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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein elektrisches Servolenkungssystem
(EPS-System) für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Verwendung
mit diesem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
System und ein Verfahren, welche die Auswirkungen periodischer Vibrationen
bei einem EPS-System verringern oder mildern können.
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HINTERGRUND
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Es
gibt zahlreiche Arten von ungewünschten Vibrationen, Rauschen,
Pulsieren, Störungen und anderen Formen schwankender Vibrationsenergie,
die in einem Fahrzeug vorhanden sein können; diese Phänomene
werden hier anschließend kollektiv und in weitem Sinn als ”Vibrationen” bezeichnet.
Vibrationen können viele Quellen aufweisen, welche externe
Quellen, etwa unregelmäßige Straßenoberflächen,
sowie interne Quellen umfassen.
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Ein
Beispiel einer internen Vibrationsquelle ist ein nicht konzentrisches,
unrundes oder anderweitig unregelmäßig rotierendes
Teil. Wenn z. B. ein Reifen, ein Rad, eine Nabe und/oder ein Rotor
auf eine nicht konzentrische oder nicht ausgeglichene Weise hergestellt
oder an dem Fahrzeug montiert sind, dann dreht sich das Teil mit
einer ungleichmäßigen Gewichtsverteilung. Dies
wiederum kann periodische oder harmonische Vibrationen in dem Fahrzeug
erzeugen; d. h. Vibrationen mit einer Kom ponente erster Ordnung,
die um eine Frequenz erster Ordnung zentriert ist, sowie Komponenten
mit höherer oder mehrfacher Ordnung, die um Frequenzen
zentriert sind, die ganzzahlige Vielfache der Frequenz erster Ordnung
sind. Eine Komponente erster Ordnung einer periodischen Vibration
ist allgemein um die gleiche Frequenz wie das sich drehende Objekt
zentriert, von welchem sie stammt, und verfügt gewöhnlich über
eine größere Amplitude oder Intensität
als ihre Gegenstücke höherer Ordnung. Zum Beispiel
kann ein Rad, das sich mit zwei Umdrehungen pro Sekunde (2 Hz) dreht,
periodische Vibrationen erzeugen, die eine Komponente erster Ordnung
bei 2 Hz, eine Komponente zweiter Ordnung bei 4 Hz, eine Komponente
dritter Ordnung bei 6 Hz, und so weiter aufweisen. Die Komponente
erster Ordnung oder die 2 Hz-Komponente ist gewöhnlich
stärker als die Komponenten zweiter und dritter Ordnung.
Es ist festzustellen, dass nicht konzentrische rotierende Teile
nur eine potentielle Quelle periodischer Vibrationen in einem Fahrzeug
sind und dass auch viele weitere existieren.
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Von
internen Quellen verursachte periodische Vibrationen können
sich über das gesamte Fahrzeug hinweg ausbreiten und können
ein ungewünschtes Rütteln oder eine ungewünschte
Bewegung einiger Fahrzeugkomponenten verursachen, das bzw. die für
den Fahrer wahrnehmbar ist. Zum Beispiel können sich periodische
Vibrationen, die an den Radanordnungen oder Ecken erzeugt werden,
so kombinieren, dass sie ein dynamisches Drehmoment an einer Lenkradsäulenkomponente
schaffen, das bewirkt, dass sich das Lenkrad in eine Richtung dreht.
Wenn ein Ereignis dieser Art auf einer ebenen oder glatten Straßenoberfläche
auftritt, ist es noch deutlicher für den Fahrer wahrnehmbar
und wird manchmal als ”Rütteln auf glatter Straße” (SRS, SRS
von smooth road shake) oder ein Torsionsnibble bezeichnet.
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Es
wurde eine Vielzahl von Techniken zur Verringerung oder Milderung
periodischer Vibrationen im Fahrzeug eingesetzt. Diese Techniken
umfassen das Auswuchten von Rädern am und getrennt vom
Fahrzeug, das Verwenden unterschiedlicher Arten von Dämpfungskomponenten
und den Versuch, konzentrischere und präzisere Teile maschinell
herzustellen oder anderweitig zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verwendung mit einem
elektrischen Servolenkungssystem (EPS-System) bereitgestellt. Das
Verfahren umfasst die Schritte, dass: (a) eine Vibration in einem
Teil des EPS-Systems erfasst wird; (b) ein periodischer Inhalt der
erfassten Vibration identifiziert wird; (c) eine Vibrationskorrektur
aus dem periodischen Inhalt ermittelt wird; und (d) ein Elektromotor
gemäß der Vibrationskorrektur angesteuert wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird ein elektrisches Servolenkungssystem
(EPS-System) zur Verwendung mit einem Fahrzeug bereitgestellt. Das
EPS-System umfasst: eine Lenkverbindungsanordnung; einen mit dem
EPS-System gekoppelten Elektromotor; und einen elektronischen Controller
mit einem ersten Eingang, der ein erstes Signal von einem Sensor
empfängt, der mit der Lenkverbindungsanordnung gekoppelt
ist, mit einem zweiten Eingang, der ein zweites Signal von einem
mit einer Radanordnung gekoppelten Sensor empfängt, und
mit einem Ausgang, der ein Befehlssignal an den Elektromotor liefert.
Der elektronische Controller verwendet das erste und zweite Signal
zum Erzeugen des Befehlssignals und das Befehlssignal bewirkt, dass
der Elektromotor absichtlich entgegenwirkende Vibrationen in die
Lenkverbindungsanordnung einbringt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hier
nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und
wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines beispielhaften elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems)
ist, das in einem Fahrzeug verwendet werden kann;
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2 ein
Flussdiagramm ist, das einige der Schritte einer beispielhaften
Ausführungsform eines Verfahrens zur Verwendung mit einem
EPS-System veranschaulicht;
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3A–C
spektrale Graphen sind, die sowohl einen periodischen als auch einen
nicht periodischen Inhalt eines beispielhaften zeitvarianten Vibrationssignals
zeigen, wobei 3A das Vibrationssignal über eine
einzige Radumdrehung mit erheblichem Hintergrundrauschen zeigt, 3B das
Vibrationssignal über zehn Radumdrehungen gemittelt zeigt,
und 3C das Vibrationssignal über einhundert
Radumdrehungen gemittelt zeigt; und
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4A–B
Graphen sind, die beispielhafte periodische Vibrationen, wie sie
von dem Sensor erfasst werden, aufgeteilt auf Beiträge
von jeder der Radanordnungen zeigen, wobei 4A die
Größe der periodischen Vibrationen zeigt und 4B die
Phase der periodischen Vibratio nen relativ zu dem Winkel der jeweiligen
rotierenden Radanordnung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
System und das Verfahren, die hier beschrieben sind, können
verwendet werden, um die Auswirkungen periodischer Vibrationen bei
einem elektrischen Servolenkungssystem (EPS-System) zu verringern, insbesondere
diejenigen, welche zu einem Rütteln auf glatter Straße
(SRS), einem Torsionsnibble und/oder weiteren ungewünschten
Zuständen führen können. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform wird ein Elektromotor verwendet,
um in dem EPS-System absichtlich entgegenwirkende Vibrationen zu
erzeugen, um die periodischen Vibrationen zu neutralisieren, die
von einer oder mehreren Radanordnungen oder Ecken erzeugt werden.
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Elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System)
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) 10,
welches zum Lenken oder Steuern der Vorderräder eines Kraftfahrzeugs
verwendet werden kann. Obwohl das EPS-System 10 hier als
ein System vom ”Zahnstangenunterstützungstyp” gezeigt
ist (d. h. ein System, bei dem der Abtrieb des EPS-Motors durch
ein Getriebe mit einer Zahnstange gekoppelt ist), ist festzustellen,
dass das vorliegende System und Verfahren mit anderen Typen von
EPS-Systemen verwendet werden kann, welche umfassen, aber nicht
beschränkt sind auf Systemtypen mit ”Säulenunterstützung” und
umlaufenden Kugeln. Gemäß dieser beispielhaften
Ausführungsform umfasst das EPS-System 10 ein Lenkrad 20,
eine Lenksäulenanordnung 22, eine Zahnstangen-
und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 und eine Motoranordnung 26,
und es kann in Verbindung mit einer Spurstangenanordnung 28 und
einer Radanordnung 30 verwendet werden. Dies sind selbstverständlich
nur einige der Komponenten, Einrichtungen, Anordnungen, Systeme
usw., die mit dem EPS-System 10 verwendet werden können,
und weitere in der Technik bekannte können anstelle von
oder zusätzlich zu den hier erwähnten verwendet
werden.
