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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Lenken eines Fahrzeugs mit einem Überlagerungslenkungssystem,
bei dem ein vom Fahrer eingegebener Lenkwinkel und ein weiterer
Winkel (Zusatzlenkwinkel) ermittelt wird und bei dem der eingegebene Lenkwinkel
durch den Zusatzlenkwinkel nach Maßgabe weiterer Größen, insbesondere
fahrdynamischer Größen, überlagert
werden kann.
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Heutige Kraftfahrzeuge, insbesondere
Personenkraftwagen, sind in der Regel mit hydraulischen oder elektrohydraulischen
Servolenkungen ausgestattet, bei denen ein Lenkrad mechanisch mit den
lenkbaren Fahrzeugrädern
zwangsgekoppelt ist. Die Servounterstützung ist derart aufgebaut,
dass im Mittelbereich des Lenkmechanismus Aktuatoren, z.B. Hydraulikzylinder,
angeordnet sind. Durch eine von den Aktuatoren erzeugte Kraft wird
die Betätigung
des Lenkmechanismus in Reaktion auf die Drehung des Lenkrads unterstützt. Dadurch
ist der Kraftaufwand des Fahrers beim Lenkvorgang verringert.
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Überlagerungslenkungen
sind bekannt. Sie sind dadurch charakterisiert, dass dem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel
bei Bedarf ein weiterer Lenkwinkel (Zusatzlenkwinkel) durch einen
Aktuator überlagert
werden kann. Es werden üblicherweise elektrische
Aktuatoren verwendet, die auf ein Überlagerungsgetriebe wirken
und den Zusatzlenkwinkel weitgehend unabhängig vom Fahrer einstellen.
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Der zusätzliche Lenkwinkel wird durch
einen elektronischen Regler gesteuert und dient beispielsweise zur
Erhöhung
der Stabilität
und Agilität
des Fahrzeugs. Nach einem bekannten Regelungskonzept, wie es in
der
DE 197 51 125
A1 beschrieben wird, werden die Lenkanteile des überlagerten
Lenkwinkels unabhängig
von einander gebildet.
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Bei der Grundlenkfunktion wird aufgrund
des vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkels und ggf. abhängig von
der erfassten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
ein Lenkwinkel-Sollwert
für die
Regelung der Überlagerungslenkung
entsprechend der gewünschten
Grundlenkfunktion ermittelt. Die gewünschte Grundlenkfunktion beinhaltet
dabei im wesentlichen die Wahl einer der gegenwärtigen Fahrsituation entsprechenden
Lenkübersetzung.
Dazu erzeugt der Aktuator der Lenkung einen zusätzlichen Lenkwinkel, der über ein
Getriebe mit einem bestimmten Übersetzungsfaktor
auf das Lenkgetriebe wirkt.
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Die Fahrstabilität des Fahrzeugs kann erhöht werden,
in dem die Stellung der gelenkten Räder unabhängig vom Lenkwunsch des Fahrers
nach Maßgabe
eines Fahrdynamikreglers (ESP-Regler)
angepasst wird. Bei diesem korrigierenden Eingriff des Fahrdynamikreglers
wird einem Fahrerlenkwinkel bzw. dem Lenkwinkel der Grundlenkfunktion
ebenfalls ein zusätzlicher
Lenkwinkel überlagert.
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Bei hochdynamischen Fahrsituationen
kann es aber vorkommen, dass eine ausreichende Dynamikreserve des
Lenksystems für
die Einstellung des angeforderten Zusatzlenkwinkel in der vom Fahrdynamikregler
geforderten Winkelgeschwindigkeit nicht sicher zur Verfügung gestellt
werden kann, wodurch auch der gewünschte stabilisierende Erfolg
des Lenkwinkeleingriffs in Frage gestellt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs mit einer Überlagerungslenkung bereitzustellen,
welches die Fahrdynamik unterstützt
und die Fahrsicherheit erhöht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine durch das Überlagerungslenkungssystem
mögliche
Lenkdynamik (Dynamikreserve) für
den überlagerten
Zusatzlenkwinkel ermittelt wird und dass die ermittelte mögliche Lenkdynamik bei
einer Ermittlung des Zusatzlenkwinkels mitberücksichtigt wird.
