DE102009014392B4 - Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung - Google Patents

Abstract

Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung (6, 8), bei dem das globale Übersetzungsverhältnis aus einem Lenkwinkel eines Lenkrades (1) zu einem Radeinschlagwinkel oder das lokale Übersetzungsverhältnis aus der Veränderung des Lenkwinkels zu der Veränderung des Radeinschlagwinkels von einer Mittellage des Lenkrades (1) zu einem größeren Lenkwinkel hin abnimmt, wobei der Verlauf des globalen bzw. lokalen Übersetzungsverhältnisses (6, 8) in Abhängigkeit des Lenkwinkels des Lenkrades (1) einen ersten begrenzten Lenkwinkelbereich (E1l - SP - E1r) um die Mittellage des Lenkrads aufweist, in dem das Übersetzungsverhältnis eine Funktion zweiten oder höheren Grades des Lenkwinkels ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf einen zweiten Lenkwinkelbereich (Gl bzw. Gr) aufweist, der an den ersten Lenkwinkelbereich anschließt und in dem das Übersetzungsverhältnis eine lineare Funktion des Lenkwinkels ist, wobei sich an den ersten Lenkwinkelbereich (E1l - SP - E1r) beidseits jeweils nur ein einziger, linear verlaufender zweiter Lenkwinkelbereich (Gl bzw. Gr; E1l - E2l bzw. E1r - E2r) anschließt, wobei die Steigung ungleich null ist oder sich an den zweiten Lenkwinkelbereich (E1l - E2l bzw. E1r - E2r) ein dritter Lenkwinkelbereich anschließt (E2l - E3l bzw. E2r - E3r), in dem der Abfall der globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung im Vergleich zum zweiten Lenkwinkelbereich vermindert ist, wobei die lokale Lenkübersetzung im dritten Lenkwinkelbereich zu betragsgrößeren Lenkwinkeln nach dem Verlauf einer e-Funktion oder eines höhergradigen Polynoms abfällt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Verlaufes der globalen oder lokalen Lenkübersetzung eines solchen Lenksystems.
• Derartige Lenksysteme umfassen gewöhnlich einen Regelkreis, dessen Regelgröße zumindest vom Lenkradmoment abhängig ist. In einem Steuergerät gespeicherte Vorgabefunktionen dienen dem Berechnen eines Sollwerts eines 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 Kraftfahrzeugs 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. Anstelle des Ritzels 6 kann auch ein beliebiges anderes Übertragungsmittel vorgesehen 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 9 über die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 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 die direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenkstange 13 über ein geeignetes Getriebe direkt angreift. 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 Hilfemoments 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 DWam Lenkrad die Höhe des durch den Servo-Motor 9 auszuübenden Hilfsmomentes berechnet und einen entsprechenden Sollwert S an den Servomotor 9 ausgibt. Mit Hilfe geeigneter, beispielsweise in dem Steuergerät 12 gespeicherter Tabellen wird dabei das Hilfsmoment in der Regel derart bestimmt, dass in Abhängigkeit von der errechneten Differenz des Lenkwinkels am Lenkrad DW und einem von einem Lenkwinkelsensor 15 gemessenen Radeinschlagwinkel LW der Räder 11 ein von dem Servo-Motor 9 aufzubringendes Hilfsmoment bestimmt wird. Dieses Hilfsmoment ist so groß gewählt, dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder aufzubringenden Momentes am Lenkrad 1 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 Drehwinkel-Geschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand des Fahrzeugs, Straßenverhältnisse und so weiter.
• Es sind weiterhin Sonderformen elektromechanisch arbeitender Servo-Lenksysteme bekannt, bei denen die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und Zahnstange 8 aufgetrennt ist. Bei diesen so genannten steer-by-wire-Lenksystemen müssen die von dem Lenkrad 1 auf die Zahnstange 8 aufzubringenden Kräfte und Momente durch entsprechende elektrisch arbeitende Geräte nachgebildet werden. Die oben geschilderten grundsätzlichen Prinzipien bleiben dabei allerdings erhalten.
• Bei herkömmlichen Lenkungen weist der Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus ein konstantes Übersetzungsverhältnis über den gesamten Lenkwinkelbereich auf. Einem bestimmten Drehwinkel am Lenkrad entspricht, unbeachtlich etwaiger Elastizitäten der Lenkung, ein stets gleichbleibender axialer Hub der Zahnstange. Aufgrund der Kinematik der Lenkung ergibt sich trotz konstanter Übersetzung des Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus für das Übersetzungsverhältnis aus dem Lenkwinkel am Lenkrad und dem Radeinschlagwinkel über den Verlauf des Lenkwinkels in der Regel eine Kurve.
• Bei herkömmlichen Lenkungen ist das Lenkrad mit den Fahrzeugrädern mechanisch zwangsgekoppelt, wobei in der Regel ein Servo-Aggregat zur Verminderung der notwendigen Handkräfte vorgesehen ist. Dagegen bieten steer-by-wire-Systeme eine relativ einfache Möglichkeit, die Übersetzung zwischen dem Lenkwinkel am Lenkrad und dem Radeinschlagwinkel frei zu gestalten.
• In der DE 196 34 728 C1 wird eine Fahrzeuglenkung ohne mechanische Zwangskopplung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern beschrieben, bei der in einem Mittelbereich um die Geradeausstellung der Fahrzeugräder eine indirekte Übersetzung vorgesehen ist, d.h. relative große Lenkwinkeländerungen am Lenkrad zu verhältnismäßig kleinen Änderungen des Radeinschlagwinkels führen. Für größere Radeinschlagwinkel ist eine direktere Übersetzung bzw. ein geringeres Übersetzungsverhältnis vorgesehen. Ferner wird in DE 196 34 728 C1 offenbart, die Übersetzung von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig zu machen. Bei geringer Fahrgeschwindigkeit genügt dann bereits eine geringe Stellbewegung des Lenkrades, um den Lenkwinkel der gelenkten Fahrzeugräder erheblich zu ändern. Die Überlegung hierbei ist, dass beim Einparken und beim Fahren um engere Kurven die Geschwindigkeit nicht sehr groß ist, so dass die Lenkübersetzung kleiner bzw. direkter eingestellt werden kann.
