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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Korrektureinrichtung in einem mit Reibung behafteten Lenksystem in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöriges Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
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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. 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 mit einem Drehmomentsensor 4 gemessenen Drehmomentes DM und/oder des mit einem Drehwinkelsensor 5 gemessenen Drehwinkels DW die Höhe des durch den Servo-Motor 9 auszuübenden Hilfsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert 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 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 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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Bei elektromechanischen Lenksystemen (siehe z B die Elektromechanische Lenkung in 2) entstehen unterschiedlichste Reibkraftanteile durch die mechanischen Komponenten wie Servogetriebe, Zahnstange, Ritzel. Die entstehenden Reibkräfte setzen sich aus statischen Anteilen (Grundreibniveau), dynamischen Anteilen (Reibkräfte als Funktion von Lenkwinkel, Lenkwinkelgeschwindigkeit, Temperatur, usw.) und unstetigen Anteilen z.B. im Verzahnungseingriff (Stick-Slip-Effekte) zusammen. Die sich aus den addierten Reibkräften bildende Gesamtreibung ist stark nichtlinear. Hieraus resultierende Effekte können ein ruckartiges Gleiten, Schwingen und ähnliche Phänomene hervorrufen.
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Im Ergebnis folgt die Stellung der Fahrzeugräder nicht hinreichend genau den über das Lenkrad eingegebenen Steuerbefehlen. Die für den Fahrzeugführer zu überwindenden Reibkräfte wirken sich negativ auf die Zielgenauigkeit, das Anlenkverhalten und die Direktheit bei Lenkbewegungen aus. Ohne Kompensation bzw. Minimierung dieser Reibkrafteinflüsse entsteht ein „taubes“ Lenkgefühl. Dieses Lenkgefühl entsteht dadurch, dass infolge der Reibung das (über einen mittels des Lenkrades eingegebenen Handwinkel) angeforderte Moment zwar zu einem entsprechenden Drehmoment am Ausgang des Servomotors führt, dieses aber infolge der Reibung nicht voll auf die Räder übertragen werden kann. Die Stellung der Räder bleibt somit hinter dem über das Lenkrad angeforderten Lenkwinkel zurück. Infolgedessen muss der Fahrer über das Lenkrad nachjustieren. Da die aktuelle Reibung stark schwanken kann sind somit exakte Lenkbewegungen kaum möglich.
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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. Zwar ist es möglich, durch erheblichen mechanischen Aufwand die Reibung eines Lenksystems herabzusetzen. Aufgrund der hierzu notwendigen Kosten und des benötigten Bauraumes sind aber hier enge Grenzen gesetzt. 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. Hierdurch soll erreicht werden, dass der Fahrer, unabhängig von der gerade herrschenden Reibung immer das für den entsprechenden Fahrzustand vorgesehene Handmoment spürt. Der Fahrer behält dann, unabhängig von dem jeweiligen Zustand der Reibung, das gleiche Lenkgefühl.
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Im Prinzip ist es bekannt, bei einem Lenksystem ein die Reibung kompensierendes Moment zu erzeugen, welches einen dem Momente der Reibung entgegengesetztes Vorzeichen besitzt. Ein der zu kompensierenden Reibung entsprechendes Signal wird dem Steuersignal für den Servomotor hinzugefügt, wobei durch das so erhöhte Moment des Servomotors die Wirkung der Reibung aufgehoben wird. Die zur Beseitigung der Reibung dienende Schaltung kann mit oder ohne ein Reibmodell arbeiten, welches die aktuelle Reibung des Lenksystems nachbildet. Wird ein Reibmodell verwendet, so hängt die Qualität der Kompensation der Reibung stark von der Qualität des Reibmodells ab.
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Um die Wirkung der Reibung zu reduzieren, 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 gattungsgemäßen
US 6 543 570 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. Eingangssignale sind dabei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und das von dem Drehmomentsensor gemessene Drehmoment. Ein weiteres Eingangssignal 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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Gemäß der
DE 101 15 018 A1 werden frei wählbare Zielgrößen derart ausgeregelt, dass unabhängig von dem Einfluss einer Reihe von die Zielgröße formenden Eingangssignalen die Zielgröße gegen null tendiert. Ist beispielsweise die Summe aller betrachteten Momente gegen null geregelt, so kann unabhängig von den einzelnen aktuellen Werten der Zielgröße ein gewünschtes Handmoment aufgeschaltet werden, welches der Fahrer spüren soll. Der in der genannten Schrift aufgeführte rein theoretische Ansatz lässt offen, wie eine praktische Durchführung geschehen könnte. Im Übrigen wäre eine praktische Ausführung der vorgeschlagenen Regelung recht aufwändig und gegebenenfalls nur schwer beherrschbar. Weiterhin arbeitet eine derartige Regelung gegenüber einer entsprechenden Steuerung vergleichsweise recht langsam, sodass bei schnelleren Lenkvorgängen das Ziel der Regelung gar nicht erreicht werden kann.
