DE10218579A1

DE10218579A1 - Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug und Lenksystem

Info

Publication number: DE10218579A1
Application number: DE2002118579
Authority: DE
Inventors: Arnulf Heilig
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: DE10218579B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug wird in einem Stellmotor in Abhängigkeit des vom Fahrer erzeugten Handlenkmoments ein Motorstellmoment erzeugt, das auf die lenkbaren Fahrzeugräder übertragen wird. Zusätzlich kann ein vom Fahrzeugzustand abhängiger und auf die Fahrzeugräder zu übertragender Zusatzlenkwinkel berücksichtigt werden. In dem Überlagerungsgetriebe wird ein der Richtung des Zusatzlenkwinkels entgegengesetzter Kompensationswinkel eingestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug und auf ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6.

In der Druckschrift DE 197 13 576 A1 wird ein Lenksystem beschrieben, bei dem die Lenkbewegung des Fahrers über eine Lenkwelle auf ein zwischen den gelenkten Vorderrädern sitzenden Lenkgetriebe übertragen wird. Des Weiteren ist im Übertragungsweg zwischen Lenkrad und den Vorderrädern ein Überlagerungsgetriebe angeordnet, mit dessen Hilfe ein Zusatzlenkwinkel auf die Vorderräder aufgegeben werden kann. Der Zusatzlenkwinkel wird beispielsweise in Abhängigkeit von Fahrzeugbewegungen bestimmt, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Fahrdynamik des Fahrzeuges über die Lenkbewegung der Vorderräder, jedoch unabhängig von der vom Fahrer vorgegebenen Lenkbewegung aktiv zu beeinflussen.

Derartige Lenksysteme weisen gegenüber Steer-by-Wire- Lenksystemen den Vorteil einer unmittelbaren, mechanischen Übertragung der Fahrer-Lenkbewegung auf die Vorderräder auf, so dass auch bei einem Ausfall eines Stellmotors bzw. einer Regel- und Steuereinheit des Lenksystems über den mechanischen Durchgriff Lenkbewegungen übertragbar sind. Zugleich kann über das Überlagerungsgetriebe die Fahrdynamik des Fahrzeuges positiv beeinflusst werden. Demgegenüber müssen bei Steer-by-Wire- Systemen aus Sicherheitsgründen einzelne Systemkomponenten mehrfach redundant ausgelegt werden, was erhebliche Kosten verursacht.

Auf Grund der mechanischen Kopplung zwischen Lenkrad, Überlagerungsgetriebe, Lenkgetriebe und Vorderrädern besteht jedoch bei Lenksystemen der in der DE 197 13 576 A1 beschriebenen Art das Problem, dass der über das Überlagerungsgetriebe einzuspeisende Zusatzlenkwinkel zu einem auf das Lenkrad -wirkenden Reaktionsmoment führt, welches vom Fahrer wahrgenommen wird und zu Irritationen führen kann. Der Zusatzlenkwinkel wird nur für den Fall auf die Vorderräder übertragen, dass das Reaktionsmoment vom Fahrer aufgenommen wird, indem der Fahrer das Lenkrad festhält. Lässt dagegen der Fahrer das Lenkrad los oder übt der Fahrer keine ausreichend hohe Haltekraft auf das Lenkrad aus, so wird auf Grund des geringeren Widerstandes im Lenkrad der Zusatzlenkwinkel nicht auf die Vorderräder, sondern auf das Lenkrad übertragen. Auch diese Situation kann zu Irritationen des Fahrers führen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Lenksystem bzw. ein Verfahren für den Betrieb eines Lenksystems mit mechanischem Durchgriff zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern zu schaffen, bei dem die Vorgabe eines zusätzlich auf die gelenkten Räder zu übertragenden Zusatzwinkels ohne Beeinträchtigung der Fahrsicherheit möglich ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Stellmotor in Abhängigkeit des von einem Fahrer erzeugten Handlenkmomentes ein Motorstellmoment erzeugt, das lenkend auf das Fahrzeugrad wirkt. Dem Zusatzlenkwinkel wird ein Zusatzlenkmoment zugeordnet. Ein Gesamtlenkmoment wird mittels des Handlenkmomentes und des unterstützenden Zusatzlenkmomentes gebildet und der Erzeugung des Motorstellmomentes zu Grunde gelegt. In den Nebeneingang des Überlagerungsgetriebes wird ein Winkel eingespeist, der am Haupteingang dasjenige Moment reduziert, das am Haupteingang infolge der Wirkung entsteht, die das Zusatzlenkmomentes auf den Ausgang des Überlagerungsgetriebes ausübt.

