DE102012012386A1

DE102012012386A1 - Verfahren zur Bestimmung mechanischer Endanschläge zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle eines Lenksystems und Lenksystem

Info

Publication number: DE102012012386A1
Application number: DE201210012386
Authority: DE
Inventors: Ingo Swieter; Stefan Wilske
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Endanschläge (12) zwischen einer Eingangswelle (2a) und einer Ausgangswelle (2b) eines Lenksystems (50), die über ein Torsionselement drehelastisch verbunden sind, mittels einer Eingangswelle (2a), einer Ausgangswelle (2b), einem Torsionselement, einem Drehmomentsensor (3), einem Lenkwinkelsensor (15), einer Auswerteeinheit (6), einem Servomotor (7), einem Winkelsensor, einem Getriebe (9) und einer Zahnstange (5), wobei anhand der Daten des Drehmomentsensors (3) ein Drehmoment (M) bestimmt wird und in Abhängigkeit des Drehmoments (M) der Servomotor (7) ein Unterstützungsmoment auf die Zahnstange (5) aufbringt, wobei der Winkelsensor einen Winkelverlauf (φA) der Ausgangswelle (2b) oder einen mit dem Winkelverlauf (φA) der Ausgangswelle (2b) gekoppelten Winkelverlauf (φM) ermittelt, wobei der Winkelverlauf (φA, φM) des Winkelsensors mit dem Winkelverlauf (φE) des Lenkwinkelsensors (15) verglichen wird, wobei bei einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit (φ'E) des Lenkwinkelsensors (15) die Winkelgeschwindigkeit (φ'A, φ'M) des Winkelsensors ermittelt wird, wobei als minimaler bzw. maximaler Anschlagwinkel (φmin, φmax) der Winkel (φ) am Drehmomentsensor (3) festgelegt wird, bei dem die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten (φ'E, φ'A, φ'M) von Lenkwinkelsensor (15) und Winkelsensor kleiner/gleich einem Schwellwert ist, sowie eines solchen Lenksystems (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Endanschläge zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle eines Lenksystems sowie ein solches Lenksystem.
In Kraftfahrzeugen werden heutzutage in der Regel Servolenksysteme eingesetzt. In solchen Servolenksystemen erzeugt ein Aktor, z. B. ein Servomotor oder ein hydraulischer Aktor, ein Unterstützungsmoment, um einen Kraftfahrzeugführer bei einem Lenkmanöver zu unterstützen. Das Unterstützungsmoment wird hierbei mittels einer Steuer- oder Regeleinrichtung unter anderem in Abhängigkeit eines von dem Kraftfahrzeugführer aufgebrachten Lenk- oder Handmoments bestimmt. Das Lenk- oder Handmoment wird hierbei z. B. mittels einer Lenkhandhabe, beispielsweise eines Lenkrades, auf eine Lenksäule des Lenksystems aufgebracht und mittels eines Drehmomentsensors erfasst.
Um eine möglichst genaue Bestimmung des Drehmoments zu ermöglichen, weisen die Drehmomentsensoren in der Regel eine möglichst lineare Charakteristik in einem vorbestimmten Drehwinkelbreich auf, wobei die Charakteristik eine Zusammenhang zwischen einer relativen Verdrehung und dem Drehmoment wiedergibt. Z. B. kann ein Drehwinkel zwischen einer Ein- und Ausgangswelle des Drehmomentsensors von ±4° ein Drehmoment von ±8 Nm wiedergeben. Zum mechanischen Schutz des Drehmomentsensors werden im Allgemeinen mechanische Anschlage verwendet, die eine maximale Verdrehung begrenzen, sodass keine mechanische Beschädigung des Drehmomentsensors auftreten kann.
Befindet sich der Drehmomentsensor in einer solchen Anschlagstellung, so kann das anliegende Drehmoment allerdings nicht mehr auf Grundlage der linearen Charakteristik ermittelt werden.
Aus der DE 10 2007 000 596 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines von einer Welle übertragenen Drehmoments bekannt, wobei eine relative Verdrehung zweier über ein elastisch verformbares Element miteinander drehgekoppelter Wellenabschnitte gemessen wird. Die relative Verdrehung der Wellenabschnitte ist durch bei einer vorgegebenen Drehmomentschwelle wirksam werdende Mitnehmeranschläge an den Wellenabschnitten begrenzt. Auf diese Weise erfolgt eine relative Verdrehung der Wellenabschnitte nur in einem unteren Drehmomentbereich, d. h. bis zur vorgegebenen Drehmomentschwelle. Ein die relative Verdrehung erfassendes Sensorelement kann auf diesem kleinen Drehmomentbereich abgestimmt sein und eine entsprechend hohe Auflösung haben.