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Das
Lenkrad 20 ist an der Lenksäulenanordnung 22 drehbar
montiert und gibt einem Fahrer die Möglichkeit, das Fahrzeug
zu lenken, wie in der Technik allgemein bekannt ist. Lenkräder
können in einer Vielzahl unterschiedlicher Gestalten auftreten
und können zusätzliche Komponenten, wie etwa eine
Hupe oder elektronische Bedienelemente tragen. Beispielsweise können
elektronische Bedienelemente, die ein automatisches Geschwindigkeitssteuerungssystem,
ein Fahrzeugradio und weitere bekannte Einrichtungen bedienen, an
einem oder mehreren Armen oder einer Mittelkomponente des Lenkrads 20 montiert
sein. Der Einfachheit halber wurden die Verdrahtung und verschiedene
elektrische Verbindungen, die ein Lenkrad und eine Lenkverbindungsanordnung
gewöhnlich begleiten, aus 1 entfernt.
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Die
Lenkverbindungsanordnung 22 stützt das Lenkrad 20 drehbar
ab und überträgt die Lenkabsichten des Fahrers
an die anderen Abschnitte des EPS-Systems 10. Bei der hier
gezeigten beispielhaften Ausführungsform wurde das Außengehäuse,
Steuerhebel, Zündungskomponenten usw. von der Lenkverbindungsanordnung 22 entfernt,
um erste, zweite bzw. dritte Lenkwellen 40, 42, 44 offen
zu legen, die durch erste und zweite Lenkverbindungen 46, 48 miteinander
verbunden sind. Alle diese beispielhaften Teile sind Teil der Lenkverbindungsanordnung 22.
Die erste Lenkwelle 40 ist an einem oberen Ende an dem
Lenkrad 20 gesichert und ist an einem unteren Ende über
die erste Lenkverbindung 46 mit der zweiten Lenkwelle 42 gekoppelt.
Obwohl eine Anzahl unterschiedlicher Typen von Verbindungen oder
Kopplungen verwendet werden kann, ist die erste Lenkverbindung 46 hier
als eine universelle Verbindung gezeigt (auch eine U-Verbindung,
Kardan-Verbindung, Hardy-Spicer-Verbindung, Hooke'sche Verbindung
usw. bezeichnet). Es kann jeder Verbindungstyp verwendet werden,
der zwei starre Wellen um eine Biegung herum verbindet und in der
Lage ist, eine Drehbewegung von einer Welle an die andere zu übertragen.
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Die
zweite Lenkwelle 42 wirkt als ein Zwischensegment zwischen
der ersten und der dritten Lenkwelle 40, 44 und
ist mit diesen Wellen über die Lenkverbindungen 46, 48 gekoppelt.
Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Lenkwellen zusätzliche
Merkmale umfassen, welche ein Teleskopmerkmal 60, das es
der Welle ermöglicht, sich in unterschiedliche Längen
zu erstrecken, sowie einen Gummiring 62 umfassen, um Vibrationen
in der Lenkverbindungsanordnung zu dämpfen. Die zweite
Lenkverbindung 48 ist hier eingeschlossen in einer Kunststoff-
oder Gummihülle 64 gezeigt, welche die darunter
angeordnete Lenkverbindung isoliert oder anderweitig schützt.
Wie die erste Lenkverbindung kann auch die zweite Lenkverbindung 48 aus
einer Vielzahl unterschiedlicher Formen sein, die einen universellen
oder einen Drehgelenktyp umfassen. Bei dieser Ausführungsform
ist die dritte Lenkwelle 44 kürzer als die anderen
Wellensegmente und wirkt als eine Eingabewelle für die
Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 (die dritte
Lenkwelle 44 wird manchmal als Teil der Zahnstangen- und
Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 aufgefasst, obwohl sie
hier als Teil der Lenkverbindungsanordnung 22 veranschaulicht
ist). Selbstverständlich ist festzustellen, dass die vorstehende
Beschreibung nur allgemeiner und beispielhafter Natur ist, da unzählige
Lenkverbindungsanordnungsausführungsformen ebenfalls verwendet werden
können, welche diejenigen umfassen, die mehr, weniger und/oder
andere Komponenten als die hier gezeigten aufweisen.
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Die
Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 setzt
eine Drehbewegung in der Lenkverbindungsanordnung 22 in
eine Quer- oder Fahrzeugseitenbewegung um, die zum Verschwenken
der Fahrzeugräder verwendet werden kann. Gemäß der
in 1 gezeigten Ausführungsform umschließt
ein Gehäuse 70 ein zylindrisches Ritzelzahnrad,
eine längliche Zahnstange, einen oder mehrere Lagersätze
und weitere Komponenten, deren Kenntnis in der Technik weit verbreitet
ist (keine von diesen ist hier gezeigt). Das Ritzelzahnrad ist mit
der dritten Lenkwelle 44 auf allgemein koaxiale Weise angeordnet
und umfasst an seiner äußeren Umfangsfläche
Verzahnungszähne. Die längliche Zahnstange ist
gemäß einer Orientierung quer zum Fahrzeug angeordnet
(d. h. die Zahnstange erstreckt sich in die Querrichtung des Fahrzeugs)
und weist entsprechende Verzahnungszähne auf, um mit denjenigen
des Ritzelzahnrads zu kämmen. Lager und weitere Komponenten
können verwendet werden, um im Betrieb eine glatte Bewegung
sicherzustellen. Bei dieser Ausführungsform werden biegsame
Hüllen 72 verwendet, um die Abschnitte der Zahnstange,
die aus dem Gehäuse 70 hervorstehen, zu umgeben;
dies trägt dazu bei, dass sichergestellt ist, dass die
Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung frei von Schmutz und
Ablagerungen gehalten wird. Jedes der zwei Enden der Zahnstange
(hier im Inneren der Hülle 72 gezeigt) ist mit
einer Zahnstangenverbindung 80 verbunden, welche eine kugelförmige
oder eine andere Kopplung in alle Richtungen sein kann, die das
Ende der Zahnstange mit einer inneren Spurstange 82 koppelt.
Die innere Spurstange 82 ist mit einer äußeren
Spurstange gekoppelt, wie noch erläutert wird. Andere Arten
von Lenkgetriebeanordnungen, z. B. eine Anordnung von einem Typ
mit umlaufenden Kugeln, kann stattdessen verwendet werden.
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Eine
Motoranordnung 26 versorgt das System mit einer Kraftunterstützung,
um die manuelle Lenkkraft, die von dem Fahrer erzeugt wird, zu ergänzen.
Dies gestaltet das Lenken leichter und weniger anstrengend. Gemäß dieser
speziellen Ausführungsform umfasst die Motoranordnung 26 einen
Elektromotor 90, einen Sensor 92, einen Leistungseingang 94,
einen elektronischen Controller 96 und ein oder mehrere
Zahnräder, Riemenscheiben, Riemen, Lager usw. zum Erreichen
bevorzugter Übersetzungsverhältnisse der Geschwindigkeit
von Motoranker zu Zahnstange. Der Elektromotor 90, der
ein bürstenloser Motor, ein Motor mit Bürsten
oder ein beliebiger anderer in der Technik eingesetzter Motortyp
sein kann, umfasst einen Motorabtrieb, der mit der Zahnstange über
einen Drehzahlverringerungsmechanismus mechanisch gekoppelt sein kann
(der Motor dreht sich allgemein mit einer Rotationsgeschwindigkeit,
die für die Zahnstange zu groß ist, und muss daher
untersetzt werden). Der Elektromotor kann über einen Leistungseingang 94 mit
Leistung versorgt werden, so dass er die Zahnstange in eine quer
oder seitlich zum Fahrzeug verlaufende Bewegung steuert (die Richtung
und die Drehzahl hängen von den Motorsteuerungssignalen
ab, wie noch erläutert wird), welche zusätzlich
zu anderen Funktionen eine Unterstützung beim Verschwenken
der Räder bereitstellt.
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Der
Sensor 92 ist mit einer oder mehreren Komponenten der Lenkungsverbindungsanordnung 22 gekoppelt
und liefert ein Vibrationssignal an den elektronischen Controller 96.
