DE102009002821A1

DE102009002821A1 - Verfahren zur Betätigung eines Lenkaktors in einem Lenksystem eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102009002821A1
Application number: DE102009002821A
Authority: DE
Inventors: Roland Greul; Stefan Kanngiesser
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Betätigung eines Lenkaktors in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, wobei der Lenkaktor ein Überlagerungslenkgetriebe zur Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels umfasst, wird durch Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes/Lenktaktors ein Zusatzlenkmoment erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betätigung eines Lenkaktors in einem Lenksystem eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 197 51 125 A1 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das mit einem Überlagerungslenkgetriebe ausgestattet ist, welches es erlaubt, einen Überlagerungslenkwinkel zu generieren, der dem vom Fahrer erzeugten Lenkradwinkel überlagert wird. Auf diese Weise kann unabhängig vom Fahrer ein Lenkeingriff zur Verbesserung der Fahrdynamik des Fahrzeugs durchgeführt werden. Gemäß dieser Druckschrift ist vorgesehen, dass die Lenkanteile, welche einerseits auf eine vom Fahrer initiierte Lenkbewegung und andererseits auf eine Lenkbewegung des Überlagerungsgetriebes zurückgehen, parallel und unabhängig voneinander gebildet werden, um verschiedenartige Funktionen zur Beeinflussung des Fahrverhaltens miteinander kombinieren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in einem Lenksystem, das mit einem Überlagerungslenkgetriebe ausgestattet ist, über fahrdynamische Eingriffe hinausgehend zusätzliche Funktionalitäten über das Überlagerungslenkgetriebe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betätigung eines Lenkaktors in einem Lenksystem eines Fahrzeugs umfasst hardwareseitig diverse Lenkeinrichtungen, beispielsweise eine Lenkhandhabe, die vorzugsweise als Lenkrad ausgebildet ist, sowie eine Lenkwelle, ein Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge zur Übertragung eines vom Fahrer vorgegeben Lenkradwinkels in einen Radlenkwinkel an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs. Des Weiteren ist als aktives Stellglied im Fahrzeug ein Überlagerungslenkgetriebe vorgesehen, mit dem ein Überlagerungslenkwinkel erzeugbar ist, der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel überlagerbar ist. Die Ansteuerung des Überlagerungslenkgetriebes erfolgt fahrerunabhängig und kann zur Verbesserung des fahrdynamischen Fahrzeugverhaltens eingesetzt werden, insbesondere zur Fahrzeugstabilisierung. So ist es beispielsweise möglich, im Falle von Untersteuern oder Übersteuern des Fahrzeugs fahrerunabhängig Lenkkorrekturen über das Überlagerungslenkgetriebe durchzuführen, die zur Stabilisierung des Fahrzeugs führen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass über eine Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes ein fahrerunabhängiges Zusatzlenkmoment in der Lenkhandhabe erzeugt wird. Über das Zusatzlenkmoment kann dem Fahrer eine Information oder eine Empfehlung übermittelt werden, um den Fahrer entweder über den aktuellen Zustand oder eine Zustandsänderung zu informieren und/oder ihn zu einer gewünschten Reaktion zu veranlassen. Das Zusatzlenkmoment, welches über das Überlagerungslenkgetriebe eingespeist wird, wird vom Fahrer im Lenkrad als Moment wahrgenommen. Zugleich ist auf diese Weise sichergestellt, dass das Zusatzlenkmoment auf Grund der Betätigung bzw. des Haltens des Lenkrads durch den Fahrer nicht zu einer unerwünschten Drehbewegung des Lenkrads führt. Da außerdem die Einspeisung eines Zusatzlenkmomentes und nicht eine Änderung des Überlagerungslenkwinkels im Vordergrund steht, bleibt der Eingriff des Überlagerungslenkgetriebes ohne Einfluss auf die Fahrdynamik des Fahrzeugs bzw. ist der Einfluss auf die Fahrdynamik minimiert, so dass die Erzeugung des Zusatzlenkmomentes grundsätzlich unabhängig von einem fahrdynamischen Eingriff mittels des Zusatzlenkwinkels zu sehen ist. Gleichwohl kann es aber zweckmäßig sein, eine Kombination von fahrdynamischem Lenkeingriff durch Generierung eines Zusatzlenkwinkels und Fahrerinformation bzw. -assistenz durch überlagerte Einspeisung eines Zusatzlenkmomentes durchzuführen.