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Insbesondere bei hochdynamischen
Fahrsituationen wird die Regelung der Überlagerungslenkung durch das
erfindungsgemäße Verfahren
verbessert.
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Unter dem Begriff „hochdynamische
Fahrsituation" sind
alle Fahrsituationen mit einer relativ raschen Änderung der Fahrzeugrichtung
und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu verstehen, die zu einer Instabilität des Fahrzeugs
bzw. der gewünschten Fahrzeugbewegung
führen
können.
Viele Fahrer sind bei Fahrsituationen im fahrdynamischen Grenzbereich,
wie Schleudermanövern,
bezüglich
eines angebrachten Lenkverhaltens überfordert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass das Fahrzeug eine Fahrdynamikregelung (ESP)
und eine Lenkungsregelung (ESAS-Regelung)
aufweist und dass der Fahrdynamikregelung Informationen über die
Dynamikreserve von der Lenkungsregelung zur Verfügung gestellt werden.
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Denn der Lenkungseingriff kann im
allgemeinen nur dann den gewünschten
stabilisierenden Erfolg haben, wenn die Aktuatorik der Überlagerungslenkung
aufgrund ihres gegenwärtigen
Betriebszustandes über
eine ausreichende Dynamikreserve verfügt und daher den angeforderten
Zusatzlenkwinkel Δδ mit der
geforderten Winkelgeschwindigkeit auch einregeln kann. Aus diesem
Grund wird nach der Erfindung in einer Kommunikationsschnittstelle zwischen
dem Fahrdynamikregler (ESP-Steuergerät) und dem Lenkungsregler (ESAS-Steuergerät) vereinbart,
dass das ESAS-Steuergerät
eine Information bezüglich
der gegenwärtigen
Dynamikreserve des Lenksystems dem ESP-Steuergerät zur Verfügung stellt.
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Nach Maßgabe der Information bezüglich der
gegenwärtigen
Dynamikreserve wird vorteilhaft eine Soll-Gierrate oder eine Soll-Querbeschleunigung
im ESP-Regler ermittelt. Auf Grundlage der Soll-Gierrate oder der
Soll- Querbeschleunigung kann
dann der Zusatzlenkwinkel bzw. ein Zusatzlenkmoment eingestellt
und geregelt werden.
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Wird von der Fahrdynamikregelung (ESP-System)
die Notwendigkeit eines stabilisierenden Eingriffs erkannt, dann
wird erfindungsgemäß unter
Berücksichtigung
der Dynamikreserve des Lenksystems ein Zusatzlenkwinkel erzeugt
oder ein bereits aufgebrachter Zusatzlenkwinkel verändert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung wird bei der Ermittlung der möglichen Lenkdynamik ein maximal
möglicher
Wert für
die Winkelgeschwindigkeit des Zusatzlenkwinkels ermittelt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein erster maximal möglicher
Wert für
die Winkelgeschwindigkeit des Zusatzlenkwinkels in einer ersten
Richtung, wie einer positiven Richtung, und ein zweiter maximal
möglicher
Wert für
die Winkelgeschwindigkeit des Zusatzlenkwinkels in einer zweiten
Richtung, wie einer negativen Richtung, ermittelt wird.
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Es ist nach der Erfindung vorgesehen,
dass zur Ermittlung des Betriebszustandes des Motors der Überlagerungslenkung
ein aktuell von dem Motor der Überlagerungslenkung
aufgebrachtes Ist-Motormoment ermittelt wird und unter Berücksichtigung
der Charakteristik des Motors der Überlagerungslenkung, insbesondere
dessen Drehzahl-/Drehmomentkennlinie und ggf. (bei Bedarf) des mechanischen Wirkungsgrades
der Überlagerungslenkung,
eine maximal mögliche
Motordrehzahl ωmot,max ermittelt wird.
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Die Regelung der Überlagerungslenkung erfolgt
bei einem Elektromotor als Aktuator der Überlagerungslenkung vorzugsweise über eine
Winkelregelung mit unterlagerter Strom- bzw. Motormomentenregelung.
