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Querverweis auf verwandte Patentanmeldungen
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Die
Erfindung beansprucht Priorität
hinsichtlich der vorläufigen
US-Patentanmeldung 60/266,979, eingereicht am 7. Februar 2001 unter dem
Titel „Method
and Device for Detecting Steering Torque (zu deutsch: Verfahren
und Einrichtung zur Erfassung des Lenkdrehmoments)".
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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Servolenksysteme und spezieller
auf Servolenksysteme, die zwischen Kräften, die an einem Lenkeingang
entstehen, und Kräften,
die an einem Lenkausgang entstehen, unterscheiden.
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Hintergrund
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Im
Bemühen
um die Steigerung der Kraftstoffausnutzung sind im Kraftfahrzeugwesen
elektrische Servolenksysteme eingeführt worden. Diese Systeme unterstützen das
Lenken von Fahrzeugen, indem sie ins Lenksystem ein zusätzliches
Drehmoment immer dann einbringen, wenn in der Lenkwelle ein Drehmoment
erfasst wird. Obwohl durch diese Systeme die Kraftstoffausnutzung
verbessert worden ist, vermögen
sie jedoch nicht zwischen Drehmomenten zu unterscheiden, die auf
am Lenkeingang entstehende Kräfte
und auf am Lenkausgang entstehende Kräfte zurückzuführen sind. Am Lenkausgang entstehende
Kräfte
können
das Ergebnis eines Auftreffens des Fahrzeugrades auf die Bordsteinkante oder
eine große
Straßenunebenheit
sein, während am
Lenkeingang entstehende Kräfte
die Kräfte
sind, die ein Fahrer aufbringt. Weil die derzeit existierenden Systeme
zwischen diesen Kräften
nicht zu unterscheiden vermögen,
werden die am Lenkausgang (z. B. am Fahrzeugrad) entstehenden Kräfte als
Eingangsdrehmoment erfasst und veranlassen das System, an der Lenkwelle
ein zusätzliches
Drehmoment in derselben Richtung aufzubringen, wodurch Schwingungen
am Lenkeingang (z. B. eine Lenkwelle) entstehen und die Stabilität des Systems
verringert wird. Es ist zwar wichtig, den Aufwand zu verringern,
den Fahrer für
die Lenkung eines Fahrzeugs aufbringen müssen, doch ist es gleichermaßen wichtig,
Kräfte
zu unterdrücken,
die am Lenkausgang entstehen. Am Lenkausgang entstehende Kräfte lenken das
Fahrzeug mitunter in eine nicht vorgesehene Richtung, und durch
das Einleiten eines zusätzlichen Drehmoments
kann dieses Problem verschärft
werden. Aus diesem Grunde besteht in der Kraftfahrzeugtechnik wie
auch in anderen Zweigen der Technik ein Bedarf für ein Servolenksystem, das
zwischen am Lenkeingang und am Lenkausgang entstehenden Kräften zu
unterscheiden und auf diese Kräfte unterschiedlich
zu reagieren vermag.
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Die
EP 0 872 406 A2 beschreibt
eine elektrische Servolenkvorrichtung und ein Verfahren zu deren
Steuerung. Die Servolenkung umfasst ein Lenkrad, das betriebsmäßig mit
einem Antriebsgetriebe verbunden ist. Genauer gesagt, ist das Fahrzeuglenkrad
mit einer Eingabewelle und das Antriebsgetriebe mit einer Antriebswelle
verbunden. Die Eingabewelle ist durch eine Torsionseinrichtung betriebsmäßig mit
der Antriebswelle verbunden. Die Torsionseinrichtung deformiert
in Reaktion auf das angewendete Lenkdrehmoment, wobei eine relative
Drehbewegung zwischen der Eingabewelle und der Ausgabewelle ermöglicht wird.
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Ein
Positionssensor ist über
die Eingabewelle und die Antriebswelle wirksam verbunden. Der Positionssensor
erzeugt ein elektrisches Signal, das einen Wert für die relative
Drehbewegung zwischen der Eingabewelle und der Antriebswelle anzeigt.
Dabei bildet der Positionssensor in Kombination mit der Drehachse
einen Drehmomentsensor. Das Ausgabesignal des Drehmomentsensors
zeigt das durch den Fahrzeugbediener auf den Fahrzeuglenker angewendete
Lenkdrehmoment an. Der Ausgang des Drehmomentsensors ist mit einem
Funktionsschaltkreis verbunden, der einen gewünschten Drehmomentwert als
eine Funktion des angewendeten Lenkdrehmoments liefert, das durch
den Drehmomentsensor gemessen wurde.
