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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Servolenksysteme eines Fahrzeugs und insbesondere ein Verfahren zum Steuern eines Unterstützungsmotors des Servolenksystems des Fahrzeugs.
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Ein Lenksystem eines Fahrzeugs dient dazu, einem Fahrer das Steuern einer Bewegungsbahn des Fahrzeugs dadurch zu ermöglichen, dass eine Kraft, die im Wesentlichen einem Lenkrad entspricht, auf ein Lenkelement ausgeübt wird.
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Herkömmlicherweise umfasst ein Lenksystem mehrere Elemente, einschließlich des mit einer Lenksäule verbundenen Lenkelements, eines Betätigungselements. wie z. B. eine Zahnstange, und zumindest ein gelenktes Element, wie z. B. ein Rad, das mit einer Spurstange verbunden ist. Das Betätigungselement ist der Abschnitt der das Verbinden des Lenkelements mittels der Lenksäule mit dem Lenkelement über die Spurstange ermöglicht; Mit anderen Worten wandelt die Zahnstange die vom Fahrer auf das Lenkelement ausgeübten Kräfte in ein Lenken des gelenkten Elements um.
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Ein Servolenksystem des Fahrzeugs umfasst einen Unterstützungsmotor, der durch einen von einem Lenkungsrechner ausgegeben Unterstützungssollwert gesteuert wird, um die vom Fahrer auf das Lenkelement aufzubringenden Kräfte zu reduzieren, um das zumindest eine gelenkte Element des Fahrzeugs zu lenken. Abhängig von den auf das Lenkelement ausgeübten Kräften, d. h. einer Lenkkraft, übt der Unterstützungsmotor eine Unterstützungskraft, d. h. eine Motorkraft, auf die Zahnstange zum Lenken des gelenkten Elements aus.
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Das Betätigungselement ist über eine Funktionslänge entsprechend einer maximalen Verschiebung translatorisch bewegbar, die zwischen einer maximalen Position auf der rechten Seite und einer maximalen Position auf der linken Seite definiert ist. Die Funktionslänge kann physikalisch durch einen mechanischen Anschlag oder virtuell durch eine virtuelle Endanschlagschwelle begrenzt sein, wie dies durch das Patent
EP3003823 im Namen des Anmelders beschrieben ist.
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Die virtuelle Endanschlagschwelle bestimmt eine Verlangsamungsschwelle, die sich aus der Funktionslänge zusammensetzt, bei deren Überschreitung der Unterstützungssollwert so modifiziert wird, dass dieser zu einem Widerstandssollwert wird, der sich dem Vorschub des Betätigungselements in der Überschreitungsrichtung widersetzen soll. Somit werden über die Funktionslänge ein normaler Unterstützungsbereich und zumindest ein reduzierter Unterstützungsbereich bestimmt, über den der Widerstandssollwert auf den Unterstützungsmotor angewendet wird.
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Bekanntermaßen wird ein Widerstandsollwert angewendet, der durch einen Ausdruck erhalten wird, der eine elastische Komponente, die einen Federeffekt simuliert, und/oder eine viskose Komponente, die einen Dämpfungseffekt simuliert, und/oder eine Trägheitskomponente, die einen Effekt einer beweglichen Masse simuliert, umfasst. Die elastische Komponente, die viskose Komponente und die Trägheitskomponente sind jeweils proportional zu einem Steifigkeitskoeffizienten, einem Viskositätskoeffizienten und einem Trägheitskoeffizienten.
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Die virtuelle Endanschlagschwelle ermöglicht es, mithilfe des Unterstützungsmotors den Vorschub des Betätigungselements in der Überschreitungsrichtung der virtuellen Endanschlagschwelle zu verlangsamen und anzuhalten, um zu verhindern, dass dieses eine definierte Stoppschwelle auf der Funktionslänge überschreitet.
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Die Vorteile einer solchen virtuellen Endanschlagschwelle, insbesondere die Vermeidung eines mechanischen Kontakts zwischen dem Betätigungselement und einem mechanischen Anschlag, führen dazu, dass die Hersteller ein Gefühl des Fahrers auf der Ebene des Lenkelements verbessern wollen, wenn das Betätigungselement in den reduzierten Unterstützungsbereich eindringt und diesen verlässt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das Gefühl des Fahrers im reduzierten Unterstützungsbereich durch Differenzierung des Widerstandssollwerts zwischen einem Eingangswiderstand-Sollwert im reduzierten Unterstützungsbereich und einem Ausgangswiderstand-Sollwert des reduzierten Unterstützungsbereichs zu verbessern.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Unterstützungsmotors eines Servolenksystems eines Fahrzeugs mit einem Betätigungselement, das eine Bewegung entlang einer Funktionslänge ausführt, wobei das Verfahren umfasst:
- - einen Schritt des Definierens zumindest eines reduzierten Unterstützungsbereichs über die Funktionslänge des Betätigungselements, der von einem normalen Unterstützungsbereich durch eine virtuelle Endanschlagschwelle getrennt ist,
- - einen Schritt des Beurteilens einer momentanen Position und einer Bewegungsrichtung des Betätigungselements über die Funktionslänge,
- - einen Schritt des Anwendens eines Eingangswiderstand-Sollwerts am Unterstützungsmotor, wenn das Betätigungselement die virtuelle Endanschlagschwelle überschreitet, um vom normalen Unterstützungsbereich in den reduzierten Unterstützungsbereich überzugehen,
dadurch gekennzeichnet, dass, nach dem Schritt des Anwendens eines Eingangswiderstand-Sollwerts, ein Ausgangswiderstand-Sollwert angewandt wird, wenn sich das Betätigungselement im reduzierten Unterstützungsbereich befindet, und die Bewegungsrichtung des Betätigungselements vom reduzierten Unterstützungsbereich in Richtung des normalen Unterstützungsbereichs gerichtet ist.
