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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems mit einem Lenkunterstützungsantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere Lenksteuergerät, zum Betreiben eines Lenksystems mit einem Lenkunterstützungsantrieb sowie ein Lenksystem mit einer solchen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Überwachen der Stabilität eines Fahrzeugverhaltens basierend auf einem Energieeintrag bei bestimmten Frequenzen, insbesondere bei Unterstützung eines Lenkeingriffs durch eine Lenkunterstützung.
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Technischer Hintergrund
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Bei Lenksystemen für Kraftfahrzeuge mit Lenkunterstützung wird einem Handlenkmoment, das von einem Fahrer eines Kraftfahrzeugs auf ein Lenkrad des Lenksystems ausgeübt wird, durch ein von einem Lenkunterstützungsantrieb bereitgestellten Lenkunterstützungsmoments ergänzt, um ein erhöhtes Lenkmoment zur Durchführung einer gewünschten Lenkbewegung zu bewirken.
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Da ein fehlerhafter Eingriff der Lenkunterstützung zu sicherheitskritischen Situationen im Straßenverkehr führen kann, sind in der Regel Überwachungsfunktionen implementiert, die bei festgestellten Fehlern einen sicheren Zustand des Lenksystems einleiten und die betroffenen Funktionen ggfs. abschalten. Es wird beispielsweise bei einer Stabilität und Dynamikfunktion der Verlauf der Lenkunterstützungsmomente dahingehend überwacht, ob kritische Situationen auftreten können.
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Insbesondere kann ein Energieeintrag durch den Lenkunterstützungsantrieb in einem Frequenzbereich unterbunden oder reduziert werden, der zu einem instabilen Fahrzeugverhalten führen kann. Die gilt besonders bei Lenkbewegungen, die das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs bei einer Eigenfrequenz anregen, so dass das Fahrzeug nicht mehr führbar bzw. lenkbar wäre. Überschreitet der Energieeintrag in einem kritischen Frequenzbereich einen Grenzwert, kann dazu beispielsweise vorgesehen sein, dass die Lenkunterstützung des Lenksystems deaktiviert wird.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 021 634 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion von Schwingungen in einem Lenksystem mit einer Lenkunterstützung offenbart. Mit Hilfe eines Servomotors kann ein Hilfsmoment erzeugt werden, das mit Hilfe einer Regeleinheit geregelt wird. Es werden Frequenzen einer Geschwindigkeitsänderung des Servomotors und einer Lenkmomentenänderung bestimmt und abhängig von dem Phasenversatz der beiden Frequenzen eine zu reduzierende Schwingung detektiert. Wird eine zu reduzierende Schwingung detektiert, so ist vorgesehen, mindestens einen Regelparameter der Regeleinheit zu ändern.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 027 040 A1 ist ein Sicherheitsverfahren zur Überwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Lenkunterstützung bekannt, mit dem Instabilitäten und potentiell gefährliche Fehlfunktionen erkannt werden können. Dazu werden mindestens eine Mess- und Regelgröße eines Lenkungsstrangs und eines Fahrdynamiksystems ermittelt, die ermittelten Größen miteinander verglichen und deren Plausibilität überprüft. Bei zu großen Abweichungen der ermittelten Größen von Normgrößen wird die Lenkung in einen sicheren Zustand überführt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2013 314 401 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrerassistenzsystems für ein Kraftfahrzeug durch automatische Lenkeingriffe bekannt, wobei eine Vorgabe einer Soll-Lenkkraft zum Umsetzen durch das Lenksystem bereitgestellt wird. Dabei werden die automatischen Lenkeingriffe durch eine oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen vorgegeben. Ein zu stellender Soll-Lenkeingriff, insbesondere eine zu stellende Soll-Lenkkraft, wird abhängig von dem automatischen Lenkeingriff bereitgestellt. Anschließend wird überprüft, ob durch den zeitlichen Verlauf des zu stellenden Soll-Lenkeingriffs eine kritische Anregung bewirkt wird, die im Bereich der Eigenfrequenz des Kraftfahrzeugs oder eines Teils des Kraftfahrzeugs liegt. Wenn festgestellt wird, dass durch den zeitlichen Verlauf des zu stellenden Soll-Lenkeingriffs eine kritische Anregung bewirkt wird, werden eine oder mehrere der Fahrerassistenzfunktionen deaktiviert oder bei der Ermittlung des zu stellenden Soll-Lenkeingriffs nicht berücksichtigt.