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Das
Verfahren zur Steuerung der Servolenkvorrichtung gemäß der
EP 0 872 406 A2 kann
unter anderem als Schritte aufweisen:
- – das Abfühlen des
angelegten Lenkdrehmoments und Vorsehen eines eine Anzeige dafür bildenden
Lenkdrehmomentsignals,
- – das
Vorsehen eines Drehmomentanforderungssignals, das einen Wert besitzt,
das einen funktionsmäßigen Bezug
zu dem angelegten Lenkdrehmoment besitzt,
- – das
Vorsehen eines Elektrohilfsmotors, der betriebsmäßig mit einem Lenkglied verbunden
ist, um, wenn erregt, Hilfslenkkraft vorzusehen,
- – das
Vorsehen eines Motorsteuersignals, ansprechend auf das Drehmomentanforderungssignal,
und
- – das
Abfühlen
der Drehzahl des Elektrohilfsmotors und Vorsehen eines dafür eine Anzeige
bildenden Motordrehzahlsignals,
wobei der Schritt des
Steuerns der Dämpfung
des Elektrohilfsmotors ferner auf das Motordrehzahlsignal und die
abgefühlte
Fahrzeuggeschwindigkeit anspricht.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stabilisierung eines Lenksystems
eines Fahrzeugs bereistzustellen, das sowohl zwischen am Lenkeingang
und am Lenkausgang entstehenden Kräften zu unterscheiden als auch
effektiv auf diese Kräfte
unterschiedlich zu reagieren vermag.
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Lösung
der Aufgabe der Erfindung
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens
zur Stabilisierung eines Lenksystems eines Fahrzeugs mit den im
Folgenden genannten Eigenschaften. Das Lenksystem enthält ein Lenkeingabesubsystem
mit einer Lenkeingabeeinrichtung für den Fahrer des Fahrzeugs,
ein Lenkausgabesubsystem mit einem Fahrzeugrad, eine mit der Lenkeingabeeinrichtung gekuppelte
Eingabewelle, eine mit den Fahrzeugrädern gekuppelte Ausgabewelle
und eine Torsionseinrichtung. Die Torsionseinrichtung verbindet
die Eingabewelle und die Ausgabewelle und gestattet eine relative
Drehbewegung zwischen der Eingabewelle und der Ausgabewelle auf
der Grundlage eines in die Eingabewelle oder die Ausgabewelle eingeleiteten Drehmoments.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst
folgende Schritte:
- – Messen der Drehbewegung der
Eingabewelle relativ zum Fahrzeug und Messen von Drehbewegung der
Ausgabewelle relativ zum Fahrzeug;
- – Wandeln
der Drehbewegungen in Drehmomentmesswerte auf der Grundlage einer
zuvor bestimmten Beziehung zwischen eingeleitetem Drehmoment und
relativer Drehbewegung der Eingabewelle und der Ausgabewelle;
- – Feststellen,
ob das Drehmoment an der Torsionseinrichtung von einer Straßenoberfläche vermittelt über das
Fahrzeugrad oder vom Fahrer vermittelt über die Lenkeingabeeinrichtung stammt,
gekennzeichnet durch das Einleiten eines Drehmoments in das Lenkausgabesubsystem
entsprechend den folgenden Regeln:
– wenn das Drehmoment von der
Straßenoberfläche herrührt, Reduzieren
des äußeren Drehmoments
am Lenkausgabesubsystem;
– wenn
das Drehmoment vom Fahrer herrührt,
Erhöhen
des Drehmoments am Lenkausgabesubsystem durch Einleiten eines zusätzlichen
Drehmoments.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Akt des
Reduzieren des äußeren Drehmoments
am Lenkausgabesubsystem das Aufbringen eines entgegengerichteten
Drehmoments.
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Vorzugsweise
umfasst der Akt des Reduzierens des Drehmoments am Lenkausgabesubsystem das
Ausheben zumindest eines Teils des Drehmoments.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Draufsicht der Vorzugsausgestaltung.
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2 ist
eine detaillierte Ansicht des Drehmomenterfassungssubsystems der
Vorzugsausgestaltung.
