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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Erleichtern eines Lenkvorganges für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs
mit einer Servolenkvorrichtung.
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Derartige Verfahren und Servolenkvorrichtungen
sind im Stand der Technik grundsätzlich
bekannt. Insbesondere sind Servolenkvorrichtungen bekannt, welche
das Einleiten einer Kurvenfahrt durch den Fahrer eines Kraftfahrzeugs
registrieren und dann den Fahrer bei einer Kurvenfahrt unterstützen, indem
sie ein Drehmoment auf die Lenksäule oder
das Lenkrad des Fahrzeugs in die für die gewünschte Kurvenrichtung notwendige
Richtung generieren.
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Weiterhin sind die folgenden Grundlagen
der Fahrzeugdynamik bekannt, die nachfolgend mit Hilfe von 3 veranschaulicht werden. 3 und deren nachfolgende Erläuterung
sind veröffentlicht
auf Seite 57 in dem Buch "Simulation
von Kraftfahrzeugen" von
G. Rill aus dem Vieweg-Verlag mit der ISBN-Nummer ISBN-3-528-08931-8.
Die drei 3a, 3b und 3c veranschaulichen das Auftreten von
Seitenkräften
und Reifennachläufen,
die in ein tatsächliches
Reifenrückstellmoment
bei einer Querbewegung von rotierenden Reifen eines Fahrzeugs in
Abhängigkeit
verschiedener Fahrsituationen resultieren. Bei allen drei 3a, 3b und 3c ist
die Verteilung der Seitenkraft über
der negativen Ordinate aufgetragen, die durch die gestrichelte horizontale
Linie angedeutet wird. Diese gestrichelte Linie repräsentiert
den "gedachten" Kontaktpunkt zwischen
Reifen und Boden. Auf der Abszisse ist bei allen drei Figuren symmetrisch
zu dem besagten Kontaktpunkt die Länge der Radaufstandsfläche (L:
Latsch) aufgetragen, wobei die Mitte dieses Latsches ebenfalls von
der gestrichelten horizontalen Linie repräsentiert wird.
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3a zeigt
die Verteilung der Seitenkraft über
der Länge
der Radaufstandsfläche
bei kleinen Schlupfwerten, also wenn der Fahrer gemächlich um eine
Kurve fährt.
Es ist dann zu erkennen, dass der Angriffspunkt der Seitenkraft,
welcher dem Schwerpunkt der gezeigten Verteilung der Seitenkraft
entspricht, nicht auf Höhe
der gestrichelten Linie und damit des "gedachten" Kontaktpunktes zwischen Reifen und
Boden liegt. Vielmehr liegt dieser Angriffspunkt der Seitenkraft
in 3a unterhalb der
gestrichelten Linie. Dieser Umstand ist die Ursache für das Entstehen
eines tatsächlichen
Rückstellmomentes Mrück,
welches sich wie folgt berechnet : Mrück =
Fy · n, wobei
die Größe Fy die Seitenkraft und die Größe n den
dynamischen Reifennachlauf bezeichnet. Die Größe n wird in 3a durch den Abstand zwischen dem Kontaktpunkt
und dem Angriffspunkt der Seitenkraft repräsentiert. Über die Größe n ist auch die Größe des tatsächlichen
Rückstellmomentes
Mrück konstruktiv beeinflussbar.
In 3a bewirkt das tatsächliche
Rückstellmoment
de facto auch ein Rückstellen des
Lenkrades, wenn eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und
Reifen besteht. Das tatsächliche
Rückstellmoment
kommt somit gegebenenfalls dem Fahrerwunsch nach einem Ausleiten
der Kurve entgegen.
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3b veranschaulicht,
dass bei mittleren Schlupfwerten die Situation eine völlig andere
ist. Der Schwerpunkt der Verteilung der Seitenkraft liegt nun oberhalb
der gestrichelten Linie, weshalb auch der Angriffspunkt der aus
einer Querbewegung eines rotierenden Reifens resultierenden Seitenkraft
oberhalb dieser Linie liegt. Damit kommt es zu einer Umkehrung des
Vorzeichens für
den Abstand zwischen dem Angriffspunkt der Seitenkraft und der horizontalen
Linie. Damit einher geht eine Änderung
des Vorzeichens des Rückstellmoments,
weshalb sich dieses in dieser Situation nicht etwa in einem Rückstellen
des Lenkrades, sondern in einem Hineindrehen des Lenkrades in die
Kurve, die gerade ausgeleitet werden soll, auswirkt. Aus dem Rückstellmoment wird
ein Drehmoment, welches den Lenkwinkel weiter erhöht.
