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Die
Erfindung betrifft in einem elektrisch unterstützten Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
der Bauweise mit einer Lenksäule
des Fahrzeugs und einem elektrischen Motor zur Unterstützung der
Lenkung ein Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments, welches der
Unterstützungsmotor
auf die Lenksäule
zur Unterstützung
der Lenkung ausüben muss,
wobei ein unterer Teil der Lenksäule
zur Einwirkung auf eine mechanische Lenkvorrichtung ausgebildet
ist und wobei nach dem Verfahren der Sollwert der Unterstützung auf
der Basis einer Information über
das vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment bestimmt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch ein elektrisch unterstütztes Lenksystem zur Durchführung des
Verfahrens.
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In
bekannten Systemen elektrisch unterstützter Lenkungen dieser Art
wird das vom Fahrer ausgeübte
Lenkrad-Drehmoment bei der Fahrt des Fahrzeugs durch einen Sensor
für das
entsprechende Drehmoment gemessen. Die so erhaltene Information
wird in einem mitgeführten
Rechner bearbeitet, um den Sollwert des Drehmoments zu bestimmen,
welches der Unterstützungsmotor
beispielsweise in einer Kurve auf die Lenksäule ausüben muss.
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Derartige
Systeme elektrisch unterstützter Lenkung
haben den großen
Nachteil, dass die Drehmomentsensoren eine komplexe Struktur aufweisen und
sperrig sowie schwierig herzustellen und zu eichen sind.
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Die
Erfindung bezweckt, ein Verfahren zur Bestimmung des auf die Lenksäule eines
Fahrzeugs in einem System unterstützter Lenkung auszuübenden Drehmoments
und ein entsprechendes Lenksystem zu schaffen, die die soeben genannten
Nachteile des Standes der Technik beheben.
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Zur
Erreichung dieses Ziels ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
die Information über
das Lenker-Drehmoment durch Messung von Winkeln der Lenksäule in Höhe des Lenkrades
und in Höhe
des Unterstützungsmotors
erhalten und der Sollwert des von dem Unterstützungsmotor aufzubringenden
Drehmoments durch Vergleich der beiden Winkelmessungen unter Berücksichtigung
der Steifigkeit der Lenksäule
zwischen den beiden Winkelmessstellen bestimmt wird.
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Nach
einem Merkmal der Erfindung werden der Winkel, die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung des Lenkrades und die Position, die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung des Unterstützungsmotors gemessen, die
auf den unteren Teil der Lenksäule
wirken.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Überprüfung der Brauchbarkeit der
erhaltenen Messwerte durchgeführt.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Kraft auf das
Lenkrad durch Vergleich der Positionen der beiden Winkelmesssensoren
durchgeführt,
indem die Variation der Kraft am Lenkrad im Bezug auf die Drehgeschwindigkeiten zwischen
den beiden Sensoren berechnet wird, indem die beiden durchgeführten Messungen
einer PID-Filterung unterworfen werden und indem die resultierende
Information als Drehmomentinformation für die Berechnung des Sollwertes
des Unterstützungsdrehmo ments
benutzt wird, bevor dieses durch den Unterstützungsmotor auf die Lenksäule ausgeübt wird.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Test darüber durchgeführt, ob
eine Neukalibrierung der Funktion der Unterstützung möglich und notwendig ist, und
im Fall einer negativen Antwort kehrt das Programm der Bestimmung des
Sollwertes des Unterstützungsdrehmoments
zu der Operation der Messung der Größen zurück.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung wird im Fall einer positiven
Antwort eine neue Kompensation, bezogen auf die mittlere Position
der Lenkung, errechnet und erfolgt notwendigenfalls eine Neuberechnung
des Wertes des Spiels in dem dem Motor zugeordneten Untersetzungsgetriebe
vorgenommen, worauf das Programm nach Speicherung dieser Information
zur Messung der Größen übergeht.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt der Test der Neukalibrierung
zumindest aufgrund der Information über den Nullstellungsdurchgang
des Lenkrades, über
die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades und des Motors, die unterhalb einer
vorbestimmten Schwelle sein muss, aufgrund der Feststellung, dass
es dabei keinen verschlechterten Modus gibt und aufgrund der möglichen
Validation der bei der Operation der Messung der Größen erhaltenen
Gegebenheiten.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen den oberen und
unteren Teilen der Lenksäule
ein mittlerer Teil in Form eines Torsionsstabes vorgesehen und wird
die Steifigkeit dieses Stabes bei der Bestimmung des vorerwähnten Sollwertes
des Drehmoments berücksichtigt.
