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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Reibkraftamplitude in einem Lenksystem nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 10.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden oftmals sogenannte Servolenkungen eingesetzt. Derartige Lenksysteme umfassen einen Aktor zur Erzeugung eines Unterstützungsmoments, der dieses Unterstützungsmoment auf eine Zahnstange oder eine Lenksäule des Lenksystems aufbringen kann. Eine Höhe des Unterstützungsmoments wird hierbei z. B. in Abhängigkeit eines z. B. von einem Kraftfahrzeugführer mittels einer Lenkhandhabe, z. B. einem Lenkrad, aufgebrachten Handmoments bestimmt.
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In 1 ist ein üblicher Aufbau eines elektro-mechanische arbeitenden Lenksystems eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welches ein Lenkrad 16 aufweist, dass über einen ersten Abschnitt 24 einer Lenksäule 19, mittels eines oder mehrerer Kreuzgelenke 25 fest mit einem zweiten Abschnitt 26 der Lenksäule 19 verbunden ist. Die Lenksäule 19 überträgt ein von einem Kraftfahrzeugführer des Kraftfahrzeuges auf das Lenkrad 16 aufgebrachte Moment auf ein Lenkritzel 15, dass in eine Zahnstange 10 eingreift, die horizontal zur Achse des Kraftfahrzeuges zwischen gelenkten Rädern 27 angeordnet ist. Das Lenkritzel 15 kann auch durch ein beliebiges anderes Übertragungsmittel gebildet sein, z. B. eine Schneckenwelle. Jedes gelenkte Rad 27 ist in der Lage, sich bei einer linearen Bewegung der Zahnstange 10 um eine vertikale Drehachse A zu drehen, wobei das gelenkte Rad 27 über die Zahnstange 10 von Spurstangen 11, 12 angetrieben wird.
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Das Lenksystem umfasst ferner einen Servomotor 17, dessen Ausgangsmoment von einem elektronischen Steuergerät 28 gesteuert wird, welches ein Sollwertsignal S eines Unterstützungsmomentes an den Servomotor 17 datentechnisch übermittelt. Das Ausgangsmoment des Servomotors 17 wird mittels einer nicht dargestellten Antriebswelle des Servomotors 17 auf die Zahnstange 10 und damit die Räder 27 übertragen. Aufgrund der erheblichen zu übertragenden Momente wirkt die Antriebswelle des Servomotors 17 in der Regel über ein nicht näher dargestelltes Kugelgetriebe 18, insbesondere über einen Kugelgewindetrieb, auf die Zahnstange 10.
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Die Abtriebswelle des Servomotors 17 ist somit über das Kugelgetriebe 18, die Zahnstange 10 und das Lenkritzel 15 mechanisch mit der Lenksäule 19 verbunden. Die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebswelle und der Lenksäule 19 kann aber auch direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenksäule 19 über ein geeignetes Getriebe direkt angreift. Die Abtriebswelle des Servomotors 17 unterstützt hierbei den Lenkeinschlag des Lenkrades 16, indem sie mittels der vorstehend genannten mechanischen Einrichtungen auf die Lenksäule 19 ein Hilfsmoment ausübt, das direkt von dem Ausgangsmoment des Servomotors 17 und folglich von den Sollwertsignalen S abhängt.
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Das Steuergerät 28 ist in der Regel derart aufgebaut, dass es aufgrund der eingehenden Eingangssignale, z. B. des Handmoments DM und/oder des Drehwinkels DW der Lenksäule 19, die Höhe des durch den Servomotor 17 auszuübenden Unterstützungsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert S an den Servomotor 17 datentechnisch übermittelt. Der Drehwinkel DW kann mittels eines Drehwinkelsensors 29 erfasst werden. Mit Hilfe geeigneter, in dem Steuergerät 28 gespeicherter Tabellen, wird dabei das Unterstützungsmoment in der Regel derart bestimmt, dass in Abhängigkeit von der errechneten Differenz des Drehwinkels DW und einem von einem Lenkwinkelsensor gemessenen Lenkwinkel der Räder 27 ein von dem Servomotor 17 aufzubringendes Unterstützungsmoment bestimmt wird. Dieses Unterstützungsmoment ist derart groß gewählt, dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder 27 aufzubringenden Momentes ein Restmoment am Lenkrad 16 übrig bleibt, welches von dem Kraftfahrzeugführer gut beherrschbar ist. Hiermit wird in der Regel das Unterstützungsmoment auch von Größen abhängen, die Einfluss auf das Lenkmoment der Räder 27 besitzen, wie beispielsweise Drehwinkelgeschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand des Fahrzeugs, Straßenverhältnisse und weiteren Randbedingungen.
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Es sind weiterhin Sonderformen elektro-mechanisch arbeitender Lenksysteme bekannt geworden, bei denen die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 16 und Zahnstange 10 aufgetrennt ist. Bei diesen sogenannten Steer-by-Wire-Lenksystemen müssen die von dem Lenkrad 16 auf die Zahnstange 10 aufzubringenden Kräfte und Momente durch entsprechende, elektrisch arbeitende Geräte nachgebildet werden, die weiteren oben geschilderten grundsätzlichen Prinzipien bleiben dabei allerdings erhalten.
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Bei den beschriebenen Lenksystemen wird eine Motor-Regelgröße für den Servomotor 17 ermittelt, in dem ein auf ein Lenkrad 16 wirkendes Handmoment DM mit einem bestimmten Servo-Regelungsverstärkungsfaktor multipliziert wird. Dieser Faktor, der auch noch von anderen Zustandsgrößen abhängig sein kann, wird aufgrund von Tests vorbestimmt, die auf einem Test-Fahrzeug durchgeführt werden, um eine erwünschte Servo-Charakteristik bereitzustellen. Erwünscht ist hierbei, dass es bei einem bestimmten Handmoment, an welches von einem mit dem Lenkrad 16 gekoppelten Drehmomentsensor 20 erfasst wird, auf die lenkenden Räder 27 ein definiertes Lenkmoment ausgeübt wird.
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In der Praxis kann allerdings das tatsächlich auf die Räder einwirkende Lenkmoment erheblich von den über die Servo-Charakteristik erwünschten Lenkmoment abweichen. Hierfür kann es eine Reihe von Gründe geben, wie beispielsweise der Änderung der Trägheit des Systems oder der Eigenschaften des Servomotors
17. Ein wesentlicher Grund ist allerdings in der Regel die Reibung des Systems. Elektromechanische Lenksysteme weisen eine systemimmanente Reibung auf, die aus der Anbindung des elektrischen Servomotors
17 und eines im Regelfall an diesem angekoppelten Untersetzungsgetriebes sowie der Reibung des Ritzels an der Zahnstange
10 und der Gleitlagerung der Zahnstange
10 selbst resultieren. Da die Reibungseffekte in der Regel nicht linear sind, ergibt sich durch diese auch eine nichtlineare Abhängigkeit einer Bewegung der Räder von dem mit dem Servomotor
17 erzeugten Ausgangsmoments. Hierbei darf die Größe eines Einflusses der Reibung nicht unterschätzt werden. So kann im ungünstigsten Fall das Reibmoment bis zu 30 % (siehe
US 2004/0138797 A1 , [0029]) des von dem Servomotor
17 abgegebenen Momentes betragen. Weiterhin sind die durch Nichtlinearitäten der Reibung bedingten Unstetigkeiten und Slip-Stick-Effekte nachteilig für das Lenkgefühl.
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Eine weitere Abweichung von einer mittels eines Modells ermittelten Reibung kann sich durch Fertigungsfehler und abweichende Betriebsdaten der verwendeten Baugruppen ergeben. Haben derartige Baugruppen eine Reibung, die erheblich größer ist als in dem Fahrzeug gemessen und für die Serie vorausgesetzt wurde, dann wird ein Teil des Ausgangsmoments des Elektromotors 17 zur Kompensation der Reibung verwendet, was zu einem schwammigen Gefühl bei der Betätigung des Lenkrades 16 führen kann. Eine für die Serie des Lenksystems angenommene Reibung kann sich auch wegen Montagefehlern, beispielsweise bei Reparaturarbeiten, als unzutreffend erweisen. So umfasst beispielsweise das Untersetzungsgetriebe einen Schneckenantrieb und ein Schneckenrad mit einem vergleichsweise hohen Untersetzungsverhältnis. Damit das Untersetzungsgetriebe das Rückstellen und Klappergeräusche verhindert oder deutlich verringert, wird der Schneckenantrieb stark gegen das Schneckenrad gedrückt. Dies führt bei Montagefehlern zu relativ großen Änderungen der Reibung, weil der Betrag der Reibung zwischen Schneckantrieb und dem Schneckenrad, die aneinander gepresst sind, groß ist und einen bedeutenden Einfluss auf die Änderung der Servo-Charakteristik hat.