Dabei ist die genaue Lage der mechanischen Endanschläge wichtig, wobei sich diese jedoch während der Lebensdauer des Lenksystems verändern kann, beispielsweise aufgrund von Verschleiß.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Endanschläge zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle eines Lenksystems sowie ein Lenksystem zu schaffen, mittels derer im laufenden Betrieb die Winkellage der mechanischen Endanschläge bestimmt und korrigiert werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Lenksystem umfasst eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, ein Torsionselement, einen Drehmomentsensor, einen Lenkwinkelsensor, eine Auswerteeinheit, einen Servomotor, einen Winkelsensor, ein Getriebe und eine Zahnstange, wobei anhand der Daten des Drehmomentsensors ein Drehmoment bestimmt wird und in Abhängigkeit des Drehmoments der Servomotor ein Unterstützungsmoment auf die Zahnstange aufbringt, wobei der Winkelsensor einen Winkelverlauf der Ausgangswelle oder einen mit dem Winkelverlauf der Ausgangswelle gekoppelten Winkelverlauf ermittelt, wobei der Winkelverlauf des Winkelsensors mit dem Winkelverlauf des Lenkwinkelsensors verglichen wird, wobei bei einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkelsensors die Winkelgeschwindigkeit des Winkelsensors ermittelt wird, wobei als minimaler bzw. maximaler Anschlagwinkel φ_min, φ_max der Winkel φ am Drehmomentsensor festgelegt wird, bei dem die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten von Lenkwinkelsensor und Winkelsensor kleiner/gleich einem Schwellwert ist. Der Winkelsensor kann dabei direkt als Drehwinkelsensor an der Ausgangswelle angeordnet sein oder aber als Rotorlagesensor des Servomotors ausgebildet sein, da die Winkellage des Rotorsensors unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes mit der Winkellage der Ausgangswelle gekoppelt ist. Der Winkelsensor kann auch als Positionssensor der Zahnstange ausgebildet sein, wobei die Position der Zahnstange mit einem Winkel der Ausgangswelle und der Rotorlage korrespondiert.
Dabei wird ausgenutzt, dass vor Erreichen der mechanischen Endanschläge Winkeländerungen bei dem Lenkwinkelsensor schneller einsetzen als die Winkeländerungen am Rotorlagesensor des Servomotors bzw. an der Ausgangswelle aufgrund des Unterstützungsmoments des Servomotors. Dies soll gedanklich kurz näher erläutert werden Dabei sei angenommen, dass zunächst kein Handmoment vorhanden ist. Dann ist auch kein Differenzsignal zwischen dem Lenkwinkelsensor und dem Rotorlagesensor vorhanden bzw. das Differenzsignal ist null. Wird ein Handmoment aufgegeben, so ändert sich der Winkel des Lenkwinkelsensors, der des Rotorlagesensors bleibt zunächst unverändert. Der Grund liegt darin, dass das Handmoment nur zur Verdrehung des Torsionselements geführt hat, also nicht unmittelbar auf die Ausgangswelle durchgreift. Wenn die Lenkbewegung einsetzt, dann ändern sich beide Signale mit der gleichen Geschwindigkeit, wenn das Handmoment konstant bleibt. Entsprechend bewirkt eine Änderung des Rotorlagesignals eine Änderung an der Ausgangswelle. Wird das Handmoment weiter erhöht, so ändert sich zunächst wieder das Lenkwinkelsignal, nicht jedoch das Rotorlagesignal. Nachdem das neu berechnete Unterstützungsmoment vom Servomotor aufgebracht wird, ist das Differenzsignal wieder null Führt jedoch die Handmomentänderung in den mechanischen Endanschlag, so kann das Torsionselement nicht mehr verdreht werden. Dann führt die Winkeländerung der Eingangswelle unmittelbar zu einer Änderung der Winkellage der Ausgangswelle und somit über die Zahnstange und das Getriebe auf den Servomotor. Ab diesem Zeitpunkt eilt die Winkeländerung des Lenkwinkelsensors der Winkeländerung des Rotorlagesensors bzw. Ausgangswelle nicht mehr vor, sondern die Winkelgeschwindigkeit ist gleich (unter Vernachlässigung der zeitlichen Verzögerung über das Getriebe).
Somit kann im laufenden Betrieb die genaue Winkellage bzw. der Anschlagwinkel der mechanischen Endanschläge bestimmt werden, die sich beispielsweise aufgrund von Verschleiß oder Ähnlichem verändern können. Somit kann zuverlässiger ein so genannter Missbrauchsfall erkannt werden und die mechanische Belastung zurückgeführt werden, indem die Unterstützungsleistung durch den Servomotor reduziert wird. Dies erlaubt wiederum, die Zahnstange und gegebenenfalls weitere Elemente des Lenksystems für geringere mechanische Belastungen auszulegen. Dadurch kann das Lenksystem kompakter und preiswerter ausgebildet werden.
Die Eingangs- und Ausgangswelle bilden dabei einen Teil einer Lenksäule aus. Die Ausgangswelle kann dabei beispielsweise eine Ritzelwelle sein, die über ein Lenkritzel die mechanische Verbindung zwischen Lenksäule mit der Zahnstange darstellt.
Der Drehmomentsensor kann z. B. ein die Verdrehung repräsentierendes Signal, z. B. eine Ausgangsspannung, erzeugen. Der Drehmomentsensor kann hierbei ein induktiver, kapazitiver, optischer oder resistiver Sensor sein.
Weiter sei angemerkt, dass zwischen einer Lenkhandhabe und der Lenksäule (genauer der Eingangswelle) ein Getriebe angeordnet sein kann, mit welchem ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen einem Winkel der Lenkhandhabe und einem korrespondierenden Lenkwinkel an der Eingangswelle eingestellt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lenksystem mindestens zwei Endanschläge auf. Die Endanschläge begrenzen eine relative Verdrehung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle. Somit begrenzen die Endanschläge eine Verdrehung oder Auslenkung des Torsionselements. Die Endanschläge können hierbei z. B., an einem Gehäuse des Drehmomentsensors und/oder des Torsionselements und/oder an der Lenksäule angeordnet sein oder von diesen ausgebildet werden. Insbesondere können die Endanschläge auch durch eine aufeinander abgestimmte geometrische Dimensionierung der Eingangswelle und der Ausgangswelle ausgebildet werden. Hierbei kann die Eingangswelle z. B. über eine Öffnung der Ausgangswelle in diese eingeführt werden, wobei eine Dimensionierung der Eingangswelle oder eines Querschnitts der Eingangswelle derart auf eine Dimensionierung der Öffnung abgestimmt ist, dass die Eingangswelle gegenüber der Ausgangswelle zwischen einem minimalen und einem maximalen Anschlagwinkel frei verdrehbar ist.