Soll lediglich dem Fahrer eine Information oder Empfehlung übermittelt werden und ein Eingriff in die Fahrdynamik des Fahrzeuges unterbleiben, so genügt es, über das aktive Stellglied des Überlagerungslenkgetriebes – in der Regel ein elektrischer Stellmotor – ein Zusatzlenkmoment ohne Überlagerungslenkwinkel vorzugeben. Um Eingriffe in die Fahrdynamik durch einen ggf. erzeugten Überlagerungslenkwinkel, welcher aufgrund eines generierten Zusatzlenkmomentes entstanden ist, zu minimieren, kann es zweckmäßig sein, den Überlagerungswinkel innerhalb kleiner Grenzen eines zugeordneten Schwellenwerts zu halten. Dieser Schwellenwert für den Überlagerungslenkwinkel wird entweder als fester Wert vorgegeben oder, gemäß alternativer Ausführung, als Funktion aktueller Zustands- und/oder Betriebsgrößen des Fahrzeugs berechnet, beispielsweise in Abhängigkeit von fahrdynamischen Längs- und/oder Quergrößen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate oder Querbeschleunigung.
Die Höhe des Zusatzlenkmomentes ist vorzugsweise so gewählt, dass der Fahrer dies wahrnimmt, aber nicht als störend empfindet und im regulären Fahrbetrieb vom Fahrer über das Lenkrad abgestützt werden kann. Über eine unterlegte Regelung kann sichergestellt werden, dass das Zusatzlenkmoment zu keinem oder nur zu einem sehr geringen Überlagerungslenkwinkel im Lenksystem führt.
Um dem Fahrer eine bestimmte Information über das Zusatzlenkmoment zu übermitteln, wird zweckmäßigerweise die Frequenz und/oder die Amplitude des erzeugten Zusatzlenkmomentes moduliert. Beispielsweise kann es im Falle einer Spurverlassenswarnung zweckmäßig sein, ein oszillierendes Zusatzlenkmoment zu erzeugen, welches vom Fahrer ähnlich wie ein vibrierendes Lenkrad wahrgenommen wird. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird das Zusatzlenkmoment eingesetzt, um den Fahrer über eine aktuell vorliegende Untersteuerungs- oder Übersteuerungsfahrsituation zu informieren. Im Falle eines drohenden Untersteuerns des Fahrzeugs kann zu Beginn des Untersteuerungsvorganges das Zusatzlenkmoment in der Weise erzeugt werden, dass wie bei einem fortgeschrittenen Untersteuerungsvorgang Lenkbewegungen vom Fahrer mit geringerem Momentenaufwand durchgeführt werden, so dass über die Einspeisung des Zusatzlenkmoments eine bereits weiter fortgeschrittene Untersteuerungssituation vorgespiegelt wird. Untersteuern oder Übersteuern des Fahrzeuges wird hierbei über ein Zusatzlenkmoment simuliert, welches als Funktion der Fahrzeug-Gierrate bestimmt wird, insbesondere als Funktion der Differenz von Soll-Gierrate zu Ist-Gierrate. Dagegen wird die Spurführung bzw. -verlassenswarnung zweckmäßigerweise in Abhängigkeit des Querabstandes zwischen der aktuellen Fahrzeugposition und der Solltrajektorie – in der Regel die Fahrbahnmitte bzw. des Fahrspurrandes bestimmt.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung in Lenksystemen, die mit einer hydraulischen Lenkkraftunterstützungseinrichtung zur Generierung eines fahrerabhängigen Unterstützungsmomentes ausgestattet sind. Derartige hydraulische Unterstützungseinrichtungen eignen sich nicht zur Erzeugung eines fahrerunabhängigen Zusatzlenkmomentes als Information bzw. Assistenz für den Fahrer, so dass derartige Lenksysteme über die erfindungsgemäße Funktion, die über das Überlagerungslenkgetriebe realisiert wird, in einer sinnvollen Weise ergänzt werden können.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass das Lenksystem mit einem Fahrerassistenzsystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem kommuniziert, wobei der Verlauf des Zusatzlenkmoments von Signalen der genannten Systeme abhängt. Als System kommt beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) oder eine Antriebsschlupfregelung (ASR) in Betracht, über die fahrdynamische, assistierende oder informierende Regeleingriffe durchführbar sind. Auch Spurverlassenswarnungssysteme, die mit einer Sensorik zur Umgebungsüberwachung wie beispielsweise optische Systeme oder Radarsysteme ausgestattet sind, können mit dem Lenksystem zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vernetzt werden.