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3c zeigt
schließlich
die Verteilung der Seitenkraft bei großen Schlupfwerten, also wenn
der Reifen nur noch über
die Fahrbahn rutscht und nicht mehr haftet. Das Verhalten des Fahrzeugs
bezeichnet man dann auch als Untersteuern. Der Reifennachlauf n
ist hier null und der Angriffspunkt der Seitenkraft liegt genau
auf dem Kontaktpunkt. Damit ist auch das tatsächliche Rückstellmoment und dessen Rückwirkung
auf das Lenkrad gleich null.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass lediglich
bei der Situation gemäß 3a der Fahrer automatisch
durch das konstruktiv bedingte tatsächliche Rückstellmoment Mrück beim Ausleiten
einer Kurve unterstützt
wird. Bei den beiden anderen, in den 3b und 3c gezeigten Fahrsituationen
erhält der
Fahrer keine Unterstützung
beim Ausleiten einer Kurve; im Gegenteil, bei der in 3b gezeigten Situation wird
das Ausleiten der Kurve für
ihn sogar erschwert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Verfahren zum Erleichtern
eines Lenkvorganges für
den Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit einer Servolenkvorrichtung,
ein bekanntes Computerprogramm und eine bekannte Servolenkvorrichtung,
jeweils zum Durchführen
dieses Verfahrens und ein Fahrzeug mit einer solchen Servolenkvorrichtung
derart weiterzubilden, dass das Rückstellen des Lenkrades des Fahrzeugs
beim Ausleiten einer Kurve für
den Fahrer erleichtert wird.
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Dieser Aufgabe wird bei dem in Patentanspruche
1 beanspruchten Verfahren insbesondere dadurch gelöst, dass
das Verfahren folgende Schritte aufweist: Feststellen, dass der
Fahrer am Ende einer Kurvenfahrt die Kurve wieder auszuleiten versucht, Berechnen
eines für
eine aktuelle Fahrsituation angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes
und Einspeisen des berechneten Lenkrad-Rückstellmomentes in die Servolenkvorrichtung
des Kraftfahrzeugs.
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Für
das Verständnis
der Erfindung ist es wichtig, zwischen dem oben erläuterten
aus dem Stand der Technik bekannten und durch die Fahrwerkskonstruktion
bedingten tatsächlichen
Rückstellmoment
Mrück und
dem erfindungsgemäß berechneten
Lenkrad-Rückstellmoment
zu unterscheiden. Letzteres wird insbesondere nach Maßgabe durch das
tatsächliche
Rückstellmoment
berechnet und diesem in seinen Wirkungen auf die Lenkung, insbesondere
das Lenkrad, überlagert.
Während
das tatsächliche
Rückstellmoment
originär
im Kontaktpunkt zwischen Reifen und Boden angreift und nur im Falle einer
mechanischen Verbindung zwischen Reifen und Lenkrad auf letzteres
zurückwirkt,
greift das Lenkrad-Rückstellmoment
nur direkt bei der Lenkung an. Vorteilhafterweise wird der Fahrer
eines Kraftfahrzeugs durch das Lenkrad-Rückstellmoment beim Zurückdrehen
des Lenkrads beim Ausleiten einer Kurve unterstützt. Die Handhabung des Fahrzeugs wird
dadurch insgesamt verbessert.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird
für die
Berechnung des angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes das aktuelle
Lenkraddrehmoment, der aktuelle Lenkradwinkel und die Fahrsituation
in Form eines aktuellen Unter- oder Übersteuern des Fahrzeugs berücksichtigt.
Vorteilhafterweise genügen
diese wenigen Parameter bereits für eine sinnvolle Berechnung
des Lenkrad-Rückstellmomentes.
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Gemäß einem zweiten alternativen
Ausführungsbeispiel
erfolgt die Berechnung des angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes
lediglich unter Berücksichtigung
des tatsächlichen
Rückstellmomentes
Mrück =
Fy · n,
wobei Fy die Seitenkraft und n den dynamischen
Reifennachlauf repräsentiert.
