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Die Erfindung betrifft ein aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, mit einem Unterstützungssteller zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs-Moments an dem Lenkgetriebe und einem Überlagerungssteller zum Überlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe.
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Stand der Technik
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Die in derartigen Lenksystemen heutzutage verbauten Unterstützungssteller sind auch unter dem Begriff Servolenkung geläufig. Beim zugehörigen Lenksystem ist in der Regel als Lenkhandhabe ein Lenkrad mechanisch mit einer Zahnstange verbunden. Bei einer Drehung des Lenkrads wird die Zahnstange verschoben, was ein Schwenkmoment und damit einen Einschlag mindestens eines Rades des zugehörigen Fahrzeugs bewirkt. Der Unterstützungssteller unterstützt diesen Vorgang, indem er ein zusätzliches Schwenkmoment bzw. Unterstützungs-Moment zu dem Moment, welches vom Lenkrad ausgeht, addiert.
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Aus der
EP 1 508 499 A2 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches mit einer Lenkhandhabe zum Vorgeben eines Handmoments durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs an einem Lenkgetriebe und einer Servolenkeinrichtung zum zusätzlichen Einleiten eines im Betrag variablen Servomoments in Abhängigkeit des vorgegebenen Handmoments an dem Lenkgetriebe ausgestattet ist. Ferner ist eine Rückwirkeinrichtung zum Erzeugen eines im Betrag variablen Gegenmoments zum Handmoment vorgesehen. Dieses Lenksystem kann ein Überlagerungsmoment erzeugen, das unabhängig von der Amplitude und Richtung des Handmoments außer einem Gegenmoment auch ein Unterstützungsmoment zum Handmoment sein kann. Die Rückwirkeinrichtung lässt den Fahrer das am Lenkrad anliegende Moment spüren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lenksystem mit einer im Hinblick auf bekannte Lenksysteme verbesserten Funktionalität bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, mit einem Unterstützungssteller zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs-Moments an dem Lenkgetriebe und einem Überlagerungssteller zum Überlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe geschaffen. Dabei übernimmt erfindungsgemäß zusätzlich der Unterstützungsteller eine Funktion zur Regelung bzw. Vorsteuerung des Radlenkwinkels und der Überlagerungsteller zugleich eine Funktion zur Regelung bzw. Vorsteuerung des Handmoments.
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Ein übliches Lenksystem umfasst wie erwähnt ein Lenkrad, welches über eine Lenkspindel mechanisch mit einer Spurstange bzw. Lenkstange verbunden ist. Ein Drehen des Lenkrades und damit der Lenkspindel bewirkt aufgrund der Kopplung ein laterales Verschieben der Zahnstange. Die Zahnstange ist mittels eines Schwenkmechanismus mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden. Wenn sich nun die Zahnstange verschiebt, vollziehen die Räder entsprechend eine Schwenkbewegung bzw. einen Lenkeinschlag.
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Der Unterstützungssteller ist dabei vorzugsweise an der Spurstange angeordnet und unterstützt deren seitliche Bewegung. Der Unterstützungssteller kann beispielsweise als Servomotor ausgebildet sein.
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Der Überlagerungssteller ist hingegen vorzugsweise an der Lenkspindel bzw. in der Lenksäule angeordnet und verändert damit die Drehlage des Lenkrads im Bezug auf die Position der Zahnstange. Mit der derartigen funktionalen Zuordnung bzw. dem derartigen funktionalen Zusammenspiel der Komponenten ist es möglich, an den Rädern weitgehend jede beliebige Schwenkbewegung unter gleichzeitiger Veränderung der Drehlage des Lenkrads in weitgehend beliebiger Weise bereitzustellen. Zugleich ist den einzelnen Komponenten je eine getrennte Funktionalität zugewiesen, so dass diese Funktionalitäten getrennt gesteuert und steuerungstechnisch damit besonders einfach aufeinander abgestimmt werden können.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein aktives Lenksystem geschaffen, bei dem der Unterstützungssteller und der Überlagerungsteller derart abgestimmt angesteuert sind, dass sich beim Verstellen des Radlenkwinkels mittels des Unterstützungsstellers am Lenkrad mittels des Überlagerungsstellers eine in Bezug auf diese Verstellung drehmomentneutrale Situation ergibt.
