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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkeinrichtung
für ein
Kraftfahrzeug.
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Genauer
gesagt betrifft sie eine Servolenkeinrichtung der Art, wie sie in
dem Dokument
FR 2837161 offenbartwird,
das heißt
umfassend:
einen Elektromotor, dessen Abtriebswelle dazu bestimmt
ist, mit der Lenkwelle des Fahrzeugs verbunden zu werden, so dass
sie den Lenkeinschlag des Lenkrads unterstützt, indem sie auf die Lenkwelle
ein Hilfsmoment ausübt,
wobei eine resultierende Lenkeinschlagskraft mittels eines Ausrichtungsmechanismus
auf gelenkte Räder übertragen
wird,
einen ersten Sensor, der einen ersten Betriebsparameter
des Fahrzeugs misst, der für
das auf die Lenkwelle wirkende Lenkradmoment bezeichnend ist,
einen
zweiten Sensor, der einen zweiten Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter
des Fahrzeugs misst, und
ein Rechenwerk, das wenigstens einen
ersten und einen zweiten Eingang aufweist, die mit dem ersten beziehungsweise
mit dem zweiten Sensor verbunden sind, und das einen Ausgang aufweist,
der mit dem Elektromotor verbunden ist und an diesen ein Sollwertsignal
des Hilfsmoments liefert, das für
einen Wert steht, der berechnet wird, indem man auf die Eingangswerte
vorgespeicherte Vorgabefunktionen anwendet.
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Aus
dem Stand der Technik kennt man solche Servolenkeinrichtungen, die
einen Regelkreis umfassen, dessen Regelgröße von dem Lenkradmoment gebildet
wird. Die in dem Rechenwerk vorgespeicherten Vorgabefunktionen dienen
dem Berechnen des Sollwerts des Moments in Abhängigkeit von den Eingangsparameterwerten,
unter anderem das gefilterte beziehungsweise ungefilterte Lenkradmoment.
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Man
hat festgestellt, dass man bei den bekannten Servolenkeinrichtungen
trotz sorgfältigster Ausarbeitung
der Vorgabefunktionen keinen zufriedenstellenden Einfluss auf die "Rückinformationen" der Fahrbahn und
die "von der Lenkung
hochkommenden Störfrequenzen" nehmen konnte.
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Unter "Rückinformationen" versteht man die häufigen straßenbedingten
Belastungen, die über
die Räder
und die Lenksäule
an den Fahrer übertragen werden,
und die es dem Fahrer erlauben, eine Verschlechterung der Straßenhaftung
oder Straßenschäden wahrzunehmen
und seine Fahrweise entsprechend anzupassen. Man schätzt die
Frequenzen dieser Belastungen, die wünschenswerterweise mit einer
ausreichenden Amplitudenhöhe
an den Fahrer übertragen
werden, insbesondere auf zwischen 0 und 10 Hz.
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Unter "von der Lenkung hochkommenden Störfrequenzen" versteht man die
Folgebelastungen, die für
den Fahrer unnötige
Beeinträchtigungen
darstellen. Diese Belastungen, deren Frequenzen man insbesondere
auf zwischen 10 und 20 Hz schätzt, müssen von
der Lenkanordnung ausgefiltert werden, um für ein besseres Fahrverhalten
zu sorgen.
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Einige
Studien haben gezeigt, dass die häufigen Belastungen, die von
den gelenkten Rädern über die
Lenksäule
bis zum Fahrer nach oben wandern, keine Signale mit einer prägnanten
Amplitude darstellen, wenn ihre Frequenz über 20 Hz liegt, so dass sie
vom Fahrer nicht wahrgenommen werden, und keine besondere Verarbeitung
erfordern.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, den oben dargelegten Nachteil zu beseitigen,
d. h. eine Servolenkeinrichtung bereitzustellen, wie sie vorstehend
beschrieben wurde, die zu geringen Kosten Rückinformationen über die
Lenksäule
erlaubt und gleichzeitig die von der Lenkung hochkommenden Störfrequenzen
unterbindet oder erheblich abschwächt.
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Dieses
Ziel wird durch die erfindungsgemäße Servolenkeinrichtung erreicht,
indem sie darüber hinaus
Mittel umfasst, um auf selektive Weise innerhalb von vorbestimmten
Frequenzbereichen die auf das Lenkradmoment wirkenden Schwingungsphänomene abschwächt beziehungsweise
verstärkt,
wobei die Mittel durch Verarbeitung des Signals, das an den ersten
Eingang des Rechenwerks geliefert wird, funktionieren.