In einer Ausführungsform wird das Drehmoment in einem ersten Drehwinkelbereich mittels einer ersten Abbildungsfunktion und in einem zweiten Drehwinkelbereich mittels einer zweiten Abbildungsfunktion bestimmt, wobei die erste Abbildungsfunktion von der zweiten Abbildungsfunktion verschieden ist. Die Abbildungsfunktionen gehen hierbei einen Zusammenhang zwischen der relativen Verdrehung und dem aufgebrachten Drehmoment wieder. Die Drehwinkelbereiche umfassen hierbei Drehwinkel, die sich bei einer relativen Verdrehung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle einstellen. Somit kann das Drehmoment in einem großen Lenkwinkelbereich ermittelt werden. Insbesondere kann somit das Drehmoment in einem ersten Drehwinkelbereich bestimmt werden, in welchem ein erster, beispielsweise linearer, Zusammenhang zwischen einem Drehwinkel und dem anliegenden Drehmoment besteht sowie in einem von diesem ersten Bereich abweichenden zweiten Bereich, in welchem ein von diesem ersten Zusammenhang abweichender Zusammenhang besteht.
In einer weiteren Ausführungsform ist im ersten Drehwinkelbereich ist ein Drehwinkel kleiner als der maximaler Anschlagwinkel und größer als der minimaler Anschlagwinkel. Der erste Drehwinkelbereich bezeichnet somit den Bereich von einem minimalen bis zu einem maximalen Anschlagwinkel oder einen Teilbereich hiervon. Ein Anschlagwinkel bezeichnet hierbei einen Drehwinkel, in welchem die gegeneinander verdrehbaren Abschnitte der Lenksäule erstmalig eine Anschlagstellung einnehmen oder das Torsionselement erstmalig eine Anschlagstellung einnimmt. Die Anschlagstellung bezeichnet eine Stellung der Eingangswelle zu der Ausgangswelle mit einem Drehwinkel, in welcher ein mechanischer Kontakt zwischen den gegeneinander verdrehbaren Abschnitten oder ein mechanischer Kontakt des Torsionselements mit den Endanschlägen besteht. Der Anschlagwinkel bezeichnet hierbei den Drehwinkel, bei welchem der mechanische Kontakt zwischen den gegeneinander verdrehbaren Abschnitten oder zwischen dem Torsionselement und den Endanschlägen erstmalig auftritt, also eine erstmalige Berührung erfolgt. Hierbei ist zu beachten, dass bei einer weiteren relativen Verdrehung der Eingangswelle und der Ausgangswelle immer noch ein mechanischer Kontakt zwischen den gegeneinander verdrehbaren Abschnitten oder ein mechanischer Kontakt des Torsionselements mit den Endanschlägen gegeben ist und somit weiter eine Anschlagstellung vorliegt, die entsprechenden Winkel jedoch nicht den erfindungsgemäßen Anschlagwinkeln entsprechen müssen.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Drehmoment mittels der ersten Abbildungsfunktion für einen Drehwinkelbereich zwischen einem minimalen und einem maximalen Anschlagwinkel bestimmt werden kann, wodurch in konsequenter Weise das Drehmoment mittels der zweiten Abbildungsfunktion für einen hiervon verschiedenen Drehwinkelbereich bestimmt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist im zweiten Drehwinkelbereich ein Drehwinkel größer oder gleich dem maximalen Anschlagwinkel oder ein Drehwinkel kleiner oder gleich dem minimalen Anschlagwinkel. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass der erste Drehwinkelbereich ein Bereich von Drehwinkeln zwischen dem minimalen und dem maximalen Anschlagwinkel umfasst, wobei der zweite Drehwinkelbereich Drehwinkel außerhalb des ersten Drehwinkelbereichs, insbesondere Drehwinkel, in denen sich die gegeneinander verdrehbaren Abschnitte der Lenksäule (Ein- und Ausgangswelle) oder das Torsionselement in einer Anschlagstellung befindet, umfasst. Im zweiten Drehwinkelbereich wird das Drehmoment mittels der zweiten Abbildungsfunktion bestimmt, die einen Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel der sich in Anschlagstellung befindlichen gegeneinander verdrehbaren Abschnitte der Lenksäule oder des sich in Anschlagstellung befindenden Torsionselement zum resultierenden Drehmoment wiedergibt.