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Der Überlagerungssteller kompensiert bei dieser Vorgehensweise im Hinblick auf das am Lenkrad vom Fahrer zu spürende Drehmoment eine Stellbewegung des Unterstützungsstellers. Durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Stellglieds bzw. Stellers im Lenksystem in Form des Unterstützungsstellers ist damit eine teilweise, virtuelle mechanische Entkopplung der Eingriffe des Überlagerungsstellers möglich. Unter virtuell mechanisch entkoppelt wird verstanden, dass ein Drehmoment, welches vom Unterstützungssteller erzeugt wird, durch eine entgegen gesetzte Drehbewegung des Überlagerungsstellers kompensiert wird. Die beiden Bewegungen heben sich im Bezug auf die Lenkradposition damit gegenseitig auf bzw. das Drehmoment des Unterstützungsstellers verringert die Rückwirkung des Stelleingriffs des Überlagerungsstellers. Dabei kompensiert der Unterstützungssteller vorzugsweise auch Trägheitseffekte des Überlagerungsstellers.
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Mit anderen Worten kompensiert der Unterstützungssteller durch ein gleichgerichtetes Drehmoment jenes Drehmoment, das der Überlagerungssteller aufgrund des Verstellens der Räder gleichzeitig am Lenkrad erzeugen würde. Es wird eine Drehmomentneutralität hergestellt, die Irritationen des Fahrers bei bestimmten Lenkbewegungen vermeidet. Unter Drehmomentneutralität wird verstanden, dass sich die beiden erwähnten Drehmomente, also jene ausgehend vom Unterstützungssteller und vom Überlagerungssteller, gegenseitig aufheben, so dass die Summe der davon am Lenkrad angreifenden Kräfte den Wert Null ergibt.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen aktiven Lenksystems erfolgt die Koordination der einzelnen Steuergeräte zur Erzeugung der drehmomentneutralen Situation mittels eines dritten Steuergeräts.
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Das erfindungsgemäße aktive Lenksystem ist ferner vorzugsweise so gestaltet, dass das mindestens ein Steuergerät mittels eines Bussystems mit dem Überlagerungssteller und dem Unterstützungssteller in Kontakt ist.
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Übliche Bussysteme für derartige Verbindungen sind CAN-Bus oder FlexRay. Dies gewährleistet einen verlässlichen Datenaustausch.
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Gemäß einer Weiterbildung des aktiven Lenksystems ist der Unterstützungsteller an einer Zahnstange des aktiven Lenksystems angeordnet.
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Wie oben erwähnt, werden durch eine seitliche Verschiebung der Zahnstange die Räder gelenkt. Der Unterstützungssteller ist deshalb vorzugsweise an dieser Zahnstange angeordnet, weil er dort auch weitere Funktionen mit übernehmen kann, wie insbesondere die Funktion als Servosteller.
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Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen aktiven Lenksystem vorzugsweise der Überlagerungssteller an einer Lenkspindel des aktiven Lenksystems angeordnet.
