DE102021109647A1

DE102021109647A1 - Fahrermoment- und Lenkwinkelmessung in einem Torque-Overlay-Steering (TOS)

Info

Publication number: DE102021109647A1
Application number: DE102021109647.2A
Authority: DE
Inventors: Jens-Hauke Müller; Sven Kirschbaum
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20
Also published as: WO2022218623A1; CN117222569A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektroantriebs, und dass die Servolenkbaugruppe eine Sensoranordnung am Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Sensoranordnung ein Ist-Drehmoment bestimmt wird und dass die Steuereinheit ein Fahrerdrehmoment mithilfe des Ist-Drehmoments bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Niederflurfahrzeug zur Ausführung eines solchen Verfahrens, sowie eine Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 20.
Zur Lenkunterstützung von Kraftfahrzeugen sind hydraulisch, elektrisch oder elektrohydraulisch unterstützte Servolenkungen bekannt. Solche Servolenkungen werden unter anderem in leichten und schweren Nutzfahrzeugen so eingesetzt, dass die Drehbewegung eines Lenkrads je nach Bauart entweder direkt oder indirekt über Gestänge auf Spurstangen übertragen wird.
Derartige Servolenkungen sind seit langem bekannt und in vielfachen Ausführungen erhältlich. So beschreiben beispielsweise die Dokumente DE 10 2014 106 488 A1 sowie DE 10 2014 106 493 A1 Servolenkungen, bei denen die Lenkunterstützung durch den Einsatz von Hydraulik gewonnen wird.
Dabei sind die elektrohydraulischen Servolenkungen mit diversen Sensorkombinationen wie zum Beispiel einem „Torque and Angle-Sensor“ (TAS-Sensor) ausgerüstet, um differenzieren zu können, welches Drehmoment vom Fahrer durch das Lenkrad in das Lenksystem eingebracht wird, und welche Drehmomente von zum Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung stammen. Ein TAS-Sensor umfasst in der Regel Winkelsensoren zur Bestimmung eines Differenzwinkels zwischen Lenkrad bzw. dessen Eingangswelle in die Servolenkung und einer Welle des Elektroantriebs der elektrischen Lenkunterstützung. Der Elektroantrieb ist dabei über einen Torsionsstab mit der Eingangswelle verbunden, so dass eine Relativ-Drehung zwischen Eingangswelle und Elektroantrieb möglich ist. Mithilfe der Kennlinie des Torsionsstabs und des Differenzwinkels kann so das Drehmoment bestimmt werden, welches der Fahrer in die Servolenkung einbringt.
Zusätzlich zur elektrischen Unterstützung umfasst eine elektrohydraulische Servolenkung eine hydraulische Lenkunterstützung. Dazu wird an den Abtrieb der elektrischen Lenkunterstützung eine hydraulische Lenkunterstützung in Reihe geschaltet. Die hydraulische Lenkunterstützung umfasst ebenfalls zwei Wellen, welche durch einen Torsionsstab verbunden sind. Die beiden Wellen bilden zusammen mit dem Torsionsstab ein Drehschieberventil, welches zur Steuerung des Hydraulikfluids verwendet wird. Je stärker die beiden Wellen zueinander verdreht sind, desto weiter ist das Drehschieberventil geöffnet und desto stärker wird die Lenkung hydraulisch unterstützt.
Solche Servolenkungen umfassen jedoch sehr viele Bauteile und Sensoren, und sind somit aufwendig in der Herstellung und der Wartung. Auch wird im Vergleich zu einer rein hydraulischen Servolenkung mehr Bauraum benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrohydraulische Servolenkung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, die einen deutlich vereinfachten Aufbau aufweist.
Bezogen auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Bezogen auf ein Niederflurfahrzeug zur Ausführung eines solchen Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Niederflurfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bezogen auf eine Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments der Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils genutzt wird, welcher aufgrund der hydraulischen Lenkunterstützung ohnehin vorhanden ist, und kein zusätzlicher Torsionsstab zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments notwendig ist.