• Untersuchungen haben gezeigt, dass die zuletzt beschriebene, von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Lenkübersetzung den Nachteil hat, dass ein in die Kurve einfahrendes Fahrzeug in der Regel erheblich abgebremst wird, wobei sich dann aber auch gleichzeitig die Lenkübersetzung ändert, was leicht zu Fahrfehlern führen kann. Desweiteren begegnen steer-by-wire-Systeme im Fahrzeugbau kundenseitigen Akzeptanzproblemen.
• Ein anderer Vorschlag geht dahin, die Lenkübersetzung von dem Lenkwinkel am Lenkrad selbst abhängig zu machen. In der DE 101 58 782 A1 wird in diesem Zusammenhang eine Lenkung mit mechanischer Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern vorgeschlagen, bei der ein Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus mit variablem Übersetzungsverhältnis zum Einsatz kommt. Die Lenkübersetzung wird maximal, wenn sich das Lenkrad in seiner neutralen Stellung befindet und klein, wenn der Lenkwinkel zunimmt. Definitionsgemäß soll dabei bei einer kleinen Lenkübersetzung der Radeinschlagwinkel der Räder gegenüber dem Lenkwinkel des Lenkrades vergleichsweise groß sein. Durch den bezüglich seiner Übersetzung variablen Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus wird die Kurve der Lenkübersetzung in Richtung der den Lenkwinkel repräsentierenden Abszisse (X-Achse) gedehnt. Im Vergleich zu einer Lenkung mit einem Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus mit konstantem Übersetzungsverhältnis wird hierdurch eine sanftere Krümmung der Kurve der Lenkübersetzung erzielt. In der DE 101 58 782 A1 wird damit bezweckt, den Bereich, in dem die Lenkübersetzung gesteuert werden kann, in einem breiteren Lenkwinkelbereich am Lenkrad zu vergrößern. Wie der Verlauf der Lenkübersetzung in Abhängigkeit des Lenkwinkels am Lenkrad einzustellen ist, damit sich für den Fahrer ein angenehmes Lenkverhalten ergibt, wird jedoch nicht offenbart.
• Eine weitere Lenkung mit einem Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus mit variabler Übersetzung ist aus der EP 1 841 635 B1 bekannt. Ein konkreter Verlauf der Lenkübersetzung zwischen dem Lenkwinkel am Lenkrad und dem Radeinschlagwinkel wird dort jedoch nicht offenbart.
• Gemäß dem Fahrwerkhandbuch von Heißing, Vieweg-Verlag, 1. Auflage, Seiten 198, 199 werden zur Komfort-Steigerung Zahnstangen-Hydro-Lenkungen seit längerer Zeit variable Übersetzungen als Sonderausstattung angeboten. Um die Handlichkeit sportlicher Fahrzeuge im Stadtverkehr und auf kurvenreichen Straßen zu verbessern, wurde eine EvolventenVerzahnung entwickelt, deren Übersetzung im mittleren Bereich eher etwas indirekter als bei konstanter Übersetzung gewählt wurde. Zu den Anschlägen hin ist das Übersetzungsverhältnis deutlich direkter. Damit erreicht man bei hohen Fahrgeschwindigkeiten ein weiches, nicht zu spontanes Anlenkverhalten aus der Mittelstellung heraus. Mit zunehmendem Lenkwinkel steigert sich der Radeinschlag progressiv, so dass schon mit 1 bis 1,5 Lenkradumdrehungen aus der Lenkungsmitte der volle Radeinschlag erreicht ist.
• Ein so ausgerüstetes Fahrzeug zeigt beim Fahren eine eindrucksvolle Agilität, die technisch dadurch erreicht wird, dass ein übliches Ritzel in eine variabel gestaltete EvolventenVerzahnung der Zahnstange eingreift. Diese Verzahnung verändert vom Mittenbereich der Zahnstange aus sowohl den Eingriffswinkel als auch die Teilung und den Schrägungswinkel in Richtung der Endanschläge. Durch Wandern des Wälzkreises des Ritzels vom Zahnfuß bei der Mittelstellung der Zahnstange in Richtung Zahnkopf beim Endanschlag ist der Hub pro Zahnstange gegenüber einer Ritzel-Umdrehung im Anschlagbereich größer als im Mittenbereich, wodurch im Endbereich die Übersetzung direkter ist.
• Aus der gattungsgemäßen DE 10 2005 012 647 A1 ist ein Lenksystem bekannt, bei dem durch eine Steuerung zwischen zwei Übersetzungsverhältnissen in zwei Lenkwinkelbereichen gewechselt wird. Ein erster begrenzter Bereich um die Mittellage des Lenkrades weist ein Übersetzungsverhältnis als Funktion höheren Grades des Lenkwinkels auf. In einem zweiten Lenkwinkelbereich wiederum ist das Übersetzungsverhältnis konstant.
• Ein ähnliches Lenksystem offenbart die DE 196 01 826 A1 , welches ebenfalls zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweist. Um die Mittelage des Lenkrads ist das Übersetzungsverhältnis eine Funktion höherer Ordnung. In einem zweiten Bereich nimmt das Übersetzungsverhältnis mit einer geringeren Steigung ab.
• Die DE 35 41 009 A1 hat ein Lenksystem zum Inhalt, bei dem das Übersetzungsverhältnis mit zunehmendem Lenkwinkel linear ist oder mit einer Funktion höheren Grades abnimmt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung anzugeben, das sich durch ein für den Fahrer besonders angenehmes Lenkgefühl sowohl bei mittleren und höheren Geschwindigkeiten als auch beim Einparken auszeichnet. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem in einfacher Weise ein entsprechend optimaler Verlauf der variablen Lenkübersetzung festgelegt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch ein Lenksystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Unabhängig davon, dass sich der Verlauf der Lenkübersetzung mit sehr einfachen mathematischen Funktionen beschreiben lässt, hat sich durch umfangreiche Tests herausgestellt, dass ein erfindungsgemäßer Verlauf der Lenkübersetzung über den Lenkwinkel von den Fahrzeugführern sehr schnell akzeptiert und effektiv genutzt wird. Dabei wird bereits im Mittenbereich des Lenkwinkels für den Fahrer deutlich, dass die Lenkung progressiv arbeitet. Die Änderung der Lenkübersetzung ist stets so gehalten, dass in einer Drehrichtung des Lenkrades die Änderung der Lenkwinkelübersetzung immer gleichsinnig verläuft. Besonders günstig ist es auch, dass bei großen Lenkwinkeln, die in engen Kurven gefahren werdenmüssen, die Progression der Lenkung nicht nachlässt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die erfindungsgemäße Lösung für die Bestimmung eines optimalen Verlaufes der Lenkübersetzung beschreibt Patentanspruch 11. Dabei wird im Prinzip derart vorgegangen, dass zuerst der Lauf der Übersetzung in den äußeren Bereichen des Lenkwinkels festgelegt wird und danach die inneren Endpunkte dieser so festgelegten Bereiche durch eine geeignete Kurve mit sich stetig änderndem Übersetzungsverhältnis miteinander verbunden werden.