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Wie oben beschrieben, dient die Lenkspindel insbesondere als Verbindung zwischen Lenkrad und Spurstange. Mit dem an dieser Lenkspindel angeordneten Überlagerungssteller kann die relative Lage des Lenkrads zur Zahnstange vorteilhaft verändert werden. Zugleich kann aufgrund des vom Fahrer am Lenkrad einwirkenden Lenkmoments vom Überlagerungssteller ein Gegenmoment aufgebaut werden, welches das sich mit der Verstellbewegung bzw. Schwenkbewegung der Räder ergebende und damit eigentlich am Lenkrad auswirkende Moment kompensiert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist darüber hinaus auch eine gezielte Verkleinerung oder Vergrößerung des für den Fahrer am Lenkrad herrschenden Drehmoments möglich. Ferner kann durch das Zusammenspiel von Überlagerungsteller und Unterstützungssteller die Kompensation des sich durch das aktive Verstellen der Räder ergebenden Drehmoments verzögert kompensiert werden. Der Fahrer merkt bzw. spürt dann diese verzögerte Kompensation, was für ihn wie eine Rückmeldung wirken kann. Diese Rückmeldung zeigt sich insbesondere als variierender, insbesondere geringfügig alternierender Widerstand am Lenkrad.
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Zudem können erfindungsgemäß auch eventuell vorkommende Trägheitseffekte durch den Unterstützungssteller relativ gut neutralisiert werden. Hauptzweck ist allerdings die Herstellung einer Drehmomentneutralität, so dass der Fahrer keinen Widerstand oder dergleichen bei aktiven Stelleingriffen am Lenkrad spürt.
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Vorzugsweise ist ferner bei dem erfindungsgemäßen Lenksystems ein Drehmomentsensor an der Lenkspindel angeordnet. Der Drehmomentsensor misst insbesondere das Drehmoment am Lenkrad und/oder am Überlagerungssteller. Die Werte werden vorzugsweise verwendet, um die gewünschte Drehmomentneutralität einzuregeln. Der Drehmomentsensor ist vorteilhaft mittels eines Bussystems mit dem Steuergerät bzw. den Steuergeräten vernetzt.
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Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße aktive Lenksystem wie eingangs erwähnt in einem Kraftfahrzeug verwendet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Lenksystems, und
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2 ein Prinzipschema eines Regelungsmodell des Lenksystems.
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In 1 ist die Funktionsweise bzw. das Zusammenspiel der jeweiligen Komponenten eines aktiven Lenksystems 10 dargestellt. Ein derartiges Lenksystem 10 umfasst ein Lenkrad 12, das an einem Ende einer Lenkspindel 14 an diese drehfest angekoppelt ist. Die Lenkspindel 14 ist drehmomentenübertragend mit einer Spurstange 16 gekoppelt. Die Koppelung ist dabei dergestalt, dass mit einer Drehung der Lenkspindel 14 die Spurstange 16 in ihrer Längsrichtung verschoben wird.
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An der Spurstange 16 ist ein Unterstützungssteller 18 angeordnet. Der Unterstützungssteller 18 ist an einer Fahrzeugkarosserie 36 gelagert und dort ortfest abgestützt bzw. angebracht.
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An der Lenkspindel 14 befindet sich ein Überlagerungssteller 20. Ferner ist an der Lenkspindel 14 ein Drehmomentsensor 22 angeordnet.
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Mittels eines Bussystems 24 sind der Unterstützungssteller 18 und der Überlagerungssteller 20 mit einem ersten Steuergerät 26 und einem zweiten Steuergerät 28 verbunden. Das erste und zweite Steuergerät 26, 28 sind beide wiederum mit einem dritten Steuergerät 30 verbunden. Zusätzlich ist der Drehmomentsensor 22 mittels des Bussystems 24 mit dem dritten Steuergerät 30 funktional gekoppelt.
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Wenn ein Fahrer am Lenkrad 12 ein Drehmoment einträgt, wird dieses auf die Lenkspindel 14 übertragen. Die Lenkspindel 14 überträgt dieses Drehmoment derart auf die Spurstange 16, dass sich diese versucht entgegen dem (Reib-)Widerstand von Rädern 38 in ihrer Längsrichtung zu verschieben. Der Widerstand der Räder 38 ergibt sich dadurch, dass ein Reifen des Rades 38 auf einem Untergrund aufliegt und an dieser Kontaktfläche Reibung herrscht, während das Rad 38 mit seinem Reifen von der Spurstange 16 geschwenkt bzw. gelenkt wird. Die Richtung der Verschiebung der Spurstange 16 hängt von der Drehrichtung des Lenkrads 12 ab.