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Einen ähnlich theoretischen Ansatz zeigt die US 2004 / 0 138 797 A1 in der eine größere Anzahl von Regelkreisen vorgestellt wird, durch welche die Reibung eines Lenksystems des Typs „steer by wire“ kompensiert werden soll. Die Vielzahl der dort angegebenen Regelungsschleifen lässt einen beträchtlichen Aufwand an Abstimmung des Systems erwarten. Zusätzlich dürften erhebliche Maßnahmen notwendig seien um die notwendigen Werte für die Regelungsgeschwindigkeit zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einer Korrektureinrichtung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung sowie von einem Verfahren der sich aus dem Oberbegriff des Anspruch 18 ergebenden Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Korrektureinrichtung beziehungsweise ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, welches besonders praxisgerecht und transparent aufgebaut ist und insbesondere für den Einsatz großer Serien von Lenksystemen geeignet ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Korrektureinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Hinsichtlich der Korrektureinrichtung besteht das erfinderische Prinzip im Wesentlichen darin, mittels eines Soll-Reibmodells das für die einzelnen Zustände der Lenkung erwünschte Handmoment vorzugeben. Zusätzlich ist noch ein Real-Reibmodell vorgesehen, welches die tatsächlich augenblicklich vorliegende Reibung so genau wie möglich beziehungsweise sinnvoll bestimmt. Aus der Abweichung zwischen dem Soll-Wert und dem realen Wert wird ein erstes Korrektursignal abgeleitet, durch welches das Steuersignal für den Servomotor abgeändert werden kann, um die Wirkung der Reibung zu kompensieren. Hinsichtlich eines elektromechanischen Lenksystems kann das derart geschehen, dass bei einer festgestellten Reibung das auf die Zahnstange einwirkende Moment entsprechend angehoben wird, so dass trotz des hindernden Reibmomentes auch wirklich das durch das Handmoment vorgegebene Moment an den Rädern ausgeübt wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit die Möglichkeit, die Reibung eines Systems, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, weitgehend zu kompensieren. Hierdurch wird die Lenkung weniger schwammig und der Lenkwinkel der Räder kann exakter eingestellt werden. Da somit die Räder der Bewegung des Lenkrades unmittelbar folgen, können auch Abweichungen hiervon am Lenkrad sehr leicht wahrgenommen werden. Diese Abweichungen können etwa dadurch bestehen, dass die Stellung der Räder durch Unebenheiten der Fahrbahn entgegen der Stellung des Lenkrades verändert wird. Diese Veränderung überträgt sich über die Zahnstange und das Ritzel auf das Lenkrad und ist somit gut fühlbar.
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Ein die aktuelle Reibung vergleichsweise genau abbildender Reibzustand-Beobachter schafft weiterhin die Möglichkeit, unterschiedliche Arten von Reibung (beispielsweise in dem Steuergerät der Lenkung) zu erkennen. Ändert sich beispielsweise die Reibung ruckartig in beiden Richtungen, so kann auf einen slip-stick-Effekt geschlossen werden. Liegt die festgestellte Reibung oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes, so kann darauf geschlossen werden, dass die Lenkung vereist, eingerostet oder in anderer Weise blockiert ist. Es ist somit möglich, dem Fahrer eine entsprechende Warnung akustisch oder optisch zu geben. Eine andere Möglichkeit kann darin bestehen, durch Schalten schnell wechselnder Momente auf die blockierte Lenkung diese loszubrechen.
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Die Reibung wird nur soweit kompensiert, dass ein gewünschter Widerstand am Lenkrad zu spüren ist. Dieses notwendige Handmoment hilft dem Fahrer, seine Steuerbewegungen am Lenkrad zu kontrollieren. Dabei kann die Größe des gewünschten Handmomentes von äußeren Parametern abhängen, wie beispielsweise dem aktuellen Lenkwinkel oder der augenblicklichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, dem Straßenzustand und Ähnlichem. Die Höhe dieses erwünschten Handmomentes kann in dem Soll-Reibmodell (auch in Abhängigkeit von den genannten äußeren Parametern) vorab eingestellt werden. Praktisch handelt es sich dabei um einen Anteil der Reibung, der nicht kompensiert werden soll. Es ist aber auch denkbar, die Korrektureinrichtung derart einzurichten, dass auf null Reibung kompensiert wird, während das notwendige Handmoment an anderer Stelle dem Steuersignal des Servomotors hinzugefügt wird oder durch einen speziellen Motor auf das Lenkrad aufgebracht wird (steer by wire).
