DE19649166A1 - Elektrisches Servolenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenksystem unter Verwendung eines elektrischen Stellglieds zur Ausgabe eines Hilfslenkdrehmoments, das die vom Fahrer aufzubringende, zum Lenken des Fahrzeugs erforderliche Kraft reduziert, und ins­ besondere ein elektrisches Servolenksystem, in dem ein Mittel zum Schätzen des Reibkoeffizienten zwischen der Straßenober­ fläche und dem Rad enthalten ist.

Elektrische Servolenksysteme werden in zunehmendem Maße für relativ kompakt gestaltete Kraftfahrzeuge nicht nur wegen ihrer Kompaktheit vorgezogen, sondern auch, weil sie mehr Gestaltungsmöglichkeit und mehr Freiheit bei der Steuerung bieten. Fig. 12 zeigt ein typisches herkömmliches elektri­ sches Servolenksystem. Es umfaßt eine Lenkwelle 2, die inte­ gral an einem Lenkrad 1 angebracht ist, sowie ein Ritzel 4 eines Zahnstangenritzelmechanismus, wobei das Ritzel mit dem Unterende der Lenkwelle 2 über eine Verbindungswelle 3 ver­ bunden ist, die an jedem ihrer Achsenden ein Universalgelenk 3a bzw. 3b aufweist. Der Zahnstangenritzelmechanismus umfaßt ferner eine Zahnstange 8, die sich quer zur Fahrzeugkarosse­ rie bewegen kann und mit dem Ritzel 4 in Eingriff steht. Die beiden Enden der Zahnstange 8 sind jeweils über Spurstangen 5 mit Achsschenkeln 7 der rechten und linken Vorderräder 6 ver­ bunden.

Das Lenksystem umfaßt ferner einen Elektromotor Ia, der be­ züglich der Zahnstange 8 koaxial angeordnet ist, einen Kugel­ muttermechanismus 10a zum Wandeln des Drehmoments des Elek­ tromotors 10 in eine Betätigungskraft der Zahnstange 8, einen Handlenkdrehmomentsensor 11 zum Erfassen des an das Lenkrad 1 angelegten Handdrehmoments Ts, einen Lenkwinkelsensor 12, der die Winkelstellung der Lenkwelle 2 oder einen Lenkwinkel θs erfaßt, sowie eine Hilfsdrehmoment-Steuereinheit 13 zur Steuerung des Ausgangs des Elektromotors 10 nach Maßgabe der erfaßten Werte von Ts und θs.

Gemäß Fig. 13 umfaßt die Hilfsdrehmomentsteuereinheit 13 eine Soll-Hilfsdrehmoment-Generatoreinheit 14, die ein Hilfsdreh­ moment T0 bestimmt, das der Elektromotor 10 erzeugen soll, sowie eine Motortreibereinheit 15, die den Elektromotor 10 nach Maßgabe dieses Soll-Hilfsdrehmoments T0 steuert bzw. regelt.

Wenn ein Fahrzeug mit einem solchen herkömmlichen Servolenk­ system über eine glatte (low-µ) Straße fährt, beispielsweise eine verschneite oder überfrorene Straße, besteht die Nei­ gung, daß das Hilfsdrehmoment zu groß wird, weil die Lenkre­ aktion von der Straßenoberfläche stark abnimmt. Dabei ist die zum Drehen des Lenkrads erforderliche Kraft so gering, daß der Fahrzeugfahrer aufpassen muß, daß er das Fahrzeug nicht übermäßig lenkt. Dies ist bekanntermaßen für den Fahrzeugfah­ rer sehr anstrengend.