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Eine Verschiebung der Spurstange 16 bewirkt also ein Lenken, Schwenken bzw. Einschlagen der Räder 38 des zugehörigen (nicht weiter veranschaulichten) (Kraft-)Fahrzeugs. Das Schwenken der Räder 38 führt dann zu einer Änderung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs.
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Üblicherweise ist eine Lenkbewegung mittels des Lenkrads 12, insbesondere im Stand des Fahrzeugs, mit für den Fahrer hohem Kraftaufwand verbunden. Die Kraft aufgrund der Reibung der Räder 38 am Fahrbahnuntergrund wirkt ja der Kraft der Lenkbewegung entgegen. Um den Kraftaufwand für den Fahrer zu verringern, hilft der Unterstützungssteller 18, welcher als angetriebener Servomotor eine Servolenkungseinrichtung bildet. Der derart aktive Unterstützungssteller 18 unterstützt also die Lenkbewegung, indem er zusätzlich zur Drehbewegung der Lenkspindel 14 die Spurstange 16 mit verschiebt. Die Kraftanstrengung am Lenkrad 12 wird damit geringer, da der Unterstützungssteller 18 die Lenkbewegung unterstützt.
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Die Verstellung der Spurstange 16 ist davon abhängig, wie weit das Lenkrad 12 gedreht wird. Um hier den Fahrer weiter zu entlasten und insbesondere auch den vom Fahrer vorzugebenden Lenkradwinkel von äußeren Einflussfaktoren (insbesondere der Geschwindigkeit des Fahrzeugs) abhängig zu machen, ist der Überlagerungssteller 20 vorgesehen. Der Überlagerungssteller 20 verändert das ”Übersetzungsverhältnis” bzw. die Positionszuordnung zwischen dem Lenkrad 12 und der Spurstange 16. Mit dem Überlagerungssteller 20 ist es beispielsweise möglich, dass die Spurstange 16 um einen Betrag bewegt wird, für den eigentlich eine Bewegung des Lenkrades 12 um eine ganze Umdrehung erforderlich wäre, aufgrund des geänderten ”Übersetzungsverhältnisses” dann aber nur das Lenkrad 12 um eine halbe Umdrehung verdreht werden muss.
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Der Überlagerungssteller 20 hilft also insbesondere während der Fahrt und unterstützt die Lenkbewegung dahingehend, dass z. B. bereits eine geringe Umdrehung des Lenkrads 12 zu einem überproportionalen Einschlag der Räder 38 führt. Üblicherweise wird die benötigte Lenkbewegung am Lenkrad 12 immer geringer, je höher die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
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Der Unterstützungssteller 18 ist ferner derart gestaltet und gesteuert, dass mit ihm aktiv eine Schwenkbewegung der Räder 38 eingeleitet werden kann, ohne dass es dazu zu einer ”Aufforderung” von Seiten des Fahrers über das Lenkrad 12 gekommen wäre. Es kann also eine Aktivlenkung eingeleitet werden, die zu einem Lenken der Räder 38 insbesondere unabhängig vom Lenkverhalten des Fahrers führt. Mit einer solchen Aktivlenkung kann auf das Fahrzeug in fahrdynamisch kritischen Situationen Einfluss genommen werden oder es kann der Fahrer beispielsweise beim Einparken aktiv bei der Lenkbewegung des Fahrzeugs entlastet werden.