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Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der Einfluss der Reibung nachteilig für das Lenkgefühl ist, zu erheblichen Unstetigkeiten zwischen dem geforderten Soll-Moment und dem tatsächlich auf die Räder ausgeübten Lenkmomente führen kann, die Zielgenauigkeit in der Lenkung nachteilig beeinflussen kann und eine feinfühlige Steuerung der Lenkung, wie sie beispielsweise beim selbsttätigen Rückführen der Räder in die Mittellage notwendig ist, behindern kann. Hinzu kommt, dass sich die Reibung im Laufe der Zeit durchaus ändern kann, indem beispielsweise durch Einschleifen des Systems die Reibung vermindert wird oder sich durch Verschmutzung erhöht. Auch Änderungen im Materialzustand oder die Reparatur oder der Austausch eines Teils des Systems können hier zu späteren Änderungen der Reibung führen.
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Die
DE 10 2008 021 848 A1 offenbart ein Verfahren zur Berücksichtigung der statischen und dynamischen Reibung in einem mit statischer und dynamischer Reibung behafteten System. Hierbei wird ein Reib-Modell bestimmt, welches ein Reibverhalten aller Lenksysteme einer Serie von Lenksystemen in einem Anfangszustand beschreibt. Weiter wird zur Ermittlung eines aktuellen Reibniveaus des Lenksystems die in dem Modell einer definierten Geschwindigkeit eines beweglichen Teiles zugeordnete Reibung festgestellt, wobei weiter die bei der definierten Geschwindigkeit aktuell tatsächlich bestehende Reibung gemessen wird, wobei die Differenz zwischen der festgestellten und der tatsächlich gemessenen Reibung als aktuelle Reibungsdifferenz ermittelt wird, wobei weiter zur Bestimmung der aktuellen Reibung des Lenksystems bei einer von der definierten Geschwindigkeit abweichenden Geschwindigkeit des beweglichen Teils zu der sich bei dieser abweichenden Geschwindigkeit aus dem Modell ergebenden Reibung die ermittelte aktuelle Reibungsdifferenz als Offset hinzugefügt wird.
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Nachteilig ergibt sich hierbei die relativ aufwendige Bestimmung eines Reibungsmodells sowie die Bestimmung nur eines einzigen Reibungsmodells, welches für alle Lenksysteme einer Serie zugrunde gelegt wird.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2009 022 592 A1 offenbart, dass eine Reibungskomponente in einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung durch Differenzbildung zwischen einer vor einem charakteristischen Ereignis aus einem reibungsfreien Berechnungsmodell gewonnenen Summe von Spurstangenkräften und einer nach dem charakteristischen Ereignis aus dem reibungsfreien Berechnungsmodell gewonnenen Summe der Spurstangenkräfte ermittelt wird.
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Die
DE 10 2004 021 951 A1 offenbart, dass bei einem Verfahren zur Kompensation der Reibung in einer elektromechanischen Lenkung die Drehrichtung eines ein Hilfsmoment erzeugenden elektrischen Motors erfasst wird. Bei Feststellung einer Drehbewegung wird unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein zusätzliches Moment zur Reibungskompensation ausgelöst, derart, dass das Kompensationsmoment während der Bewegung des Motors kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.
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Die
DE 102 06 474 A1 offenbart, dass bei einem Verfahren zur Erfassung der Reibung in einer elektrischen oder elektromechanischen Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeuges während des Fahrbetriebs wenigstens die Zustandswerte folgender Größen gemessen werde: Lenkwinkel, Lenkmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit. Aus den gemessenen Zustandswerten werden nach einer vorgegebenen Filterregel definierte Ereignisse ausgewählt. Der Mittelwert der Lenkwinkelabsolutwerte der ausgewählten Ereignisse im Verhältnis zu der Anzahl der Ereignisse stellt dann eine die Reibung charakterisierende Kenngröße dar.
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Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Reibkraftamplitude in einem Lenksystem, insbesondere einem Lenksystem eines Kraftfahrzeuges, insbesondere während eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen, welche eine genaue und einfache, insbesondere eine mit vorhandenen Bauelementen durchführbare, Bestimmung der Reibkraftamplitude in dem Lenksystem ermöglichen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Reibkraftamplitude in einem Lenksystem.
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Das Lenksystem kann hierbei ein Lenksystem sein, in welchem ein von einem Kraftfahrzeugführer z.B. mittels einer Lenkhandhabe aufgebrachtes Lenkmoment über eine mechanische Übertragungsstrecke übertragen wird und zumindest ein Teil der zur Auslenkung von lenkbaren Rädern notwendigen Radlenkkraft bildet. Alternativ kann das Lenksystem aber auch ein so genannten Steer-by-Wire-Lenksystem sein, in welchem keine mechanische Übertragungsstrecke zwischen Lenkhandhabe und den lenkbaren Rädern existiert und das von dem Kraftfahrzeugführer z.B. mittels der Lenkhandhabe aufgebrachte Lenkmoment nicht direkt zur Auslenkung der lenkbaren Räder beiträgt. Auch kann das Lenksystem ein Lenksystem mit Einzelradlenkung sein. Hierbei ist jedem lenkbaren Rad ein Aktor zugeordnet, der ausschließlich die für das jeweilige Rad notwendige Radlenkkraft erzeugt.
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Das Lenksystem umfasst aber in jedem Fall zumindest einen Aktor zur Erzeugung eines Unterstützungs- oder Hilfsmoments. Im Fall, dass eine mechanische Übertragungsstrecke zwischen Lenkhandhabe und lenkbaren Rädern existiert ist der Aktor ein Aktor zur Erzeugung eines Unterstützungsmoments, der einen weiteren Teil der zur Auslenkung von lenkbaren Rädern notwendige Radlenkkraft erzeugt. Der Aktor kann ein elektromechanischer Aktor oder ein hydraulischer Aktor sein. Der Aktor kann hierbei das Unterstützungsmoment an verschiedenen Stellen der mechanischen Übertragungsstrecke einkoppeln, beispielsweise an einer Zahnstange des Lenksystems oder einer Lenksäule des Lenksystems. Im Fall, dass keine mechanische Übertragungsstrecke zwischen Lenkhandhabe und lenkbaren Rädern existiert ist der Aktor ein Aktor zur Erzeugung eines Hilfsmoments, welches die zur Auslenkung von lenkbaren Rädern notwendige Radlenkkraft ausschließlich erzeugt.
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Das Lenksystem kann hierbei mindestens eine Lenkstange oder Lenksäule, auf welche ein Kraftfahrzeugführer, beispielsweise mittels einer Lenkhandhabe, ein Lenkmoment aufbringen kann, umfassen. Weiter kann das Lenksystem eine Zahnstange, die über ein Lenkritzel mechanisch mit der Lenksäule verbunden ist, umfassen. Weiter kann das Lenksystem eine Kupplungseinrichtung zur mechanischen Verbindung des Aktors mit der Zahnstange umfassen.
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Weiter kann das Lenksystem mindestens eine Spurstange, die mechanisch mit der Zahnstange gekoppelt ist, umfassen.
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Weiter kann das Lenksystem Sensoren zur Erfassung eines, z.B. von einem Kraftfahrzeugführer auf die Lenkhandhabe aufgebrachten, Lenkmoments umfassen. Weiter kann das Lenksystem Sensoren zur Erfassung einer Rotorlage und/oder einer Rotorgeschwindigkeit des z.B. als Elektromaschine ausgebildeten Aktors zur Erzeugung eines Unterstützungs- oder Hilfsmoments umfassen. Auch kann der das Lenksystem einen Sensor zur Erfassung eines Unterstützungs- oder Hilfsmoments umfassen.
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Weiter kann das Lenksystem eine Steuer- und Auswerteeinrichtung umfassen, die das Unterstützungs- oder Hilfsmoment beispielsweise in Abhängigkeit des Lenkmoments und/oder eines Lenkwinkels bestimmt und den Aktor zur Erzeugung des Unterstützungs- oder Hilfsmoments entsprechend ansteuert.
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Weiter wird mindestens zu einem ersten Zeitpunkt eine erste idealisierte Radlenkkraft oder eine zur ersten idealisierten Radlenkkraft korrespondierende Kraft berechnet. Die idealisierte Radlenkkraft bezeichnet hierbei eine Kraft, die für eine gewünschte Auslenkung eines lenkbaren Rades oder mehrerer lenkbarer Räder notwendig ist, für den (idealisierten) Fall, dass keine Reibung im Lenksystem, beispielsweise keine Radführungsreibung und/oder keine Zahnstangenreibung, vorhanden ist. Somit kann eine idealisierte Radlenkkraft auch als reibungsfreie Radlenkkraft bezeichnet werden.
