a_y,Lim, der im Ausführungsbeispiel bei etwa 9 m/s² liegt, verläuft der Anstieg des Lenkradmoments M_L gemäß Lenkmomentenverlauf 11 degressiv und steigt mit zunehmender Querbeschleunigung immer schwächer an. Beim oberen Grenzwert a_y,Lim ist das Maximum des Lenkradmoments M_L gemäß Kurvenverlauf 11 erreicht. Im weiteren Verlauf sinkt das Lenkradmoment M_L wieder ab.
• Der Lenkmomentenverlauf 11, der ohne Kompensationsfunktion eingestellt wird, wird durch eine entsprechende Beaufschlagung des elektrischen Servomotors mit einem Unterstützungsmoment M_S erreicht. Es handelt sich somit bei dem Lenkradmoment M_L um das resultierende Moment, welches vom Fahrer über das Lenkrad aufgebracht werden muss.
• Mit strichlierter Linie 12 ist der Lenkmomentenverlauf mit Kompensationsfunktion dargestellt. Der Lenkmomentenverlauf 12 ist als Ursprungsgerade ausgeführt, der Abschnitt zwischen unterem und oberem Querbeschleunigungsgrenzwert weist die gleiche Steigung auf wie der untere Abschnitt zwischen dem Ursprung und dem unteren Grenzwert. Im Vergleich zum Lenkmomentenverlauf 11 ohne Kompensationsfunktion wird bis zum Erreichen des oberen Grenzwertes a_y,Lim ein deutlicher Zuwachs an Lenkradmoment M_L erreicht, so dass der Fahrer mit zunehmender Querbeschleunigung a_y auch ein zunehmendes Lenkradmoment M_L aufbringen muss. Hierbei stellt die schraffierte Fläche zwischen der Kurve 11 und der Kurve 12 die Kompensationsfunktion 13 dar, die ein zusätzliches Lenkmoment kennzeichnet, welches über eine entsprechende Einstellung des entsprechenden Servomotors erzeugt und der Grundfunktion gemäß Lenkmomentenverlauf 11 überlagert wird.
• Mit dem Erreichen des oberen Querbeschleunigungsgrenzwertes a_y,Lim wird auch der Lenkmomentenverlauf 12 mit Kompensationsfunktion innerhalb kurzer Zeit bis zum Erreichen des Lenkmomentenverlaufs 11 ohne Kompensation zurückgeführt, was über den Abschnitt 12a gekennzeichnet ist. Hintergrund dieses starken Abfalls mit hohem Gradienten ist die Tatsache, dass im Bereich des oberen Querbeschleunigungsgrenzwertes a_y,Lim das Fahrzeug in erhöhtes Untersteuern gerät, was dem Fahrer durch einen Abfall des Lenkradmoment M_L zur Kenntnis gebracht werden soll. Durch das Rückführen des Lenkmomentenverlaufs auf den Verlauf 11 ohne Kompensation wird die Kompensationsfunktion 13 außer Kraft gesetzt.
• In 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit Verfahrensschritten zur Einstellung des linearen Lenkradmomentenanstiegs als Funktion der Querbeschleunigung dargestellt. Die lineare Momentenfunktion geht aus von einer nichtlinearen Momentenfunktion, die in 3 mit dem Momentenverlauf 11 gekennzeichnet ist. Die nichtlineare Momentenfunktion f_nl in Abhängigkeit der Querbeschleunigung a_y wird gemäß Verfahrensschritt V1 über eine entsprechende Beaufschlagung des Servomotors vorgegeben. Von dieser nichtlinearen Momentenfunktion ausgehend erfolgt durch Überlagerung die Einstellung der linearen Momentenfunktion, so wie dies in 3 mit dem Kurvenverlauf 12 eingezeichnet ist.
• Die lineare Momentenfunktion setzt jedoch voraus, dass das Fahrzeug sich nicht in einem Zustand des Übersteuerns befindet. Um dies festzustellen, wird gemäß Verfahrensschritt V2 eine Abfrage gestartet, ob beispielsweise der aktuelle Schwimmwinkel β einen zugeordneten Schwimmwinkel-Übersteuerungsgrenzwert β_Grenz,o unterschreitet. Ist dies nicht der Fall, wird der nein-Verzweigung („n”) folgend wieder zum ersten Verfahrensschritt V1 zurückgekehrt, da sich das Fahrzeug im Zustand des Übersteuerns befindet und dementsprechend auch keine lineare Abhängigkeit des Lenkradmoments M_L von der Querbeschleunigung eingestellt werden soll; es wird die bislang eingestellte nichtlineare Funktion mit degressivem Anstieg des Lenkradmomentes gemäß Verfahrensschritt V1 beibehalten.