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Mit dem Überlagerungssteller 20 kann bei dem Lenksystem 10 ferner ein weiteres Drehmoment zu den vom Lenkrad 12 und dem Unterstützungssteller 18 ausgehenden Drehmomenten addiert werden. Dieses Überlagerungs-Drehmoment ist insbesondere ein ”negatives” Drehmoment, das in die andere Drehrichtung zeigt, als die mittels des Unterstützungsstellers 18 eingebrachte aktive Lenkbewegung. Durch diese Addition eines ”negativen” Drehmoment bzw. der Verringerung eines Gesamtdrehmoments am Lenkstrang wird eine Rückwirkung des Unterstützungsstellers 18 während einer Aktivlenkung zum Lenkrad 12 hin verringert.
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Vorzugsweise wird die Rückwirkung auf den Fahrer der aktiven Krafteinwirkung des Unterstützungssteller 18 auf die Spurstange 16 aufgrund einer Aktivlenkung komplett kompensiert und am Lenkrad 12 eine Drehmomentneutralität hergestellt. Der Fahrer spürt somit am Lenkrad 12 vorzugsweise nichts vom aktiven Eingriff des Unterstützungsstellers 18.
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Ferner ist es vorteilhaft möglich die Kompensation verzögert zu gestalten, so dass der Fahrer zunächst einen Widerstand am Lenkrad 12, hervorgerufen durch den aktiven Eingriff des Unterstützungsstellers 18, spürt. Dieser Widerstand dann aber zeitverzögert durch das Einsetzen bzw. Kompensieren des Überlagerungsstellers 20 abfällt.
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Die Regelung zur Drehmomentregulierung bzw. zum Herstellen der Drehmomentneutralität erfolgt von den Steuergeräten 26, 28, 30. Diese sind mittels eines Bussystems 24 untereinander und mit dem Unterstützungsstellers 18 und dem Überlagerungssteller 20 verbunden. Eine Drehung des Lenkrads 12 wird vom dritten Steuergerät 30 erfasst. Die dabei erfassten Werte werden mittels des Bussystems 24 an das erste Steuergerät 26 weitergeleitet. Dieses regelt, beruhend auf den erhaltenen Daten, den Unterstützungssteller 18 entsprechend der Lenkbewegung und der erforderlichen Aktivbewegung. Die Drehmoment-Werte des Unterstützungsstellers 18 werden durch das Bussystem 24 an das zweite Steuergerät 28 weitergeleitet. Das zweite Steuergerät 28 ist in der Lage den Überlagerungssteller 20 entsprechend einzuregeln, so dass vorzugsweise das Drehmoment ausgehend von der Aktivbewegung des Unterstützungsstellers 18 kompensiert wird. Jene Krafteinwirkung, die sich an den Rädern 38 aufgrund von deren Reibung ergibt, wird hingegen an das Lenkrad 12 weitergeleitet.
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Das erste und zweite Steuergerät 26, 28 können die entsprechenden Regelungen jeweils separat durchführen. Möglich ist jedoch auch das diese vom dritten Steuergerät 30 unterstützt werden, indem dieses sämtliche Berechnungen zur Regelung ausführt. Vorzugsweise stellt diese Regelung eine Drehmomentneutralität im Hinblick auf das Aktivlenken mittels des Unterstützungsstellers 18, welche bereits erklärt wurde, am Lenkrad 12 her.
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An der Lenkspindel 14 ist optional ein Drehmomentsensor 22 vorgesehen. Der Drehmomentsensor 22 unterstützt die Regelung, indem er das Drehmoment, welches von der Lenkspindel 14 an das Lenkrad 12 gelangt misst. Die gemessenen Daten werden mittels des Bussystems 24 an das dritte Steuergerät 30 weitergeleitet. Dort werden die Daten verarbeitet und zur Unterstützung der Regelung verwendet.