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Eine zur idealisierten Radlenkkraft korrespondierende Kraft bezeichnet hierbei eine Kraft im Lenksystem, die über eine mechanische Übertragungsstrecke mit der idealisierten Radlenkkraft in Zusammenhang steht. Hierbei kann sich die korrespondierende Kraft also in gleichem Maße wie die idealisierte Radlenkkraft ändern. Wie nachfolgend näher erläutert, kann die korrespondierende Kraft beispielsweise eine idealisierte Spurstangenkraft sein.
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Weiter wird mindestens zu einem zweiten Zeitpunkt eine zweite idealisierte Radlenkraft berechnet. Der zweite Zeitpunkt liegt zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt ein Vorzeichenwechsel einer Radlenkwinkelgeschwindigkeit oder einer zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit auftritt. Die Radlenkgeschwindigkeit bezeichnet hierbei eine Rotationsgeschwindigkeit eines lenkbaren Rades oder mehrerer lenkbarer Räder. Eine zur der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierende Geschwindigkeit bezeichnet eine Geschwindigkeit im Lenksystem, die über eine mechanische Übertragungsstrecke mit der Radlenkgeschwindigkeit in Zusammenhang steht. Hierbei kann sich die korrespondierende Geschwindigkeit also in gleichem Maße wie die Radlenkgeschwindigkeit ändern. Wie nachfolgend näher erläutert, kann die korrespondierende Geschwindigkeit beispielsweise eine Zahnstangengeschwindigkeit einer Zahnstange des Lenksystems sein.
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Weiter bestimmt sich die Reibkraftamplitude in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der ersten idealisierten Radlenkkraft und der zweiten idealisierten Radlenkkraft oder in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der zu der ersten idealisierten Radlenkkraft korrespondierenden Kraft und der zu der zweiten idealisierten Radlenkkraft korrespondierenden Kraft.
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Weiter wird die Reibkraftamplitude nur dann bestimmt wird, falls eine reale Radlenkkraft oder eine zur der realen Radlenkkraft korrespondierende Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt konstant oder annähernd konstant ist. Eine reale Radlenkkraft bezeichnet eine Kraft, die für eine gewünschte Auslenkung eines lenkbaren Rades oder mehrerer lenkbarer Räder notwendig ist für den (realen) Fall, dass eine Reibung im Lenksystem, beispielsweise eine Radführungsreibung und/oder eine Zahnstangenreibung, vorhanden ist. Somit kann eine reale Radlenkkraft auch als reibungsbehaftete Radlenkkraft bezeichnet werden.
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Erfindungsgemäß werden in Speicherstellen eines Speichervektors Vorzeicheninformationen der Radlenkwinkelgeschwindigkeit oder der zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit gespeichert, die zu dem ersten Zeitpunkt dem zweiten Zeitpunkt und dazwischenliegenden Zeitpunkten erfasst wurden, wobei ein Vorzeichenwechsel der Radlenkgeschwindigkeit oder der zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit festgestellt wird, falls eine Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen einer ersten, dem ersten Zeitpunkt zugeordneten Speicherstelle und einer zentralen, einem Wechselzeitpunkt zugeordneten Speicherstelle eine vorbestimmte Anzahl überschreitet und eine Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen einer letzten, dem zweiten Zeitpunkt zugeordneten Speicherstelle und der zentralen, dem Wechselzeitpunkt zugeordneten Speicherstelle ebenfalls eine vorbestimmte Anzahl überschreitet und das Vorzeichen der Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der ersten und der zentralen Speicherstelle ungleich dem Vorzeichen der Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der letzten und der zentralen Speicherstelle ist.
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Selbstverständlich beziehen sich die vorhergehenden und nachfolgenden Ausführungen zu Kräften im Lenksystem in analoger Weise auf Momente im Lenksystem.
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Die nachfolgenden Ausführungen bezüglich der idealisierten Radlenkkraft, der realen Radlenkkraft und der Radlenkgeschwindigkeit gelten ebenso bezüglich ihrer vorhergehend erläuterten korrespondieren Größen.
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Ändert sich das Vorzeichen der Radlenkgeschwindigkeit, so ändert sich auch die Reibungskraft, insbesondere deren Richtung. Dies spiegelt sich wiederum in dem zeitlichen Verlauf der idealisierten Radlenkkräfte zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt nieder. Der zeitliche Verlauf weist nämlich am Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels der Radlenkgeschwindigkeit, also zum Wechselzeitpunkt, einen Sprung auf, der durch das vorhergehend geschilderte Umschlagen der Reibungskraft bedingt wird. Die Höhe dieses Sprunges kann hierbei, wie nachfolgend näher erläutert, zur Bestimmung der Reibkraftamplitude genutzt werden. Voraussetzung der Bestimmung der Reibkraftamplitude aus der Höhe des Sprunges ist jedoch, dass sich reale Radlenkkraft um den Wechselzeitpunkt herum, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt, nicht oder nur wenig ändert.
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Hierbei kann auch eine Dauer des zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt liegenden Zeitfensters kurz gewählt werden.
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Die reale Radlenkkraft ist hierbei in der Regel nicht direkt erfassbar. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann daher die reale Radlenkkraft oder zumindest zeitliche Änderungen der realen Radlenkkraft geschätzt werden oder es können Bedingungen geprüft werden, bei deren Erfüllung von einer konstanten oder annähernd konstanten realen Radlenkkraft ausgegangen werden kann.
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Eine Schätzung kann hierbei beispielsweise unter Anwendung geeigneter reibungsberücksichtigender Bewegungsmodelle der Bewegung des lenkbaren Rades erfolgen. Zur Prüfung, ob die reale Radlenkkraft konstant oder annähernd konstant ist, kann es ausreichen, eine korrekte oder annähernd korrekte relative Änderung der realen Radlenkkraft zu schätzen, z.B. mittels geeigneter, reibungsberücksichtigender Bewegungsmodelle. Es ist also nicht zwingend erforderlich, einen absoluten Wert der realen Radlenkkraft korrekt zu bestimmen.
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Eine reale Radlenkkraft kann hierbei als konstant oder annähernd konstant angenommen werden, falls eine Änderung der realen Radlenkkraft kleiner als ein maximaler vorbestimmter Schwellwert und größer als ein minimaler vorbestimmter Schwellwert ist. Auch kann ein Betrag einer Änderung der realen Radlenkkraft kleiner als vorbestimmter Schwellwert sein.
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Die Änderung kann hierbei eine Differenz zwischen einer realen Radlenkkraft, die an einem Zeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt bestimmt wird, und einer ersten realen Radlenkkraft, die an dem ersten Zeitpunkt bestimmt wurde, sein. Hierzu kann die an dem ersten Zeitpunkt bestimmte reale Radlenkkraft z.B. in einer Speichereinrichtung abgespeichert werden.
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Auch können alle Änderungen der realen Radlenkkraft zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt erfasst werden, wobei die reale Radlenkkraft als konstant oder annähernd konstant angenommen werden kann, falls ein Mittelwert der Änderungen kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
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Auch kann die reale Radlenkkraft zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt wiederholt, z.B. an mehreren Zeitschritten, bestimmt oder geschätzt werden, wobei die reale Radlenkkraft als konstant oder annähernd konstant angenommen werden kann, falls eine Streuung der bestimmten oder geschätzten Radlenkkräfte kleiner als eine vorbestimmte Streuung ist.
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Auch kann die reale Radlenkkraft als konstant oder annähernd konstant angenommen werden, falls eine Zeitdauer zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt geringer als eine vorbestimmte Zeitdauer ist und/oder Änderungen des Lenkwinkels und/oder Änderungen des Unterstützungs- oder Hilfsmoments und/oder Änderungen des Lenkmoments während dieser Zeitdauer kleiner als vorbestimmte Schwellwerte sind.