In dem Überlagerungsgetriebe wird also ein der Richtung des Zusatzlenkwinkels entgegengesetzter Kompensationswinkel eingestellt. Der Zusatzlenkwinkel wird unmittelbar auf die gelenkten Räder übertragen. Im Unterschied zum Stand der Technik wird somit der Zusatzlenkwinkel nicht über das Überlagerungsgetriebe in den Übertragungsweg zwischen Lenkrad und gelenktem Fahrzeugrad eingespeist, sondern in einem Aggregat erzeugt, das zwischen Überlagerungsgetriebe und gelenktem Rad angeordnet ist, und dadurch unmittelbar auf das Rad übertragen. Der Kompensationswinkel gleicht die dem Zusatzlenkwinkel entsprechende Stellbewegung im Übertragungsweg zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern aus, so dass zwar die Räder den gewünschten Zusatzlenkwinkel ausüben, dieser Zusatzlenkwinkel jedoch nicht oder zumindest nicht vollständig auf das Lenkrad übertragen wird und der Fahrer somit von irritierenden Bewegungen im Lenkrad verschont wird, welche als Reaktion auf die Vorgabe des Zusatzlenkwinkels entstehen könnten. Das Überlagerungsgetriebe sitzt hierbei zweckmäßigerweise zwischen dem Lenkrad und dem Stellmotor. Auf diese Weise kann auch bei einer durchgehenden mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern eine vollständige oder zumindest teilweise Entkopplung der auf den Zusatzlenkwinkel zurückzuführenden Lenkbewegung der gelenkten Räder vom Lenkrad erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Bezug auf die auf die gelenkten Fahrzeugräder zu übertragende Lenkbewegung auf Winkelebene durchgeführt werden, indem der Handlenkwinkel des Fahrers und der Zusatzlenkwinkel addiert und unmittelbar auf die Fahrzeugräder übertragen werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Lenkbewegung auf Momentenebene auszuführen, indem der einzuspeisende Zusatzlenkwinkel in ein Zusatzlenkmoment umgerechnet und zu dem vom Fahrer erzeugten Handlenkmoment hinzuaddiert wird, wobei das hierdurch gebildete Gesamtlenkmoment der Erzeugung des Motorstellmoments in einem Stellmotor zugrunde gelegt wird und das Motorstellmoment die Lenkbewegung der Fahrzeugräder bewirkt.

Der Kompensationswinkel kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführung entgegengesetzt zum Handlenkwinkel, jedoch gleich groß wie dieser sein, wodurch ein vollständiger Ausgleich erzielt wird und das Lenkrad frei von jeglichen Einflüssen gehalten wird, die auf den Zusatzlenkwinkel zurückzuführen sind. In dieser Ausführung spürt der Fahrer über das Lenkrad keinen Eingriff in das Lenksystem bei der Erzeugung des Zusatzlenkwinkels. Dabei ist vorausgesetzt, dass das Überlagerungsgetriebe ein Übersetungsverhältnis von eins hat. Bei einem anderen Übersetzungsverhältnis ist sinnentsprechend vorzugehen. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungen.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführung kann es aber auch angezeigt sein, dass der Betrag des Kompensationswinkels sich vom Betrag des Zusatzlenkwinkels unterscheidet, insbesondere kleiner ist als der Zusatzlenkwinkel. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann außerdem vorgesehen sein, dass der Kompensationswinkel einen zeitveränderlichen Verlauf einnimmt, indem dieser beispielsweise asymptotisch bis zum Betrag des Zusatzlenkwinkels oder einem hiervon sich unterscheidenden Betrag ansteigt. Beide Maßnahmen - sowohl ein sich im Betrag vom Zusatzlenkwinkel unterscheidender Kompensationswinkel als auch ein zeitlich veränderlicher Verlauf des Kompensationswinkels - bieten den Vorteil, dass der Fahrer über das Lenkrad eine Rückmeldung über den nicht vom Fahrer unmittelbar vorgegebenen Eingriff in das Lenksystem bei der Vorgabe des Zusatzlenkwinkels erhält. Diese Rückmeldung informiert den Fahrer über den zusätzlichen Lenkeingriff, so dass der Fahrer gegebenenfalls Einfluss auf sein Fahrverhalten nehmen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist zwischen dem Lenkrad und dem wenigstens einen lenkbaren Fahrzeugrad ein Überlagerungsgetriebe sowie ein Stellmotor angeordnet, wobei das Überlagerungsgetriebe zweckmäßig auf der Lenkradseite und der Stellmotor zweckmäßig auf der dem lenkbaren Fahrzeugrad zugewandten Seite im Übertragungsweg sitzt. Über eine Regel- und Steuereinheit ist einem einzuspeisenden bzw. zu generierenden Zusatzlenkwinkel ein Zusatzlenkmoment zuzuordnen und ein Gesamtlenkmoment durch Addition von Zusatzlenkmoment und Handlenkmoment zu bestimmen. In dem Stellmotor ist aus dem Gesamtlenkmoment das Motorstellmoment erzeugbar, zugleich ist im Überlagerungsgetriebe ein der Richtung des Zusatzlenkwinkels entgegengesetzter Kompensationswinkel einstellbar. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung kann hierbei vorgesehen sein, dass der Stellmotor als Elektromotor ausgeführt ist und dass darüber hinaus der Stellmotor vorteilhaft Bestandteil einer Stelleinrichtung im Lenksystem ist, die zusätzlich die Regel- und Steuereinheit sowie einen Sensor zur Ermittlung des vom Fahrer erzeugten Lenkwinkels erfasst.

