DE102011052881A1

DE102011052881A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Zahnstangenkraft für eine Lenkvorrichtung in einem Fahrzeug, Lenkvorrichtung und Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Lenkvorrichtung

Info

Publication number: DE102011052881A1
Application number: DE102011052881A
Authority: DE
Inventors: Thomas Werner; Jörg Strecker
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: DE102011052881B4; CN103562050B; US9174673B2; CN103562050A; US20140163822A1; WO2013026624A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (21) zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft (FR) für eine Lenkvorrichtung (2) eines Fahrzeugs bei dem eine erste Zahnstangenkraft (RFD) in Abhängigkeit von mindestens einer in der Lenkvorrichtung (2) auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung auftretenden Moments (tor_RA) ermittelt wird. Um aus Gründen des Fahrkomforts eine weniger starke Rückmeldung über die Kraftverhältnisse in der Lenkvorrichtung zu geben, insbesondere dann, wenn diese momentan nicht erforderlich ist, wird vorgeschlagen, dass eine zweite Zahnstangenkraft (RFC) in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggröße (v, ang_RA), die den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisiert, ermittelt wird und anhand der ersten Zahnstangenkraft (RFD) und der zweiten Zahnstangenkraft (RFC) eine resultierende Zahnstangenkraft (FR) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft für eine Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs bei dem eine erste Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von mindestens einer in der Lenkvorrichtung auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung auftretenden Moments ermittelt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug, die zum Ausführen eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
Bei modernen Lenkvorrichtungen, beispielsweise bei einer elektrischen Servolenkung (EPS) oder einem Steer-by-Wire (SbW) Lenksystem, wird ein Soll-Lenkmoment ermittelt. Ein Lenkmoment an einem Lenkmittel der Lenkvorrichtung, beispielsweise an einem Lenkrad, wird auf das Soll-Lenkmoment eingeregelt, um die von dem Fahrer beim Lenken des Fahrzeugs aufgebrachte Kraft zu unterstützen oder der von dem Fahrer aufgebrachten Kraft entgegenzuwirken. Es ist bekannt, das Soll-Lenkmoment in Abhängigkeit von der Zahnstangenkraft zu ermitteln.
Aus der DE 10 2009 002 706 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer auf ein Lenkgetriebe einwirkenden Kraft bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird eine auf das Lenkgetriebe einwirkende Kraft anhand des Motormoments ermittelt. Dieses Verfahren bietet dem Fahrer des Fahrzeugs eine gute Rückmeldung über die realen Kraftverhältnisse im Lenkgetriebe. Allerdings wird zumindest in manchen Fällen die starke Rückmeldung als störend empfunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft anzugeben, das aus Gründen des Fahrkomforts eine weniger starke Rückmeldung über die Kraftverhältnisse in der Lenkvorrichtung gibt, insbesondere dann, wenn diese momentan nicht erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Lenkvorrichtung nach Anspruch 13 und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft für eine Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs vorgesehen, bei dem eine erste Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von mindestens einer in der Lenkvorrichtung auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung auftretenden Moments ermittelt wird, wobei eine zweite Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggröße, die den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisiert, ermittelt wird und anhand der ersten Zahnstangenkraft und der zweiten Zahnstangenkraft eine resultierende Zahnstangenkraft gebildet wird.
Da die erste Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von einer Kraft und/oder eines Moments in der Lenkvorrichtung ermittelt wird, erhält der Fahrer stets eine relativ starke Rückmeldung über die Kraftverhältnisse in der Lenkvorrichtung, falls ein Lenkmoment ausschließlich in Abhängigkeit von der ersten Kraft berechnet wird. Die zweite Zahnstangenkraft hängt allenfalls indirekt von den realen Kraftverhältnissen in der Lenkvorrichtung ab, weil sie in Abhängigkeit von der Fahrzeuggröße ermittelt wird. Als Fahrzeuggröße kann jede Größe herangezogen werden, die zumindest grobe Rückschlüsse auf den Bewegungszustand des Fahrzeugs erlauben. Beispielsweise kann es sich bei der Fahrzeuggröße um eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs, eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs und/oder um einen Lenkwinkel des Fahrzeugs handeln. In einer Ausführungsform wird die zweite Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkwinkel ermittelt. In einer anderen Ausführungsform wird die zweite Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung ermittelt, ohne dass hierbei zwingend die Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Lenkwinkel berücksichtigt werden müssen.
Dass gemäß dem Verfahren zusätzlich zur ersten Zahnstangenkraft auch die zweite Zahnstangenkraft berücksichtigt wird, bewirkt, dass die Intensität der Rückmeldung der Kraftverhältnisse in der Lenkvorrichtung verringert wird, gleichzeitig das Lenkmoment nicht vollständig von der momentanen Fahrsituation unabhängig wird. Dies wird von vielen Fahrern zumindest in bestimmten Situationen als komfortabler empfunden. Durch geeignete Ausgestaltung der Verknüpfung der ersten Zahnstangenkraft und der zweiten Zahnstangenkraft zum Bilden der resultierenden Zahnstangenkraft kann der Grad der Rückmeldung leicht an Anforderungen eines Fahrzeugherstellers angepasst werden. Ein hoher Grad der Rückmeldungen vermittelt insgesamt dynamische Rückmeldungen über Eigenschaften der Fahrbahn, wohingegen ein relativ geringer Grad der Rückmeldungen die Erzeugung eines Lenkmoments erlauben, das relativ stark von den Eigenschaften der Fahrbahn entkoppelt ist.
