DE102016219047B4 - Verfahren zum Ausgleichen eines an einem Lenkrad einer Fahrzeuglenkung auftretenden Stördrehmomentes - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Ausgleichen eines an einem Lenkrad (1) einer Fahrzeuglenkung (10) auftretenden Gesamtstördrehmomentes (D) aus einem dynamischen Stördrehmoment (D) und statischen Stördrehmomentes (D), welches durch ein Nicht-Zusammenfallen eines Schwerpunktes (S) des Lenkrades (1) mit einer Drehachse (2), um die das Lenkrad (1) drehbar ist, verursacht wird, indem mittels eines auf die Fahrzeuglenkung (10) einwirkenden Aktuators ein Kompensationsmoment (M) auf die Fahrzeuglenkung (10) aufgebracht wird, welches über die Drehachse (2) auf das Lenkrad (1) zurückwirkt, um ein Kompensationsdrehmoment (D) am Lenkrad (1) zu bewirken, wobei der Betrag und die Richtung des Kompensationsmoments (M) derart eingestellt wird, dass das aus dem Kompensationsmoment (M) resultierende Kompensationsdrehmoment (D) dem Gesamtstördrehmoment (D) betragsmäßig gleich und entgegengesetzt wirkt und dass eine Ermittlung eines Gesamtstördrehmomentes (D) erfolgt, wobei das Gesamtstördrehmoment (D) zusätzlich zum statischen Stördrehmoment (D) dynamische Stördrehmomente (D) umfasst, die durch Beschleunigungskräfte (F) auf das Lenkrad (1) verursacht durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeugs im Fahrbetrieb, d. h. durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeuges in einer Fahrzeuglängsrichtung und/oder einer Fahrzeugquerrichtung und/oder einer Fahrzeughochrichtung entstehen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen eines an einem Lenkrad einer Fahrzeuglenkung auftretenden Stördrehmomentes.
• Bei Lenkrädern oder Lenkradanordnungen moderner Fahrzeuge ist nicht immer sichergestellt, dass der Massenschwerpunkt des Lenkrades oder der Lenkradanordnung mit einer Drehachse einer Lenksäule des Fahrzeuges zusammenfällt. Hierdurch entsteht eine Unwucht des Lenkrades um die Drehachse des Lenkrades. Beispielsweise wird durch die Schwerkraft ein nicht erwünschtes Drehmoment auf das Lenkrad und somit auf die Drehachse ausgeübt, wenn der Schwerpunkt des Lenkrades bzw. der Lenkradanordnung nicht mit der Drehachse zusammenfällt und in einer vertikalen Projektion ein Hebelarm einer endlichen Länge > 0 zwischen dem Schwerpunkt und der Drehachse vorliegt. Eine solche Unwucht kann beispielsweise durch unterschiedliches Speichendesign des Lenkrades verursacht werden. Beispielsweise kann ein 3-Speichenlenkrad mit unsymmetrisch verteilten Speichen eine solche Unwucht besitzen.
• Andere Gründe für das Auftreten einer solchen unerwünschten Unwucht können beispielsweise Einbauten in einem Pralltopf eines solchen Lenkrades sein. Beispielsweise können Airbag-Einrichtungen und/oder diverse Bedieneinrichtungen, z. B. Schalter eines Multifunktionslenkrades oder dergleichen eine solche unerwünschte Unwucht verursachen.
• Des Weiteren kann beispielswiese bei sogenannten Überlagerungslenkungen, bei denen ein Aktuator im Lenkradtopf angeordnet ist und zusätzlich zum Lenkwinkel, den der Bediener vorgibt, einen weiteren Lenkwinkel addiert oder subtrahiert, eine solche Unwucht entstehen. Derartige Aktuatoren sind beispielsweise Linearaktuatoren oder Motoren, die ein nicht unerhebliches Gewicht haben und somit je nach Einbausituation zu einer Unwucht des Lenkrades beitragen.
• Eine Möglichkeit, eine solche Unwucht auszugleichen, ist beispielsweise ein entsprechendes Gegengewicht im Lenkrad oder an der Lenkradanordnung vorzusehen, um die entstandene Unwucht zu kompensieren.
• Eine solche Einbringung eines Ausgleichsgewichtes erhöht in unerwünschter Weise das Gesamtgewicht des Fahrzeuges und insbesondere das Gesamtgewicht des Lenkrades, was auch die Trägheit für die Bedienung des Lenkrades spürbar beeinträchtigen kann. Insbesondere ist bei Lenkrädern, die in Fahrzeugen eingebaut sind, die für autonomes oder teilautonomes Fahren vorgesehen sind, eine geringe Trägheit des Lenkrades, d h. ein möglichst geringes Gewicht des Lenkrades gewünscht. Insofern kommt bei modernen Fahrzeugen das Anbringen eines Ausgleichsgewichtes nicht oder in immer seltener werdenden Fällen in Betracht.