Durch die erfindungsgemäße Ermittlung des Anschlagwinkels während des Betriebes des Lenksystems können dabei der erste und zweite Drehwinkelbereich während des Betriebes angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Drehmoment in einem ersten Drehwinkelbereich ausschließlich oder zumindest in Abhängigkeit einer Torsionssteifigkeit des Torsionselements bestimmt. Das Torsionselement kann hierbei einen linearen oder quasi-linearen Zusammenhang von Drehwinkel der Ein- zur Ausgangswelle und dem Drehmoment haben. Beispielsweise kann das Torsionselement eine Federsteifigkeit von 2 Nm pro Grad aufweisen. Insbesondere kann das Torsionselement und dessen mechanische Eigenschaften, z. B. die Torsionssteifigkeit, derart gewählt werden, dass das Torsionselement zwischen dem minimalen und dem maximalen Anschlagwinkel eine lineare Charakteristik aufweist. Hieraus folgt, dass die erste Abbildungsfunktion in vorteilhafter Weise eine lineare und somit einfach zu berechnende Funktion ist. Vorstellbar ist aber auch, dass nur in einem Teilbereich des ersten Drehwinkelbereichs das Torsionselement eine lineare Charakteristik aufweist. Durch die Verwendung eines derart linearen oder quasi-linearen Torsionselements ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst einfach Bestimmung eines Drehmoments aus einer relativen Verdrehung.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die mechanischen Endanschläge eine vorbestimmte Torsionssteifigkeit und/oder ein vorbestimmtes Elastizitätsmodul auf. Hierbei wird das Drehmoment im zweiten Drehwinkelbereich mindestens in Abhängigkeit der Torsionssteifigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls der mechanischen Endanschläge bestimmt. Die mechanisch ausgebildeten Endanschläge weisen hierbei also vorbekannte mechanische Eigenschaften auf, mittels deren Kenntnis ein anliegendes Drehmoment bestimmt werden kann. Befinden sich die gegeneinander verdrehbaren Abschnitte oder das Torsionselement in einer Anschlagstellung, so gilt nicht mehr der Zusammenhang zwischen Drehwinkel und Drehmoment des ersten Drehwinkelbereichs (erste Abbildungsfunktion). Insbesondere gilt nicht mehr der lineare Zusammenhang zwischen Drehwinkel und Drehmoment, der z. B. durch das Torsionselement im ersten Drehwinkelbereich oder in einem Teilbereich des ersten Drehwinkelbereichs gewährleistet wird. Vielmehr wird der Zusammenhang zwischen dem anliegenden Drehmoment und dem Drehwinkel auch von mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Torsionssteifigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls, der Endanschläge beeinflusst. Werden die Endanschläge von dem ersten und dem zweiten Abschnitt bzw. durch deren aufeinander abgestimmte Dimensionierung ausgebildet, so wird der Zusammenhang zwischen dem anliegenden Drehmoment und dem Drehwinkel auch von mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Torsionssteifigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls und/oder der mechanischen Festigkeit, des ersten und des zweiten Abschnitts bestimmt.
Sind z. B. die Endanschläge mit einer hohen Torsionssteifigkeit oder einer hohen mechanischen Festigkeit ausgebildet, so ist für eine vorbestimmte relative Drehung in einer Anschlagstellung ein höheres Drehmoment erforderlich als bei einer Ausbildung der mechanischen Endanschläge mit einer weichen (niedrigen) Torsionssteifigkeit oder einer weniger festen Festigkeit.
Bevorzugt werden die mechanischen Endanschläge mit einer niedrigen Torsionssteifigkeit ausgebildet, wodurch eine exakte und hoch aufgelöste Bestimmung eines Drehmoments im zweiten Drehwinkelbereich, insbesondere in einem Drehwinkelbereich, in welchem eine Anschlagstellung vorliegt, ermöglicht.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass mechanische Eigenschaften von mechanischen Endanschlägen zur Bestimmung des Drehmoments genutzt werden können.
Hierbei ist das mechanische Übertragungssystem im ersten Drehwinkelbereich als ein so genanntes Ein-Feder-System zu betrachten, insbesondere falls das Torsionselement als Torsionsstab ausgebildet ist. In einer Anschlagstellung, insbesondere im zweiten Drehwinkelbereich, ergibt sich das mechanische Übertragungssystem als Zwei-Feder-System, dessen Federn parallel geschaltet sind. Eine erste Feder wird hierbei durch das mechanische Übertragungsverhalten des Torsionselements im ersten Drehwinkelbereich, also insbesondere durch mechanische Übertragungseigenschaften eines Torsionsstabes, gebildet. Die zweite Feder ergibt sich dann aus mechanischen Eigenschaften der Endanschläge bei mechanischer Beanspruchung durch eine weitere Verdrehung des Torsionselements. Hierbei gibt die erste Abbildungsfunktion beispielsweise das mechanische Übertragungsverhalten der ersten Feder und die zweite Abbildungsfunktion das mechanische Übertragungsverhalten der Parallelschaltung der ersten und zweiten Feder wieder.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Drehmoment im zweiten Drehwinkelbereich zusätzlich in Abhängigkeit einer Torsionssteifigkeit der Lenksäule bestimmt. Sind die mechanischen Endanschläge an nicht drehbaren Teilen der Lenksäule oder drehbaren Teilen der Lenksäule, insbesondere am zweiten Abschnitt der Lenksäule, befestigt oder werden von diesen ausgebildet, so kann ein, insbesondere ein hohes, Drehmoment ebenfalls zu einer Verdrehung oder Torsion der Lenksäule führen. In diesem Fall kann das mechanische Übertragungsverhalten des gesamten Systems als Drei-Feder-System beschrieben werden. Als dritte Feder kann hierbei die Lenksäule oder der entsprechende Abschnitt der Lenksäule betrachtet werden, der bei hohen Drehmomenten ebenfalls tordiert wird. Somit ergibt sich das mechanische Gesamtsystem als eine Serienschaltung der dritten Feder mit der Parallelschaltung der ersten beiden Federn, wodurch die zweite Abbildungsfunktion das mechanische Übertragungsverhalten der in Serie geschalteten drei Federn wiederspiegelt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Unterstützungsmoment eines Aktors zur Erzeugung eines Unterstützungsmoments reduziert, falls ein Betrag des bestimmten Drehmoments größer als ein vorbestimmter Betrag ist, wobei das bestimmte Drehmoment zu einem Drehwinkel aus dem zweiten Drehwinkelbereich korrespondiert. Das Drehmoment mit dem vorbestimmten Betrag kann hierbei zu einem Drehwinkel korrespondieren, der um einen vorbestimmten, geringen oder hohen Betrag größer als der maximale Anschlagwinkel oder kleiner als der minimale Anschlagwinkel ist. Wird ein derartiges Drehmoment erfasst, so kann in einfacher Art und Weise ein so genannter mechanischer Missbrauch der Lenkung erkannt werden, insbesondere ein zu hohes Moment, welches zu einer unzulässigen mechanischen Beanspruchung des Lenksystems führt. Eine derartige Erkennung hat dann eine Reduzierung der Lenkunterstützung zur Folge, was wiederum zu einer reduzierten mechanischen Beanspruchung des Lenksystems führt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise z. B. eine Zahnstange auf geringere mechanische Belastung ausgelegt werden, da eine zu hohe mechanische Belastung zuverlässig erkannt und vermieden werden kann.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Kostenersparnis bei der mechanischen Auslegung bei Elementen des Lenksystems.