• Um den gewünschten stetig progressiven Verlauf der Lenkübersetzung in dem Mittenbereich des Drehwinkels zu erreichen, kann die entsprechende mathematische Funktion des Verlaufs durch eine Kreisfunktion oder durch eine elliptische Funktion gebildet sein. Am Ende des dieser Funktion folgenden Kurvenabschnitts der Lenkübersetzung können dann eine oder mehrere, sich aneinander anschließende Geraden folgen, die vorzugsweise immer steiler werden, je weiter außen sie in den Lenkwinkelbereichen liegen.
• Der Verlauf der Lenkwinkelübersetzung ist in beiden Drehrichtungen des Drehwinkels bevorzugt gleich, so dass sich ein zu der Mittelstellung des Lenkrades symmetrischer Kurvenverlauf ergibt. Um den Kurvenverlauf noch weiter zu vereinfachen, schließt sich ein linear verlaufender weiterer Bereich an den ersten Lenkwinkelbereich an. Damit ergibt sich außerhalb des Mittenbereiches des Lenkwinkels ein gleichbleibender Anstieg der Lenkübersetzung im Wesentlichen bis zu den Anschlägen des Lenkrades hin.
• Gemäß der Erfindung schließt an den zweiten Lenkwinkelbereich ein dritter Lenkwinkelbereich an, in dem der Abfall der globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung im Vergleich zum zweiten Lenkwinkelbereich vermindert ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Rücknahme der Lenkübersetzung insbesondere beim Einparken besser akzeptiert wird, vermutlich weil das Lenkverhalten für den Fahrer bei großen Lenkwinkeln so besser prognostizierbar ist. Die lokale Lenkübersetzung fällt im dritten Lenkwinkelbereich zu betragsgrößeren Lenkwinkeln nach dem Verlauf einer e-Funktion oder eines höhergradigen Polynoms ab.
• An den dritten Lenkwinkelbereich kann sich gegebenenfalls ein vierter Lenkwinkelbereich anschließen, in dem die lokale Lenkübersetzung einen linearen Verlauf aufweist.
• Es ist weiterhin von Vorteil für das Lenkgefühl, wenn dass das Verhältnis der globalen oder lokalen Lenkübersetzung im Übergangspunkt des zweiten Lenkwinkelbereichs zu einem dritten Lenkwinkelbereich zur globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung im Endpunkt der Lenkübersetzung im Bereich von 0,80 bis 0,90 liegt.
• Zur Vermeidung abrupter Übergänge beim Lenkverhalten ist gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die globale oder lokale Lenkübersetzung an allen Übergangspunkten aneinander anschließender Lenkwinkelbereiche stetig differenzierbar ist. Vorzugsweise ist die globale oder lokale Lenkübersetzung über ihren gesamten Verlauf stetig differenzierbar.
• Als ein für viele Anwendungsfälle geeigneter Wertebereich für die globale Lenkübersetzung in der Mittelstellung des Lenkrades hat sich ein Wert von 13 bis 17 vielfach bewährt, während die Übersetzung in den Randbereichen des Lenkrades im Bereich 8 bis 10 gewählt werden sollte. Für die lokale Lenkübersetzung liegen diese Werte bei 13 bis 17 bzw. bei 7,5 bis 10.
• Überraschend hat sich gezeigt, dass ein mathematisch einfach beschreibbarer Kurvenverlauf auch die größte Akzeptanz unter den Probanden der Tests gefunden hat. Dazu sind der Verlauf des ersten Lenkwinkelbereiches durch eine Parabel und der Verlauf mindestens zweier aneinander entsprechender weiterer Lenkwinkelbereiche, die sich vorzugsweise an die Endpunkte des Parallelbereichs anschließen, durch Geraden gebildet. Offensichtlich wird dieser einfache Kurvenverlauf intuitiv schnell erfasst und ist einfach beherrschbar.
• Die erfindungsgemäße Lenkübersetzung lässt sich bei einer elektromechanischen Servolenkung vergleichsweise einfach durch die Verwendung eines Überlagerungsgetriebes verwirklichen. Bei dem Überlagerungsgetriebe kann es sich um ein Planetengetriebe handeln, bei dem an der Außenverzahnung des äußeren Rings der Rotor eines gesteuerten Motors über ein Zahnrad eingreift und so den Hub der Zahnstange vergrößert.
• Eine mechanisch zwar etwas aufwändigere Lösung für die erfindungsgemäße variable Lenkübersetzung wird durch Verwendung einer geeigneten Verzahnung der Zahnstange zur Umsetzung einer variablen Lenkübersetzung oder durch nicht kreisförmige und/oder exzentrische Ritzel bewirkt, bei denen auf ein Überlagerungsgetriebe verzichtet werden kann. Das mit dem Lenkrad verbundene Ritzel muss nicht geändert werden, wenn die Zahnstange in geeigneter Weise verzahnt wird.
• Eine in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung für eine variable Lenkübersetzung sich ergebende Lösung setzt exzentrisch gelagerte Ritzel ein, die mit einer geeignet ausgestalteten Zahnstange derart zusammenwirken können, dass der radiale Abstand des Eingriffs zwischen Ritzel und Zahnstange sich mit wachsendem Lenkwinkel stetig ändert, so dass die Zahnstange bei gleich bleibender Winkeländerung des Lenkrades immer größere Wege zurückgelegt. Eine derartige Lösung setzt allerdings auch eine geeignet ausgeformte Zahnstange voraus.