Dieser Sensor kann in einer Komponente der Lenkverbindungsanordnung 22,
der Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 oder
einer anderen Komponente des EPS-Systems 10 integriert
oder eingebettet sein, aber aus Klarheitsgründen ist hier
ein externer dargestellt. Gemäß einer Möglichkeit
ist der Sensor 92 ein Drehmomentsensor, der an einer Stelle
an der Lenkverbindungsan ordnung 22 zwischen dem Lenkrad 20 und
der Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 einschließlich
montiert ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 1 ist
der Sensor 92 ein existierender Drehmomentsensor, der in
einen Abschnitt der dritten Lenkwelle 44 (der Antriebswelle
für die Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24)
eingebaut ist und ein zeitvariantes Drehmoment in der Lenkverbindungsanordnung
erfasst. Anders ausgedrückt kann der Sensor 92 Drehmoment
als eine Funktion der Zeit erfassen, so dass Änderungen
aufgrund periodischer und/oder nicht periodischer Vibrationen zur
Analyse aufgezeichnet werden können. Fachleute werden feststellen,
dass verschiedene Typen von Drehmomentsensoren oder Messfühlern
verwendet werden können und dass diese mit einer oder mehreren
Komponenten der Lenkverbindungsanordnung auf mehrere Wege interagieren
können. Einige Beispiele geeigneter Drehmomentsensoren
umfassen magnetostriktive Sensoren, Drehversatzsensoren (z. B. Sensoren,
die einen relativen Winkelversatz mit Potentiometereinrichtungen
oder dergleichen erfassen) und Dehnungsmessstreifensensoren, um
einige aufzuzählen. Es ist festzustellen, dass der Sensor 92 kein
Drehmomentsensor sein muss (ein Drehmomentsensor kann vorzuziehen
sein, wenn er in der Lenkverbindungsanordnung bereits existiert
und somit keine zusätzlichen Kosten verursacht).
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Jeder
Sensor, der zur Erfassung von Messwerten in der Lage ist, die Informationen über
Vibrationen in der Lenkverbindungsanordnung 22 bereitstellen,
kann als Sensor 92 verwendet werden. Im Fall eines Drehmomentsensors
steht das erfasste Drehmoment in Bezug zu Vibrationen, die ein Rütteln
auf glatter Straße (SRS) und andere unerwünschte
Phänomene verursachen können. Andere mögliche
Sensoren umfassen einen Lenkwinkelsensor (die relative und/oder
die absolute Winkelposition einer Lenkverbindungsanordnungskomponente
kann in Beziehung zu Vibrationen darin stehen) und einen Beschleunigungsmesser
(der Versatz, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung einer
Lenkverbindungsanordnungskomponente können in Beziehung
zu Vibrationen in der Anordnung stehen). Dies sind nur einige der
möglichen Sensoren, die verwendet werden können,
und es gibt auch andere. Auf jeden Fall erzeugt der Sensor 92 ein
Vibrationssignal, das an den elektronischen Controller 96 gesandt
werden kann, welcher ein beliebiger in der Technik bekannter Typ einer
geeigneten elektronischen Steuerungseinrichtung, einer Einheit,
eines Moduls usw. sein kann. Bei einer Ausführungsform
ist der elektronische Controller 96 ein eigenständiger
Controller oder ein eigenständiges Modul, der bzw. das
eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher zum Speichern
von Daten und Anweisungen, einen Leistungsverstärker zum
Ansteuern des Elektromotors 90 und eine oder mehrere Verbindungen
zu einem CAN-Bus des Fahrzeugs und/oder andere Verbindungen, welche
eine Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs ermöglichen,
umfasst. Es ist auch möglich, dass der elektronische Controller 96 in
eine größere Controllereinheit oder ein größeres
Modul integriert ist, statt dass er eigenständig ist.
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Die
Spurstangenanordnung 28 verbindet die Zahnstangen- und
Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 so mit der Radanordnung 30,
dass eine Querbewegung in der Zahnstange mit den Rädern
gekoppelt werden kann, was bewirkt, dass diese sich verschwenken.
Gemäß dieser speziellen Ausführungsform
ist eine äußere Spurstange 82 mit einer
inneren Spurstange gekoppelt, welche wiederum mit einem Lenkungsachsschenkelgelenk
gekoppelt ist, das sich an der Radanordnung befindet. Wie von Fachleuten
allgemein festgestellt wird, funktioniert die Spurstangenanordnung 28 sowohl
mit den Lenkungs- als auch den Federungssystemen des Fahrzeugs und
trägt dazu bei, die Steuerung des Rads oder der Eckeneinheit
in einem weiten Bereich von Betriebszuständen zu erleichtern.
Zusätzliche Merkmale und Einrichtungen, wie etwa einstellbare
Buchsen zum Verän dern der Länge der Spurstange
und damit der ”Spur” der Reifen sind bekannt und
können verwendet werden.
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Die
Radanordnung 30, die auch als ”die Ecke” bezeichnet
wird, trägt die Reifen des Fahrzeugs und umfasst eine Anzahl
sich drehender Komponenten. Bei einer Ausführungsform umfasst
die Radanordnung 30 eine rotierende Nabe 84, eine
rotierende Scheibe oder einen Rotor 86, und ein Rad mit
einem installierten Reifen (nicht gezeigt). Alle diese Einrichtungen
drehen sich gemeinsam, wenn das Fahrzeug angetrieben wird, und beschleunigen
oder verzögern in Abhängigkeit von den Fahrzuständen.
Ein Scheibenbremsensystem (nicht gezeigt) kann ebenfalls an dem
Fahrzeug installiert sein, um mit der Radanordnung 30 zu
interagieren, obwohl andere Bremssysteme wie Trommelbremsen ebenfalls
verwendet werden können. Ein oder mehrere Radsensoren 98 können
zum Ermitteln der Raddrehzahl, der relativen Winkelposition des
Rads oder einer anderen Variable verwendet werden.
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Bei
einer herkömmlichen vorwärts gesteuerten Operation übt
ein Fahrer eine Drehkraft auf das Lenkrad 20 aus, um es
im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu verschwenken. Die
von dem Fahrer ausgeübte Drehkraft wird in ein Drehmoment
umgesetzt, das durch die gesamte Länge der Lenkverbindungsanordnung 22 hindurch übertragen
wird. Dieses Drehmoment kann von dem Drehmomentsensor 92 an
einer Stelle in dem EPS-System 10 erfasst werden, und ein
entsprechendes Signal wird an den elektronischen Controller 96 gesandt.
Die Drehbewegung der verschiedenen Wellen, Verbindungen usw. der
Lenkverbindungsanordnung 22 wird in eine Querbewegung oder
eine Bewegung von Seite zu Seite in der Zahnstangen- und Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 umgesetzt.
Diese Umsetzung findet zwischen dem Ritzelzahnrad und der gezahnten
Zahnstangenkomponente statt, wie allgemein in der Technik bekannt
ist, und wird in eine Querbewegung der inneren Spurstangen 82 umgesetzt,
welche die äußeren Spurstangen bewegen. Die Bewegung
der Spurstangen bewirkt, dass sich die Radanordnungen 30 neigen
oder sich entsprechend drehen, was bewirkt, dass sich die Räder
des Fahrzeugs verschwenken. Zusätzlich zu diesem manuellen
Betrieb stellt die Motoranordnung 26 dem Fahrer auch eine
Kraftunterstützung bereit.
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Wie
zuvor erwähnt kann der Sensor 92 ein Signal an
den elektronischen Controller 96 liefern, das ein Drehmoment
in der Lenkverbindungsanordnung darstellt. Der elektronische Controller 96 kann
das Signal, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal und andere Eingänge
verwenden, um ein Motorsteuerungssignal zu erzeugen, welches den
Elektromotor 90 eine gewisse Zeitspanne lang bei einer
gewissen Drehzahl in eine gewisse Richtung ansteuert. Ein mechanischer
Abtrieb des Elektromotors 90 kann durch eine oder mehrere
Komponenten, wie etwa Riemenscheiben, Riemen, Zahnräder
usw. untersetzt werden und wird in eine Querbewegung umgesetzt,
die mit der Zahnstange mechanisch gekoppelt sein kann. Somit umfassen
die Gesamtkräfte an der Zahnstange die manuellen Beiträge
des Fahrers und die elektrischen Beiträge des Elektromotors 90. Wie
zuvor erwähnt, ist dies ein so genanntes ”Zahnstangenunterstützungssystem”,
weil der Abtrieb des Elektromotors 90 mit der Zahnstange
mechanisch gekoppelt ist, jedoch können auch andere Systeme,
wie etwa ein ”Säulenunterstützungssystem” verwendet
werden. Bei einem Säulenunterstützungssystem ist
der Abtrieb des Motors mit einer Komponente der Lenkverbindungsanordnung 22,
etwa der ersten Lenkwelle 40, gekoppelt.
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Die
vorstehenden Paragraphen beschreiben allgemein eine vorwärts
gesteuerte Operation; d. h. eine Lenkoperation, die mit einer manuellen
Eingabe des Fahrers über ein Lenkrad beginnt und damit
endet, dass die Räder sich in Ansprechen darauf verschwenken.
Es ist jedoch festzustel len, dass auch rückwärts
gesteuerte Operationen auftreten können. Rückwärts
gesteuerte Operationen beziehen sich allgemein auf Situationen,
bei denen eine gewisse Erregung bei den Radanordnungen auftritt
und diese Erregung eine entsprechende Vibration bei einer oder mehreren
Komponenten des elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) 10 erzeugt.
