DE19751137B4

DE19751137B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19751137B4
Application number: DE19751137A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hackl; Wolfgang Dr. Kraemer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-03-22
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: DE19751137A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkantriebsstrang, in dem wenigstens ein lenkbares Rad (15), ein Stellantrieb (13; 23) und ein
Überlagerungsgetriebe (12; 22) und das vom Fahrer des Fahrzeugs betätigbare Lenkrad (11; 21) sowie mechanisch ausgestaltete Umlenkmittel angeordnet sind, wobei die Umlenkmittel eine drehbare Antriebs- und Antriebswelle und eine Winkelausrichtung (β) zwischen Antriebs- und Antriebswelle aufweisen, und wobei durch das Überlagerungsgetriebe die durch das Lenkrad (11; 21) initiierte Lenkbewegung (δ_L) und die durch den Stellantrieb (13; 23) initiierte Bewegung (δ_M) zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades überlagert werden, mit folgenden Schritten:
– Bildung eines Steuersignal (δ_{M, soll, kard}) in Abhängigkeit von der Winkelausrichtung (β) und der Drehbewegung (α) der Antriebswelle, und
– Ansteuerung des Stellantriebs (13; 23) zur Initiierung der Bewegung (δ_M) abhängig von wenigstens dem erzeugten Steuersignal (δ_{M, soll, kard}).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug.

Ein solches Lenksystem ist aus der DE-OS 40 31 316 (entspricht der US 5,205,371 ) bekannt und soll, soweit es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung relevant ist, anhand der 1 und 2 erläutert werden. Bei einem solchen Lenksystem werden die vom Fahrer durch das Lenkrad 11 bzw. 21 aufgebrachten Lenkbewegungen, der durch den Sensor 28 erfaßte Lenkradwinkel δ_L, in dem Überlagerungsgetriebe 12 bzw. 22 mit den Bewegungen, dem Motorwinkel δ_M, des Stellantriebes 13 bzw. 23 überlagert. Die so entstandene überlagerte Bewegung δ_L' wird über das Lenkgetriebe 14 bzw. das Lenkgestänge 16 an die lenkbar ausgelegten Räder 15a und 15b zur Einstellung des Lenkwinkels δ_V weitergeleitet. Hierbei kann der Stellantrieb 13 bzw. 23 als Elektromotor ausgelegt sein. Das Funktionsprinzip eines solchen Servolenksystems besteht darin, daß die Lenkung durch die Übersetzung i_ü des Überlagerungsgetriebes 12 bzw. 22 sehr indirekt gemacht werden kann und damit geringe Lenkradmomente M_L erreicht werden können. Dadurch bedingte, sehr große Lenkradwinkel δ_L werden vermieden, indem geeignete Motorwinkel δ_M überlagert werden, so daß entsprechend dem Zusammenhang δL' = δL/iü + δM mit Lenkradwinkeln üblicher Größe erforderliche Ausgangswinkel δ_L' eingestellt werden können. Der zur Lenkunterstützung erforderliche Motorwinkel δ_M bzw. sein Sollwert wird aus dem Lenkradwinkel δ_L bestimmt. Darüber hinaus kann der Motorwinkel δ_M auch abhängig sein von Signalen Sm gewählt werden, wobei diese Signale Sm die durch die Sensoren 26 erfaßten Fahrzeugbewegungen repräsentieren.

In einer Lenkanlage werden üblicherweise ein oder zwei Kardangelenke vorgesehen, um die winkel- und längenversetzten Achsen von Lenkgetriebe und Lenkrad zu verbinden. Sofern nur ein Kardangelenk vorhanden ist (3), ergibt sich in bekannter weise bei einer gleichfömigen Antriebsdrehzahl ω₁ eine pulsierende Abtriebsdrehzahl ω₂ gemäß folgender Gleichung:

Dabei ist β der Beugewinkel des Gelenks und α der Drehwinkel der Antriebswelle.

Ebenso ist es bekannt, daß bei zwei Kardangelenken durch eine bekannte W- oder Z-förmige Anordnung die Drehungleichförmigkeit ω₂/ω₁ ausgeglichen werden, sofern die zwei Beugewinkel β₁ und β₂ gleich groß sind. Andere Anordnungen (4) führen ebenso wie ein einziges Kardangelenk zu einer ungleichförmigen Drehübertragung.