Insgesamt ergibt sich das Verwenden von mindestens zwei Drehwinkelbereichen eine verbesserte Funktionalität der Servolenkung, da ein Drehmoment zuverlässig und genau für einen großen Lenkwinkelbereich, insbesondere auch bei resultierenden Drehwinkeln, bei denen eine Anschlagstellung vorliegt, möglich ist. Hierdurch können besondere Regel- und Steueralgorithmen mit einer hohen Regelgüte durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lenksystems,
2 eine perspektivische Ansicht von Abschnitten einer Lenksäule und
3 eine schematische Darstellung einer Kennlinie mit zwei Drehwinkelbereichen.
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Lenksystems 50 mit einer elektromechanischen Servolenkung dargestellt. Hierbei umfasst das Lenksystem 50 eine Lenkhandhabe 1, die als Lenkrad ausgebildet ist. Über die Lenkhandhabe 1 ist ein Lenkwinkel von beispielsweise ±720° einstellbar. Weiter umfasst das Lenksystem eine Lenksäule 2, die einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist. Der erste Abschnitt stellt dabei eine Eingangswelle 2a und der zweite Abschnitt stellt eine Ausgangswelle 2b der Lenksäule 2 dar. An der Eingangswelle 2a ist ein Lenkwinkelsensor 15 angeordnet, der einen Lenkwinkel φ_E der Eingangswelle 2a misst Dabei sei angemerkt, dass der Lenkwinkel φ_E üblicherweise ungleich dem Lenkwinkel an den der Lenkhandhabe 1 ist, da Lenkhandhabe 1 und Lenksäule 2 üblicherweise über ein hier nicht dargestelltes Getriebe gekoppelt sind. Weiter umfasst das Lenksystem einen Drehmomentsensor 3. Der Drehmomentsensor 3 erfasst eine relative Verdrehung zwischen der Eingangswelle 2a und der Ausgangswelle 2b, wobei ein nicht dargestelltes Torsionselement die Eingangswelle 2a mit der Ausgangswelle 2b der Lenksäule 2 drehelastisch verbindet. Über ein Getriebe 4, das auch als Lenkritzel bezeichnet werden kann, ist die Lenksäule 2 mit einer Zahnstange 5 mechanisch verbunden. Weiter umfasst das Lenksystem 50 eine Auswerteeinrichtung 6, einen Servomotor 7, der als Elektromaschine ausgebildet sein kann, einen Rotorlagesensor 8 und ein weiteres Getriebe 9, durch das eine Abtriebsachse des Servomotors 7 mit der Zahnstange 5 mechanisch verbunden ist. Der Drehmomentsensor 3 erzeugt hierbei in Abhängigkeit einer relativen Verdrehung zwischen der Eingangswelle 2a und der Ausgangswelle 2b ein Signal, welches den die relative Verdrehung repräsentierenden Drehwinkel φ repräsentiert. Der Drehmomentsensor 3 ist datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung 6 verbunden und überträgt das den Drehwinkel φ repräsentierende Signal datentechnisch an die Auswerteeinrichtung 6. Diese ermittelt in Abhängigkeit des Drehwinkels φ ein Drehmoment M. Vorstellbar ist selbstverständlich auch, dass der Drehmomentsensor 3 über Mittel zur Bestimmung des Drehmoments M verfügt und nur dieses Drehmoment M an die Auswerteeinrichtung 6 übermittelt. Hierbei ist also die Auswerteeinrichtung 6 bzw. der Teil der Auswerteeinrichtung 6, der ein Drehmoment M in Abhängigkeit des Drehwinkels φ ermittelt, in den Drehmomentsensor 3 integriert.
Die Auswerteeinrichtung 6 bestimmt in Abhängigkeit des Drehwinkels φ ein Drehmoment M, wobei das Drehmoment M in einem ersten Drehwinkelbereich T1 (siehe z. B. 3) mittels einer ersten Abbildungsfunktion und in einem zweiten Drehwinkelbereich T2 mittels einer zweiten Abbildungsfunktion bestimmt wird, was später noch näher erläutert wird.
