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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Lenksysteme für Kraftfahrzeuge sowie Verfahren zum Betreiben von Lenksystemen, insbesondere in der Nähe eines Endanschlags.
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Technischer Hintergrund
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Bei sehr dynamischen Fahrmanövern können auf die gelenkten Räder eines Kraftfahrzeugs hohe Querkräfte wirken, die plötzlich auftreten und zu schnellen Bewegungen der Lenkstange führen können. Je nach Lenkwinkel kann dies dazu führen, dass die Lenkstange mit hoher Geschwindigkeit gegen einen Endanschlag bewegt wird und an diesen anschlägt. Dadurch kann es zu mechanischen Beschädigungen kommen. Diese können sich in akustischen, haptischen oder funktionalen Beeinträchtigungen beim Betrieb des Lenksystems zeigen.
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Wenn sich bei einem Lenksystem mit Lenkunterstützung die Lenkstange des Lenksystems mit sehr hoher Geschwindigkeit auf einen Endanschlag zubewegt, gelangt der Unterstützungsmotor des elektromechanischen Unterstützungsantriebs entweder in den generatorischen Betrieb oder in den Bereich der Feldschwächung. Diese Betriebszustände ermöglichen es in der Regel nicht, hohe Unterstützungskräfte bzw. Bremskräfte von dem Unterstützungsantrieb abzurufen, um die Bewegung der Lenkstange abzubremsen und vor dem Auftreffen auf den mechanischen Endanschlag abzufangen. Dadurch kann in Lenksystemen mit Lenkunterstützung üblicherweise keine ausreichende Dämpfung einer schnellen Bewegung vor dem Endanschlag realisiert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 024 489 A1 ist eine Vorrichtung zum Unterstützen einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs bekannt. Eine Steuereinheit erzeugt ein Steuersignal, um eine von dem Stellglied auf die Lenkung ausgeübte Kraft zu beeinflussen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Stellsignal in Abhängigkeit von einer ermittelten Lenkgeschwindigkeit zu erzeugen. Weiterhin ist die Steuereinheit ausgebildet, ein Handlenkmomentsignal zu erfassen und das Stellsignal zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des Handlenkmomentsignals repräsentierten Handlenkmoments zu erzeugen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 002 292 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch betriebenen Servolenksystems bekannt, bei dem über dem gesamten Lenkwinkelbereich ein von dem Lenkwinkel und der aktuellen Drehzahl des Elektromotors abhängiges Dämpfungsmoment auf den Elektromotor beaufschlagt wird. Durch diese lenkwinkelabhängige Dämpfung sollen hohe Motordrehzahlen insbesondere kurz vor dem Endanschlag reduziert werden, so dass die Wirkung einer vorhandenen Software-Endanschlag-Funktion aufrechterhalten bleiben kann, der ansonsten aufgrund einer Feldschwächung oder eines generatorischen Betriebs des Lenkunterstützungsmotors nicht ordnungsgemäß funktionieren würde.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen sich vermeiden lässt, dass bei sehr dynamischen Fahrmanövern eine auf die gelenkten Räder wirkende Querkraft zu einer schnellen Bewegung der Zahnstange des Lenksystems gegen einen Endanschlag führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Lenksystem für ein Kraftfahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems mit Lenkunterstützung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Betreiben eines Stellmotors eines Lenkunterstützungsantriebs des Lenksystems mit einer Software-Endanschlag-Funktion zum Realisieren eines Software-Endanschlags, so dass ein Anschlag einer Lenkstange des Lenksystems an einem mechanischen Endanschlag abgefangen wird,
- – Ermitteln einer zusätzlichen Dämpfungskraft abhängig von einer Position und einer Geschwindigkeit der Lenkstange; und
- – Aufbringen der zusätzlichen Dämpfungskraft durch den Stellmotor der Lenkunterstützung in das Lenksystem, bevor der durch die Software-Endanschlag-Funktion realisierte Endanschlag erreicht wird.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine zusätzliche Dämpfungskraft gegen eine Bewegung der Lenkstange des Lenksystems entgegen ihrer Bewegungsrichtung auszuüben, wenn sich diese mit hoher Geschwindigkeit in Richtung eines Endanschlags bewegt. Die zusätzliche Dämpfungskraft kann dabei abhängig von der Position der Lenkstange und dessen Geschwindigkeit eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit der Lenkstange hin zu deren Endanschlägen so zu reduzieren bzw. zu beschränken, dass die übliche, als Software-Endanschlag bezeichnete Reduzierung der Anschlagskraft an einen mechanischen Endanschlag wirken kann.