• Weiterhin bedarf ein solches Gewicht einen bestimmten Einbauraum, der bei modernen Lenkrädern zunehmend geringer wird. Oftmals ist es bereits aus Gründen einer geeigneten Anordnung der verschiedenen Komponenten und Aggregate innerhalb eines Lenkrades oder Lenkradtopfes gar nicht möglich, ein zusätzliches Gewicht anzubringen.
• Eine Überlagerung eines unerwünschten Drehmoments, verursacht durch eine Unwucht des Lenkrades, und des erforderlichen Drehmoments, um das Fahrzeug adäquat zu kontrollieren, ergibt ein vom Bediener fühlbares, ungleichmäßiges Drehmoment am Lenkrad, welches zudem noch in Abhängigkeit der Lage des Lenkrades relativ zur Drehachse (d. h. in Abhängigkeit des Lenkwinkels α) variieren kann.
• Aus der DE 10 2011 005 309 A1 ist ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches einen Überlagerungsantrieb zum Erzeugen eines zusätzlichen Lenkwinkels hat, der mit einem durch Betätigung des Lenkradkranzes erzeugten Lenkwinkel überlagerbar ist. Ein Lenkrad gemäß der DE 10 2011 005 309 A1 weist gegebenenfalls eine unerwünschte Unwucht auf.
• Aus der DE 10 2005 034 636 B3 ist eine Lenkeinrichtung für eine Überlagerungslenkung bekannt, wobei mittels eines Aktuators ein vom Bediener des Lenkrades aufgebrachter Lenkwinkel um einen bestimmten Betrag vergrößert oder verkleinert wird. Auch bei dieser Lenkeinrichtung können unerwünschte Unwuchten auftreten und das vom Bediener gefühlte Lenkmoment nachteilig beeinflussen.
• Aus der EP 2 030 868 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Lenkungssystems bekannt geworden, bei dem in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit, eines Drehmoments an der Längssäule und eines Lenkradwinkels ein Korrekturdrehmoment errechnet wird, welches mittels eines Aktuators auf eine Lenksäule gebracht wird. Das Korrekturmoment ist dabei mittels geeigneter elektronischer Filtereinrichtungen derart beeinflusst, dass eine Unwucht der Vorderräder in einem beabsichtigten Maße gedämpft auf die Lenksäule übertragbar und somit für den Bediener abgeschwächt aber ausreichend spürbar ist. Diese Maßnahmen können eine unerwünschte Unwucht des Lenkrades nicht vermeiden.
• Aus der US 2014 / 0303848 A1 ist ein Fahrzeug mit einem elektrisch unterstützten Lenkrad bekannt, wobei das elektrisch angetriebene Lenkrad in der Lage ist, eine Genauigkeit eines ermittelten Lenkraddrehmoments durch Kompensation eines unausbalancierten Gewichts des Lenkrads zu verbessern. Die US 2014 / 0303848 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausgleichen eines an einem Lenkrad einer Fahrzeuglenkung auftretenden statischen Stördrehmomentes, welches durch ein Nicht-Zusammenfallen eines Schwerpunktes des Lenkrades mit einer Drehachse um die das Lenkrad drehbar ist, verursacht wird, indem mittels eines auf die Fahrzeuglenkung einwirkenden Aktuators ein Kompensationsmoment auf die Fahrzeuglenkung aufgebracht wird, welches über die Drehachse auf das Lenkrad zurückwirkt, um ein Kompensationsdrehmoment am Lenkrad zu bewirken, wobei der Betrag und die Richtung des Kompensationsmoments derart eingestellt wird, dass das aus dem Kompensationsmoment resultierende Kompensationsdrehmoment dem statischen Drehmoment betragsgemäß gleich und entgegengesetzt wirkt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ausgleichen von Störmomenten an einem Lenkrad eines Fahrzeuges anzugeben.
• Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren anzugeben, ohne dass ein zu einer Unwucht eines Lenkrades korrespondierendes Gegengewicht zum Ausgleich einer solchen Unwucht am Lenkrad erforderlich ist.
• Des Weiteren soll das Verfahren es ermöglichen, eine möglichst leichte und hinsichtlich eines Bauraumbedarfs optimierte Lenkradanordnung und/oder ein solches Lenkrad realisierbar zu machen.
• Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Ausgleich eines an einem Lenkrad einer Fahrzeuglenkung auftretenden Gesamtstördrehmomentes mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• In dem Verfahren wird mittels eines auf die Fahrzeuglenkung einwirkenden Aktuators ein Kompensationsmoment M_K auf die Fahrzeuglenkung aufgebracht. Das Kompensationsmoment M_K wirkt über de Drehachse auf das Lenkrad zurück, um ein das Kompensationsdrehmoment D_K am Lenkrad zu bewirken. Der Betrag und die Richtung des Kompensationsmoments M_K wird derart eingestellt, dass das aus dem Kompensationsmoment M_K resultierende Kompensationsdrehmoment D_K dem Stördrehmoment D_stat betragsmäßig gleich ist und entgegengesetzt wirkt.