In 2 sind Abschnitte einer Lenksäule 2 schematisch dargestellt. Dargestellt ist unter anderem ein als Eingangswelle 2a ausgebildeter erster Abschnitt der Lenksäule 2, der über ein als Torsionsstab 11 ausgebildetes Torsionselement mit einer als Ritzelwelle ausgebildeten Ausgangswelle 2b der Lenksäule 2 drehelastisch verbunden ist. Die Ausgangswelle 2b verbindet hierbei den Torsionsstab 11 mit dem vorhergehend erläuterten Lenkritzel bzw. Getriebe 4 (siehe 1). Die in 2 dargestellte Gesamtanordnung ist in der Regel an einem Ende der Lenksäule 2 angeordnet, welches einem Ende der Lenksäule 2 entgegengesetzt ist, an dem eine Lenkhandhabe 1 (siehe 1) angeordnet ist.
Der in 1 dargestellte Drehmomentsensor 3 besteht z. B. aus einem Sensorteil, welcher an der Ritzelwelle und/oder an einem nicht drehbaren Gehäuse, welches nicht dargestellt ist, befestigt wird und einem auf der Eingangswelle 2a befestigten Signalgeber, der z. B. als Magnetring ausgeführt sein kann. Der Sensorteil kann hierbei z. B. einen oder mehrere gezahnte Statoren, der mitdrehend auf dem Lenkritzel angeordnet ist, und einen oder mehrere Hall-Sensoren umfassen, die fest an dem Gehäuse befestigt sind. Der Drehmomentsensor 3 kann z. B. nach einem magnetoresistiven Funktionsprinzip arbeiten, wobei eine Höhe und eine Ausrichtung eines magnetischen Flusses zwischen Statoren von den Hall-Sensoren erfasst und ausgewertet werden. Die Höhe und Ausrichtung des magnetischen Flusses können ein Maß für das anliegenden Lenkmoment darstellen.
Weiter sind in 2 mechanische Endanschläge 12 dargestellt, die durch die Eingangswelle und eine Öffnung der Ausgangswelle 2b, durch welche die Eingangswelle 2a in die Ausgangswelle 2b eingeführt ist, ausgebildet werden. Insbesondere ist eine geometrische Dimensionierung eines Querschnitts der Eingangswelle 2a und eine geometrische Dimensionierung der Öffnung der Ritzelwelle derart aufeinander angepasst, dass die Eingangswelle 2a relativ gegenüber der Ausgangswelle 2b nur in einem vorbestimmten Winkelintervall, insbesondere zwischen einem minimalen Anschlagwinkel φ_min und einem maximalen Anschlagwinkel φ_max verdreht werden kann.
Insbesondere aufgrund mechanischer Belastungen kann es zu einem Verschleiß kommen, sodass sich der minimale Anschlagwinkel φ_min und der maximale Anschlagwinkel φ_max im Laufe des Betriebes verändern können, insbesondere größer werden können. Dies kann bei der Berechnung der Momente M durch die Auswerteeinheit 6 dazu führen, dass je nach Berechnungsvorschrift zu hohe oder zu niedrige Momente M durch den Servomotor 7 erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird nun der maximale bzw. minimale Anschlagwinkel φ_max, φ_min während des laufenden Betriebes des Lenksystems bestimmt und entsprechend nachgeführt. Entsprechend der neu bestimmten minimalen und maximalen Anschlagwinkel φ_min, φ_max können dann auch die Berechnungsvorschriften in der Auswerteeinheit 6 angepasst werden.
Hierzu werden der Winkelverlauf φ_M des Rotorlagesensors 8 und der Winkelverlauf φ_E des Lenkwinkelsensors 15 miteinander verglichen, wobei bei einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit φ'_E des Lenkwinkelsensors 15 die Winkelgeschwindigkeit des Rotorlagesensors 8 ermittelt wird, wobei als minimaler und maximaler Anschlagwinkel φ_min bzw. φ_max der Winkel φ am Drehmomentsensor 3 festgelegt wird, bei dem die Differenz der Winkelgeschwindigkeit φ'_E, φ'_M vom Lenkwinkelsensor 15 und dem Rotorlagesensor 8 kleiner/gleich einem Schwellwert ist. Der Schwellwert ist dabei sehr klein und ist nahe Null.
Dies soll nachfolgend näher erläutert werden. Bringt der Kraftfahrzeugführer ein Handmoment auf die Lenkhandhabe 1 auf und dreht die Lenkhandhabe, so führt dieses Handmoment zu einer Drehung der Eingangswelle 2a. Diese Drehung der Eingangswelle 2a wird durch den Lenkwinkelsensor 15 als Lenkwinkel φ_E erfasst. In Lenkwinkelbereichen φ_min < φ_E < φ_max führt die Drehung der Eingangswelle 2a zu einer Torsion des Torsionselements, wobei die Ausgangswelle 2b zunächst keine Drehung erfährt (φ_A = 0). Der Drehmomentsensor 3 misst die Verdrehung φ des Torsionselements und übermittelt diese an die Auswerteeinheit 6. Diese berechnet ein Moment M, das durch den Servomotor 7 als Unterstützungsmoment aufgebracht werden soll. Über das Getriebe 9 wird dann das Unterstützungsmoment auf die Zahnstange 5 übertragen. φ_M ändert sich also. Diese Bewegung der Zahnstange 5 wird über das Getriebe 4 auf die Ausgangswelle 2b übertragen, sodass sich φ_A ändert. Der Winkelverlauf φ_M bzw. φ_A läuft also dem Winkelverlauf φ_E nach. Bleibt dann das Handmoment konstant, so ändern sich φ_E und φ_M mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit. Allerdings ist die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zum Zeitpunkt der Änderung, wenn also das Handmoment erstmalig aufgebracht wird, sehr groß, da φ_M sich zunächst nicht verändert hat.