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Ist die reale Radlenkkraft konstant oder annähernd konstant, so kann die Differenz aus vor und nach dem Richtungswechsel bestimmten idealisierten Radlenkkräften ermittelt und die erfindungsgemäße Reibkraftamplitude als die Hälfte dieser Differenz bestimmt werden. Hierdurch lässt sich auf einfache Art und Weise eine Reibkraftamplitude bestimmten, die beispielsweise durch die Radaufhängung und/oder Lagerung der Zahnstange und/oder weitere eine Reibung erzeugende Komponenten verursacht wird. Hierbei muss in vorteilhafter Weise nicht jede einzelne Reibung verursachender Effekt modelliert werden, da die erfindungsgemäße Reibkraftamplitude die Wirkungen aller eine Reibung erzeugender Effekte zusammenfasst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass eine Reibkraftamplitude eines Lenksystems mit einer hohen Genauigkeit während des Betriebes des Kraftfahrzeuges oder des Lenksystems bestimmt werden kann. Weiter kann die Bestimmung mit in der Regel bereits vorhandenen Sensoren und Einrichtungen erfolgen, wodurch sich keine erhöhten Produktionskosten und kein erhöhter Bauraumbedarf ergeben. Weiter ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und damit mit vergleichsweise geringer Speicher- und Rechenkapazität durchzuführende Bestimmung der Reibkraftamplitude.
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Außer zusätzlicher Rechen- und Speicherkapazität z.B. in einem Steuergerät werden nicht notwendigerweise weitere apparative Einrichtungen benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann z.B. auf serienmäßig vorhandene Sensorsignale eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) sowie einer elektromechanischen Lenkung (EPS) zurückgreifen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens zu einem ersten Zeitpunkt eine erste idealisierte Spurstangenkraft berechnet. Die erste idealisierte Spurstangenkraft kann hierbei auch als Mittelwert einer Anzahl von Spurstangenkräften bestimmt werden, die an mehreren Zeitschritten eines ersten Zeitintervalls berechnet wurden, wobei das erste Zeitintervall vor oder nach dem ersten Zeitpunkt liegt oder den ersten Zeitpunkt umfasst.
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In dieser Ausführungsform umfasst das Lenksystem mindestens eine Spurstange und mindestens eine Zahnstange.
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Weiter wird mindestens zu einem zweiten Zeitpunkt eine zweite idealisierte Spurstangenkraft berechnet. Auch die zweite idealisierte Spurstangenkraft kann hierbei als Mittelwert einer Anzahl von Spurstangenkräften bestimmt werden, die in einem zweiten Zeitintervall berechnet wurden, wobei das zweite Zeitintervall vor oder nach dem zweiten Zeitpunkt liegt oder den zweiten Zeitpunkt umfasst.
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Der zweite Zeitpunkt liegt zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt tritt ein Vorzeichenwechsel einer Zahnstangengeschwindigkeit auf, beispielsweise an einem Wechselzeitpunkt der zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt liegt. Die Reibkraftamplitude wird dann in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der ersten idealisierten Spurstangenkraft und der zweiten idealisierten Spurstangenkraft bestimmt.
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Eine idealisierte Spurstangenkraft bezeichnet eine an einer Spurstange anliegende Kraft oder eine Summe der an mehreren, beispielsweise zwei, Spurstangen anliegenden Kräfte während des Betriebs des Kraftfahrzeuges oder des Lenksystems für den (idealisierten) Fall, dass keine Reibung vorhanden ist. Die idealisierte Spurstangenkraft kann auch als reibungsfreie Spurstangenkraft bezeichnet werden.
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Die Zahnstangengeschwindigkeit bezeichnet eine Geschwindigkeit einer Zahnstange des Lenksystems, die eine Translationsbewegung in eine fahrzeugfeste Querrichtung ausführt. Die Zahnstangengeschwindigkeit kann hierbei direkt mittels eines Geschwindigkeitssensors erfasst werden. Auch kann die Zahnstangengeschwindigkeit indirekt, z.B. mittels einer Differenzierung, aus einer Zahnstangenposition berechnet werden, die mittels eines Positionssensors erfasst wird. Auch kann die Zahnstangengeschwindigkeit indirekt, z.B. mittels einer Integration, aus einer Zahnstangenbeschleunigung berechnet werden, die mittels eines Beschleunigungssensors erfasst wird. Auch kann die Zahnstangengeschwindigkeit, die Zahnstangenposition und/oder die Zahnstangenbeschleunigung indirekt aus weiteren Messgrößen berechnet werden, die im Lenksystem erfasst werden, beispielsweise aus einer Rotorlage und/oder einer Rotorgeschwindigkeit eines Rotors eines elektromechanischen Aktors zur Erzeugung eines Unterstützungs- oder Hilfsmoments und/oder aus einem Lenkwinkel und/oder einer Lenkwinkelgeschwindigkeit, wobei eine mechanische Übertragungsstrecke, z.B. Übersetzungsverhältnisse, zwischen diesen Messgrößen und der Zahnstangengeschwindigkeit vorbekannt ist.
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Erfindungsgemäß wird die Reibkraftamplitude nur dann bestimmt, falls eine reale Spurstangenkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt konstant oder annähernd konstant ist.
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Eine reale Spurstangenkraft bezeichnet eine an einer Spurstange anliegende Kraft oder eine Summe einer an mehreren, beispielsweise zwei, Spurstangen anliegenden Kräfte während des Betriebs des Kraftfahrzeuges oder des Lenksystems für den (realen) Fall, dass eine Reibung vorhanden ist. Die reale Spurstangenkraft kann auch als reibungsbehaftete Spurstangenkraft bezeichnet werden.
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In dieser Ausführungsform ist die idealisierte Spurstangenkraft eine zu der idealisierten Radlenkkraft korrespondierende Kraft, die reale Spurstangenkraft eine zu der realen Radlenkkraft korrespondierende Kraft und die Zahnstangengeschwindigkeit eine zu der Radlenkwinkelgeschwindigkeit korrespondierende Geschwindigkeit. Es gelten daher die vorhergehend beschriebenen Ausführungen zur idealisierten Radlenkkraft, realen Radlenkkraft und Radlenkgeschwindigkeit.
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Durch das vorgeschlagene System ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass einfach zu bestimmende Spurstangenkräfte und eine einfach zu bestimmende Zahnstangengeschwindigkeit für die Bestimmung der Reibkraftamplitude genutzt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine idealisierte Spurstangenkraft in Abhängigkeit einer vorbekannten Trägheit der Zahnstange, einer Zahnstangenbeschleunigung, einem Lenkmoment und einem Unterstützungsmoment oder korrespondierender Bewegungsgrößen bestimmt. Korrespondierende Bewegungsgrößen bezeichnen hierbei direkt mittels Sensoren erfassbare oder mittels Berechnungsvorschriften berechenbare oder mittels Schätzmodelle schätzbare Bewegungsgrößen, wobei die vorhergehend angeführten Größen (Zahnstangenbeschleunigung, Lenkmoment, Unterstützungsmoment) in Abhängigkeit dieser Bewegungsgrößen wiederum mittels weiterer Berechnungsvorschriften oder mittels weiterer Schätzmodelle bestimmt werden können.
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So kann unter Annahme eines vorbekannten Übersetzungsverhältnisses zwischen einer Lenkhandhabe oder einem Eingriffspunkt des Lenkmoments und der Zahnstange der durch das Lenkmoment erzeugte Anteil einer Zahnstangenkraft berechnet werden.
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Auch kann unter Annahme eines vorbekannten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Aktor zur Erzeugung des Unterstützungsmoments, insbesondere dessen Ausgangswelle, und der Zahnstange der durch das Unterstützungsmoment erzeugte Anteil einer Zahnstangenkraft berechnet werden.
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Auch kann unter Annahme einer vorbekannten Trägheit und der Zahnstangenbeschleunigung der durch die Trägheit erzeugte Anteil einer Zahnstangenkraft berechnet werden.
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Die aus diesen Anteilen bestimmte Zahnstangenkraft entspricht der erfindungsgemäßen idealisierten Spurstangenkraft, insbesondere einer Summe zweier Spurstangenkräfte. Hierbei kann die aus den Anteilen bestimmte Zahnstangenkraft auch nur einem Teil der Spurstangenkräfte, beispielsweise einem horizontalen, in Bewegungsrichtung der Zahnstange, liegenden Teil, entsprechen.
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Hierdurch können in vorteilhafter Weise Sensoren zur Erfassung einer Spurstangenkraft, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, eingespart werden und es ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Berechnung einer idealisierten Spurstangenkraft.