• Im Rahmen der Erfindung erfolgt die Ermittlung eines Gesamtstördrehmomentes D_G derart, dass das Gesamtstördrehmoment D_G zusätzlich zu den bereits genannten statischen Stördrehmomenten D_stat dynamische Stördrehmomente D_D umfasst, die beispielsweise durch Beschleunigungskräfte F_B auf das Lenkrad, verursacht durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeuges im Fahrbetrieb, d. h. durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeuges in einer Fahrzeuglängsrichtung (X-Achse) und/oder einer Fahrzeugquerrichtung (Y-Achse) und/oder einer Fahrzeughochrichtung (Z-Achse), entstehen.
• Im Rahmen der Erfindung wird also Aktuator der Fahrzeuglenkung genutzt, um eine Lenkradunwucht, die ein als problematisch empfundenes statisches Stördrehmoment D_stat verursacht, in möglichst hohem Maße auszugleichen oder zu kompensieren. Das Kompensationsmoment M_K kann dabei bspw. mittels eines Aktuators auf die Lenksäule der Fahrzeuglenkung aufgebracht werden, oder es kann mittels eines Aktuators auf die Spurstange der Fahrzeuglenkung aufgebracht werden.
• Sofern der Schwerpunkt S eines Lenkrades und/oder einer Lenkradanordnung nicht mit der Drehachse der Lenksäule zusammenfällt, können durch dynamische Kräfte auf das Lenkrad, beispielsweise beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten, beim Einlenken oder beim Bremsen des Fahrzeuges Beschleunigungskräfte F_B , beispielsweise in Fahrzeuglängsrichtung (X-Richtung), in Fahrzeugquerrichtung (Y-Richtung) und/oder in Fahrzeughochrichtung (Z-Richtung) auftreten. Derartige Beschleunigungskräfte F_B treten nur bei beschleunigter Bewegung des Fahrzeuges auf. Insbesondere können derartige Beschleunigungskräfte beispielsweise bei unebener Fahrbahn oder bei Geländefahrt erheblichen Einfluss auf entstehende Gesamtstördrehmoment D_G haben. In bestimmten Betriebssituationen können derartige dynamische Stördrehmomente D_D sogar betragsmäßig größer sein als die statischen Stördrehmomente D_stat .
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird hinsichtlich der dynamischen Stördrehmomente D_D in bevorzugter Art und Weise ein Beschleunigungssensor des Fahrzeuges genutzt, der z. B. im Schwerpunkt des Fahrzeuges angeordnet sein kann. Weiterhin sind üblicherweise Drehgeschwindigkeitssensoren im Fahrzeug vorhanden, welche die Drehgeschwindigkeiten des Fahrzeugs um eine Längsachse, eine Hochachse und/oder eine Querachse ermitteln können.
• Aus diesen meist ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Sensoren kann eine resultierende Beschleunigung und/oder resultierende Geschwindigkeiten am Lenkrad aufgrund der dynamischen Bewegung des Fahrzeuges berechnet werden. Hierzu kann Vektorrechnung verwendet werden. Bei der Berechnung der örtlichen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten am Lenkrad, insbesondere in dessen Schwerpunkt, empfiehlt es sich, den genauen Ort des Schwerpunktes des Lenkrades relativ zum Fahrzeugschwerpunkt, insbesondere relativ zur Anordnung des/der Beschleunigungs- und/oder Drehgeschwindigkeitssensoren zu ermitteln. Ein solcher Schwerpunkt des Lenkrades kann innerhalb eines Fahrzeuges unterschiedliche Orte einnehmen, da dieser sich Aufgrund der Drehbewegung des Lenkrades und/oder unterschiedlicher Einstellungen von einstellbaren Lenkrädern hinsichtlich Höhe, Abstand und Neigung relativ zum Fahrer variieren kann.
• Aus den momentan wirkenden Beschleunigungen und/oder Geschwindigkeiten am Lenkrad können die dynamischen Stördrehmomente D_D um die einzelnen Raumachsen (Hochachse, Querachse und/oder Längsachse des Fahrzeuges und/oder transformiert um die Drehachse des Lenkrades) berechnet werden. Mit diesen dynamischen Momenten gelingt es, zusätzlich zu den statischen Momenten auch unter Berücksichtigung von dynamischen Momenten, eine erfindungsgemäß hochwirksame Vergleichmäßigung des vom Bediener aufzubringenden Drehmoments am Lenkrad zu erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein Vergleichmäßigen eines durch einen Bediener an einem Lenkrad einer Fahrzeuglenkung aufzubringenden Lenkmomentes. Dabei ist der Begriff „Vergleichmäßigen“ dahingehend zu verstehen, dass das aufzubringende Lenkmoment möglichst vollständig von Störmomenten aufgrund von Unwuchten eines Lenkrades oder einer Lenkradanordnung befreit wird. Idealer Weise ist also ein „Vergleichmäßigen“ im Sinne der Erfindung ein vollständiges Ausgleichen und/oder ein vollständiges Kompensieren von Störmomenten, hervorgerufen durch nicht ausbalancierte Lenkräder oder Lenkradanordnungen. Als „nicht ausbalancierte Lenkräder oder Lenkradanordnungen“ sind Lenkräder und/oder Lenkradanordnungen zu verstehen, deren Massenschwerpunkt (S) in einer Einbausituation des Lenkrades und/oder Lenkradanordnung in einem Fahrzeug nicht mit einer Drehachse der Lenksäule zusammenfällt, so dass zumindest ein statisches Störmoment aufgrund dieses Nicht-Zusammenfallens vorkommen kann.