Wird hingegen der minimale oder maximale Anschlagwinkel φ_min, φ_max erreicht, bewirkt eine weitere Drehung der Eingangswelle 2a auch unmittelbar eine Verdrehung der Ausgangswelle 2b. Diese Änderung des Winkels φ_A wird über das Getriebe 4 auf die Zahnstange 5 übertragen, was über das Getriebe 9 auch die Rotorlage des Servomotors 7 zurückwirkt. Im mechanischen Anschlag sind also φ_E, φ_A und φ_M zwangsgekoppelt und die Winkelgeschwindigkeiten φ'_E und φ'_M (sowie φ'_A) sind gleich.
Hierdurch lässt sich der Anschlagwinkel während des Betriebes genau erfassen. Dies kann beispielsweise zu einer Anpassung der Drehwinkelbereiche mit unterschiedlichen Kennlinien M(φ) in der Auswerteeinheit 6 benutzt werden, insbesondere wenn auch im mechanischen Endanschlag und darüber hinaus ein Drehmoment bestimmt werden soll.
Dabei sei angemerkt, dass der Lenkwinkelsensor 15 auch im Drehmomentsensor 3 integriert sein kann.
In 3 ist eine schematische Kennlinie mit dem ersten Drehwinkelbereich T1 und dem zweiten Drehwinkelbereich T2 dargestellt. Hierbei gibt die Kennlinie 10 einen Zusammenhang zwischen dem die relative Verdrehung zwischen der Eingangswelle 2a und der Ausgangswelle 2b repräsentierenden Drehwinkel φ und dem anliegenden Drehmoment M wieder. Der erste Drehwinkelbereich T1 umfasst hierbei Drehwinkel φ, die kleiner einem maximalen Anschlagwinkel φ_max und größer einem minimalen Anschlagwinkel φ_min sind. Ein Anschlagwinkel φ_min, φ_max bezeichnet hierbei einen Drehwinkel φ, in welchem z. B. gegeneinander verdrehbare Abschnitte einer Lenksäule 2 eine Anschlagstellung einnehmen, also sich erstmalig mechanisch berühren (siehe 2). Der zweite Drehwinkelbereich T2 umfasst hierbei Drehwinkel φ, die größer oder gleich dem maximalen Anschlagwinkel φ_max oder kleiner oder gleich dem minimalen Anschlagwinkel φ_min sind. Im ersten Drehwinkelbereich T1 kann der Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel φ und dem Drehmoment M als linearer Zusammenhang beschrieben werden. Im zweiten Drehwinkelbereich T2 besteht größtenteils ebenfalls ein linearer Zusammenhang zwischen Drehwinkel φ und Drehmoment M. Allerdings, insbesondere für Drehwinkel, die nur wenig größer als der maximale Anschlagwinkel φ_max oder wenig kleiner als der minimale Anschlagwinkel φ_min sind, gilt kein linearer Zusammenhang zwischen Drehwinkel φ und Drehmoment M im zweiten Drehwinkelbereich T2. Hierdurch können sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Drehmoments M im zweiten Drehwinkelbereich T2 ergeben, falls die zweite Abbildungsfunktion als lineare Funktion bestimmt wird. Hierbei sei angemerkt, dass der zweite Drehwinkelbereich T2 üblicherweise nur wenige Grad, insbesondere 1° bis 4°, umfasst.
Insbesondere kann der zweite Drehwinkelbereich T2 eine Größe aufweisen, die kleiner als die Größe des ersten Drehwinkelbereichs T1 ist. Auch kann der zweite Drehwinkelbereich T2 eine Größe aufweisen, die gleich der Größe des ersten Drehwinkelbereichs T1 ist.
Umfasst der erste Drehwinkelbereich T1 beispielsweise einen Winkelbereich von ]–4°...+4°[, so kann der zweite Drehwinkelbereich T2 einen Winkelbereich von z. B. [+4°...+6°] und einen Winkelbereich von [–4°...–6°] umfassen. Hierbei beträgt der maximale Anschlagwinkel φ_max 4° und der minimale Anschlagwinkel φ_min –4°.