Anstelle eines Elektromotors kommen aber auch alternative motorische Antriebe in Betracht, beispielsweise ein hydraulischer Stellantrieb.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Einspeisung eines Zusatzlenkwinkels bei gleichzeitiger Kompensation des Zusatzlenkwinkels zum Lenkrad hin.
Das in Fig. 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem Kraftfahrzeug umfasst ein vom Fahrer zu betätigendes Lenkrad 2, welches mechanisch mit lenkbaren Fahrzeugrädern 3 verbunden ist. Ein vom Fahrer vorzugebender Handlenkwinkel δ_Hand wird über ein im Übertragungsweg zwischen Lenkrad 2 und Fahrzeugrädern 3 angeordnetes Überlagerungsgetriebe AFS (Active Front Steering) auf eine Stelleinrichtung EPS (Electric Power Steering) übertragen, in welcher mit Hilfe eines Stellmotors M, der Bestandteil der Stelleinrichtung EPS ist, ein Motorstellmoment M_Servo zur Umsetzung eines Gesamtlenkwinkels δ_Lenk auf die gelenkten Fahrzeugräder 3 erzeugt wird. Das Motorstellmoment M_Servo wird auf Grund einer Sollmomentvorgabe generiert, die sich aus einem Handlenkmoment M_Hand, welches dem Handlenkwinkel δ_Hand entspricht, sowie gegebenenfalls einem Zusatzlenkmoment M_ZLW entsprechend eines Zusatzlenkwinkels δ_ZLW zusammensetzt.
Der Zusatzlenkwinkel δ_ZLW wird insbesondere in einem Fahrdynamikrechner 4 in Abhängigkeit von aktuellen Fahrzeugzustandsgrößen erzeugt. Aus dem Zusatzlenkwinkel δ_ZLW wird dann ein Zusatzlenkmoment errechnet. Dieses kann zur Beeinflussung der Fahrzeugdynamik dem vom Fahrer generierten Handlenkmoment überlagert werden. Die Information über den Zusatzlenkwinkel δ_ZLW wird auch einem Elektromotor E am Nebeneingang des Überlagerungsgetriebes AFS zugeführt. In der Stelleinrichtung EPS wird der Zusatzlenkwinkel δ_ZLW in ein Zusatzlenkmoment M_ZLW umgerechnet und auf das Handlenkmoment M_Hand aufaddiert.
Das Überlagerungsgetriebe AFS dient nur zur Kompensation der vom Zusatzlenkmoment M_ZLW in Richtung auf das Lenkrad 2 ausgeübten Wirkung. Das Lenkrad wird mit Hilfe einer im Überlagerungsgetriebe AFS (mittels dessen Nebeneingang) einzustellenden Kompensationsbewegung vollständig oder teilweise von derjenigen Bewegung im Lenkübertragungsweg entkoppelt, die auf den Zusatzlenkwinkel δ_ZLW zurückzuführen ist. Auf diese Weise spürt der Fahrer trotz Vorgabe des Zusatzlenkwinkels δ_ZLW keine oder nur eine abgemilderte Reaktion im Lenkrad 2. Trotz dieser vollständigen oder weitgehenden Entkopplung der Lenkradbewegung von der auf den Zusatzlenkwinkel zurückgehenden Bewegung wird der mechanische Durchgriff auf die Fahrzeugräder bei voller Steer-by- Wire-Funktionalität gewährleistet.