• In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Erkenntnis genutzt, dass das statische Stördrehmoment D_stat in Abhängigkeit eines Lenkradwinkels α variiert, so dass das statische Stördrehmoment D_stat in Abhängigkeit des Lenkradwinkels α ermittelt wird und als Funktion D_stat (α) bestimmt wird. Eine solche Funktion D_stat (α) kann einer Recheneinrichtung zur Berechnung von Ausgangsgrößen zugeführt werden, mit welcher dann die Ausgangsgrößen derart bestimmt werden, dass der Aktuator das Kompensationsmoment M_K in Abhängigkeit des Lenkradwinkels α korrekt aufbringen kann.
• Mit dieser zweckmäßigen Ausgestaltung wird berücksichtigt, dass ein Schwerpunkt S des Lenkrades oder der Lenkradanordnung, welcher außerhalb der Drehachse liegt, bei der Betätigung des Lenkrades um die Drehachse in Abhängigkeit des Lenkradwinkels α unterschiedliche Größen einnimmt. Insbesondere ist hierbei ein sinusförmiger Verlauf über den Lenkradwinkel α zu berücksichtigen.
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung erfolgt die Ermittlung des statischen Stördrehmoments D_stat in Abhängigkeit einer Lage des Schwerpunktes S relativ zur Drehachse. Bei dieser Ausgestaltung kann insbesondere berücksichtigt werden, dass sich die Lage des Schwerpunktes des Lenkrades und/oder der Lenkradanordnung bei konstantem Lenkwinkel durch Verlagerung des Schwerpunktes des Lenkrades oder der Lenkradanordnung ändern kann. Eine solche Änderung des Massenschwerpunktes S kann beispielsweise auftreten, wenn Linearaktuatoren im Inneren des Lenkrades vorhanden sind und diese bei einer konstanten Lenkradstellung, d. h. bei konstantem Lenkwinkel α betätigt werden. Durch eine lineare Verlagerung von Bauteilen innerhalb des Lenkrades, beispielsweise einer Zahnstange eines Linearaktuators kommt es zu Veränderungen der Schwerpunktlage und somit bei konstantem Lenkwinkel α zu einer Veränderung des statischen Stördrehmomentes D_stat . Zweckmäßiger Weise wird eine solche Verschiebung des Schwerpunktes S innerhalb des Lenkrades bei der Ermittlung des statischen Störmomentes und somit bei der Berechnung und/oder Ermittlung des korrespondierenden Kompensationsmomentes M_K berücksichtigt.
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung des statischen Stördrehmomentes D_stat und/oder der dynamischen Stördrehmomente D_D eine momentane Neigung des Fahrzeuges um eine Rollachse, d. h. um eine Fahrzeuglängsachse und/oder um eine Kippachse, d. h. um eine Fahrzeugquerachse und/oder eine Gierachse, d. h. um eine Fahrzeughochachse mit einbezogen.
• Die wirksamen Hebelarme zwischen dem Schwerpunkt S und der Drehachse variieren beispielsweise je nach Neigung des Fahrzeuges um eine der genannten Achsen. Somit variiert auch beispielsweise das statische Stördrehmoment D_stat und/oder das dynamische Stördrehmoment D_D in Abhängigkeit einer solchen Neigung des Fahrzeuges um eine oder mehrere der genannten Achsen.
• Zweckmäßiger Weise wird der Einfluss der Neigung des Fahrzeuges um eine oder mehrere der genannten Achsen bei der Ermittlung des statischen Stördrehmoments D_stat und der dynamischen Störmomente D_D und somit bei der Ermittlung des Kompensationsmomentes M_K berücksichtigt, um sicherzustellen, dass die betragsmäßige Größe des aus dem Kompensationsmoment M_K resultierenden Kompensationsdrehmoment D_K möglichst genau der betragsmäßigen Summe der statischen Stördrehmomente D_stat und der dynamischen Stördrehmomente D_D entspricht.
• In einem Unfallfall, insbesondere in einem Überschlagunfallfall erscheint es zweckmäßig, die Aufbringung eines Kompensationsmomentes M_K nicht vorzunehmen. Hierzu wird z. B. bereits die Ermittlung der statischen und/oder dynamischen Stördrehmomente unterbrochen, um in einem solchen außergewöhnlichen Unfallfall keine ungewollte Momentaufbringung auf die Lenksäule zu verursachen.