• Eine besonders einfache Ausgestaltung für das erfindungsgemäße Lenksystem kann sich dann ergeben, wenn die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Zahnstange aufgetrennt ist. Bei diesen Servo-Lenkungen des Typs „steer by wire“ kann die erfindungsgemäße variable Lenkübersetzung mit Hilfe Software anwendender Maßnahmen dargestellt werden.
• Der Aufbau des erfindungsgemäßen Lenksystems lässt sich weiter optimieren und besonders effektiv gestalten, wenn der Verlauf der Lenkübersetzung von dem Drehwinkel des Lenkrades abhängig ist. Dieser kann auch ausschließlich von dem Drehwinkel des Lenkrades abhängig sein. Hierbei wird bewusst vermieden, dass sich die Lenkübersetzung aufgrund der Änderung weiterer Parameter ständig ändern kann. Hier ist beispielsweise die Geschwindigkeit zu nennen, deren Berücksichtigung bei dem Verlauf der Lenkübersetzung zu den weiter oben geschilderten Nachteilen führen kann. Es wird jedoch nicht ausgeschlossen, dass in einem Fahrzeug mehrere unterschiedliche Verläufe der Lenkübersetzung vorgesehen sein können oder diese unterschiedlichen Verläufe zumindest vorbereitet sein können. Dass keine Parameter vorgesehen sind, die zusätzlich Einfluss auf die Lenkübersetzung nehmen bedeutet natürlich nicht, dass nicht die Höhe der Hilfskraft durch den Servomotor von einem oder mehreren Parametern abhängen kann. Da in dem Mittenbereich des Lenkrades die Lenkübersetzung (beziehungsweise Untersetzung) besonders groß ist (indirekt) und beim Parken die Räder beispielsweise auf der Stelle gedreht werden können, kann in diesem Falle die Unterstützung durch die Hilfskraft besonders groß und das durch den Fahrer aufzubringende Restmoment vergleichsweise klein vorgegeben werden.
• Es ist auch sinnvoll mehrere unterschiedliche Verläufe der Lenkübersetzung in Form von Hardware oder Software in einem Lager bereitzuhalten, um diese auf Wunsch des Kunden wahlweise in das Fahrzeug einfügen zu können. So kann beispielsweise eine gegebenenfalls mechanisch ausgeführte Lenkübersetzung mit großer Übersetzungsänderung durch eine Lenkübersetzung mit normaler Übersetzungsänderung ausgetauscht werden, falls dies der gegebenenfalls sportliche Ambitionen besitzende Kunde wünscht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die variable Lenkübersetzung an einzelne Typen einer Fahrzeugserie anzupassen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
• 1 in skizzierter Form einen üblichen Aufbau eines elektromechanischen Servo-Lenksystems,
• 2 ein Beispiel für den Verlauf der globalen Lenkübersetzung in Abhängigkeit vom Lenkwinkel am Lenkrad,
• 3 zwei weitere Beispiele für den Verlauf der globalen Lenkübersetzung in Abhängigkeit vom Lenkwinkel am Lenkrad,
• 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Verlauf der globalen Lenkübersetzung in Abhängigkeit vom Lenkwinkel am Lenkrad, und
• 5 zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfidnung für den Verlauf der lokalen Lenkübersetzung in Abhängigkeit vom Lenkwinkel am Lenkrad.
• In den 2 und 3 ist die globale Lenkübersetzung, d.h. das Verhältnis aus dem Lenkwinkel am Lenkrad zum Radeinschlagwinkel an den Fahrzeugrädern dargestellt. Die Kurve in 2 und auch die beiden Kurven in 3 gliedern sich jeweils in drei Abschnitte, nämlich einen mittleren Abschnitt M und zwei anschließende Abschnitte GL und GR. Der mittlere Abschnitt M, der im Mittenbereich des Lenkwinkels liegt, ist eine Parabel, die hinsichtlich ihres Scheitelpunktes S und des Verlaufes der Krümmung mathematisch einfach beschrieben werden kann. An den parabelförmigen Abschnitt M schließen sich zwei Geraden Gl, Gr an, die zu der durch den Nullpunkt des Lenkwinkels gehenden Ordinate symmetrisch sind.
• Konstruktiv wird der Verlauf der Lenkwinkelübersetzung wie folgt festgelegt. Es werden zuerst die von dem Anschlag des Lenkrades in den Mittenbereich des Lenkwinkels weisenden Graden Gl, Gr festgelegt. Man erhält so in den beiden äußeren Feldern des Lenkwinkels jeweils zwei Punkte E1l E2l beziehungsweise E1r, E2r, die in den Figuren durch Kreuze gekennzeichnet sind. Dann wird der Scheitelpunkt S festgelegt, der besagt, wie groß die größte Übersetzung zwischen dem Lenkwinkel des Lenkrades und dem Lenkwinkel der Räder, d.h. dem Radeinschlagwinkel sein soll. Schließlich wird eine Parabel M konstruiert, welche sowohl durch den Scheitelpunkt S geht als auch in den inneren Endpunkten E1l E1r der Geraden Gl, Gr die gleiche Steigung wie die Geraden selbst besitzt.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht es ohne Abstriche an die Lenkbarkeit des Fahrzeugs mit einem relativ kleinen Winkelbereich für das Lenkrad auszukommen. Damit ist gemeint, dass üblicherweise der Lenkerausschlag nach rechts und links jeweils etwa 540° beträgt, also ungefähr 1.5 Lenkradumdrehungen in jeder Richtung. Die vorliegende Erfindung kommt demgegenüber mit einem Lenkausschlag von etwa 270° in jeder Richtung aus und ist damit für sportliches Fahren besonders gut geeignet. Selbstverständlich ist ein derart kleiner Lenkerausschlag für die vorliegende Erfindung nicht zwingend. So kann beispielsweise auch ein Lenkausschlag bis etwa 360° in jeder Richtung vorgesehen werden. Die Kurvenverläufe können auch so gelegt werden, dass sie bei jeweils 540° aus ihrer Richtung beginnen.
• In 3 sind zwei mögliche weitere Verläufe der Lenkübersetzung über dem Lenkwinkel aufgezeigt, um die vielfältigen Möglichkeiten für derartige Vorläufe darzustellen, die mit der erfindungsgemäßen einfachen mathematischen Beschreibung möglich sind und durch die gleichwohl ein optimales Lenkgefühl für den jeweiligen Fahrer vermittelt werden kann.
• Die Kennlinie der Lenkübersetzung wird um die Mittellage durch eine quadratische Gleichung mit den Parametern a und b beschrieben: $$\text{i}=\text{a}·{\delta }^2{}_{hand}+b$$