Dabei wird nach Maßgabe
des Lenkwinkel-Sollwerts und des Lenkwinkel-Istwerts ein Soll-Strom
bzw. ein Soll-Motormoment erzeugt, durch den der Elektromotor einen
zusätzlichen
Lenkwinkel in das Lenkungssystem einbringt. Durch den der Lenkungsbetätigung des
Fahrers überlagerten Winkel
wird der gewünschte
Lenkwinkel und damit auch der vom Fahrdynamikregler geforderte Zusatzlenkwinkel
eingestellt.
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Vorteilhaft wird vorgesehen, dass
die Maximalwerte für
eine mögliche
Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit in zwei Richtungen (Δωδ,max,pos, Δωδ,max,neg)
nach Maßgabe
der aktuellen Lenkübersetzung
der Grundlenkfunktion (iL,ESAS), einer vom Fahrer
eingestellten Lenkwinkelgeschwindigkeit (ωDr),
einer maximalen durch den Aktuator der Überlagerungslenkung aufbringbaren
Winkelgeschwindigkeit (ωMot,max) und unter Berücksichtigung des Übersetzungsfaktors
(iL1), mit dem der Fahrerlenkwinkel δH direkt
auf das Lenkgetriebe wirkt, ermittelt wird.
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Vorzugsweise werden die Maximalwerte
für die
mögliche
Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit in beide Richtungen (Δωδ,max,pos, Δωδ,max,neg)
für den
Fall MMot > 0
nach den folgenden Formeln ermittelt: Δωδ,max,pos =
(iL1 – iL,ESAS)·ωDr + iL2·ωMot,max
Δωδ,max,neg =
(IL1 – iL,ESAS)·ωDr + iL2·ωMot,min
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Dabei bedeutet iL2 der Übersetzungsfaktor, mit
dem der vom Motor der Überlagerungslenkung eingestellte
Lenkwinkel δM bzw. die eingestellte Winkelgeschwindigkeit ωMot auf das Lenkgetriebe wirkt. Für den Fall
MMot < 0
können
die oben angegebenen Formeln entsprechend einem umgekehrten Vorzeichen
des Motormoments entsprechend angepasst und verwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung werden die Maximalwerte für die mögliche Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit
(Δωδ,max,pos, Δωδ,min,pos)
unter Berücksichtigung
der Übersetzung des
Lenkgetriebes (Lenbkübersetzung
iv) auf die Radseite bezogen: Δωδv,max,pos =
iv·Δωδ,max,pos Δωδv,min,pos =
iv·Δωδ,min,pos
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Erfindungsgemäß wird die Regelung des Motors
der Überlagerungslenkung
durch ein Computerprogramm realisiert, das geeignete Programmschritte
für die
Durchführung
des beschriebenen Verfahrens aufweist.
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Die Aufgabe wird auch durch eine
Lenkung für
ein Fahrzeug gelöst,
mit einem an einer Lenksäule
angeordneten Lenkrad, mit einem Lenkgetriebe, einem an der Lenksäule angeordneten
Drehwinkelsensor, einem über
ein Überlagerungsgetriebe
auf die Lenksäule
wirkenden Überlagerungsmotor,
einem elektrischen Lenksteller, einem Sensor zur Messung der Stellung
der gelenkten Räder
und mit einem Lenkungs-Steuergerät, bei welcher
Lenkung das Lenkungs-Steuergerät
Mittel zur Durchführung
des zuvor beschriebenen Verfahrens nach der Erfindung aufweist.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in Abbildungen (l und 2) dargestellt und nachfolgend
beschrieben.
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Es zeigen:
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l ein
Blockschaltbild der Grundstruktur des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein
Blockschaltbild der Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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3 ein
Blockschaltbild für
die erfindungsgemäße Bestimmung
der Dynamikreserve.
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Die Grundstruktur des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in l schematisch
dargestellt.
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Bei der Grundlenkfunktion wirkt aufgrund des
vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkels δH 50 über ein
Getriebe mit der Übersetzung
iL,ESAS 51 der Fahrerlenkwunsch δDRV 52 als
Lenkwinkel-Sollwert 53 δsoll (Eingangsgröße) für den Lenkungsregler 54. Die
Grundlenkfunktion beinhaltet dabei im wesentlichen die Wahl einer
der gegenwärtigen
Fahrsituation, z.B. der erfassten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, entsprechenden
Lenkübersetzung.