Zweckmäßigerweise ist ein Regel- bzw. Steuergerät vorgesehen, in welchem die einzelnen Verfahrensschritte ablaufen und dem auch die Signale der Fahrerassistenzsysteme und/oder Fahrdynamikregelungssysteme zuführbar sind.
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, das mit einem Überlagerungslenkgetriebe zur Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels und/oder Zusatzlenkmomentes ausgestattet ist,
2 ein Ablaufdiagramm mit den einzelnen Schritten zur Durchführung des Verfahrens, mit dem dem Fahrer über einen selbsttätigen Eingriff über das Überlagerungslenkgetriebe Informationen über den aktuellen Fahrzustand übermittelt werden.
In 1 ist ein aktives Lenksystem 1 dargestellt, welches in Kraftfahrzeugen einsetzbar ist und das eine als Lenkrad 2 ausgeführte Lenkhandhabe, eine Lenkwelle 3, ein Überlagerungsgetriebe 4 mit zugeordnetem Stellmotor 5, ein Lenkgetriebe 6, ein Lenkgestänge 7 sowie eine Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 umfasst. Über das Lenkrad 2 gibt der Fahrer einen Lenkradwinkel δ_L in der Lenkwelle 3 vor, wobei der Lenkradwinkel δ_L über die Lenkwelle 3, das Lenkgetriebe 6 und das Lenkgestänge 7 in einen Radlenkwinkel δ_V an den lenkbaren Vorderrädern 8 des Fahrzeuges umgesetzt wird.
Mithilfe des Überlagerungsgetriebes 4 kann fahrerunabhängig ein Überlagerungslenkwinkel δ_M in der Lenkwelle 3 erzeugt werden, der zu dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel δ_L hinzuaddiert wird. Daraus resultiert ein Lenkwinkel δ_L', der über das Lenkgetriebe 6 und das Lenkgestänge 7 in einen modifizierten Radlenkwinkel δ_V umgesetzt wird. Das Überlagerungsgetriebe 4 wird über den zugeordneten elektrischen Stellmotor 5 angesteuert, der Stellsignale von einem Regel- bzw. Steuergerät empfängt, wobei die Stellsignale von einem Fahrerassistenzsystem/Fahrdynamikregelungssystem generiert werden können, beispielsweise einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) oder einer Antriebsschlupfregelung (ASR).
Über die Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 wird ein unterstützendes Lenkmoment generiert. Die Lenkkraftunterstützungseinrichtung 9 ist als Hydrauliksystem mit einem hydraulischen Stellglied ausgeführt, wobei grundsätzlich im Rahmen der Erfindung auch elektrische oder elektrohydraulische Lenkkraftunterstützungseinrichtungen oder Lenksysteme ohne Unterstützungseinrichtung eingesetzt werden können.
Wie dem in 2 dargestellten Ablaufschema zu entnehmen ist, werden in einem ersten Verfahrensschritt V1 zunächst mithilfe einer fahrzeugeigenen Sensorik diverse längs- und querdynamische Zustandsgrößen gemessen bzw. aus Messwerten derartige Zustandsgrößen ermittelt. Es handelt sich bei diesen Messgrößen bzw. ermittelten Zustandsgrößen unter anderem um die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, die Ist-Gierrate ψ ._ist und die Fahrzeugquerbeschleunigung a_y.
