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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung in Lenksystemen mit mindestens einem Elektromotor, mit dem ein Bauteil des Lenksystems verstellt werden kann.
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In der
DE 10 2013 010 636 A1 wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug beschrieben, dessen Lenksäule, über die der Fahrer an seinem Lenkrad einen gewünschten Lenkwinkel vorgibt, höhenverstellbar ausgebildet ist. Hierfür weist die Lenksäule ein inneres und ein äußeres Mantelrohr auf, wobei das innere Mantelrohr im äußeren Mantelrohr längsverstellbar aufgenommen ist und zugleich im inneren Mantelrohr eine Lenkspindel gelagert ist, die an ihrem dem Fahrer zugewandten Ende mit einem Lenkrad verbunden ist. Die Höhen- bzw. Längsverstellung erfolgt mithilfe einer Antriebsvorrichtung, die einen Elektromotor umfasst, der über ein Getriebe das innere Mantelrohr mit der darin aufgenommenen Lenkspindel gegenüber dem äußeren Mantelrohr axial verstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen Schwingungen in Lenksystemen, die mit mindestens einem Elektromotor zur Verstellung eines Bauteils des Lenksystems ausgestattet sind, wirkungsvoll zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Schwingungsreduzierung in Lenksystemen in Fahrzeugen eingesetzt werden, die mindestens einen Elektromotor zur Verstellung eines Bauteils des Lenksystems aufweisen. Zur Schwingungsreduzierung werden die Schwingungen des Bauteils, beispielsweise Längsschwingungen und/oder Querschwingungen, mithilfe eines Sensors ermittelt, wobei der Elektromotor, der das Bauteil verstellt, als Funktion der ermittelten Bauteilschwingungen angesteuert wird.
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Diese Vorgehensweise ermöglicht es, über den Elektromotor das Bauteil in der Weise anzuregen, dass die Schwingungen im Bauteil vollständig eliminiert oder zumindest weitgehend reduziert werden. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass den Schwingungen im Bauteil durch eine entgegengesetzte Anregung über den Elektromotor entgegengewirkt wird.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, Schwingungen zu eliminieren oder zu reduzieren, die im akustisch wahrnehmbaren Bereich als Körperschall des Bauteils vorliegen. Der Körperschall wird entsprechend reduziert oder eliminiert, wodurch die Geräuschbelastung bei der Betätigung des verstellbaren Bauteils über den Elektromotor signifikant herabgesetzt wird.
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Zusätzlich oder alternativ zur Körperschall ist es auch möglich, Schwingungen zu eliminieren oder zu reduzieren, die außerhalb des akustisch wahrnehmbaren Bereichs liegen. Hierbei kommen sowohl höherfrequente als auch tieferfrequente Schwingungen außerhalb des akustisch wahrnehmbaren Bereiches in Betracht.
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Das Verfahren erlaubt es, Schwingungen zu eliminieren oder zu reduzieren, die auf die Anregung des Elektromotors bei der Verstellung des Bauteils zurückgehen. Indem lediglich die Art der Anregung des Elektromotors modifiziert wird, kann die Verstellbewegung über den Elektromotor in gewünschter Weise ausgeführt werden bei zugleich reduzierter oder eliminierter Schwingung im Bauteil.
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Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, Schwingungen zu eliminieren oder zu reduzieren, die nicht auf eine Anregung des Elektromotors zurückzuführen sind, über den das betreffende Bauteil verstellt werden kann. Diese Vorgehensweise ermöglicht es insbesondere, auch ohne Verstellbewegung des Bauteils hierin herrschende Schwingungen zu eliminieren oder zu reduzieren, indem der Elektromotor ohne Ausführung einer Stellbewegung lediglich in der Weise angesteuert wird, dass dem betreffenden Bauteil eine schwingungskompensierende Bewegung aufgeprägt wird. Das Bauteil verbleibt hierbei in seiner Ausgangsposition.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird die Ansteuerspannung des Elektromotors als Funktion der Bauteilschwingungen phasenverschoben erzeugt. Hierbei kommt insbesondere eine Phasenverschiebung in der Ansteuerspannung gegenüber den Bauteilschwingungen von 180° in Betracht. Dementsprechend erfolgt die Anregung gegenläufig zu den Bauteilschwingungen, was zu einer teilweisen oder vollständigen Schwingungstilgung führt.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer Phasenverschiebung kommt auch eine Anpassung der Amplitude der Schwingung in der Ansteuerspannung für den Elektromotor in Betracht. Sowohl im Hinblick auf die Phase als auch im Hinblick auf die Amplitude können im Verlauf der Betätigung des Elektromotors zur Schwingungsreduzierung Änderungen in der Ansteuerung des Elektromotors erfolgen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die sich auf eine Verstellbewegung des Bauteils auf Grund einer Betätigung des Elektromotors bezieht, weist die Ansteuerspannung des Elektromotors eine konstante Grundspannung und eine der Grundspannung überlagerte Schwingung auf. Die Grundspannung ist diejenige Ansteuerspannung, die dem Elektromotor ohne Schwingungsreduzierung zugeführt würde, um die gewünschte Stellbewegung des Bauteils zu erreichen. Dieser Grundspannung wird eine schwingende Spannung überlagert, deren Amplitude insbesondere kleiner ist als die Höhe der Grundspannung. Die überlagerte Schwingung in der Ansteuerspannung sorgt für eine entsprechend schwingende Betätigung des verstellenden Elektromotors, wodurch den Schwingungen im Bauteil entgegengewirkt wird.