Um die Probleme zu vermeiden, die wegen der Tendenz zum über­ mäßigen Lenken des Fahrzeugs auf einer low-µ-Straßenf1äche entstehen, könnte man daran denken, die Stärke des Hilfsdreh­ moments nach Maßgabe des Reibkoeffizienten der Straßenober­ fläche zu steuern. Um dieses Ziel zu erreichen, wird jedoch ein separater Sensor zum Erfassen des Reibkoeffizienten zwi­ schen der Straßenoberfläche und den Reifen erforderlich. Nach einem bekannten Verfahren zum Erfassen des Straßenreibkoeffi­ zienten wird der Reibkoeffizient aus einer Differenz zwischen den Drehzahlen der Vorder- und Hinterräder berechnet. Jedoch erfordert dieses Verfahren Drehzahlsensoren für sowohl die Vorder- als auch Hinterräder und wird somit kompliziert und teuer. Ferner kann der Reibkoeffizient der Straßenoberfläche nur erfaßt werden, wenn eines der Räder bei Reschleunigung oder Verzögerung schlupft.

Es wird auf eine anhängige US-Patentanmeldung verwiesen, die am 28. August 1996 eingereicht wurde und auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-245408 vom 29. August 1995 beruht. Sie offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Servolenksystems nach Maßgabe eines geschätzten Straßenreib­ koeffizienten, und es wird hierin auf die Offenbarung dieser anhängigen Patentanmeldung verwiesen.

Im Hinblick auf die Probleme herkömmlicher Technik ist es Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein System anzugeben, das die Schätzung des Zustands der Straßenoberfläche erlaubt, wenn das Fahrzeug in normaler Weise gelenkt wird.

Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, ein System anzugeben, das die Schätzung des Zustands der Straßenoberfläche bei ei­ ner einfachen Anordnung mit relativ hoher Präzision gestat­ tet.

Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein elek­ trisches Servosystem anzugeben, das sich selbst an den Zu­ stand der Straßenoberfläche anpassen kann, ohne daß irgend­ eine teure externe Anordnung erforderlich ist.

Erfindungsgemäß werden diese und andere Ziele durch ein elek­ trisches Servolenksystem für ein Fahrzeug erreicht, welches umfaßt ein Lenksystem mit einem Lenkrad und einem Lenkmecha­ nismus zur Übertragung eines an das Lenkrad angelegten Lenk­ drehmoments zu lenkbaren Rädern; einen Lenkdrehmomentsensor zum Erfassen des an das Lenkrad angelegten Handlenkdrehmo­ ments; ein elektrisches Stellglied zum Anlegen eines Hilfs­ lenkdrehmoments an den Lenkmechanismus;ein Stromerfassungs­ mittel zum Erfassen eines dem elektrischen Stellglied zuzu­ führenden elektrischen Stroms; ein Steuer/Regelmittel zum Steuern/Regeln einer Ausgabe des elektrischen Stellglieds nach Maßgabe von Signalen des Lenkdrehmomentsensors und des Stromerfassungsmittels; ein Spannungserfassungsmittel zum Erfassen einer an das elektrische Stellglied angelegten elek­ trischen Spannung; und ein Straßenflächenreaktions-Schätz­ mittel zum Schätzen einer auf den Lenkmechanismus wirkenden Straßenflächenreaktion nach Maßgabe von Signalen aus dem Spannungserfassungsmittel, dem Lenkdrehmomentsensor und dem Stromerfassungsmittel.

Weil die Reaktion von der Straßenoberfläche nützliche Daten zum Schätzen des Zustands der Straßenoberfläche ergibt, las­ sen sich verschiedene Steuersysteme optimal zu steuern, und zwar in Abhängigkeit vom Zustand der Straßenoberfläche unter Verwendung dieser Daten. Insbesondere läßt sich ein Reibkoef­ fizient zwischen einer Straßenoberfläche und einem Reifen des Fahrzeugs nach Maßgabe eines Lenkwinkels und der Reaktion von der Straßenoberfläche schätzen. Beispielsweise läßt sich der Straßenreibkoeffizient abschätzen, indem man die geschätzte Straßenflächenreaktion mit einer Bezugsstraßenflächenreaktion vergleicht, die aus einem Satz von Standardbedingungen be­ rechnet wird.

Wenn bestimmt wird, daß die Straßenflächenreaktion oder der Straßenreibkoeffizient klein ist, ist es vorteilhaft, ein Hilfslenkdrehmoment, das das elektrische Servolenksystem nor­ malerweise bereitstellt, zu verkleinern. Hierdurch wird ver­ hindert, daß der Fahrzeugfahrer das Fahrzeug auf einer low-µ- Straßenfläche übermäßig lenkt.