Um den Grad der dynamischen Rückmeldungen während des Betriebs der Lenkvorrichtung, das heißt während der Fahrt, variieren zu können, kann vorgesehen sein, dass die resultierende Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von einer Steuergröße gebildet wird, wobei ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft und der zweiten Zahnstangenkraft auf die resultierende Zahnstangenkraft von der Steuergröße abhängt. Die Steuergröße kann von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Lenkvorrichtung oder von einer anderen Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Fahrzeugs erzeugt werden. Sie kann von einem vom Fahrer vorgegebenen Fahrmodus, beispielsweise „Sport“ oder „Standard“ abhängen und/oder automatisch in Abhängigkeit von einer Fahrsituation ermittelt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuergröße eine Binärgröße ist und in Abhängigkeit von der Steuergröße entweder die erste Zahnstangenkraft oder die zweite Zahnstangenkraft als resultierende Zahnstangenkraft herangezogen wird. Die Binärgröße erlaubt also ein Umschalten zwischen einer resultierenden Zahnstangenkraft, die ausschließlich in Abhängigkeit von der ersten Zahnstangenkraft erzeugt wird, und einer resultierenden Zahnstangenkraft, die ausschließlich in Abhängigkeit von der zweiten Zahnstangenkraft erzeugt wird.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass bei einem Zustandsübergang der Binärgröße der Einfluss einer Zahnstangenkraft kontinuierlich verringert und der Einfluss der jeweils anderen Zahnstangenkraft kontinuierlich erhöht wird. Das Umschalten zwischen der ersten Zahnstangenkraft und der zweiten Zahnstangenkraft erfolgt also nicht schlagartig sondern innerhalb einer gewissen Übergangszeit. Hierdurch wird ein Sprung der resultierenden Zahnstangenkraft beim Umschalten vermieden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Steuergröße beispielsweise ein Zahlenwert, der den Einfluss der ersten Zahnstangenkraft bzw. der zweiten Zahnstangenkraft auf die resultierende Zahnstangenkraft vorgibt. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die resultierende Zahnstangenkraft durch Gewichtung der ersten Zahnstangenkraft und der zweiten Zahnstangenkraft in Abhängigkeit von mindestens einem Gewichtungsfaktor, vorzugsweise als eine Konvexkombination der ersten Zahnstangenkraft mit der zweiten Zahnstangenkraft, gebildet wird, wobei der Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von der Steuergröße berechnet wird. Im Falle der Konvexkombination kann der Gewichtungsfaktor beispielsweise dem Koeffizienten dieser Konvexkombination entsprechen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Steuergröße in Abhängigkeit von der gebildeten resultierenden Zahnstangenkraft ermittelt. Das heißt, der Einfluss der ersten Zahnstangenkraft bzw. der zweiten Zahnstangenkraft auf die resultierende Zahnstangenkraft wird in Abhängigkeit von der rückgekoppelten resultierenden Zahnstangenkraft vorgegeben.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass bei einer betragsmäßig höheren resultierenden Zahnstangenkraft ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft auf die resultierende Zahnstangenkraft höher ist als bei einer betragsmäßig niedrigeren resultierenden Zahnstangenkraft. Da die Zahnstangenkraft üblicherweise bei Geradeausfahrt recht gering ist, wird hierdurch bei Geradeausfahrt ein komfortables Lenkgefühl weitgehend unbeeinflusst von Unebenheiten oder anderen Eigenschaften der Fahrbahn erreicht. Beispielsweise bei einer Kurvenfahrt, bei der die Zahnstangenkraft relativ groß ist, erhält der Fahrer mehr Rückmeldungen über die Eigenschaften der Fahrbahn und kann deshalb gegebenenfalls besser darauf reagieren.
Es kann vorgesehen sein, dass beim Ermitteln der Steuergröße die resultierende Zahnstangenkraft verzögert wird und die Steuergröße in Abhängigkeit von der verzögerten resultierenden Zahnstangenkraft gebildet wird. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung zeitdiskreter Signalverarbeitungsmittel oder Signalverarbeitungsverfahren durchgeführt werden. In diesem Fall wird die resultierende Zahnstangenkraft vorzugsweise um einen Taktzyklus der Signalverarbeitungsmittel bzw. Signalverarbeitungsverfahren verzögert.
Es ist bevorzugt, dass die Steuergröße in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird.
Besonders einfach lässt sich das Verfahren realisieren, wenn die Steuergröße mittels eines Kennfelds ermittelt wird.