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Die Bauteilschwingungen werden insbesondere mithilfe eines Beschleunigungssensors ermittelt. Dementsprechend werden die Beschleunigungen des Bauteils in einer oder mehreren Raumrichtungen mithilfe des Sensors gemessen und zur Grundlage für die Ansteuerung des Elektromotors gemacht, der in Längs- und/oder Querrichtungen auf das Bauteil wirkt.
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Alternativ zur Messung der Beschleunigungen ist es auch möglich, andere Sensortypen zu verwenden. Beispielsweise kann bei Schwingungen im akustisch wahrnehmbaren Bereich ein Mikrofon zur Aufnahme des Körperschalls eingesetzt werden. Die vom Sensor aufgenommenen Schwingungen beispielsweise einer Frequenzanalyse unterzogen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Bauteil, welches verstellbar im Lenksystem angeordnet ist und von dem Elektromotor verstellt werden kann, eine Lenksäule, deren Position im Fahrzeug mithilfe des Elektromotors eingestellt werden kann. Hierbei kann z.B. die Höhe und/oder der Winkel der Lenksäule im Lenksystem und damit auch im Fahrzeug verändert werden.
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Zusätzlich oder alternativ zur Lenksäule kommen auch weitere, verstellbare Bauteile des Lenksystems in Betracht, die über einen zugeordneten Elektromotor verstellt werden können, wobei über eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors Schwingungen in diesem Bauteil oder in mehreren Bauteilen gemindert oder eliminiert werden können. Es ist z.B. möglich, in der Ausführung des Elektromotors als elektrischer Servomotor, über den ein unterstützendes Servomoment in das Lenksystem eingespeist werden kann, Schwingungen in einem Lenkgetriebe oder im Lenkgestänge zu reduzieren.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden in einem geschlossenen Regelkreis während der gesamten Verstellbewegung des Bauteils fortlaufend die Bauteilschwingungen ermittelt und der Ansteuerung des Elektromotors zu Grunde gelegt. Dies ermöglicht es, auf Schwingungsänderungen im Bauteil unmittelbar zu reagieren und die Ansteuerung des Elektromotors entsprechend anzupassen.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem ist insbesondere als elektrisch unterstütztes Lenksystem ausgebildet und weist einen elektrischen Servomotor auf, über den ein unterstützendes Servomoment eingespeist werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist das Lenksystem eine verstellbare Lenksäule auf, an deren einem Ende ein vom Fahrer betätigbares Lenkrad angeordnet ist, über das der Fahrer einen gewünschten Lenkwinkel vorgibt. Die Verstellbewegung der Lenksäule wird mithilfe eines zugeordneten Elektromotors durchgeführt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfasst das Lenksystem auch ein Steuergerät, in dem die Sensorinformationen, beispielsweise Informationen eines Beschleunigungssensors im Lenksystem, das dem verstellbaren Bauteil zugeordnet ist, verarbeitet werden. In dem Steuergerät werden Stellsignale zur Erzeugung einer modifizierten Ansteuerspannung erzeugt, mit der der Elektromotor beaufschlagt wird.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 ein Lenksystem für ein Fahrzeug, mit einem elektrischen Servomotor zur Lenkunterstützung und mit einem Elektromotor zur Verstellung der Lenksäule,
- 2 ein Schaubild mit den Verläufen der Ansteuerspannung des Elektromotors zur Verstellung der Lenksäule und dem Schwingungsverlauf in der Lenksäule.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -säule 3, ein Lenk- bzw. Getriebegehäuse 4 und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Das Getriebegehäuse 4 nimmt ein Lenkgetriebe 8 mit einem Lenkritzel und der Lenkzahnstange 5 auf, wobei das Lenkritzel drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist und mit der Lenkzahnstange 5 kämmt.