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Um das Real-Reibmodell besser anpassen und abgleichen zu können empfiehlt es sich, in Weiterbildung der Erfindung die einzelnen Eingangsignale durch getrennte Eingänge voneinander entkoppelt dem Real-Reibmodell zuzuführen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, das Real-Reibmodell hinsichtlich einzelner Parameter einfacher anzupassen, was zum Beispiel die Anpassung eines Lenksystems an unterschiedliche Fahrzeugtypen oder die Abstimmung des Systems sehr erleichtern kann. In dem Real-Reibmodell sind den einzelnen Eingängen zugeordnete Datensätze gespeichert, über welche die jeweiligen Eingangsignale Einfluss auf das Ausgangssignal des Real-Reibmodells ausüben. Dabei kann es sich bei diesen Datensätzen auch um Rechenvorschriften handeln, über welche aufgrund des zugehörigen Eingangsignals das Ausgangssignal des Real-Reibmodells beeinflusst wird.
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Die genannten Datensätze werden im Labor oder bei Testfahrten gewonnen und in das Real-Reibmodell eingegeben, so dass dieses als Reib-Beobachter wirken kann. Der Vorteil dieser Maßnahme in Verbindung mit dem Soll-Reibmodell besteht insbesondere darin, dass zeitnah ein korrigierendes Steuersignal in Form des ersten Korrektursignals zur Verfügung steht, im Gegensatz zu den bekannten Regeleinrichtungen, bei denen die Abweichung der Ausgangsgröße des Systems zeitaufwändig ausgeregelt werden muss. Bei schnellen Lenkvorgängen macht sich somit die verzögerungsfrei arbeitende Korrektur der Ausgangsgröße des Systems durch die erfindungsgemäße Korrektureinrichtung vorteilhaft bemerkbar.
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Vorzugsweise sind Eingängen des Soll-Reibmodells eine Mehrzahl von Eingangssignalen getrennt zuführbar, deren Werte Einfluss auf die Reibung des Systems haben, wobei in dem Soll-Reibmodell Datensätze gespeichert sind, die die Abhängigkeit der Reibung des Systems von den Werten der Mehrzahl von Eingangsgrößen des Soll-Reibmodells beschreiben, wobei das Ausgangssignal des Soll-Reibmodells von den Werten der Eingangssignale abhängig ist. Weiter oben war schon erläutert worden, dass es sinnvoll ist, die Sollwerte für die Reibung von Eingangssignalen abhängig zu machen wie beispielsweise von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem aktuellen Lenkwinkel. Die Anpassung und Abstimmung des Soll-Reibmodells wird wiederum durch die entkoppelten Eingangsignale erheblich erleichtert. So ist es beispielsweise sinnvoll, bei schneller Geradeausfahrt und kleinem Lenkwinkel die an dem Lenkrad in Form des Handmomentes wirkende Reibung größer zu halten als bei einer langsamen Kurvenfahrt oder beim Einparken. Der Einfluss der genannten Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkwinkel kann aber auch an anderer Stelle im Steuergerät der elektromechanischen Lenkung eingebracht werden. In diesem Falle kann beispielsweise die erwünschte Zahnstangenkraft an den Rädern nur von der Summe aus dem Handmoment und dem Soll-Moment am Ausgang des Servomotors abhängig gemacht werden.
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Vorzugsweise sind mindestens einige der Eingangsgrößen von Soll-Reibmodell und Real-Reibmodell identisch. Nimmt man an, dass in dem Soll-Reibmodell die Zahnstangenkraft nur von der Summe aus Handmoment und Soll-Moment am Servomotor abhängig sein soll, so kann die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Soll-Reibmodells und des Real-Reibmodells erhebliche Werte annehmen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Außentemperatur und damit beim Anfahren des Fahrzeugs auch die Temperatur des Lenksystems sehr niedrig ist. In diesem Fall wird das festgestellte reale Reibmoment des die Temperatur berücksichtigenden Real-Reibmodells erheblich größer sein als das Ausgangssignal des Soll-Reibmodells, welches nur von einer normalen Temperatur ausgeht. Infolgedessen ergibt sich ein sehr großes Korrektursignal als Differenz der beiden Reibmodelle. Eine Korrektur des Steuersignals für den Servomotor kann also erst dann vorgenommen werden, wenn in den beiden Modellen die Reibwerte bestimmt und danach die Differenz der entsprechenden Ausgangssignale gebildet wurde. In Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich daher, das Soll-Reibmodell möglichst eng an den zu erwartenden Reibwert anzupassen, indem beispielsweise auch die Temperatur oder der Wirkungsgrad des Lenk-Systems bei der Bestimmung des Soll-Reibwertes mit berücksichtigt wird.