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Das
elektrisch unterstützte
Lenksystem zur Durchführung
dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Winkelsensor
am Lenkrad und einen Winkelsensor in Höhe des unteren Teils der Lenksäule sowie
einen Rechner für
den Sollwert des von dem Motor auf die Lenksäule aufgrund der gemessenen
Winkel aufzubringenden Unterstützungsmoments
umfasst.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Erfindung einen
Winkelsensor in Höhe des
oberen Teils der Lenksäule,
der das Lenkrad trägt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der dem unteren Teil der
Lenksäule
zugeordnete Winkelsensor in den Unterstützungsmotor integriert.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Lenksäule zwischen
den beiden Stellen, an denen die Winkelmessung stattfindet, einen
Torsionsstab.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Torsionsstab ein
integraler Teil der Lenksäule.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Stab in Gestalt
eines Teils der Lenksäule
mit gesteuerter Torsion verwirklicht.
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Nach
noch einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Struktur selbst
der Lenksäule
in Gestalt eines Torsionsstabes verwirklicht.
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Die
Erfindung wird besser verstanden, und andere Zwecke, Merkmale, Einzelheiten
und Vorteile derselben treten deutlicher in der erklärenden Beschreibung
hervor, die nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen erfolgt, die nur als Beispiele zur Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung dienen:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Systems einer elektrisch unterstützten Lenkung
für ein
Kraftfahrzeug;
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2 ist
eine axiale Schnittansicht des in 1 mit A
bezeichneten Teils der Lenksäule
eines elektrisch unterstützten
Lenksystems nach dem Stand der Technik und
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3 ist
eine Ansicht des Teils A eines elektrisch unterstützten Lenksystems
nach der Erfindung.
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Wie
in 1 zu sehen ist, umfasst ein System einer elektrisch
unterstützten
Lenkung (DAE) für ein
Kraftfahrzeug im wesentlichen eine Lenksäulenanordnung 1, die
an ihrem oberen Ende ein von dem Fahrer des Fahrzeuges zu betätigendes
Lenkrad 2, eine mechanische Lenkvorrichtung 3,
auf die der untere Teil der Lenksäulenanordnung 1 wirkt,
und einen elektrischen Unterstützungsmotor 4,
dem ein Untersetzungsgetriebe 5 zugeordnet ist. Die mechanische Lenkvorrichtung
umfasst in an sich bekannter Weise ein Lenkgetriebe 6,
in dessen Innerem eine nicht dargestellte Zahnstange axial beweglich
ist, und rechtseitige und linksseitige Spurstangen 7, 8,
die jeweils mit einem Ende an der Zahnstange und mit dem anderen
Ende mit einem Lenkelement an einem Vorderrad des Fahrzeuges verbunden
sind. Die Zahnstange wird axial durch ein nicht dargestelltes Ritzel
verlagert, welches mit dem unteren Ende der Lenksäule 1 drehfest
verbunden ist. Da das Lenkrad drehfest auf dem oberen Ende der Lenksäule angebracht
ist, ruft eine Drehung des Lenkrades über die Lenksäule die axiale
Verlagerung der Spurstangen 7 und 8 hervor.
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2 stellt
den in 1 mit A bezeichneten Teil der Lenksäule 1 eines
Systems elektrisch unterstützter
Lenkung (DAE) des Standes der Technik dar. Der Teil A der Lenksäule umfasst
einen oberen Teil 10, dessen oberes Ende 11 das
Lenkrad 2 trägt,
einen unteren Teil 13 der Lenksäule, dessen unteres Ende 14 mit
dem unteren abgewinkelten Teil B der Lenksäule 1 verbindbar ist,
der auf die mechanische Lenkeinrichtung 3 wirkt, und einen
mittleren Teil 16 in Gestalt eines Torsionsstabes, der
oben, bei 17, mit dem oberen Teil 10 der Lenksäule und
unten, bei 18, mit dem unteren Teil 13 der Lenksäule drehfest
verbunden ist.
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2 zeigt
darüber
hinaus ein mit dem unteren Teil 13 der Lenksäule drehfestes
schraubenverzahntes Zahnrad 20, welches mit einem mit einer
zur Verzahnung des Zahnrades 20 komplementären schraubenförmigen Umfangsverzahnung
versehenen Ritzel 22 zusammenwirkt. Die beiden Verzahnungen
kämmen
miteinander. Das Ritzel 22 wird von dem Unterstützungsmotor 4 drehangetrieben.