Hierbei kann vorgesehen werden, dass eine Kennlinie des Kennfelds in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegeben und/oder aus einer Menge an vorgegebenen Kennlinien ausgewählt wird. Das Kennfeld erhält als Eingabegröße somit nicht nur die gegebenenfalls verzögerte resultierende Zahnstangenkraft sondern auch die Fahrzeuggeschwindigkeit. Je nach Ausgestaltung des Kennfelds wird der Verlauf der Kennlinie in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit variiert und/oder die Kennlinie in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit ausgewählt.
Um zu schnelle Änderungen der resultierenden Zahnstangenkraft zu vermeiden und/oder um Schwingungen infolge der Rückkopplung auszuschließen, kann vorgesehen sein, dass die Steuergröße, nachdem sie mittels des Kennfelds ermittelt worden ist, mittels eines Tiefpassfilters gefiltert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei die Lenkvorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug vorgesehen wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet, vorzugsweise programmiert ist.
Eine Ausführungsform besteht in einem Computerprogramm, das so programmiert ist, das die Steuer- und/oder Regeleinrichtung das Verfahren gemäß der Erfindung ausführt, wenn es auf der Steuer- und/oder Regeleinrichtung abläuft. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann Speichermittel, insbesondere Halbleiterspeicher, aufweisen, in denen ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Es können auch weitere von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung getrennte Speichermittel, wie beispielsweise ein Datenträger, vorgesehen sein, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine Lenkvorrichtung mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft für die in 1 gezeigte Lenkvorrichtung;
3 ein Detail aus 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Detail aus 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
5 ein Detail aus 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist eine als Steuergerät 1 bezeichnete Steuer- und/oder Regeleinrichtung dargestellt, die einer Lenkvorrichtung 2 zugeordnet ist. In dem Steuergerät 1 ist ein Rechner (z. B. Mikrocomputer oder Mikrocontroller) mit einem Prozessor 3 angeordnet, wobei der Prozessor 3 über eine Datenleitung 4, beispielsweise ein Bussystem, mit einem Speicherelement 5 verbunden ist. Über eine Signalleitung 6 ist das Steuergerät 1 mit einem Motor 7 verbunden, wodurch eine Steuerung und/oder Regelung eines Motors 7 durch das Steuergerät 1 ermöglicht wird. Der Motor 7 ist beispielsweise als Elektromotor ausgebildet und wirkt über ein Getriebe 8 auf einen Drehstab 9. An dem Drehstab 9 ist ein Lenkmittel 10, beispielsweise ein Lenkrad angeordnet, mittels dessen ein Drehmoment auf den Drehstab 9 durch Betätigen des Lenkmittels 10 durch einen Fahrer aufbringbar ist.
Die Lenkvorrichtung 2 weist ferner ein Lenkgetriebe 11 auf, das beispielsweise als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildet ist. Das Lenkgetriebe 11 kann aber auch als Kugelumlaufgetriebe beziehungsweise als Kugelmuttergetriebe ausgebildet sein. In der folgenden Beschreibung wird überwiegend von einer Zahnstangenlenkung ausgegangen, wobei das Lenkgetriebe ein Ritzel 12a und eine Zahnstange 12b umfasst. Jedoch ist für die Erfindung die Art der Lenkung unerheblich. Die in 1 dargestellte Lenkvorrichtung 2 könnte statt als Zahnstangenlenkung beispielsweise als eine Kugelmutterlenkung oder eine Einzelradlenkung realisiert sein.
Das Lenkgetriebe 11 ist über das Ritzel 12a und die Zahnstange 12b auf jeder Fahrzeugseite mit einem Lenkgestänge 13 verbunden, das mit einem Rad 14 zusammenwirkt.
Die Lenkvorrichtung 2 weist ferner einen Momentensensor 15 zur Erfassung eines über eine Lenkwelle auf die Lenkung wirkenden Lenkmoments auf. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu mittels des Momentensensors 15 ein Drehstabmoment tor_TB erfasst, das dem oben genannten Lenkmoment entspricht. Die Lenkvorrichtung 2 weist auch einen Winkelsensor 16 zur Erfassung eines Rotorwinkels ang_RA des Motors 7 auf. Der Rotorwinkel ang_RA kann beispielsweise eine Drehung des gesamten Drehstabs 9 um seine Längsachse charakterisieren. Der Rotorwinkel ang_RA entspricht somit einem Drehwinkel des Drehstabs 9 und damit einem Lenkwinkel der Räder 14, da der Motor 7 über das Getriebe 8 mit dem Drehstab 9 und dieser über das Lenkgetriebe 11 und das Lenkgestänge 13 mit den Rädern 14 verbunden ist. Die mittels der Sensoren 15 und 16 erfassten Werte werden dem Steuergerät 1 zugeführt.