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Das Servolenkungssystem umfasst ein mit einer Lenksäule verbundenes Lenkelement, das Betätigungselement, und zumindest ein mit einer Spurstange verbundenes gelenktes Element. Das Betätigungselement ist der Abschnitt, der die Verbindung des gelenkten Elements mittels der Lenksäule mit dem gelenkten Element über die Spurstange ermöglicht.
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Das Servolenkungssystem des Fahrzeugs umfasst den Unterstützungsmotor, um die von einem Fahrer auf das Lenkelement aufzubringenden Kräfte zu reduzieren, um das gelenkte Element des Fahrzeugs zu lenken. Abhängig von den auf das Lenkelement ausgeübten Kräften, d. h. der Lenkkraft, übt der Unterstützungsmotor eine Unterstützungskraft auf das Betätigungselement zum Lenken des gelenkten Elements aus.
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Im Servolenkungssystem führt das Betätigungselement eine Translationsbewegung entlang der Funktionslänge aus. Herkömmlicherweise ist das Betätigungselement eine Zahnstange und die Funktionslänge ist das Lenkgehäuse.
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Der Schritt des Definierens zumindest eines reduzierten Unterstützungsbereichs, der von einem normalen Unterstützungsbereich durch eine virtuelle Endanschlagschwelle getrennt ist, ermöglicht das Abgrenzen zumindest eines ersten Bereichs der Funktionslänge, und eines zweiten Bereichs, über den der Sollwert der vom Unterstützungsmotor bereitstellenden Unterstützungskraft differenziert wird.
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Über den normalen Unterstützungsbereich wird der Sollwert der Unterstützungskraft auf eine dem Durchschnittsfachmann bekannte Weise durch Unterstützungsgesetze bestimmt, die insbesondere von Daten des Fahrzeugs und von Daten des Servolenkungssystems abhängen.
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Über den reduzierten Unterstützungsbereich wird der Sollwert der Unterstützungskraft bestimmt, um den Vorschub des Betätigungselements in der Überschreitungsrichtung der virtuellen Endanschlagschwelle zu verlangsamen und zu stoppen.
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Vorzugsweise ist der normale Unterstützungsbereich im Wesentlichen in der Mitte der Funktionslänge positioniert.
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Vorzugsweise ist ein reduzierter Unterstützungsbereich im Wesentlichen an einem Ende der Funktionslänge positioniert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Funktionslänge zwei reduzierte Unterstützungsbereiche, die auf jeder Seite einer mittigen Position der Funktionslänge symmetrisch positioniert sind, wobei die mittige Position der Position entspricht, für welche die gelenkten Elemente zu einer Längsachse des Fahrzeugs fluchten.
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Der Schritt des Beurteilens einer momentanen Position und einer Bewegungsrichtung des Betätigungselements auf der Funktionslänge bestimmt die Eigenschaften der Translationsbewegung des Betätigungselements.
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Insbesondere kann die momentane Position durch jeden repräsentativen Parameter der Position des Betätigungselements in Bezug auf die Funktionslänge, z. B. durch eine Messung oder Beurteilung der absoluten Winkelposition des Lenkelements, der absoluten Winkelposition der Lenksäule, oder der absoluten Winkelposition der Welle des Unterstützungsmotors, indifferent definiert werden.
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Beim Ausführen der Bewegung des Betätigungselements entlang einer Längsachse der Funktionslänge, wird zudem die Bewegungsrichtung in einer ersten Richtung entlang der Längssachse der Funktionslänge oder in der entgegengesetzten Richtung ausgeführt.
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Eine Bewegung des Betätigungselements, die vom normalen Unterstützungsbereich in Richtung des reduzierten Unterstützungsbereichs gerichtet ist, wenn das Betätigungselement im reduzierten Unterstützungsbereich positioniert ist, wird im Folgenden als Eingangsbewegung bezeichnet.
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Eine Bewegung des Betätigungselements, die vom reduzierten Unterstützungsbereich in Richtung des normalen Unterstützungsbereichs gerichtet ist, wenn das Betätigungselement im reduzierten Unterstützungsbereich positioniert ist, wird im Folgenden als Ausgangsbewegung bezeichnet.
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Der Schritt des Anwendens eines Eingangswiderstand-Sollwerts besteht darin, am Unterstützungsmotor einen Eingangswiderstand-Sollwert anzuwenden, wenn das Betätigungselement eine Eingangsbewegung ausführt.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert wird so bestimmt, dass die vom Unterstützungsmotor bereitgestellte Kraft der Bewegung des Betätigungselements widersteht, wobei der Unterstützungsmotor eine Unterstützungskraft direkt auf das Betätigungselement, oder indirekt ausübt, d. h. die Motorkraft wird auf die Lenksäule, z. B. durch ein Schneckenrad und ein Schneckenschrauben-Untersetzungsgetriebe, ausgeübt. Der Eingangswiderstand-Sollwert ermöglicht insbesondere eine Verlangsamung der Bewegung des Betätigungselements. Der Wert des Eingangswiderstand-Sollwertes wird so bestimmt, dass das Betätigungselement zu keinem Zeitpunkt eine Stoppschwelle erreicht, die im reduzierten Unterstützungsbereich in einem vorbestimmten Abstand von der virtuellen Endanschlagschwelle positioniert ist.