Alternativ kann man einen maximalen Lenkwinkel, der ohne je­ den übermäßigen Seitenschlupfwinkel erzielt werden kann, nach Maßgabe des geschätzten Straßenreibkoeffizienten schätzen, und wenn der Lenkwinkelsensor einen Lenkwinkel erfaßt, der größer als der maximale Lenkwinkel ist, kann man einen Wider­ stand gegen eine Handkraft zur Drehung des Lenkrads unter Verwendung geeigneter Dämpfmittel erhöhen. Hierdurch wird wiederum verhindert, daß der Fahrzeugfahrer das Fahrzeug auf einer low-µ-Straßenfläche übermäßig lenkt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbei­ spielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Kurvenseitenkraft Cp und dem Reibkoeffizienten µ der Straße;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm zur Berechnung einer Bezugs-Straßenflächenreaktion;

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θs und der Straßenflächen-Reaktionskraft Fr;

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Zunahmen der momentanen und Bezugs-Straßenflächen- Reaktionskräfte und dem Straßenreibkoeffizienten µ;

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θs und der Straßenflächen-Reaktionskraft Fr;

Fig. 6 zeigt den Glättungseffekt der geschätzten Straßen­ flächen-Reaktionskraft durch Integration;

Fig. 7 zeigt im Blockdiagramm eine erste Ausführung des elektrischen Servolenksystems;

Fig. 8 zeigt im Blockdiagramm eine zweite Ausführung des elektrischen Servolenksystems;

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem seitlichen Schlupfwinkel und der Seitenkraft;

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Schlupfverhältnis und dem Straßenreibkoeffizienten µ;

Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem maximalen Reibko­ effizienten µmax der Straßenoberfläche und dem ma­ ximalen Seitenschlupfwinkel βmax;

Fig. 12 zeigt in Perspektive ein herkömmliches elektrisches Servolenksystem, bei dem die Erfindung anwendbar ist; und

Fig. 13 ist ein Blockdiagramm der Steuereinheit von Fig. 12.

Das Kurvenfahrverhalten oder die Kurvenseitenkraft Cp eines Reifens läßt sich nach FIALA′s Gleichung (Annäherung zweiten Grades) wie folgt berechnen:

Cp = K(1-0,01666K/µL).

Hierbei ist K die Kurvenfahrsteifigkeit, µ der Reibkoeffi­ zient zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche und L die Vertikalbelastung des Rads. Anders gesagt, die Kurvenseiten­ kraft Cp des Reifens nimmt auf einer low-µ-(glatten)-Straßen­ fläche ab, wie in Fig. 1 gezeigt.

In ähnlicher Weise nimmt die Zahnstangenreaktion von der Straßenoberfläche für einen gegebenen Lenkwinkel ab. Durch Vergleich der momentanen Zahnstangenreaktion bei einem gege­ benen Lenkwinkel mit einer Bezugszahnstangenreaktion, die auf einer Standard-Bezugsstraßenfläche zu erwarten ist und die sich nach Maßgabe jedes gegebenen Lenkwinkels und des Reibko­ effizienten berechnen läßt, ist es hierdurch möglich, den Reibkoeffizienten zwischen dem Reifen und der Straßenober­ fläche zu berechnen.

Das Verfahren zum Schätzen der momentanen Zahnstangenreaktion Frc ist im folgenden beschrieben. Das Ausgangswellendrehmo­ ment Tm des Elektromotors 10 zum Erzeugen des Hilfsdrehmo­ ments Tm erhält man durch folgende Gleichung.
Tm = Kt·Im - Jm·θm′′ - Cm·θm′ ± Tf

Hierbei ist Kt die Drehmomentkonstante des Elektromotors, Im der elektrische Strom des Motors, Jm das Trägheitsmoment des drehenden Teils des Elektromotors, θm′ die Winkelgeschwindig­ keit des Motors, θm′′ die Winkelbeschleunigung des Motors, Cm der Dämpfeffekt des Motors und Tf das Reibdrehmoment.