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Die Druckschrift
DE 195 36 620 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Querstabilität bei Kraftfahrzeugen, wobei fahrzeugverzögernde Maßnahmen ergriffen werden, wenn die Amplitude einer querdynamischen, innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes schwingenden Fahrzeuggröße einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Der Stand der Technik schlägt allgemein vor, basierend auf ausgeübten Handlenkmomenten Lenkunterstützungsmomente zu erzeugen, die hinsichtlich auftretender Schwingungen in einem Bereich von möglichen Eigenfrequenzen des Lenksystems überwacht werden. Wenn eine detektierte Schwingungsenergie einen kritischen Wert übersteigt, wird eine Fehlerreaktion, beispielsweise eine Deaktivierung des Lenkunterstützungsantriebs, ausgelöst.
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Bei einer derartigen Überwachung kann in der Praxis eine Fehlerreaktion ausgelöst werden, obwohl keine Gefährdung des Fahrzeugs vorliegt. Ein solcher Fall tritt beispielsweise dann auf, wenn der Fahrer eine schnelle Verstellung des Lenkrads vornimmt, dieses jedoch dann in der erreichten Stellung festhält. Die Massenträgheit des Lenksystems, des Fahrwerks und der Räder kann dann zu einem Aufschwingen des Lenksystems führen, das durch einen Momentensensor erfasst werden kann. So können kritische Schwingungen des Lenkmoments detektiert werden, die zu einem Auslösen der Fehlerreaktion führt, obwohl keine kritische Schwingbewegung im Lenksystem vorliegt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fehlerreaktion der Überwachung der Lenkunterstützung nur dann auszulösen, wenn tatsächlich eine Gefährdung des Kraftfahrzeugs durch eine periodische Anregung vorliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems mit einer elektromechanischen Lenkunterstützung gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Lenksystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem Lenksystem kann ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems mit einem Lenkunterstützungsantrieb vorgesehen sein, um ein Lenkunterstützungsmoment bereitzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Ansteuern des Lenkunterstützungsantriebs basierend auf einem von einem momentan ausgeübten Handlenkmoment gemäß einer Lenkunterstützungsfunktion;
- - Auslösen einer Fehlerreaktion, wenn durch ein in dem Lenksystem wirkenden Moment eine kritische Anregung des Lenksystems in einem vorbestimmten Frequenzbereich erfolgt; und
- - Unterdrücken des Auslösens der Fehlerreaktion abhängig von einer Änderung eines Lenkwinkels des Lenksystems.
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Weiterhin wird das Auslösen der Fehlerreaktion unterdrückt, wenn ein Maß einer Änderung des Lenkwinkels des Lenksystems, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer, geringer ist als ein vorgegebener Lenkwinkeländerungsschwellenwert.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, bei Erkennung einer kritischen in dem Lenksystem wirkenden Schwingung eines Lenkmoments, das zu einem Auslösen einer entsprechenden Fehlerreaktion führt, das Vorliegen einer tatsächlichen Gefährdung des Kraftfahrzeugs zu plausibilisieren. So kann beispielsweise bei einem plötzlichen Lenkeingriff durch den Fahrer, bei dem der Fahrer das Lenkrad nach dem Lenkeingriff an einer bestimmten Lenkposition fixiert bzw. festhält, durch die Massenträgheit des Lenksystems, des Fahrwerks und der Räder sich eine Schwingung im Lenksystem entwickeln, die zwar zu einem periodischen Verlauf des Lenkmoments führt, jedoch keine oder eine nur geringe Schwingung des tatsächlichen Lenkwinkels bewirkt, da der Fahrer das Lenkrad an der erreichten Lenkposition festhält und der resultierenden Kraftwirkung nicht nachgibt. In diesem Fall ist keine Gefährdung des Kraftfahrzeugs zu erwarten.
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Daher sieht das obige Verfahren vor, den Energieeintrag in das Lenksystem aufgrund einer Schwingung des aus dem Handlenkmoment und einem Lenkunterstützungsmoment resultierenden Lenkmoments in Zusammenhang mit der Änderung eines tatsächlichen Lenkwinkels des Lenksystems zu überwachen. Durch die Berücksichtigung der Änderung des tatsächlichen Lenkwinkels kann die Überwachung anhand des Lenkmoments, insbesondere anhand des Verlaufs des Lenkmoments, plausibilisiert werden.