Dadurch kann eine Vielzahl an mechanischen Bauelementen wie ein zusätzlicher Torsionsstab, eine weitere Welle, Lagerungen usw. eingespart werden. Durch die Nutzung weiterer Ressourcen wie beispielsweise eines Motorsensors, welcher an modernen Elektromotoren in der Regel vorhanden ist, und dem Einsatz einer speziellen Steuerung kann die Anzahl der zusätzlich notwendigen Sensoren zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments minimiert werden.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich mit einer solchen Anordnung besonders kompakte elektrohydraulische Servolenkbaugruppen darstellen lassen, welche von besonderem Interesse bei beengten Platzverhältnissen sind, wie dies beispielsweise in Niederflurfahrzeugen der Fall ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen. Erfindungsgemäß umfasst die Servolenkbaugruppe eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektroantriebs.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine Sensoranordnung der Servolenkbaugruppe mithilfe des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment bestimmt, und dass die Steuereinheit ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment bestimmt.
Die Eingangswelle ist mit einem Richtungswählelement des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Richtungswählelement ist in der Regel ein Lenkrad und über eine Lenksäule mit der Eingangswelle verbunden. Über das Lenkrad leitet der Fahrer durch Drehen ein Drehmoment - das Fahrerdrehmoment - über die Eingangswelle in die Servolenkbaugruppe ein. Nach erfolgter Lenkunterstützung wird die Kraft über die Ausgangswelle an ein Lenkgestänge zur Richtungsänderung des Fahrzeugs weitergegeben.
Die Eingangswelle ist über einen Torsionsstab mit der Ausgangswelle verbunden. Diese Baugruppe ist als Drehschieberventil für die hydraulische Lenkunterstützung ausgeführt. Das bedeutet, dass die Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle verdreht werden kann, wobei durch die Verdrehung eine Ventilöffnung geöffnet bzw. geschlossen werden, über welche dann das Hydraulikfluid geregelt wird. Das Hydraulikfluid dient dann der hydraulischen Lenkunterstützung.
Für eine zusätzliche elektrische Lenkunterstützung bzw. eine Lenkbeeinflussung kann ein Elektroantrieb an die Eingangswelle gekoppelt sein. Denkbar ist aber auch eine Kopplung an die Ausgangswelle oder andere Wellen, die im Kraftschluss mit dem Lenkgestänge stehen. Zur Steuerung des Elektroantriebs wird regelmäßig unter anderem das Fahrerdrehmoment bestimmt. Dieses wird mithilfe der Sensoranordnung bestimmt, welche den Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils überwacht. Sofern der Fahrer das Lenkrad betätigt, stellt sich zunächst ein Differenzwinkel zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle ein. Dieser kann zusammen mit der Kennlinie des Torsionsstabs in das Ist-Drehmoment umgerechnet werden. Das Ist-Drehmoment ist das tatsächlich auf das Lenkgestänge aufgebrachte Drehmoment. Das Ist-Drehmoment kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen. In der Regel setzt es sich aus dem Fahrerdrehmoment und den Drehmomenten aus den verschiedenen Lenkunterstützungen und ist den Lenkwiderständen des Fahrzeugs entgegengerichtet. Das Ist-Drehmoment kann unter Berücksichtigung der herrschenden Drehmomente und im speziellen des eingeleiteten Drehmoments des Elektroantriebs in das Fahrerdrehmoment umgerechnet werden. Dieser Wert wird dann zur Regelung des Elektroantriebs herangezogen.
Der Elektroantrieb umfasst vorzugsweise einen Elektromotor und ein Getriebe. Der Elektromotor ist vorzugsweise mit einem internen Motorsensor bestückt, welcher Motorkenndaten misst und ausgibt. Diese Motorkenndaten können der Motorstrom, der Winkel der Motorwelle, die Spannung oder ähnliche Werte umfassen. Das Getriebe ist nicht auf eine bestimmte Bauart festgelegt und kann in Form eines Stirnrad-, Planeten-, Schnecken- oder schrägverzahnten Getriebe realisiert sein. Andere Getriebe-Arten können durchaus sinnvoll sein.