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Die Stoppschwelle kann eine virtuelle Schwelle oder ein realer mechanischer Anschlag sein, der z. B. an einem Ende der Funktionslänge positioniert ist. Somit hält der Eingangswiderstand-Sollwert den mechanischen Kontakt zwischen dem Betätigungselement und dem mechanischen Anschlag aufrecht.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert wird vorzugsweise bestimmt, um einem Fahrer ein präzises und intuitives Gefühl des vorhersagbaren Kontaktverhaltens des Betätigungselements mit einem mechanischen Anschlag zu vermitteln.
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Kurz gesagt, beim Lenken des Fahrers überschreitet das Betätigungselement, das anfänglich im normalen Unterstützungsbereich positioniert ist, die virtuelle Endanschlagschwelle und nähert sich dann verlangsamt der Stoppschwelle, bis seine Bewegung in der Richtung der Stoppschwelle vollständig gestoppt ist. Das heißt, wenn das Betätigungselement eine Bewegung in Richtung des reduzierten Unterstützungsbereichs ausführt, überschreitet dieses die virtuelle Endanschlagschwelle und stoppt danach seine Bewegung, sodass es nie mit der Stoppschwelle in Berührung kommt.
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Der Schritt des Anwendens eines Ausgangswiderstand-Sollwertwerts besteht darin, am Unterstützungsmotor einen Ausgangswiderstand-Sollwert anzuwenden, wenn das Betätigungselement eine Ausgangsbewegung ausführt.
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Das Betätigungselement nimmt, nach dem Ausführen einer Eingangsbewegung, seine Bewegung in einer der vorherigen Richtung entgegengesetzten Richtung wieder auf, d. h. es führt eine Ausgangsbewegung aus.
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Der Ausgangswiderstand-Sollwert weist einen anderen Wert als der Eingangswiderstand-Sollwert auf. Der Ausgangswiderstand-Sollwert wird so bestimmt, dass die vom Unterstützungsmotor bereitgestellte Kraft dem Fahrer ein präzises und intuitives Gefühl des vorhersagbaren Verhaltens vermittelt, welches das Betätigungselement nach einer Berührung mit einem mechanischen Anschlag haben würde.
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Vorzugsweise werden der Eingangswiderstand-Sollwert und der Ausgangswiderstand-Sollwert so parametrisiert, dass der Fahrer ein präzises und intuitives Gefühl des vorhersagbaren Verhaltens des Betätigungselements während eines Kontakts mit einem mechanischen Dämpfer mit variabler Kompressions- /Expansionsdämpfung besitzt.
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Eine Implementierung der Erfindung wird durch eine Programmierung eines Rechners durchgeführt, der den Unterstützungsmotor steuert. Somit ist es möglich, die Erfindung, z. B. als Zusatz, an den meisten Servolenkvorrichtungen von bereits im Umlauf befindlichen Fahrzeugen anzuwenden.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfasst der Ausgangswiderstand-Sollwert:
- - eine Ausgangselastizitätskomponente, die proportional zu einem Ausgangssteifigkeitskoeffizienten und zu einer Bewegungsamplitude des Betätigungselements ist;
- - und eine Ausgangsviskositätskomponente (CV), die proportional zu einem Ausgangsviskositätskoeffizienten und zu einer Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist.
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Die Ausgangselastizitätskomponente ermöglicht die Simulation einer Federwirkung. Die Ausgangselastizitätskomponente ist proportional zum vorgegebenen Ausgangssteifigkeitskoeffizienten, welcher der Steifigkeit einer Feder entspricht, und zu einer Bewegungsamplitude des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich. Die Bewegung des Betätigungselements ist eine Translation entlang der durch die Funktionslänge dargestellten Achse.
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Die Ausgangselastizitätskomponente ermöglicht es, ein kontinuierliches Gefühl des Fahrers zwischen den Eingangs- und Ausgangsbewegungen zu gewährleisten. Jedoch könnte ein starker Rückpralleffekt dadurch verursacht werden, dass diese Energie an das Betätigungselement zurückgibt.
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Die Ausgangsviskositätskomponente ermöglicht die Simulation eines Dämpfereffekts. Die Ausgangsviskositätskomponente ist proportional zum vorbestimmten Ausgangsviskositätskoeffizienten und zur Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist eine lineare Geschwindigkeit, die der ersten zeitlichen Ableitung der momentanen Position, oder in äquivalenter Weise der Bewegungsamplitude entspricht. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements kann z. B. aus einer Messung der Winkelgeschwindigkeit des Lenkelements oder der Winkelgeschwindigkeit der Welle des Unterstützungsmotors beurteilt werden.
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Die Ausgangsviskositätskomponente ermöglicht es, die Energierückgabe an das Betätigungselement durch die Ausgangselastizitätskomponente zu reduzieren. Das heißt, die Viskositätskomponente begrenzt den durch die elastische Ausgangselastizitätskomponente verursachten Rückpralleffekt.