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Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten der Lenkstange hin zu einem Endanschlag, wenn sich der Stellmotor des Lenkunterstützungsantriebs in einem generatorischen Betrieb oder in einem Bereich der Feldschwächung befindet, ist es nicht möglich, den Software-Endanschlag so zu realisieren, dass die Lenkstange vor dem mechanischen Endanschlag gestoppt wird, so dass der mechanische Endanschlag nicht oder nur mit einer geringen Kraft beaufschlagt wird. Dadurch ist es nicht möglich, die herkömmliche Software-Endanschlag-Funktion auch in Lenksystemen vorzusehen und zu betreiben, bei denen die Gefahr einer von außen bewirkten schnellen Bewegung der Lenkstange besteht, ohne die Dimensionierung des Lenkunterstützungsantriebs ändern zu müssen.
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Weiterhin kann die Software-Endanschlag-Funktion realisiert werden, indem eine einer von einem Fahrer aufgebrachten Lenkkraft entgegenwirkende Kraft durch den Stellmotor erzeugt wird, um die Lenkkraft zu kompensieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Software-Endanschlag-Funktion nur dann aktiviert wird, wenn die Lenkstange eine Position erreicht, die in einem Bereich innerhalb von 0,5–5% des gesamten Bewegungsbereichs liegt, wobei die Software-Endanschlag-Funktion insbesondere unmittelbar an dem jeweiligen mechanischen Endanschlag aktiviert wird.
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Weiterhin kann die zusätzliche Dämpfungskraft als ein Produkt einer sich aus der Geschwindigkeit der Lenkstange mithilfe eines Dämpfungskennfelds ergebenden Dämpfungskraft und einem sich aus der Position der Lenkstange mithilfe eines Lenkwinkelkennfelds ergebenen Faktors ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die zusätzliche Dämpfungskraft so ermittelt werden, dass sie nur gegen eine Bewegung der Lenkstange hin zu dem Endanschlag wirkt, so dass bei einer Bewegung der Lenkstange weg von dem Lenkanschlag die zusätzliche Dämpfungskraft 0 ist bzw. die zusätzliche Dämpfungskraft nicht aufgebracht wird.
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Die zusätzliche Dämpfungskraft kann so ermittelt werden, dass sie mit sich veringerndem Abstand der Position der Lenkstange von dem Endanschlag und mit steigender Geschwindigkeit der Lenkstange in Richtung des Endanschlags ansteigt.
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Weiterhin kann die zusätzliche Dämpfungskraft abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zusätzliche Dämpfungskraft nur in einem Geschwindigkeitsbereich über einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt und/oder aufgebracht wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Lenksystems mit Lenkunterstützung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – einen Stellmotor eines Lenkunterstützungsantriebs des Lenksystems mit einer Software-Endanschlag-Funktion zum Realisieren eines Software-Endanschlags zu betreiben, so dass ein Anschlag einer Lenkstange des Lenksystems an einem mechanischen Endanschlag abgefangen wird,
- – eine zusätzliche Dämpfungskraft abhängig von einer Position und einer Geschwindigkeit der Lenkstange zu ermitteln;
- – die zusätzliche Dämpfungskraft durch den Stellmotor der Lenkunterstützung in das Lenksystem entgegen einer Bewegungsrichtung der Lenkstange aufzubringen, bevor der durch die Software-Endanschlag-Funktion realisierte Endanschlag erreicht wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Lenksystem vorgesehen, das eine Lenkstange, einen Stellmotor, der mit der Lenkstange zum Aufbringen einer Kraft gekoppelt ist, und die obige Vorrichtung umfasst.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Lenksystem mit einem Lenkunterstützungsantrieb; und
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2 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung einer Funktion zur Stellbewegung der Lenkstange aufgrund eines äußeren Einflusses.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Lenksystems 1 gezeigt. Das Lenksystem 1 weist eine Lenkstange 2 auf, die mit gelenkten Rädern gekoppelt ist, so dass diese gemäß einem vorgegebenen Lenkwinkel durch eine translatorische Bewegung der Lenkstange 2 gestellt werden können. Die Bewegung der Lenkstange 2 ist mechanisch durch Endanschläge begrenzt, die schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 3 versehen sind.
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Die Lenkstange 2 ist über eine erste mechanische Kopplung 4 mit einer Lenkwelle 5 gekoppelt, über das ein über ein Lenkrad 7 aufgebrachtes Fahrerhandmoment auf die Lenkstange 2 als Handlenkkraft aufgebracht werden kann.
