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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines auf den Lenkradkranz des Handlenkrads eines Kraftfahrzeugs wirkenden Lenkradkranz-Drehmoments. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet/programmiert ist.
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Für Fahrzeugassistenzsysteme moderner Kraftfahrzeuge ist es von wesentlicher Bedeutung, das vom Fahrer auf das Handlenkrad des Kraftfahrzeugs ausgeübte Drehmoment, das sogenannte Lenkradkranz-Drehmoment, möglichst genau zu kennen. Dieses Drehmoment wird erzeugt, wenn der Fahrer den Lenkradkranz des Handlenkrads betätigt, wenn die momentane Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs geändert werden soll.
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Vor diesem Hintergrund ist aus der
EP 1 652 749 B1 ein Verfahren zur Bestimmung des Lenkradkranz-Drehmoment bei einer hydraulischen Servolenkung bekannt.
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Um das Lenkradkranz-Drehmoment mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können, ist es denkbar, am Handlenkrad, insbesondere am Lenkradkranz des Handlenkrads, einen Drehmomentsensor vorzusehen, welcher eine direkte Messung besagten Lenkradkranz-Drehmoments erlaubt. Da ein solcher Drehmoment-Sensor jedoch in herkömmlichen Kraftfahrzeugen serienmäßig nicht vorgesehen ist, wird in herkömmlichen Kraftfahrzeugen stattdessen oftmals ein am Drehstab der Lenkung der Fahrzeug-Lenkung Lenkwinkel - im Folgenden als Lenkrad-Lenkwinkel bezeichnet - serienmäßig verbauter Drehmoment-Sensor verwendet, um das Lenkradkranz-Drehmoments zu ermitteln.
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Allerdings bleibt bei Verwendung eines solchen, am Lenkgetriebe vorgesehenen Drehmoment-Sensors unberücksichtigt, dass zwischen dem Handlenkrad und dem Lenkgetriebe mechanische Bauteile wie etwa eine Lenksäule und ein Drehstab angeordnet sind, was zur Folge hat, dass das mittels des Drehwinkel-Sensors am Lenkgetriebe gemessene Drehmoment nicht mit dem gesuchten, am Handlenkrad tatsächlich vorhandenen Lenkradkranz-Drehmoment übereinstimmt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem das am Handlenkrad wirkende Lenkradkranz-Drehmoment mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden kann, ohne dass hierfür die Verwendung eines direkt am Handlenkrad verbauten Drehmoment-Sensor erforderlich wäre.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, dass am Lenkradkranz eines Handlenkrad wirkende Lenkradkranz-Drehmoment indirekt mithilfe zweier, typischerweise serienmäßigen Kraftfahrzeug verbauten Sensoren zu ermitteln. Einer dieser beiden Sensoren ist dabei ein am Drehstab der Lenkung des Kraftfahrzeugs verbauter Drehmoment-Sensor, mittels welchem das auf den Drehstab wirkende Drehmoment - im Folgenden als „Drehstab-Drehmoment“ bezeichnet - gemessen werden kann. Der andere der beiden Sensoren ist ein Winkelsensor, mit welchem der am Handlenkrad momentan eingestellte Lenkwinkel - im Folgenden als Lenkrad-Lenkwinkel bezeichnet - eingestellt werden kann. Beide Sensoren sind typischerweise serienmäßig im Kraftfahrzeug verbaut.