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Alternativ kann auch eine idealisierte Radlenkkraft in Abhängigkeit bekannter Trägheiten im Lenksystem, erfassbaren Beschleunigungen im Lenksystem und erfassbaren Kräften oder Momenten im Lenksystem bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Radlenkgeschwindigkeit oder eine zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierende Geschwindigkeit, insbesondere eine Zahnstangengeschwindigkeit, nur dann bestimmt, falls die Radlenkgeschwindigkeit oder die zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierende Geschwindigkeit größer als eine erste vorbestimmte Toleranzschwelle oder kleiner als eine zweite vorbestimmte Toleranzschwelle ist. Hierbei ist zu beachten, dass ohne Bestimmung der Radlenkgeschwindigkeit oder der zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit auch keine erfindungsgemäße Bestimmung der Reibkraftamplitude ermöglicht wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein nachteiliger Einfluss eines Messrauschens auf das erfindungsgemäße Verfahren verhindert werden. Insbesondere kann die erste vorbestimmte Toleranzschwelle und die zweite vorbestimmte Toleranzschwelle in Abhängigkeit eines Messrauschens eines Sensors zur Erfassung der Radlenkgeschwindigkeit oder zur Erfassung einer zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Messgröße gewählt werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass ein Vorzeichenwechsel detektiert wird, der ausschließlich aufgrund eines Einflusses von Messrauschen auftritt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Reibkraftamplitude nur dann bestimmt, falls zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt ein Phasenversatz zwischen einem Verlauf der Änderung der realen Radlenkkraft und einem Verlauf der Radlenkgeschwindigkeit oder ein Phasenversatz zwischen der zu der realen Radlenkkraft korrespondierenden Kraft, insbesondere der realen Spurstangenkraft, und der zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit, insbesondere der Zahnstangengeschwindigkeit, kleiner als ein vorbestimmter Phasenversatz ist, beispielsweise kleiner als 20°, insbesondere kleiner als 10°, ist. Hierbei kann die reale Spurstangenkraft wie vorhergehend erläutert geschätzt und aus dieser Schätzung die Änderung, beispielsweise durch Differenzierung der Schätzwerte, bestimmt werden, da es zur Bestimmung eines Phasenversatzes nicht unbedingt auf eine quantitativ korrekte Bestimmung der realen Radlenkkraft, sondern nur auf einen korrekte Bestimmung eines zeitlichen Verlaufs der realen Radlenkkraft ankommt.
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Ist der Phasenversatz kleiner als der vorbestimmte Phasenversatz, so kann in vorteilhafter Weise davon ausgegangen werden, dass die reale Radlenkkraft konstant oder annähernd konstant ist, da die reale Radlenkkraft an dem Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels (Wechselzeitpunkt) der Radlenkgeschwindigkeit ein Minimum oder Maximum aufweist. Gleiches gilt in analoger Weise für die vorhergehend erläuterten korrespondierenden Größen.
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Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein einfach zu implementierendes Verfahren zur Feststellung einer Konstanz der realen Radlenkkraft geschaffen.
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Alternativ kann eine Reibkraftamplitude auch nur dann bestimmt werden, falls zwischen dem ersten und dem Wechselzeitpunkt ein Phasenversatz zwischen einem Verlauf der Änderung der idealisierten Radlenkkraft kleiner als ein erster vorbestimmter Phasenversatz und zwischen dem Wechselzeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ein Phasenversatz zwischen einem Verlauf der Änderung der idealisierten Radlenkkraft kleiner als ein zweiter vorbestimmter Phasenversatz ist. Hierbei ist zu beachten, dass ein Phasenversatz zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem Wechselzeitpunkt verschieden von dem Phasenversatz zwischen dem Wechselzeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ist, insbesondere ein gegenteiliges Vorzeichen aufweist, da die idealisierte Radlenkkraft an dem Wechselzeitpunkt einen Sprung aufweist, der den Phasenversatz bezüglich der Radlenkgeschwindigkeit ebenfalls sprungartig ändert. Gleiches gilt in analoger Weise für die vorhergehend erläuterten korrespondierenden Größen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Reibkraftamplitude nur dann bestimmt, falls ein Betrag einer Radlenkbeschleunigung oder ein Betrag einer zu der Radlenkbeschleunigung korrespondierenden Beschleunigung, insbesondere einer Zahnstangenbeschleunigung, zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt kleiner als eine vorbestimmte Beschleunigung ist. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass eine Phasengleichheit zwischen einem Verlauf einer Änderung der realen oder idealisierten Radlenkkraft und der Radlenkgeschwindigkeit umso mehr gegeben ist, je niederfrequenter Anregungen einer Radführung oder mit der Radführung mechanisch gekoppelter Teile, z.B. einer Zahnstange und der mit der Zahnstange mechanisch gekoppelten Teile des Lenksystems, beispielsweise der Spurstange, sind. Die Radlenkbeschleunigung bezeichnet hierbei eine Beschleunigung bezüglich der Auslenkung lenkbarer Räder. Eine zur Radlenkbeschleunigung korrespondierende Beschleunigung bezeichnet hierbei eine Beschleunigung im Lenksystem, die über eine mechanische Übertragungsstrecke mit der Radlenkbeschleunigung in Zusammenhang steht. Hierbei kann sich die korrespondierende Beschleunigung also in gleichem Maße wie die Radlenkbeschleunigung ändern. Die korrespondierende Beschleunigung kann beispielsweise die Zahnstangenbeschleunigung sein. Die Zahnstangenbeschleunigung repräsentiert hierbei eine Anregung der Zahnstange. Je geringer die Zahnstangenbeschleunigung, desto niederfrequenter deren Anregung, desto geringer der beschriebene Phasenversatz und desto größer eine Konstanz der realen Spurstangenkraft.
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Selbstverständlich weist die Zahnstangenbeschleunigung bei einem Vorzeichenwechsel der Zahnstangengeschwindigkeit von Null verschiedene Werte auf. Der Betrag der Zahnstangenbeschleunigung bleibt hierbei jedoch unterhalb der vorbestimmten Beschleunigung.
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Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein nur auf einer Auswertung der Radlenkbeschleunigung beruhendes Verfahren zur Bestimmung einer Konstanz einer realen Radlenkkraft geschaffen, welches einfach und rechentechnisch effektiv implementierbar ist. Gleiches gilt in analoger Weise für die vorhergehend erläuterten korrespondierenden Größen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Reibkraftamplitude nur dann bestimmt, falls zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt ein Betrag einer weiteren fahrdynamischen und/oder lenksystemspezifischen Beschleunigung kleiner als eine vorbestimmte Beschleunigung ist. Auch die weiteren fahrdynamischen und/oder lenksystemspezifischen Beschleunigungen repräsentieren hierbei indirekt eine möglich Anregung der Radaufhängung oder der Zahnstange, beispielsweise Beschleunigungen von mit der Zahnstange mechanisch gekoppelten Teilen des Lenksystems. Weitere fahrdynamische und/oder lenksystemspezifische Beschleunigungen können beispielsweise eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs, eine Gierrate, eine Lenkwinkelbeschleunigung und/oder eine Lenkmomentbeschleunigung oder weitere verfügbare Messgrößen sein.
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Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auf eventuell bereits vorhandende Sensorsignale zurückgegriffen werden, um eine Konstanz einer realen Radlenkkraft oder einer korrespondierenden Kraft zu bestimmen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein erstes Filtersignal bestimmt, indem eine Radlenkbeschleunigung oder eine zu der Radlenkbeschleunigung korrespondierende Beschleunigung, insbesondere eine Zahnstangenbeschleunigung, und/oder eine weitere fahrdynamische und/oder lenksystemspezifische Beschleunigung mit einem ersten Tiefpassfilter, der eine erste Zeitkonstante aufweist, gefiltert wird. Weiter wird ein zweites Filtersignal bestimmt wird, indem die Radlenkbeschleunigung oder die zu der Radlenkbeschleunigung korrespondierende Beschleunigung, insbesondere die Zahnstangenbeschleunigung, und/oder eine weitere fahrdynamische und/oder lenksystemspezifische Beschleunigung mit einem zweiten Tiefpassfilter, der eine zweite Zeitkonstante aufweist, gefiltert wird. Die zweite Zeitkonstante ist größer als die erste Zeitkonstante. Insbesondere dient die Filterung mit dem ersten Tiefpassfilter einer Reduktion eines Messrauschens, wobei die erste Zeitkonstante in Abhängigkeit eines Messrauschens eines Sensors zur Erfassung der Radlenkbeschleunigung oder der Zahnstangenbeschleunigung und/oder der weiteren fahrdynamischen und/oder der lenksystemspezifischen Beschleunigung gewählt wird. Die Filterung mit dem zweiten Tiefpassfilter dient einem Ausschluss von Signalanteilen, deren Frequenzen der Annahme einer konstanten oder annähernd konstanten realen Radlenkkraft widersprechen.
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Die Reibkraftamplitude wird nur dann bestimmt, falls eine Differenz zwischen dem ersten Filtersignal und dem zweiten Filtersignal kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bestimmung einer Konstanz einer realen Radlenkkraft oder einer hierzu korrespondierenden Kraft.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine mittlere Reibkraftamplitude als Mittelwert einer vorbestimmten Anzahl von bereits bestimmten Reibkraftamplituden bestimmt wird. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genauere Bestimmung der Reibkraftamplitude.
