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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Lenkhilfe mit einer von einem Pumpenmotor angetriebenen, drehzahlgeregelten Servopumpe, einem mit der Servopumpe verbundenen Servoventil, einem mit dem Servoventil verbundenen Hydraulikkolben und einer die Drehzahl der Servopumpe einstellenden Steuerung, die zum Erfassen eines Drehmoments des Pumpenmotors und zum Einstellen einer Solldrehzahl des Pumpenmotors in Abhängigkeit vom erfassten Drehmoment unter Berücksichtigung von Leerlaufdruckverlusten eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft auch ein die vorgenannte Lenkhilfe aufweisendes Fahrzeug. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Lenkhilfe mit einer von einem Pumpenmotor angetriebenen, drehzahlgeregelten Servopumpe, mit den Schritten: Betreiben der Pumpe mit einer vorbestimmten Drehzahl, Bestimmen des Drehmoments der Servopumpe bei der vorbestimmten Drehzahl unter Berücksichtigung von Leerlaufdruckverlusten und Einstellen einer Solldrehzahl der Servopumpe in Abhängigkeit von einem erfassten Drehmoment.
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Aus der
DE 197 33 096 A1 sind eine hydraulische Lenkhilfe, ein Verfahren zu deren Betreiben und ein mit einer solchen Lenkhilfe ausgestattetes Fahrzeug jeweils eingangs genannter Art bekannt. Weitere Lenksysteme gehen aus der
JP S63 - 82 331 A , der
DE 10 2011 121 827 A1 und der
DE 10 2008 054 211 A1 hervor.
Wie bekannt unterstützt eine hydraulische Lenkhilfe, auch Servolenkung genannt, den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zum Lenken durch ein Hydrauliksystem verstärkt wird. In elektrischen Nutzfahrzeugen werden aufgrund der großen Lenkkräfte üblicherweise elektro-hydraulische Servolenkungen eingesetzt. Der Vorteil der elektro-hydraulische Servolenkungen besteht neben der Bereitstellung hoher Lenkkräfte in deren Robustheit und der Möglichkeit ungeregelt betrieben zu werden, da die Pumpe dauerhaft laufen und sich das hydraulisch-mechanische Lenksystem selbst ausregeln kann.
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Allerdings spielen die Verluste der einzelnen Aggregate bei modernen Fahrzeugen, besonders bei Elektromobilen eine bedeutende Rolle, sodass es insbesondere höchst ineffizient ist, eine elektro-hydraulische Lenkhilfepumpe mit konstanter hoher Drehzahl zu betreiben, die beispielsweise notwendig ist, um im Stillstand bei gleichzeitiger Blockierung der Räder die nötige Lenkunterstützung bereitzustellen.
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Aus diesem Grund ist in den bekannten Systemen teilweise eine von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Drehzahlregelung der Servopumpe realisiert. Hierfür wird zusätzlich mittels eines im Lenksystem verbauten Lenkwinkelsensors die Lenkwinkelgeschwindigkeit gemessen, da bei einer hohen Lenkwinkelgeschwindigkeit auch eine deutlich höhere Lenkunterstützung durch eine höhere Pumpendrehzahl benötigt wird als bei langsamen Lenkbewegungen.
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Problematisch an dieser Steuerung ist jedoch, dass die Lenkwinkelgeschwindigkeit zunächst gemessen, in eine Drehzahl gewandelt werden und in der Regel über den CAN-Bus an den Frequenzumrichter des Motors bzw. an ein vorgeschaltetetes Steuergerätes übermittelt werden muss, sodass insbesondere hohe Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeiten der Sensordaten gestellt werden, sowie Ausfallszenarien und die Motordynamik bezogen auf die Reaktionszeit des Fahrers berücksichtigt werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydraulische Lenkhilfe bzw. ein neuartiges bedarfsgerechtes Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Lenkhilfe sowie ein eine solche Lenkhilfe aufweisendes Fahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die hydraulische Lenkhilfe mit den Merkmalen von Anspruch 1, das Fahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 8 und das Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Lenkhilfe mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht in einer bedarfsgerechten Regelung/Steuerung einer Servopumpe auf Basis von prozessnahen Messdaten, wie hier des Motors bzw. Umrichters, oder des hydraulischen Systems, ohne dass es eines Lenkwinkelsensors bedarf.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung den Lenkwinkelsensor einzusparen und eine bedarfsgerechte Anpassung der Drehzahl des Motors und somit des Durchflusses ohne Lenkwinkelsensor durch die Auswertung der ohnehin verfügbaren bzw. berechenbaren Prozessdaten des Umrichters oder Motors (Spannung→Drehzahl→Durchfluss, Strom→Drehmoment→Öldruck) durchzuführen.