Der zweite Drehwinkelbereich T2 kann jedoch auch größere Winkelbereiche von z. B. [+4°...+8°] und [–4°...–8°] umfassen. Auch kann der zweite Drehwinkelbereich T2 kleinere Winkelbereiche von z. B. [+4°...+5°] und [–4°...–5°] umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Lenkhandhabe
2: Lenksäule
2a: Eingangswelle
2b: Ausgangswelle
3: Drehmomentsensor
4: Getriebe
5: Zahnstange
6: Auswerteeinrichtung
7: Servomotor
8: Rotorlagesensor
9: Getriebe
10: Kennlinie
11: Torsionsstab
12: Endanschläge
15: Lenkwinkelsensor
50: Lenksystem
φ_E: Drehwinkel der Eingangswelle
φ_M: Rotorwinkel
φ_A: Drehwinkel der Ausgangswelle
φ: Drehwinkel de Torsionselements
M: Drehmoment
φ_min: minimaler Anschlagwinkel
φ_max: maximaler Anschlagwinkel
T1: erster Drehwinkelbereich
T2: zweiter Drehwinkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007000596 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Endanschläge (12) zwischen einer Eingangswelle (2a) und einer Ausgangswelle (2b) eines Lenksystems (50), die über ein Torsionselement drehelastisch verbunden sind, mittels einer Eingangswelle (2a), einer Ausgangswelle (2b), einem Torsionselement, einem Drehmomentsensor (3), einem Lenkwinkelsensor (15), einer Auswerteeinheit (6), einem Servomotor (7), einem Winkelsensor, einem Getriebe (9) und einer Zahnstange (5), wobei anhand der Daten des Drehmomentsensors (3) ein Drehmoment (M) bestimmt wird und in Abhängigkeit des Drehmoments (M) der Servomotor (7) ein Unterstützungsmoment auf die Zahnstange (5) aufbringt, wobei der Winkelsensor einen Winkelverlauf (φ_A) der Ausgangswelle (2b) oder einen mit dem Winkelverlauf (φ_A) der Ausgangswelle (2b) gekoppelten Winkelverlauf (φ_M) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelverlauf (φ_A, φ_M) des Winkelsensors mit dem Winkelverlauf (φ_E) des Lenkwinkelsensors (15) verglichen wird, wobei bei einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit (φ'_E) des Lenkwinkelsensors (15) die Winkelgeschwindigkeit (φ'_A, φ'_M) des Winkelsensors ermittelt wird, wobei als minimaler bzw. maximaler Anschlagwinkel (φ_min, φ_max) der Winkel (φ) am Drehmomentsensor (3) festgelegt wird, bei dem die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten (φ'_E, φ'_A, φ'_M) von Lenkwinkelsensor (15) und Winkelsensor kleiner/gleich einem Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M) vom Drehmomentsensor (3) in einem ersten Drehwinkelbereich (T1) mittels einer ersten Abbildungsfunktion bestimmt wird, wobei das Drehmoment (M) vom Drehmomentsensor (3) in einem zweiten Drehwinkelbereich (T2) mittels einer zweiten Abbildungsfunktion bestimmt wird, wobei die erste Abbildungsfunktion von der zweiten Abbildungsfunktion verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Drehwinkelbereich (T1) ein Drehwinkel (φ) kleiner als ein maximaler Anschlagwinkel (φ_max) und größer als ein minimaler Anschlagwinkel (φ_min) ist, wobei ein Anschlagwinkel (φ_min, φ_max) einen Drehwinkel (φ) bezeichnet, in welchem die gegeneinander verdrehbare Eingangs- und Ausgangswelle (2a, 2b) oder das Torsionselement erstmalig eine Anschlagstellung einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Drehwinkelbereich (T2) ein Drehwinkel (φ) größer oder gleich dem maximalen Anschlagwinkel (φ_max) oder ein Drehwinkel (φ) kleiner oder gleich dem minimalen Anschlagwinkel (φ_min) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M) in einem ersten Drehwinkelbereich (T1) ausschließlich oder zumindest in Abhängigkeit einer Torsionssteifigkeit des Torsionselements bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Endanschläge (12) eine vorbestimmte Torsionssteifigkeit und/oder ein vorbestimmtes Elastizitätsmodul aufweisen, wobei das Drehmoment (M) im zweiten Drehwinkelbereich (T2) mindestens in Abhängigkeit der Torsionssteifigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls der mechanischen Endanschläge (12) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (M) im zweiten Drehwinkelbereich (T2) zusätzlich in Abhängigkeit einer Torsionssteifigkeit einer Lenksäule (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmoment des Servomotors (7) reduziert wird, falls ein Betrag des bestimmten Drehmoments (M) größer als ein vorbestimmter Betrag ist, wobei das bestimmte Drehmoment (M) zu einem Drehwinkel (φ) aus dem zweiten Drehwinkelbereich (T2) korrespondiert.
Elektromechanisches Lenksystem (50) in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Eingangswelle (2a) und eine Ausgangswelle (2b), die über ein Torsionselement drehelastisch verbunden sind, wobei die Verdrehung zwischen der Eingangswelle (2a) und der Ausgangswelle (2b) durch mechanische Endanschläge (12) begrenzt ist, einen Drehmomentsensor (3), einen Lenkwinkelsensor (15), eine Auswerteeinheit (6), einen Servomotor (7), einen Winkelsensor, ein Getriebe (9) und eine Zahnstange (5), wobei anhand der Daten des Drehmomentsensors (3) ein Drehmoment (M) bestimmt wird und in Abhängigkeit des Drehmoments (M) der Servomotor (7) über das Getriebe (9) ein Unterstützungsmoment auf die Zahnstange (5) aufbringt, wobei der Winkelsensor einen Winkelverlauf (φ_A) der Ausgangswelle (2b) oder einen mit dem Winkelverlauf (φ_A) der Ausgangswelle (2b) gekoppelten Winkelverlauf (φ_M) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelverlauf (φ_A, φ_M) des Winkelsensors mit dem Winkelverlauf (φ_E) des Lenkwinkelsensors (15) verglichen wird, wobei bei einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit (φ'_E) des Lenkwinkelsensors (15) die Winkelgeschwindigkeit (φ'_A, φ'_M) des Winkelsensors ermittelt wird, wobei als minimaler bzw. maximaler Anschlagwinkel (φ_min, φ_max) der Winkel (φ) am Drehmomentsensor (3) festgelegt wird, bei dem die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten (φ'_E, φ'_A, φ'_M) von Lenkwinkelsensor (15) und Winkelsensor kleiner/gleich einem Schwellwert ist.
Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung und Auswertung des Differenzsignals in der Auswerteeinheit (6) erfolgt.