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Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Reibkraftamplitude in einem Lenksystem, wobei die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Bestimmung einer idealisierten Radlenkkraft oder einer zu der idealisierten Radlenkkraft korrespondierenden Kraft, mindestens eine Einrichtung zur Bestimmung einer Radlenkgeschwindigkeit oder einer zu der Radlenkgeschwindigkeit korrespondierenden Geschwindigkeit und mindestens eine Auswerteeinrichtung umfasst. Weiter kann die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Bestimmung einer Radlenkbeschleunigung oder einer zu der Radlenkbeschleunigung korrespondierenden Beschleunigung umfassen. Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise eines der vorhergehend genannten Verfahren durchführbar.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Übersicht über ein Lenksystem,
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2 eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug,
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3 eine Darstellung der Coulombschen Reibung,
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4 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ermittlung der Reibkraftamplitude der in einer Lenkung auftretenden Reibung,
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5 eine schematische Darstellung einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6 ein schematische Darstellung einer Bestimmung einer Konstanz einer realen Spurstangenkraft und
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7 ein exemplarischer Verlauf einer Reibkraftamplitude und einer gemittelten Reibkraftamplitude.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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1 zeigt ein schematisches Übersichtsbild eines elektromechanischen Lenksystems, welches einleitend näher erläutert wurde.
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Die in 2 dargestellte Lenkung umfasst eine Zahnstange 10, an deren Enden links und rechts jeweils eine Spurstange 11 bzw. 12 angekoppelt ist. Die Spurstangen 11 und 12 verbinden die Zahnstange 10 mit Anbindungspunkten von Lenkhebelarmen 13 und 14 an nicht näher dargestellten Radträgern. An der Zahnstange 10 greift ein Lenkritzel 15 an, um einen fahrerseitig über ein Lenkrad 16 eingebrachten Lenkbefehl an der Zahnstange 10 zur Wirkung zu bringen. Ferner ist ein Servomotor 17 vorgesehen, um den Kraftfahrzeugführer beim Lenken zu unterstützen. Das Antriebsmoment des Servomotors 17 wird über ein Getriebe als Axialkraft an der Zahnstange 10 zur Wirkung gebracht.
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Die Zahnstange 10 führt eine translatorische Lenkbewegung in fahrzeugfeste Querrichtung aus, die über das Hebelwerk der Spurstangen 11 und 12 zur rotatorischen Lenkbewegung der Räder 27 (siehe 1) führt. Dazu wirken Kräfte auf die Zahnstange 10, wie zum Beispiel die Kraft des Lenkritzels 15, welches über eine Lenksäule 19 mit dem Lenkrad 16 verbunden ist. Besitzt das Fahrzeug eine Lenkkraftunterstützung, kann es, wie dargestellt, eine zweite Eingriffsstelle an der Zahnstange 10 geben, an der über ein Servoritzel 21 oder eine Kugelgetriebe 18 (siehe 1) eine translatorische Kraft in die Zahnstange 10 eingeleitet wird. In anderen Ausführungen befindet sich eine solche Eingriffsstelle nicht unmittelbar an der Zahnstange 10, sondern beispielsweise an der sich drehenden Lenksäule 19.
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Die Lenkung umfasst weiterhin einen Sensor 20, mit dem das Lenkradmoment oder Lenkmoment LM (siehe 1) des Kraftfahrzeugführers erfasst wird. Weiterhin ist das Unterstützungsmoment bzw. die Hilfskraft, mit der die Lenkkraftunterstützung wirkt, mittels Sensorsignale direkt oder indirekt bestimmbar.
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In der Bewegungsachse der Zahnstange 10 kann ein Kräftegleichgewicht wie folgt aufgestellt werden: m·wzstdotdot = Feps + Flenk – Fspx_li – Fspx_re (Formel 1)
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Dabei repräsentiert m eine Masse, die die Trägheiten aller bewegten relevanten Teile der Lenkung wie der Zahnstange 10 und der eingreifenden Zahnräder sowie des Rotors des Servomotors 17 berücksichtigt. Die Zahnstangenposition wird mit wzst bezeichnet. In Mittelstellung bzw. bei Lenkwinkel Null gilt wzst = 0. Die Zahnstangengeschwindigkeit wird mit wzstdot und die Zahnstangenbeschleunigung mit wzstdotdot bezeichnet. Feps ist die Kraft auf die Zahnstange 10, die das Servoritzel 21, welches durch die Lenkkraftunterstützungseinrichtung angetrieben wird, aufbringt. Flenk ist die Kraft auf die Zahnstange 10, die durch das Lenkmoment des Kraftfahrzeugführers entsteht.
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Die elektromechanische Lenkung (EPS) bietet als Sensorsignale ein EPS-Motormoment MomEps, welches auch als Unterstützungsmoment bezeichnet werden kann, ein Lenkmoment MomLenk sowie die Rotorgeschwindigkeit und den Rotorwinkel des Servomotors 17 an. Der Servomotor 17 treibt eine Schnecke an, die ein Schneckenrad antreibt, welches wiederum fest mit einem Servoritzel 21 verbunden ist, das die Zahnstangenkraft Feps erzeugt. Dadurch wird das Drehmoment des Servomotors 17 zweifach untersetzt. Jedoch sind auch andere Getriebekonfigurationen zwischen dem Servomotor 17 und der Zahnstange 10 möglich, wie beispielsweise ein Riementrieb oder dergleichen.
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Aus dem Unterstützungsmoment des Servomotors 17 und dem Lenkmoment MomLenk lassen sich die Kräfte Feps und Flenk unter Berücksichtigung der jeweiligen Zahnradgeometrien leicht berechnen. Für die Summe der x-Anteile (horizontalen Anteile) der linken und rechten Spurstangenkraft Fspx_Sum gilt: Fspx_Sum = Fspxli + Fspxre = Feps + Flenk – m·wzstdotdot (Formel 2)
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Im Unterschied zur Messung der einzelnen Spurstangenkräfte Fspx_re, Fspx_li lässt sich hier zwar lediglich die Summe Fspx_Sum der Spurstangenkräfte ermitteln. Wie oben dargestellt, wird z.B. für die Bestimmung der erfindungsgemäßen Reibkraftamplitude FrAmpGesamt (siehe 6) lediglich die Summe der Kräfte benötigt.
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Formel 2 beschreibt ein reibungsfreies Berechnungsmodell für die Summe Fspx_Sum der Spurstangenkräfte Jedoch treten in einer Lenkung an verschiedenen Stellen Reibungseffekte auf, welche die ideale Formel 2 verfälschen. Die Reibungseffekte können in der nachfolgend näher erläuterten Art und Weise modelliert und in der Berechnung der Summe Fspx_Sum berücksichtigt werden. Der Vorteil des nachfolgend erläuterten Verfahrens besteht darin, die Stärke der Reibungseffekte während des Betriebes des Kraftfahrzeugs „online“ zu ermitteln, so dass während des Betriebs etwaig auftretende Veränderungen berücksichtigt werden können.
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Reibung tritt zum Beispiel an den Lagerpunkten der Zahnstange 10, d.h. den Druckstücken 22 und 23, welche dem Lenkritzel 15 und dem Servoritzel 21 gegenüberliegen, auf. An einer solchen Reibstelle tritt entweder Gleitreibung Fr = –sign(Vrel)·FrAmp (Formel 3) auf, bei der die Richtung der Reibkraft Fr vom Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit Vrel und der Reibkraftamplitude FrAmp abhängt, oder Haftreibung: abs(Fr) <= FrAmp; Vrel = 0 (Formel 4).
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Im Fall der Haftreibung ist die Reibkraft in Richtung und Größe nicht genau bekannt, sondern nur, dass ihr Betrag kleiner als die Reibkraftamplitude FrAmp ist. Lediglich im Fall der Gleitreibung kann Größe und Richtung der Reibkraft aus dem Reibwert mu, der Druckkraft Fdr und der Relativgeschwindigkeit Vrel genau bestimmt werden. Die Druckkraft Fdr bezeichnet hierbei die Kraft, mit welcher die Zahnstange 10 an die Druckstücke 22, 23 andrückt.
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In 3 ist beispielhaft der Zusammenhang zwischen der Reibkraftamplitude FrAmp und der Druckkraft Fdr dargestellt. Die Reibkraftamplitude FrAmp ergibt sich nach dem Coulombschen Reibgesetz FrAmp = mu·Fdr (Formel 5).