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Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenksäule 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel δL vor, der im Lenkgetriebe 8 im Getriebegehäuse 4 auf die Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt.
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Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist im Lenksystem 1 ein elektrischer Servomotor 7 angeordnet, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe 8 eingespeist werden kann.
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Die Lenksäule 3 ist verstellbar, insbesondere entlang ihrer Längsachse verstellbar ausgebildet, um dem Fahrer eine möglichst bequeme Lenkposition zu ermöglichen. Die Verstellung der Lenksäule 3 erfolgt mithilfe eines Elektromotors 9, der direkt oder indirekt über ein Getriebe auf ein verstellbares Lenksäulenteil einwirkt, um dieses in seiner Position gegenüber den sonstigen Bauteilen des Lenksystems 1 zu verstellen.
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Dem Lenksystem 1 ist außerdem ein Steuergerät 10 zugeordnet, in welchem Stellsignale zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für den Elektromotor 9 zur Verstellung der Lenksäule 3 erzeugt werden. Gegebenenfalls können in dem Steuergerät 10 auch Stellsignale zur Ansteuerung des elektrischen Servomotors 7 erzeugt werden.
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Das Lenksystem 1 umfasst des Weiteren einen Sensor 11, mit dem Schwingungen in der Lenksäule 3, beispielsweise Längsschwingungen erfasst werden können. Bei dem Sensor 11 handelt es sich vorzugsweise zum einen Beschleunigungssensor, der entsprechend Beschleunigungen in der Lenksäule 3 erfasst, insbesondere Längsbeschleunigungen.
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Die im Sensor 11 ermittelten Sensorinformationen werden im Steuergerät 10 verarbeitet. Hierbei werden beispielsweise Frequenz und Amplitude der sensierten Schwingungen in der Lenksäule 3 aus den Sensorinformationen gewonnen. Auf der Grundlage der Sensorinformationen können anschließend die Stell- bzw. Ansteuersignale zur Erzeugung einer angepassten Ansteuerspannung für den Elektromotor 9 generiert werden, so dass der Elektromotor 9 in einer Weise von der Ansteuerspannung beaufschlagt wird, dass die Schwingungen in der Lenksäule 3 eliminiert oder zumindest reduziert werden.
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In 2 ist ein Schaubild mit dem Verlauf der Schwingungen S in der Lenksäule 3 und dem Verlauf der Ansteuerspannung Uel im Elektromotor 9 als Funktion der Zeit dargestellt. In einem ersten Abschnitt bis zum Zeitpunkt ti ist die Ansteuerspannung Uel konstant. In der Lenksäule 3 bilden sich Schwingungen S aus, die vor allem auf die Anregung der Lenksäule während der Verstellung durch den Elektromotor 9 zurückzuführen sind. Die Schwingungen S äußern sich hierbei als Körperschall in einem akustisch wahrnehmbaren Frequenzbereich.
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Zum Zeitpunkt ti beginnt die geregelte Ansteuerung des Elektromotors 9. Hierfür werden über den Sensor 11, der beispielsweise als Beschleunigungssensor ausgeführt ist, die Schwingungen S in der Lenksäule 3 gemessen und an das Steuergerät 10 übertragen, in welchem die Auswertung der gemessenen Schwingungen S stattfindet und Stell- bzw. Steuersignale zur Erzeugung einer modifizierten Ansteuerspannung Uel erzeugt werden. Der Verlauf der Ansteuerspannung Uel ab dem Zeitpunkt ti zeigt eine der Grundspannung überlagerte Schwingung, die gegenüber dem Schwingungsverlauf S um 180° phasenverschoben ist. Hierdurch wird die Lenksäule 3 weiterhin in der gewünschten Richtung verstellt, jedoch werden zugleich die Schwingungen S durch Tilgung weitgehend reduziert, wie auch dem weiteren Verlauf der Schwingungen S ab dem Zeitpunkt ti zu entnehmen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenksäule
- 4
- Getriebegehäuse
- 5
- Lenkzahnstange
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor
- 8
- Lenkgetriebe
- 9
- Elektromotor
- 10
- Steuergerät
- 11
- Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013010636 A1 [0002]