Der Aktuator der Lenkung wird dann entsprechend einem Lenkwinkel δL 55 (Ausgangsgröße des Reglers 54),
angesteuert.
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Durch eine – im Grundsatz fahrerwunschunabhängige – Anpassung
der Stellung der gelenkten Räder
kann die Fahrstabilität
des Fahrzeugs erhöht werden.
Dazu wird der Fahrerlenkwunsch δDRV 52 durch einen zusätzlichen
fahrdynamikabhängigen Lenkwinkel Δδ 56 auf
Grundlage eines korrigierenden Eingriffs eines Fahrdynamikreglers 57,
additiv überlagert 58.
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Bei bestimmten hochdynamischen Fahrsituationen
kann eine ausreichende Dynamikreserve des Lenksystems für die Einstellung
des angeforderten Zusatzlenkwinkel Δδ 56 in einer vom Fahrdynamikregler 57 geforderten
Winkelgeschwindigkeit nicht sicher zur Verfügung gestellt werden. Erfindungsgemäß werden
Informationen über
die Dynamikreserve des Überlagerungssystems
dem Fahrdynamikregler 57 zugeführt 59, damit diese
bei der Ermittlung eines Eingriffs der Fahrdynamikregelung in die
Lenkungsregelung und/oder Bremsenregelung des Fahrzeugs mit berücksichtigt
wird.
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Die Struktur des Verfahrens zeigt
Bild 2. Der Fahrerlenkwinkel δH wirkt als Eingangsgröße 1 über ein
Getriebe 2 mit einem Übersetzungsfaktor
iL1 direkt auf das Lenkgetriebe 3 (iL1·δH) 19 und
wird mit einem Zusatzlenkwinkel δM und einem zweiten Übersetzungsfaktor iL2 additiv überlagert: δHL = iL1·δH +
iL2·δM
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Als Ausgangsgröße wird durch das Lenkgetriebe 3 ein
resultierender Lenkwinkel δv erzeugt, der auf das Fahrzeug einwirkt.
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Die Fahrdynamik des Fahrzeugs 5,
insbesondere das Giermoment um die Hochachse des Fahrzeugs 5 sowie
die Querbeschleunigung, werden ermittelt. Die fahrdynamischen Größen 7 und
der Fahrerlenkwinkel δH 8 werden einem Fahrdynamikregler 6 als
Eingangsgrößen zugeführt. Fahrdynamische
Lenkeingriffe werden von dem Fahrdynamikregler 6 als ein
Zusatzlenkwinkel Δδ 9 einem
Lenkungsregler 10 als Eingangsgröße zugeführt. Ebenso wird dem Lenkungsregler 10 der
Fahrerlenkwinkel δH 11 und ein Wert für die aktuelle
Fahrzeuggeschwindigkeit 12, insbesondere die Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit
aus dem Fahrdynamikregler 6 oder einem ABS-Regler, als
Eingangsgröße zugeführt. Der Lenkungsregler 10 steuert
den Aktuator 14 der Überlagerungslenkungsfunktion
an 15.
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Der Aktuator, insbesondere ein Elektromotor 14,
erzeugt einen zusätzlichen
Lenkwinkel δM, der über
ein Getriebe 17 mit einem Übersetzungsfaktor iL2 auf das Lenkgetriebe 3 (iL2·δM)
wirkt 18. Das Getriebe 2 und Getriebe 17 sind
hier nur zur Veranschaulichung als zwei einzelne „Getriebe" dargestellt. Die
zwei Übersetzungen
der Getriebe 2 und 17 werden aber vorzugsweise
durch eine einzige Getriebeeinheit, insbesondere ein Planetenradgetriebe, realisiert.
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Der als externer Stelleingriff des
Fahrdynamikreglers 6 zu betrachtende Zusatzlenkwinkel Δδ wird dem
Soll-Lenkwinkel der Grundlenkfunktion additiv überlagert 20. Der
aus dieser Addition resultierende Lenkwinkel-Sollwert wird der Regelung
der Überlagerungslenkung
zugeführt.