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Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist es, dass man ein relativ kleines und schnell wirksames Korrektursignal erhält. Allerdings ist dabei zu beachten, dass zwar das Korrektursignal kleiner geworden ist, dieses verkleinerte Korrektursignal aber nun nicht mehr die beispielsweise bei einer niedrigen Temperatur bestehende höhere Reibung kompensieren kann. Es ist somit in Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig, ein zweites Korrektursignal zu bilden, durch welches die beispielsweise durch diese Temperatur erhöhte Reibung bei der Kompensation berücksichtigt werden kann. Hier bieten sich zum Beispiel das Ausgangssignal des Soll-Reibmodells und/oder das Ausgangssignal des Real-Reibmodells an. Das (beziehungsweise die) korrigierende(n) Ausgangssignal(e) kann im Sinne einer Vorsteuerung in das Steuergerät der elektromechanischen Lenkung eingeführt werden, so dass die (vergrößerte) Reibung derzeit noch durch das Steuersignal des Servomotors berücksichtigt beziehungsweise kompensiert werden kann.
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Vorzugsweise wird das zweite Korrektursignal derart gestaltet, dass die Ausgangsgröße des Systems, bei einem elektromechanischen Lenksystem also das an den Rädern tatsächlich angreifende Moment, sich von dem gewünschten Moment möglichst wenig unterscheidet. Durch das zweite Korrektursignal wird somit erreicht, dass die durch das verminderte erste Korrektursignal herabgesetzte Korrektur ausgeglichen wird.
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Vorzugsweise werden die gespeicherten Datensätze des Soll-Reibmodells derart gewählt, dass die verbleibende Abweichung der Ausgangsgröße des Systems (das heißt Lenkmoment an den Rädern) dem gewünschten Wert dieser Ausgangsgröße entspricht, wobei im Ergebnis eine vernachlässigbare dynamische Reibkraft und eine vernachlässigbare unstetige Reibkraft und weiterhin eine geringe statische Reibkraft wirksam sein soll. Die Reibkräfte sollen also bis auf einen bestimmten Anteil der statischen Reibkraft kompensiert werden. Ein gewisser Anteil der statischen Reibkraft soll deshalb aufrechterhalten werden, weil ein Restbetrag der Reibung die notwendige Systemstabilität gewährleistet und ein „natürliches“ Lenkgefühl vermittelt.
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Vorzugsweise wird in dem Real-Reibmodell als Reib-Beobachter die tatsächlich aktuell auftretende Reibung in all ihren Formen hinreichend genau berücksichtigt, also hinsichtlich der statischen, dynamischen und unstetigen Reibkräfte. Je genauer die tatsächliche aktuelle Reibkraft bestimmt ist, desto genauer kann auch die Korrektur sein, unabhängig davon, an welcher Stelle die einzelnen Korrektursignale schließlich wirksam sind.
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Die Lenksysteme mit dem oben beschriebenen Aufbau wirken einer Veränderung der Reibung nur entgegen, soweit sich eine bestimmte Eingangsgröße ändert. Nun kann eine Änderung der Reibung des Lenksystems aber auch dann auftreten, wenn die oder alle Eingangsgrößen sich nicht ändern. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das System altert, wobei die Reibung durch Rost und Verschmutzung sowohl zunehmen kann als auch durch Einschleifen der aneinander reibenden Flächen abnehmen kann. Zusätzlich können Änderungen der Reibung auch kurzfristig auftreten, indem die Gängigkeit der Lenkung durch mehr oder weniger starke Blockaden wie z. B. Vereisung oder ähnliches behindert wird. Dabei kann es erwünscht sein, durch das Lenksystem die Reibung nicht komplett zu kompensieren, sondern dies in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fahrzustand zu tun. So macht es sicherlich einen Unterschied, ob die Reibung bei einer Geradeausfahrt über die Autobahn, bei einer starken Kurvenfahrt oder beim Einparken kompensiert wird. Es ist somit vorteilhaft, die Kompensationen der Reibung von dem augenblicklichen Fahrzustand beziehungsweise den Fahrsituationen des Fahrzeugs abhängig zu machen. Zu einer falschen Zeit insbesondere schlagartig eingebrachte Kompensationen der Reibung können 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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Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Korrektureinrichtung ist generell für mit Reibung behaftete Systeme geeignet, bei denen eine von einer Eingangsgröße des Systems abhängige Ausgangsgröße durch den Einfluss von Reibung abweicht und diese Abweichung korrigiert werden soll. Speziell geeignet ist die erfindungsgemäße Korrektureinrichtung für elektromechanische Lenkungen in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen. Kraftfahrzeuge können eine lange Lebensdauer haben und bei gleicher Lebensdauer einem sehr unterschiedlichen Verschleiß unterworfen sein. Das gilt entsprechend auch für die in derartigen Fahrzeugen verbauten Lenksysteme. So macht es hinsichtlich der Reibung in dem jeweiligen Lenksystem einen Unterschied, ob das betreffende Fahrzeug in einer Fahrschule benutzt wurde oder von einer vorsichtigen Person selten gefahren wurde. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass bei einer viel benutzten Lenkung durch die hierdurch zueinander eingeschliffenen Bauteile das Reibniveau geringer ist als bei einem quasi neuwertigen Fahrzeug. Entsprechend wird daher vorgeschlagen, zur Korrektur der Reibung des Lenksystems das aktuelle Reibniveau des Fahrzeugs ebenfalls zu berücksichtigen. Dies kann, unabhängig von der erfindungsgemäßen Korrektureinrichtung, immer in einem Reib-Beobachter (z. B. auch in dem vorliegenden Real-Reibmodell) geschehen, wodurch sich die Genauigkeit jedes Reib-Beobachters erheblich steigern lässt. Auch in dem Soll-Reibmodell lässt sich gegebenenfalls das Reibniveau zusätzlich oder ausschließlich berücksichtigen.
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Vorzugsweise wird das Reibniveau in einem ersten Gewichter berücksichtigt, der dem Differenzbilder nachgeschaltet ist, welcher zur Bildung der Differenz der Signale an dem Ausgang des Real-Reibmodells und des Soll-Reibmodells dient. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass der Gewichter von den beiden Reibmodellen entkoppelt ist. Die Zuordnung des Reibniveaus zu den die Nutzung und den Verschleiß der Lenkung beschreibenden Daten kann daher getrennt von den Reibmodellen geschehen. Weiter oben wurde aber schon betont, dass die Wirkungsweise des ersten Gewichters gegebenenfalls auch in das Real-Reibmodell und/oder das Soll-Reibmodell integriert werden kann.
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Um die Wirkungsweise des ersten Gewichters zu verbessern empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die getrennte Bewertung von Phasenlage und Amplituden des Differenzsignals, so dass sich eine gezielte Einflussnahme der Optimierungsparameter erreichen lässt.
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Parameter, die das Reibniveau des Lenksystems eines Fahrzeugs beschreiben, können beispielsweise sein der Kilometerstand des Fahrzeugs (soweit die Lenkung nicht ausgewechselt wurde), die Betriebsstunden des Fahrzeugs (soweit die Lenkung nicht ausgewechselt wurde), die Belastung der Lenkung und so weiter. Es können also alle Daten verwendet werden, die hinsichtlich der vorangegangenen Nutzung der Lenkung für das aktuell bestehende Reibniveau von Bedeutung sind. Die Belastung der Lenkung kann beispielsweise durch einen so bezeichneten Belastungszähler gemessen werden, der nach einem Punktesystem die Anzahl der einzelnen Betätigungen der Lenkung und deren jeweiligen Wirkung auf die Änderung des Reibniveaus der Lenkung bewertet.
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Vorzugsweise werden die aktuellen Zustandsdaten in Form von Zustandssignalen getrennten Eingängen des ersten Gewichers zugeführt, wobei die Zustandssignale vorzugsweise den Kilometerstand und/oder die Betriebsstunden und/oder die Art der Belastung und/oder die Intensität der Belastung des Fahrzeugs beschreiben.
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Das Ausgangssignal des ersten Gewichters kann dann als erstes Korrektursignal dienen. Die Zusammenfassung der zur Bestimmung des Reibniveaus dienenden Daten innerhalb einer einzigen Baugruppe (erster Gewichter) hat auch den Vorteil, dass die Berücksichtigung des Reibniveaus je nach Art des Lenkungssystems entweder zur Verfügung gestellt oder weggelassen werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Reib-Kompensation in Verbindung mit dem ersten Gewichter ist ein zweiter Gewichter, welcher das Ausgangssignal des ersten Gewichters in Abhängigkeit von der augenblicklichen Fahrsituation des Fahrzeugs abändert. Der zweite Gewichter kann aber auch generell in allen Lenksystemen und gegebenenfalls außerhalb einer Kompensationseinrichtung in Alleinstellung (d.h. ohne ersten Gewichter) mit Vorteil eingesetzt werden. Der zweite Gewichter geht von der Überlegung aus, dass die Fahrsituationen eines Fahrzeugs einen Einfluss auf die Korrektur der Reibung haben sollten. So kann es sinnvoll sein, dass die Reibung bei schneller Geradeausfahrt weniger stark kompensiert wird als beim Einparken oder beim langsamen Fahren durch enge Kurven. Dabei ist der zweite Gewichter bevorzugt dem ersten Gewichter oder dem Differenzbilder von Soll-Reibmodell und Real-Reibmodell nachgeschaltet und verarbeitet die Ausgangssignale eines Fahrsituationserkenners.