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Das Regelungsmodell in 2 dient zur Veranschaulichung des Regelungsverhaltens des Lenksystems 10. Das Lenkrad 12 wird von einem Fahrer 32 gehalten. Es wirkt somit eine Fahrerimpedanz 34 auf das Lenkrad 12 und die daran angekoppelte Lenkspindel 14. Auf die Fahrerimpedanz 34 kann der Überlagerungssteller 20 Einfluss nehmen, abhängig vom damit ebenfalls verbundenen Unterstützungssteller 18. Der Unterstützungssteller 18 ist zum einen an einer Fahrzeugkarosserie 36 gelagert. Zum anderen ist der Unterstützungssteller 18 mittels der Spurstange 16 mit den Reifen 38 verbunden. Eine Reifenimpedanz wechselwirkt so mit dem Unterstützungssteller 18.
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Dabei bezeichnet kL die Federsteifigkeit der schlaffen Fahrerarme (L = limp), cL die Dämpfungskonstante der schlaffen Fahrerarme, mW die Trägheit des Lenkrads (W = wheel), xW die Position des Lenkrads, k* die Federsteifigkeit des Drehstabs z. B. der Lenkspindel, F* das gemessene Torsionsmoment des Drehstabs, xsup die Position des Überlagerungsstellers 20 (sup = superposition), FPS das Moment des Unterstützungsstellers 18 (PS = power steering), mR die Masse der Zahnstange (R = rack), xR die Position der Zahnstange, kT die Federsteifigkeit des Reifens (Latschsteifigkeit) (T = tire), cT die Dämpfungskonstante des Reifens, FF,0,sigma mehrere Parameter, die ein Reibungsmodell beschreiben, wobei FF,0 = Maximalwert der Reibung an der Zahnstange und sigma = Parameter des Reibungsmodells.
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Die dabei zugrunde liegenden Bewegungsgleichungen zeigen vereinfacht die nachfolgenden Formeln: x''RmR + x'RcT + xRkT = FPS + F* (1), x''WmW + x'WcL + xWkL = F* (2).
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Um Drehmomentenneutralität für den Fahrer in Gleichung (2) zu erzeugen, muss (ohne weitere Einflüsse) die Lenkradposition konstant bleiben, also gilt: xW != 0 (3).
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Aus der Gleichung (2) folgt, dass F* = 0, d. h. xR = xsup (4), da F* = [xW – (xR – xsup)] (5).
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Beide Steller werden modelliert, als hätten sie eine Übertragungsgleichung Gi(s), um Ihre Dynamik zu berücksichtigen: xsup = G1(s)xsup;d FPS = G2(s)FPS;d (6), wobei G1 = Übertragungsfunktion Überlagerungssteller 20, G2 = Übertragungsfunktion des Unterstützungssteller 18 und s = Laplace-Variable.
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Aus den Gleichungen (1), (4) und (6) sowie unter Berücksichtigung der Reibung der Räder 38 folgt dann: FPS;d = G2 –1(s2mR + scT + kT)G1xsup;d + FF (7) um Drehmomentenneutralität am Lenkrad 12 zu erzielen.
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Zu dieser Überlegung können ferner folgende Vereinfachungen angewendet werden:
Der Unterstützungssteller 18 hat eine hohe Bandbreite im Vergleich zur Dynamik des Systems – G2(s) ist damit ungefähr 1.
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Für ein rollendes Rad 38 ist die Schwenkreibung klein – kT ist damit ungefähr 0.
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Damit ergibt sich für die obige Gleichung (7): TPS,d = (s2mR + scT)G1dsup,d + TF.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenksystem
- 12
- Lenkrad
- 14
- Lenkspindel
- 16
- Spurstange
- 18
- Unterstützungssteller
- 20
- Überlagerungssteller
- 22
- Drehmomentsensor
- 24
- Bussystem
- 26
- Steuergerät
- 28
- Steuergerät
- 30
- Steuergerät
- 32
- Fahrer
- 34
- Fahrerimpedanz
- 36
- Fahrzeugkarosserie
- 38
- Rad bzw. Reifen
- 40
- Reifenimpedanz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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