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerdrehmoment auch basierend auf einem von dem Elektroantrieb abgegebenen Unterstützungs-Drehmoment bestimmt wird. Für die elektrische Lenkunterstützung in bestimmten Betriebszuständen muss das Fahrerdrehmoment bekannt sein, um die Regelung des unterstützenden Elektromotors zu realisieren. Daher ist üblicherweise das Drehmoment zum Beispiel des Elektromotors - also das Unterstützungs-Drehmoment - bekannt oder kann abgeschätzt werden, so dass dieses Drehmoment zur Berechnung des Fahrerdrehmoments herangezogen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments ein TAS-System verwendet. Ein TAS-System ist eine Sensoranordnung mit Namen „Torque and Angle Sensor“ und umfasst in der Regel mehrere Winkelsensoren, mit welchen Drehmoment und Lenkwinkel gemessen wird. Ein TAS-System wird an der Schnittstelle zweier Wellen angebracht und überwacht diese. Das TAS-System ist hier an der Schnittstelle von Eingangswelle und Ausgangswelle angebracht und benötigt, wie normalerweise üblich, keine zusätzlich Zwischenwelle mit zusätzlichem Torsionsstab. Mithilfe der Sensoren des TAS-Systems können das Drehmoment, der Differenzwinkel und der Absolutwinkel der beiden Wellen gemessen werden. Vorzugsweise ist das TAS-System dazu eingerichtet, einen Differenzwinkel zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle und dem daraus resultierenden Drehmoment am Torsionsstab, einen Absolutwinkel der Eingangswelle und/oder einen Absolutwinkel der Ausgangswelle zu messen. Die Sensoranzahl ist dabei nicht auf die zuvor genannten Sensoren festgelegt. Vielmehr sind die Anzahl und Art der eingesetzten Sensoren so zu wählen, dass sowohl die Winkel als auch das Drehmoment gemessen werden kann. Daher umfasst das TAS-System der Sensoranordnung vorzugsweise mehrere Sensoren wie Drehmomentsensoren, und/oder Winkelsensoren, und/oder Sensoren zur Erfassung der Umdrehungsanzahl der Eingangswelle, mit dem Ziel das Drehmoment und die Winkel der Anwendung entsprechend zuverlässig und präzise zu erfassen. Bevorzugt ist daher, dass die Sensoranordnung mehrere Sensoren zur Bestimmung des Ist-Drehmoments verwendet und zwar insbesondere Drehmomentsensoren und/oder Winkelsensoren und/oder Sensoren zur Umdrehungszahl der Eingangswelle. Die Umdrehungszahl der Eingangswelle ist daher interessant, da diese meist mit der Umdrehungszahl des Lenkrades übereinstimmt. Vorzugsweise umfasst das TAS-System einen Drehmomentsensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments und/oder einen Absolutwinkelsensor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung nur einen Sensor zu Bestimmung des Fahrerdrehmoments verwendet, welcher als Winkelsensor ausgeführt ist, wobei die Bestimmung des Fahrerdrehmoments aus den Daten des Winkelsensors und den Daten eines von dem Elektroantrieb umfassten Motorsensors zur Überwachung eines Elektromotors des Elektroantriebs bestimmt wird. Bei einer geeigneten Berechnung des Fahrerdrehmoments ist es möglich, die Sensoranordnung auf einen Winkelsensor zu beschränken. Vorzugsweise ist der Winkelsensor zur Ermittlung eines Differenzwinkels zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle eingerichtet. Für eine solche Berechnung des Fahrerdrehmoments wird der Differenzwinkel zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle durch die Sensoranordnung erfasst und mit den Messdaten des Motorsensors kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Motorsensor ebenfalls um einen Winkelsensor. Dieser kann als Motor-Winkelsensor bezeichnet werden. Auf diese Weise kann sowohl das Fahrerdrehmoment aus dem Differenzwinkel und der Kennlinie des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils bestimmt werden als auch aus dem Winkelsensor des Motorsensors des Elektromotors die Rotations-Position einer Motorwelle des Elektromotors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung das Ist-Drehmoment redundant erfasst. Eine redundante Erfassung des Ist-Drehmoments bedeutet, dass das Ist-Drehmoment basierend auf zwei verschiedenen Messwerten erfasst wird. Vorzugsweise erfolgt dies durch redundante Sensorauslegung. Da ein Eingriff in die Lenkung eines Kraftfahrzeugs sicherheitsrelevant ist, bietet es sich an, die Sensoranordnung redundant auszulegen. Dies kann im einfachsten Fall dadurch geschehen, dass die Sensoren der Sensoranordnung doppelt vorgesehen werden. Es kann aber auch sinnvoll sein verschiedene Sensortypen für den gleichen Messwert vorzusehen. So kann ein Messfehler, welcher durch äußere Umstände bei einer bestimmten Art Sensor auftreten würde, detektiert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Elektroantrieb bei uneindeutigen Messwerten passiv geschaltet wird oder in einen sicheren Modus versetzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung so eingerichtet ist, dass das Ist-Drehmoment über einen Differenzwinkel bestimmt wird. Die Bestimmung des Ist-Drehmoments über einen Differenzwinkel bietet sich an, da so mithilfe der Kennlinie des Torsionsstabs das Ist-Drehmoment berechnet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Berechnung des Ist-Drehmoments erfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und der Ausgangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Diesen Differenzwinkel bietet sich zur Berechnung an, da der Winkel der Motorwelle ohnehin durch den Motorsensor bekannt ist, und nur der Winkel der Ausgangswelle zusätzlich erfasst werden muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes des Elektroantriebs und der Ausgangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Es kann auch sein, dass die Sensoranordnung so eingerichtet ist, dass ein Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes des Elektroantriebs und der Eingangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst wird. Es kann je nach Anwendung nötig sein der Ausgangswelle ein Getriebe vorzuschalten, um entweder die Kraft zu oder die Geschwindigkeit zu erhöhen. Da ein Getriebe im Wesentlichen keine Differenzwinkel zwischen den einzelnen Getriebewellen zulässt, ist es auch möglich den Differenzwinkel zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments mithilfe einer Welle im Getriebe zu bestimmen und nicht zwingend direkt an der Eingangs- oder Ausgangswelle der Servolenkbaugruppe. Vorzugsweise umfasst das Getriebe ein Schneckengetriebe.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und der Eingangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Zwischen Motorwelle und Eingangswelle befindet sich in der Regel ein Getriebe oder zumindest eine Kraftschlüssige Verbindung. Diese lässt im Wesentlichen kein Spiel zwischen Motorwelle und der Eingangswelle zu, so dass mithilfe des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes oder der Kraftschlüssigen Verbindung der Differenzwinkel zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments bestimmt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb zur Lenkunterstützung ein Motordrehmoment auf die Eingangswelle ausübt. Bevorzugt ist, dass der Elektroantrieb mit der Eingangswelle in Eingriff steht. In diesem Fall erfolgt die Übertragung des Motordrehmoments also direkt von dem Elektroantrieb auf die Eingangswelle.
Dieses Motordrehmoment kann ebenfalls zur Ermittlung des Fahrerdrehmoments herangezogen werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit das Fahrerdrehmoment auch basierend auf dem Motordrehmoment bestimmt.
Grundsätzlich kann das Motordrehmoment auf beliebige Art und Weise ermittelt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuereinheit das Motordrehmoment basierend auf einer Messung eines Motorstroms zum Betrieb des Elektroantriebs ermittelt. Speziell kann es sich bei dem gemessenen Motorstrom um einen Motorstrom zum Betrieb des Elektromotors handeln. Es können zur Ermittlung des Motordrehmoments aber auch weitere Größen und insbesondere weitere gemessene Größen hinzugezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Multiturn-fähigen Lenkwinkel aus dem Winkel einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und dem Winkel der Ausgangswelle erfasst. Ein Mutiturn-fähiger Lenkwinkel ist ein Lenkwinkel, der auch bei mehr als einer ganzen Umdrehung des Lenkrades klar definiert, wo sich das Lenkrad befindet. Dies kann beispielsweise eine Winkelangabe von 0 bis 360° in Kombination mit einer Angabe zu den bereits abgefahrenen vollen Umdrehungen sein, oder eine Winkelangabe, die über 360° nicht wieder bei 0° beginnt, sondern weiter hoch zählt. Solche Winkelsensoren umfassen meist mehrere Sensoren, die in der Lage sind, den gewünschten Multiturn-fähigen Lenkwinkel auszugeben. Um zusätzlich Sensoren entbehrlich zu machen, kann der Motorsensor des Elektromotors genutzt werden, um die benötigte Information zu bestimmen. Vorzugsweise wird der Multiturn-fähige Lenkwinkel mit Hilfe des Nonius-Prinzips erfasst. Das Nonius-Prinzip ist von zum Beispiel Messschiebern und anderen Messeinrichtungen bekannt. In Falle der Servolenkbaugruppe kann das Prinzip genutzt werden, indem der Winkel des Motorsensors, welcher von 0 bis 360° läuft, in Kombination mit dem Übersetzungsverhältnis mit dem Winkel der Eingangswelle, welcher ebenfalls von 0 bis 360° läuft, verglichen wird. So ergibt sich abhängig vom Übersetzungsverhältnis beispielsweise für einen Motorwinkel von 73° und einen Winkel der Eingangswelle von 169°, dass sich das Lenkrad in der ersten Umdrehung befinden muss, während bei einem Motorwinkel von 17° und einem Winkel der Eingangswelle von 169° sich das Lenkrad in der zweiten Umdrehung befinden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ein Rechner-Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments verwendet. Je nach Komplexität der zu verwaltenden