Die in 1 dargestellte Lenkvorrichtung stellt eine von einer Vielzahl von möglichen Ausführungsformen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Lenkvorrichtungen dar. In einer anderen Ausführungsform ist beispielsweise das Lenkgetriebe als Kugelmuttergetriebe ausgebildet. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Motor 7 auch derart angeordnet sein, dass er zusammen mit dem Drehstab 9 auf das in dem Lenkgetriebe 11 angeordnete Ritzel 12a wirkt oder direkt – mittels eines weiteren Ritzels – auf die Zahnstange 12b wirkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird statt des Rotorwinkels ang_RA eine andere, eine aktuelle Position der Lenkvorrichtung 2 beschreibende Größe ermittelt bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen. Beispielsweise kann mittels eines Winkelsensors, der an dem Drehstab 9 angeordnet ist, der Lenkwinkel ermittelt werden. Eine aktuelle Position der Lenkvorrichtung 2 könnte ferner mittels eines Sensors erfasst werden, der an der Zahnstange 12b angeordnet ist. Grundsätzlich könnten hier eine Vielzahl bekannter Größen bestimmt bzw. herangezogen werden. Die Verwendung des Rotorwinkels ang_RA hat jedoch den Vorteil, dass dieser sehr präzise bestimmbar ist und in modernen Lenkvorrichtungen häufig bereits zur Verfügung steht.
Ferner weist ein Fahrzeug, in dem die Lenkvorrichtung 2 eingebaut ist, einen Geschwindigkeitssensor 17 auf, mit dem eine Geschwindigkeit v des Fahrzeugs erfasst werden kann. Das Steuergerät 1 hat Zugriff auf die mittels des Geschwindigkeitssensors 17 ermittelte Geschwindigkeit v.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens 21 zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft RF der Lenkvorrichtung 2. Das Verfahren 21 umfasst einen Funktionsblock 23 zum Ermitteln einer ersten Zahnstangenkraft RFD in Abhängigkeit von einer in der Lenkvorrichtung 2 auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung 2 auftretenden Moments. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel berechnet der Funktionsblock 23 die erste Zahnstangenkraft RFD in Abhängigkeit von einem ermittelten oder erfassten Motormoment tor_RA. Bei dem Motormoment tor_RA kann es sich beispielsweise um das Moment an einer Welle des Motors 7 handeln. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch ein weiteres innerhalb der Lenkvorrichtung auftretendes Moment oder eine Kraft (beispielsweise das dem Drehstabmoment tor_TB), die innerhalb der Lenkvorrichtung 2 auftritt, als Eingangsgröße für den Funktionsblock 23 vorgesehen sein, die der Funktionsblock 23 zum Berechnen der ersten Zahnstangenkraft RFD heranzieht.
Darüber hinaus berechnet der Funktionsblock 23 die erste Zahnstangenkraft RFD auch in Abhängigkeit vom Lenkwinkel ang_RA. Da die erste Zahnstangenkraft RFD insbesondere von dem in der Lenkvorrichtung 2 auftretenden Motormoment tor_RA abhängt, spiegelt die erste Zahnstangenkraft RFD reale, an einer gelenkten Achse des Fahrzeugs auftretende Kraftverhältnisse wieder und kann somit zum Erzeugen einer dynamischen Rückmeldung an den Fahrer über momentane Eigenschaften der Fahrbahn, auf der das Fahrzeug fährt, verwendet werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit von der ersten Zahnstangenkraft RFD ein Soll-Lenkmoment berechnet werden, das insbesondere in seinem zeitlichen Verlauf die dynamischen Rückmeldungen über die Eigenschaften der Fahrbahn enthält. Dementsprechend wird die erste Zahnstangenkraft auch als „Rack Force Dynamic“ bezeichnet.
Ein weiterer Funktionsblock 25 des Verfahrens ermittelt eine zweite Zahnstangenkraft RFC in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggröße, die den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisiert. In der gezeigten Ausführungsform sind als solche Fahrzeuggrößen beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit v sowie der Lenkwinkel ang_RA vorgesehen. Der Funktionsblock 25 berechnet also die zweite Zahnstangenkraft RFC ausschließlich in Abhängigkeit von solchen Fahrzeuggrößen, die nicht unmittelbar die Kraftverhältnisse in der Lenkvorrichtung 2 wiedergeben. Folglich ist die vom Funktionsblock 25 berechnete zweite Zahnstangenkraft RFC weitgehend unbeeinflusst von realen Kraftverhältnissen in der Lenkvorrichtung 2, insbesondere von realen Achskraftverhältnissen. Somit spiegelt die zweite Zahnstangenkraft RFC momentane Eigenschaften, beispielsweise Unebenheiten, der Fahrbahn nicht wieder. Die zweite Zahnstangenkraft RFC ermöglicht somit die Erzeugung eines von Fahrbahneinflüssen zumindest weitgehend entkoppelten Lenkgefühls, was eine komfortable Benutzung der Lenkvorrichtung 2 ermöglicht, wobei der Fahrer jedoch auf Rückmeldungen über Fahrbahneigenschaften verzichten muss. In Abhängigkeit von der zweiten Zahnstangenkraft RFC kann somit ein Soll-Lenkmoment berechnet werden, dass ein komfortables, von den Fahrbahneinflüssen zumindest weitgehend entkoppeltes Lenkgefühl ermöglicht. Daher wird die zweite Zahnstangenkraft auch als „Rack Force Comfort“ bezeichnet.