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3 ist
ein Querschnitt des Drehmomenterfassungssubsystems von 2.
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Ausführliche
Beschreibung der Vorzugsausgestaltung
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Mit
der folgenden Beschreibung der Vorzugsausgestaltung der Erfindung
soll nicht der Geltungsbereich der Erfindung auf diese Ausgestaltung eingeschränkt, sondern
jede mit Servolenksystemen vertraute Person in die Lage versetzt
werden, die Erfindung zu bauen und zu verwenden.
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Wie
in 1 gezeigt, enthält das Lenksystem 10 der
Vorzugsausgestaltung ein Lenkeingabesubsystem 12, ein Lenkausgabesubsystem 14,
ein Lenkunterstützungssubsystem 16 und
ein Drehmomenterfassungssubsystem 18. Das Lenksystem 10 ist
in der Lage, die Größe und Herkunft
eines in das Lenksystem 10 eingeleiteten Drehmoments zu
bestimmen, wodurch die Schwingungen des Lenksystems 10 vermindert
und seine Stabilität
erhöht
werden.
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Das
Lenkeingabesubsystem 12 der Vorzugsausgestaltung umfasst
eine Lenkeingabeeinrichtung 20 und eine Eingabewelle 22.
Die Lenkeingabeeinrichtung 20 wirkt, indem sie Kräfte von
einem Fahrer des Fahrzeugs empfängt
und diese Kräfte
an die Eingabewelle 22 überträgt. Die
Lenkeingabeeinrichtung 20 ist vorzugsweise eine herkömmliche
Lenkwelle, kann aber alternativ jede geeignete Einrichtung für den Empfang
von Kräften
vom Fahrer des Fahrzeugs sein. Die Lenkeingabeeinrichtung 20 ist
vorzugsweise mittels herkömmlicher
Befestigungselemente an der Eingabewelle 22 befestigt.
Die Eingabewelle 22, die wirkt, indem sie Kräfte vom
Fahrer durch das Lenksystem 10 hindurch überträgt, ist
vorzugsweise eine herkömmliche
Vollwelle, kann aber alternativ jede geeignete Einrichtung sein.
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Das
Lenkausgabesubsystem 14 der Vorzugsausgestaltung umfasst
eine Ausgabewelle 23, eine Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 und
Fahrzeugräder 26.
Die Ausgabewelle 23, die wirkt, indem sie das Drehmoment
von der Eingabewelle 22 empfängt und das Drehmoment an die
Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 überträgt, ist vorzugsweise eine herkömmliche
Vollwelle, kann jedoch alternativ jede geeignete Einrichtung sein.
Die Ausgabewelle 23 ist vorzugsweise mittels herkömmlicher
Befestigungselemente an der Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 befestigt.
Die Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24, die als Wandler der
Rotationsbewegung der Ausgabewelle 23 in eine Schwenkbewegung
der Fahrzeugräder 26 wirkt,
ist vorzugsweise eine herkömmliche
Einrichtung. In alternativen Ausgestaltungen kann jede geeignete
Einrichtung, wie z. B. eine Kugelumlaufvorrichtung, zur Schwenkung
der Fahrzeugräder 26 verwendet
werden. Die Fahrzeugräder 26,
die wirken, indem sie mit einer Straßenoberfläche kommunizieren, sind vorzugsweise
mittels herkömmlicher
Befestigungselemente an der Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 befestigt.
Die Fahrzeugräder 26 sind
vorzugsweise herkömmliche
Fahrzeugräder,
können aber
alternativ jede zur Kommunikation mit der Straßenoberfläche geeignete Einrichtung sein,
wie z. B. ein Ski an einem Schneefahrzeug oder ein Ruder an einem
Wasserfahrzeug.
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Das
Lenkunterstützungssubsystem 16 der Vorzugsausgestaltung
umfasst eine Energieversorgung 28, eine Steuereinheit 30 und
einen Unterstützungsmotor 32.