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Es ist weiterhin ein Lenkunterstützungsantrieb 6 vorgesehen, der einen Stellmotor 61 aufweist, der über eine zweite mechanische Kopplung 62 mit der Lenkstange 2 insbesondere mit einem Zahnstangenbereich 21 der Lenkstange 2 gekoppelt sein kann. Der Stellmotor 61 kann insbesondere als eine elektronisch kommutierte Maschine ausgebildet sein. Über den Lenkunterstützungsantrieb 6 kann durch Ansteuern des Stellmotors 61 eine Lenkunterstützungskraft auf die Lenkstange 2 aufgebracht werden. Die Lenkunterstützungskraft dient dazu, die von dem Fahrer aufgebrachte Handlenkkraft mit einer davon abhängigen Lenkunterstützungskraft zu ergänzen.
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Weiterhin ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die mit dem Lenkunterstützungsantrieb 6 verbunden ist, um neben dem Bereitstellen der Unterstützungskraft weitere Lenkungsfunktionen auszuführen. Eine der Lenkungsfunktionen kann eine Software-Endanschlag-Funktion umfassen, die gewährleistet, dass die Lenkstange 2 nicht an den mechanischen Endanschlägen 3 anschlägt, sondern kurz zuvor durch eine entsprechende Endanschlagskraft, die von dem Lenkunterstützungsantrieb 6 entgegen der Bewegung der Lenkstange 2 aufgebracht wird, gestoppt wird. Dies bewahrt das mechanische System der Lenkung vor mechanischen Schäden aufgrund eines Anschlagens an den mechanischen Endanschlag.
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Die Software-Endanschlag-Funktion ist ausgebildet, um nur unmittelbar vor dem mechanischen Endanschlag an einem Endanschlags-Lenkwinkel zu wirken. Der Endanschlags-Lenkwinkel entspricht dem Lenkwinkel, an dem die Software-Endanschlags-Funktion aktiviert wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Software-Endanschlag-Funktion nur in einem Bereich innerhalb von 0,1–5% des gesamten Bewegungsbereichs der Lenkstange 2, d.h. unmittelbar an dem jeweiligen mechanischen Endanschlag aktiviert wird.
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Bei Einwirken von großen Querkräften auf die Räder kann auf die Lenkstange 2 (von extern) eine Kraft ausgeübt werden, die zu einer schnellen translatorischen Bewegung gegen einen der mechanischen Endanschläge 3 führt. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten der Lenkstange 2 gelangt der Stellmotor 61 des Lenkunterstützungsantriebs 6 in einen Feldschwächungs-betrieb bzw. generatorischen Betrieb, in dem der Stellmotor 61 aufgrund der hohen Drehzahl kein geeignetes ausreichend hohes Moment zur Durchführung des Software-Endanschlags bereitstellen kann, d.h. die Lenkstange nicht vollständig abbremsen kann. Dies würde zu einem Anschlagen der Lenkstange 2 an den betreffenden mechanischen Endanschlag 3 führen.
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Aus diesem Grunde ist eine zusätzliche Dämpfungsfunktion vorgesehen, die in der Steuereinheit 10 realisiert wird und durch das Funktionsblockdiagramm in 2 veranschaulicht wird. Zur Durchführung der Dämpfungsfunktion werden der Steuereinheit 10 Angaben zu dem Lenkwinkel φ und der Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . bereitgestellt. Der Lenkwinkel φ entspricht der Stellung der gelenkten Räder und kann bei einer Mittenstellung den Wert 0 aufweisen. Die Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . kann als zeitliche Ableitung aus dem Lenkwinkel φ bzw. deren Änderung ermittelt werden.
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Die Angabe zu der Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . wird einem Dämpfungskraftkennfeld 11 zugeführt, in dem eine Dämpfungskraft FD abhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . bestimmt wird. Die Dämpfungskraft FD ist umso höher, je größer der Betrag der Lenkwinkelgeschwindigkeit |φ .| ist.
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Die Angabe zu dem Lenkwinkel φ wird einem Lenkwinkelkennfeld 12 zugeführt, das einen Faktor f zur Gewichtung der Dämpfungskraft FD bereitstellt, wobei der Faktor f umso größer ist, je größer der Betrag des Lenkwinkels |φ| ist. Dadurch steigt der Faktor f an, je geringer der Abstand des Lenkwinkels von einem Endanschlags-Lenkwinkel an dem mechanischen Endanschlag wird. Der Faktor f kann beispielsweise einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen und linear, polynomial oder exponentiell mit steigenden Lenkwinkeln φ, insbesondere monoton, ansteigen. Der Wert 1 kann beispielsweise an dem Endanschlags-Lenkwinkel erreicht werden.