Die erfindungsgemäße Funktion dient zur Übermittlung von Informationen oder Lenkempfehlungen an den Fahrer durch Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes. Ein fahrdynamischer Lenkeingriff an den Vorderrädern wird dagegen nicht angestrebt. Sofern jedoch insbesondere von einem Fahrerassistenz-/Fahrdynamikregelungssystem wie beispielsweise einer Antriebsschlupfregelung ASR eine Anforderung an das Überlagerungslenkgetriebe zur Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels δ_M gestellt wird und gleichzeitig dem Fahrer eine Lenkempfehlung oder eine Information über den aktuellen Fahrzustand übermittelt werden soll, kommt auch eine Überlagerung des fahrdynamischen Lenkeingriffs einerseits und der Fahrerinformation andererseits durch Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes in Betracht.
Im Verfahrensschritt V2 ist beispielhaft eine Strategie im Falle eines Unter- oder Übersteuerns des Fahrzeugs dargestellt. Sofern beispielsweise bei Untersuchung der Ist-Gierrate ψ ._ist festgestellt wird, dass eine signifikante Abweichung von der Soll-Gierrate ψ ._soll vorliegt, was auf ein Unter- oder Übersteuern des Fahrzeugs hinweist, kann gemäß Verfahrensschritt V2 ein Zusatzlenkmoment M_AS im Lenkrad durch die Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes erzeugt werden. Das Zusatzlenkmoment M_AS wird von dem Fahrer gespürt und von ihm als zusätzliche Information über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs wahrgenommen. Beispielsweise kann im Fall von Untersteuern bereits zu Beginn des Untersteuerungsvorgangs ein Zusatzlenkmoment M_AS generiert werden, das den Fahrzustand im Lenkrad zu einem bereits weiter fortgeschrittenen Untersteuerungszeitpunkt vorwegnimmt, um auf diese Weise dem Fahrer die Untersteuerungssituation anzuzeigen. Das Zusatzlenkmoment M_AS wäre in diesem Fall so ausgeführt, dass der Fahrer ein geringeres Moment am Lenkrad aufbringen muss und somit einen geringeren Lenkwiderstand spürt.
Im Verfahrensschritt V2 wird das Zusatzlenkmoment M_AS gemäß der Beziehung MAS = (ψ .soll – ψ .ist)·kaus der Differenz von Soll-Gierrate ψ ._soll und Ist-Gierrate ψ ._ist berechnet, wobei mit k ein vorzeichenbehafteter Verstärkungsfaktor bezeichnet ist.
Im nächsten Verfahrensschritt V3 wird das gewünschte Zusatzlenkmoment M_AS in einen Überlagerungslenkwinkel δ_M umgerechnet, wobei der Überlagerungslenkwinkel δ_M als Funktion des Zusatzlenkmoments M_AS darstellbar ist: δM = f(MAS).
Der dem Überlagerungsgetriebe zugeordnete Stellmotor wird in der Weise angesteuert, dass im Überlagerungsgetriebe der ermittelte Überlagerungslenkwinkel δ_M eingestellt wird.
Grundsätzlich kann es aber ausreichend sein, das berechnete Zusatzlenkmoment M_AS lediglich im Sinne eines Widerstandsmomentes vorzugeben, ohne eine Veränderung des Überlagerungslenkwinkels herbeizuführen.
Um sicherzustellen, dass der Überlagerungslenkwinkel δ_M zur Umsetzung des Zusatzlenkmoments M_AS in erster Linie zur Fahrerinformation bzw. -assistenz dient und keine oder nur geringe fahrdynamische Auswirkungen hat, wird im nächsten Verfahrensschritt V4 zusätzlich eine Abfrage gestartet, ob der Betrag des Überlagerungslenkwinkels δ_M einen Schwellenwert δ_M,Lim nicht übersteigt: |δM| ≤ δM,Lim.