  
• In den beiden Randbereichen außerhalb der Mittellage wird die Kennlinie durch eine lineare Gleichung mit den Parametern c und d berechnet: $$i=c·{\delta }_{hand}+d$$

  
• Hierbei steht i für die Lenkübersetzung und δ_hand für den Lenkradwinkel.
• 2 zeigt beispielhaft eine Übersetzungskennlinie, deren Verlauf durch fünf jeweils durch ein Kreuz markierte Punkte E2l, E1l SP, E1r, E2r charakterisiert werden kann.
• Das mit SP (Scheitelpunkt) bezeichnete Kreuz markiert die Lenkübersetzung in der Mittellage, die weiteren Kreuze E2l und E2r markieren die Lenkübersetzung in den Lenkanschlägen, die hier bei +/- 270° Lenkradwinkel erreicht werden. Die verbleibenden Kreuze E1l und E1r markieren den weichen, stetig differenzierbaren Übergang zwischen dem quadratischen Verlauf um die Mittellage und dem linearen Verlauf in den Randbereichen.
• Bei der Auslegung der Kennlinie gibt es bei diesem Verfahren lediglich vier Gestaltungsparameter. Diese sind der Lenkwinkel des Lenkrads bei Radvolleinschlag δmax, der maximale Radlenkwinkel δ_va,max, die Übersetzung in der Mittellage i_max sowie die Spreizung der quadratischen Funktion a . Die übrigen Parameter ergeben sich aus der Berechnung unter der Randbedingung, dass der Übersetzungsverlauf stetig sein soll.
• Somit ergeben sich folgende Berechnungsformeln für die Funktionsparameter: $$\begin{array}{lllll}{\text{i}}_{\text{min}}\hfill & =\hfill & {\mathrm{\delta }}_{\text{max}}\hfill & /\hfill & {\mathrm{\delta }}_{\text{va}\text{,max}}\hfill \end{array}$$