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Der Ausgangswiderstand-Sollwert wird somit durch einen Ausdruck erster Ordnung erhalten, der Wirkungen auf das Betätigungselement nach einem dem Durchschnittsfachmann bekannten Feder-Dämpfer-Anschlag simuliert. Der Ausdruck erster Ordnung entspricht einer Reaktion des Betätigungselements, nachdem dieses mit einem virtuellen Anschlagmechanismus in Kontakt gekommen ist, der eine parallel zu einem linearen Viskositätsdämpfer montierte Feder umfasst.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfasst der Ausgangswiderstand-Sollwert:
- - eine Ausgangselastizitätskomponente, die proportional zu einem Ausgangssteifigkeitskoeffizienten und zu einer Bewegungsamplitude des Betätigungselements ist,
- - eine Ausgangsviskositätskomponente, die proportional zu einem Ausgangsviskositätskoeffizienten und zu einer Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist,
- - und eine Ausgangsträgheitskomponente, die proportional zu einem Ausgangsträgheitskoeffizienten und zur Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements ist.
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Die Ausgangsträgheitskomponente ermöglicht die Simulation eines Effekts einer beweglichen Masse. Die Ausgangsträgheitskomponente ist proportional zum vorgegebenen Ausgangsträgheitskoeffizienten und zur Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich. Die Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements ist eine lineare Beschleunigung, die der zweiten zeitlichen Ableitung der momentanen Position, oder in äquivalenter Weise, der Bewegungsamplitude entspricht. Die Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements kann z.B. aus einer Berechnung der Geschwindigkeitsableitung oder aus aufeinanderfolgenden Ableitungen der Position des Betätigungselements, oder aber aus der Winkelbeschleunigung des Lenkelements oder der Welle des Unterstützungsmotors bestimmt werden.
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Die Ausgangsträgheitskomponente ermöglicht die Simulation der Trägheit des Betätigungselements nach einem Kontakt mit dem mechanischen Anschlag.
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Der Ausgangswiderstand-Sollwert wird somit durch einen Ausdruck zweiter Ordnung erhalten, der die Auswirkungen auf das Betätigungselement nach einem Masse-Feder-Dämpfer-Widerlager simuliert, das den Durchschnittsachleuten bekannt ist. Der Ausdruck zweiter Ordnung ermöglicht den Erhalt einer genaueren Wahrnehmung der Auswirkungen auf das Betätigungselement nach einem Kontakt mit einem mechanischen Anschlag, wodurch ein besseres Fahrgefühl gewährleistet wird, das für den Fahrer natürlicher und intuitiver ist.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung hängen der Ausgangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Ausgangsviskositätskoeffizient und/oder der Ausgangsträgheitskoeffizient von zumindest einem folgenden Parameter ab: einer Verschiebungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, an dem der Unterstützungsmotor montiert ist, einem Drehmoment, das von einem Fahrer auf ein Lenkelement ausgeübt wird, der momentane Position des Betätigungselements, der Bewegungsamplitude des Betätigungselements, der Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements, und der Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements.
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Somit werden der Ausgangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Ausgangsviskositätskoeffizient und/oder der Ausgangsträgheitskoeffizient gemäß einer Gebrauchsdauersituation des Fahrzeugs angepasst. Der Ausgangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Ausgangsviskositätskoeffizient und/oder der Ausgangsträgheitskoeffizient werden aus vorgegebenen Diagrammen oder Kurven als Funktion der unterschiedlichen Parameter bestimmt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfasst der Eingangswiderstand-Sollwert:
- - eine Eingangselastizitätskomponente, die proportional zu einem Eingangssteifigkeitskoeffizienten und zur Bewegungsamplitude des Betätigungselements ist,
- - und eine Eingangsviskositätskomponente, die proportional zu einem Eintrittsviskositätskoeffizienten und zur Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist.
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Die Eingangselastizitätskomponente ermöglicht die Simulation einer Federwirkung. Die Eingangselastizitätskomponente ist proportional zum vorgegebenen Eingangssteifigkeitskoeffizienten, welcher der Steifigkeit einer Feder entspricht, und zu einer Bewegungsamplitude des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich.
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Die Eingangselastizitätskomponente erzeugt eine elastische Vorspannkraft, die einem zunehmenden Widerstand gegen das Eindrücken des Betätigungselements entgegenwirkt, wobei dieser Widerstand proportional zur Bewegung des Betätigungselements über die berücksichtigte virtuelle Endanschlagschwelle hinaus ist.
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Die Eintrittsviskositätskomponente ermöglicht die Simulation eines Dämpfereffekts. Die Eintrittsviskositätskomponente ist proportional zum vorgegebenen Eintrittsviskositätskoeffizienten und zur Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich.
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Die Eintrittsviskositätskomponente ermöglicht es, die Verschiebungsgeschwindigkeit des Betätigungselements so abzubremsen, dass die Stoppschwelle nicht mit einer zu hohen Geschwindigkeit erreicht wird, was zu einem schnellen Anstieg der vom Fahrer als anormal empfundenen Lenkkraft führen würde.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert wird somit durch einen Ausdruck erster Ordnung erhalten, der einen den Durchschnittsfachleuten bekannten Feder-Dämpfer-Anschlag simuliert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfasst der Eingangswiderstand-Sollwert:
- - eine Eingangselastizitätskomponente, die proportional zu einem Eingangssteifigkeitskoeffizienten und zur Bewegungsamplitude des Betätigungselements ist,
- - eine Eingangsviskositätskomponente, die proportional zu einem Eintrittsviskositätskoeffizienten und zur Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist,
- - und eine Eingangsträgheitskomponente, die proportional zu einem Eingangsträgheitskoeffizienten und zur Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements ist.