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Erfindungsgemäß wird aus den beiden genannten Messgrößen das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment abgeleitet. Dabei können verschiedene weitere Parameter wie etwa die beim Verstellen des Lenkgetriebes der Fahrzeug-Lenkung auftretende Reibung oder beim Verstellen des Lenkgetriebes auftretenden Dämpfungseffekte sowie die Rotationsträgheit des Handlenkrads mit dem Lenkradkranz berücksichtigt werden. Besagte Effekte können dabei auf mehr oder weniger komplexe Weise modelliert werden. Ausgehend von dem am Drehstab gemessenen Drehmoment lässt sich somit durch Berücksichtigung des mittels des Handlenkrads eingestellten Lenkrad-Winkels sowie besagter zusätzliche Parameter das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen, ohne dass dafür ein zusätzlicher Drehmomentsensor zur direkten Messung des Lenkradkranz-Drehmoments erforderlich wäre.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines auf den Lenkradkranz des Handlenkrads eines Kraftfahrzeugs wirkenden Lenkradkranz-Drehmoments wird in einem ersten Schritt a) das an dem Drehstab des Kraftfahrzeugs wirkende Drehstab-Drehmoment bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt mittels eines am Drehstab vorhandenen Drehmoment-Sensors. In einem zweiten Schritt b) wird ein am Handlenkrad des Kraftfahrzeugs eingestellter Lenkrad-Lenkwinkels bestimmt. Der Lenkrad-Lenkwinkel wird vorzugsweise als Funktion der Zeit bestimmt, so dass auch zeitliche Ableitungen des Lenkrad-Lenkwinkels, also insbesondere die Lenkrad-Lenkwinkel-Geschwindigkeit und die Lenkwinkel-Beschleunigung, ermittelt werden können. Die zeitabhängige Bestimmung des Lenkrad-Lenkwinkels erfolgt mittels eines am Handlenkrad vorhandenen Lenkrad-Winkelsensors. In einem dritten Schritt c) wird das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment aus dem in Schritt a) bestimmten Drehstab-Drehmoment und aus dem in Schritt b) bestimmten Lenkrad-Lenkwinkel berechnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Lenkradkranz-Drehmoment in Abhängigkeit von der beim Verstellen des Lenkgetriebes auftretenden Reibung bestimmt. Die entstehende Reibung ist drehrichtungsabhängig und kann durch unterschiedlich komplexe Modelle modelliert werden. Die auftretende Reibung kann online im Kraftfahrzeug gemessen und identifiziert werden oder aber, alternativ dazu, offline mittels geeigneter Messungen bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Lenkradkranz-Drehmoment in Abhängigkeit von der beim Verstellen des Lenkgetriebes auftretenden Dämpfung bestimmt wird. Die entstehende Dämpfung ist drehgeschwindigkeitsabhängig und tritt typischerweise in Form einer sogenannten viskosen Dämpfung auf. Auch die Dämpfung kann mit Hilfe geeigneter, mehr oder weniger komplexe Modelle modelliert werden, die amplitudenabhängig, frequenzabhängig sowie nicht linear sein können. Auch die Bestimmung der Dämpfung kann ebenso wie die Bestimmung der Reibung entweder online im Kraftfahrzeug oder offline mittels geeigneter Messungen bestimmt werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Lenkradkranz-Drehmoment in Abhängigkeit von der Rotationsträgheit der Lenksäule sowie des Handlenkrads beim Verstellen des Lenkgetriebes bestimmt.
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Besonders bevorzugt wird das Lenkradkranz-Drehmoment aus folgender Gleichung berechnet:
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Dabei ist MDrehstab das auf den Drehstab wirkende Drehmoment. Außerdem ist JLenkeinrichtung das Trägheitsmoment der Lenkung, insbesondere des Lenkradkranzes des Handlenkrads. Weiterhin ist δHandlenkrad der im Handlenkrad momentan eingestellte Lenkrad-Lenkwinkel. Der Parameter dDrehstab bezeichnet einen Dämpfungsterm, und der Parameter MReibung einen Reibungsterm.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment aus obigem Zusammenhang mittels eines Beobachters, vorzugsweise mittels eines Luenberger-Beobachters oder mittels eines Kalmanfilters, bestimmt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgetriebe, in welchem ein in den Vorderrädern des Kraftfahrzeugs eingestellter Rad-Lenkwinkel verstellbar ist. Das Kraftfahrzeug umfasst ein mit dem Lenkgetriebe zum Verstellen des Rad-Lenkwinkels über einen Drehstab antriebsverbundenen Handlenkrad, welches einen vom Fahrer des Kraftfahrzeug betätigbaren Lenkradkranz aufweist. An einem Drehstab, der Teil der Fahrzeug-Lenkung ist, ist ein Drehmoment-Sensor zum Bestimmen eines auf den Drehstab wirkenden Drehstab-Drehmoments vorhanden. weiterhin ist am Handlenkrad ein Lenkrad-Winkelsensor zum Bestimmen eines am Handlenkrad eingestellten Lenkrad-Lenkwinkels vorhanden. Des Weiteren umfasst das Kraftfahrzeug eine mit dem Drehmoment-Sensor und mit dem Lenkrad-Winkelsensor zusammenwirkende Steuerungs-/Regelungseinrichtung, welche zur Durchführung des vorangehend vorgestellten Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Die vorangehend erläuterten Vorteile des Verfahrens übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist am Handlenkrad, insbesondere am Lenkradkranz des Handlenkrads, auf einen Sensor zur Messung des auf das Handlenkrad, insbesondere auf den Lenkradkranz des Handlenkrads, wirkenden Lenkradkranz-Drehmoments verzichtet. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung des Kraftfahrzeugs.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 illustriert in schematischer, stark vereinfachter Weise den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst Vorderräder 11a, 11b, deren Ausrichtung mittels einer Zahnstange 10 und zweier Spurstangen 13a, 13b verstellt werden kann, wenn die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 1 geändert werden soll. Mittels eines mit der Zahnstange 10 zusammenwirkenden Lenkgetriebes 9 kann der in den Vorderrädern 11a, 11b eingestellte Rad-Lenkwinkel verstellt werden. Das Handlenkrad 2 ist mittels eines ersten Gelenks 5a mit einer Lenksäule 4 gelenkig verbunden. Die Lenksäule 4 ist über ein zweites Gelenk 5b mit einem Drehstab 14 gelenkig verbunden. Der Drehstab 14 ist eingangsseitig mit dem Lenkgetriebe 9 antriebsverbunden.
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Über eine in 1 nur grobschematisch angedeutete Lenksäule 4, zwei Gelenke 5a, 5b und einen Drehstab 14 ist das Lenkgetriebe 9 mit einem im Innenraum des Kraftfahrzeugs 1 vorhandenen Handlenkrad 2 gekoppelt. Das Handlenkrad 2 bzw. die Lenksäule 4 kann mittels einer geeigneten, in 1 nur schematisch angedeuteten Lagereinrichtung 6 drehbar am Rahmen (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs 1 gelagert sein.
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Das Handlenkrad 2 umfasst einen vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 drehverstellbaren Lenkradkranz 3. Eine Drehung des Lenkradkranzes 3 wird über die Lenksäule 4 und den Drehstab 14 auf das Lenkgetriebe 9 übertragen, wodurch wiederum eine Verstellung der Zahnstange 10 und, damit verbunden, eine Verstellung des Rad-Lenkwinkels der Vorderräder 11a, 11b bewirkt wird.
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Wie 1 weiter erkennen lässt, ist am Handlenkrad 2 ein Lenkrad-Winkelsensor 7 zum Bestimmen des am Lenkradkranz 3 des Handlenkrads 2 eingestellten Lenkrad-Lenkwinkels δHandlenkrad vorgesehen.
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Ebenso ist am Lenkgetriebe 9 ein Drehmoment-Sensor 8 zum Bestimmen eines auf den Drehstab 14 Kraftfahrzeug 1 wirkenden Drehstab-Drehmoments MDrehstab vorgesehen.