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Zur Berücksichtigung der Reibung an den beiden Druckstücken 22 und 23 muss Formel 2 mit den Reibkräften Fr1 und Fr2 der beiden Druckstücke 22 und 23 erweitert werden: Fspx_Sum = Feps + Flenk – m·wzstdotdot + Fr1 + Fr2 (Formel 6) bzw. Fspx_Sum = Feps + Flenk – m·wzstdotdot – sign(wzstdot)·FrAmp1 – sign(wzstdot)·FrAmp2 = Feps + Flenk – m·wzstdotdot – sign(wzstdot)·(FrAmp1 + FrAmp2) (Formel 7).
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Hierbei bezeichnet Fr1 die Reibkraft am ersten Druckstück 22 und Fr2 die Reibkraft am zweiten Druckstück 23 und FrAmp1, FrAmp2 die jeweiligen Amplituden.
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Dies gilt für den Fall der Gleitreibung. Im Fall von eine Zahnstangengeschwindigkeit von wzstdot = 0 bzw. Haftreibung lässt sich nur feststellen, dass: Feps + Flenk – m·wzstdotdot – (FrAmp1 + FrAmp2) < Fspx_Sum < Feps + Flenk – m·wzstdotdot + (FrAmp1 + FrAmp2) (Formel 8) gilt.
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Der für die Bestimmung der Reibkraftamplituden FrAmp1 und FrAmp2 naheliegende Weg über FrAmp1 = mu1·Fdr1 (Formel 9), FrAmp2 = mu2·Fdr2 (Formel 10) ist hingegen nicht zielführend, da sich die Reibwerte mu1 und mu2 sowie die Druckkräfte Fdr1 und Fdr2 nicht ausreichend genau bestimmen lassen.
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Es ist jedoch nicht erforderlich, die Reibkraftamplituden FrAmp1, FrAmp2 exakt zu ermitteln, da für die vorliegenden Zwecke die Bestimmung der Summe beider FrAmp1 + FrAmp2 bereits ausreichend ist. Bei dem oben skizzierten Lenkungssystem kommt erleichternd dazu, dass Reibkraftamplituden FrAmp1 und FrAmp2 konstant sind, sich also nicht durch variierende Werte der Reibwerte mu1, mu2 und der Druckkräfte Fdr1, Fdr2 ändern. Der hier eingeschlagene Weg ist wie folgt:
Die Kräfte Feps, Flenk und die Trägheitskraft m·wzstdotdot können mit Hilfe bekannter Sensorsignale, nämlich beispielsweise Lenkradmoment LM (siehe 1), EPS-Motormoment (Unterstützungsmoment), Rotorgeschwindigkeit oder Lenkradgeschwindigkeit sowie konstruktiver Parameter der Lenkung, nämlich beispielsweise Massen und Übersetzungsverhältnissen ermittelt werden: Fbek = Feps + Flenk – m·wzstdotdot (Formel 11).
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Hierbei bezeichnet Fbek die idealisierte Spurstangenkraft.
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Formel 6 schreibt sich damit wie folgt: Fspx_Sum = Fbek + Fr1 + Fr2 (Formel 12).
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Die Relativgeschwindigkeit an den beiden Reibstellen der Druckstücke 22 und 23 ist gleich, nämlich die Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot und damit bekannt.
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4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ermittlung der Reibkraftamplitude der in einer Lenkung auftretenden Reibung. Während des Betriebs treten Zeitpunkte auf, in denen die Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot an den Reibstellen das Vorzeichen wechselt, wie dies in 4 für einen Wechselzeitpunkt T3 gezeigt ist.
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An diesem Wechselzeitpunkt T3 „klappt“ auch die Reibkraft „um“, da sie ihr Vorzeichen wechselt. Dies schlägt sich im Verlauf der idealisierten Spurstangenkraft Fbek deutlich nieder. Dieses „Umklappen“ wird dazu genutzt, die Reibkraftamplituden FrAmp1, FrAmp2 zu identifizieren. Dabei wird angenommen, dass sich in einem begrenzten Zeitraum um den Wechselzeitpunkt T3 herum, d.h. von einem ersten Zeitpunkt T1 bis zu einem zweiten Zeitpunkt T2, die Spurstangenkraftsumme Fspx_Sum, also die reale Spurstangenkraft, nicht wesentlich ändert bzw. konstant bleibt: Fspx_Sum = Fspx_Sum_Const (Formel 13).
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Der Wert der idealisierten Spurstangenkraft Fbek wird vor dem Umklappen (FbekvorT3) und nach dem Umklappen (FbekNachT3) bestimmt. Mit Hilfe der Annahme in Formel 13 kann daraus die Summe beider Reibkraftamplituden bestimmt werden.
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Für T1 < t < T3 gilt: Fspx_Sum_Const + (FrAmp1 + FrAmp2) = FbekVorT2 (Formel 14).
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Für T3 < t < T2 gilt: Fspx_Sum_Const – (FrAmp1 + FrAmp2) = FbekNachT2 (Formel 15).
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Zieht man diese beiden Gleichungen voneinander ab, erhält man 2·(FrAmp1 + FrAmp2) = FbekVorT2 – FbekNachT2 (Formel 16) und kann Summe der Reibkraftamplituden FrAmp1, FrAmp2 berechnen: FrAmp1 + FrAmp2 = (FbekVorT2 – FbekNachT2)/2 = FrAmpGesamt (Formel 17).
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Zusammenfassend wird also das Vorzeichen der Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot beobachtet. Wegen Signalstörungen wie Rauschen und dergleichen kann das Vorzeichen nur dadurch bestimmt werden, indem ein positives oder negatives Vorzeichen dann zugeordnet wird, wenn die Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot außerhalb eines Toleranzbandes liegt (vgl. 4). Innerhalb dieses Toleranzbandes wird die Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot als Null angenommen.
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Für die Bestimmung der Reibkraftamplituden FrAmp1, FrAmp2 sind nur solche Zeitpunkte geeignet, an denen zum ersten der Vorzeichenwechsel der Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot eindeutig ist, also vor dem Wechselzeitpunkt T3 ein anderes Vorzeichen als nach dem Wechselzeitpunkt T3 besteht, und zum zweiten der Vorzeichenwechsel der Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot hinreichend schnell erfolgt, d.h. der Zeitraum, in dem die Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot innerhalb des Toleranzbandes liegt, kurz ist.
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Mit der vorstehend anhand der 2 bis 4 erläuterten Methode lässt sich die erfindungsgemäße Reibkraftamplitude (FrAmpGesamt) als Summe der beiden Reibkraftamplituden FrAmp1, FrAmp2 gemäß Formel 17 in einer elektromechanischen Lenkung genau bestimmen.
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Für die vorhergehend beschriebene Herleitung der erfindungsgemäßen Bestimmung der Reibkraftamplitude (FrAmpGesamt) wurde hierbei ein Lenksystem mit einer mechanischen Kopplung eines Lenkrades 16 mit lenkbaren Rädern 27 angenommen (siehe 1), wobei für die Herleitung nur die Reibung durch die Druckstücke 22, 23 (siehe 2) und nicht eine Reibung durch eine Radführung berücksichtigt wurde. Diese wurde in der beschriebenen Herleitung als vernachlässigbar angenommen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise aber auch dann eine korrekte Bestimmung der Reibkraftamplitude (FrAmpGesamt), falls eine Reibung in der Radführung nicht zu vernachlässigen ist. In diesem Fall wird die ermittelte Reibkraftamplitude (FrAmpGesamt) höher ausfallen als in dem Fall, in dem keine Reibung in der Radführung auftritt.
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In 5 ist eine schematische Darstellung einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem Steuergerät, beispielsweise der in 1 dargestellte Steuer- und Auswerteeinrichtung 28, werden zwei Speichervektoren, die jeweils n Speicherstellen umfassen, gespeichert. Die Speichervektoren werden in jedem Zeitschritt aktualisiert, wobei ein neuer Wert gespeichert wird und jeweils der älteste noch in einer Speicherstelle gespeicherte Wert entfällt. In den Speicherstellen eines ersten Speichervektors wird eine Vorzeicheninformation der Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot gespeichert. Beispielsweise kann ein Wert von Null kein eindeutiges Vorzeichen, ein Wert von 1 ein positiven Vorzeichen und ein Wert von –1 ein negatives Vorzeichen repräsentieren. In den Speicherstellen eines zweiten Speichervektors werden die Werte der Summe Fspx_Sum der idealisierten Spurstangenkraft gespeichert (siehe Formel 1). In 5 sind exemplarisch 9 Zeitpunkte dargestellt, die zwischen einem ersten Zeitpunkt T1 und einem zweiten Zeitpunkt T2 liegen, dargestellt. Bei einer Abtastrate von z.B. 100 Hz hat das dargestellte Zeitfenster eine Länge von 110 ms. In den Speicherstellen des ersten Speichervektors ist Vorzeicheninformation der Zahnstangengeschwindigkeit, die zu den Zeitpunkten T1, T2 und den dazwischenliegenden Zeitpunkten erfasst wurde, gespeichert. In den Speicherstellen des zweiten Speichervektors sind die Werte der Summe Fspx_Sum der idealisierten Spurstangenkraft, die zu den Zeitpunkten T1, T2 und den dazwischenliegenden Zeitpunkten berechnet wurde, gespeichert.