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Insgesamt kann dadurch die Verfügbarkeit des Lenksystems erhöht werden, da eine Abschaltung aufgrund der Stabilitätsdynamikfunktion basierend auf einer reinen Ermittlung des Energieeintrags in das Lenksystem unterbunden wird, wenn tatsächlich keine Gefährdung des Kraftfahrzeugs vorliegt.
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Weiterhin kann das in dem Lenksystem wirkende Moment einem Handlenkmoment, einem Lenkunterstützungsmoment oder einem Lenkmoment als Summe des Handlenkmoments und des Lenkunterstützungsmoments entsprechen, da mit jeder dieser Größen ein Energieeintrag in das Lenksystem angegeben werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Energieeintrag in das Lenksystem innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs durch das in dem Lenksystem wirkende Moment ermittelt werden und die kritische Anregung des Lenksystems in dem vorbestimmten Frequenzbereich festgestellt werden, wenn der Energieeintrag einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Insbesondere kann das Maß der Änderung des Lenkwinkels des Lenksystems einer Amplitude eines periodischen Verlaufs des Lenkwinkels, d.h. der Hauptamplitude des periodischen Verlaufs, entsprechen, wobei der Lenkwinkeländerungsschwellenwert einem Amplitudenschwellenwert entspricht. Dadurch kann ein Grad des Aufschwingens der Lenkbewegung erkannt werden. Erfolgt durch die Anregung des Lenksystems kein entsprechendes Aufschwingen einer periodischen Lenkbewegung, so wird eine Fehlerreaktion nicht zugelassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Lenkwinkeländerungsschwellenwert abhängig von einer Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder abhängig von einer Amplitude eines periodischen Verlaufs eines Kippwinkels des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse und/oder abhängig von einer Phasenverschiebung zwischen einem periodischen Verlauf des Lenkwinkels und dem periodischen Verlauf des Kippwinkels des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse vorgegeben wird. Auf diese Weise können verschiedene Fahrzeugzustände in geeigneter Weise berücksichtigt werden, da die Änderung des Lenkwinkels sich abhängig vom Fahrzeugzustand unterschiedlich gravierend auf die Stabilität des Kraftfahrzeugs auswirkt.
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Weiterhin kann die Änderung des Lenkwinkels als eine Änderung der Position einer Lenkstange des Lenksystems detektiert werden.
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Eine Vorrichtung, insbesondere Lenksteuergerät, kann zum Betreiben eines Lenksystems mit einem Lenkunterstützungsantrieb versehen sein, um ein Lenkunterstützungsmoment bereitzustellen. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um:
- - den Lenkunterstützungsantrieb basierend auf einem von einem momentan ausgeübten Handlenkmoment gemäß einer Lenkunterstützungsfunktion anzusteuern;
- - eine Fehlerreaktion auszulösen, wenn durch ein in dem Lenksystem wirkenden Moment eine kritische Anregung des Lenksystems in einem vorbestimmten Frequenzbereich erfolgt; und
- - das Auslösen der Fehlerreaktion abhängig von einer Änderung eines Lenkwinkels des Lenksystems zu unterdrücken.
- - das Auslösen der Fehlerreaktion zu unterdrücken, wenn ein Maß einer Änderung des Lenkwinkels des Lenksystems, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer, geringer ist als ein vorgegebener Lenkwinkeländerungsschwellenwert.
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In einem entsprechenden Lenksystem für ein Kraftfahrzeug kann das obige Lenksteuergerät und ein Lenkunterstützungsantrieb vorgesehen sein.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs; und
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Lenksystems.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenksystems 1 eines Kraftfahrzeugs. Das Lenksystem 1 umfasst eine Lenksäule 2, die mit einem Lenkrad 3 gekoppelt ist, so dass eine Lenkbewegung, die von einem Fahrer auf das Lenkrad 3 ausgeübt wird, als Handmoment auf die Lenksäule 2 wirkt. Die Lenksäule 2 überträgt das Handmoment auf ein Ritzel 4, das mit einer, insbesondere als eine Zahnstange ausgeführten, Lenkstange 5 gekoppelt ist.
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Die Lenkstange 5 ist zwischen zwei gelenkten Rädern 6 des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Räder 6 sind so gehalten, dass sie in einer an sich bekannten Weise bei einer linearen Bewegung der Lenkstange 5 an einer Schwenkachse um einen Lenkwinkel verschwenkt werden.