Der Funktionsblock 25 zum Berechnen der zweiten Zahnstangenkraft RFC in Abhängigkeit von den Fahrzeuggrößen ohne unmittelbare Berücksichtigung der Kräfte beziehungsweise Momente, die in der Lenkvorrichtung 2 auftreten oder unmittelbar auf die Lenkvorrichtung 2 einwirken, kann auf beliebige Weise erfolgen. Beispielsweise können mehrere Modelle 27a bis 27d vorgesehen sein, die einen Wert der zweiten Zahnstangenkraft RFC für verschiedene Fahrsituationen berechnen. Beispielsweise kann ein erstes Modell 27a die zweite Zahnstangenkraft RFC für normalen Fahrtbetrieb berechnen, ein zweites Modell 27b die zweite Zahnstangenkraft RFC beim Parkieren berechnen, ein drittes Modell 27c Hysterese-Eigenschaften bezüglich einer Achse des Fahrzeugs berücksichtigen sowie ein für das Modell 27d einen Einfluss auf die zweite Zahnstangenkraft RFC beschreiben, der durch ein Anheben des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Lenkwinkels entsteht. Ein Funktionsblock 28 ermittelt die zweite Zahnstangenkraft RFC in Abhängigkeit von Größen, die von den einzelnen Modellen 27a bis 27d berechnet werden. Ein solches Verfahren zum Berechnen der zweiten Zahnstangenkraft RFC ist in der Patentanmeldung DE 10 2010 030 986 angegeben, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Ein Funktionsblock 29 des Verfahrens 21 berechnet eine resultierende Zahnstangenkraft RF in Abhängigkeit von der ersten Zahnstangenkraft RFD und der zweiten Zahnstangenkraft RFC. Auf diese Weise wird die resultierende Zahnstangenkraft RF als Kombination der beiden Zahnstangenkräfte RFD und RFC gebildet. Der Funktionsblock 29 kann in Abhängigkeit von gewünschten Eigenschaften der Lenkvorrichtung 2 leicht angepasst werden. Ist beispielsweise ein Lenkgefühl mit einer relativ starken Rückmeldung über Fahrbahneigenschaften erwünscht, dann kann der Block 29 so eingerichtet sein, dass ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft RFD auf die resultierende Zahnstangenkraft RF im Vergleich zum Einfluss der zweiten Zahnstangenkraft RFC relativ groß ist. Umgekehrt kann für den Fall, dass ein komfortables, von den Fahrbahneigenschaften weitgehend unabhängiges Lenkgefühl erwünscht ist, der Block 29 so eingerichtet sein, dass ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft RFD auf die resultierende Zahnstangenkraft RF im Vergleich zum Einfluss der zweiten Zahnstangenkraft RFC auf die resultierende Zahnstangenkraft RF relativ gering ist.
Der Einfluss einer der beiden Zahnstangenkräfte RFD, RFC auf die resultierende Zahnstangenkraft RF im Vergleich zur jeweils anderen Zahnstangenkraft RFC, RFD kann auch während des Betriebs der Lenkvorrichtung 2, das heißt während der Fahrt, beispielsweise in Abhängigkeit von einem vom Fahrer gewählten Fahrmodus oder in Abhängigkeit von einer automatisch ermittelten Fahrsituation, festgelegt werden. Zum Festlegen des Einflusses der einzelnen Zahnstangenkräfte RFD, RFC auf die resultierende Zahnstangenkraft RF kann eine Steuergröße s vorgesehen sein, die der Funktionsbock 29 beim Berechnen der resultierenden Zahnstangenkraft RF berücksichtigt.
3 zeigt eine mögliche Realisierung des Funktionsblocks 29. Hier handelt es sich bei der Steuergröße s um eine Binärgröße s_bin. Der Block 29 wählt in Abhängigkeit von dem logischen Zustand der Binärgröße s_bin entweder die erste Zahnstangenkraft RFD oder die zweite Zahnstangenkraft RFC als resultierende Zahnstangenkraft RF aus. Um bei einem Umschalten zwischen den beiden Zahnstangenkräften RFD, RFC einen Sprung im zeitlichen Verlauf der resultierenden Zahnstangenkraft RF zu vermeiden, sind Mittel 31 vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, den Einfluss einer Zahnstangenkraft RFD, RFC kontinuierlich zu verringern und gleichzeitig den Einfluss der jeweils anderen Zahnstangenkraft RFC, RFD zu erhöhen, nachdem der logische Zustand des Binärsignals s_bin gewechselt hat. Vorzugsweise findet dieses kontinuierliche Umschalten in einer Übergangszeitspanne nach dem Zustandsübergang der Binärgröße s_bin statt.