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Der Fahrsituationserkenner verarbeitet für die Erkennung der Fahrsituationen geeignete Eingangsignale, welche beispielsweise die Temperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Lenkwinkel, die Lenkwinkelgeschwindigkeit, das Handlenkmoment, das Servomoment des Motors, einen ESP-Eingriff oder einen ABS-Eingriff beschreiben. So ist es beispielsweise weniger sinnvoll das an dem Lenkrad gefühlte Handmoment während eines ABS-Eingriffes stark herabzusetzen. Entsprechendes gilt, wenn aufgrund der in dem Fahrsituationserkenner bearbeiteten Daten klar wird, dass der Straßenbelag wahrscheinlich vereist ist oder wenn zum Beispiel aufgrund der festgestellten Lenkwinkelgeschwindigkeit auf einen schnellen Lenkvorgang geschlossen werden kann.
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Dabei sei angemerkt, dass sämtliche Ausführungen zur Korrektureinrichtung auch für das parallel beanspruchte Verfahren gelten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 einen üblichen Aufbau einer elektromechanischen Servolenkung,
- 2 in herausgeschnittener Darstellung wesentliche Quellen der Reibkräfte in einer elektromechanischen Lenkung,
- 3 das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen adaptiven Korrektureinrichtung mit dem Real-Reibmodell als Reibzustandsbeobachter und
- 4 die Prinzipdarstellung der Korrektureinrichtung nach 3 in Form eines Blockschaltbildes, in der der Verlauf und die Bearbeitung der einzelnen Signale dargestellt ist.
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Nachdem Einzelheiten zu 1 schon eingangs erläutert wurden, zeigt 2 in herausgebrochener Darstellung wesentliche Quellen der Reibkräfte einer elektromechanischen Lenkung. Ergänzend sind in 2 die den einzelnen Baugruppen zugeordneten Bezugszeichen aus 1 eingefügt, so dass die dort gemachten Ausführungen auch für die mit dem gleichen Bezugszeichen versehenen Baugruppen in 2 gelten. Zusätzlich sind noch ein Druckstück 17, eine Lagerung/Abdichtung 18 und ein Riementrieb 19 mit Schrägverzahnung dargestellt.
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In 3 ist in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Korrektureinrichtung dargestellt. In dieser Figur ist ein Soll-Reibmodell 49 sowie ein Real-Reibmodell 48 zu erkennen. In dem Real-Reibmodell 48 ist die durch die Zahnstange 8 ausübbare Kraft auf die Räder 11 (siehe 1) in Abhängigkeit von der Summe aus Soll-Moment des Servomotors und Handmoment aufgetragen. Das in dem Real-Reibmodell 48 dargestellte Trapez kann man sich aus einer Summe auf der Momentachse verschobener einzelner Trapeze vorstellen, wobei sich die Trapeze durch die Hysterese der jeweiligen Kurve ergeben, die insbesondere durch Trockenreibung bedingt ist. Das Real-Reibmodell 48 ist mit einer Reihe von voneinander getrennten Eingängen verbunden, wobei der aktuelle Wert des jeweiligen Eingangsignals Einfluss auf die Größe der gerade in dem Lenksystem herrschenden Reibung besitzt. Als beispielhafte Eingangsignale sind in 3 die Temperatur, der Wirkungsgrad des Lenksystems, der Lenkwinkel, die Lenkwinkelgeschwindigkeit sowie die Summe aus Handlenkmoment und Sollmoment (Servomoment) aufgeführt. In dem Real-Reibmodell 48 sind den einzelnen Eingangssignalen eine Vielzahl von Datensätzen beziehungsweise Rechenvorschriften zugeordnet, aus denen der Beitrag des einzelnen Eingangsignals zu der Gesamtreibung bestimmbar ist, die das Ausgangssignal des Real-Reibmodells anzeigt. Die einzelnen Datensätze werden in Laborversuchen und/oder Feldversuchen bestimmt. Das Eingangsignal „Wirkungsgrad“ hat dabei die Kenntnis des aktuellen Systemverhaltens im jeweiligen Betriebspunkt zur Folge.