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Die Lenksäule 2 oder die Lenkstange 5 ist weiterhin mit einem elektromechanischen Lenkunterstützungsantrieb 7 gekoppelt, um eine Lenkunterstützung bereitzustellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Lenkunterstützung durch ein ausgeübtes Lenkunterstützungsmoment bereitgestellt werden, das auf die Lenksäule 2 wirkt. In einer anderen nicht gezeigten Ausführungsform kann die Lenkunterstützung durch eine auf die Lenkstange 5 wirkende Lenkunterstützungskraft bereitgestellt werden.
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Es ist weiterhin ein Lenksteuergerät 10 vorgesehen, das zur Steuerung des Lenksystems 1 ausgebildet ist. Mithilfe eines Drehmomentsensors 8 an der Lenksäule 2 kann ein über das Lenkrad 3 auf die Lenksäule 2 aufgebrachtes Handlenkmoment bestimmt und eine entsprechende Handlenkmomentangabe HM an das Lenksteuergerät 10 übermittelt werden. Entsprechend kann die Lenksäule 2 mit einem Lenkwinkelsensor 9 versehen sein, der eine Stellung der Lenksäule 2 erfasst und eine entsprechende Lenkwinkelangabe LW über einen Lenkwinkel an das Lenksteuergerät 10 bereitstellt. Anstelle oder zusätzlich zum Lenkwinkelsensor 9 kann ein Lagewinkelsensor vorgesehen sein, der eine exakte Rotorlage eines Elektromotors des Lenkunterstützungsantriebs 7 bestimmt.
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In 2 ist ein Verfahren zum Überwachen des Lenksystems 1 in Form eines Flussdiagramms dargestellt, das in Form eines in der Steuereinheit 10 implementierten Algorithmus ausgeführt werden kann.
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Das Verfahren setzt auf die herkömmlichen Funktionen der Steuereinheit, die entsprechend einer herkömmlichen Lenkunterstützungsfunktion ein Lenkunterstützungsmoment durch eine entsprechende Ansteuerung des Lenkunterstützungsantriebs 7 abhängig von einem von einem Fahrer aufgebrachten Handlenkmoment HM anlegt.
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In Schritt S1 wird beispielsweise eine Überwachung durchgeführt, indem ein Verlauf des vom Fahrer aufgebrachten Handlenkmoments HM ausgewertet wird. Die Auswertung kann erfolgen, indem ein kumulierter Energieeintrag in das Lenksystem 1 durch das Handlenkmoment und das aus dem Handlenkmoment durch die Lenkunterstützungsfunktion resultierende Lenkunterstützungsmoment betrachtet wird, der zu einer kritischen Anregung des Lenksystems 1 mit einer Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich führt.
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Der Frequenzbereich bildet einen kritischen Frequenzbereich ab, in dem eine Eigenfrequenz des Fahrwerks und des Lenksystems 1 des Kraftfahrzeugs liegen kann, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 2 und 15 Hz. Insbesondere wird der Energieeintrag ermittelt, indem die auf das Lenksystem 1 ausgeübten Lenkmomente, d.h. das Handlenkmoment und das Lenkunterstützungsmoment, entsprechend ihrem Anteil bei bestimmten Anregungsfrequenzen aufaddiert werden. Beispielsweise kann der Amplitudenanteil in dem vorbestimmten Frequenzbereich aufintegriert werden, um eine Angabe zu dem Energieeintrag zu erhalten. Weiterhin kann der Energieeintrag durch die Auswertung des tiefpassgefilterten Lenkunterstützungsmoments mithilfe eines Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz, die der Obergrenze des vorbestimmten Frequenzbereichs entspricht, bestimmt werden.
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In Schritt S2 wird überprüft, ob der Energieeintrag in das Lenksystem einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Wird im Schritt S2 festgestellt, dass der Energieeintrag in das Lenksystem einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zum Schritt S1 zurückgesprungen und dort (zyklisch) der momentane Energieeintrag in das Lenksystem durch das aktuelle Handmoment und resultierende Lenkunterstützungsmoment aktualisiert.
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In Schritt S3 wird ein Verlauf eines Lenkwinkels analysiert und festgestellt, ob eine Änderung des Lenkwinkels vorliegt, die zu einem kritischen Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs führen kann. Insbesondere kann dazu überprüft werden, ob der Verlauf des Lenkwinkels einen periodischen Anteil aufweist. Neben der Auswertung des Lenkwinkels kann eine Auswertung der Lenkstangenposition erfolgen, da diese direkt auf die Räder 6 wirkt. Dies ist vorteilhaft, da variable Übersetzungen der Lenkstange 5 vernachlässigt werden können.