Die Größen, die der Dämpfung, Trägheit und der Reibung der Lenkwelle entsprechen, sowie die Reibgröße des Motors lassen sich vernachlässigen, sofern sie ausreichend klein sind. Dann läßt sich das statische Gleichgewicht der auf die Zahnstange 8 wirkenden Kräfte durch folgende Gleichung annähern:

Fr = Fs + Fm = Ts/rp + N(Kt·Im - Jm·θm′′ - Cm·θm′)

Hierbei ist Fr die Zahnstangenreaktion von der Straßenober­ fläche, Fs die durch das Ritzel 4 auf die Zahnstange 8 ausge­ übte Last, Fm die von dem Motor 10 an die Zahnstange 8 ange­ legte Last, Ts das an die Lenkwelle 2 angelegte Handlenkdreh­ moment, rp ist der wirksame Radius des Ritzels 4 und N das Ausgangsübersetzungsverhältnis des Elektromotors 10.

Die Winkelgeschwindigkeit des Motors θm′ erhält man entweder durch Differenzieren des Lenkwinkels θs oder aus der elektro­ motorischen Kraft des Motors nach folgender Gleichung:

θm′ = (Vm - Im·Rm)/Km

Hierbei ist Vm die Spannung des Elektromotors, Rm der elek­ trische Widerstand des Motors und Km die induzierte Span­ nungskonstante des Motors.

Die Winkelgeschwindigkeit des Motors θm′ ist nicht genau gleich der Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels θs′ und läßt sich genauer nach folgender Gleichung erhalten:

θm′ = θs′ - Ts′/Ks

Hierbei ist Ks die Federkonstante des Lenkdrehmomentsensors 11 und Ts′ die Ableitung nach der Zeit. Die Winkelbeschleuni­ gung des Motors θm′′ läßt sich durch Differenzieren der Win­ kelgeschwindigkeit des Motors θm′ nach der Zeit erhalten. Hierdurch läßt sich die momentane Zahnstangenreaktion Frc oder die Lenk-Straßenflächenreaktion aus dem Lenkdrehmoment Ts, der Spannung des Motors Vm und dem elektrischen Strom des Motors Im schätzen.

Ein internes Modell zur Bestimmung der momentanen Zahnstan­ genreaktion Frc ist wie folgt definiert: Gemäß Fig. 2 wird der am Lenkrad 1 anliegende Lenkwinkel θs mit einem dem Rit­ zel 4 zugeordneten Übersetzungsverhältnis N in den Hub der Zahnstange 8 gewandelt, und am Vorderrad entsteht ein ent­ sprechender Seitenschlupfwinkel ϕs. Die Übertragungsfunktion Gβ(s) des Vorderradschlupfwinkels ϕs bezüglich des Hubs der Zahnstange 8 ändert sich mit den Änderungen eines Stabili­ tätsfaktors, der sich aus dem Straßenreibkoeffizienten µ be­ stimmen läßt.

Durch Multiplikation der Kurvenseitenkraft Cp und des Nach­ laufs ζ (der Summe des Radnachlaufs und des Reifennachlaufs) zu dem Vorderradschlupfwinkel ϕs läßt sich das Moment um den Achsschenkelbolzen herum errechnen. Die Kurvenseitenkraft Cp und der Reifennachlauf ändern sich in Abhängigkeit von dem Straßenreibkoeffizienten µ und der Vertikalbelastung L des Reifens. Durch Teilen des Moments um den Achsschenkelbolzen durch die Achsschenkelhebellänge rk oder den Abstand zwischen der Rotationsmitte des Reifens und der zentralen Axiallinie der Zahnstange 8 läßt sich die Bezugsmodell-Zahnstangenre­ aktion Frm errechnen.

Es versteht sich, daß die Antwort der Modellzahnstangenre­ aktion auf den Lenkwinkel θs sich durch eine einzelne Über­ tragungsfunktion Gf(s) ausdrücken läßt, die sich entweder theoretisch definieren läßt oder aus Messungen tatsächlicher Fahrzeuge identifizieren läßt.