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Für
eine weitere Verbesserung der Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes ist es empfehlenswert,
weitere Parameter, wie zum Beispiel die Gierrate, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Aktivierung der Bremsen oder Pedalwerte
in die Berechnung zusätzlich mit
einzubeziehen.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird
weiterhin durch ein Computerprogramm für die Servolenkvorrichtung
eines Kraftfahrzeugs sowie durch die entsprechende Servolenkvorrichtung
beziehungsweise einen aktiven Lenkraddrehmomentensteller und ein
Kraftfahrzeug mit dieser Servolenkvorrichtung gelöst. Die
Vorteile dieser Lösungen
entsprechen den oben unter Bezugnahme auf das beanspruchte Verfahren
beschriebenen Vorteilen.
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Der Erfindung sind drei Figuren beigefügt, wobei:
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1 das
Verfahren gemäß der Erfindung;
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2 die
Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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3 aus
dem Stand der Technik bekannte Grundlagen der Fahrphysik
veranschaulicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 detailliert beschrieben.
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Aus 1 ist
zu erkennen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine
Kurvenfahrt und insbesondere das Ausleiten einer Kurvenfahrt festgestellt
wird (Schritt S1).
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Es wird dann die aktuelle Fahrsituation
des Kraftfahrzeugs analysiert (Schritt S2). Diese Analyse kann gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung darin bestehen, dass das aktuelle Lenkraddrehmoment,
der aktuelle Lenkradwinkel und ein Unter- oder Übersteuern des Fahrzeugs festgestellt werden.
Diese drei Daten sind bereits ausreichend, um dann in einem nachfolgenden
Schritt S3 ein für die
aktuelle Fahrsituation angemessenes Lenkrad-Rückstellmoment
zu berechnen.
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Alternativ dazu kann in Schritt S2
die Fahrsituation in Form des tatsächlichen Rückstellmomentes Mrück,
wie es oben mit Bezugnahme auf den Stand der Technik definiert wurde,
analysiert werden. Auch das tatsächliche
Rückstellmoment
ist für
sich alleine betrachtet ausreichend zur Berechnung des für die aktuelle
Fahrsituation angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes.
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Ungeachtet der in den beiden letzten
Absätzen
beschriebenen Minimalanforderungen zur Berechnung des gesuchten
Lenkrad-Rückstellmomentes,
besteht die Möglichkeit,
dessen Berechnung durch die Berücksichtigung
weiterer Fahrzeugparameter zu präzisieren.
Als solche Parameter eignen sich insbesondere die Gierrate, die
Lenkradwinkelgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Aktivierung
der Bremsen oder verschiedene Pedalwerte in der aktuellen Situation.
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Die meisten dieser Parameter etc.
können aus
einem eventuell bei dem Fahrzeug vorhandenen elektronischen Stabilitätsprogramm
ESP-System abgegriffen werden.
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Wenn der Lenkradwinkel als Parameter
zur Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes
verwendet wird, besteht zwischen den beiden Größen eine Proportionalbeziehung.
Je weiter eingelenkt wurde, desto weiter ist der Weg in die Neutralposition und
umso größere Lenkbeschleunigungen
werden benötigt,
um schnell wieder in die Neutralposition zurückzukehren.
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Mit der Berücksichtigung der Lenkradwinkelgeschwindigkeit
wird der Fahrerwunsch analysiert. Will der Fahrer nach einer Kurvenfahrt
schnell wieder geradeaus fahren, das heißt, das Lenkrad neutral stellen,
dann wird er auch in der Anfangsphase seiner Rücklenkbewegung stärker am
Lenkrad "reißen". Außerdem kann
durch die Berücksichtigung
eines Vorzeichenwechsels in der Lenkradgeschwindigkeit ein Lenkrichtungswechsel
erkannt werden, der als Kriterium für die Berechnung und das Einspeisen
des zusätzlichen
Lenk-Rückstellmomentes
gemäß der Erfindung
dienen kann.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, das
Lenkrad-Rückstellmoment
in Abhängigkeit
der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen, denn je größer diese
ist, desto geringer beziehungsweise sensibler muss das Lenkrad-Rückstellmoment
dimensioniert werden.