• Weiterhin ist es zweckmäßig, zur Ermittlung der statischen Stördrehmomente D_stat und der dynamischen Stördrehmomente D_D die momentane Lage der Drehachse im Raum relativ zum Fahrzeug zu berücksichtigen. Moderne Fahrzeuge besitzen überwiegend einstellbare Lenksäulen. Diese Lenksäulen sind üblicher Weise in ihrer Neigung in Fahrzeuglängsrichtung, insbesondere in Fahrtrichtung gesehen einstellbar. Zudem können die Lenksäulen und damit die Drehachsen in ihrer Länge eingestellt werden. Durch eine solche Einstellbarkeit der Drehachse und damit der absoluten Position des Lenkrades relativ zum Fahrzeug, d. h. relativ zur Fahrzeugkarosserie wird ebenfalls Einfluss auf die absolute Höhe der statischen Stördrehmomente D_stat und der dynamischen Stördrehmomente D_D genommen.
• Innerhalb eines Einstellbereiches solcher Lenksäulen ist es also besonders zweckmäßig, dass für das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere zur Ermittlung des statischen Stördrehmoments D_stat und der dynamischen Stördrehmomente D_D und somit im weiteren Verlauf zur Bestimmung des Kompensationsmomentes M_K die momentane Lage der Drehachse im Raum relativ zum Fahrzeug berücksichtigt wird.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert:
• Die Figuren der Anmeldung zeigen ein mit einer Unwucht versehenes Lenkrad in einer Blickrichtung parallel zur Drehachse in verschiedenen Drehwinkel-, d. h. Lenkwinkelstellungen und korrespondierend zu den gezeigten Lenkwinkelstellungen einen graphischen Verlauf eines statischen Störmomentes M_stat über den Lenkradwinkel α.
• Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der beigefügten Figuren erläutert.
• 1 zeigt ein Lenkrad, welches um eine Drehachse drehbar in einem Fahrzeug gelagert ist.
• 2 zeigt eine Fahrzeuglenkung in einer stark schematisierten Darstellung.
• 1 zeigt ein Lenkrad 1, welches um eine Drehachse 2, die in der 1 senkrecht auf der Zeichenebene steht, entlang der Doppelpfeilrichtung 3 drehbar in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) gelagert ist. Das Lenkrad 1 besitzt einen Massenschwerpunkt 4 (im Folgenden: Schwerpunkt S), welcher in den Ansichten gemäß 1 nicht mit der Drehachse 2 zusammenfällt.
• Das Lenkrad 1 ist Teil einer Fahrzeuglenkung 10, die schematisch in 2 dargestellt ist. Neben dem Lenkrad umfasst die Fahrzeuglenkung 10 eine Lenksäule 11, an deren einem Ende das Lenkrad 1 angeordnet ist, und an deren anderem Ende sich ein Ritzel 12 befindet, welches mit einem verzahnten Mittelteil 14 der Spurstange 13 kämmt und zusammen mit diesem ein Lenkgetriebe 15 bildet. Mit Hilfe des Lenkgetriebes 15 wird eine Drehbewegung der Lenksäule 11 in eine Linearbewegung einer Spurstange 13 umgesetzt.
• Das Lenkrad 1 ist in der 1 in 5 verschiedenen Stellungen A, B, C, D und E gezeichnet, wobei die Stellung A und E identisch sind. Die Stellung A entspricht einem Lenkradwinkel α von 0°, die Stellung B entspricht einem Lenkradwinkel α von 90°, die Stellung C entspricht einem Lenkradwinkel α von 180°, die Stellung D entspricht einem Lenkradwinkel α von 270° und die Stellung E entspricht einem Lenkradwinkel α von 360° und ist identisch zur Stellung A.
• Zusammen mit einer Gewichtskraft G ergeben sich statische Stördrehmomente D_stat , die in einem graphischen Verlauf, unterhalb der soeben beschriebenen Darstellungen, gezeigt ist.
• In den Stellungen A, C, und E befindet sich jeweils der Schwerpunkt S des Lenkrades 1 vertikal genau unterhalb oder genau oberhalb der Drehachse 2, so dass ein statisches Stördrehmoment D_stat in der Größe „0“ resultiert.
• In der Stellung B, die einem Lenkradwinkel von 90° entspricht, ist ein wirksamer Hebelarm 5 betragsmäßig maximal, so dass hieraus auch ein Maximum Dstatmax des statischen Stördrehmomentes D_stat entsteht. Das maximale statische Stördrehmoment Dstatmax ist dabei derart gerichtet, dass das Lenkrad 1 unter seinem Einfluss tendenziell von der Stellung B hin zur Stellung A bewegt werden würde.
• Korrespondierend zur beschriebenen Stellung bei α = 90° existiert bei α = 270° betragsmäßig ebenfalls ein maximales statisches Stördrehmoment Dstatmax, welches dem statischen Stördrehmoment Dstatmax bei α = 90° hinsichtlich seiner Wirkrichtung entgegengesetzt ist aber betragsmäßig gleich groß ist.