Das Folgende beschreibt den erfindungsgemäßen Prozeß zur Be­ stimmung des Straßenreibkoeffizienten µ.

Die Zunahme der momentanen Zahnstangenreaktion Frc und der Bezugszahnstangenreaktion Frm für eine gegebene Zunahme des Lenkwinkels θs erhält man gemäß Darstellung in Fig. 3. Unter der Annahme, daß der Lenkwinkel in einem Bereich liegt, in dem die Fahrzeugreaktion als linear zu betrachten ist, wird der Straßenreibkoeffizient µ aus dem Verhältnis ΔFrc/EFrm der Zunahme der momentanen Zahnstangenreaktion ΔFrc/Δθs zur Zu­ nahme der Bezugszahnstangenreaktion ΔFrm/Δθs geschätzt, indem man eine vorbestimmte Straßenreibkoeffizienten-Ablesetabelle abliest, wie sie etwa in Fig. 4 gezeigt ist.

Es ist auch möglich, den Straßenreibkoeffizienten µ nach Maß­ gabe des Verhältnisses Frcc/Frmc der momentanen Zahnstangen­ reaktion Frcc zur Bezugszahnstangenreaktion ΔFrmc bei jedem gegenwärtigen Lenkwinkel θsc zu schätzen.

Manchmal lassen sich beim Schätzen der momentanen Zahnstan­ genreaktion Frc durch Erschütterung, Schneeansammlungen auf der Straßenoberfläche und aus anderen Gründen keine stabilen Daten erhalten. Indem man den integrierten Wert des Absolut­ werts der momentanen Zahnstangenreaktion mit jenem der Be­ zugszahnstangenreaktion unter der Bedingung vergleicht, daß der Lenkwinkel in einem vorbestimmten Bereich liegt, lassen sich stabile Daten erhalten, und der Schätzprozeß läßt sich stabilisieren, wie etwa in Fig. 6 gezeigt.

Fig. 7 zeigt in einem Beispiel die Verwendung eines ge­ schätzten Straßenreibkoeffizienten zur Hilfsdrehmomentsteue­ rung eines elektrischen Servolenksystems. Im Zustand der Zu­ fuhr eines Signals zu der Motorantriebseinheit 15 des elek­ trischen Servolenksystems, das über den Gesamtbereich von Fahrzeuggeschwindigkeit auf die Fahrzeuggeschwindigkeit rea­ gieren kann, wird in diesem Beispiel ein durch eine Ergän­ zungsreaktions-Bestimmungseinheit 22 erhaltener Ergänzungs­ drehmomentbefehl Tc von dem von der Hilfsdrehmoment-Bestim­ mungseinheit 21 erhaltenen Hilfsdrehmomentbefehl Ta subtra­ hiert, und die Antriebssteuerung des Elektromotors 10 läßt sich nach Maßgabe des Ergebnisses dieses arithmetischen Pro­ zesses durchführen.

Die Ergänzungsdrehmoment-Bestimmungseinheit 22 umfaßt ein Reaktionsdrehmoment-Basiskennfeld 23, ein Straßenflächen-Ver­ satzkennfeld 25 zur Bestimmung des minimalen Lenkwinkels zur Durchführung der Reaktionssteuerung aufgrund des Ausgangs µ aus der Straßenreibkoeffizienten-Schätzeinheit 24 sowie ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Versatzkennfeld 26 zur Änderung des minimalen Lenkwinkels zur Reaktionssteuerung nach Maßgabe der von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 16 erfaßten Fahrgeschwin­ digkeit Vc. Wenn der Lenkwinkel kleiner als der minimale Lenkwinkel zur Durchführung der Reaktionssteuerung ist, wird keine Steuerung durchgeführt.