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Der Lenkwinkel und die Lenkwinkelgeschwindigkeit beziehen sich auf die Winkelstellung der Räder. Das Handlenkmoment ist das von dem Fahrer über das Lenkrad ausgeübte und mit dem Drehmomentsensor (4 in 1) gemessene Moment. Das Servomoment ist das von dem Servomotor auf die Zahnstange 8 ausgeübte Moment. In Verbindung mit dem über einen Addierer hinzugefügten Handlenkmoment stellt somit das betreffende Eingangsignal das von dem Fahrer und dem Motor auf die Zahnstange insgesamt ausgeübte Moment dar.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 3 wird das Soll-Reibmodell 49 von den gleichen Eingangssignalen beaufschlagt wie das Real-Reibmodell 48. In dem Soll-Reibmodell 49 ist die erwünschte Abhängigkeit zwischen der Summe aus Handlenkmoment und Servomoment gegenüber der von der Zahnstange 8 auf die Räder 11 ausgeübten Zahnstangenkraft dargestellt. Es ist aber in keiner Weise zwingend, dass dem Soll-Reibmodell 49 49 alle Eingangsignale getrennt zugeführt werden, die auch auf das Real-Reibmodell 48 einwirken. Es genügt, dass durch das Soll-Reibmodell festgelegt wird, welche Zahnstangenkraft von der Zahnstange 8 bei einem bestimmten Summenwert aus Handlenkmoment und Servomoment auf die Räder 11 ausgeübt werden soll. Schließlich kann es im einfachsten Fall genügen nur festzulegen, welche Zahnstangenkraft bei einem bestimmten Handlenkmoment auf die Räder 11 auszuüben ist.
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Aus der in einem Differenzbilder 50 gebildeten Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Real-Reibmodells 48 und des Soll-Reibmodells 49 ergibt sich ein Differenzsignal DS, welches der Abweichung zwischen dem über den Reib-Beobachter festgestellten aktuellen (tatsächlichen) Reibwert und dem bei dem zugehörigen Eingangsignal beziehungsweise Eingangssignalen erwünschten Soll-Reibwert entspricht. Das Differenzsignal DS kann bei einer einfachen und grundlegenden Ausgestaltung der Korrektureinrichtung als Korrektursignal dienen, welches nachfolgend durchgehend als erstes Korrektursignal bezeichnet wird. Eine derartige Ausgestaltung der Korrektureinrichtung hat zwar den Vorteil, dass das Soll-Reibmodell 49 vergleichsweise einfach ausgestaltet ist, wobei aber das erste Korrektursignal große Werte annehmen kann. Da dieses Korrektursignal erst durch die Wirkung der Reibmodelle und des Differenzbilders 50 gebildet wird steht es auch erst nach einem gewissen Zeitverzug zur Verfügung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 werden daher zusätzliche Eingangsignale wie beispielsweise die Temperatur oder der Wirkungsgrad des Systems berücksichtigt. Da hier beispielsweise bei sehr niedrigen Temperaturen eine erheblich höhere Reibung durch das Soll-Reibmodell 49 festgestellt wird, beschreibt dieses Ausgangssignal weniger den für das System erwünschten Reibwert, sondern muss daher als erwarteter Reibwert betrachtet werden. Bei dieser Ausgestaltung der Korrektureinrichtung, bei der das Differenzsignal DS immer kleiner wird je genauer sich der erwartete Wert der Reibung an den real festgestellten Wert angenähert, muss verständlicherweise ein weiteres Korrektursignal zur Verfügung gestellt werden (nachfolgend zweites Korrektursignal genannt), um die Reibung von dem erwarteten Wert auf den erwünschten Wert hin zu kompensieren.
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Wie aus 3 ersichtlich wird das Differenzsignal DS nicht direkt zur Korrektur verwendet, sondern wird durch einen ersten Gewichter 51 in Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen der Lenkung gewichtet. Der erste Gewichter 51 resultiert aus der Überlegung, dass es für das Niveau der Reibung durchaus einen Unterschied macht, ob das Fahrzeug beispielsweise langjährig in einer Fahrschule benutzt wird oder nur kurzzeitig von einem geschulten und vorsichtig fahrenden Eigentümer des Fahrzeugs. Es werden somit den Eingängen des ersten Gewichters 51 eine Reihe von Eingangssignalen zugeführt, die Einfluss auf das Reibniveau des betreffenden Fahrzeugs haben. Im vorliegenden Beispiel sind dies (jeweils auf die Lenkung bezogen) der Kilometerstand, die Betriebsstunden, die nach ihrer Größe gezählten Belastungen (Geradeausfahrt, Kurvenfahrt, Parken usw.), die Lenkleistung (Zahnstangenkraft multipliziert mit der jeweiligen Lenkgeschwindigkeit). Im Ergebnis multipliziert der erste Gewichter 51 das Differenzsignal DS mit einem bestimmten Gewichtsfaktor. Der erste Gewichter 51 kann dabei auch als selbstlernender Störgrößenfilter zur Beeinflussung von dynamischen und statischen Differenzen betrachtet werden.