Für eine gute Lenkpräzision ist jedoch eine möglichst gleichförmige Übertragung der Lenkdrehbewegung gefordert; diese Forderung schränkt daher die konstruktiven Möglichkeiten ein. Durch Bauraummangel und anderweitige Anforderungen an die Aggregateanordnung im Motorraum des Fahrzeugs ist unter Umständen keine Lenkwellenausführung möglich, die eine gleichförmige Bewegungsübertragung zuläßt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine konstruktiv nicht vermeidbare Ungleichförmigkeit der Lenkdrehbewegung zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteile der Erfindung

Wie erwähnt betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkantriebsstrang, in dem wenigstens ein lenkbares Rad, ein Stellantrieb und ein Überlagerungsgetriebe und das vom Fahrer des Fahrzeugs betätigbare Lenkrad sowie mechanisch ausgestaltete Umlenkmittel angeordnet sind. Die Umlenkmittel weisen dabei eine drehbare Antriebs- und Abtriebswelle und eine bestimmte Winkelausrichtung zwischen Antriebs- und Antriebswelle auf. Das Überlagerungsgetriebe überlagert die durch das Lenkrad initiierte Lenkbewegung und die durch den Stellantrieb initiierte Bewegung zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades. Erfindungsgemäß wird nun ein Steuersignal in Abhängigkeit von der Winkelausrichtung und der Drehbewegung der Antriebswelle gebildet. Der Stellantrieb zur Initiierung der Bewegung wird dann abhängig von wenigstens dem erzeugten Steuersignal angesteuert.

Durch die erfindungsgemäße Überlagerung eines entsprechenden Zusatzwinkels wird die ggf. konstruktiv nicht vermeidbare Ungleichförmigkeit der Drehbewegung kompensiert. Die Erfindung bietet eine Konstruktionsvereinfachung und Bauraumvorteile im Motorraum, da freizügigere Anordnung der Gelenke der Lenksäule möglich sind. Weiterhin ergeben sich Kostenvorteile, da unter Umständen ein Kardangelenk entfallen kann. Ebenso ist durch die Erfindung auch eine gleichförmige Übertragung der Lenkbewegung bei verstimmter W-/Z-Anordnung (4) mehrerer, insbesondere zweier, Umlenkmittel möglich. Darüber hinaus bietet die Erfindung die Möglichkeit genauerer Messungen des tatsächlichen Radlenkwinkels, da der Lenkwinkelsensor vor den Umlenkmitteln (zwischen Lenkrad und Überlagerungsgetriebe) angeordnet sein kann, weil erfindungsgemäß der An- und Abtriebswinkel der Umlenkmittel gleich ist.

Die Umlenkmittel können dabei als Kardan- oder Kreuzgelenk ausgebildet sein.

Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, daß die Bildung des Steuersignals davon abhängig ist, ob die Umlenkmittel im Lenkantriebsstrang vor oder hinter dem Überlagerungsgetriebe angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zeichnungen
Die 1 und 2 zeigen schematisch das Lenksystem nach dem Stand der Technik, von dem die Erfindung im Ausführungsbeispiel ausgeht. Die 3 stellt ein Kardangelenk und die 4 eine Anordnung mit zwei Gelenke dar. Die 5 zeigt die Drehungleichförmigkeit (für ein einfaches Kardangelenk mit Beugewinkel β = 90°).
Ausführungsbeispiel
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt werden. Dabei wird beispielhaft von einer eingangs erwähnten Überlagerungslenkung ausgegangen.
Die 1 bzw. 2 zeigt mit den Bezugszeichen 11 bzw. 21 ein von dem Fahrer des Fahrzeugs betätigbares Lenkrad. Durch die Betätigung des Lenkrades 11 bzw. 21 wird dem Überlagerungsgetriebe 12 bzw. 22 der Lenkradwinkel δ_L bzw. das Lenkradmoment M_L zugeführt. Gleichzeitig wird dem Überlagerungsgetriebe 12 bzw. 22 der Motorwinkel δ_M des Stellantriebes 13 bzw. 23 zugeleitet, wobei der Stellantrieb als Elektromotor ausgebildet sein kann. Ausgangsseitig des Überlagerungsgetriebes 12 bzw. 22 wird die überlagerte Bewegung δ_L' dem Lenkgetriebe 14 bzw. 24 zugeführt, das wiederum über das Lenkgestänge 16 entsprechend dem Gesamtwinkel δ_L' die lenkbaren Räder 15a und 15b mit dem Lenkwinkel δ_V beaufschlagt. In der 2 sind weiterhin Sensoren 28 und 26 zu sehen, wobei der Sensor 28 den Lenkradwinkel δ_L detektiert und dem Steuergerät 26 zuführt, während mit dem Bezugszeichen 26 Sensoren gekennzeichnet sind, die die Bewegungen des Fahrzeugs 26 (bspw. Gierbewegungen, Querbeschleunigung, Fahrzeuggeschwindigkeit usw.) sensieren und dem Steuergerät 27 zuführen. Das Steuergerät 27 ermittelt, abhängig vom erfaßten Lenkradwinkel δ_L und ggf. abhängig von den Fahrzeugbewegungen einer Stellgröße u zur Ansteuerung des Stellantriebs 13 bzw. 23.
Beispielhaft wird das Verhalten eines einfachen Kardangelenks (3) mit einem Beugewinkel β = 20° dargestellt. Der Differenzwinkel und die Drehungleichförmigkeit zwischen Ab- und Antrieb ist in dem in der 5 gezeigten Diagramm nur über einer halben Umdrehung dargestellt, da sich der Verlauf alle 180° wiederholt. Erfindungsgemäß wird nun dem Lenkradwinkel δ_L mit dem aktiven Lenksystem ein Zusatzwinkel δ_M,
kard (Kompensationswinkel) überlagert, der den Differenzwinkel und die Drehungleichförmigkeit kompensiert. Der Stellantrieb 13 bzw. 23 wird dazu vom Steuergerät 27 mit dem entsprechenden Sollwert δ_{M, soll, kard} beaufschlagt. Daneben können zur Bildung des tatsächlich an das Stellglied weitergeleiteten Sollwertes δ_{M, soll} weitere Anteile (z.B. abhängig von dem Fahrzustand) berechnet und dem Anteil _{M,
soll, kard} überlagert werden.
Je nachdem wo bei dem aktiven Lenksystem der Zusatzwinkel eingeleitet wird, vor oder nach dem Kardangelenk, sind die Kompensationswinkel nach unterschiedlichen Algorithmen zu bestimmen.

Überlagerung vor dem Kardangelenk: δM, soll, kard = arctan(cosβ·tanα) – α
Überlagerung nach dem Kardangelenk: δM, soll, kard = arctan(tanα/cosβ) – α

Dabei ist β der Beugewinkel des Gelenks und α der Drehwinkel der Antriebswelle.
Der Kompensationswinkel δ_{M, soll, kard} kann durch eine analytische Berechnung ermittelt werden; es ist jedoch hinsichtlich der Steuergeräte-Programmierung sinnvoller, den Kompensationswinkel δ_{M, soll, kard} aus einer vorabberechneten Tabelle und durch Interpolation zwischen den Stützstellen zu berechnen. Hier genügt die Ablage der Stützstellen für a = 0 ... 45°, da sich dieser Kurvenverlauf in gespiegelter Form oder mit negativem Vorzeichen wiederholt. Außerdem wird damit die Problematik der Uneindeutigkeit der Arcustangensfunktion bei 90° gelöst.
Zusammenfassend können folgende Vorteile der Erfindung genannt werden:

– Konstruktionsvereinfachung und Bauraumvorteile im Motorraum, da freizügigere Anordnung der Gelenke der Lenksäule möglich.
– Kostenvorteil, da unter Umständen ein Kardangelenk entfallen kann.
– Gleichförmige Übertragung der Lenkbewegung bei verstimmter W-/Z-Anordnung (4).
– Genauere Messung des tatsächlichen Radlenkwinkels, da der Lenkwinkelsensor vor dem Kardangelenk (zwischen Lenkrad und Überlagerungsgetriebe) angeordnet sein kann, da der An- und Abtriebswinkel der Kardanwelle gleich ist.
– Ermittlung des Kompensationswinkels δ_{M, soll, kard} durch analytische Berechnung oder mittels vorabberechneter Tabelle.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkantriebsstrang, in dem wenigstens ein lenkbares Rad (15), ein Stellantrieb (13; 23) und ein Überlagerungsgetriebe (12; 22) und das vom Fahrer des Fahrzeugs betätigbare Lenkrad (11; 21) sowie mechanisch ausgestaltete Umlenkmittel angeordnet sind, wobei die Umlenkmittel eine drehbare Antriebs- und Antriebswelle und eine Winkelausrichtung (β) zwischen Antriebs- und Antriebswelle aufweisen, und wobei durch das Überlagerungsgetriebe die durch das Lenkrad (11; 21) initiierte Lenkbewegung (δ_L) und die durch den Stellantrieb (13; 23) initiierte Bewegung (δ_M) zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades überlagert werden, mit folgenden Schritten: – Bildung eines Steuersignal (δ_{M, soll, kard}) in Abhängigkeit von der Winkelausrichtung (β) und der Drehbewegung (α) der Antriebswelle, und – Ansteuerung des Stellantriebs (13; 23) zur Initiierung der Bewegung (δ_M) abhängig von wenigstens dem erzeugten Steuersignal (δ_{M, soll, kard}).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel als Kardan- oder Kreuzgelenk ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_{M, soll, kard}) davon abhängig ist, ob die Umlenkmittel im Lenkantriebsstrang vor oder hinter dem Überlagerungsgetriebe (12; 22) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_{M, soll, kard}) mittels einer analytischen Berechnung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_{M, soll, kard}) mittels einer vorgegebenen Tabelle, insbesondere durch Interpolationen zwischen den Tabellenwerten, oder mittels eines vorgegebenen Kennfeldes stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_{M, soll, kard}) in dem Fall, in dem die Umlenkmittel im Lenkantriebsstrang zwischen dem Lenkrad und dem Überlagerungsgetriebe (12; 22) angeordnet sind, gemäß der Beziehung δM, soll, kard = arctan(tanα/cosβ) – αgeschieht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_M, soll, kard) in dem Fall, in dem die Umlenkmittel im Lenkantriebsstrang zwischen dem Überlagerungsgetriebe (12; 22) und den Rädern angeordnet sind, gemäß der Beziehung δM, soll, kard = arctan(cosβ·tanα) – αgeschieht.
Vorrichtung zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkantriebsstrang, in dem wenigstens ein lenkbares Rad (15), ein Stellantrieb (13; 23) und ein Überlagerungsgetriebe (12; 22) und das vom Fahrer des Fahrzeugs betätigbare Lenkrad (11; 21) sowie mechanisch ausgestaltete Umlenkmittel angeordnet sind, wobei die Umlenkmittel eine drehbare Antriebs- und Abtriebswelle und eine Winkelausrichtung (β) zwischen Antriebs- und Abtriebswelle aufweisen, und wobei durch das Überlagerungsgetriebe die durch das Lenkrad (11; 21) initiierte Lenkbewegung (δ_L) und die durch den Stellantrieb (13; 23) initiierte Bewegung (δ_M) zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades überlagert werden, mit Mitteln, mittels der – ein Steuersignal (δ_{M, soll, kard}) in Abhängigkeit von der Winkelausrichtung (β) und der Drehbewegung (α) der Antriebswelle gebildet wird, und – der Stellantrieb (13; 23) zur Initiierung der Bewegung (δ_M) abhängig von wenigstens dem erzeugten Steuersignal (δ_{M, soll, kard}) angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel als Kardan- oder Kreuzgelenk ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Steuersignals (δ_{M, soll, kard}) davon abhängig ist, ob die Umlenkmittel im Lenkantriebsstrang vor oder hinter dem Überlagerungsgetriebe (12; 22) angeordnet sind.