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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Achsanregung durch die Fahrbahn elektromechanisch auf das Lenkbedienteil des Fahrzeugs übertragen wird, und ein Verfahren zum Betreiben des Lenksystems.
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Im PKW-Segment ist die elektromechanische Lenkung (EPS) an der Vorderachse Standard. Weiterhin sind Überlagerungslenkungen und Steer-by-Wire Lenkungen in einzelnen Modellen verbaut. Je nach Auslegung der Achskinematik, der Elastizitäten im Lenkstrang oder der Regelfunktionen der Elektromotoren im Lenkstrang kommt es vor, dass die Anregungen des Lenkgestänges am Rad so stark gedämpft werden, dass kaum noch eine Rückmeldung der Achsanregung am Lenkrad/Lenkbedienteil ankommt. Weiterhin kann eine gute Rückmeldung auch aufgrund der konstruktiven Beschaffenheit des Lenkstranges (Steer-by-Wire) fehlen. Das wird von vielen Fahrzeugführern bemängelt und als schlechtes Lenkgefühl bewertet.
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Es sind bereits verschiedene Methoden zur Verbesserung des Lenkgefühls bekannt geworden.
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In der
DE 10 2007 026 189 A1 wird vorgeschlagen, die durch die Lenkung geschluckten Anregungen über einen Elektromotor, der ein Zusatzmoment auf die Lenkung aufbringt, für den Fahrer am Lenkrad fühlbar zu machen. Hierzu wird eine radnahe Spurstangenkraft FSP gemessen oder mittels eines Berechnungsmodells geschätzt und subtraktiv in die Bestimmung der Ansteuerung des Elektromotors einbezogen. Die Spurstangenkraft FSP stellt dabei die Summe der axialen Komponenten aus dem Lenkmoment ML des Fahrers, dem Zusatzmoment MZ des Elektromotors und der Fahrbahnanregung dar. Durch Differenzbildung zwischen dem Spurstangenkraftsignal und einem das Zusatzmoment MZ repräsentierenden Signal wird ein Differenzsignal sF erzeugt, das die Fahrbahnanregung repräsentiert. Anschließend wird dieses Differenzsignal sF mittels eines Hochpassfilters gefiltert. Das hochpassgefilterte Signal wird einem Summierer aufgeschaltet, an dem als weiteres Eingangssignal ein das Zusatzlenkmoment MZ repräsentierendes Signal anliegt. Das Ausgangssignal des Summierers repräsentiert somit ein Zusatzlenkmoment mit einem aufmodulierten Differenzsignal, welches die Fahrbahnanregung zum Ausdruck bringt. Dieses modifizierte Signal MZ* wird, gegebenenfalls nach einer weiteren Konditionierung, als Stellsignal an den Elektromotor übermittelt.
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Die
DE 10 2008 059 906 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung des Fahrbahngefühls bei einer elektromechanischen Lenkung für ein sportlich ausgeprägtes Fahrzeug. Durch Mittel zur differenzierten Erkennung einer periodischen und einer nicht-periodischen fahrbahnseitigen Anregung der Lenkung werden periodische Anregungen, die beispielsweise durch Radunwuchten erzeugt sind, ausgefiltert und einem Stellsignal eines Elektromotors, das über ein Hilfsmoment in die Lenkung einbringbar ist, derart aufgeschaltet, dass eine nicht-periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung durch den Elektromotor verstärkt, eine periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung hingegen vermindert wird.
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Aus der
DE 10 2015 204 642 A1 ist ein Verfahren bekannt, das eine verbesserte Selektion zwischen Nutz- und Störinformationen bei der haptischen Rückmeldung an einen Fahrzeugführer umfasst.
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In einem ersten Schritt werden ein Signal repräsentierend eine Zahnstangenkraft des Lenksystems und ein Fahrzustand des Fahrzeugs ermittelt. Das die Zahnstangenkraft repräsentierende Signal wird in Abhängigkeit des Fahrzustands angepasst, z.B. durch eine Filterung des Signals bzw. des in ihm enthaltenen Spektrums. Hierbei kann eine Grenzfrequenz bzw. können Grenzfrequenzen und Dämpfungen eines Filterbereiches angepasst werden, mittels welcher bzw. welchen das Signal verarbeitet wird. Anschließend wird eine haptische Rückmeldung an den Anwender auf Basis des angepassten Signals ausgegeben.