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Es ist weiterhin von Vorteil, das
von dem Fahrer vorgegebene Lenkrad-Drehmoment in die Berechnung
mit einzubeziehen, um den Fahrerwunsch nach einer Richtungsänderung
möglichst
frühzeitig zu
erfassen.
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Ungeachtet dessen, wie das Lenkrad-Rückstellmoment
letzten Endes berechnet wird, muss es schließlich gemäß Verfahrensschritt S4 in 1 in eine vorhandene Servolenkvorrichtung 100 des Fahrzeugs
eingespeist werden, damit es seine Wirkung, nämlich eine Vereinfachung der
Rückstellung des
Lenkrades für
den Fahrer beim Ausleiten einer Kurve, entfalten kann.
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2 veranschaulicht
den Aufbau einer Servolenkvorrichtung 100 gemäß der Erfindung.
Sie umfasst eine Sensoreinrichtung 110 zum Feststellen, dass
der Fahrer des Fahrzeugs am Ende einer Kurvenfahrt versucht, die
Kurve durch ein Rückstellen des
Lenkrades 200 auszuleiten und zum Erfassen der aktuellen
Fahrsituation in Form einer Unter- oder Übersteuerung des Fahrzeugs
oder in Form des tatsächlichen
Rückstellelements.
Die von der Sensoreinrichtung 110 ermittelten Daten werden
einer Berechnungseinrichtung 120 zugeführt, welche diese Daten auswertet
und je nach dem Ergebnis der Auswertung ein für die aktuelle Fahrsituation
angemessenes Lenkrad-Rückstellmoment
berechnet. Das berechnete Lenkrad-Rückstellmoment
wird dann an einen Aktivator 130 in der Servolenkvorrichtung 100 übermittelt,
der dieses Lenkrad-Rückstellmoment
direkt auf die Lenkung beziehungsweise das Lenkrad 200 einwirken
lässt.
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Die Größe des zu berechnenden Lenkrad-Rückstellmomentes
richtet sich, wie bereits gesagt, nach der Fahrsituation. So ist
es bei Fahrsituationen mit kleinen Schlupfwerten, wie sie in 3a dargestellt sind, in
der Regel nicht erforderlich, überhaupt
ein gemäß der Erfindung
berechnetes Lenkrad-Rückstellmoment
in die Servolenkung einzuspeisen, weil bereits das konstruktiv-bedingte
tatsächliche
Rückstellmoment
vorhanden ist und den Fahrer beim Rückstellen des Lenkrades unterstützt, sofern eine
mechanische Verbindung zwischen Reifen und Lenkrad besteht. Anderes
ist die Situation bei mittleren oder großen Schlupfwerten, bei denen
dieses Rückstellmoment,
wie einleitend unter Bezugnahme auf die 3b und 3c erläutert wurde,
nicht auftritt. So ist es in Fahrsituationen mit mittleren Schlupfwerten,
wie sie in 3b dargestellt
sind, erforderlich, ein besonders großes Lenkrad-Rückstellmoment
bereitzustellen, welches nicht nur das in dieser Situation vorhandene
Drehmoment kompensiert, sondern darüber hinaus auch den Fahrer
tatsächlich
bei der Rückstellung
des Lenkrades unterstützt.
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In Situationen mit besonders großen Schlupfwerten
ist die Situation ähnlich
wie bei mittleren Schlupfwerten; aufgrund der fehlenden Haftung kann
das zu erzeugende Lenkrad-Rückstellmoment jedoch
etwas geringer ausfallen, weil es das Drehmoment, welches bei mittleren
Schlupfwerten auftritt, nicht kompensieren muss.
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Beispiele von Fahrsituationen, bei
denen sich die Erfindung vorteilhaft auswirken kann, sind für Normalfahrer
das Durchfahren eines Kreisverkehrs oder für den sportlich ambitionierten
Fahrer das Durchfahren eines Slaloms. Beim Durchfahren eines Kreisverkehrs
muss der Fahrer zunächst
nach rechts einlenken, um in den Kreisverkehr einzufädeln. Um den
Kreisverkehr dann durchfahren zu können, muss je nach Lenkübersetzung
sehr weit nach links gelenkt werden und beim Verlassen des Kreisverkehrs
muss der Fahrer dann wieder nach rechts lenken. Beim Durchfahren
eines Slaloms ist es besonders wichtig, dass nach dem schnellen
Einlenken das Lenkrad schnell wieder in die Neutralposition kommt.