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Die Eingangsträgheitskomponente ermöglicht die Simulation eines Effekts einer beweglichen Masse. Die Eingangsträgheitskomponente ist proportional zum vorgegebenen Eingangsträgheitskoeffizienten und zur Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements im reduzierten Unterstützungsbereich.
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Die Eingangsträgheitskomponente ermöglicht die Simulation der Trägheit des Betätigungselements, das mit einem mechanischen Anschlag in Kontakt kommt.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert wird somit durch einen Ausdruck zweiter Ordnung erhalten, der einen den Durchschnittsfachleuten bekannten Masse-Feder-Dämpfer-Anschlag simuliert. Der Ausdruck zweiter Ordnung ermöglicht es, eine genauere Wahrnehmung eines Widerlagers mit mechanischem Anschlag zu erhalten, wodurch ein besseres Fahrgefühl gewährleistet wird, das für den Fahrer natürlicher und intuitiver ist.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind der Eingangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Eingangsviskositätskoeffizient und/oder der Eingangsträgheitskoeffizient von zumindest einem der folgenden Parameter abhängig: der Verschiebungsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, an dem der Unterstützungsmotor montiert ist, einem von einem Fahrer auf ein Lenkelement ausgeübten Drehmoment, der momentanen Position des Betätigungselements, der Bewegungsamplitude des Betätigungselements, der Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements, und der Bewegungsbeschleunigung des Betätigungselements.
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Somit werden der Eingangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Eingangsviskositätskoeffizient und/oder der Eingangsträgheitskoeffizient gemäß einer Gebrauchsdauersituation des Fahrzeugs angepasst. Der Eingangssteifigkeitskoeffizient und/oder der Eingangsviskositätskoeffizient und/oder der Eingangsträgheitskoeffizient werden aus vorgegebenen Diagrammen oder Kurven als Funktion der unterschiedlichen Parameter bestimmt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die zumindest eine virtuelle Endanschlagschwelle von zumindest einem der folgenden Parameter abhängig: der Verschiebungsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, an dem der Unterstützungsmotor montiert ist, einem von einem Fahrer auf ein Lenkelement ausgeübten Drehmoment, der momentanen Position des Betätigungselements, der Bewegungsamplitude des Betätigungselements, der Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements, und der Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Strategie, d. h. die Position, einer Implementierung der virtuellen Endanschlagschwelle, und insbesondere die Bedingungen für die Aktivierung dieser virtuellen Endanschlagschwelle gemäß der Gebrauchsdauersituation des Fahrzeugs anzupassen.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist der Eingangsviskositätskoeffizient einen höheren Wert als der Ausgangsviskositätskoeffizient auf.
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Somit weist der Eingangsviskositätskoeffizient einen hohen Wert auf, wodurch die Geschwindigkeit des Betätigungselements reduziert werden kann.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung gilt der Eingangsviskositätskoeffizient im Hinblick auf den Eintrittssteifigkeitskoeffizienten früher.
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Der Ausgangsviskositätskoeffizient weist einen niedrigen Wert, und insbesondere niedriger als den Wert des Eingangsviskositätskoeffizienten, auf, um der Ausgangsbewegung keinen übermäßigen Widerstand entgegenzusetzen.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung gilt der Ausgangsviskositätskoeffizient, wenn der Ausgangssteifigkeitskoeffizient gilt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der Ausgangsviskositätskoeffizient nicht Null.
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Die Erfindung wird mithilfe der nachfolgenden Beschreibung besser verstanden, die sich auf ein erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel bezieht, das als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt und anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert wird, in denen:
- - 1 anhand eines Blockdiagramms eine Implementierung einer Berechnung eines Widerstandsmoments gemäß der Erfindung veranschaulicht;
- - 2 anhand einer schematischen Darstellung eine Positionierung der virtuellen Endanschlagschwellen und der Stoppschwellen auf einer Funktionslänge gemäß der Erfindung veranschaulicht;
- - 3 anhand eines Blockdiagramms ein Servolenksystem eines Fahrzeugs veranschaulicht.
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Ein erfindungsgemäßes Servolenksystem 1 umfasst, wie in 3 dargestellt, ein Lenkelement 2, d. h. ein Lenkrad 2, das mit einer Lenksäule 3 verbunden ist, ein Betätigungselement 4, d. h. eine Zahnstange 4, und zwei gelenkte Elemente 5, d. h. zwei Räder 5, die jeweils mit einer Spurstange 6 verbunden sind. Die Zahnstange 4 ist der Abschnitt, der es ermöglicht, das Lenkrad 2 mittels der Lenksäule 3 mit den Rädern 5 über die Spurstangen 6 zu verbinden.