Die Mittel 31 umfassen ein erstes Begrenzungselement 33 zum Begrenzen einer Flankensteilheit des Binärsignals. Ein Eingang des ersten Begrenzungselements 33 ist an einen Ausgang eines Inverters 37 angeschlossen, wobei der Inverter 37 zum Invertieren des Binärsignals s_bin eingerichtet ist. Die Mittel 31 umfassen außerdem ein zweites Begrenzungselement 35 zum Begrenzen der Flankensteilheit. Ein Eingang des zweiten Begrenzungselements 35 ist mit der Binärgröße s_bin verbunden. Als Begrenzungselemente 33, 35 zum Begrenzen der Flankensteilheit können sogenannte „Rate Limiter“ oder auch Tiefpassfilter oder dergleichen vorgesehen sein.
Die erste Zahnstangenkraft RFD liegt an einem ersten Multiplizierer 39 an. Des Weiteren ist ein Ausgang des ersten Begrenzungselements 33 mit dem ersten Multiplizierer 39 verbunden, so dass der erste Multiplizierer 39 das vom ersten Begrenzungselement 33 integrierte invertierte Binärsignal /s_bin mit der ersten Zahnstangenkraft RFD multiplizieren kann. In entsprechender Weise ist ein zweiter Multiplizierer 41 vorgesehen, an dem die zweite Zahnstangenkraft RFC und das mittels des zweiten Begrenzungselements 35 integrierte Binärsignal s_bin anliegen. Die Ausgänge der beiden Multiplizierer 39, 41 sind an einen Addierer 43 angeschlossen, der die resultierende Zahnstangenkraft RF als Summe der Ergebnisse der von den beiden Multiplizierern 39, 41 durchgeführten Multiplikationen berechnet.
Die in 3 gezeigte Variante des Funktionsblocks 29 erlaubt somit ein Umschalten zwischen den beiden Zahnstangenkräften RFD, RFC, wobei die Mittel 31, insbesondere die beiden Begrenzungselemente 33, 35 einen fließenden Übergang beim Umschalten zwischen den Kräften RFD, RFC bewirken. Weist die Binärgröße s_bin den logischen Wert 0 auf, dann wird die erste Zahnstangenkraft RFD ausgewählt und hierdurch die Erzeugung eines Soll-Lenkmoments ermöglicht, das eine starke Rückmeldung über Eigenschaften der Fahrbahn beinhaltet. Weist die Binärgröße s_bin den Wert 1 auf, dann wird die zweite Zahnstangenkraft RFC ausgewählt, die die Erzeugung eines Soll-Lenkmoments ohne Rückmeldungen über Fahrbahneigenschaften ermöglicht.
In 4 ist eine mögliche Realisierung des Funktionsblocks 29 dargestellt, bei der als Steuergröße s ein Mischungsverhältnis s_per zwischen den beiden Zahnstangenkräften RFD, RFC vorgesehen ist. Das Mischungsverhältnis s_per ist in der gezeigten Ausführungsform eine Prozentzahl, wobei ein Wert von 100% einer Auswahl ausschließlich der ersten Zahnstangenkraft RFD als resultierende Zahnstangenkraft entspricht und ein Wert von 0% der Auswahl ausschließlich der zweiten Zahnstangenkraft RFC als die resultierende Zahnstangenkraft RF entspricht. Dazwischen liegende Werte der Prozentzahl s_per geben eine entsprechende Mischung der beiden Kräfte RFD, RFC an, wobei die resultierende Zahnstangenkraft vorzugsweise als Konvex-Kombination gemäß der Gleichung RF = u·RFD + (1 – u)·RFC gebildet wird. Die Größe u ist ein Gewichtungsfaktor, der wie weiter unten beschrieben in Abhängigkeit von der Prozentzahl s_per gebildet wird.
Wie aus 4 ersichtlich, wird die Steuergröße s_per mittels eines optionalen Begrenzers 45 auf einen Wertebereich zwischen einschließlich 0 und einschließlich 100 begrenzt. Ein Skalierelement 47 dividiert die gegebenenfalls mittels des Begrenzers 45 begrenzte Größe s_per durch 100 und gibt als Gewichtungsfaktor u ein skaliertes Signal aus. Der erste Multiplizierer 39 erhält als Eingangsgrößen die erste Zahnstangenkraft RFC sowie das mittels des Skalierelements 47 skalierte Signal u. Das skalierte Signal u wird außerdem an ein Rechenelement 49 gegeben, das das von dem Skalierelement 47 ausgegebene Signal vom Wert 1 subtrahiert. Eingangsgrößen des zweiten Multiplizierers 41 sind eine Ausgangsgröße des Rechenelements 49 sowie die zweite Zahnstangenkraft RFD. Die resultierende Zahnstangenkraft RF wird wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform durch Addition der Ausgangswerte der beiden Multiplizierer 39, 41 miteinander gebildet.