Sensordaten kann es von Vorteil sein, wenn die Daten von einem eigenen Rechner-Modul verwaltet werden und das Fahrerdrehmoment bestimmen. Auch eine Kombination einer Steuerung des Elektroantriebs und der Datenverarbeitung der Sensordaten kann sinnvoll sein. Vorzugsweise ist das Rechner-Modul zur Steuerung des Elektroantriebs eingerichtet. Weitere Kombinationen von Steuergeräten oder Datenverarbeitungs-Modulen können sinnvoll sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung die erfassten Messwerte der Sensoren an ein im Kraftfahrzeug vorhandenes Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments weiterleitet. Um ein weiteres Steuergerät zu vermeiden, kann die Verarbeitung der Sensordaten von einem bereits im Kraftfahrzeug befindlichem Modul übernommen werden. Dies kann Beispielsweise ein Modul sein, welches einen autonomen Fahrbetrieb steuert oder bereits mit Funktionen zur Lenkung betraut ist. Es ist aber auch jedes andere Modul mit verfügbaren Kapazitäten verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Niederflurfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Servolenkbaugruppe zur Ausführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens umfasst.
Die erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe ist für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen und umfasst eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung und eine Sensoranordnung, welche dazu eingerichtet ist, mithilfe des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment zu bestimmen.
Die erfindungsgemäß Servolenkbaugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment zu bestimmen.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Niederflurfahrzeugs und der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe ergeben sich aus den Unteransprüchen, die sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beziehen und als solche nicht einschränkend zu verstehen sind. Von der Erfindung mit umfasst sind auch Kombinationen der Merkmale verschiedener Unteransprüche, soweit diese technisch möglich sind, auch wenn sich die Unteransprüche nicht aufeinander beziehen oder wenn diese verschiedenen Anspruchskategorien zugehören. Dies gilt auch für die einzelnen Merkmale der nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiele, soweit diese nicht für den Fachmann als zwingend zueinander gehörig erkennbar sind.
Die nachstehend wiedergegebenen Ausführungsbeispiele sind dazu vorgesehen, dem Fachmann die Erfindung näher zu erläutern. Die Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

1: eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Übertragung einer Lenkbewegung von einem Lenkrad (nicht dargestellt) an ein Lenkgestänge (ebenfalls nicht dargestellt). Diese Ausführungsvariante der 1 kann auch das erfindungsgemäße Verfahren ausführen.
Das Fahrerdrehmoment wird über das Lenkrad durch die Eingangswelle 2 in die Servolenkbaugruppe eingebracht. Mit der Eingangswelle 2 ist das Getriebe 7 des Elektroantriebs 10 verbunden, bei welchem Getriebe 7 es sich hier um ein Schneckengetriebe handelt. Der Elektroantrieb 10 umfasst dabei weiter den Elektromotor 3 mit Motorwelle 4 und Motorsensor 8. Der Torsionsstab 5 verbindet die Eingangswelle 2 mit der Ausgangswelle 1 in der Weise, dass er eine gewisse Drehbewegung zwischen den beiden zulässt. Dies ist nötig, da Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 ein Drehschieberventil bilden, welches zur Steuerung der hydraulischen Lenkunterstützung (hier nicht dargestellt) dient. Durch eine Verdrehung der Eingangswelle 2 gegenüber der Ausgangswelle 1 werden Ventile betätigt, welche die hydraulische Lenkunterstützung betätigen. Sobald die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 1 einen Differenzwinkel im Wesentlichen 0° aufweisen, steht das Lenkgestänge in der vom Fahrer gewünschten Position und die hydraulische Lenkunterstützung leitet keine weitere Kraft in die Servolenkbaugruppe ein. An der Schnittstelle von Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 befindet sich die Sensoranordnung 6, welche hier beispielhaft den Differenzwinkel zwischen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 erfasst, welcher wiederum zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments genutzt wird.
Das in der 2 abgebildete Ausführungsbeispiel zeigt die im Wesentlichen gleiche Servolenkbaugruppe wie die 1, mit dem Unterschied, dass die Sensoranordnung nur noch einen Winkelsensor umfasst, welcher - im Gegensatz zu der den Differenzwinkel erfassenden Sensoranordnung 6 der 1 - den Absolutwinkel der Ausgangswelle 1 erfasst.