• Insgesamt gesehen hat der Verlauf des statischen Stördrehmomentes D_stat über den Lenkradwinkel α einen sinusförmigen Verlauf. Der in der 1 dargestellte Graph 6 entspricht somit der Funktion des statischen Stördrehmoments D_stat über den Lenkradwinkel, d. h. der Funktion D_stat (α). Dieser Verlauf des statischen Stördrehmomentes D_stat in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel α kann entweder mit geeigneten Messeinrichtungen im Fahrzeug ermittelt werden oder aufgrund der Konstruktion des Lenkrades und dessen Schwerpunktes S relativ zur Drehachse 2 vorab, d. h. bereits während der Konstruktionsphase des Fahrzeuges berechnet werden und als Funktionsverlauf D_stat (α) einer Recheneinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Auf der Basis der Funktion D_stat (α) wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Aktuator 16 (siehe 2) gesteuert, welcher sich an der Lenksäule 11 befindet und dazu ausgebildet ist, ein Kompensationsmoment M_K auf die Lenksäule 11 aufzubringen. Das Kompensationsmoment M_K ist in diesem Fall ein Drehmoment und so bemessen, dass es am Lenkrad zu einem ein Kompensationsdrehmoment D_K (α) führt, welches dem statischen Stördrehmoment D_stat (α) betragsmäßig entspricht und diesem entgegengesetzt ist (D_K(α) = -D_stat(α)). Somit kann eine statische Unwucht eines Lenkrades 1 verursacht durch ein Nichtzusammenfallen des Schwerpunktes S des Lenkrades 1 mit der Drehachse 2 des Lenkrades 1 kompensiert werden, was einer Vergleichmäßigung des vom Bediener verspürten Lenkmomentes über die Bewegung des Lenkrades 1 entlang eines Lenkradwinkels α entspricht. Wenn der Abschnitt der Lenksäule 11, auf den der Aktor 16 das Kompensationsmoment M_K aufbringt, starr mit dem Lenkrad 1 verbunden ist, kann das Kompensationsmoment M_K bereits selbst das Kompensationsdrehmoment D_K (α) sein. Falls andererseits keine starre Kopplung zwischen dem Abschnitt der Lenksäule 11, auf den der Aktor 16 das Kompensationsmoment M_K aufbringt, und dem Lenkrad 1 vorhanden ist, wird die Art der nicht starren Verbindung (etwa in Form eines Torsionsstabes) auf die Übertragung des Kompensationsmomentes M_K auf das Lenkrad 1 beim Berechnen des Kompensationsmomentes M_K , welches schließlich zu dem Kompensationsdrehmoment D_K (α) führt, berücksichtigt.
• Statt des an der Lenksäule 11 angreifenden Aktuators 16 kann auch ein an der Spurstange 13 angreifender Aktuator 16' vorhanden sein, wie er ebenfalls in 2 eingezeichnet ist. In diesem Fall wirkt das Kompensationsmoment M_K also auf die Spurstange 13 ein und wird über das Lenkgetriebe 15 auf die Lenksäule 11 und schließlich als Kompensationsdrehmoment D_K (α) auf das Lenkrad 1 übertragen. Die Übertragung durch das Lenkgetriebe 15 und etwaige nicht starre Verbindungen zwischen Abschnitten der Lenksäule 11 werden beim Berechnen des zu dem Kompensationsdrehmoment D_K (α) führenden Kompensationsmomentes M_K berücksichtigt.
• Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Zusammenhängen betreffend statische Stördrehmomente D_stat können aufgrund von fahrdynamischen Kräften auch dynamische Stördrehmomente D_D auf das Lenkrad 1 einwirken. Derartige Stördrehmomente aufgrund von fahrdynamischen Kräften können beispielsweise Fliehkräfte bei Kurvenfahrten sein. Als Beispiel für eine solche Fliehkraft bei Kurvenfahrt ist in der Stellung C des Lenkrades 1 gemäß 1 bespielhaft eine solche dynamische Beschleunigungskraft F_B eingezeichnet. Aufgrund des Lenkradwinkels α von 180° beschreibt das Fahrzeug in der Stellung C eine Rechtskurve. Aufgrund der Fahrt in einer Rechtskurve entsteht im Schwerpunkt S des Lenkrades 1 eine Beschleunigungskraft F_B , die der Zentrifugalkraft des Lenkrades 1 bei der gegebenen Kurvenfahrt entspricht.
• Der wirksame Hebelarm 5, der für die Gewichtskraft G in dieser Lenkstellung C gleich 0 ist, ist für die Zentrifugalkraft, d. h. die Beschleunigungskraft F_B maximal, so dass ein Rückstellmoment auf das Lenkrad 1 einwirkt, welches dynamischer Natur ist, da es auf die Kurvenfahrt des Fahrzeuges zurückgeht.