  

  $${\text{b=imax}}_{\text{C}=}\sqrt[2]{{\left(2\cdot \text{a}\cdot {\mathrm{\delta }}_{\text{max}}\right)}^2-4\cdot \text{a}\cdot {\left({\text{i}}_{\text{min}}-\text{b}\right)}_{+}\left(2\cdot \text{a}\cdot {\mathrm{\delta }}_{\text{max}}\right)}$$

  

  $$\text{d}={\text{i}}_{\text{min}}-\text{c}\cdot {\mathrm{\delta }}_{\text{max}}$$

  
• Bei der Abstimmung der Lenkung haben sich folgende Wertebereiche als vorteilhaft herausgestellt. $$30°\le {\mathrm{\delta }}_{\text{vo}\text{,max}}\le 35°$$

  

  (gegeben durch die konstruktiven Verhältnisse an der Vorderachse) $$240°\le {\mathrm{\delta }}_{\text{max}}\le 360°$$

  

  $$13\le {\text{i}}_{\text{max}}\le 17$$

  

  $$-\mathrm{0,0003}\le \text{a}\le \text{-0}\text{,0001}$$

  
• Für den Übergangswinkel δ_Schnittpunkt zwischen dem quadratischen Verlauf um die Mittellage und dem linearen Randbereich gilt für oben genannte Werte: $$45°\le {\mathrm{\delta }}_{\text{Schnittpunkt}}\le 215°.$$