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Aus der additiven Überlagerung
vom Fahrerlenkwinkel und vom Aktuator aufgebrachten überlagerten
Lenkwinkel resultiert ein Summenlenkwinkel δL 21,
aus dem als resultierende Ausgangsgröße durch das Lenkgetriebe 3 ein
resultierender Lenkwinkel δv erzeugt wird, der auf das Fahrzeug entsprechend
der gewünschten
Lenkfunktion einwirkt.
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Der resultierende Lenkwinkel δL 21 wird
dem Lenkungsregler 10 als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt 22,
ebenso der zusätzliche
Lenkwinkel δM 23. Auch dem Fahrdynamikregler 6 wird
der resultierende Lenkwinkel δL als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt 26.
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Nach der Erfindung wird die Dynamikreserve der
Aktuatorik, insbesondere der Motor 14, der Überlagerungslenkung
durch den Lenkungsregler 10 ermittelt. Dazu können Signale
oder gemessene Größen der
Aktuatorik 14 zugeführt
werden 24. Denn der Lenkungseingriff hat im allgemeinen nur dann
den gewünschten
stabilisierenden Erfolg, wenn die Dynamikreserve aufgrund des gegenwärtigen Betriebszustandes
der Lenkung ausreichend ist und den angeforderten Zusatzlenkwinkel Δδ mit der
geforderten Winkelgeschwindigkeit auch einregeln kann. Aus diesem
Grund wird in einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Fahrdynamikregler 6 und
dem Lenkungsregler 10 vereinbart, dass der Lenkungsregler 10 (ESAS-Steuergerät) eine
Information bezüglich seiner
gegenwärtigen
Dynamikreserve DR dem Fahrdynamikregler 6 (ESP-Steuergerät) zur Verfügung stellt.
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In 3 ist
die Bestimmung der Dynamikreserve für das erfindungsgemäße Verfahren
näher beschrieben.
Eine Dynamikreserve in positiver Richtung DRpos als
auch in negativer Richtung DRneg wird dabei
als Ausgangsgröße 30, 31 ermittelt.
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Dabei wird in Abhängigkeit des gegenwärtig vom
Motor 14 aufgebrachten Motormoments Mmot 32 und
unter Berücksichtigung
der Motorcharakteristik, wie Drehzahl-Drehmomentkennlinie 33 und
ggf. zusätzlich
mechanischer Wirkungsgrad, die bei dem gegenwärtigen vorliegendem Motormoment
maximal mögliche
Motordrehzahl ωMot,max bzw. minimal möglichen Mototderhzahl ωMot,min bestimmt und als Eingangsgrößen 34, 35 einer
Berechnung maximaler Gradienten des Zusatzlenkwinkels 36 zugeführt. Ebenso
wird die bereits vom Fahrer eingestellte Lenkradwinkelgeschwindigkeit ωDr und die gegenwärtig gewählte Lenkübersetzung (Übersetzungsfaktor
iL,ESAS) als Eingangsgröße 37, 38 berücksichtigt.
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Die Maximalwerte für die mögliche Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit
eines vom Fahrdynamikregler vorgegebenen Zusatzlenkwinkels Δδ in beide Richtungen
(Δωδ,max,pos, Δωδ,max,neg)
werden beispielsweise für
den Fall MMot > 0 nach den folgenden Formeln ermittelt: Δωδ,max,pos =
(iL1 – iL,ESAS)·ωDr + iL2·ωMot,max Δωδ,min,neg =
(iL1 – iL,ESAS)·ωDr + iL2·ωMot,min
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In einer nicht dargestellten vorteilhaften
Ausführungsform
werden die ermittelten Werte für
die mögliche
Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit (Δωδ,max,pos, Δωδ,min,pos)
unter Berücksichtigung
der Übersetzung
des Lenkgetriebes (Lenkübersetzung
iv) auf die Radseite bezogen: Δωδv,max,pos =
iv·Δωδ,max,pos Δωδv,min,pos =
iv·Δωδ,min,pos
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Diese Werte für die maximal mögliche Zusatzlenkwinkelgeschwindigkeit
in positiver Δωδ,max,pos als
auch in negativer Richtung Δωδ,max,neg werden
jeweils normiert 41,42 bzw. in eine für die Kommunikation mit dem
ESP-System geeignete Darstellung umgewandelt oder quantisiert, woraus
sich die Dynamikreserve in positiver DRpos und
in negativer Richtung DRneg ergibt 30, 31.