• Anderenfalls befindet sich das Fahrzeug nicht im Zustand des Übersteuerns und es wird der ja-Verzweigung („y”) folgend zum nächsten Verfahrensschritt V3 fortgefahren, in welchem eine Überprüfung durchgeführt wird, ob sich das Fahrzeug im Zustand des Untersteuerns befindet. Hierzu wird abgefragt, ob der aktuelle Schwimmwinkel β einen zugeordneten Schwimmwinkel-Untersteuerungsgrenzwert N_Grenz,u unterschreitet. Ist dies nicht der Fall, liegt Untersteuern vor und des wird der nein-Verzweigung folgend wieder zum ersten Verfahrensschritt V1 zurückgekehrt. Andernfalls liegt kein Untersteuern bzw. nur Untersteuern innerhalb eines zulässigen Maßes vor und es wird der ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt V4 fortgefahren.
• Die Schwimmwinkel-Grenzwerte β_Grenz,o und β_Grenz,u für Übersteuern und Untersteuern unterscheiden sich wohl hinsichtlich ihres Vorzeichens als auch ihres Absolutbetrages.
• Im Verfahrensschritt V4 wird durch Überlagern mit einer Kompensationsfunktion ein linearer Lenkmomentenanstieg als Ursprungsgerade in Abhängigkeit der Querbeschleunigung a_y gemäß der Funktion M_L = f_l(a_y) eingestellt. Der ermittelte lineare Momentenanstieg wird durch eine entsprechende Beaufschlagung des elektrischen Servomotors realisiert.
• Im nächsten Verfahrensschritt V5 wird eine Abfrage gestartet, ob der aktuelle Querbeschleunigungswert a_y einen oberen Grenzwert a_y,Lim unterschreitet. Dieser obere Querbeschleunigungsgrenzwert a_y,Lim kennzeichnet den Beginn des starken Untersteuerns. Wird dieser Grenzwert erreicht bzw. überschritten, wird der nein-Verzweigung folgend zum ersten Verfahrensschritt V1 zurückgekehrt, der lineare Momentenanstieg wird abgebrochen und es wird zum nichtlinearen Funktionsverlauf für das Lenkradmoment zurückgekehrt. Andernfalls ist der Querbeschleunigungsgrenzwert a_y,Lim noch nicht erreicht und es wird der ja-Verzweigung folgend zum Verfahrensschritt V4 fortgefahren und ein weiterer Wert für den linearen Momentenanstieg im Lenkradmoment ermittelt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 6499559 B2 [0002]

Claims (13)

1. Verfahren zur Einstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, wobei in Abhängigkeit einer Fahrzeugzustandsgröße über eine Servoeinheit ein Unterstützungsmoment (M_S) in das Lenksystem (1) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgröße eine querdynamische Zustandsgröße (a_y) berücksichtigt wird, wobei die Höhe des Unterstützungsmoments (M_S) so gewählt wird, dass das Lenkradmoment (M_L), welches vom Fahrer aufzubringen ist, linear oder progressiv mit der querdynamischen Zustandsgröße (a_y) ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die querdynamische Zustandsgröße (a_y) die Fahrzeugquerbeschleunigung (a_y) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Anstieg des Lenkradmoments (M_L) nur bis zum Erreichen eines Zustandsgrößengrenzwerts (a_y,Lim) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Erreichen des Zustandsgrößengrenzwerts (a_y,Lim) das Unterstützungsmoment (M_S) so gewählt wird, dass das Lenkradmoment (M_L) bei weiter ansteigender querdynamischer Zustandsgröße (a_y) abfällt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Erreichen des Zustandsgrößengrenzwerts (a_y,Lim) das Unterstützungsmoment (M_S) mit hohem Gradienten auf einen kleineren Wert abgesenkt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsgrößengrenzwert (a_y,Lim) auf den Beginn starken Untersteuerns des Fahrzeugs (8) gesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem linearen Anstieg des Lenkradmoments (M_L) eine ungeregelte Steuerung zugrunde liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem linearen Anstieg des Lenkradmoments (M_L) eine Regelung des Lenkradmoments (M_L) zugrunde liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Anstieg des Lenkradmoments (M_L) nur für den Fall durchgeführt wird, dass das Fahrzeug (8) nicht übersteuert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersteuern/Übersteuern des Fahrzeugs (8) anhand der Gierrate, des Schräglaufwinkels und/oder des Schwimmwinkels (β) festgestellt wird.
11. Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Lenksystem in einem Fahrzeug mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 11.
13. Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Servoeinheit als elektrischer Servomotor ausgebildet ist.