Ein Beispiel einer rückwärts gesteuerten Operation
ist das vorstehend beschriebene Rütteln auf glatter Straße
(SRS), bei dem Erregungen an den Ecken periodische Vibrationen bei
der Lenkverbindungsanordnung verursachen, welche bewirken, dass
sich das Lenkrad dreht. Das nachstehend beschriebene Verfahren kann
einige rückwärts gesteuerte Operationen ansprechen,
welche diejenigen umfassen, die zu einem SRS führen.
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Verfahren zur Verwendung mit einem elektrischen
Servolenkungssystem (EPS-System)
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Flussdiagramm gezeigt,
das eine beispielhafte Ausführungsform 100 eines Verfahrens
veranschaulicht, das mit einem elektrischen Servolenkungssystem
(EPS-System), wie etwa demjenigen, das in 1 gezeigt
ist, verwendet werden kann.
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Mit
Schritt 102 beginnend wird eine Anfangsschätzung
für eine Übertragungsfunktion von Motor an Lenkung
ermittelt, welche die Beziehung zwischen einer Eingabe an den Elektromotor 90 und
einer resultierenden Vibration bei einem oder mehreren Teilen der
Lenkverbindungsanordnung 22 allgemein beschreibt. Wenn
der Elektromotor 90 insbesondere mit einer gewissen Menge
an elektrischem Strom angesteuert wird, dann ist die Übertragungsfunktion
von Motor an Lenkung für die Reaktion auf den elektrischen
Strom in einem gewissen Teil der Lenkverbindungsanordnung, z. B.
etwa der ersten, zweiten oder dritten Lenkwelle 40, 42, 44 repräsentativ.
Dieser Effekt kann von dem Sensor 92 erfasst werden und in
dem Fall, bei dem der Sensor 92 ein Drehmomentsensor ist,
kann er als ein zeitvariantes Drehmoment erfasst werden, das auf
eine Lenkverbindungsanordnungskomponente einwirkt. Wieder können
andere Sensoren als Drehmomentsensoren verwendet werden. Bei diesem
Schritt ist die Übertragungsfunktion von Motor an Lenkung
eine Anfangsschätzung, weil angenommen wird, dass sich
das Verfahren bei seinem ersten oder Anfangsdurchlauf befindet;
folglich wurde eine gelernte Übertragungsfunktion von Motor
an Lenkung noch nicht empirisch ermittelt. Die Anfangsschätzung
kann eine zuvor gespeicherte Übertragungsfunktion (z. B.
von einem vorherigen Durchlauf), eine Standardübertragungsfunktion
(z. B. eine, die in einem Labor berechnet wurde und bei der Herstellung auf
das Fahrzeug geladen wurde) oder eine andere in der Technik bekannte Übertragungsfunktion
sein. Es ist festzustellen, dass dies ein optionaler Schritt ist,
da es dem Verfahren 100 möglich ist, diesen Schritt
zu umgehen und direkt zu Schritt 104 weiter zugehen, ohne
eine Anfangsschätzung der Übertragungsfunktion
von Motor zu Lenkung zu erzeugen.
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Als
Nächstes wird bei Schritt 104 in einem Teil des
EPS-Systems 10 eine Vibration erfasst. Die Vibration kann
bei einer Vielzahl unterschiedlicher Teile oder Komponenten erfasst
werden, aber gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
wird sie in einer der Lenkwellen 40, 42, 44 erfasst,
die sich zwischen dem Lenkrad 20 und der Zahnstangen- und
Ritzel-Lenkgetriebeanordnung 24 befinden. Die Vibration
kann von dem Sensor 92 erfasst werden und kann als eine
zeitvariante Vibration ausgedrückt werden, die auf eine
Lenkkomponente einwirkt. Obwohl die folgende Beschreibung im Kontext
eines Drehmomentsensors, der ein zeitvariantes Drehmoment in der
Lenkverbindungsanordnung erfasst, bereitgestellt ist, ist zu verstehen,
dass stattdessen ein beliebiger Sensortyp, der zum Erfassen von
Messungen in der Lage ist, die proportional zu oder anderweitig
in Verbindung mit Vibrationen stehen, verwendet werden kann. Bei spiele
anderer Arten geeigneter Sensoren sind vorstehend erwähnt.
Die erfasste Vibration kann sowohl einen periodischen als auch einen
nicht periodischen Inhalt umfassen und kann in einem Vibrationssignal
ausgedrückt sein, das von dem Sensor 92 zur weiteren
Verarbeitung an den elektronischen Controller 96 gesandt
wird.
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Bei
Schritt 106 wird der periodische Inhalt der erfassten Vibration
bestimmt. Eine Anzahl unterschiedlicher Techniken, welche diejenigen
umfasst, die auf dem Frequenz- oder dem Zeitbereich basieren, kann
verwendet werden, um den periodischen Inhalt aus der zuvor erfassten
Vibration zu ermitteln oder zu extrahieren. Einige beispielhafte
Techniken, die verwendet werden können, umfassen eine Fourieranalyse,
schnelle Fouriertransformationen (FFT), diskrete Fouriertransformationen
(DFT), eine Wavelet-Analyse und eine Überlagerungs- oder
Mischtechnik (heterodyning), wie Fachleute feststellen werden. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform wird das zeitvariante Vibrationssignal über
eine Anzahl von Radumdrehungen gemittelt. Dies bewirkt allgemein,
dass sich der periodische Inhalt von dem nicht periodischen Inhalt
absondert, der sich hinab auf Pegel mittelt, die sich Null annähern,
wie in 3A–C zu sehen ist. 3A zeigt
das Spektrum eines zeitvarianten Vibrationssignals 200 über
eine einzige Radumdrehung (N = 1), bei dem das Signal 200 einen
periodischen Inhalt 202 umfasst, der von wesentlichen Beträgen
eines nicht periodischen Inhalts 204 umgeben ist (der nicht
periodische Inhalt kann Vibrationen umfassen, die von unregelmäßigen
Straßenoberflächen, elektronischem Rauschen in
dem Sensor usw. stammen). Der periodische Inhalt 202 ist
bei diesem Beispiel um eine Frequenz oder eine Drehgeschwindigkeit
von etwa 15 Hz zentriert. Bei 3B wurde
das zeitvariante Vibrationssignal über 10 Radumdrehungen
gemittelt (N = 10). Es wird klar, dass die Amplitude des nicht periodischen
Inhalts 204 relativ zu dem periodischen Inhalt 202 abgenommen
hat. Bei 3C schließlich, welche das
zeitvariante Vibrationssignal, das über 100 Radumdrehungen
gemittelt wurde (N = 100), darstellt, ragt der periodische Inhalt 202 deutlich
aus dem nicht periodischen Inhalt 204 hervor. Zusätzliche
Radumdrehungen und weitere Signalverarbeitungstechniken können
verwendet werden, um den periodischen Inhalt weiter von den nicht
periodischen Komponenten zu trennen.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform können Fouriertransformationen
und/oder andere Signalverarbeitungstechniken über einen
begrenzten Frequenzbereich ausgeführt werden. Wenn die
Räder mit der im Wesentlichen gleichen Drehgeschwindigkeit
arbeiten, dann kann die Amplitude des periodischen Inhalts über
ein begrenztes Frequenzband (z. B. 1–5 Hz Bandbreite) erfasst
werden, das um die gemeinsame Drehfrequenz der Räder zentriert
ist. Für diese Berechnung werden Raddrehzahlsignale von
jedem der Räder benötigt, etwa von dem Sensor 98 oder
von einem Fahrzeugnetzwerk. Bei dem in 3A–3C gezeigten Beispiel
kann ein begrenztes Frequenzband von 4 Hz um die Frequenz von 15
Hz zentriert werden, um ein Analysefenster zu erzeugen, das den
Bereich von 13–17 Hz überspannt. Dieses begrenzte
Frequenzband kann die Effizienz von Schritt 106 verbessern,
da es das speziell interessierende Frequenzband einengen kann und
vermeiden kann, dass alle anderen Abschnitte des Vibrationssignals
verarbeitet werden müssen.
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Die
Amplitude des Spektrums 202 stellt allgemein den gesamten
periodischen Inhalt von allen Rädern dar und ist üblicherweise
drehzahlabhängig. Anders ausgedrückt ist der periodische
Inhalt um eine Frequenz zentriert, die in Bezug zu derjenigen des
sich drehenden Objekts steht, von welchem er stammt, wie bereits erläutert
wurde. Wenn die Frequenz oder die Drehgeschwindigkeit der Räder
oder Ecken (d. h. die Raddrehzahlsignale) bekannt sind, kann das
vorliegende Verfahren den periodi schen Inhalt bestimmen, der durch
die Ecken erzeugt wird. Wenn die Räder andererseits nicht
mit der im Wesentlichen gleichen Drehgeschwindigkeit arbeiten, dann
können separate Amplituden ermittelt werden; eine Amplitude
für jedes der Räder, wobei jede Amplitude über
ein begrenztes Frequenzband (z. B. 1–5 Hz Bandbreite) erfasst
wird, welches um die Drehgeschwindigkeit oder Frequenz des speziellen
Rades zentriert ist. Nachdem alle Amplituden ermittelt sind, werden
sie aufsummiert.