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Aus der
DE 10 2014 105 088 A1 geht ein Regler für ein elektromechanisches Lenksystem hervor, durch den ein Kraftfahrzeugführer eine verbesserte Rückmeldung von Fahrbahnzuständen erhält. Der Regler ist so ausgelegt, dass Störungen wenigstens eines ersten festgelegten Frequenzbereiches an das Lenkmittel übertragen werden und Störungen wenigstens eines zweiten festgelegten Frequenzbereichs unterdrückt werden.
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Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives Verfahren zur Verbesserung des Lenkgefühls bei einem Kraftfahrzeug mit elektromechanischer Lenkung und ein entsprechendes Lenksystem zur Verfügung zu stellen.
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Der Erfindung basiert darauf, dass Elektromotoren im Lenkstrang die Achsanregung durch die Fahrbahn anhand von Sensoren einlesen und nachbilden und so dem Fahrer eine gute Rückmeldung der Fahrbahnanregung aktiv übertragen können. Eine aktive Rückmeldung der Fahrbahnanregungen im Lenkbedienteil sorgt für ein besseres Lenkgefühl.
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Das von den Sensoren eingelesene Signal wird anschließend verarbeitet, um die Anteile des Signals zu isolieren und gegebenenfalls zu verstärken, die an das Lenkbedienteil zurückgemeldet werden sollen.
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Mit dem verarbeiteten Signal werden mittels einer P-Regelung die Elektromotoren im Lenkstrang (z.B. EPS, Überlagerungslenkung oder Handmomentmotor bei Steer-by-Wire) angeregt. Dabei kann die Anregung in Form eines Lenkmoments oder eines Lenkwinkels umgesetzt werden.
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Die Erfindung verbessert das Lenkgefühl bei elektromechanischen bzw. elektromechanisch unterstützten Lenksystemen durch aktive Rückmeldung von Achsanregungen an den Fahrer. Ein weiterer Vorteil ist, dass viele im Fahrzeug ohnehin vorhandene Komponenten genutzt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Lenksystems in einem Kraftfahrzeug, umfassend das Erfassen mindestens einer Achsanregung durch die Fahrbahn durch mindestens einen Sensor, die Verarbeitung des Sensorsignals, und die Regelung mindestens eines Elektromotors des Lenksystems mit dem verarbeiteten Sensorsignal zur Erzeugung eines die Achsanregung widerspiegelnden Zusatzmoments oder einer die Achsanregung widerspiegelnden Winkeländerung in einem Lenkbedienteil.
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In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Achsanregung eine Achsanregung in Längsrichtung des Fahrzeugs (longitudinale Achsanregung). In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Achsanregung eine Achsanregung in Querrichtung zum Fahrzeug (laterale Achsanregung). In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Achsanregung eine Achsanregung in vertikaler Richtung (vertikale Achsanregung). In einer Ausführungsform ist die Achsanregung eine Kombination aus zweien der vorgenannten Anregungen oder eine Kombination aller vorgenannten Anregungsformen.
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In einer Ausführungsform wird eine longitudinale Achsanregung anhand der Raddrehzahlen der Vorderachse eingelesen. In einer anderen Ausführungsform wird eine longitudinale Achsanregung anhand der gemessenen oder berechneten Bremsdrücke und Antriebsmomente der Räder bestimmt. In einer Ausführungsform werden die an den beiden Vorderrädern gemessenen Signale gemittelt. In einer anderen Ausführungsform wird aus den an den beiden Vorderrädern gemessenen Signalen ein Differenzsignal gebildet.
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Um das gewünschte Signal für die Regelung mindestens eines Elektromotors des Lenksystems zu erhalten, welches den gewünschten Frequenzbereich der Anregung enthält, werden die Signale weiterverarbeitet.
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In einer Ausführungsform wird das Signal (Drehzahlen, Bremsdrücke, Antriebsmomente) durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. So werden nur die hochfrequenten Anregungen der Achse, die sich in der Raddrehbewegung widerspiegeln, erfasst. In einer Ausführungsform wird die erste Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die dritte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die vierte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. Um bestimmte Frequenzbereiche genau zu verstärken, können die vorgenannten Varianten auch kombiniert werden, oder es kann ein Verarbeitungsschritt mehrmals durchgeführt werden.