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Die Servolenkung 1 des Fahrzeugs umfasst einen Unterstützungsmotor M, der einen Sollwert CSetpoint empfängt, der eine auf die Zahnstange auszuübende Unterstützungskraft EA bestimmt, um die vom Fahrer auf das Lenkrad 2 auszuübenden Kräfte, d. h. eine Lenkkraft ED, zu reduzieren, um die Räder 5 des Fahrzeugs zu lenken. In Abhängigkeit von der ausgeübten Lenkkraft ED übt der Unterstützungsmotor M eine Unterstützungskraft EA auf die Zahnstange 4 zum Lenken der Räder 5 aus.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern des Unterstützungsmotors M der Servolenkung 1 mit einer Zahnstange 4, die eine Translationsbewegung entlang einer Funktionslänge L0, d. h. dem Lenkgehäuse L0, ausführt, wie dies in 2 dargestellt.
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Das Verfahren umfasst einen Schritt des Definierens zumindest eines reduzierten Unterstützungsbereichs (ZARD, ZARG) über die Funktionslänge (L0) des Betätigungselements (4), der von einem normalen Unterstützungsbereich (ZAN) durch eine virtuelle Endanschlagschwelle (SG, SD) getrennt ist.
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Somit wird die Funktionslänge L0, die ein rechtsseitiges Ende PD und ein linksseitiges Ende PG umfasst, virtuell in einen normalen Unterstützungsbereich ZAN und in zwei reduzierte Unterstützungsbereiche ZARD, ZARG aufgeteilt.
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Das rechtsseitige Ende PD bzw. linksseitige Ende PG entspricht einer Position der Zahnstange 4, in der die Zahnstange 4 durch eine rein mechanische Konstruktion funktionell nicht mehr weiter nach rechts bzw. links gelenkt werden kann.
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Über den normalen Unterstützungsbereich ZAN, der im Wesentlichen in der Mitte der Funktionslänge L0 positioniert ist, entspricht der Sollwert CSetpoint des Unterstützungsmotors M einem Unterstützungsmoment Cassist, das durch Unterstützungsgesetze bestimmt wird, die insbesondere von Daten des Fahrzeugs und von Daten des Servolenksystems 1 abhängen.
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Über den reduzierten Unterstützungsbereich ZARD, ZARG, der an jedem Ende PD, PG, der Funktionslänge L0 und symmetrisch auf beiden Seiten einer zentralen Position P0 der Funktionslänge L0 positioniert ist, entspricht der Sollwert Csetpoint des Unterstützungsmotors M einem Unterstützungsmoment Cassist, das um ein bestimmtes Widerstandsmoment Cresistant reduziert ist, um den Vorschub der Zahnstange 4 in Richtung des Überschreitens des virtuellen Endanschlags SG, SD zu verlangsamen und anzuhalten.
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Die Mittelposition P0 ist die Stellung der Zahnstange 4, bei welcher der Lenkwinkel der Räder 5 gleich Null ist, d. h. die Räder sind gerade, oder in der Längsachse des Fahrzeugs von vorn nach hinten ausgerichtet.
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Insbesondere ist der linke reduzierte Unterstützungsbereich ZARG am linken Ende PG der Funktionslänge L0 vom normalen Unterstützungsbereich ZAN durch die linke virtuelle Endanschlagschwelle SG getrennt positioniert.
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Der rechte reduzierte Unterstützungsbereich ZARD ist am rechten Ende PD der Funktionslänge L0 vom normalen Unterstützungsbereich ZAN durch die rechte virtuelle Endanschlagschwelle SD getrennt positioniert.
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Die virtuellen Endanschlagschwellen SD, SG sind abhängig von einer Verschiebungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, der Lenkkraft ED, der Bewegungsamplitude XRack der Zahnstange 4, der Bewegungsgeschwindigkeit ẊRack der Zahnstange 4, und der Bewegungsbeschleunigung ẌRack der Zahnstange 4.
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Das Verfahren umfasst zudem einen Schritt zum Beurteilen einer momentanen Position und einer Richtung D der Bewegung des Betätigungselements 4 auf der Funktionslänge L0.
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Da die Bewegung der Zahnstange 4 entlang einer Längsachse der Funktionslänge L0 ausgeführt wird, wird die Richtung D der Bewegung in einer ersten Richtung entlang der Längsachse der Funktionslänge L0 oder in der entgegengesetzten Richtung ausgeführt. Zunächst wird auf die Richtung auf der rechten Seite Bezug genommen, die einer Bewegungsrichtung entspricht, die es ermöglicht, vom reduzierten Unterstützungsbereich ZARG auf der linken Seite zum normalen Unterstützungsbereich ZAN, oder vom normalen Unterstützungsbereich ZAN auf der rechten Seite zum reduzierten Unterstützungsbereich ZARD zu gelangen. Es wird zudem auf die Richtung auf der linken Seite Bezug genommen, die einer Bewegungsrichtung entspricht, die es ermöglicht, vom rechten reduzierten Unterstützungsbereich ZARD zum normalen Unterstützungsbereich ZAN, oder vom normalen Unterstützungsbereich ZAN zum linken reduzierten Unterstützungsbereich ZARG zu gelangen.
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Dementsprechend wird eine Bewegung der Zahnstange 4 nach links, wenn die Zahnstange im linken reduzierten Unterstützungsbereich ZARG positioniert ist, und nach rechts, wenn die Zahnstange im rechten reduzierten Unterstützungsbereich ZARD positioniert ist, nachfolgend als Eingangsbewegung bezeichnet.