Das Lenkunterstützungssubsystem 16 wirkt,
indem es das Lenkausgabesubsystem 14 unterstützt und
die Fahrzeugräder 26 entsprechend der
Absicht des Fahrzeugführers
schwenkt. Die Energieversorgung 28 ist vorzugsweise eine
herkömmliche,
innerhalb des Fahrzeugs befindliche Batterie, kann jedoch alternativ
eine eigens für
das Lenksystem 10 bestimmte Energiequelle oder jede geeignete Einrichtung
sein, die die Steuereinheit 30 und den Unterstützungsmotor 32 mit
Energie zu versorgen vermag. Die Steuereinheit 30, die
wirkt, indem sie Datensignale von einer Recheneinheit empfängt sowie
das Drehmoment und die Richtung der Ausgabe des Unterstützungsmotors 32 steuert,
ist vorzugsweise über
herkömmliche
Drähte
mit dem Unterstützungsmotor 32 verbunden.
Die Steuereinheit 30 ist vorzugsweise ein herkömmlicher
Mikroprozessor mit einem Look-up-Menu, der einen entsprechenden
Befehl für
den Unterstützungsmotor 32 definiert.
Der Unterstützungsmotor 32 ist
vorzugsweise mit der Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 verbunden
und in Kommunikation mit der Steuereinheit 30. Der Unterstützungsmotor 32 arbeitet,
indem er der Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 in Übereinstimmung
mit den von der Steuereinheit 30 empfangenen Befehlen ein Drehmoment
zuführt.
Das zusätzliche
Drehmoment dient dazu, den vom Fahrer für die Lenkung des Fahrzeugs
aufzubringenden Aufwand und/oder die Auswirkungen äußerer auf
die Fahrzeugräder 26 wirkender
Kräfte
zu verringern. Der Unterstützungsmotor 32 liefert
vorzugsweise ein Drehmoment unmittelbar an die Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24.
Alternativ kann der Unterstützungsmotor 32 der
Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 ein Drehmoment mittelbar
zur Verfügung
stellen. Es kann der Unterstützungsmotor 32 beispielsweise
eine Kraft unmittelbar in die Ausgabewelle 23 einleiten,
was zu einem vergrößerten oder
verkleinerten Drehmoment innerhalb der Zahnstan ge-Ritzel-Vorrichtung 24 führt. Der
Unterstützungsmotor 32 ist
vorzugsweise ein herkömmlicher
Elektromotor, kann jedoch alternativ jede geeignete Einrichtung
mit einem signifikanten Output zur Unterstützung der Lenkung oder Verringerung der
Schwingungen des Lenksystems 10 sein.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, umfasst das Drehmomenterfassungssubsystem 18 der
Vorzugsausgestaltung eine Torsionseinrichtung 34, einen
Eingangsindikator 36, einen Ausgangsindikator 38,
einen Eingangssensor 40, einen Ausgangssensor 41 und
eine Recheneinheit 42. Das Drehmomenterfassungssubsystem 18 ist
in der Lage, den Wert des Drehmoments zu bestimmen, das in die Eingabewelle 22 und
in die Ausgabewelle 23 eingeleitet wird. Außerdem ist
das Drehmomenterfassungssubsystem 18 in der Lage festzustellen,
wo das Drehmoment entstanden ist.
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Die
Torsionseinrichtung 34 verbindet die Eingabewelle 22 mit
der Ausgabewelle 23 und wirkt, indem es eine relative Drehbewegung
zwischen der Eingabewelle 22 und der Ausgabewelle 23 gestattet. Die
Torsionseinrichtung 34 ist vorzugsweise ein herkömmlicher
Torsionsstab, kann jedoch jede geeignete Einrichtung sein, die eine
relative Drehbewegung zwischen der Eingabewelle 22 und
der Ausgabewelle 23 auf der Grundlage eines in die Eingabewelle 22 oder
die Ausgabewelle 23 eingeleiteten Drehmoments zulässt.
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Der
Eingangsindikator 36 und der Ausgangsindikator 38 sind
vorzugsweise an der Eingabewelle 22 bzw. der Ausgabewelle 23 angeordnet.
Zweck der Indikatoren 36 und 38 ist es, die Messung
der Drehbewegung der Eingabewelle 22 und der Ausgabewelle 23 an
der Anordnungsstelle der Indikatoren 36 und 38 zu
erleichtern. Die Indikatoren 36 und 38 sind vorzugsweise
Strichcodes. Alternativ kann jede andere Marke verwendet werden,
die erkannt und deren Drehbewegung gemessen werden kann, wie z.
B. eingearbeitete Vertiefungen oder Riefungen.
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Der
Eingangssensor 40 und der Ausgangssensor 41 sind
vorzugsweise mit der Recheneinheit 42 verbunden. Die Sensoren 40 und 41 wirken,
indem sie die Bewegung der Indikatoren 36 und 38 messen
und die Bewegungsdaten an die Recheneinheit 42 übertragen.