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Mit dem verarbeiteten Signal werden mittels einer P-Regelung die Elektromotoren im Lenkstrang (z.B. EPS, Überlagerungslenkung oder Handmomentmotor bei Steer-by-Wire) angeregt. Die Anregung wird auf das Lenkbedienteil übertragen, das vorzugsweise ein Lenkrad ist. An dem Lenkbedienteil kann sich die Anregung als ein Lenkmoment oder eine Winkeländerung auswirken.
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In einer weiteren Ausführungsform werden zum Verstärken sowie Ein-/ Ausschalten der longitudinalen Achsanregungen die Signalinformationen der ABS-Regelung, der ESC-Regelung oder der ASR-Regelung mit verwendet. In einer weiteren Ausführungsform wird auch die Information über den aktuellen Fahrbahnreibwert an jedem Rad zur Signalanpassung verwendet.
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In weiteren Ausführungsformen wird die Verstärkung des Signals in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, dem Lenkradwinkel, der Lenkradgeschwindigkeit, einem gewählten Fahrprofil oder in kritischen Fahrsituationen wie Über- und Untersteuern angepasst.
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Besonders wichtig ist eine Übertragung der Achsanregung auf das Lenkbedienteil auch im Grenzbereich der Fahrbahnhaftung eines Fahrzeugs.
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In einer Ausführungsform wird eine laterale Achsanregung anhand einer gemessenen Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs eingelesen. Um das gewünschte Signal für die Regelung mindestens eines Elektromotors des Lenksystems zu erhalten, welches den gewünschten Frequenzbereich der Anregung enthält, werden die Signale weiterverarbeitet.
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In einer Ausführungsform wird das Signal durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. So werden nur die hochfrequenten Anregungen der Achse, die sich in der Querbeschleunigung widerspiegeln, erfasst. In einer Ausführungsform wird die erste Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die dritte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die vierte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. Um bestimmte Frequenzbereiche genau zu verstärken, können die vorgenannten Varianten auch kombiniert werden, oder es kann ein Verarbeitungsschritt mehrmals durchgeführt werden.
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In einer anderen Ausführungsform wird eine laterale Achsanregung anhand der Reibwertausnutzung bestimmt. Dafür wird anhand des Lenkradwinkels, der aktuellen Fahrgeschwindigkeit, des Reibwertpotenzials der Fahrbahn und der Modellparameter eine Sollreibwertausnutzung berechnet. Sobald der Grenzbereich erreicht ist, erfolgt eine Veränderung des Lenkgefühls durch ein dauerhaftes Offset oder ein kurzzeitig anliegendes Signal.
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Mit dem verarbeiteten Signal werden mittels einer P-Regelung die Elektromotoren im Lenkstrang (z.B. EPS, Überlagerungslenkung oder Handmomentmotor bei Steer-by-Wire) angeregt. Die Anregung wird auf das Lenkbedienteil übertragen, das vorzugsweise ein Lenkrad ist. An dem Lenkbedienteil kann sich die Anregung als ein Lenkmoment oder eine Winkeländerung auswirken.
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In weiteren Ausführungsformen wird die Verstärkung des Signals in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, dem Lenkradwinkel, der Lenkradgeschwindigkeit, einem gewählten Fahrprofil angepasst oder in kritischen Fahrsituationen wie Über- und Untersteuern.
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In einer Ausführungsform wird eine vertikale Achsanregung anhand der Raddrehzahlen der Vorderachse eingelesen. In einer Ausführungsform werden die an den beiden Vorderrädern gemessenen Signale gemittelt. In einer anderen Ausführungsform wird aus den an den beiden Vorderrädern gemessenen Signalen ein Differenzsignal gebildet.
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Um das gewünschte Signal für die Regelung mindestens eines Elektromotors des Lenksystems zu erhalten, welches den gewünschten Frequenzbereich der Anregung enthält, werden die Signale weiterverarbeitet.