Zuerst wird für einen gegebenen Lenkwinkel θs der minimale Lenkwinkel für die Reaktionssteuerung nach Maßgabe des ge­ schätzten Reibkoeffizienten µ der Straßenoberfläche bestimmt, indem ein aus dem Straßenflächen-Versatzkennfeld 25 abgelese­ ner Wert von dem minimalen Lenkwinkel zur Reaktionssteuerung subtrahiert wird. Entsprechend dem somit modifizierten Lenk­ winkel erhält man das Basisdrehmoment für die Ergänzungsreak­ tion durch Ablesen des Reaktionsdrehmoment-Basiskennfelds 23. Der letztendliche Ergänzungsdrehmomentbefehl Tc wird bestimmt durch weiteres Modifizieren des Lenkwinkels nach Maßgabe der Fahrzeuggeschwindigkeit Vc durch Ablesen des Fahrzeug­ geschwindigkeits-Versatzkennfelds 26.

Der somit bestimmte Ergänzungsdrehmomentbefehl Tc wird von dem normalen Hilfsdrehmomentbefehl Ta des Servolenksystems subtrahiert, das einfach aus dem vom Lenkdrehmomentsensor 11 erhaltenen Handlenkdrehmoments Ts und der vom Fahrgeschwin­ digkeitssensor 16 erhaltenen Fahrzeuggeschwindigkeit Vc be­ stimmt ist, und der Elektromotor 10 wird durch den somit er­ haltenen Steuersollbefehl gesteuert. Im Ergebnis wird das Lenkhilfsdrehmoment derart optimiert, daß der Fahrzeugfahrer jegliche extremen Bedingungen bemerkt, die in Abhängigkeit vom Straßenzustand auftreten können, indem das zum Drehen des Lenkrads erforderliche Lenkdrehmoment erhöht wird. Hierdurch wird verhindert, daß der Fahrzeugfahrer entgegen seiner Ab­ sicht das Fahrzeug übermäßig lenkt.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, in der der maximale Straßenreibkoeffizient µmax einer Bestimmungs­ einheit 31 maximal zulässigen Lenkwinkels zugeführt wird. Die Bestimmungseinheit 31 maximal zulässigen Lenkwinkels enthält eine Tabelle 32 (Fig. 11). Diese Tabelle 32 zeigt die Bezie­ hung zwischen dem maximalen Straßenreibkoeffizienten µmax und dem entsprechenden maximalen Seitenschlupfwinkel βmax (Fig. 11) durch Kombination der Beziehung zwischen der maximalen Seitenkraft Sfmax, die das Rad auf einer Standardstraßenflä­ che mit einem Standardreibkoeffizienten µ erzeugen kann, und dem maximalen Seitenschlupfwinkel βmax (Fig. 9)′ und die Beziehung zwischen dem maximalen Straßenreibkoeffizienten µmax, der während Bremsung/Beschleunigung auf der Standard­ straßenfläche erzeugt wird, und dem Schlupfverhältnis S (Fig. 10). Durch Einsetzen des maximalen Straßenreibkoeffizienten µmax in die Tabelle 32 läßt sich der maximale Seitenschlupf­ winkel βmax erhalten. Indem im Multiplizierer 33 der maximale Seitenschlupfwinkel βmax mit einem geeigneten Koeffizienten k multipliziert wird, läßt sich der maximale Lenkwinkel θmax erhalten, der sich auf der momentanen Straßenfläche erzielen läßt.

Die Lenkreaktion Tc wird dann von der Lenkreaktions-Bestim­ mungseinheit 34 nach Maßgabe dieses maximalen Lenkwinkels θmax und des von dem Lenkdrehmomentsensor 11 erfaßten Hand­ lenkdrehmoments Ts bestimmt und der Ausgangssollgrößen-Gene­ ratoreinheit 35 zugeführt. Die Lenkreaktions-Bestimmungsein­ heit 34 enthält eine Versatzbestimmungseinheit 36, die nach Maßgabe des von der Bestimmungseinheit 31 maximal zulässigen Lenkwinkels erzeugten maximalen Lenkwinkels θmax einen Ver­ satz Tos erzeugt, der für die erforderliche Lenkreaktion ge­ eignet ist. Die Lenkreaktion Tc erhält man letztendlich durch Subtraktion des Versatzes Tos von dem Ausgangssignal Ts des Lenkdrehmomentsensors 11 in einem Subtrahierer 37.