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Gemäß anderer
Merkmale der erfindungsgemäßen Einrichtung:
sind
die Mittel dazu geeignet, die auf das Lenkradmoment wirkenden Schwingungsphänomene in
Frequenzen über
einem vorbestimmten Schwellenwert abzuschwächen;
liegt dieser Schwellenwert
zwischen 8 und 14 Hz und beträgt
vorzugsweise 10 Hz;
umfassen die Mittel eine Signalverarbeitungsschaltung,
deren Eingang mit dem ersten Sensor verbunden ist, und dessen Ausgang
mit dem ersten Eingang des Rechenwerks verbunden ist, wobei die
Schaltung auf das Eingangssignal, das für den gemessenen Wert des Lenkradmoments
steht, eine Übertragungsfunktion
der folgenden Form anwendet:
wobei f die Frequenz ist,
n eine Ganzzahl größer oder gleich
3 ist,
und wobei die Koeffizienten a
i,
b
i so gewählt sind, dass die Übertragungsfunktion,
die als Eingang die resultierende Kraft hat, die auf den Ausrichtungsmechanismus
angewendet wird, und als Ausgang das Lenkradmoment hat, eine repräsentative
Bode-Kurve aufweist, gemäß der:
in
einem Frequenzbereich zwischen 0 und dem Schwellenwert der Amplitudengang
mit der Frequenz zwischen einem unteren Wert und einem oberen Wert
mit jeweils konstantem Amplitudengang variiert,
für Frequenzen über dem
Schwellenwert der Amplitudengang mit der Frequenz variiert, wobei
er unter einem Maximalwert bleibt, der selbst linear mit der Frequenz
variiert, und zwar abnehmend, gemäß einer vorbestimmten Neigung,
nicht null, ausgehend von dem hohen Wert; und
die Koeffizienten
a
i, b
i so gewählt sind,
dass die Übertragungsfunktion,
die als Eingang die resultierende Kraft hat, die auf den Ausrichtungsmechanismus
angewendet wird, und als Ausgang das Lenkradmoment hat, eine repräsentative
Bode-Phasengangskurve aufweist, gemäß der:
in dem Frequenzbereich
zwischen 0 und dem Schwellenwert der Phasengang mit der Frequenz zwischen
einem unteren Phasengangswert, der streng unter 0 liegt, und einem
oberen Phasengangswert, kleiner oder gleich 0, vorzugsweise null,
variiert,
für
Frequenzen über
dem Schwellenwert der Phasengang unter dem hohen Wert des Phasengangs bleibt.
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Insbesondere
will die Erfindung eine Lenkanordnung für ein Kraftfahrzeug bereitstellen,
umfassend eine Lenkwelle, eine elektrische Servolenkeinrichtung
der vorstehend beschriebenen Art, die so mit der Lenkwelle verbunden
ist, dass sie den Lenkeinschlag des Lenkrads unterstützt, indem
sie auf die Lenkwelle ein Hilfsmoment ausübt, einen Ausrichtungsmechanismus,
der mit der Lenkwelle und der Servolenkeinrichtung verbunden ist,
und mittels dessen eine resultierende Lenkeinschlagskraft auf gelenkte
Räder übertragen
wird.
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Und
schließlich
betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine Lenkanordnung
der vorstehend beschriebenen Art aufweist.
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Im
Folgenden wird eine besondere Ausführungsform der Erfindung ausführlicher
beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen
wird, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Lenkanordnung eines Fahrzeugs ist, das
eine erfindungsgemäße Servolenkeinrichtung
aufweist;
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2 ein
Bode-Diagramm ist, das den Amplitudengang der Übertragungsfunktion Lenkradmoment/Kraftaufwand
der Zahnstange darstellt, und das den Ziel-Funktionsbereich der
erfindungsgemäßen Einrichtung
sowie ein Beispiel für
eine Ziel-Kennlinie innerhalb dieses Bereichs zeigt; und
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3 ein
Diagramm ist, analog zu jenem von 2, das den
Phasengang der selben Übertragungsfunktion
darstellt.