Für beide Ausführungsbeispiele gilt, dass in einem manuellen Fahrbetrieb der Fahrer des Fahrzeugs die Lenkung bedient. Dazu dreht er an dem Lenkrad, um die gewünschte Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorzugeben. Diese Drehbewegung des Lenkrads wird auf die Eingangswelle 2 übertragen. Dadurch dreht sich gleichzeitig der Elektroantrieb 10 mit. Durch das Bewegen des Elektroantriebs 10 kann durch den Motorsensor 8 der Winkel der Motorwelle 4 und damit auch unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 7 der Winkel der Eingangswelle 2 bestimmt werden. Somit ist bekannt, in welcher Position sich das Lenkrad befindet und es ist bekannt in welche Richtung der Fahrer das Fahrzeug lenken möchte.
Der Elektroantrieb 10 kann zusätzlich zum aufgebrachten Fahrerdrehmoment ein Motordrehmoment aufbringen. Dies kann so gerichtet sein, dass der Fahrer in seiner Drehbewegung unterstützt wird, oder es kann entgegen gerichtet sein, so dass ein erhöhtes Drehmoment vom Fahrer aufgebracht werden muss. Auf diese Weise kann das Lenkgefühl des Fahrers beeinflusst werden.
Durch das Drehen der Eingangswelle 2 stellt sich zunächst ein Differenzwinkel zwischen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 ein, da der Torsionsstab 5 die Eingangswelle 2 mit der Ausgangswelle 1 elastisch verbindet und die Ausgangswelle 1 in der Regel durch zum Beispiel Reibungskräfte der Räder der Drehung entgegenwirkt. Der Differenzwinkel stellt sich in Abhängigkeit des Lenkwiderstands der Räder bzw. der Lenkmechanik ein, welche direkt mit der Ausgangswelle 1 verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird der Differenzwinkel dabei durch die Sensoranordnung 6 direkt erfasst. Im Ausführungsbeispiel der 2 wird der Differenzwinkel dadurch ermittelt, dass neben dem Absolutwinkel der Ausgangswelle 1 durch die Sensoranordnung 6 auch der Winkel der Eingangswelle 2 durch den Motorsensor 8 bekannt ist. Da in beiden Ausführungsbeispielen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 mittels des Torsionsstabs 5 verbunden sind, kann in beiden Fällen des Torsionsstabs 5 das Ist-Drehmoment bestimmt werden.
Je größer das Fahrerdrehmoment in Verbindung mit dem Drehmoment des Elektroantriebs - also dem Motordrehmoment - ist, desto größer ist auch dieser Differenzwinkel. Die Verdrehung der Eingangswelle zur Ausgangswelle führt zu einem Öffnen der Hydraulikventile, so dass eine hydraulische Lenkunterstützung ein zusätzliches Drehmoment in die Servolenkbaugruppe einleitet und den Fahrer in seiner Drehbewegung am Lenkrad unterstützt. Die hydraulische Lenkunterstützung greift dabei an einer dem Torsionsstab 5 nachgeordneten Stelle wie beispielsweise der Ausgangswelle 1 an. Die Höhe des hydraulisch eingeleiteten Drehmoments hängt dabei maßgeblich von der Größe des Differenzwinkels ab. Sobald die hydraulische Lenkunterstützung die Ausgangswelle 1 so weit gedreht hat, dass der Differenzwinkel kleiner wird, schließen sich die hydraulischen Ventile wieder und das hydraulische Drehmoment wird geringer. Sofern der Differenzwinkel gegen Null geht, sind auch die Ventile im Wesentlichen geschlossen und die hydraulische Lenkunterstützung nicht mehr vorhanden.
Die Höhe des elektrisch eingeleiteten Motordrehmoments kann zunächst frei von der Steuerung des Elektroantriebs 10 geregelt werden. Jedoch empfiehlt sich im manuellen betrieb eine Regelung unter Berücksichtigung des Differenzwinkels sowie den Messgrößen des Motorsensors 8 zu verwenden. Über den Motorsensor 8 kann die Höhe des Motordrehmoments bestimmt werden, indem die Motorspannungen bzw. Motorströme zum Betrieb des Elektromotors 3 erfasst werden. Dieses Motordrehmoment kann zusammen mit dem erfassten Ist-Drehmoment der Sensoranordnung 6 verrechnet werden, so dass das Fahrerdrehmoment bestimmt werden kann. Mit den nun bekannten Drehmomenten kann dann darauf geschlossen werden, wie stark die elektrische Lenkunterstützung eingreifen soll.