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3 beschreibt noch eine weitere Möglichkeit, Umgebungseinflüsse bei der Bildung eines Korrektursignals zu berücksichtigen. Auch diese Möglichkeit ist nur wahlweise vorgesehen und kann für sich allein genommen auch im Zusammenhang mit anderen Fallgestaltungen wirksam eingesetzt werden, um beispielsweise die Arbeitsweise einer Lenkung an die gerade herrschende Umgebung anzupassen. Es geht hierbei darum, die Korrektur der Reibung an die augenblickliche Fahrsituationen des Fahrzeugs anzupassen. Hierzu ist ein so genannter Fahrsituationserkenner 53 vorgesehen, dem eine Reihe von Eingangssignalen voneinander getrennt zugeführt werden, durch welche der Fahrsituationserkenner 53 die augenblickliche Fahrsituation des Fahrzeugs bestimmen kann und dann über seinen Ausgang ein der festgestellten Fahrsituation entsprechendes Ausgangssignal FS einem zweiten Gewichter 52 zuführt.
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Dieses Verfahren resultiert aus der Überlegung, dass die vom Fahrer gespürte Reibung (beziehungsweise das Handlenkmoment) von der Fahrsituation abhängig gemacht werden sollte. So erscheint es beispielsweise nicht sinnvoll zu sein, während eines ESPbeziehungsweise ABS-Eingriffs die Reibung im Lenksystem zu verändern, was möglicherweise nicht nur den Fahrer in einer schwierigen Situation irritiert, sondern auch den automatischen ESP- beziehungsweise ABS-Eingriff beeinflussen kann. Weiterhin erscheint es sinnvoll, dem Fahrer über das Handmoment bei einer schnellen Geradeausfahrt ein anderes Lenkgefühl zu geben als bei einer langsamen kurvenreichen Fahrt oder beim Einparken. Beispielhaft sind in 3 als Eingangsgrößen für den Fahrsituationserkenner 53 die Temperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lenkwinkel, die Lenkwinkelgeschwindigkeit, das Handlenkmoment, das Servomoment des Motors sowie die genannten ESP- beziehungsweise ABS-Eingriffe aufgeführt.
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Das Ausgangssignal FS des Fahrsituationserkenners 53 wird in Verbindung mit dem Ausgangssignal des ersten Gewichters 51 in dem zweiten Gewichter 52 gewichtet, wobei das Ausgangssignal des zweiten Gewichter 52 als erstes Korrektursignal schließlich in dem Steuergerät 12 der Lenkung zu einem das Stellsignal des Servomotors korrigierenden Signal umgeformt wird. Im Ergebnis wird somit das Ausgangssignal des Differenzbilders 50 über die beiden Gewichter 51, 52 zweimal abgewandelt bis es schließlich dem Steuergerät 12 der Lenkung zugeführt wird.
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4 bildet eine abweichende Darstellung der erfindungsgemäßen Korrektureinrichtung nach 3, indem hier die Abfolge der einzelnen Signalverarbeitungen symbolisch dargestellt ist. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die einzelnen Blöcke mit den gleichen Bezugszeichen beschriftet, wie sie im Zusammenhang mit 3 angewendet wurden. Der Inhalt von 4 bildet somit eine übersichtliche Zusammenfassung der einzelnen Arbeitsschritte innerhalb der erfindungsgemäßen Korrektureinrichtung. Darüber hinaus ist diese Figur aufgrund der umfangreichen Beschreibung innerhalb der einzelnen Blöcke selbsterklärend.
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Es wird betont, dass die Darstellung der einzelnen Baugruppen in den Figuren, die Reihenfolge der zu bearbeitenden Signale und der Umfang der bei einer Lenkung tatsächlich eingesetzten Baugruppen nur beispielhaft sind. So können beispielsweise der das Reibniveau berücksichtigende erste Gewichter oder der die Fahrsituationen berücksichtigende zweite Gewichter im Rahmen der Erfindung weggelassen werden oder aber auch in anderer Baugruppen wie das Real-Reibmodell 48 beziehungsweise das Soll-Reibmodell 49 integriert sein. Weiterhin kann auch die Reihenfolge der beiden Gewichter miteinander vertauscht werden und/oder die Anzahl der jeweiligen Eingangsignale verändert werden ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch die Anwendung der einzelnen neuartigen Baugruppen in Alleinstellung liegt im Rahmen der Erfindung.