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In 1 ist
eine Lenkanordnung 1 eines Kraftfahrzeugs mit Servolenkeinrichtung
dargestellt, die ein Lenkrad 2 aufweist, das mittels einer
Kardanverbindung 6 fest mit einem ersten Teilstück 3 einer Lenkwelle 4 verbunden
ist. Die Lenkwelle 4 überträgt das von
dem Fahrer des Kraftwagens auf das Lenkrad 2 angewendete
Moment auf ein Getriebezahnrad 7, das in eine Zahnstange 8 eingreift,
die horizontal zur Achse des Fahrzeuges zwischen zwei gelenkten Rädern 9 angeordnet
ist. Das Getriebezahnrad 7 könnte auch durch ein beliebiges
anderes Übertragungsmittel
ausgetauscht werden, zum Beispiel eine Schneckenwelle. Jedes gelenkte
Rad 9 ist in der Lage, sich bei einer linearen Bewegung
der Zahnstange 8 um eine vertikale Drehachse Z-Z zu drehen,
wobei das gelenkte Rad 9 von einem Ausrichtungsmechanismus
angetrieben wird, der die Zahnstange und ein Schaltgestänge 10 aufweist,
das mit einem Ende 11 der Zahnstange 8 verbunden
ist.
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Die
Lenkanordnung 1 umfasst ferner eine Servolenkeinrichtung 12,
die dazu dient, auf die Zahnstange 8 eine Kraft auszuüben, die
in der gleichen Richtung wirkt wie die Kraft, die auf das Getriebezahnrad 7 ausgeübt wird,
wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs das Drehen des Lenkrads 2 erleichtert wird,
in Abhängigkeit
von mindestens zwei Betriebsparametern P1, P2 der Lenkung oder allgemeiner ausgedrückt Betriebsparameter
und/oder Zustandsparameter des Fahrzeugs.
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Die
Servolenkeinrichtung 12 umfasst einen Elektromotor 15,
dessen Ausgangsmoment Cs von einer elektronischen
Steuervorrichtung 16 gesteuert wird, die ein Sollwertsignal
des Hilfsmoments C an den Motor liefert. Das Ausgangsmoment Cs des Elektromotors 15 wird mittels
der Abtriebswelle 18 des Motors 15 an ein Reduziergetriebe 19 sowie
an ein Hilfszahnrad 20, das in die Zahnstange 8 eingreift, übertragen.
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Die
Abtriebswelle 18 des Elektromotors 15 ist somit
mittels des Reduziergetriebes 19, des Hilfszahnrads 20,
der Zahnstange 8 und des Getriebezahnrads 7 mechanisch
mit der Lenkwelle 4 verbunden. Die mechanische Verbindung
zwischen der Abtriebswelle 18 und der Lenkwelle 4 könnte auch
anders erfolgen, insbesondere auf direktere Weise, ohne die Zahnstange 8.
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Die
Abtriebswelle 18 des Elektromotors unterstützt den
Lenkeinschlag des Lenkrads 2, indem sie mittels der vorstehend
genannten mechanischen Vorrichtungen auf die Lenkwelle 4 ein
Hilfsmoment ausübt,
das direkt von dem Ausgangsmoment Cs und folglich
von dem Sollwertsignal des Hilfsmoments C abhängt.
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Der
erste Parameter P1 ist für das Lenkradmoment bezeichnend,
das heißt
für das
Moment, das von dem Fahrer auf das Lenkrad 2 angewendet
wird und/oder das der Fahrer erfährt.
Das Lenkradmoment wird zum Beispiel mit Hilfe eines Momentenaufnehmers 21 ermittelt,
der auf dem zweiten Teilstück 5 der
Lenkwelle 4 montiert ist, in einem Bereich in der Nähe des Zahnrads 7.
Dieser Parameter ist sowohl für
Haltestellungen des Lenkrads bezeichnend als auch für Schwingungsphänomene,
die dort entstehen, wo eine Verbindung zum Boden besteht, und die über die
Räder,
das Schaltgestänge,
die Zahnstange und die Lenksäule
an den Fahrer übertragen
werden.
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Der
zweite Parameter P2 ist zum Beispiel für den Wert
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs bezeichnend. Man ermittelt diese
mit klassischen Vorrichtungen zum Messen der Vorwärtsgeschwindigkeit,
die derzeit üblicherweise
in Fahrzeugen verwendet werden, wobei sie von einem Vorwärtsgeschwindigkeitssensor 22 bestimmt
wird.
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Die
elektronische Steuervorrichtung 16 umfasst im Wesentlichen
ein Rechenwerk 30 mit zwei Eingängen und einem Ausgang sowie
eine Signalverarbeitungsschaltung 31.