Am Haupteingang des Überlagerungsgetriebes AFS wird ein Kompensationswinkel δ_Komp als Funktion des Zusatzlenkwinkels δ_ZLW eingestellt. Der Kompensationswinkel δ_Komp ist derjenigen Richtung entgegengesetzt, die das Moment aufweist, welches auf Grund des Zusatzlenkwinkels δ_ZLW vom Ausgang des Überlagerungsgetriebes auf dessen Haupteingang übertragen wird. Vom Betrag her kann der Kompensationswinkel δ_Komp so groß sein, dass er die Wirkung des Zusatzlenkwinkels δ_ZLW auf das Lenkrad kompensiert, gegebenenfalls sich aber auch hiervon unterscheiden, insbesondere kleiner sein. Außerdem kann es zweckmäßig sein, den Kompensationswinkel zeitlich veränderlich darzustellen, beispielsweise als PT₁-Glied, wodurch dem Fahrer auf eine für ihn nicht irritierende Weise mitgeteilt wird, dass im Lenksystem ein zusätzlicher Eingriff stattfindet.
Das Ablaufdiagramm in Fig. 2 zeigt Verfahrensschritte V1 bis V5 zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb des Lenksystems, wobei die Verfahrensschritte nicht zwingenderweise in der in Fig. 2 dargestellten, sequenziellen Reihenfolge eingehalten werden müssen.
Gemäß dem Verfahrensschritt V1 beginnt das Verfahren zum Betrieb des Lenksystems mit dem Aufbringen eines Handlenkwinkels δ_Hand durch den Fahrer, den dieser auf das Lenkrad überträgt. Dem Handlenkwinkel δ_Hand ist ein Handlenkmoment M_Hand zugeordnet, welches mit Hilfe eines Sensors, der Bestandteil der Stelleinrichtung EPS sein kann, gemessen wird.
Im nächsten Verfahrensschritt V2 wird im Fahrdynamikrechner des Fahrzeuges in Abhängigkeit des Fahrzeugzustandes ein Zusatzlenkwinkel δ_ZLW ermittelt, dem ein Zusatzlenkmoment M_ZLW zugeordnet ist. Das Zusatzlenkmoment M_ZLW wird beispielsweise in einer Regel- und Steuereinheit bestimmt, die ebenfalls Bestandteil der Stelleinrichtung EPS sein kann.
Im Verfahrensschritt V3 wird in der Regel- und Steuereinheit ein Gesamtlenkmoment M_Lenk bestimmt, welches sich additiv aus dem Handlenkmoment M_Hand und dem Zusatzlenkmoment M_ZLW zusammensetzt. Dieses Gesamtlenkmoment M_Lenk dient als Sollmomentvorgabe für den Stellmotor M zur Erzeugung des Ist- bzw. Motorstellmoments M_Servo zur Einstellung des gewünschten Gesamtlenkwinkels δ_Lenk in den gelenkten Rädern. Die Umsetzung des Gesamtlenkmoments ist in Verfahrensschritt V4 dargestellt.
Um eine Rückwirkung der Vorgabe des Zusatzlenkwinkels auf das Lenkrad zu vermeiden bzw. abzumildern, wird gemäß dem Verfahrensschritt V5 im Überlagerungsgetriebe AFS ein Kompensationswinkel δ_Komp erzeugt, der als Funktion des Zusatzlenkwinkels δ_ZLW darstellbar ist. Der Kompensationswinkel δ_Komp ist in Bezug auf seine Richtung dem Zusatzlenkwinkel δ_ZLW entgegengesetzt. Bezugszeichenliste 1 Lenksystem
2 Lenkrad
3 Fahrzeugrad.
4 Fahrdynamikrechner
E Elektromotor
M Stellmotor
AFS Überlagerungsgetriebe
EPS Stelleinrichtung
δ_Hand ;Handlenkwinkel
δ_Lenk Gesamtlenkwinkel
δ_ZLW Zusatzlenkwinkel
δ_Komp ;Kompensationswinkel
M_Lenk Gesamtlenkmoment
M_Servo ;Motorstellmoment
M_Hand Handlenkmoment
M_ZLW Zusatzlenkmoment