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Aus
den Figuren geht noch hervor, dass der untere Teil 13 der
Lenksäule
in Gestalt eines rohrförmigen
Teils verwirklicht ist, der koaxial einen Teil eines Torsionsstabes 16 umgibt
und dessen oberes Ende bei 17 mit einem anderen rohrförmigen Teil 24 verbunden
ist, der mit seinem unteren Teil koaxial an dem oberen Teil 26 des
Teils 13 angreift, der einen Teil des unteren Teils der
Lenksäule
bildet, dessen oberer Teil zur Aufnahme des Teils 24 eine
Ausnehmung aufweist.
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Das
in 2 dargestellte unterstützte Lenksystem nach dem Stand
der Technik basiert auf dem Einsatz eines Drehmomentsensors 28 zur
Bestimmung des Sollwertes des Drehmoments, welches der Unterstützungsmotor 4 auf
die Lenksäule 1 ausüben soll,
d.h. auf den unteren Teil 13 der Lenksäule, mittels der Welle 22 und
des Zahnrades 20. Es ist festzuhalten, dass der wiedergegebene
Drehmomentsensor, wie oben bereits festgestellt, eine komplexe und
sehr sperrige Struktur aufweist, was zur Folge hat, dass die Struktur
der Lenksäule
ebenfalls sowohl axial als auch radial Platz beansprucht.
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Die
Erfindung bezweckt diese Nachteile zu vermindern, die der komplexen
Struktur und gleichzeitig dem Umstand innewohnen, dass diese Struktur das
System schwer herzustellen und zu kalibrieren macht.
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3 zeigt
den Teil A eines unterstützten Lenksystems
DAE nach der Erfindung. Das System besitzt sowohl axial als auch
radial einen beträchtlich verminderten
Platzbedarf im Vergleich zu dem bekannten System nach 2,
weil der Drehmomentsensor 28 wegfällt. Tatsächlich hat es sich als möglich herausgestellt,
auf den komplexen Drehmomentsensor zur Messung der Kräfte am Lenkrad
zu verzichten und dass eine gegebenenfalls präzise Schätzung des von dem Fahrer ausgeübten Drehmoments am
Lenkrad für
eine wirksame Unterstützung
der Lenkung ausreicht.
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Erfindungsgemäß wird zu
diesem Zweck ein Sensor für
die Winkelstellung des Lenkrades vorgesehen, der bei 30 wiedergegeben
und dem oberen Teil der Lenksäule
zugeordnet und in einem feststehenden Gehäuse 34 angebracht
ist. Die Erfindung nutzt einen zweiten Winkelsensor, d.h. einen
Winkelsensor für
den unteren Teil 13 der Lenksäule. Dieser Winkelsensor ist
in Höhe
des Unterstützungsmotors 4 angeordnet
und könnte
ein in diesem Motor integrierter Sensor sein.
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Da
das Bindeglied zwischen den beiden metallischen, durch die beiden
Teile 10 und 13 der Lenksäule gebildeten Teile durch
einen Torsionsstab 16 mit bekannten Eigenschaften gebildet
ist, ist es möglich,
das Drehmoment am Lenkrad in erster Nährung nach der folgenden Formel
zu bestimmen: (Winkel am Lenkrad – Winkel
am Motor) × Steifigkeit des
Torsionsstabes = Drehmoment am Lenkrad,wobei der Winkel am
Motor wohlgemerkt das Untersetzungsgetriebe in Betracht zu nehmen
hat.
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In
der vorstehenden Formel ist die Steifigkeit des Torsionsstabes berücksichtigt,
wobei beachtet ist, dass es dieser Stab ist, der die Torsion der
Lenksäule
zwischen den beiden Winkelsensoren bestimmt. Wohlgemerkt könnte auch
in Betracht gezogen werden, dass der Torsionsstab selbst nicht existiert,
sondern einen integralen Teil der Lenksäule bildet, sei es in Gestalt
eines Teils mit gesteuerter Torsion, sei es in Gestalt einer Struktur
der Lenksäule selbst
oder des ganzen Abschnittes zwischen den beiden Winkelsensoren.
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Es
ist möglich,
an dieser Rechnung eine Korrektur anzubringen, die eine Präzisierung
des Resultats erlaubt, in dem sie das Spiel in dem Untersetzungsgetriebe
berücksichtigt,
welches einige Minuten betragen kann. Hierbei könnte man das Vorzeichen der
Messung berücksichtigen,
welches positiv oder negativ sein könnte. Man könnte ferner die Präzision durch
eine präzise
Eichung der Winkelsensoren verbessern, ausgehend von der Geradeausstellung
der Lenkung. Diese Eichung könnte
regelmäßig durchgeführt werden,
sei es im Stand oder während der
Fahrt des Fahrzeuges.