In einem autonomen Fahrbetrieb agiert und unterstützt die hydraulische Lenkunterstützung genauso wie im manuellen Betrieb. Der benötigte Differenzwinkel zur Ansteuerung der Hydraulik wird wieder durch das Verdrehen der Eingangswelle 2 relativ zur Ausgangswelle 1 erreicht, jedoch greift lediglich das elektrisch eingeleitete Drehmoment - also das Motordrehmoment - an der Eingangswelle 2 an und führt zu einem Differenzwinkel. Das Fahrerdrehmoment ist nicht vorhanden und der Elektroantrieb 10 kann die Lenkung ohne Zutun des Fahrers bedienen und wird durch die hydraulische Lenkunterstützung in seinen Bewegungen unterstützt.
Bezugszeichenliste

1: Ausgangswelle
2: Eingangswelle
3: Elektromotor
4: Motorwelle
5: Torsionsstab
6: Sensoranordnung
7: Getriebe
8: Motorsensor
9: Steuereinheit
10: Elektroantrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014106488 A1 [0003]
DE 102014106493 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, wobei die Servolenkbaugruppe eine Eingangswelle (2) zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle (1) zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab (5) zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb (10) zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit (9) zur Ansteuerung des Elektroantriebs (10) umfasst und wobei eine Sensoranordnung (6) der Servolenkbaugruppe mithilfe des Torsionsstab (5) zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment bestimmt.
Verfahren gemäß , dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerdrehmoment auch basierend auf einem von dem Elektroantrieb (10) abgegebenen Unterstützungs-Drehmoment bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) zur Bestimmung des Ist-Drehmoments ein TAS-System verwendet, vorzugsweise dass die Sensoranordnung (6) mehrere Sensoren, insbesondere Drehmomentsensoren, und/oder Winkelsensoren, und/oder Sensoren zur Erfassung der Umdrehungsanzahl der Eingangswelle (2), zur Bestimmung des Ist-Drehmoments verwendet.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das TAS-System einen Drehmomentsensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments und/oder einen Absolutwinkelsensor umfasst.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) nur einen Sensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments verwendet, welcher als Winkelsensor ausgeführt ist, wobei die Bestimmung des Fahrerdrehmoments aus den Daten des Winkelsensors und den Daten eines von dem Elektroantrieb (10) umfassten Motorsensors (8) zur Überwachung eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) das Ist-Drehmoment redundant erfasst, vorzugsweise durch redundante Sensorauslegung.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) so eingerichtet ist, dass das Ist-Drehmoment über einen Differenzwinkel bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Ist-Drehmoments erfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und der Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes (7) des Elektroantriebs (10) und der Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) ein Schneckengetriebe umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und der Eingangswelle (2) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb (10) zur Lenkunterstützung ein Motordrehmoment auf die Eingangswelle (2) ausübt, vorzugsweise, dass der Elektroantrieb (10) mit der Eingangswelle (2) in Eingriff steht.
Verfahren gemäß Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) das Fahrerdrehmoment auch basierend auf dem Motordrehmoment bestimmt.
Verfahren gemäß Patentanspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) das Motordrehmoment basierend auf einer Messung eines Motorstroms zum Betrieb des Elektroantriebs (10), insbesondere zum Betrieb des Elektromotors (3), ermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Multiturn-fähigen Lenkwinkel aus dem Winkel einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und dem Winkel der Ausgangswelle (1) erfasst, vorzugsweise den Multiturn-fähigen Lenkwinkel mit Hilfe des Nonius-Prinzips erfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) ein Rechner-Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments verwendet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) die erfassten Messwerte der Sensoren an ein im Kraftfahrzeug vorhandenes Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments weiterleitet.
Niederflurfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederflurfahrzeug eine Servolenkbaugruppe zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfasst.
Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Eingangswelle (2) zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle (1) zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab (5) zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb (10) zur elektrischen Lenkunterstützung, eine Steuereinheit (9) zur Ansteuerung des Elektroantriebs (10) und eine Sensoranordnung (6), welche dazu eingerichtet ist mithilfe des Torsionsstabs (5) zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) dazu eingerichtet ist, ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment zu bestimmen.