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Die
Schaltung 31 ist mit dem Ausgang des Lenkradmomentenaufnehmers 21 so
verbunden, dass sie am Eingang ein Signal empfängt, das für den Parameter P1 des
Lenkradmoments repräsentativ
ist, und ihr Ausgang mit dem ersten Eingang des Rechenwerks 30 verbunden
ist.
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Die
Schaltung 31 wird durch ihre Übertragungsfunktion H(f) dargestellt,
in der f die Frequenz des für
P1 repräsentativen
Eingangssignals ist. Diese Übertragungsfunktion
wird später
noch genauer behandelt.
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Das
Rechenwerk 30 empfängt
also an seinem ersten Eingang ein für den Parameter P1 des Lenkradmoments
repräsentatives
Signal, das gemäß der Übertragungsfunktion
H(f) der Schaltung 31 umgewandelt wird.
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Zum
anderen ist das Rechenwerk 30 am Eingang mit dem Geschwindigkeitssensor 22 verbunden,
so dass der zweite Eingang des Rechenwerks 30 mit dem für den Parameter
P2 der Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentativen
Signal gespeist wird.
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Das
Rechenwerk 30 ist so programmiert, dass es die vorgespeicherten
Vorgabefunktionen ausführt,
zum Beispiel in Form von Kartographien, und am Ausgang ein Signal
liefert, das für
den Wert des Sollwerthilfsmoments C repräsentativ ist, in Abhängigkeit
von den beiden Eingangswerten. Der Ausgang des Rechenwerks 30 ist
mit dem Motor 15 verbunden, um ihm dieses Steuersignal zu
liefern, das für
den so berechneten Wert des Sollwerthilfsmoments repräsentativ
ist.
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Natürlich können das
Rechenwerk 30 und die mit ihm verknüpften Vorgabefunktionen so
ausgelegt sein, dass sie mit einer Anzahl von Eingangsparametern
funktionieren, die größer ist
als zwei, insbesondere drei Eingangswerte.
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Bei
der Berechnung des Sollmoments kann also auch ein anderer Betriebsparameter
und/oder Zustandsparameter des Fahrzeugs berücksichtigt werden, zum Beispiel
ein Parameter, der für
die Drehgeschwindigkeit des Lenkrads bezeichnend ist.
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Im
Folgenden wird nun die Übertragungsfunktion
H(f) näher
erklärt,
und unter Bezugnahme auf die 2 und 3 werden
die physikalischen Auswirkungen der Signalverarbeitung, mit welcher der
Parameter P1 des Lenkradmoments am Eingang des
Rechenwerks 30 beeinflusst wird, veranschaulicht.
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In
den 2 und 3 hat man die Ziele der Erfindung
graphisch dargestellt, die darin bestehen, die auf das Lenkradmoment
wirkenden Schwingungsphänomene
innerhalb von vorbestimmten Frequenzbereichen abzuschwächen beziehungsweise auf
analoge Weise zu verstärken.
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Wie
vorstehend bereits erklärt
wurde, steigen diese Schwingungsphänomene sozusagen von der Straße über das
Schaltgestänge 10,
die Zahnstange 8, die Lenksäule 4 und das Lenkrad 2 nach oben
zum Fahrer. Der Schwingungseffekt, den der Fahrer verspürt, kann,
wie dies im Rahmen der Erfindung gemacht wurde, durch die Übertragungsfunktion
T(f) ausgedrückt
werden, die gleich dem Verhältnis
der algebraischen Werte des Lenkradmoments zur Kraft ist, die von
den gelenkten Rädern 9 über das
Schaltgestänge 10 auf
die Zahnstange 8 angewendet wird. Diese Übertragungsfunktion
ist mit einem mechanischen System verknüpft, das die Schwingungen zwischen
einem Eingang, nämlich den
Rädern,
und einem Ausgang, nämlich
dem Lenkrad, überträgt.
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Die
Ziele der Erfindung wurden durch einen Ziel-Funktionsbereich ausgedrückt, in
dem sich die Kennlinie der Übertragungsfunktion
T(f) befinden muss. Die so definierte Übertragungsfunktion ändert den
Amplitudengang und den Phasengang der Übertragung der Kräfte vom
Schaltgestänge
(Eingang) zum Lenkradmoment (Ausgang). In den 2 und 3 wurden
diese Bereiche für
den Amplitudengang beziehungsweise für den Phasengang der Übertragungsfunktion
beschränkt.