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Einerseits macht sich die Erfindung zunutze, dass aus der Motorspannung mittels der Kennlinie des Motors, beispielsweise über die Drehzahlkonstante des als Synchronmaschine ausgebildeten Motors, die aktuelle Drehzahl des Motors berechnet werden kann. Über die Drehzahl kann wiederum anhand der Pumpenkennlinie, in der Regel die Verdrängung der Pumpe, der aktuelle Durchfluss berechnet werden.
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Andererseits nutzt die Erfindung den Zusammenhang zwischen Motorstrom und dem aktuellen Drehmoment des Motors, das mittels einer Kennlinie des Motors, beispielsweise die Drehmomentkonstante des als Synchronmaschine ausgebildeten Motors, berechnet werden kann. Über das Drehmoment kann nun wiederum mittels der Pumpenkennline, in der Regel die Verdrängung der Pumpe, der aktuelle Pumpendruck berechnet werden.
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Durch das mechanisch geregelte hydraulische System, das an der Servopumpe angeschlossen ist, werden die Lenkbewegungen bzw. die Torsion zwischen Lenkrad und Rädern durch das Drehschieber Ventil und die Hydraulik Zylinder automatisch ausgeregelt. Im ausgeregelten Zustand fließt die hydraulische Flüssigkeit durch einen Bypass mit relativ geringem hydraulischen Widerstand. Bei voller Verdrehung des Torsionsstabes der Lenkung wird hingegen der volle Volumenstrom in die Hydraulik Zylinder geleitet. Hierdurch steigt der hydraulische Widerstand und somit der notwendige Hydraulische Druck entsprechend der Lenksituation, wodurch eine hydraulische Lenkunterstützung notwendig wird. Der Hydraulische Widerstand ist dementsprechend nicht konstant, sondern von der Lenkwinkelgeschwindigkeit und Fahrzeug Geschwindigkeit abhängig. Daher kann über den aktuellen hydraulischen Druck und einen parametrierbaren hydraulischen Widerstand (Öldruck/Durchfluss) eine neue Solldrehzahl der Servopumpe berechnet werden.
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Natürlich muss dabei unter anderem auch das Messrauschen der zugrundeliegenden Prozessdaten beachtet werden, um ein Schwingen des Systems zu vermeiden und einen ruhigen Lauf zu gewährleisten. Da die Leerlaufverluste des Systems abhängig von der aktuellen Motordrehzahl und somit dem Durchfluss sind, können diese Verluste zusätzlich durch die Berücksichtigung des aktuellen Durchflusses in der Rechnung kompensiert werden, um ein präziseres Ergebnis zu erhalten.
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Erfindungsgemäß ist also eine hydraulische Lenkhilfe mit einer von einem drehzahlgeregelten Pumpenmotor angetriebenen Servopumpe, einem mit der Servopumpe verbundenen Servoventil, einem mit dem Servoventil verbundenen Hydraulikkolben und einer die Drehzahl des Pumpenmotors einstellenden Steuerung vorgesehen, wobei die Steuerung zum Erfassen des Drehmoments des Pumpenmotors und zum Einstellen einer Solldrehzahl des Pumpenmotors in Abhängigkeit vom erfassten Drehmoment unter Berücksichtigung von Leerlaufdruckverlusten eingerichtet ist, wobei die Steuerung zur Bestimmung und Berücksichtigung der Leerlaufdruckverluste in Abhängigkeit vom von der Servopumpe geförderten Volumenstrom mittels einer Leerlaufkennlinie des nachgeschalteten Hydrauliksystems eingerichtet ist, wobei die Leerlaufkennlinie aus den Druckverlusten im Leerlauf im ausgelenkten Zustand in Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom besteht.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung dient insbesondere dazu, die Lenkunterstützung bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zu reduzieren.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung wird das Drehmoment des Pumpenmotors mittels eines Drehmomentsensors erfasst. Insbesondere ist der der Drehmomentsensor an der Abtriebswelle des Pumpenmotors angeordnet, wobei es sich beim Drehmomentsensor speziell um einen an der Abtriebswelle des Pumpenmotors angeordneten Dehnungsmessstreifen handelt.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung zum Erfassen des Drehmoments des Pumpenmotors mittels Erfassen des Motorstroms des Pumpenmotors und Berechnen des Drehmoments anhand von Kenngrößen des Pumpenmotors mittels des erfassten Motorstroms eingerichtet.
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Schließlich weist die Lenkhilfe bevorzugt auch ein Druckbegrenzungsventil auf.