-
Schritt 108 vergleicht
dann den periodischen Inhalt mit einem ersten Schwellenwert, der
auch ein Störungsschwellenwert genannt wird. Wenn die Amplitude
des periodischen Inhalts nicht größer als der
erste Schwellenwert ist, dann wird angenommen, dass der periodische
Inhalt nicht wesentlich genug ist, um eine Milderung zu versuchen.
In diesem Fall kehrt die Steuerung des Verfahrens zurück
zu Schritt 104, so dass mit dem Erfassen und Überwachen
der Vibrationen in der Lenkverbindungsanordnung 22 fortgefahren
werden kann. Wenn der in dem vorherigen Schritt berechnete periodische
Inhalt jedoch eine Amplitude oder Intensität aufweist,
die größer als der erste Schwellenwert ist, dann
kann das Verfahren mit seinen Bemühungen fortfahren, zu
versuchen, dessen Auswirkungen abzumildern oder zu neutralisieren.
Dieser Schwellenwertvergleich kann auf viele Weisen ausgeführt
werden, welche das Verwenden von Amplitudenspitzenwerten, Amplitudenmittelwerten,
nur Amplituden der Komponente erster Ordnung, Amplituden von Komponenten
mehrerer Ordnungen, quadratischen Mittelwerten (rms), anderen Signaleigenschaften
als Amplituden, oder gemäß einer anderen auf dem
Gebiet bekannten Technik umfassen. Komponenten erster Ordnung bilden
typischerweise die größten und intensivsten Bestandteile
des periodischen Inhalts, gefolgt von der Komponente zweiter Ordnung, der
Komponente dritter Ordnung usw. Es ist daher möglich, nur
die Komponente erster Ordnung des periodischen Inhalts zu ermitteln
und einige der Komponenten höherer Ord nung in dem Bemühen,
einige der betroffenen Signalverarbeitungsaufgaben zu vereinfachen,
zu ignorieren. Selbstverständlich kann eine beliebige Kombination
von Komponenten erster, zweiter, dritter Ordnung usw. verwendet
werden.
-
Bei
einer beispielhaften Ausführungsform wird der rms (root
mean square bzw. quadratischer Mittelwert) des periodischen Inhalts,
der über eine kurze Zeitspanne (z. B. 1 bis einschließlich
16 s) erfasst wurde, mit einem ersten Schwellenwert verglichen,
der einen Wert aufweist, der etwa 60 bis einschließlich
100 mg rms entspricht, der beim Radius des Lenkrads 22 erfasst
wurde (tangentiale Lenkradbeschleunigung). In einigen Fällen
entspricht der erste Schwellenwert etwa 80 mg rms. Die Einheit ”mg” stellt
Tausendstel eines ”g” dar, welches allgemein die
mittlere Beschleunigung ist, die durch die Schwerkraft an der Erdoberfläche
erzeugt wird und 9,806 m/s2 beträgt.
Empirische Tests haben gezeigt, dass etwa 60–100 mg rms
an tangentialer Beschleunigung bei der Lenkradanordnung 20 nötig
sind, um ungewünschte Zustände, wie etwa SRS,
zu erzeugen. Folglich entspricht der erste in diesem Beispiel verwendete
Schwellenwert allgemein diesem Wert (Beziehungen zwischen der Beschleunigung,
dem Trägheitswiderstand des Lenkrads, dem Drehmoment usw.
können zur Einheitenumwandlung verwendet werden). Selbstverständlich
kann der erste Schwellenwert in anderen Einheiten ausgedrückt
werden, welche das Drehmoment umfassen, wie vorstehend erläutert
wurde. Der bei Schritt 108 ausgeführte Vergleich
betrifft allgemein den periodischen Inhalt von mehreren Radanordnungen oder
Ecken, enthält aber allgemein keine nicht periodischen
Beiträge von Unregelmäßigkeiten bei der
Straßenoberfläche und anderen externen Quellen.
-
Als
nächstes zerlegt Schritt 120 den periodischen
Inhalt der gemessenen Vibrationen in eine oder mehrere einzelne
Radkomponenten. Anders ausgedrückt teilt Schritt 120 den
periodischen Inhalt der gemessenen Vibrationen von Rad zu Rad auf,
so dass die einzelnen Beiträge von jeder Radanordnung oder
Ecke festgestellt werden können. Es ist möglich,
nur die Komponente erster Ordnung des periodischen Inhalts aufzuteilen,
um die Datenverarbeitung zu vereinfachen, jedoch können
auch Komponenten mehrerer Ordnungen aufgeteilt werden. Um die einzelnen
Radkomponenten zu bestimmen, können weitere Informationen
notwendig sein, wie etwa Informationen über die relative
und/oder absolute Position jedes Rads. Ein Radpositionssignal kann
von dem gleichen Raddrehzahlsensor 98 bereitgestellt werden,
der die vorstehend erwähnten Raddrehzahlsignale bereitstellt,
oder es kann von einem separaten Sensor bereitgestellt werden. Bei
einer beispielhaften Ausführungsform ist das Raddrehzahlsignal
ein Signal mit 48 Impulsen pro Umdrehung (ppr, ppr von pulse per
revolution) und das Radpositionssignal ist ein 1 ppr Signal, das
Informationen bereitstellt, welche die relative und/oder die absolute
Position jedes Rads anzeigen. Eines dieser Signale oder beide können
durch Sensoren bereitgestellt werden, die in dem Fahrzeug bereits
existieren, wie etwa diejenigen in einem Standard-Bremsenantiblockiersystem
(ABS-System).
-
Mit
Bezug auf 4A–B sind zwei Graphen
gezeigt, die eine Aufteilung der periodischen Vibrationen in die
Beiträge von jeder der vier Radanordnungen oder Ecken veranschaulichen.
Insbesondere zeigt 4A die Größen
periodischer Vibrationen bei einem Lenkrad mit einem Drehmomentsensor
wie demjenigen von Sensor 92, während 4B die
Phasen der periodischen Vibrationen zeigt. Bei beiden Graphen sind
periodische Vibrationen (sowohl die Größe als
auch die Phase) über der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgezeichnet
und eine erste Aufzeichnung 250 stellt den Beitrag der
linken vorderen Ecke dar, 252 stellt den Beitrag der rechten vorderen
Ecke dar, 254 stellt den Beitrag der linken hinteren Ecke
dar und Aufzeichnung 256 stellt den Beitrag der rechten
hinteren Ecke dar.
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Typischerweise
erzeugen die Vorderradanordnungen oder -ecken mehr periodische Vibrationen
bei dem EPS-System 10 als die hinteren Ecken, da sie über
die Spurstangenanordnungen 28 mit dem System physikalisch
gekoppelt sind. Diese zusätzliche mechanische Kopplung
kann Vibrationen von den Ecken an die Lenkverbindungsanordnung 22 übertragen,
wie in 4A gezeigt ist. 4B zeigt
die Phase relativ zu dem Winkel der jeweiligen Radanordnung, während
sich diese dreht; dieser ist für unsere vier Ecken unter
Verwendung der gleichen Bezugszifferzuordnungen wie in 4A aufgezeichnet.
Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um den periodischen
Inhalt in eine oder mehrere einzelne Radkomponenten zu zerlegen, welche
die folgende einschließen.
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Ein
mögliches Verfahren zum Ermitteln der Beiträge
von den verschiedenen Radanordnungen oder Ecken ist in dem
US-Patent mit der Nr. 6,714,858 (nachstehend
das ”858-Patent”) beschrieben, welches dem gegenwärtigen
Anmelder gehört und hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die in diesem Patent offenbarten Verfahren und Techniken sind besonders
gut für Situationen geeignet, in denen sich alle wesentliche Beiträge
liefernden Fahrzeugräder mit in etwa der gleichen Drehgeschwindigkeit
drehen. In Fällen, in denen sich die Räder mit
unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten drehen, können
einige Modifikationen an dem Verfahren, das in dem 858-Patent offenbart
ist, angemessen sein.
