WO2012107133A1 - Aktives lenksystem für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2012107133A1
WO2012107133A1 PCT/EP2011/072361 EP2011072361W WO2012107133A1 WO 2012107133 A1 WO2012107133 A1 WO 2012107133A1 EP 2011072361 W EP2011072361 W EP 2011072361W WO 2012107133 A1 WO2012107133 A1 WO 2012107133A1
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WO
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steering
torque
steering system
active
overlay
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PCT/EP2011/072361
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English (en)
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Inventor
Jonas Müller
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/008—Changing the transfer ratio between the steering wheel and the steering gear by variable supply of energy, e.g. by using a superposition gear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0493—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures detecting processor errors, e.g. plausibility of steering direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/008—Control of feed-back to the steering input member, e.g. simulating road feel in steer-by-wire applications

Definitions

  • the invention relates to an active steering system for a vehicle having a steering gear, which is used for setting a wheel steering angle on the vehicle, with a support divider for introducing an in magnitude and sign variable assist torque to the steering gear and a
  • Overlay divider for superimposing a variable and sign variable overlay angle on the steering gear.
  • the support dividers nowadays installed in such steering systems are also familiar under the term power steering.
  • a steering wheel is usually mechanically connected to a rack as a steering handle.
  • the rack is displaced, causing a pivoting moment and thus an impact of at least one wheel of the associated vehicle.
  • the assist divider assists this process by adding an additional pivot moment to the moment that originates from the steering wheel.
  • a steering system for a motor vehicle which comprises a steering handle for prescribing a manual torque by a driver of the motor vehicle to a steering gear and a power steering device for additionally introducing a variable in magnitude servo torque as a function of the predetermined manual torque on the steering gear Is provided. Further, a return device for generating a variable in amount counter torque is provided to the hand moment.
  • This steering system can produce a superposition torque that is independent of the amplitude and direction of the hand moment except a counter-moment can also be a support torque to the manual torque.
  • the feedback device leaves the driver at the steering wheel
  • an active steering system for a vehicle having a steering gear for setting a wheel steering angle on the vehicle is provided with an assist actuator for introducing magnitude and sign variable assist torque to the steering gear and an overlay actuator for superimposing an amount and Sign variable overlay angle created on the steering gear.
  • the assistance actuator additionally assumes a function for regulating or precontrolling the wheel steering angle and the superimposition actuator simultaneously performs a function for regulating or precontrolling the manual torque.
  • a conventional steering system comprises a steering wheel which is mechanically connected to a steering rod via a steering spindle. A rotation of the steering wheel and thus the steering shaft causes a lateral displacement of the rack due to the coupling.
  • the rack is connected by means of a pivoting mechanism with the wheels of the vehicle. Now, when the rack shifts, the wheels perform correspondingly a pivoting movement or a steering angle.
  • the support divider is preferably arranged on the tie rod and supports their lateral movement.
  • the support divider may be designed, for example, as a servomotor.
  • the overlay divider is preferably arranged on the steering spindle or in the steering column and thus alters the rotational position of the steering wheel in relation to the position of the rack.
  • the individual components are each assigned a separate functionality, so that these functionalities can be controlled separately and control technology can therefore be adapted to each other in a particularly simple manner.
  • an active steering system is preferably provided, in which the support divider and the superimposition plate are controlled in such a way that when adjusting the wheel steering angle by means of the
  • Support actuator on the steering wheel by means of the overlay actuator results in relation to this adjustment torque-neutral situation.
  • the overlay adjuster compensates in this approach, with regard to the torque to be felt on the steering wheel by the driver an adjusting movement of the support actuator. Due to the presence of an additional actuator or actuator in the steering system in the form of the support actuator so that a partial, virtual mechanical decoupling of the interference of the overlay actuator is possible. Under virtually mechanically decoupled is understood that a torque which is generated by the support actuator is compensated by an opposite rotational movement of the overlay actuator. The two movements cancel each other with respect to the steering wheel position with each other or the torque of the support actuator reduces the retroactivity of the control engagement of the overlay actuator.