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Mit der vorliegenden Anmeldung wird weiter ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Lenkhilfe beansprucht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridelektrofahrzeug.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Lenkhilfe mit einer von einem Pumpenmotor angetriebenen, drehzahlgeregelten Servopumpe bereitgestellt, mit den Schritten Betreiben der Pumpe mit einer vorbestimmten Drehzahl, Bestimmen des Drehmoments der Servopumpe bei der vorbestimmten Drehzahl unter Berücksichtigung von Leerlaufdruckverlusten, Einstellen einer Solldrehzahl der Servopumpe in Abhängigkeit vom erfassten Drehmoment, wobei die Leerlaufdruckverluste in Abhängigkeit vom von der Servopumpe geförderten Volumenstrom mittels einer Leerlaufkennlinie des nachgeschalteten Hydrauliksystems bestimmt werden, wobei die Leerlaufkennlinie aus den Druckverlusten im Leerlauf im ausgelenkten Zustand in Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom besteht. Die Schritte werden während des Betriebs eines die Lenkhilfe aufweisenden Fahrzeugs wiederholt ausgeführt, wobei bei Wiederholung der Schritte die eingestellte Solldrehzahl der vorbestimmten Drehzahl entspricht.
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Das Bestimmen des Drehmoments erfolgt bevorzugt durch Erfassen des Motorstroms des Pumpenmotors und Berechnen des Drehmoments anhand von Kenngrößen des Pumpenmotors.
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Weiter wird die Solldrehzahl bevorzugt in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt. Dieses dient insbesondere dazu, die Lenkunterstützung bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zu reduzieren.
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Höchst bevorzugt ist vorgesehen, dass die Solldrehzahl nur unter der Bedingung eingestellt wird, dass diese sich von der vorbestimmten Drehzahl um eine vorbestimmte Differenz unterscheidet. Dieses Vorgehen ermöglicht es potentielle Schwingungen durch die Berechnung zu minimieren.
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Die Erfindung wird anhand eines besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 einen bevorzugten schematischen Verfahrensablauf zum Betreiben einer besonders bevorzugt ausgestalteten Lenkhilfe nach der Erfindung.
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Zunächst wird in Schritt 1 des Verfahrens das aktuelle Drehmoment über die entsprechende Kennlinie des Motors anhand der Messgröße Motorstrom berechnet, sofern diese Umrechnung nicht schon automatisch auf einem Umrichter nach dem Stand der Technik erfolgt. Alternativ kann das aktuelle Drehmoment auch über einen Drehmomentsensor an der Abtriebswelle des Motors gemessen werden.
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Mit dem berechneten oder gemessenen Drehmoment kann nun in Schritt 2 die Berechnung des aktuellen Pumpendrucks anhand der Pumpenkennlinie der Hydraulikpumpe erfolgen. Alternativ kann der hydraulische Druck auch über einen geeigneten Druckaufnehmer gemessen werden, wobei in diesem Falle Schritt 1 des Verfahrens entfallen kann.
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Über die in Schritt 3 ermittelte aktuelle Drehzahl erfolgt eine Kompensation der Leerlaufdruckverluste. Hierbei kann die Drehzahl entweder sensorlos als Ergebnis im Rahmen der ohnehin im Umrichter hinterlegten Regelalgorithmen, oder gleichwertig über einen Drehgebersensor bestimmt werden. Alternativ kann auch der aktuelle Sollwert der Drehzahl (Schritt 12) an Stelle der aktuellen Drehzahl für die Kompensation verwendet werden.
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Die in Schritt 4 dargestellte Leerlaufkompensation erfolgt anhand einer parametrierbaren Leerlaufkennlinie des Hydrauliksystems des Fahrzeugs. Diese besteht aus den Druckverlusten im Leerlauf im ausgelenkten Zustand in Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom. Der geförderte Volumenstrom ist hierbei proportional zur in Schritt 3 ermittelten Drehzahl des Motors und kann über die Pumpenkennlinie der Servopumpe bestimmt werden.
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An der Summationsstelle 6 erfolgt die Summation des in Schritt 2 bestimmten aktuellen hydraulischen Drucks und den mit negativem Vorzeichen 5 versehenen aktuellen Leerlauf Druckverlusten aus Schritt 4. Das Ergebnis entspricht dem hydraulischen Systemdruck vermindert um die im ausgeregelten Zustand zu erwartenden Druckverluste.
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Über einen definierten hydraulischen Widerstand kann nun in Schritt 7 die Berechnung des aktuell benötigten Durchflusses erfolgen, indem das Ergebnis der Summationsstelle 6 durch den hydraulischen Widerstand geteilt wird. Dieser hydraulische Widerstand kann entweder als fester parametrierbarer Wert ausgeführt sein, oder optional als Funktion in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit aus Schritt 8 gesetzt werden, um beispielsweise die Lenkunterstützung bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zusätzlich zu reduzieren.