Bei beiden beschriebenen Fahrsituationen ist es vorteilhaft, wenn über das
gegebenenfalls auftretende tatsächliche
Rückstellmoment
hinaus das erfindungsgemäß berechnete
Lenkrad-Rückstellmoment
auf die Lenksäule
bzw. das Lenkrad einwirkt und den Fahrer beim Lenken entlastet.
Genauer gesagt besteht die Entlastung darin, dass aufgrund des zusätzlichen
Lenkrad-Rückstellmomentes
das Lenkrad mit weniger Kraftaufwand am Lenkrad wieder zurückgestellt
werden kann.
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Mathematisch ausgedrückt lässt sich
die unterstützende
Wirkung des erfindungsgemäßen Lenkrad-Rückstellmoments
mit folgender Formel veranschaulichen: Θω' = MF +
MLenkrad-rück – MB,wobei,
Θ für das Trägheitsmoment des Lenkstranges
vom Lenkrad bis vor die Zahnstange;
ω' für
die Lenkwinkelbeschleunigung;
MF für das vom
Fahrer eingespeiste Lenkmoment;
MLenkrad-rück für das zusätzlich wirkende
erfindungsgemäße Lenkrad-Rückstellmoment;
und
MB für das Bohrmoment, das durch
die elastische Verformung im Latsch entsteht,
steht.
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Wie bereits den obigen Erläuterungen
der Erfindung zu entnehmen ist, ist das Lenkrad-Rückstellmoment
MLenkrad-rück je
nach Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine Funktion von einer Vielzahl von Variablen, die oben
beschrieben wurden.
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Das oben einleitend unter Bezugnahme
auf 1 beschriebene Verfahren
zum Erleichtern eines Lenkvorgangs für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit
einer Servolenkeorrichtung gemäß der Erfindung kann
auf verschiedene Arten realisiert werden. So ist es möglich, dieses
Verfahren in Form einer elektronischen Hardwareschaltung zu realisieren,
bei welcher die zu erfassenden physikalischen Größen von Sensoren erfasst werden,
aber der Vergleich der erfassten Größen und die Berechnung des
erfindungsgemäßen Lenkrad-Rückstellmomentes
durch entsprechende Hardwarebausteine realisiert wird.
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Alternativ dazu ist es möglich, zumindest
die Auswertung der erfassten physikalischen Größen und die Berechnung des
Lenkrad-Rückstellmomentes
mit Hilfe einer Software zu realisieren. Softwarerealisierung bedeutet,
dass ein Computerprogramm mit einer Abfolge von Befehlen vorhanden
ist, wobei diese Befehle letztlich die besagten Vergleichs- und Berechnungsfunktionen
durchführen.
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In beiden Fällen kann eine Servolenkvorrichtung
oder ein aktiver Lenkraddrehmomentensteller vorgesehen sein, um
den Fahrer bei einem Lenkvorgang zu unterstützen. In dieser Servolenkvorrichtung ist
dann entweder die Hardwareschaltung oder die Software oder eine
Kombination von beidem vorhanden, um das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen.
Im Falle einer Softwarerealisierung ist es möglich, das entsprechende Computerprogramm
gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen zur Realisierung
der Servolenkung auf einem computerlesbaren Datenträger abzuspeichern. Dabei
kann es sich um eine Diskette, eine Compact-Disk (sogenannte CD),
einen sogenannten Flash-Memory
oder dergleichen handeln. Die auf dem Datenträger abgespeicherte Software
kann dann als Produkt an einen Kunden verkauft werden. Ebenfalls
ist es im Falle einer Softwarerealisierung möglich, das Computerprogramm
zusammen mit weiteren Computerprogrammen für die Servolenkvorrichtung – ohne die
Zuhilfenahme eines elektronischen Speichermediums – über ein
elektronisches Kommunikationsnetzwerk als Produkt an einen Kunden
zu übertragen
und auf diese Weise zu verkaufen. Bei dem Kommunikationsnetzwerk
kann es sich insbesondere um das Internet handeln.