  
• Durch die vorstehend erläuterte Auslegung der Lenkübersetzung wird eine harmonische Fahrbarkeit eines Kraftfahrzeugs über den gesamten Geschwindigkeitsbereich (subjektiver Fahreindruck) erreicht.
• 3 zeigt anhand zweier weiterer globaler Lenkübersetzungskennlinien, deren Verlauf ebenfalls jeweils durch fünf Punkte E2l, E1l SP, E1r, E2r gekennzeichnet ist, Variationsmöglichkeiten für den Verlauf der Lenkübersetzung nach 2. So können die Übergangspunkte zwischen dem ersten begrenzten Lenkwinkelbereich E1l - SP - E1r um die Mittellage des Lenkrads, in dem das Übersetzungsverhältnis eine Funktion zweiten oder höheren Grades des Lenkwinkels ist, und dem zweiten Lenkwinkelbereich Gl bzw. Gr, der an den ersten Lenkwinkelbereich anschließt und in dem das Übersetzungsverhältnis eine lineare oder annähernd lineare Funktion des Lenkwinkels ist, im Vergleich zu 2 näher an die Mittellage herangerückt werden.
• 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Verlauf der globalen Lenkübersetzung, die vorzugsweise im Zusammenhang mit einer elektromechanischen Lenkung mit Zwangskopplung gemäß 1, wie sie oben bereits erläutert wurde, zum Einsatz kommt, jedoch auch bei anderen Lenkungen mit variabler Lenkübersetzung verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Variation der Lenkübersetzung kann in herkömmlicher Weise über ein mechanisches Getriebe, beispielsweise über den Eingriff eines Lenkungsritzels mit einer Zahnstange oder dergleichen dargestellt werden. Ferner lässt sich ein solcher Verlauf sehr einfach bei steer-by-wire-Systemen realisieren.
• Die Kurve der globalen Lenkübersetzung in 4 ist in drei Lenkwinkelbereiche unterteilt und wird dementsprechend durch sieben Punkte E3l, E2l, E1l SP, E1r, E2r und E3r definiert. Dabei entsprechen ein erster begrenzter Lenkwinkelbereich E1l - SP - E1r um die Mittellage des Lenkrads und ein zweiter begrenzter Lenkwinkelbereich E1l - E2l; E1r - E2r den in 2 und 3 gezeigten Darstellungen. Im Unterschied zu diesen ist jedoch der Abfall der Lenkübersetzung zu großen Lenkwinkeln am Lenkrad hin zurückgenommen. Dies wird durch dritte Lenkwinkelbereiche E2l - E3l; E2r - E3r realisiert, die zu betragsmäßig größeren Lenkwinkeln hin an die beiden zweiten Lenkwinkelbereiche anschließen. Wie zwischen dem ersten und zweiten Lenkwinkelbereich ist auch hier ein weicher, kontinuierlich differenzierbarer Übergang vorgesehen. Durch diese Rücknahme des Abfalls der Lenkübersetzung wird zu großen Lenkwinkeln hin eine vom Fahrer unter Umständen als zu direkt empfundene Lenkübersetzung vermieden. Dies ist insbesondere beim Einparken hilfreich. Zwischen den Punkten E2l und E3l bzw. E2r und E3r wird der Verlauf der Lenkübersetzung bevorzugt durch ein Polynom dritten Grades oder eine e-Funktion beschrieben. Der Verlauf der Lenkübersetzung nach 4 ermöglicht einerseits ein sehr agiles Lenkverhalten beim Fahren mit mittleren und höheren Geschwindigkeiten. Er gestattet zudem ein zuverlässig kalkulierbares Einparken, bei dem das Lenkrad bis oder nahe an die Endanschläge der Lenkung eingeschlagen wird.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Übergangswinkel zwischen dem zweiten und dritten Lenkwinkelbereich im Bereich von 200° bis 300°. Die maximale Lenkübersetzung im Scheitelpunkt SP liegt im Bereich zwischen 13 und 17 vorzugsweise im Bereich zwischen 14 und 16 und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bei 14,5.
• Bei maximalem Lenkeinschlag ist die Lenkübersetzung auf einen Wert im Bereich von 8 bis 10 zurückgenommen. Wie 4 zeigt, endet der im Wesentlichen lineare zweite Lenkwinkelbereich bei einer Lenkübersetzung in der Größenordnung von ca. 12 bis 10,5.
• Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Lenkübersetzung im Übergangspunkt E2l bzw. E2r zur Lenkübersetzung im Endpunkt E3l bzw. E3r etwa 0,85. Es wird bevorzugt im Bereich von 0,80 bis 0,90 gewählt.
• 5 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele A und B, bei denen im Unterschied zu den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen auf die lokale Lenkübersetzung abgestellt wird. Unter der lokalen Lenkübersetzung wird der Quotient aus der Veränderung des Lenkwinkels und der Veränderung des Radeinschlagwinkels im betreffenden Arbeitspunkt, d.h. bei einem bestimmten Lenkwinkel des Lenkrads verstanden. Diese Größe repräsentiert noch deutlicher die von Fahrer gefühlte Lenkreaktion.
• In beiden Ausführungsbeispielen A und B der lokalen Lenkübersetzung ist, wie für die globale Lenkübersetzung, jeweils ein erster begrenzter Lenkwinkelbereich E1l - SP - E1r um die Mittellage des Lenkrads und ein zweiter begrenzter Lenkwinkelbereich E1l - E2l; E1r - E2r mit linearem bzw. annähernd linearem Verlauf vorgesehen, wobei beide Abschnitte wiederum weich bzw. kontinuierlich differenzierbar ineinander übergehen. Die zweiten Lenkwinkelbereiche enden bei einem maximalen Lenkwinkelbetrag im Bereich von 120° bis 270°. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2 kann die Kurve der Lenkübersetzung allein durch diese beiden Bereich aufgespannt werden, wobei die Geraden dann bis zu den Endanschlägen der Lenkung fortgesetzt sind.
• In 5 ist analog dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Rücknahme der lokalen Lenkübersetzung zu großen Lenkwinkelbeträgen hin vorgesehen, um insbesondere beim Rangieren mit großen Lenkradeinschlägen das Lenkverhalten noch angenehmer bzw. für den Fahrer besser prognostizierbar zu gestalten.
• Bei der Variante A schließt an den zweiten Lenkwinkelbereich ein dritter Lenkwinkelbereich E2l - E3l; E2r - E3r an, in dem ein Abfall nach dem Verlauf einer e-Funktion oder eines höhergradigen Polynoms erfolgt. Der dritte Lenkwinkelbereich geht in einem Übergangspunkt E3l bzw. E3r in einen vierten Lenkwinkelbereich mit einem leicht linearen Abfall über, der weniger stark ausgeprägt ist, als der Abfall im zweiten Lenkwinkelbereich. In sämtlichen Übergangspunkten ist die lokale Lenkübersetzung stetig differenzierbar.
• Der Übergangspunkt E2l, E2r liegt bevorzugt im Bereich von 150° bis 250° während der Übergangspunkt E3l, E3r bevorzugt im Bereich von 250° bis 290° liegt.
• Während das Maximum der lokalen Lenkübersetzung bei etwa 13 bis 17 liegt, fällt diese im Endabschlag der Lenkung auf einen Wert im Bereich von 7,5 bis 10 ab. Für die Variante A des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels beträgt das Verhältnis der lokalen Lenkübersetzung im Übergangspunkt E2l bzw. E2r zur lokalen Lenkübersetzung im Endpunkt E4l bzw. E4r etwa 0,84. Es wird bevorzugt im Bereich von 0,80 bis 0,90 gewählt.
• Die Variante B in 5 unterscheidet sich von der Variante A im ersten und zweiten Lenkwinkelbereich durch eine generell etwas geringere Lenkübersetzung und einen steileren Kurvenverlauf. Auch hier erfolgt im Anschluss an die zweiten Lenkwinkelbereiche E1l - E2l; E1r - E2r zu betragsgrößeren Lenkwinkeln hin eine Rücknahme des Abfalls der lokalen Lenkübersetzung. Auf den zweiten Lenkwinkelbereich folgt jeweils ein dritter Lenkwinkelbereich E2l - E3l bzw. E2r - E3r, in dem ein kontinuierlicher Abfall auf einen festen Endwert erfolgt. Der dritte Lenkwinkelbereich geht in einem Übergangspunkt E3l bzw. E3r in einen vierten Lenkwinkelbereich mit einer konstanten lokalen Lenkübersetzung über. Auch bei der Variante B ist die lokale Lenkübersetzung in sämtlichen Übergangspunkten stetig differenzierbar.
• Der Übergangspunkt E2l, E2r von Variante liegt bevorzugt im Bereich von 100° bis 150° während der Übergangspunkt E3l, E3r bevorzugt im Bereich von 150° bis 225° liegt. Das Maximum der lokalen Lenkübersetzung ist mit ca. 13,9 etwas geringer gewählt als bei Variante A mit 14,5. Im Endabschlag der Lenkung fällt die lokale Lenkübersetzung auf einen Wert im Bereich von 8,5 bis 9,5 ab. Das Verhältnis der lokalen Lenkübersetzung im Übergangspunkt E2l bzw. E2r zur lokalen Lenkübersetzung im Endpunkt E4l bzw. E4r liegt bei etwa 0,89 und damit im bevorzugten Bereich von 0,80 bis 0,90.
• Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.