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Über die Kennlinie der Servopumpe kann anschließend in Schritt 9 die Berechnung der diesem Durchfluss entsprechenden neuen Drehzahl erfolgen.
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Durch die Einführung einer optionalen Mindest-Änderungserkennung in Schritt 10 kann sichergestellt werden, dass erst eine Änderung der Drehzahl erfolgt, wenn sich die berechnete Drehzahl prozentual um ein Mindestmaß von dem letzten Drehzahl Sollwert unterscheidet. Dieses Vorgehen ermöglicht es potentielle Schwingungen durch die Berechnung zu minimieren.
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Zusätzlich wird die berechnete Drehzahl in Schritt 11 auf ein Minimum und ein Maximum begrenzt, um einen Kontinuierlichen Mindestdurchfluss im Hydraulik System sicherzustellen und alle beteiligten Systeme entsprechend ihren Spezifikationen zu schützen.
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Abschließend berechnet sich somit der in Schritt 12 bestimmte neue Drehzahl-Sollwert welcher im Umrichter gesetzt werden kann. Bei aktiver Leerlaufkompensation ergibt sich hierdurch ein iterativer Rechenvorgang, da das Ergebnis aus Schritt 12 im nächsten Rechendurchgang einen direkten Einfluss als Eingabewert in Schritt 3 hat.
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Um ein unkontrolliertes Schwingen des Systems zu vermeiden, bzw. zu unterbinden, ist es sinnvoll alle Ein- Bzw. Ausgangsgrößen des beschriebenen Verfahrens durch eine geeignete Schwingungskompensation bzw. Filterung 13 nach dem Stand der Technik zu stabilisieren. Hierzu zählen Tiefpassfilter, aber auch eine geeignete Wahl der Drehzahl Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen im Umrichter. Durch ein reduziertes Verzögerungsverhalten kann die Drehzahl und somit Lenkunterstützung zusätzlich für eine bestimmte Zeit nach dem Lenkereignis hochgehalten werden.
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Die für die Umsetzung benötigte Software/Berechnung kann beispielsweise in dem Steuergerät implementiert sein, auf dem gemäß Stand der Technik die Auswertung des Lenkwinkelsensors erfolgt. Einige Umrichter bieten zudem die Möglichkeit eine eigene Applikationssoftware zu implementieren. In diesem Falle kann diese Möglichkeit genutzt werden und neben dem Sensor auch das notwenige Steuergerät eingespart werden.
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Außerdem entfällt in diesem Falle die CAN-Kommunikation zwischen Steuergerät und Umrichter, wodurch die Ausfallsicherheit zusätzlich erhöht und die Rechenzeit/Totzeit des Systems um den Faktor 10 verringert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung bietet zusätzlich den Vorteil, dass die aktuelle Fahrsituation, wie beispielsweise die Beladung, oder die Haftreibung des Fahrzeugs auf unterschiedlichem Untergrund des Fahrzeugs berücksichtigt wird, da nicht die Lenkwinkelgeschwindigkeit, sondern der Gegendruck als Grundlage der Berechnung dient. Das bedeutet, dass automatisch eine höhere Lenkunterstützung erzielt wird, wenn das Fahrzeug stärker beladen ist oder ein Untergrund mit höherem Reibwert vorliegt.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber Systemen gemäß dem Aktuellen Stand der Technik, welche lediglich die Lenkwinkelgeschwindigkeit auswerten, besteht daher neben der Einsparung eines Lenkwinkelsensors in der bedarfsgerechten Steuerung der Lenkhilfe, die sich nicht auf die Lenkwinkelgeschwindigkeit, sondern auf die Lastsituation (Beispielsweise Messdaten des Umrichters: Motorstrom und Spannung oder Drehmoment und Drehzahl) stützt. Dadurch werden unterschiedliche Untergründe bzw. Fahrzeugbeladungen und Fahrsituationen automatisch in der Lenkkraftunterstützung berücksichtigt.
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Gleichzeitig wird aufgrund der Einsparung eines gesonderten Sensors die Ausfallsicherheit erhöht und die Totzeit des Systems reduziert, da eine Übertragung von Sensordaten nicht mehr notwendig ist. Wird die Erfindung direkt im Umrichter implementiert, kann zudem auf ein separates Steuergerät verzichtet werden, wobei auch ein Nachrüsten einer bedarfsgerechten Lenkunterstützung von alten Fahrzeugen ohne Lenkwinkelsensor problemlos möglich wird.
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Schließlich wird insgesamt die Komplexität der Lenkhilfe reduziert, sodass eine Implementierung der vorliegenden Erfindung im Rahmen von „Plug & Play“ möglich ist.