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Man
unterscheidet für
beide Funktionsbereiche, beim Amplitudengang und beim Phasengang, zwei
Frequenzbereiche:
der erste geht von 0 und bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert
S, der zwischen 8 und 14 Hz liegt und vorzugsweise 10 Hz beträgt (wie
in den Figuren angegeben);
der zweite entspricht den Frequenzen über diesem Schwellenwert
S.
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In
den Figuren wurde der erste Frequenzbereich auf das Intervall [1
Hz, 10 Hz] beschränkt,
und der zweite wurde auf das Intervall [10 Hz, 20 Hz] beschränkt, da
diese Intervalle für
die wichtigsten im Rahmen der vorliegenden Erfindung befunden wurden.
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Der
Funktionsbereich des Amplitudengangs liegt:
für den ersten
Frequenzbereich [0,S], der im Wesentlichen einem Verstärkungsbereich
entspricht: zwischen der horizontalen Geraden mit konstantem Amplitudengang
G1 und der horizontalen Geraden mit konstantem
Amplitudengang G2, wobei G1 unterhalb von
G2 liegt, und G1 der
untere Wert des Amplitudengangs ist und G2 der
obere Wert des Amplitudengangs ist;
für den zweiten Funktionsbereich,
der den Frequenzwerten über
S und im Wesentlichen einem Dämpfungsbereich
entspricht: unter einer abfallenden Geraden (P), nicht null, negativ,
die durch den Koordinatenpunkt (S, G2) geht.
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Für den Phasengang θ der Übertragungsfunktion
T(f) ist der Funktionsbereich wie folgt definiert:
für den ersten
Funktionsbereich [0,S] liegt der Funktionsbereich zwischen den beiden
horizontalen Linien mit konstantem Phasengang, die einem unteren Wert θ1 beziehungsweise einem oberen Wert θ2 entsprechen, wobei gilt: θ1 < θ2 = 0. Vorzugsweise wählt man: θ2 =
0 und θ1 = –30°;
für den zweiten
Funktionsbereich, der den Frequenzwerten über S entspricht, liegt der
Funktionsbereich unter der horizontalen Geraden mit konstantem Phasengang θ2.
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Um
die gewünschten
Eigenschaften der Übertragungsfunktion
T(f) zu erhalten, das heißt,
damit die Bode-Kurven, die für
diese Übertragungsfunktion
charakteristisch sind, innerhalb der vorstehend beschriebenen Funktionsbereiche
liegen, könnte, wie
es sich gezeigt hat, die mit der Schaltung
31 verknüpfte Übertragungsfunktion
H(f), vorteilhafterweise wie folgt aussehen:
wobei n eine Ganzzahl ≥ 3 ist, und
wobei die Koeffizienten a
i und b
i für
jedes Fahrzeug und für
jede Gruppe von Werten, welche die gesuchten Funktionsbereiche definieren,
das heißt
S, G
1, G
2, P, θ
1 und θ
2, gewählt
werden.
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Diese
Funktionsbereiche können
für mehrere
Standardzustände
definiert werden. Die in den Figuren dargestellten Funktionsbereiche
wurden zum Beispiel für
ein bestimmtes Fahrzeug und für
eine Intensität
der auf die Zahnstange angewendeten Kräfte zwischen –50 daN
et +50 daN bei blockiertem Lenkrad definiert.
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Es
ist wichtig anzumerken, dass die Funktion Dämpfung/Verstärkung des
Filterns der Schwingungen, die über
die Lenksäule
wandern, mit elektronischen Mitteln zur Signalverarbeitung ausgeführt wird, die
auf eine Regelgröße wirken,
im vorliegenden Fall das Lenkradmoment. Die Mitwirkung dieser elektronischen Verarbeitungsmittel
in den elektrischen Servolenkeinrichtungen und allgemeiner ausgedrückt in den
derzeit vorhandenen Lenkanordnungen stellt keine erheblichen Mehrkosten
dar. Insbesondere erfordert die Funktion Dämpfung/Verstärkung der Schwingungen
durch die in der Erfindung definierten Mittel keine zusätzlichen
mechanischen oder elektromechanischen Mittel.
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Darüber hinaus
kann die Erfindung an eine große
Anzahl von vorhandenen elektrischen Servolenkungen angepasst werden.
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Die
Funktion Dämpfung/Verstärkung der Schwingungen,
die über
die Lenksäule
wandern, erlaubt es unter den in der vorstehenden Beschreibung dargelegten
Bedingungen, ein hohes Niveau an Sicherheit sowie ein hohes Niveau
an Fahrkomfort zu erreichen.