  • the support actuator preferably also compensates for inertial effects of the overlay actuator.
  • the assisting actuator compensates, by means of a rectified torque, for that torque which the superpositioning plate would produce simultaneously on the steering wheel due to the adjustment of the wheels. It creates a torque neutrality that avoids driver irritation during certain steering movements.
  • torque neutrality is meant that the two mentioned torques, ie those starting from the assist divider and the overlay actuator, cancel each other so that the sum of the forces acting on the steering wheel equals zero.
  • the coordination of the individual control devices for generating the torque-neutral situation takes place by means of a third control device.
  • the active steering system according to the invention is also preferably designed so that the at least one control unit by means of a bus system with the overlay divider and the support plate in contact.
  • the support actuator is arranged on a rack of the active steering system.
  • the wheels are steered by a lateral displacement of the rack.
  • the support plate is therefore preferably arranged on this rack, because he can take over there also with other functions, such as in particular the function as a servo.
  • the overlay plate is preferably arranged on a steering spindle of the active steering system.
  • the steering spindle is used in particular as a connection between the steering wheel and tie rod.
  • this steering spindle overlay plate With the arranged on this steering spindle overlay plate, the relative position of the steering wheel to the rack can be advantageously changed.
  • a counter-torque can be built up by the overlay actuator which compensates for the torque which results from the adjusting movement or pivotal movement of the wheels and thus actually affects the steering wheel.
  • a targeted reduction or enlargement of the torque prevailing for the driver on the steering wheel is possible.
  • the compensation of the resulting by the active adjustment of the wheels torque can be compensated by the interaction of overlay plate and support plate delay. The driver then notices or senses this delayed compensation, which can act as a feedback for him. This feedback manifests itself in particular as varying, in particular slightly alternating, resistance on the steering wheel.
  • inertia effects can be relatively well neutralized by the support divider.
  • the main purpose is the production of a torque neutrality, so that the driver feels no resistance or the like during active control actions on the steering wheel.
  • a torque sensor is further arranged on the steering shaft in the steering system according to the invention.
  • the torque sensor measures the torque on the steering wheel and / or on the overlay plate.
  • the values are preferably used to control the desired torque neutrality.
  • the torque sensor is advantageously networked by means of a bus system with the control unit or the control units.
  • the active steering system according to the invention as mentioned above is used in a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a steering system according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a control model of the steering system.
  • a steering system 10 includes a steering wheel 12 which is rotatably coupled to one end of a steering shaft 14 to this.
  • the steering shaft 14 is torque-transmitting coupled to a tie rod 16.
  • the coupling is such that with a rotation of the steering shaft 14, the tie rod 16 is moved in its longitudinal direction.
  • a support plate 18 is arranged at the tie rod 16.
  • the support divider 18 is mounted on a vehicle body 36 and there supported or mounted stationary.
  • An overlay divider 20 is located on the steering spindle 14. Furthermore, a torque sensor 22 is arranged on the steering spindle 14.
  • the support divider 18 and the overlay actuator 20 are connected to a first control device 26 and a second control device 28.
  • the first and second control units 26, 28 are both in turn connected to a third control unit 30.
  • the torque sensor 22 is functionally coupled to the third control device 30 by means of the bus system 24.
  • the force due to the friction of the wheels 38 on the road surface yes counteracts the force of the steering movement.
  • the assist divider 18, which forms a power steering device as a driven servomotor helps.
  • the thus active support divider 18 thus supports the steering movement, in addition to the rotational movement of the steering shaft 14, the tie rod 16 moves with.
  • the effort on the steering wheel 12 is thus lower because the support divider 18 supports the steering movement.
