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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. 5.
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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.
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In
der Druckschrift
DE
100 32 340 A1 wird Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs
offenbart, bei dem ein Lenkradwinkel erfasst und fahrgeschwindigkeitabhängig modifiziert
wird. In Abhängigkeit
der Fahrdynamik des gelenkten Fahrzeugs wird ein Korrektur- Lenkradwinkel
ermittelt, der dem modifizierten Lenkradwinkel zur Bildung eines
Soll- Lenkwinkels additiv überlagert
wird. Die Radstellung der gelenkten Räder wird geregelt, indem die
Stellung der gelenkten Räder
erfasst wird und die sich er gebenden Winkeldifferenz zu dem Soll-Lenkwinkel
einem Lenkungsregler zugeführt
wird. Das durch Einleitung des Korrekturlenkwinkels hervorgerufene
Moment an der Lenksäule
wird kompensiert, indem der Korrektur- Lenkradwinkel in ein Korrekturmoment
umgewandelt und zur Bildung einer Momentendifferenz verwendet wird,
welche die Differenz aus einem zwischen den beiden Teilen der Lenksäule gemessenen
Teil-Momenten und dem Korrekturmoment beschreibt, und der Korrektur-Lenkradwinkel
in Abhängigkeit
der Momentendifferenz kompensiert wird.
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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.
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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.
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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.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Lenksystem
mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 die ser 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.
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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.
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Anstelle
eines Elektromotors kommen aber auch alternative moto rische Antriebe
in Betracht, beispielsweise ein hydraulischer Stellantrieb.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug,
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2 ein
Ablaufdiagramm zur Einspeisung eines Zusatzlenkwinkels bei gleichzeitiger
Kompensation des Zusatzlenkwinkels zum Lenkrad hin.
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Das
in 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 δHand 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 MServo zur Umsetzung
eines Gesamtlenkwinkels δLenk auf die gelenkten Fahrzeugräder 3 erzeugt
wird. Das Motorstellmoment MServo wird auf
Grund einer Sollmomentvorgabe generiert, die sich aus einem Handlenkmoment
MHand welches dem Handlenkwinkel δHand entspricht,
sowie gegebenenfalls einem Zusatzlenkmoment MZLW entsprechend
eines Zusatzlenkwinkels δZLW zusammensetzt.
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Der
Zusatzlenkwinkel δZLW wird insbesondere in einem Fahrdynamikrechner 4 in
Abhängigkeit von
aktuellen Fahrzeugzustandsgrö ßen erzeugt.
Aus dem Zusatzlenkwinkel δZLW wird dann ein Zusatzlenkmoment errechnet.
Dieses kann zur Beeinflussung der Fahrzeugdynamik dem vom Fahrer
generierten Handlenkmoment überlagert
werden. Die Information über
den Zusatzlenkwinkel δZLW wird auch einem Elektromotor E am Nebeneingang
des Überlagerungsgetriebes
AFS zugeführt.
In der Stelleinrichtung EPS wird der Zusatzlenkwinkel δZLW in
ein Zusatzlenkmoment MZLW umgerechnet und
auf das Handlenkmoment MHand aufaddiert.
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Das Überlagerungsgetriebe
AFS dient nur zur Kompensation der vom Zusatzlenkmoment MZLW 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 δZLW zurückzuführen ist.
Auf diese Weise spürt der
Fahrer trotz Vorgabe des Zusatzlenkwinkels δZLW 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.
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Am
Haupteingang des Überlagerungsgetriebes
AFS wird ein Kompensationswinkel δKomp als Funktion des Zusatzlenkwinkels δZLW eingestellt.
Der Kompensationswinkel δKomp ist derjenigen Richtung entgegengesetzt,
die das Moment aufweist welches auf Grund des Zusatzlenkwinkels δZLW vom
Ausgang des Überlagerungsgetriebes
auf dessen Haupteingang übertragen
wird. Vom Betrag her kann der Kompensationswinkel δKomp so
groß sein,
dass er die Wirkung des Zusatzlenkwinkels δZLW 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.
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Das
Ablaufdiagramm in 2 zeigt Verfahrensschritte V1
bis V5 zur Durchführung
des Verfahrens zum Betrieb des Lenksystems, wobei die Verfahrensschritte
nicht zwingenderweise in der in 2 dargestellten,
sequenziellen Reihenfolge eingehalten werden müssen.
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Gemäß dem Verfahrensschritt
V1 beginnt das Verfahren zum Betrieb des Lenksystems mit dem Aufbringen
eines Handlenkwinkels δHand durch den Fahrer, den dieser auf das
Lenkrad überträgt. Dem Handlenkwinkel δHand ist
ein Handlenkmoment MHand zugeordnet, welches
mit Hilfe eines Sensors, der Bestandteil der Stelleinrichtung EPS
sein kann, gemessen wird.
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Im
nächsten
Verfahrensschritt V2 wird im Fahrdynamikrechner des Fahrzeuges in
Abhängigkeit
des Fahrzeugzustandes ein Zusatzlenkwinkel δZLW ermittelt,
dem ein Zusatzlenkmoment MZLW zugeordnet
ist. Das Zusatzlenkmoment MZLW wird beispielsweise
in einer Regel- und Steuereinheit bestimmt, die ebenfalls Bestandteil
der Stelleinrichtung EPS sein kann.
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Im
Verfahrensschritt V3 wird in der Regel- und Steuereinheit ein Gesamtlenkmoment
MLenk bestimmt, welches sich additiv aus
dem Handlenkmoment MHand und dem Zusatzlenkmoment
MZLW zusammensetzt. Dieses Gesamtlenkmoment
MLenk dient als Sollmomentvorgabe für den Stellmotor
M zur Erzeugung des Ist- bzw. Motorstellmoments MServo zur
Einstellung des gewünschten
Gesamtlenkwinkels δLenk in den gelenkten Rädern. Die Umsetzung des Gesamtlenkmo ments
ist in Verfahrensschritt V4 dargestellt.
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Um
eine Rückwirkung
der Vorgabe des Zusatzlenkwinkels auf das Lenkrad zu vermeiden bzw. abzumildern,
wird gemäß dem Verfahrensschritt
V5 im Überlagerungsgetriebe
AFS ein Kompensationswinkel δKomp erzeugt, der als Funktion des Zusatzlenkwinkels δZLW darstellbar
ist. Der Kompensationswinkel δKomp ist in Bezug auf seine Richtung dem
Zusatzlenkwinkel δZLW entgegengesetzt.
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Fahrzeugrad
- 4
- Fahrdynamikrechner
- E
- Elektromotor
- M
- Stellmotor
- AFS
- Überlagerungsgetriebe
- EPS
- Stelleinrichtung
- δHand
- Handlenkwinkel
- δLenk
- Gesamtlenkwinkel
- δZLW
- Zusatzlenkwinkel
- δKomp
- Kompensationswinkel
- MLenk
- Gesamtlenkmoment
- MServo
- Motorstellmoment
- MHand
- Handlenkmoment
- MZLW
- Zusatzlenkmoment