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Präziser gesagt
könnte
ein Programm zur Bestimmung des Sollwertes des Drehmoments, bevor
es durch den Unterstützungsmotor 4 auf
die Lenksäule übertragen
wird, durch die Messung eingeleitet werden, auf der Basis der Winkelsensoren, der
Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Lenkrades
und der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des
Unterstützungsmotors 4.
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Nach
einer Verifikation der Brauchbarkeit der erhaltenen Größe könnte mit
Hilfe eines Rechners eine erste Rechnung durchgeführt werden,
die die auf das Lenkrad ausgeübte
Kraft durch Vergleich der Winkelpositionen zwischen den beiden Sensoren
erhält,
vorteilhafterweise unter Einbeziehung des Spiels des Untersetzungsgetriebes
bei einem Wechsel der Drehrichtung. Dann könnte durch eine zweite Rechnung
die Veränderung
der Kraft am Lenkrad durch Vergleich der Drehgeschwindigkeiten zwischen
den beiden Sensoren ermittelt werden. Sodann könnte eine PID-Filterung (proportional,
integral, differential) der beiden erfolgten Messungen vorgenommen
werden, unter Einbeziehung der vorstehenden Informationen. Die daraus
resultierende Drehmomentinformation wird sodann zur Berechnung der
Unterstützung
verwendet, die der Motor 4 erbringen muss.
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Die
Erfindung sieht sodann die Möglichkeit der
Durchführung
eines Tests vor, ob eine Neukalibrierung möglich und nötig ist. Dieser Neukalibrierungs-Test
könnte
aufgrund der Information über
den Nulldurchgang des Lenkrades erfolgen, aufgrund der Drehgeschwindigkeit
des Lenkrades und des Motors, die unterhalb einer vorbestimmten Schwelle
liegen müssen,
und aufgrund der Frage, ob es einen verschlechterten Modus gibt
und aufgrund der möglichen
Validation der bei der Operation der Messung der Größen erhaltenen
Gegebenheiten.
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Wenn
der Neukalibrierungs-Test die Antwort nein ergibt, kehrt der Prozess
zu der Operation der Messung der Größen zurück.
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Wenn
der Test als Antwort ja ergibt, wird zur Berechnung einer neuen
Kompensation gegenüber der
Geradeausstellung der Lenkung übergegangen und
zu einer Neuberechnung, wenn sich diese als notwendig herausstellt,
des Wertes des Spiels in dem Untersetzungsgetriebe. Nach der Speicherung
dieser Information, notwendigenfalls in einem EEPROM-Speicher, kehrt
der Prozess zu der Operation der Messung der Größen zurück.
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Es
können
verschiedene Modifikationen an dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen DAE-System
vorgenommen werden, sowohl im Bereich der Struktur als auch im Bereich
der Anwendung. Es könnte
in bekannten Systemen unterstützter
Lenkung, die mit einem Drehmomentsensor ausgerüstet und mit einem schon existierenden
oder offenbarten Winkelsensor versehen sind, das Verfahren der Erfindung
eingesetzt werden, ohne dass der Drehmomentsensor eingreift, beispielsweise
bei einem Informationsfehler der Messung dieses Sensors, als Zusatz
und Ersatzlösung,
um die Fortsetzung des Weges des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein kraftunterstütztes Lenksystem für ein Fahrzeug,
mit einer Lenksäule
(1) des Fahrzeugs und dem Unterstützungsmotor (4) der Lenkung.
Die Lenksäule
(1) umfasst einen oberen Teil, der das Lenkrad (3)
trägt,
und einen unteren Teil, der auf eine mechanische Lenkeinrichtung
(3) wirkt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
sie den Sollwert der Lenkunterstützung,
die der Motor (4) auf die Lenksäule (1) ausüben sollte,
auf der Basis einer Information bestimmt, die das auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment
betrifft. Diese Information wird durch Messung der Winkel am Lenkrad
(1) und am unteren Teil der Lenksäule gewonnen und es wird der
Sollwert durch Vergleich der beiden Winkelmessungen unter in Betrachtnahme
der Steifigkeit der Lenksäule
zwischen den beiden Winkelmessstellen bestimmt. Die Erfindung ist
in Kraftfahrzeugen einsetzbar.