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Schließlich wird eine Bewegung der Zahnstange 4 nach rechts, wenn die Zahnstange im linken reduzierten Unterstützungsbereich ZARG positioniert ist, und nach links, wenn die Zahnstange im rechten reduzierten Unterstützungsbereich ZARD positioniert ist, als Ausgangsbewegung bezeichnet.
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Die reduzierten rechtsseitigen und linksseitigen Unterstützungsbereiche ZARD, ZARG weisen ein symmetrisches Verhalten auf, sodass in der folgenden Beschreibung nur auf den rechtsseitig reduzierten Unterstützungsbereich ZARD Bezug genommen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Schritt des Anwendens eines Eingangswiderstand-Sollwerts Cresistant am Unterstützungsmotor M, wenn das Betätigungselement 4 den virtuellen Endanschlag SG, SD überschreitet, sodass es sich aus dem normalen Unterstützungsbereich ZAN in den reduzierten Unterstützungsbereich ZARD, ZARG bewegt.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert Cresistant wird so bestimmt, dass die vom Unterstützungsmotor M bereitgestellte Unterstützungskraft EA sich der Bewegung der Zahnstange 4 widersetzt. Der Eingangswiderstand-Sollwert Cresistant ermöglicht insbesondere eine Verlangsamung der Bewegung der Zahnstange 4, sodass die Zahnstange 4 zu keinem Zeitpunkt eine rechte Stoppschwelle, die dem rechtsseitigen Ende PD entspricht, oder eine linke Stoppschwelle erreicht, die dem linksseitigen Ende PG entspricht.
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Wenn sich die Zahnstange im reduzierten Unterstützungsbereich ZARD, ZARG befindet, entspricht der Sollwert Csetpoint des Unterstützungsmotors M dem Unterstützungsmoment Cassist, abzüglich des Widerstandssollwerts Cresistant, wie dies in 3 dargestellt ist.
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Wie in 1 dargestellt, ist der Eingangswiderstand-Sollwert Cresistant die Summe aus:
- - einer Eingangselastizitätskomponente CE, die proportional zu einem Eingangssteifigkeitskoeffizienten k1 und zur Bewegungsamplitude XRack der Zahnstange 4 ist,
- - einer Eingangsviskositätskomponente CV, die proportional zu einem Eingangsviskositätskoeffizienten b1 und zur Bewegungsgeschwindigkeit ẊRack Zahnstange der Zahnstange 4 ist,
- - und eine Eingangsträgheitskomponente CI, die proportional zu einem Eintrittsträgheitskoeffizienten m1 und zur Beschleunigung der Bewegung ẌRack Zahnstange der Zahnstange 4 ist.
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Der Eingangswiderstandssollwert Cresistant wird somit durch einen Ausdruck zweiter Ordnung erhalten, der einen dem Durchschnittfachmann bekannten Masse-Feder-Dämpfer-Anschlag simuliert. Der Ausdruck zweiter Ordnung ermöglicht eine genauere Wahrnehmung eines Widerlagers mit einem mechanischen Anschlag, wodurch ein besseres Fahrgefühl gewährleistet wird, das für den Fahrer natürlicher und intuitiver ist.
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Der Eingangssteifigkeitskoeffizient k1, der Eingangsviskositätskoeffizient b1 und der Eingangsträgheitskoeffizient m1 sind abhängig von der Verschiebungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, der Lenkkraft ED, der Bewegungsamplitude XRack der Zahnstange 4, der Bewegungsgeschwindigkeit ẊRack der Zahnstange 4, und der Bewegungsbeschleunigung ẌRack der Zahnstange 4. Der Eingangssteifigkeitskoeffizient k1 und der Eingangsviskositätskoeffizient b1 und der Eingangsträgheitskoeffizient m1 werden aus vorgegebenen Diagrammen als Funktion der unterschiedlichen Parameter bestimmt.
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Das Verfahren umfasst einen Schritt des Anwendens eines Ausgangswiderstand-Sollwerts Cresistant, wenn sich das Betätigungselement 4 im reduzierten Unterstützungsbereich ZARD, ZARG befindet, und die Richtung D der Bewegung des Betätigungselements 4 vom reduzierten Unterstützungsbereich ZAR, ZAR in Richtung des normalen Unterstützungsbereichs ZAN gerichtet ist.
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Der Schritt des Anwendens eines Ausgangswiderstand-Sollwerts Cresistant besteht darin, am Unterstützungsmotor M einen Ausgangswiderstandssollwert Cresistant anzuwenden, wenn die Zahnstange 4 eine Ausgangsbewegung ausführt.
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Der Ausgangswiderstand-Sollwert Cresistant weist einen zum Eingangswiderstand-Sollwert Cresistant unterschiedlichen Wert auf.
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Wie in 1 dargestellt, ist der Ausgangswiderstand-Sollwert die Summe aus:
- - einer Ausgangselastizitätskomponente CE, die proportional zu einem Ausgangssteifigkeitskoeffizienten k2 und zu einer Amplitude XRack der Bewegung der Zahnstange 4 ist,
- - einer Ausgangsviskositätskomponente CV, die proportional zu einem Ausgangsviskositätskoeffizienten b2 und zu einer Bewegungsgeschwindigkeit ẊRack der Zahnstange 4 ist,
- - und einer Ausgangsträgheitskomponente CI, die proportional zu einem Ausgangsträgheitskoeffizienten m2 und zur Bewegungsbeschleunigung ẌRack der Zahnstange 4 ist.