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Zu jedem Zeitschritt wird von einer ersten (ältesten) Speicherstelle des ersten Speichervektors, der dem in 5 dargestellten linken Rand der Zeitleiste, hier also dem Zeitpunkt T1, entspricht, ausgehend bis zur zentralen Speicherstelle des ersten Speichervektors, der dem in 5 dargestellten dritten Wechselzeitpunkt T3 entspricht, eine Anzahl gleicher Vorzeichen gezählt. Analog wird in dem Zeitschritt wird von einer letzten (jüngsten) Stelle des ersten Speichervektors, der dem in 5 dargestellten rechten Rand der Zeitleiste, hier also dem Zeitpunkt T2, entspricht, ausgehend bis zur zentralen Speicherstelle des ersten Speichervektors ebenfalls eine Anzahl gleicher Vorzeichen gezählt.
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Falls die Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der ersten und der zentralen Speicherstelle eine vorbestimmte Anzahl, beispielsweise 2, überschreitet und die Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der letzten und der zentralen Speicherstelle ebenfalls eine vorbestimmte Anzahl, beispielsweise ebenfalls 2, überschreitet und die Vorzeichen der Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der ersten und der zentralen Speicherstelle ungleich der Vorzeichen der Anzahl gleicher Vorzeichen zwischen der letzten und der zentralen Speicherstelle sind, dann kann ein Vorzeichenwechsel der Zahnstangengeschwindigkeit wzstdot festgestellt werden.
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Sollte ebenfalls die (reibungsbehaftete) Summe Fspx_Sum der Spurstangenkräfte Fspx_li, Fspx_re innerhalb des Zeitfensters vom ersten Zeitpunkt T1 bis zum zweiten Zeitpunkt T2 konstant oder annähernd konstant sein, so kann die Reibkraftamplitude FrAmpGesamt gemäß Formel 17 bestimmt werden. Hierzu wird die idealisierte Spurstangenkraft FbekVorT3 vor dem Wechselzeitpunkt T3 bestimmt, indem ein Mittelwert über eine vorbestimmte Anzahl von Werten beginnend mit dem in der ersten Speicherstelle gespeicherten Wert bestimmt wird. Beispielsweise kann über den in der ersten Speicherstelle und die in einer vorbestimmten Anzahl nRand, beispielsweise 1, von Speicherstellen, die auf die erste Speicherstelle folgen, gespeicherten Werte gemittelt werden und so der Wert FbekVorT3 ermittelt werden. Analog kann über den in der letzten Speicherstelle und die in einer vorbestimmten Anzahl nRand, beispielsweise 1, von Speicherstellen, die der letzten Speicherstelle vorangehen, gespeicherten Werte gemittelt werden und so der Wert FbekNachT3 ermittelt werden.
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In 6 ist ein schematische Darstellung einer Bestimmung einer Konstanz einer realen Spurstangenkraft dargestellt. Hierbei wird eine Eingangsgröße Yin, beispielsweise die Zahnstangenbeschleunigung wzstdotdot, in einem ersten Filterschritt FS1 mit einem Tiefpassfilter gefiltert, der eine erste Zeitkonstante Tf1 aufweist. Zeitliche parallel wird die Eingangsgröße Yin in einem zweiten Filterschritt FS2 mit einem Tiefpassfilter gefiltert, der eine zweite Zeitkonstante Tf2 aufweist. Dies kann für eine vorbestimmte Anzahl von Zeitschritten erfolgen, wobei in einem Speicherschritt SS die an dem aktuellen Zeitschritt in dem ersten Filterschritt FS1 gefilterte Eingangsgröße Yin in einem ersten Speichervektor mit einer vorbestimmten Anzahl von Speicherstellen und die in dem zweiten Filterschritt FS2 gefilterte Eingangsgröße Yin in einem zweiten Speichervektor mit einer vorbestimmten Anzahl von Speicherstellen gespeichert wird. In einem Differenzschritt DS wird für alle korrespondierenden Speicherstellen des ersten und des zweiten Speichervektors überprüft, ob die Differenz zwischen den in den korrespondierenden Speicherstellen gespeicherten Werten kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert s ist. Ist für alle Speicherstellen die Differenz zwischen den in den korrespondierenden Speicherstellen gespeicherten Werten kleiner als der vorbestimmte Schwellwert s, so kann angenommen werden, dass die Summe Fspx_Sum konstant ist.
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7 zeigt einen exemplarischen Verlauf einer Reibkraftamplitude FrAmpGesamt und einer gemittelten Reibkraftamplitude FrAmpGesamt_m. Eine direkte Filterung von Messgrößen, die zur Berechnung der idealisierten Spurstangenkräfte Fbek, FbekVorT3, FbekNachT3 verwendet werden, könnte diese Werte in unzulässiger Weise verfälschen und somit zu einer falsch berechneten Reibkraftamplitude FrAmpGesamt führen. Um eine Glättung des Ergebnisses zu erhalten, wird die erfindungsgemäße bestimmte Reibkraftamplitude FrAmpGesamt für eine vorbestimmte Anzahl von Zeitschritten beispielsweise in einem Speichervektor gespeichert, wobei dann zu dem aktuellen Zeitschritt über die aktuelle Reibkraftamplitude FrAmpGesamt und die in den Speicherstellen der vorangegangenen Zeitschritte gespeicherten Werte gemittelt wird um eine gemittelte Reibkraftamplitude FrAmpGesamt zu bestimmen. Der Speichervektor kann zu Beginn des Verfahrens mit Nullen initialisiert sein. Mit zunehmender Zeit füllt sich der Speichervektor mit von Null abweichenden Werten und die gemittelte Reibkraftamplitude FrAmpGesamt_m nähert sich dem korrekten Wert an. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Streuung im Vergleich zu der Bestimmung der Reibkraftamplitude FrAmpGesamt an nur einem einzelnen Zeitschritt minimiert. Die damit verbundene Verzögerung der korrekten Bestimmung der Reibkraftamplitude FrAmpGesamt kann in Kauf genommen werden, da sich die Reibkraftamplitude FrAmpGesamt wesentlich langsamer ändert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zahnstange
- 11
- Spurstange
- 12
- Spurstange
- 13
- Lenkhebelarm
- 14
- Lenkhebelarm
- 15
- Lenkritzel
- 16
- Lenkrad
- 17
- Servomotor
- 18
- Getriebe
- 19
- Lenksäule
- 20
- Lenkradmomentsensor
- 21
- Servoritzel
- 22
- Druckstück
- 23
- Druckstück
- 24
- erster Abschnitt
- 25
- Kreuzgelenk
- 26
- zweiter Abschnitt
- 27
- Räder
- 28
- Steuergerät
- 29
- Drehwinkelsensor
- m
- Trägheit
- wzst
- Zahnstangenposition
- wzstdot
- Zahnstangengeschwindigkeit
- wzstdotdot
- Zahnstangenbeschleunigung
- Feps
- Kraft
- Flenk
- Kraft
- Fspx_li
- Spurstangekraft
- Fspx_re
- Spurstangenkraft
- Fspx_Sum
- Summe der Spurstangenkrafte
- Fbek
- idealisierte Spurstangenkraft
- FbekVorT3
- idealisierte Spurstangenkraft
- FbekNachT3
- idealisierte Spurstangenkraft
- FrAmpGesamt
- Reibkraftamplitude
- FrAmpGesamt_m
- gemittelte Reibkraftamplitude
- T1
- erster Zeitpunkt
- T2
- zweiter Zeitpunkt
- T3
- Wechselzeitpunkt
- Yin
- Eingangsgröße
- FS1
- Filterschritt
- FS2
- Filterschritt
- Tf1
- erste Zeitkonstante
- Tf2
- zweite Zeitkonstante
- SS
- Speicherschritt
- s
- Schwellwert
- DS
- Differenzschritt
- nRand
- Anzahl
- mu
- Reibwert
- Tdr
- Druckkraft
- Vrel
- Relativgeschwindigkeit