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In einer Ausführungsform wird das Signal durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. So werden nur die hochfrequenten Anregungen der Achse, beispielsweise ab 30 Hertz, die sich in der Raddrehbewegung widerspiegeln, erfasst. In einer Ausführungsform wird die erste Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die dritte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die vierte Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. Um bestimmte Frequenzbereiche genau zu verstärken, können die vorgenannten Varianten auch kombiniert werden, oder es kann ein Verarbeitungsschritt mehrmals durchgeführt werden.
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In einer anderen Ausführungsform wird eine vertikale Achsanregung anhand von Federwegsensoren der Vorderachse bestimmt. In einer Ausführungsform werden die an den beiden Vorderrädern gemessenen Signale gemittelt. In einer anderen Ausführungsform wird aus den an den beiden Vorderrädern gemessenen Signalen ein Differenzsignal gebildet. Um das gewünschte Signal für die Regelung mindestens eines Elektromotors des Lenksystems zu erhalten, welches den gewünschten Frequenzbereich der Anregung enthält, werden die Signale weiterverarbeitet.
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In einer Ausführungsform wird das Signal der Federwegsensoren durch ein Hoch-/Bandpassfilter gefiltert. In einer Ausführungsform wird die erste Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Ableitung des Signals gebildet und gegebenenfalls durch ein Hoch-/ Bandpassfilter gefiltert. Um bestimmte Frequenzbereiche genau zu verstärken, können die vorgenannten Varianten auch kombiniert werden, oder es kann ein Verarbeitungsschritt mehrmals durchgeführt werden.
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Mit dem verarbeiteten Signal werden mittels einer P-Regelung die Elektromotoren im Lenkstrang (z.B. EPS, Überlagerungslenkung oder Handmomentmotor bei Steer-by-Wire) angeregt. Die Anregung wird auf das Lenkbedienteil übertragen, das vorzugsweise ein Lenkrad ist. An dem Lenkbedienteil kann sich die Anregung als ein Lenkmoment oder eine Winkeländerung auswirken.
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In weiteren Ausführungsformen wird die Verstärkung des Signals in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, dem Lenkradwinkel, der Lenkradgeschwindigkeit, einem gewählten Fahrprofil angepasst oder in kritischen Fahrsituationen wie Über- und Untersteuern.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Lenksystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einer Ausführungsform ist das Lenksystem eine elektromechanische Lenkung (EPS). In einer anderen Ausführungsform ist das Lenksystem eine Überlagerungslenkung. In einer weiteren Ausführungsform ist das Lenksystem eine Steer-by-Wire Lenkung.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem umfasst mindestens einen Sensor zur Erfassung einer Achsanregung durch die Fahrbahn; Mittel zur Verarbeitung des Sensorsignals, umfassend mindestens einen Hoch-/Bandpassfilter und mindestens einen Differenzierer, der dafür eingerichtet ist, eine n-te Ableitung des Sensorsignals zu erzeugen, wobei n eine ganze Zahl ist; sowie mindestens einen Elektromotor, der dafür eingerichtet ist, durch das verarbeitete Sensorsignal angesteuert zu werden und ein Moment oder eine Winkeländerung an einem Lenkbedienteil zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor eine Raddrehzahl. In einer anderen Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor einen Bremsdruck. In einer Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor ein Antriebsmoment. In einer Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor eine Querbeschleunigung. In einer Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor einen Lenkradwinkel. In einer weiteren Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor eine Fahrgeschwindigkeit. In einer weiteren Ausführungsform bestimmt der mindestens eine Sensor einen Federweg.
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In einer Ausführungsform ist der Differenzierer dafür eingerichtet, eine erste Ableitung des Sensorsignals zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Differenzierer dafür eingerichtet, eine zweite Ableitung des Sensorsignals zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Differenzierer dafür eingerichtet, eine dritte Ableitung des Sensorsignals zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Differenzierer dafür eingerichtet, eine vierte Ableitung des Sensorsignals zu erzeugen. In einer Ausführungsform sind mehrere Differenzierer vorhanden, die Ableitungen unterschiedlicher Ordnung aus dem Sensorsignal erzeugen, beispielsweise eine erste und eine zweite Ableitung, oder eine erste, zweite, dritte und vierte Ableitung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007026189 A1 [0004]
- DE 102008059906 A1 [0005]
- DE 102015204642 A1 [0006]
- DE 102014105088 A1 [0008]