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Der Ausgangswiderstand-Sollwert Cresistant wird demnach durch einen Ausdruck zweiter Ordnung erhalten, der die Effekte auf die Zahnstange gemäß einem den Durchschnittsfachleuten bekannten Masse-Feder-Dämpfer-Widerlager simuliert. Der Ausdruck zweiter Ordnung ermöglicht eine genauere Wahrnehmung der Effekte auf das Betätigungselement nach einem Kontakt mit einem mechanischen Anschlag, wodurch ein besseres Fahrgefühl gewährleistet wird, das für den Fahrer natürlicher und intuitiver ist.
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Der Ausgangssteifigkeitskoeffizient k2, der Ausgangsviskositätskoeffizient b2 und der Ausgangsträgheitskoeffizient m2 sind abhängig von der Verschiebegeschwindigkeit des Fahrzeugs, der Lenkkraft ED, der Bewegungsamplitude XRack der Zahnstange 4, der Bewegungsgeschwindigkeit ẊRack der Zahnstange 4, und der Bewegungsbeschleunigung ẌRack der Zahnstange 4.
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Der Ausgangssteifigkeitskoeffizient k2, der Ausgangsviskositätskoeffizient b2 und der Ausgangsträgheitskoeffizient m2 werden aus vorgegebenen Diagrammen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Parametern bestimmt.
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Wenn die Zahnstange 4 im normalen Unterstützungsbereich ZAN positioniert wird, empfängt der Unterstützungsmotor M einen Sollwert Csetpoint, der dem Unterstützungsmoment Cassist entspricht. Anschließend führt die Zahnstange 4 beim Lenken nach rechts durch den Fahrer, d. h., wenn der Fahrer eine Lenkkraft ED nach rechts ausübt, eine Bewegung nach rechts aus, und überschreitet danach den rechtsseitigen virtuellen Endanschlag SD. Die Zahnstange 4 befindet sich somit im rechtsseitigen reduzierten Unterstützungsbereich ZARD, und sie führt eine Eingangsbewegung aus. Der Unterstützungsmotor M erhält danach einen Sollwert Csetpoint, der dem Sollwert des Unterstützungsmotors Cassist abzüglich des Eingangswiderstand-Sollwerts Cresistant entspricht. Auf diese Weise nähert sich die Zahnstange 4 verlangsamt der rechtsseitigen Stoppschwelle PD an, bis deren Bewegung in Richtung der rechtsseitigen Stoppschwelle PD vollständig stoppt. Das heißt, wenn die Zahnstange eine Bewegung nach rechts ausführt, überschreitet sie die virtuelle Endanschlagschwelle SD auf der rechten Seite und stoppt danach ihre Bewegung, sodass sie nie mit der Stoppschwelle PD auf der rechten Seite in Berührung kommt.
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Der Eingangswiderstand-Sollwert Cresistant wird bestimmt, um dem Fahrer ein präzises und intuitives Gefühl des vorhersagbaren Verhaltens beim Kontakt mit einem mechanischen Anschlag zu vermitteln, der an der rechten Stoppschwelle PD positioniert wäre.
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Die Zahnstange 4 nimmt deren Bewegung nach links wieder auf, sodass diese eine Ausgangsbewegung ausführt. Der Unterstützungsmotor M erhält danach einen Sollwert Csetpoint, der dem Unterstützungsmoment Cassist abzüglich des Ausgangswiderstand-Sollwerts Cresistant entspricht.
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Der Ausgangswiderstand-Cresistant wird so bestimmt, dass der Fahrer nach dem Kontakt mit dem mechanischen Anschlag ein präzises und intuitives Gefühl für das vorhersagbare Verhalten der Zahnstange besitzt.
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Der Eingangsviskositätskoeffizient b1 ist strikt höher als der Ausgangsviskositätskoeffizient b2.
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Auf diese Weise ermöglicht der Eingangsviskositätskoeffizient b1 mit einem hohen Wert, die Reduzierung der Geschwindigkeit der Zahnstange, um zu vermeiden, dass die Zahnstange 4 die Stoppschwelle mit zu hoher Geschwindigkeit erreicht, und der Ausgangsviskositätskoeffizient b2 mit einem niedrigen Wert ermöglicht es, ein übermäßiges Abbremsen der Zahnstange während der Ausgangsbewegung zu unterbinden.
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Außerdem gilt der Eingangsviskositätskoeffizient b1 vor dem Eingangssteifigkeitskoeffizienten k1.
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Darüber hinaus gilt der Ausgangsviskositätskoeffizient b2, wenn der Ausgangssteifigkeitskoeffizient k2 gilt.
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Durch künstliches Verhärten der Bewegung der Zahnstange 4 und/oder gleichermaßen der Drehung des Lenkrads 2, nur ab den virtuellen Endanschlagschwellen SG, SD, ist es möglich, die Lenkung wirksam vor Stößen zu schützen, ohne jedoch das Fahren zu behindern.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den beigefügten Figuren beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Modifikation sind, insbesondere im Hinblick auf die Beschaffenheit der verschiedenen Elemente oder durch Substitution mittels technischer Äquivalente weiterhin möglich, ohne jedoch vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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