In der Ausgangssollsignal-Generatoreinheit 35 wird der Aus­ gang Tc der Lenkreaktionsbestimmungseinheit 34 einem An­ triebssignal-Sollwertkennfeld 38 zugeführt, um einen An­ triebssignal-Sollwert It zu erhalten. Der Ausgang θmax der Bestimmungseinheit 31 maximal zulässigen Lenkwinkels und der Ausgang θs des Lenkwinkelsensors 12 werden einer Abweichungs- Berechnungseinheit 39 zugeführt, und die hierin erhaltene Abweichung Δθ wird dem Korrekturkoeffizienten-Ablesekennfeld 40 zugeführt. Dieses Kennfeld erzeugt einen Dämpfkoeffizien­ ten Kr zur Reduktion des Hilfslenkdrehmoments um einen Be­ trag, der zur erforderlichen Lenkreaktion paßt, wenn der von dem Lenkwinkelsensor 12 erfaßte Lenkwinkel θs den Ausgang θmax der Bestimmungseinheit 31 maximal zulässigen Lenkwinkels überschreitet. Der somit erhaltene Antriebssignal-Sollwert It wird in einem Multiplizierer 41 mit dem Dämpfkoeffizienten Kr multipliziert, um einen Ausgangssollwert T0 zu erzeugen. Da­ her fühlt der Fahrzeugfahrer beim Drehen des Lenkrads einen Widerstand und wird davor gewarnt, das Lenkrad übermäßig zu drehen.

Der Ausgangssollwert T0 für den Elektromotor 10 wird nach Maßgabe des von dem Lenkdrehmomentsensor 11 erhaltenen Hand­ lenkdrehmoments Ts, des von dem Lenkwinkelsensor 12 erhalte­ nen momentanen Lenkwinkels θs und des aus dem maximalen Stra­ ßenreibkoeffizienten µmax bestimmten maximal zulässigen Lenk­ winkels θmax bestimmt. Daher wird der Ausgang des Elektro­ motors optimal gesteuert, indem der Straßenreibkoeffizient sowie der Betrag des momentanen Lenkwinkels θs bezüglich des maximal zulässigen Lenkwinkels θmax berücksichtigt wird.

Zusätzlich zu Lenkreaktions-Steuer/Regelsystemen für ein Ser­ volenksystem läßt sich der geschätzte Reibkoeffizient bei Traktionssteuer/Regelsystemen verwenden, bei Antiblockier­ bremssystemen, Bremsdrucksteuer/Regelsystemen für Fahrzeug­ bremsen sowie Hinterradlenksteuersystemen für vierradgelenkte Fahrzeuge. Die Erfindung ermöglicht somit die Schätzung der Straßenflächenreaktion und des Straßenreibkoeffizienten aus Daten, die sich während einem normalen Lenkvorgang erhalten lassen, indem Funktionen verwendet werden, die normalerweise in dem elektrischen Servolenksystem vorgesehen sind. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine optimale Lenkunter­ stützung bei jedem besonderen Straßenflächenzustand. Die Er­ findung kann die vom Fahrer aufzubringende Kraft zum Lenken des Fahrzeugs unter allen Bedingungen wesentlich reduzieren.