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Zum
Beispiel gibt es mit Bezug auf Gleichung 1 des 858-Patents an, dass
Zeigergrößen der Komponente erster Ordnung zum
Füllen der X-Matrix verwendet werden können. Dieser
Ansatz ist besonders geeignet, wenn es annähernd eine Frequenz
für die Komponenten erster Ordnung aller Ecken gibt. Wenn
ein wesentlicher Unterschied bei den Drehgeschwindigkeiten oder
Frequenzen der Ecken besteht (z. B. ein Unterschied, der größer
als die Frequenzauflösung ist), dann kann das Verfahren
des 858- Patents modifiziert werden, sofern es das Füllen
der Matrizen betrifft. Bei einer Ausführungsform des 858-Patents
werden die Zeitsignale für jede Eckenimpulsfolge und der
Antwortkanal in Fenster aufgeteilt, durch eine Fouriertransformation geschickt
und die komplexen Größen, welche den Signalinhalt
bei der Frequenz erster Ordnung darstellen, werden in die X-Matrix
geladen (und die Y-Matrix für den Antwortkanal). Das 858-Patent
erwähnt auch die Verwendung von ”Linien”,
welche die Signalinhalte bei Frequenzen sind, die der Frequenz erster
Ordnung benachbart sind. Diese werden aufgenommen, um ein etwaiges
Aufspreizen des Signals über mehr als eine Frequenz zu
berücksichtigen, was wegen des Verfahrens auftritt, das
zum Abtasten und Aufteilen des Signals in Fenster verwendet wird.
Die Gesamtanzahl von Zeilen in den X- und Y-Matrizen wird gleich
der Anzahl von Fenstern, in welche das ursprüngliche Zeitsignal
aufgeteilt wurde, multipliziert mit der Anzahl von Frequenzbändern
oder Linien sein, die in jedem Fenster verwendet werden sollen.
Wenn festgestellt wird, dass die Drehgeschwindigkeiten oder Frequenzen
von zwei oder mehr Ecken durch eine oder mehrere Frequenzlinien getrennt
sind, dann kann die Analyse erweitert werden, indem die Linien erster
Ordnung von allen Ecken zusammen mit allen benachbarten Linien,
welche zum Berücksichtigen der Berechnungsaufspreizung
benötigt werden, aufgenommen werden. Es ist wiederum festzustellen,
dass das 858-Verfahren und das modifizierte 858-Verfahren, die vorstehend
beschrieben sind, nur zwei mögliche Techniken sind, die
verwendet werden können, um die periodischen Vibrationen
in einzelne Beiträge von allen Ecken zu zerlegen oder aufzuteilen. Andere
Techniken, die Fachleuten bekannt sind, können ebenfalls
verwendet werden.
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Nun,
da die einzelnen Radkomponenten aus dem periodischen Inhalt extrahiert
wurden, ermittelt Schritt 122 welche dieser Komponenten
wesentlich genug sind, dass man versuchen kann, sie zu berücksichtigen.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform wird jeder Beitrag
von den einzelnen Rädern mit einem zweiten Schwellenwert
verglichen, und wenn er größer als der zweite
Schwellenwert ist, dann wird eine Vibrationskorrektur für
diese einzelne Radkomponente ermittelt. Bei einer Verwendung des
vorstehenden ersten Schwellenwertbeispiels, bei dem 60–100
mg rms für den periodischen Inhalt von den Radanordnungen
verwendet wird, kann hier ein zweiter Schwellenwert mit einem Wert
verwendet werden, der 15–25 mg rms entspricht (60–100
mg rms/4 Ecken = 15–25 mg rms). Insbesondere kann ein zweiter
Schwellenwert von etwa 20 mg rms verwendet werden. Zur Veranschaulichung
wird angenommen, dass das linke Vorderrad 25 mg rms zu dem periodischen
Gesamtinhalt beiträgt. Schritt 122 kann ermitteln,
dass dieser Beitrag einen zweiten Schwellenwert von 20 mg rms überschreitet
und wesentlich genug ist, um zu versuchen, ihn mit einer Vibrationskorrektur
zu mildern. Wenn andererseits das rechte Hinterrad nur 12 mg rms
beiträgt, was weniger als der zweite beispielhafte Schwellenwert
ist, dann kann diese einzelne Radkomponente als nicht wesentlich
genug angesehen werden, um zu versuchen, sie zu korrigieren. Es
ist festzustellen, dass ein einziger zweiter Schwellenwert verwendet
werden kann (d. h. einer für alle Radanordnungen), oder
dass verschiedene Schwellenwerte für die Vorderräder
im Vergleich zu den Hinterrädern, die linken im Vergleich
zu den rechten Rädern usw. verwendet werden können.
Die vorstehend erwähnten Techniken zum Vergleichen des
periodischen Inhalts mit einem ersten Schwellenwert können
hier ebenfalls verwendet werden.
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An
diesem Punkt kann ein optionaler Schritt 124 ausgeführt
werden, bei dem die gegenwärtigen Lesewerte für
einzelne Radkomponenten mit zuvor gespeicherten Lesewerten, die
dem gleichen Rad zugeordnet sind, verglichen werden. Ein derartiger
Vergleich kann zum Erkennen großer oder nicht erwarteter Änderungen bei
Vibrationen, die von einem einzelnen Rad stammen, hilfreich sein.
Es wird z. B. angenommen, dass das rechte Vorderrad während
einer vorherigen Ausführung des Verfahrens 100 12
mg rms an periodischem Inhalt zeigte, das gleiche Rad aber während
der nächsten Ausführung des Verfahrens 25 mg rms
an periodischem Inhalt zeigte. Dies ist eine wesentliche Änderung,
wenn sie zwischen aufeinander folgenden Durchläufen des Verfahrens
auftritt. Der Schritt 124 kann auch Phasen vergleichen,
um zu ermitteln, ob die zwei Lesewerte sich zueinander innerhalb
einer gewissen Phase befinden (Vibrationslesewerte werden oft als
Zeiger (komplexe Größen) gespeichert, die sowohl
Größen- als auch Phasenkomponenten aufweisen).
Somit kann der Schritt 124 die gegenwärtigen und
die vergangenen Radkomponenten vergleichen, und wenn die zwei Lesewerte
um einen gewissen Grad voneinander abweichen, dann kann das Verfahren
zu Schritt 104 zurückkehren, um sich eine Bestätigung
zu verschaffen, dass die Lesewerte tatsächlich korrekt
sind. Der Schritt 124 kann auch gewisse Diskrepanzen zwischen
den Lesewerten verwenden, um Folgen von Änderungen bei
den Ecken zu erkennen, wie etwa ein physikalisches Wechseln eines
oder mehrerer Reifen, eines oder mehrerer Räder, einer oder
mehrerer Bremsscheiben, den Verlust von Auswuchtgewichten, und die
adaptiven Verfahren vorteilhaft modifizieren. Der Schritt 124 kann
auch gewisse Diskrepanzen zwischen den Lesewerten verwenden, um Fehlfunktionen
von Teilen oder andere ungewünschte Zustände zu
erkennen; z. B. kann eine große und deutliche Änderung
bei einer einzelnen Radkomponente einen platten Reifen anzeigen.
Dieser Schritt ist wiederum nur optional und kann teilweise oder
vollständig weggelassen werden.
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Schritt 130 ermittelt
dann eine Vibrationskorrektur aus dem zuvor festgestellten periodischen
Inhalt. Eine ”Vibrationskorrektur” umfasst beliebige
Daten, Signale, Befehle, elektrische Spannungen oder Ströme oder
irgendwelche weitere Informationen, die verwendet werden können,
um einen Elektromotor derart anzusteuern, dass er absichtlich Vibrationen
in eine oder mehrere Komponenten eines elektrischen Servolenkungssystems
(EPS-Systems) einbringt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
verwendet der Schritt 130 eine Übertragungsfunktion
von Motor an Lenkung (z. B. die Übertragungsfunktion von
Motor an Lenkung, die bei Schritt 102 anfänglich
geschätzt wurde), um eine Vielzahl von Vibrationskorrekturen
zu ermitteln; eine für jede einzelne Radkomponente, die
den zweiten Schwellenwert bei Schritt 122 überschritten
hat. Selbstverständlich kann eine andere Übertragungsfunktion
als die anfänglich bei Schritt 102 geschätzte
verwendet werden; z. B. eine Übertragungsfunktion von Motor
an Lenkung, die bei dem letzten Durchlauf verwendet wurde, oder
es kann eine Kombination der letzten Durchläufe durch das
Verfahren verwendet werden. Allgemein ist jede Vibrationskorrektur
eine negative Funktion der einzelnen Radkomponente, welche sie betrifft.
Auf diese Weise neutralisiert das Einführen einer einzelnen
Vibrationskorrektur in das EPS-System 10 eine entsprechende
einzelne Radkomponente, die von einer speziellen Radanordnung erzeugt
wurde. Die unterschiedlichen Vibrationskorrekturen können
aufaddiert, summiert oder anderweitig so kombiniert werden, dass
der Elektromotor 90 mit einem einzigen Befehlssignal angesteuert
wird.