• Ein solches dynamisches Stördrehmoment D_D kann beispielsweise auch entstehen, wenn aufgrund von Fahrbahnunebenheiten bei einem Lenkradwinkel α ≠ 0° oder ≠ 180° oder ≠ 360° eine vertikal gerichtete Beschleunigungskraft (nicht gezeigt) auf das Lenkrad 1 einwirkt. Solche vertikal gerichteten Störkräfte, die entweder mit der Gewichtskraft G gleichgerichtet oder dieser entgegengesetzt sein können, entsteht ein weiteres dynamisches Stördrehmoment D_D , welche aufgrund von Beschleunigungskräften F_B parallel zur Hochachse des Fahrzeuges entstehen. Beschleunigungskräfte F_B entstehen beispielsweise auch bei einer Bewegung oder Neigung des Fahrzeuges (nicht gezeigt) um eine Kippachse, d. h. um eine Querachse des Fahrzeuges. Vertikal gerichtete Beschleunigungskräfte F_B , die zu dynamischen Stördrehmomenten D_D führen, können beispielsweise auch entstehen, wenn das Fahrzeug um eine Rollachse bewegt wird, was einer Bewegung um eine Fahrzeuglängsachse entspricht. Solche Bewegungen können beispielsweise in Fahrzuständen auf besonders unebener Fahrbahn oder beispielsweise bei Geländefahrt auftreten.
• Auch können derartige Beschleunigungskräfte F_B auf das Lenkrad 1 einwirken, wenn das Fahrzeug um eine Gierachse bewegt wird.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können eine oder mehrere der vorbeschriebenen dynamischen Stördrehmomente D_D für die Bestimmung und Errechnung des Kompensationsmoments M_K verwendet werden. Selbstverständlich ist es möglich, dass eine dynamische Stördrehmomentkomponente, beispielsweise eine Stördrehmomentkomponente D_D , die aufgrund des Gierens des Fahrzeuges um die Hochachse entsteht, betragsmäßig so klein ist, dass sie kaum eine Auswirkung auf die Gesamthöhe des Gesamtstördrehmomentes D_G hat. Im Rahmen einer empirischen Ermittlung der dynamischen Stördrehmomente kann beispielsweise entschieden werden, ob eine solche vernachlässigbar kleine Komponente gegebenenfalls bei der Bestimmung des Kompensationsmoments M_K weggelassen werden kann, um Rechenzeit und Sensoraufwand zu verringern.
• In allgemeiner Art und Weise kann ein Gesamtstördrehmoment D_G als Summe aller statischen Stördrehmomente D_stat (α) und aller dynamischer Stördrehmomente D_D angesehen werden (D_G = Σ D_stat(α) + Σ D_D), wobei die dynamischen Stördrehmomente D_D insbesondere abhängig von der Zeit sind. Somit kann durch Überlagerung der statischen und der dynamischen Stördrehmomente oder beispielsweise der Summenbildung derselben zu einem bestimmten Zeitpunkt bei einem bestimmten Lenkradwinkel die Größe eines Gesamtstördrehmomentes D_G und dessen Wirkrichtung berechnet werden. Das Kompensationsmoment M_K ist hieraus folgend derart gewählt, dass es am Lenkrad zu einem Kompensationsdrehmoment D_K führt, das betragsmäßig gleich groß und entgegengesetzt zum Gesamtstördrehmoment D_G ist (D_K = -D_G). Um das Kompensationsdrehmoment D_K auf das Lenkrad 1 einwirken zu lassen, empfiehlt es sich, eine entsprechende Ansteuerungsgröße, beispielsweise eine entsprechende Betriebsspannung und/oder einen bestimmten Betriebsstrom dem Aktuator 16, 16' zur Verfügung zu stellen, so dass mittels des Aktuators 16, 16' das Kompensationsmoment M_K auf die Lenksäule 11 oder die Spurstange 13 aufgebracht werden kann.
• Sofern der Aktuator 16, 16' bereits andere Lenkradmomente auf das Lenkrad 1 einwirken lässt, beispielsweise Lenkradmomente, die zum teilautonomen oder autonomen Fahren notwendig sind, empfiehlt es sich, das Kompensationsmoment M_K mit den anderen Lenkradmomenten, die der Aktuator 16, 16' aufbringt, zu überlagern, um eine resultierende Beaufschlagung des Lenkrads 1 durch den Aktuator 16, 16' zu erreichen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist es besonders zweckmäßig, im Unfallfall, insbesondere in einem Unfallfall mit Auslösung eines Airbags oder im Überschlagsfall eine erfindungsgemäße Vergleichmäßigung des Lenkradmomentes nicht anzuwenden, um nicht unerwünschte Lenkradbewegungen zu erzeugen, die gegebenenfalls zu eine ungewollten Bewegung des Lenkrades beim Auslösen des Airbags führen können.
• Insgesamt gelingt es mit der vorliegenden Erfindung, bauartbedingte Unwuchten von Lenkrädern 1 oder Lenkradanordnungen zu eliminieren oder zumindest deren Auswirkungen zu vermindern und somit den Bedarf an Lenkradmoment für den Bediener und/oder für einen Lenkaktuator zu verringern und zu vergleichmäßigen, ohne dass Ausgleichsgewichte zum Ausgleich der bauartbedingten Unwucht des Lenkrades 1 notwendig sind. Im Ergebnis kann somit Bauraum und Gewicht eingespart werden.
• Bezugszeichenliste