Der Schwellenwert δ_M,Lim kann als Funktion aktueller Zustands- oder Betriebsgrößen berechnet werden: δM,Lim = f(vx, ψ .ist, ay...).
Beispielhaft ist hier die Abhängigkeit des Schwellenwertes δ_M,Lim von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, der Ist-Gierrate ψ ._ist und der Querbeschleunigung a_y angegeben. Zweckmäßigerweise wird der im Verfahrensschritt V3 berechnete Überlagerungslenkwinkel δ_M auf den Schwellenwert δ_M,Lim begrenzt.
Die Begrenzung des Überlagerungslenkwinkels δ_M kommt insbesondere in Situationen zum Tragen, in denen das Zusatzlenkmoment M_AS dynamisiert wird, beispielsweise im Sinne eines um einen Mittelwert oszillierenden Momentes, was vom Fahrer als vibrierendes Lenkrad wahrgenommen werden kann. Derartige Strategien kommen beispielsweise im Rahmen einer Spurverlassenswarnung in Betracht.

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Überlagerungsgetriebe
5: Stellmotor
6: Lenkgetriebe
7: Lenkgestänge
8: Vorderrad
9: Lenkkraftunterstützungseinrichtung
δ_L: Lenkradwinkel
δ_L': Lenkwinkel
δ_M: Überlagerungslenkwinkel
δ_V: Radlenkwinkel
M_AS: Zusatzlenkmoment
ψ ._ist: Ist-Gierrate
ψ ._soll: Soll-Gierrate
v_x: Längsgeschwindigkeit
a_y: Querbeschleunigung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19751125 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Betätigung eines Lenkaktors in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, wobei das Lenksystem (1) Lenkeinrichtungen (2, 3, 6, 7) zur Übertragung eines vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkels (δ_L) in einen Radlenkwinkel (δ_V) an den lenkbaren Rädern (8) des Fahrzeugs aufweist, und wobei der Lenkaktor ein Überlagerungslenkgetriebe (4) zur Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels (δ_M) umfasst, der dem Lenkradwinkel (δ_L) überlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes (4) ein Zusatzlenkmoment (M_AS) in der Lenkhandhabe (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Zusatzlenkmoment (M_AS) als Funktion aktueller Zustands- oder Betriebsgrößen wie beispielsweise der Gierrate (ψ .) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzlenkmoment (M_AS) als Funktion der Differenz von Soll-Gierrate (ψ ._soll) und Ist-Gierrate (ψ ._ist) nach der Beziehung MAS = (ψ .soll – ψ .ist)·kbestimmt wird, wobei k einen vorzeichenbehafteten Verstärkungsfaktor bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Zusatzlenkmoment (M_AS) als Funktion des Querabstands zwischen dem Fahrzeug und einer Solltrajektorie bzw. Fahrspurrandes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Zusatzlenkmoments (M_AS) moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Zusatzlenkmoments (M_AS) moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bei Betätigung des Überlagerungslenkgetriebes (4) erzeugte Überlagerungslenkwinkel (δ_M) zur Generierung des Zusatzlenkmoments (M_AS) einen Schwellenwert (δ_M,Lim) nicht übersteigt: |δM| ≤ δM,Lim
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (δ_M,Lim) als fester Grenzwert vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (δ_M,Lim) als Funktion aktueller Zustands- oder Betriebsgrößen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den Verlauf des Zusatzlenkmoments (M_AS) dem Fahrer eine Information bzw. eine Lenkempfehlung übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem mit einem Fahrerassistenzsystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem kommuniziert und der Verlauf des Zusatzlenkmoments (M_AS) von Signalen des Fahrerassistenzsystems und/oder Fahrdynamikregelungssystem bestimmt wird.
Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Lenksystem mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 12.
Lenksystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem eine hydraulische Lenkkraftunterstützungseinrichtung zur Generierung eines fahrerabhängigen Unterstützungsmoments aufweist.