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Die
folgende Beschreibung betrifft eine beispielhafte Ausführungsform
zur Ausführung des Schritts
130, und sie ermittelt
eine Vibrationskorrektur unter Verwendung der folgenden Gleichungen.
Es ist festzustellen, dass stattdessen andere Techniken zum Ermitteln
einer Vibrationskorrektur, welche eine erfasste Vibration in einem
EPS-System neutralisiert oder anderweitig reduziert, verwendet werden
kann, und dass die folgende Ausführungsform nur eine Möglichkeit
darstellt.
SWTn =
Xn·ACFn (Gleichung 1) -
Gleichung
1 ist eine allgemeine Gleichung, bei der SWT ein Vektor von Zeigern
(komplexen Größen) der Dimension m × 1
ist, der die von dem Sensor 92 erfasste gemessene Vibration
darstellt (bei diesem Beispiel wird die Vibration in Einheiten eines
Drehmoments gemessen), X eine Matrix von Zeigern der Dimension m × 4
ist (dies nimmt an, dass alle vier Ecken verwendet werden, wenn
mehr oder weniger Ecken verwendet werden, kann sich die Größe
dieser Matrix ändern), welche Ausdrücke von einzelnen
absoluten Radpositionssignalen und Kombinationen daraus umfasst,
die von Sensoren wie etwa dem Sensor 98 stammen (bei diesem Beispiel
ist das absolute Radpositionssignal das vorstehend beschriebene
1 ppr-Signal), und ACF ist ein Vektor von Zeigern der Dimension
4 × 1, der eine Verantwortlichkeit von Ecke zu Lenkung
für jede der Ecken oder Radanordnungen darstellt (z. B.
acfLF, acfRF, acfLR, acfRR). Die Tieferstellung
n gibt die aktuelle Iteration der Analyseschleife an und die Tieferstellung
m gibt die Anzahl von Elementen in den abgetasteten Daten an, wie
zuvor erörtert wurde. Die Tieferstellung L gibt den Index
des Zeigers aus der Fouriertransformation eines Signals für
ein spezielles Fenster/Frequenzband an. Da X eine Matrix der Dimension
m × 4 ist und ACF ein Vektor der Dimension 4 × 1
ist, wird bei diesem Beispiel angenommen, dass alle vier Ecken verwendet
werden. Dieses Verfahren kann auch mit nur zwei Ecken (z. B. LF
und RF) verwendet werden, und dann wird aus X eine Matrix der Dimension
m × 2 und ACF wird beispielsweise ein Vektor der Dimension
2 × 1.
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Als
Nächstes wird Gleichung 2 verwendet, bei der das Symbol
(*) eine konjugiert komplexe Operation (Ausdruck mal Ausdruck) bezeichnet
und (') eine Transponierung einer Matrix oder eines Vektors bezeichnet. Eine
anfängliche Verantwortlichkeit von Ecke zu Lenkung ACF
für jede der Radanordnungen kann nun unter Verwendung der
erfassten Vibrationen SWT und der absoluten Radpositionssignale
X, welche transformiert und normiert werden können, ermittelt
werden. ACFn =
[X*n '·Xn]–1·X*n '·SWTn (Gleichung
2)
-
Gleichung
3 kann nun verwendet werden, um eine neue oder akkumulierte Verantwortlichkeit
von Ecke zu Lenkung zu berechnen, welche die gerade berechneten
SWT-Werte sowie. zuvor berechnete SWT-Werte berücksichtigt.
Dadurch kann die Gleichung 3 die Auswirkungen plötzlicher Änderungen
bei den zugehörigen Verantwortlichkeiten verringern und
wirkt sozusagen wie eine Mittelwerttechnik. Diese Berechnung kann
in einigen. Fällen weggelassen werden, bei denen es gewünscht
ist, einfach die zuletzt berechnete Verantwortlichkeit von Ecke
zu Lenkung zu verwenden. Dies kann auch erreicht werden, indem ein
großer Wert für μ verwendet wird (wenn μ → ∞,
wird das Mitteln deaktiviert und die Operationen hängen
von den letzten Datenwerten ab; dies kann auch auf nachfolgende
Verwendungen von μ mit verschiedenen Tieferstellungen zutreffen).
In Gleichung 3 stellt AccumAcfn eine akkumulierte
oder im Gewicht gemittelte Verantwortlichkeit von Ecke zu Lenkung
dar, acfn stellt die zuletzt berechnete
Verantwortlichkeit von Ecke zu Lenkung dar, und μ ist eine
Gewichtungsfunktion. Diese Berechnung zur Ermittlung von AccumAcf
kann für jede der Ecken ausgeführt werden.
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Bei
einer Ausführungsform ist die Gewichtungskonstante μA eine Funktion einiger Variable (siehe Gleichung
4), welche die zuletzt berechnete AccumAcf, die zuletzt berechnete
acf und einen Empfindlichkeitswert SHy eines Rüttelns auf
glatter Straße (SRS) des Fahrzeugs umfassen (z. B. entlang
der Querachse mit einem Sensor erfasst, der an dem Lenkrad bei der
Zwölf-Uhr-Stellung montiert ist und bei der Herstellung
unter Verwendung der Kenntnis eines typischen Fahrzeugmodellempfindlichkeitsverhaltens
vorprogrammiert wurde). Stattdessen können auch andere
Gewichtungskonstanten verwendet werden.
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Als
Nächstes stellt Gleichung 5 eine elektrische Eingabe an
einen Motor, etwa den Elektromotor 90, in Beziehung zu
Vibrationen, die in dem EPS-System 10 erfasst werden. In
dieser Gleichung ist H ein Zeiger (eine komplexe skalare Größe),
der eine Übertragungsfunktion von Motor an Lenkung darstellt,
und I ist ein Zeiger (eine komplexe skalare Größe),
der Motorstromsignale darstellt. Die anfänglichen Hcorner und AccumHcorner können
gleich sein und in Abhängigkeit von dem EPS-Motor, dem
Lenksystem, der Lenksäule, dem Lenkrad und der Federung,
welche bei der Herstellung verwendet wurden, auf einen vernünftigen
Wert gesetzt sein. Der Wert von Hcorner kann
dann durch Gleichung 6 bei jeder Iteration erneut berechnet werden.
Der anfängliche Icorner wird auf
Null gesetzt, was für den ersten Schritt Icorner =
0 liefert und Icorner0 = 0 und Icorner1 = 0.
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Die
Ausdrücke mit Δ sind Zeigerdifferenzen zwischen
den aktuellen und vorherigen Schritten.
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Das
Auflösen nach H liefert Gleichung 6, welche eine Übertragungsfunktion
von Motor an Lenkung für jede der Ecken ermittelt. Der
Wert ΔI sollte überwacht werden, um sicherzustellen,
dass er nicht zu klein zum Schätzen der Übertragungsfunktion
ist.
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Gleichung
6 kann einzelne Übertragungsfunktionen von Motor an Lenkung
für jede der Ecken zulassen. Für Fahrzeuge, die
quasi lineare Antworten unabhängig von einer Eckenverantwortlichkeit
und einem Motoransteuerstrom zeigen, werden die Übertragungsfunktionen
zu einer einzigen gemeinsamen Übertragungsfunktion H konvergieren
und werden nicht spezifisch für eine einzelne Ecke sein.
Ein Beweis für diesen Zustand ist die praktische Vereinfachung
und Reduktion der einzelnen Übertragungsfunktionen von
Motor an Lenkung auf eine effektive gemeinsame Zeigergröße
unabhängig von der Ecke. Eine derartige Information kann
beschafft werden, indem beispielhafte Fahrzeuge während
des frühen Entwicklungszyklus des Modells getestet werden,
oder indem das Verhalten im Feld beobachtet wird, indem diese Übertragungsfunktionen
aus Fahrzeugen in Verwendung extrahiert werden.
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Dieser
beispielhafte Prozess kann dann Gleichung 7 verwenden, um eine akkumulierte Übertragungsfunktion
von Motor an Lenkung AccumH unter Verwendung der letzten bekannten
akkumulierten Übertragungsfunktion von Motor an Lenkung,
der zuletzt berechneten Übertragungsfunktion von Motor
an Lenkung, und einer Gewichtungskonstante μcornerH zu
aktualisieren. Diese Gewichtungs- oder Mittelwerttechnik ähnelt derjenigen,
die in Gleichung 3 verwendet und zuvor beschrieben wurde.
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Die
Gewichtungsfunktion μcornerH kann
eine Funktion mehrerer Variablen sein und kann unter Verwendung
der gegenwärtigen acf und der vorherigen acf für
diese spezielle Ecke, der inkrementellen Änderung beim
Ansteuerstrom an den Motor für die Ecke ΔIcorner, die Frequenz freq dieser Ecke, und
eines Empfindlichkeitswerts SHy für das Rütteln
auf glatter Straße (SRS) des Fahrzeugs berechnet werden.