Claims (11)

1. Lenksystem mit variabler Lenkübersetzung (6, 8), bei dem das globale Übersetzungsverhältnis aus einem Lenkwinkel eines Lenkrades (1) zu einem Radeinschlagwinkel oder das lokale Übersetzungsverhältnis aus der Veränderung des Lenkwinkels zu der Veränderung des Radeinschlagwinkels von einer Mittellage des Lenkrades (1) zu einem größeren Lenkwinkel hin abnimmt, wobei der Verlauf des globalen bzw. lokalen Übersetzungsverhältnisses (6, 8) in Abhängigkeit des Lenkwinkels des Lenkrades (1) einen ersten begrenzten Lenkwinkelbereich (E1l - SP - E1r) um die Mittellage des Lenkrads aufweist, in dem das Übersetzungsverhältnis eine Funktion zweiten oder höheren Grades des Lenkwinkels ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf einen zweiten Lenkwinkelbereich (Gl bzw. Gr) aufweist, der an den ersten Lenkwinkelbereich anschließt und in dem das Übersetzungsverhältnis eine lineare Funktion des Lenkwinkels ist, wobei sich an den ersten Lenkwinkelbereich (E1l - SP - E1r) beidseits jeweils nur ein einziger, linear verlaufender zweiter Lenkwinkelbereich (Gl bzw. Gr; E1l - E2l bzw. E1r - E2r) anschließt, wobei die Steigung ungleich null ist oder sich an den zweiten Lenkwinkelbereich (E1l - E2l bzw. E1r - E2r) ein dritter Lenkwinkelbereich anschließt (E2l - E3l bzw. E2r - E3r), in dem der Abfall der globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung im Vergleich zum zweiten Lenkwinkelbereich vermindert ist, wobei die lokale Lenkübersetzung im dritten Lenkwinkelbereich zu betragsgrößeren Lenkwinkeln nach dem Verlauf einer e-Funktion oder eines höhergradigen Polynoms abfällt.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des globalen bzw. lokalen Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Lenkwinkel in beiden Drehrichtungen des Lenkrades in dem ersten Lenkwinkelbereich (E1l - SP - E1r) sowie in den weiteren Lenkwinkelbereichen (Gl bzw. Gr) bezogen auf die Mittelstellung des Lenkrades (1) symmetrisch ist.
3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den dritten Lenkwinkelbereich (E2l - E3l bzw. E2r - E3r) ein vierter Lenkwinkelbereich anschließt (E3l - E4l bzw. E3r - E4r), in dem die lokale Lenkübersetzung einen linearen Verlauf aufweist.
4. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der globalen oder lokalen Lenkübersetzung im Übergangspunkt des zweiten Lenkwinkelbereichs zum dritten Lenkwinkelbereich zur globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung im Endpunkt (E3l, E3r; E4l, E4r) der Lenkübersetzung im Bereich von 0,80 bis 0,90 liegt.
5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die globale oder lokale Lenkübersetzung an allen Übergangspunkten aneinander anschließender Lenkwinkelbereiche stetig differenzierbar ist.
6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Lenkwinkelübersetzung in der Mittelstellung des Lenkrades (1) einen Wert im Bereich von 13 bis 17 besitzt und/oder an den Lenkradanschlägen einen Wert im Bereich von 8 bis 10 besitzt.
7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Lenkwinkelübersetzung in der Mittelstellung des Lenkrades (1) einen Wert im Bereich von 13 bis 17 besitzt und/oder an den Lenkradanschlägen einen Wert im Bereich von 7,5 bis 10 besitzt.
8. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Lenkübersetzung (6, 8) unter Verwendung eines Überlagerungsgetriebes bewirkt wird.
9. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Lenkübersetzung unter Verwendung einer geeigneten Verzahnung der Zahnstange (8) oder unter Verwendung nicht kreisförmiger und/oder exzentrischer Ritzel (6) oder unter Verwendung eines von dem Lenkrad (1) mechanisch entkoppelten, elektrisch angesteuerten Antriebes (9) bewirkt wird.
10. Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der globalen oder lokalen Lenkübersetzung (6, 8) von dem Lenkwinkel des Lenkrades (1) abhängig ist.
11. Verfahren zur Bestimmung des Verlaufes der globalen oder lokalen Lenkübersetzung (6, 8) eines Lenksystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel des Lenkrades (1), dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Verlauf der globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung (6, 8) in den weiteren Lenkwinkelbereichen (Gl bzw. Gr) festgelegt wird, dass als nächstes in Richtung zu den kleineren Absolutwerten der Lenkwinkel hin die Endpunkte (E1l, E1r) der weiteren Lenkwinkelbereiche (Gl bzw. Gr) festgelegt werden, und dass danach der Verlauf der globalen bzw. lokalen Lenkübersetzung (6, 8) des ersten Lenkwinkelbereiches (E1l - SP - E1r) zwischen den Endpunkten (E1l, E1r) festgelegt wird.

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