D_stat

statisches Stördrehmoment

S

Schwerpunkt

M_K

Kompensationsmoment

D_K

Kompensationsdrehmoment

α

Lenkradwinkel

D(α)

Funktion

D_G

Gesamtstördrehmoment

D_D

dynamisches Stördrehmoment

F_B

Beschleunigungskräfte

G

Gewichtskraft

M_statmax

Maximum

1

Lenkrad

2

Drehachse

3

Doppelpfeilrichtung

4

Massenschwerpunkt

5

Hebelarm

6

Graph

7

Lenkradtopf

10

Fahrzeuglenkung

11

Lenksäule

12

Ritzel

13

Spurstange

14

verzahnter Abschnitt

15

Lenkgetriebe

16, 16'

Aktor

Claims (8)

1. Verfahren zum Ausgleichen eines an einem Lenkrad (1) einer Fahrzeuglenkung (10) auftretenden Gesamtstördrehmomentes (D_G) aus einem dynamischen Stördrehmoment (D_D) und statischen Stördrehmomentes (D_stat), welches durch ein Nicht-Zusammenfallen eines Schwerpunktes (S) des Lenkrades (1) mit einer Drehachse (2), um die das Lenkrad (1) drehbar ist, verursacht wird, indem mittels eines auf die Fahrzeuglenkung (10) einwirkenden Aktuators ein Kompensationsmoment (M_K) auf die Fahrzeuglenkung (10) aufgebracht wird, welches über die Drehachse (2) auf das Lenkrad (1) zurückwirkt, um ein Kompensationsdrehmoment (D_K) am Lenkrad (1) zu bewirken, wobei der Betrag und die Richtung des Kompensationsmoments (M_K) derart eingestellt wird, dass das aus dem Kompensationsmoment (M_K) resultierende Kompensationsdrehmoment (D_K) dem Gesamtstördrehmoment (D_G) betragsmäßig gleich und entgegengesetzt wirkt und dass eine Ermittlung eines Gesamtstördrehmomentes (D_G) erfolgt, wobei das Gesamtstördrehmoment (D_G) zusätzlich zum statischen Stördrehmoment (D_stat) dynamische Stördrehmomente (D_D) umfasst, die durch Beschleunigungskräfte (F_B) auf das Lenkrad (1) verursacht durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeugs im Fahrbetrieb, d. h. durch eine beschleunigte Bewegung des Fahrzeuges in einer Fahrzeuglängsrichtung und/oder einer Fahrzeugquerrichtung und/oder einer Fahrzeughochrichtung entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Stördrehmoment (D_stat) in Abhängigkeit eines Lenkradwinkels (α) ermittelt wird und als Funktion D_stat(α) einer Recheneinrichtung zur Berechnung von Ausgangsgrößen zur Erzeugung des Kompensationsmomentes (M_K) zugeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des statischen Stördrehmoments (D_stat) in Abhängigkeit einer Lage des Schwerpunktes (S) relativ zur Drehachse (2) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsmoment (M_K) mittels eines Aktuators (16) auf die Lenksäule (11) der Fahrzeuglenkung (10) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass des Kompensationsmoment (M_K) mittels eines Aktuators (16') auf die Spurstange (13) der Fahrzeuglenkung (10) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des statischen Stördrehmomentes (D_stat) und/oder der dynamischen Stördrehmomente (D_D) eine momentane Neigung des Fahrzeuges um eine Rollachse (Fahrzeuglängsachse) und/oder um eine Kippachse (Fahrzeugquerachse) und/oder um eine Gierachse (Fahrzeughochachse) einbezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Unfalles, z. B. eines Überschlagunfalles des Fahrzeuges keine Aufbringung eines Kompensationsmomentes (M_K) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des statischen Störmomentes (D_stat) und der dynamischen Störmomente (D_D) die momentane Lage der Drehachse (2) im Raum relativ zum Fahrzeug berücksichtigt wird.

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