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Weist der periodische Anteil des Verlaufs des Lenkwinkels eine Amplitude auf, die größer ist als ein vorgegebener Amplitudenschwellenwert, so wird ein kritisches Fahrverhalten festgestellt. Der Amplitudenschwellenwert kann beispielsweise auf eine Lenkwinkeländerung innerhalb eines vorgegebenen Lenkwinkeländerungsbereichs von z.B. zwischen 1° und 5° oder vorzugsweise zwischen 2,5° und 4°, oder einer entsprechenden Änderung einer anderen den Lenkwinkel repräsentierenden Größe festgelegt sein. Wird eine ein kritisches Fahrverhalten hervorrufende Änderung des Lenkwinkels festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S4 eine Fehlerreaktion ausgelöst. Andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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Auf diese Weise kann erreicht werden, dass eine Fehlerreaktion aufgrund eines zu hohen Energieeintrags in das Lenksystem durch eine Schwingung des Lenkmoments nur dann ausgelöst wird, wenn auch der Lenkwinkel eine Periodizität in einem Maß aufweist, die zu einem instabilen Fahrverhalten führen kann. Wenn beispielsweise ein Fahrer kurzzeitig ein Handmoment in einer plötzlichen Stellbewegung auf das Lenkrad 3 ausübt, danach jedoch das Lenkrad 3 in der erreichten Stellung festhält und dadurch keine Schwingung der Lenksäule 2 zulässt, kann es aufgrund der Massenträgheit von Lenkung, Fahrwerk und Rädern zu einem Schwingen der Lenkmomente aufgrund der aktiven Lenkunterstützung kommen. So können sowohl das Lenkunterstützungsmoment als auch das Handlenkmoment periodische Verläufe annehmen. Durch die herkömmliche Auslegung der Stabilitäts- und Dynamikfunktion der Steuereinheit 10 kann dies bei konventionellen Systemen unter Umständen zu einem Auslösen einer Fehlerreaktion führen.
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Da die Fehlerreaktion häufig ein Deaktivieren der Lenkunterstützung des Lenksystems 1 beinhaltet, kann dies zu einer unangenehmen oder gar gefährlichen Fahrsituation führen. Diese unangenehme oder gefährliche Fahrsituation wird in Kauf genommen, wenn dadurch ein instabiler nicht beherrschbarer Fahrzeugzustand vermieden wird. Die Fahrsituation nach einem Abschalten der Lenkunterstützung soll jedoch vermieden werden, wenn trotz erhöhtem Energieeintrag in das Lenksystem kein instabiler Fahrzeugzustand erreicht werden kann. Daher wird zusätzlich zu der Durchführung der Überwachungsfunktion der Verlauf des Lenkwinkels überprüft und die Fehlerreaktion nur dann zugelassen, wenn auch der Lenkwinkel oder eine andere, den Lenkwinkel repräsentierende Größe eine Periodizität im Frequenzbereich einer Eigenschwingung des Fahrwerks aufweist, die eine Amplitude über dem Amplitudenschwellenwert hat.
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Der Amplitudenschwellenwert kann insbesondere abhängig von einer Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder abhängig von einer Amplitude eines periodischen Verlaufs eines Kippwinkels des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse und/oder der Phasenlage zwischen dem periodischen Verlauf eines Kippwinkels des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse und dem periodischen Verlauf des Lenkwinkels festgelegt werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform werden durch die Lenkmomente bewirkte Energieeinträge in das Lenksystem 1 frequenzbezogen integriert und abhängig von einem Erreichen oder Überschreiten eines Energieeintragsschwellenwerts die Fehlerreaktion ausgelöst. Es kann vorgesehen sein, dass die Integration des Energieeintrags jedoch gemäß der weiteren Ausführungsform nur dann durchgeführt wird, wenn eine entsprechende Änderung der Position der Lenkstange 5 erkannt wird, die zu einem kritischen Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs führen kann, d.h. z.B. wenn eine Amplitude des periodischen Anteils des Verlaufs des Lenkwinkels größer ist als der vorgegebene Amplitudenschwellenwert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenksäule
- 3
- Lenkrad
- 4
- Kopplung
- 5
- Lenkstange
- 6
- Rad
- 7
- Lenkunterstützungsantrieb
- 8
- Drehmomentsensor
- 9
- Lenkwinkelsensor
- 10
- Steuergerät
- AS
- Ansteuergröße
- HM
- Handmomentangabe
- LW
- Lenkwinkelangabe