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:

- es ist wenigstens ein lenkbares Fahrzeugrad (3) vorgesehen,

- es ist ein Überlagerungsgetriebe (AFS) vorgesehen mit einem Haupteingang, einem Nebeneingang und einem Ausgang, wobei der Übertragungsweg zwischen dem Haupteingang und dem Ausgang einen Hauptübertragungsweg bildet,

- der Hauptübertragungsweg liegt zwischen einem Lenkrad (2) und dem Fahrzeugrad (3),

- ein vom Fahrzeugzustand abhängiger, auf das Fahrzeugrad (3) zu übertragender Zusatzlenkwinkel (δ_ZLW) wird in den Nebeneingang eingespeist,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- in einem Stellmotor (M) wird in Abhängigkeit des von einem Fahrer erzeugten Handlenkmomentes (M_Hand) ein Motorstellmoment (M_Servo) erzeugt, das lenkend auf das Fahrzeugrad (3) wirkt,

- dem Zusatzlenkwinkel (δ_ZLW) wird ein Zusatzlenkmoment (M_ZLW) zugeordnet

- ein Gesamtlenkmoment (M_Lenk) wird mittels des Handlenkmomentes (M_Hand) und des unterstützenden Zusatzlenkmomentes (M_ZLW) gebildet und der Erzeugung des Motorstellmomentes (M_Servo) zu Grunde gelegt,

- in den Nebeneingang wird ein Winkel eingespeist, der am Haupteingang dasjenige Moment reduziert, das am Haupteingang infolge der Wirkung entsteht, die das Zusatzlenkmomentes (M_ZLW) auf den Ausgang ausübt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Nebeneingang eingespeiste Winkel am Haupteingang dasjenige Moment vollständig kompensiert, das am Haupteingang infolge der Wirkung entsteht, die das Zusatzlenkmomentes (M_ZLW) auf den Ausgang ausübt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des in den Nebeneingang eingespeisten Winkels als Funktionen der Zeit verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzlenkwinkel (δ_ZLW) in einem Fahrdynamikrechner (4) zur Beeinflussung der Fahrdynamik des Fahrzeugs ermittelt und sowohl dem Stellmotor (M) als auch dem Nebeneingang des Überlagerungsgetriebes (AFS) übermittelt wird.

5. Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Lenksystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit folgenden Merkmalen:

- es ist wenigstens ein lenkbares Fahrzeugrad (3) vorgesehen,

- in einem Stellmotor (M) ist in Abhängigkeit des von einem Fahrer erzeugten Handlenkmomentes (M_Hand) ein Motorstellmoment (M_Servo) erzeugbar, das lenkend auf das Fahrzeugrad (3) wirkt,

- ein vom Fahrzeugzustand abhängiger, auf das Fahrzeugrad (3) zu übertragender Zusatzlenkwinkel (δ_ZLW) ist in den Nebeneingang einspeisbar,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- es ist eine Regel- und Steuereinheit vorgesehen, in der dem Zusatzlenkwinkel (δ_ZLW) ein Zusatzlenkmoment (M_ZLW) zuordenbar ist,

- die Regel- und Steuereinheit dient zur Bildung eines Gesamtlenkmomentes (M_Lenk) mittels des Handlenkmomentes (M_Hand) und des unterstützenden Zusatzlenkmomentes (M_ZLW) und zur Erzeugung des Motorstellmomentes (M_Servo) auf der Basis des Gesamtlenkmomentes (M_Lenk),

- es ist ein Elektromotor (E) vorgesehen zur Einspeisung eines Winkels in den Nebeneingang derart, dass am Haupteingang dasjenige Moment reduziert wird, das am Haupteingang infolge der Wirkung entsteht, die das Zusatzlenkmomentes (M_ZLW) auf den Ausgang ausübt.

6. Lenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (M) als Elektromotor ausgeführt ist.

7. Lenksystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (M) Bestandteil einer Stelleinrichtung (EPS) ist, die zusätzlich zum Stellmotor (M) die Regel- und Steuereinheit sowie einen Sensor zur Ermittlung des vom Fahrer erzeugten Lenkwinkels (δ_Hand) umfasst.