Mit Hilfe der in 4 gezeigten Ausführungsform kann also das Mischungsverhältnis s_per zwischen den beiden Zahnstangenkräften RFC, RFD frei eingestellt werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Größe s_per vom Steuergerät 1 oder extern, das heißt von einem anderen Steuergerät des Fahrzeugs vorgegeben wird. Die Größe s_per kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Fahrmodus, einem Fahrzustand oder anderen Größen vorgegeben werden.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform wird die Größe s_per nicht extern vorgegeben, sondern von dem Verfahren 21 selbst ermittelt. Die Funktionsblöcke oder Elemente zum Berechnen der resultierenden Zahnstangenkraft RF in Abhängigkeit von der Größe s_per entsprechen den in 4 gezeigten Elementen beziehungsweise Funktionsblöcken und werden deshalb nicht nochmals erläutert.
Wie aus 5 ersichtlich ist, wird die Größe s_per in Abhängigkeit von der über ein Verzögerungsglied 51 rückgekoppelten resultierenden Zahnstangenkraft RF gebildet. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Verfahren von einem zeitdiskreten Signalverarbeitungssystem durchgeführt und eine Verzögerung des Verzögerungsglieds 51 entspricht einer Taktzeit des Signalverarbeitungssystems.
Die mittels des Verzögerungsglieds 51 verzögerte resultierende Zahnstangenkraft RF_f wird einem ersten Betragsbildner 53 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Kennfelds 55 verbunden ist. Das Kennfeld 55 ist zum Ermitteln einer Kennfeldgröße s₁ in Abhängigkeit von dem Betrag der verzögerten resultierenden Zahnstangenkraft RF_f eingerichtet. Es kann vorgesehen sein, dass das Kennfeld 45 die Kennfeldgröße s₁ zusätzlich in Abhängigkeit vom Betrag der Fahrzeuggeschwindigkeit v ermittelt. Hierzu kann ein zweiter Betragsbildner 57 vorgesehen sein, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit v an einem Eingang des zweiten Betragsbildners 57 anliegt und ein Ausgang des zweiten Betragsbildners 57 an einem weiteren Eingang des Kennfelds 55 anliegt. Das Kennfeld 55 kann beispielsweise so eingerichtet sein, dass es eine Kennlinie 59 in Abhängigkeit von dem Betrag der Geschwindigkeit v (das heißt in Abhängigkeit von einem vom zweiten Betragsbildner 57 ausgegebenen Wert) auswählt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Verlauf einer bestimmten Kennlinie 59 in Abhängigkeit von dem Betrag der Geschwindigkeit |v| variiert wird. Das Auswählen der Kennlinie und das Variieren des Verlaufs der Kennlinie können auch kombiniert werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist eine Abhängigkeit der Größe s₁ von dem Betrag der Geschwindigkeit |v| nicht vorgesehen, das heißt der zweite Betragsbildner 57 ist bei dieser Ausführungsform nicht vorhanden, und der Betrag der Geschwindigkeit |v| wird nicht in das Kennfeld 55 eingegeben.
Zwischen dem Ausgang des Kennfelds 55 und dem Eingang des Begrenzers 45 ist ein Tiefpassfilter 61 angeordnet, das das Kennfeldsignal s₁ filtert und ein gefiltertes Kennfeldsignal s₂ an den Begrenzer 45 weitergibt.
Die Kennlinie 59 beziehungsweise die Kennlinien 59 des Kennfelds 55 können beispielsweise so gewählt sein, dass für einen betragsmäßig relativ kleinen Wert der resultierenden Zahnstangenkraft RF ein relativ kleiner Wert der Größe s_per ermittelt wird, so dass in diesem Fall der Einfluss der zweiten Zahnstangekraft RFC auf die resultierende Zahnstangenkraft RF im Vergleich zur ersten Zahnstangenkraft RFD relativ groß ist. Dies hat zur Folge, dass das Lenkgefühl bei Geradeausfahrt, bei der die resultierende Zahnstangenkraft RF relativ klein ist, zumindest weitgehend unbeeinflusst von Eigenschaften der Fahrbahn ist und die Lenkvorrichtung 2 somit ein komfortables, störungsfreies Mittengefühl liefert.
Beispielsweise bei einer Kurvenfahrt oder bei einer starken Belastung der Lenkvorrichtung 2 ergeben sich betragsmäßig große Werte der resultierenden Zahnstangenkraft RF. Es kann vorgesehen sein, dass die Kennlinie 59 beziehungsweise die Kennlinien 59 so gewählt sind, dass sich für betragsmäßig große Werte der resultierenden Zahnradkraft RF ein relativ großer Wert der Größe s_per ergibt, so dass der Einfluss der ersten Zahnstangenkraft RFD auf die resultierende Zahnstangenkraft RF im Vergleich zum Einfluss der zweiten Zahnstangenkraft RFC groß ist, so dass ein dynamisches Lenkgefühl erzeugt werden kann, das dem Fahrer Informationen über Fahrbahnkontakt und Fahrzustand vermittelt.