In einem elektrischen Servolenksystem wird eine an einen Lenkmechanismus angelegte Straßenflächenreaktionskraft aus einer Spannung und einem elektrischen Strom, die an ein elek­ trisches Stellglied angelegt werden, und einem Lenkdrehmoment geschätzt. Weil diese Straßenflächenreaktionskraft Daten er­ gibt, die zum Schätzen des Zustands der Straßenoberfläche verwendbar sind, lassen sich in Abhängigkeit vom Zustand der Straßenoberfläche verschiedene Steuer/Regelsysteme optimal steuern/regeln. Insbesondere läßt sich ein Reibkoeffizient zwischen einer Straßenoberfläche und einem Reifen des Fahr­ zeugs nach Maßgabe eines Lenkwinkels und der Straßenoberflä­ chenreaktion schätzen, beispielsweise durch Vergleich der geschätzten Straßenflächenreaktion mit einer Bezugsstraßen­ flächenreaktion, die aus einem Satz von Standardbedingungen berechnet ist. Somit lassen sich die Straßenflächenreaktion und der Straßenreibkoeffizient während eines normalen Lenk­ vorgangs unter Verwendung von Funktionen erhalten, die norma­ lerweise in dem elektrischen Servolenksystem vorgesehen sind. Durch Kenntnis des momentanen Straßenflächenzustands kann man entsprechend jedem besonderen Straßenflächenzustand eine op­ timale Hilfslenkwirkung erzeugen. Ferner kann man die vom Fahrzeugfahrer aufzubringende Kraft zum Lenken des Fahrzeugs unter allen Bedingungen wesentlich reduzieren.

Claims (5)

1. Elektrisches Servolenksystem für ein Fahrzeug, umfas­ send:
ein Lenksystem mit einem Lenkrad (1) und einem Lenkme­ chanismus (4, 8, 5) zur Übertragung eines an das Lenkrad (1) angelegten Lenkdrehmoments zu lenkbaren Rädern (6);
einen Lenkdrehmomentsensor (11) zum Erfassen des an das Lenkrad (1) angelegten Handlenkdrehmoments (Ts);
ein elektrisches Stellglied (10) zum Anlegen eines Hilfslenkdrehmoments an den Lenkmechanismus (4, 8, 5);
ein Stromerfassungsmittel zum Erfassen eines dem elek­ trischen Stellglied (10) zuzuführenden elektrischen Stroms;
ein Steuer/Regelmittel zum Steuern/Regeln einer Ausgabe des elektrischen Stellglieds (10) nach Maßgabe von Si­ gnalen des Lenkdrehmomentsensors (11) und des Stromer­ fassungsmittels;
ein Spannungserfassungsmittel zum Erfassen einer an das elektrische Stellglied (10) angelegten elektrischen Spannung; und
ein Straßenflächenreaktions-Schätzmittel zum Schätzen einer auf den Lenkmechanismus wirkenden Straßenflächen­ reaktion nach Maßgabe von Signalen aus dem Spannungs­ erfassungsmittel, dem Lenkdrehmomentsensor (11) und dem Stromerfassungsmittel.

2. Elektrisches Servolenksystem nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen Lenkwinkelsensor (12) zum Erfassen eines Lenkwinkels (θs) des Lenkmechanismus und durch ein Straßenreibkoeffizienten-Schätzmittel (24) zum Schätzen eines Reibkoeffizienten (µ) zwischen einer Straßenober­ fläche und einem Reifen des Fahrzeugs nach Maßgabe von Signalen aus dem Lenkwinkelsensor (12) und dem Straßen­ flächen-Reaktionsschätzmittel.

Elektrisches Servolenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Straßenreibkoeffizient (µ) durch Vergleich der geschätzten Straßenflächenreaktion mit einer aus einem Satz von Standardbedingungen berechneten Bezugsstraßenflächenreaktion geschätzt wird.

4. Elektrisches Servolenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel derart ausgelegt ist, daß es das Hilfslenkdrehmoment reduziert, wenn der von dem Straßenreibkoeffizienten-Schätzmittel geschätzte Straßenreibkoeffizient (µ) unter einem Standardbezugs­ wert liegt.

5. Elektrisches Servolenksystem nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch eine Bestimmungseinheit maximalen Lenkwinkels (34) zum Berechnen eines maximalen Lenkwin­ kels (θmax), der ohne Erzeugung eines übermäßigen Sei­ tenschlupfwinkels erzielt werden kann, nach Maßgabe des geschätzten Straßenreibkoeffizienten, und durch ein Dämpfmittel zum Erhöhen eines Widerstands gegen eine Handkraft zum Drehen des Lenkrads (1), wenn der Lenkwin­ kelsensor (12) einen Lenkwinkel (θs) erfaßt, der größer als der maximale Lenkwinkel (θmax) ist.