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Die Dämpfungskraft FD und der Faktor f werden in einem Multiplizierglied 13 miteinander multipliziert und das Ergebnis der Multiplikation wird als Angabe über eine zusätzliche Dämpfungskraft FZ für die Ansteuerung des Lenkunterstützungsantriebs 6 berücksichtigt, so dass schon bei Annäherung an den mechanischen Endanschlag 3 die Bewegungsgeschwindigkeit der Lenkstange 2 durch die der Bewegung entgegenwirkende zusätzliche Dämpfungskraft FZ reduziert wird.
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Die Kennfelder 11, 12 sind so ausgelegt, dass die zusätzliche Dämpfungskraft FZ bereits wirkt, bevor die Software-Endanschlag-Funktion wirkt, so dass diese eine Geschwindigkeit aufweist, bei der die Software-Endanschlag-Funktion wirksam sein kann. Insbesondere werden die Kennfelder 11, 12 so ausgelegt, dass die Geschwindigkeit der Lenkstange 2 reduziert wird, so dass diese in der Nähe des mechanischen Endanschlags 3 keine Geschwindigkeit aufweist, bei der sich der Stellmotor 61 des Lenkunterstützungsantriebs 6 in einem Feldschwächungsbetrieb bzw. generatorischen Betrieb befindet.
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Um zu gewährleisten, dass nur eine Bewegung nahe eines mechanischen Endanschlags 3 und in Richtung des betreffenden Endanschlag mit der zusätzlichen Dämpfungskraft gebremst wird und die Bewegungen weg von dem mechanischem Endanschlag 3 möglichst gering gedämpft werden, wird eine Vorzeichenüberprüfung in einem Vorzeichenblock 14 durchgeführt.
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Der Vorzeichenblock 14 führt folgende Funktion aus. Haben der Lenkwinkel φ und die Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . verschiedene Vorzeichen, d.h. der Lenkwinkel φ ist näher an einem Endanschlag und die Richtung der Lenkwinkelgeschwindigkeit φ . ist davon weg gerichtet, so erhält die zusätzliche Dämpfungskraft FZ den Wert 0, anderenfalls wird als zusätzliche Dämpfungskraft FZ das in dem Multiplizierglied 13 ermittelte Produkt aus der über das Dämpfungskraftkennfeld 11 erhaltenen Dämpfungskraft FD und dem über den Lenkwinkelkennfeld 12 erhaltenen Faktor f bereitgestellt. Da auf diese Weise die zusätzliche Dämpfungskraft FZ nur dann aufgebracht wird, wenn sich die Position der Lenkstange 2 nahe an dem mechanischen Endanschlag befindet und eine hohe Geschwindigkeit in Richtung des mechanischen Endanschlags 3 aufweist, kommt es zu keiner Beeinträchtigung während des normalen Fahrbetriebs.
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Weiterhin kann die Fahrzeuggeschwindigkeit G bei der Ermittlung der Dämpfungskraft FD berücksichtigt werden. Im sehr niedrigen Geschwindigkeitsbereich können aufgrund der hohen Reibung zwischen Reifen und Straße keine extrem hohen Geschwindigkeiten der Lenkstange auftreten. Somit kann die Funktion unterhalb einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit G ausgeblendet werden. Dies kann beispielsweise durch entsprechendes Verringern des Faktors f erreicht werden, z.B. mit einem von der Fahrzeuggeschwindigkeit G abhängigen Fahrzeuggeschwindigkeitsfaktor g. So ist gewährleistet, dass die Funktion nicht störend auftritt, wenn beispielsweise auf einer Hebebühne in der Werkstatt die Zahnstange durch aktives Bewegen eines Rades bewegt wird. Die Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit G kann optional in dem Dämpfungskraftkennfeld 11 implementiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkstange
- 3
- mechanischer Endanschlag
- 4
- erste mechanische Kopplung
- 5
- Lenkwelle
- 6
- Lenkunterstützungsantrieb
- 61
- Stellmotor
- 62
- zweite mechanische Kopplung
- 7
- Lenkrad
- 11
- Dämpfungskennfeld
- 12
- Lenkwinkelkennfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024489 A1 [0004]
- DE 102007002292 A1 [0005]