Ist die Abhängigkeit der Größe s₁ von der Geschwindigkeit v vorgesehen, dann kann das Überblenden zwischen den Kräften RFD, RFC, das heißt das Anheben beziehungsweise Absenken des Werts der Größe s_per in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit v unterschiedlich vorgegeben werden. Darüber hinaus ermöglicht die Rückkopplung über das Signal RF_f ein fließendes Überblenden zwischen den Kräften RFD und RFC auch dann, wenn sich die beiden Kräfte RFD, RFC voneinander deutlich unterscheiden. Hierdurch werden Sprünge in der resultierenden Zahnstangenkraft RF vermieden, so dass ungewollte Momentspitzen oder Sprünge im anhand der resultierenden Zahnstangenkraft RF ermittelten Soll-Lenkmoment beziehungsweise im daraus resultierenden Lenkgefühl vermieden werden.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, eine Lenkvorrichtung 2 bereitzustellen, die einerseits dem Fahrer eine gute Rückmeldung über Eigenschaften der Fahrbahn und des Fahrzeugs gibt, und andererseits in anderen Fahrsituationen, beispielsweise bei Geradeausfahrt, ein komfortables Lenkgefühl vermittelt. Dadurch, dass zwei Zahnstangenkräfte mittels des Funktionsblocks 29 kombiniert werden, kann durch relativ einfaches Modifizieren des Funktionsblocks 29 das Verhalten des Verfahrens 21 beziehungsweise des Lenksystems 2 mit geringem Aufwand an Vorgaben beispielsweise eines Fahrzeugherstellers angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002706 A1 [0003]
DE 102010030986 [0039]

Claims

Verfahren (21) zum Bestimmen einer Zahnstangenkraft (FR) für eine Lenkvorrichtung (2) eines Fahrzeugs bei dem eine erste Zahnstangenkraft (RFD) in Abhängigkeit von mindestens einer in der Lenkvorrichtung (2) auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung auftretenden Moments (tor_RA) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zahnstangenkraft (RFC) in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggröße (v, ang_RA), die den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisiert, ermittelt wird und anhand der ersten Zahnstangenkraft (RFD) und der zweiten Zahnstangenkraft (RFC) eine resultierende Zahnstangenkraft (FR) gebildet wird.
Verfahren (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Zahnstangenkraft (FR) in Abhängigkeit von einer Steuergröße (s) gebildet wird, wobei ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft (RFD) und der zweiten Zahnstangenkraft (RDC) auf die resultierende Zahnstangenkraft (RF) von der Steuergröße (s) abhängt.
Verfahren (21) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (s) eine Binärgröße (s_bin) ist und in Abhängigkeit von der Steuergröße (s) entweder die erste Zahnstangenkraft (RFD) oder die zweite Zahnstangenkraft (RFC) als resultierende Zahnstangenkraft (RF) herangezogen wird.
Verfahren (21) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zustandsübergang der Binärgröße (s_bin) der Einfluss einer Zahnstangenkraft (RFD, RFC) kontinuierlich verringert und der Einfluss der jeweils anderen Zahnstangenkraft (RFC, RFD) kontinuierlich erhöht wird.
Verfahren (21) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Zahnstangenkraft (RF) durch Gewichtung der ersten Zahnstangenkraft (RFD) und der zweiten Zahnstangenkraft (RFC) in Abhängigkeit von mindestens einem Gewichtungsfaktor (u), vorzugsweise als eine Konvexkombination der ersten Zahnstangenkraft (RFD) mit der zweiten Zahnstangenkraft (RFC), gebildet wird, wobei der Gewichtungsfaktor (u) in Abhängigkeit von der Steuergröße (s_per) berechnet wird.
Verfahren (21) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (s) in Abhängigkeit von der gebildeten resultierenden Zahnstangenkraft (RF) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer betragsmäßig höheren resultierenden Zahnstangenkraft (RF) ein Einfluss der ersten Zahnstangenkraft (RFD) auf die resultierende Zahnstangenkraft (RF) höher ist als bei einer betragsmäßig niedrigeren resultierenden Zahnstangenkraft (RF).
Verfahren (21) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln der Steuergröße (s) die resultierende Zahnstangenkraft verzögert (51) wird und die Steuergröße (s) in Abhängigkeit von der verzögerten resultierenden Zahnstangenkraft gebildet wird.
Verfahren (21) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (s) in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v) ermittelt wird.
Verfahren (21) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (s) mittels eines Kennfelds (55) ermittelt wird.
Verfahren (21) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennlinie (59) des Kennfelds (55) in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) vorgegeben und/oder aus einer Menge vorgegebener Kennlinien (59) ausgewählt wird.
Verfahren (21) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (s), vorzugsweise nachdem sie mittels des Kennfelds (55) ermittelt worden ist, mittels eines Tiefpassfilters (61) gefiltert wird.
Lenkvorrichtung (2) für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkvorrichtung (2) zum Ausführen eines Verfahrens (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) für eine Lenkvorrichtung (2) für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) zum Ausführen eines Verfahrens (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet, vorzugsweise programmiert ist.