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Außerdem umfasst das Kraftfahrzeug 1 eine mit dem Drehmoment-Sensor 8 und mit dem Lenkrad-Winkelsensor 7 zusammenwirkende Steuerungs-/Regelungseinrichtung 12. Der Drehmoment-Sensor 8 misst und übermittelt das am Drehstab 14 auftretende Drehstab-Drehmoment MDrehstab an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 12. Der Lenkrad-Winkelsensor 7 misst übermittelt den im Handlenkrad 2 momentan eingestellten Lenkrad-Lenkwinkel δHandlenkrad an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 12. Beide Parameter können kontinuierlich als Funktion der Zeit t gemessen und die Messwerte an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 12 übertragen werden, so dass beide Messgrößen als Funktion der Zeit zur Verfügung stehen.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 12 ist zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen Verfahrens eingerichtet/programmiert. Mittels des Verfahrens kann das am Lenkradkranz 3 bei Betätigung des Handlenkrads 2 auftretende Lenkradkranz-Drehmoment MLKM bestimmt werden, ohne dass hierzu direkt am Lenkradkranz 3 ein zusätzlicher Kraft- oder Drehmomentsensor verbaut werden müsste, mit welchem das Lenkradkranz-Drehmoment MLKM direkt gemessen werden kann. Vielmehr wird beim hier vorgestellten Verfahren das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment MLKM indirekt bestimmt, so dass auf die Bereitstellung eines zusätzlichen Kraft- oder Drehmomentsensors verzichtet werden kann. Dies führt zu nicht unerheblichen Kostenersparnissen bei der Herstellung des Kraftfahrzeugs 1.
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Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt a), gemäß welchem das am Drehstab 14 des Kraftfahrzeugs 1 vorhandene Drehstab-Drehmoments MDrehstab unter Verwendung des am Drehstab 14 vorgesehenen Drehmoment-Sensors 8 bestimmt wird. In einem weiteren, zweiten Schritt wird unter Verwendung des am Handlenkrad 2 am Lenkradkranz 3 vorhandenen Lenkrad-Winkelsensors 7 der am Handlenkrad 2 eingestellte Lenkrad-Lenkwinkel δHandlenkrad berechnet, und zwar bevorzugt als Funktion der Zeit t, d.h. δHandlenkrad = δHandlenkrad(t), so dass sich auch die zeitlichen Ableitungen d2/d2t δHandlenkrad und d/dt δHandlenkrad bestimmen lassen. In einem dritten Schritt c) wird das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment MLKM in Abhängigkeit aus dem in Schritt a) bestimmten Drehstab-Drehmoment MDrehstab und aus dem in Schritt b) bestimmten Lenkrad-Lenkwinkel δHandlenkrad.
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Dies kann durch Verwendung der folgenden Gleichung (G) geschehen:
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Dabei ist MDrehstab das auf den Drehstab 14 wirkende und vom Drehmoment-Sensor 8 gemessene Drehstab-Drehmoment. Weiterhin ist δHandlenkrad der im Handlenkrad eingestellte Lenkrad-Lenkwinkel, der vom Lenkrad-Winkelsensor 7 gemessen wird.
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Der Parameter MReibung ist ein Reibungsterm. Die entstehende Reibung ist drehrichtungsabhängig und kann durch unterschiedlich komplexe Modelle modelliert werden. Der Ausdruck „sign“ bezeichnet die Vorzeichen-Funktion, um die Drehrichtung des Drehstabs 14 bzw. des Lenkradkranzes 3 zu berücksichtigen. Die auftretende Reibung kann online im Kraftfahrzeug 1 gemessen und identifiziert werden oder aber, alternativ dazu, offline mittels geeigneter Messungen bestimmt werden.
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Der Parameter dDrehstab bezeichnet einen Dämpfungsterm. Die entstehende Dämpfung ist drehgeschwindigkeitsabhängig und tritt typischerweise in Form einer sogenannten viskosen Dämpfung auf. Auch die Dämpfung kann mit Hilfe geeigneter, mehr oder weniger komplexe Modelle modelliert werden, die amplitudenabhängig, frequenzabhängig sowie nicht linear sein können. Auch die Bestimmung der Dämpfung kann ebenso wie die Bestimmung der Reibung entweder online im Kraftfahrzeug 1 oder offline mittels geeigneter Messungen bestimmt werden.
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Der Parameter JLenkeinrichtung bezeichnet das Trägheitsmoment des Handlenkrads 2 einschließlich des Lenkradkranzes 3.
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Aus obiger Gleichung G kann das gesuchte Lenkradkranz-Drehmoment MLKM mittels eines geeigneten Beobachtermodells, vorzugsweise mittels eines Luenberger-Beobachters oder mittels eines Kalman-Filters, ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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