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Durch
ein Akkumulieren der Effekte der Vibrationskorrektur kann das Verfahren
auf empirische Weise eine neue Übertragungsfunktion von
Motor an Lenkung ermitteln, die wahrscheinlich genauer als diejenige
ist, die anfänglich verwendet wurde. Eine empirisch ermittelte Übertragungsfunktion
kann aus einer Vielzahl von Gründen einer geschätzten
vorzuziehen sein. Ein derartiger Grund ist, dass unzählige
Faktoren, welche die Dynamik des elektrischen Servolenkungssystems
(EPS-Systems), Betriebszustände des Fahrzeugs, Teileverschleiß usw.
umfassen, die Über tragungsfunktion im Lauf der Zeit beeinflussen
können. Eine Eingabe an den Elektromotor 90 kann
folglich an einem Tag eine gewisse Antwort bei der Lenkverbindungsanordnung 22 aufweisen
und kann eine Woche, einen Monat oder ein Jahr später eine
andere Antwort aufweisen.
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Gleichung
9 kann dann verwendet werden, um einen neuen Motorstromzeiger (eine
komplexe skalare Größe) I für jede Ecke
zu berechnen. Bei diesem beispielhaften Ansatz kann der neue Motorstromzeiger
I ermittelt werden, indem der letzte Motorstromzeiger, die gegenwärtige
acf, die neue Übertragungsfunktion von Motor an Lenkung
H und eine weitere Gewichtungsfunktion μcornerI verwendet
wird. Die Gewichtungsfunktion μcornerI ist
eine Funktion der Antwort des Elektromotors 90 neben weiteren
Variablen; siehe Gleichung 10.
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Nun,
da die Motorstromzeiger I, welche Vibrationskorrekturen sind, für
jede der Ecken ermittelt wurden, steuert Schritt 132 einen
Elektromotor gemäß der Vibrationskorrektur an,
so dass er die Auswirkungen der erfassten Vibrationen mildert. Die
Vibrationskorrektur kann in einer von einer Anzahl unterschiedlicher
Formen vorliegen. Wenn die Vibrationskorrektur in der Form eines
Befehlssignals vorliegt, dann kann der elektronische Controller 96 oder
eine andere elektronische Verarbeitungseinrichtung verwendet werden,
um das Befehlssignal zu verarbeiten und dazu beizutragen, es in
einen tatsächlichen elektrischen Strom umzusetzen, der zum
Ansteuern oder Betreiben des Elektromotors 90 verwendet
wird. Wenn die Korrektur in der Form des tatsächlichen
elektrischen Stroms vorliegt, der zum Ansteuern des Elektromotors 90 verwendet
wird, dann kann dieser Ansteuerstrom direkt oder indirekt an den
Motor angelegt werden. Es ist festzustellen, dass es zahlreiche
Wege zum Ansteuern von Elektromotoren synchron mit den Ecken gibt
und dass alle in der Technik bekannten geeigneten Wege hier verwendet
werden können. Ein derartiges Verfahren verwendet die Radsignale mit
mehreren Impulsen, um die dynamischen und periodischen Motoransteuersignale
inkrementell zu aktualisieren.
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Bei
einigen Ausführungsformen kann es sein, dass Schritt 130 nicht
versucht, den gesamten periodischen Inhalt in der Lenkverbindungsanordnung 22 zu
einem Zeitpunkt zu korrigieren oder vollständig zu neutralisieren.
Wenn z. B. das System die Lenkverbindungsanordnung mit zu großen
Korrekturvibrationen zum vollständigen Kompensieren und
Stimulieren ansteuern müsste, dann könnte diese
dimensionierbare Korrektur für den Fahrer zu stark wahrnehmbar
werden. Wenn der Schritt 130 die Vibrationskorrekturen
entwickelt, kann er sie stattdessen auf eine Weise derart erzeugen,
dass jede Korrektur nur ein prozentualer Anteil oder ein Bruchteil
einer ansonsten vollständigen Korrektur ist. Wenn beispielsweise
das linke Vorderrad eine einzelne Radkomponente erzeugt, die eine
Spitzenamplitude von 20 mg rms aufweist, dann kann Schritt 130 eine Vibrationskorrektur
mit einer Spitzenamplitude von nur 5 mg rms erzeugen. Dieser eher
allmähliche Ansatz nimmt an, dass die Komponente mit 20
mg rms innerhalb einiger Iterationen oder Runden der Vibrationskorrekturen
neutralisiert werden kann.
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Die
Zeigergrößen Hund acf sind typischerweise Funktionen
der Frequenz oder der Drehzahl; daher sollten die vorstehend bereitgestellten
beispielhaften Verfahren, die Gleichungen und Ergebnisse (z. B.
die akkumulierten und gewichteten Mittelwerte) verwenden, bei diskreten
Drehzahlen ausge führt werden. Die Möglichkeit
zum Beschaffen von Informationen bei diesen diskreten Drehzahlen
kann von dem Betreiben des Fahrzeugs durch den Fahrer abhängen,
bei dem eine nicht häufige Verwendung bei einigen Drehzahlen
die Anwendung von Näherungsgrößen für
die unmittelbare Vibrationsunterdrückung notwendig machen
kann. Bei diesen Fällen können Interpolationen
zwischen zuvor beschafften und gespeicherten Werten zum Ausführen der
Neutralisierung vorteilhaft sein. Es sind viele Interpolationstechniken
möglich, welche lineare, quadratische, modal angepasste
mit beschränkten Freiheitsgraden sowie weitere dem Fachmann
bekannte umfassen. Zudem können, während Informationen
während eines normalen Betriebs des Fahrzeugs beschafft
werden, Änderungen bei der Fahrzeuggeschwindigkeit zu Unruhezuständen
bei Nenndrehzahlen führen und auch zu Schwankungen bei
den erwarteten Zeigergrößen beitragen. Fachleute
werden gleichermaßen feststellen, dass die Implementierung
festgelegter Grenzen für die zulässige Unruhe
der Drehzahl, über welche die Daten gesammelt, gemittelt,
und gespeichert werden, manchmal hilfreich sein kann.
-
Das
eben beschriebene Verfahren kann einige adaptive Qualitäten
aufweisen, die es ihm ermöglichen, sich anzupassen, oder
zu lernen, während es fortschreitet. Wie der Fachmann feststellt,
ist diese adaptive Natur einigen der vorstehend bereitgestellten
beispielhaften Schritten naturgegeben, speziell denjenigen, die
auf iterative Weise verwendet werden. Durch Verwendung eines adaptiven
Ansatzes kann das vorliegende Verfahren Änderungen bei
der Vibrationsnatur des Fahrzeugs, den Anordnungen, den einzelnen
Teilen usw. berücksichtigen und kann zu einem flexibleren
und robusteren Ansatz zum Ansprechen nicht gewollter periodischer
Vibrationen führen.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition
der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer
bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
ist. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarte(n) spezielle(n)
Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ist stattdessen allein
durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Zum Beispiel
kann das in 2A–B gezeigte
Verfahren eine Kombination von Schritten umfassen, die sich von
dem vorstehend beschriebenen beispielhaften Verfahren unterscheidet.
Eine derartige Alternative kann eine Kombination umfassen, bei der
ein oder mehrere Schritte entfernt wurden, ein oder mehrere Schritte
hinzugefügt wurden und/oder ein oder mehrere Schritte durch
andere Schritte ersetzt wurden, die Fachleuten bekannt sind, um
nur ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Darüber
hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen
Aussagen spezielle Ausführungsformen und dürfen
nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung oder
der Definition von Ausdrücken, die in den Ansprüchen
verwendet werden, aufgefasst werden, außer wenn ein Ausdruck
oder eine Phrase vorstehend ausdrücklich definiert ist.
Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen
und Modifikationen an der bzw. den offenbarten Ausführungsform(en)
werden sich Fachleuten offenbaren. Alle derartigen weiteren Ausführungsformen, Änderungen
und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche
enthalten sein.
-
Die
Ausdrücke ”zum Beispiel”, ”z.
B.”, ”für den Fall”, ”wie
etwa” und ”wie” und die Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und
ihre weiteren Verbformen, sowie sie in dieser Beschreibung und den
Ansprüchen verwendet sind, sollen, wenn sie in Verbindung
mit einer Aufzählung einer oder mehrerer Komponenten oder
anderer Gegenstände verwendet werden, jeweils als offen
aufgefasst werden, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht
so aufgefasst werden darf, dass sie weitere zusätzliche
Kompo nenten oder Gegenstände ausschließt. Andere
Ausdrücke sollen so aufgefasst werden, dass ihre weiteste
vernünftige Bedeutung verwendet wird, sofern sie nicht
in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation
erfordert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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