Vorzugsweise sind die Sensoren 40 und 41 herkömmliche
optische Sensoren. Alternativ kann jede andere geeignete Einrichtung
verwendet werden, die die Bewegung der Indikatoren 36 und 38 zu
messen und die Bewegungsdaten an die Recheneinheit 42 zu übertragen
vermag.
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Die
Recheneinheit 42 wirkt, indem sie die Bewegungsdaten, die
sie von den Sensoren 40 und 41 empfängt, auf
der Grundlage einer zuvor bestimmten Beziehung zwischen dem Drehmoment und
der relativen Drehbewegung in Drehmomentmesswerte wandelt. Vorzugsweise
enthält
die Recheneinheit 42 zu diesem Zweck ein Look-up-Menu. Beim
Empfang der Bewe gungsdaten von den Sensoren 40 und 41 ortet
die Recheneinheit 42 innerhalb des Look-up-Menus den Drehmomentmesswert,
der mit den jeweils empfangenen Bewegungsdaten korreliert. Alternativ
kann die Recheneinheit 42 jedes geeignete Verfahren heranziehen,
um das Drehmoment auf der Grundlage der Bewegungsdaten zu ermitteln.
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Die
Recheneinheit 42 wirkt ferner, indem sie den Ort bestimmt,
an dem das gemessene Drehmoment zuerst erkannt worden ist. Anders
ausgedrückt, die
Recheneinheit 42 bestimmt, ob das Drehmoment an der Torsionseinrichtung 34 von
der Straßenoberfläche, vermittelt über die
Fahrzeugräder 26,
oder vom Fahrer, vermittelt über
die Lenkeingabeeinrichtung 20, stammt. Wenn eine Drehbewegung
zuerst am Eingangsindikator 36 erfasst worden ist, kann
geschlussfolgert werden, dass die Quelle das Lenkeingabesubsystem 12 ist.
Entsprechend kann, wenn die Drehbewegung zuerst am Ausgangsindikator 38 erfasst
worden ist, geschlussfolgert werden, dass die Quelle das Lenkausgabesubsystem 14 ist.
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Die
Recheneinheit 42 wirkt ferner, indem sie an den Unterstützungsmotor 32 Befehle
auf der Grundlage der Bestimmung der Größe und der Herkunft des eingeleiteten
Drehmoments überträgt. Wenn
die Recheneinheit 42 schlussfolgert, dass die Quelle das
Lenkeingabesubsystem 12 ist, überträgt sie ein Signal an die Steuereinheit 30,
mit dem sie die Einleitung eines zusätzlichen Drehmoments an der Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 in
derselben Richtung wie das gemessene Drehmoment anweist. Wenn die
Recheneinheit 42 andererseits schlussfolgert, dass die
Quelle das Lenkausgabesubsystem 14 ist, überträgt sie ein
Signal an die Steuereinheit 30, mit dem sie die Verringerung
des äußeren, in
die Zahnstange-Ritzel-Vorrichtung 24 eingeleiteten Drehmoments
anweist. Die Verringerung des Drehmoments erfolgt vorzugsweise durch
das Aufbringen eines entgegengerichteten Drehmoments mithilfe des
Unterstützungsmotors 32,
kann jedoch alternativ durch das Aufheben zumindest eines Teils
des Drehmoments erfolgen. Die Recheneinheit 42 ist vorzugsweise über herkömmliche
Drähte
mit der Steuereinheit 30 verbunden, kann jedoch alternativ
durch jedes geeignete Mittel, wie z. B. Lichtleiter, verbunden werden.
Die Recheneinheit 42 und die Steuereinheit 30 können ferner
in einer einzigen Einrichtung vereinigt sein, so dass diese einzige
Einrichtung Befehle ohne irgendeine äußere Verbindung ummittelbar
an den Unterstützungsmotor 32 zu
leiten vermag. Wie jede mit Servolenksystemen vertraute Person aus
der voranstehenden detaillierten Beschreibung sowie den Figuren
und Ansprüchen
zu erkennen vermag, können
Modifikationen und Veränderung
an der Vorzugsausgestaltung der Erfindung vorgenommen werden, ohne
dass vom in den folgenden Ansprüchen definierten
Geltungsbereich der Erfindung abgewichen wird.