  • the adjustment of the tie rod 18 is dependent on how far the steering wheel 12 is rotated.
  • the overlay divider 20 is provided.
  • the overlay divider 20 changes the "gear ratio" or the position assignment between the steering wheel 12 and the tie rod 16. With the overlay plate 20, for example, it is possible that the tie rod 16 is moved by an amount for which actually a movement of the steering wheel 12 by one complete revolution would be required due to the changed "gear ratio" but then only the steering wheel 12 has to be rotated by half a turn.
  • the overlay plate 20 thus helps especially while driving and supports the steering movement to the effect that, for example, even a slight rotation of the steering wheel 12 leads to a disproportionate impact of the wheels 38.
  • the support divider 18 is further designed and controlled so that active pivotal movement of the wheels 38 can be initiated with him, without this would have come to a "request" from the driver via the steering wheel 12. It can therefore be initiated an active steering, which leads to a steering of the wheels 38, in particular independently of the driver's steering behavior leads.
  • the vehicle can be influenced in situations that are critical in driving dynamics, or the driver can be actively relieved, for example when parking, during the steering movement of the vehicle.
  • this superposition torque is a "negative" torque pointing in the other direction than the active steering movement introduced by means of the assisting member 18.
  • the reaction to the driver of the active force of the assisting part 18 on the tie rod 16 due to an active steering is completely compensated and produced on the steering wheel 12 a torque neutrality.
  • the driver thus preferably senses nothing on the steering wheel 12 from the active engagement of the support actuator 18.
  • the regulation for torque regulation or for producing the torque neutrality is carried out by the control devices 26, 28, 30. These are connected by means of a bus system 24 with each other and with the support actuator 18 and the overlay plate 20. A rotation of the steering wheel 12 is detected by the third control unit 30. The values recorded in this case are forwarded to the first control unit 26 by means of the bus system 24. This governs, based on the obtained data, the support divider 18 according to the Steering movement and the required active movement. The torque values of the support actuator 18 are forwarded by the bus system 24 to the second control unit 28. The second control unit 28 is able to regulate the Mattertaganssteller 20 accordingly, so that preferably the torque is compensated starting from the active movement of the support actuator 18. The force that results at the wheels 38 due to their friction, however, is forwarded to the steering wheel 12.
  • the first and second control devices 26, 28 can each perform the corresponding control separately. However, it is also possible that these are supported by the third control unit 30 by this performs all calculations for control. Preferably, this control provides torque neutrality with regard to the active steering by means of the assist actuator 18, which has already been explained, on the steering wheel 12.
  • a torque sensor 22 is optionally provided on the steering shaft 14.
  • the torque sensor 22 assists the control by measuring the torque which passes from the steering shaft 14 to the steering wheel 12.
  • the measured data are forwarded by means of the bus system 24 to the third control unit 30. There, the data is processed and used to support the scheme.
  • the control model in FIG. 2 serves to illustrate the control behavior of the steering system 10.
  • the steering wheel 12 is held by a driver 32.
  • a driver impedance 34 acts on the steering wheel 12 and the steering spindle 14 coupled thereto.
  • the overdrive actuator 20 can influence the driver impedance 34, depending on the support divider 18 that is likewise connected thereto.
  • the support divider 18 is mounted on a vehicle body 36.
  • the support divider 18 is connected by means of the tie rod 16 with the tire 38. A tire impedance thus interacts with the assist divider 18.
  • G 1 transfer function overlay divider 20
  • G 2 transfer function of the support map 18
  • s Laplace variable.
  • Supporter 18 has a high bandwidth compared to the dynamics of the system - G 2 (s) is thus about 1.

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Abstract

Ein aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, einem Unterstützungssteller zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs-Moments an dem Lenkgetriebe und einem Überlagerungssteller zum Überlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe wird gezeigt. Ferner wird mit dem Unterstützungssteller eine Funktion zur Regelung des Radlenkwinkels und mit dem Überlagerungssteller eine Funktion zur Regelung des Handmoments ausgeführt.

Description

Beschreibung
Titel
Aktives Lenksvstem für ein Fahrzeug Die Erfindung betrifft ein aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, mit einem Unterstützungssteiler zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs-Moments an dem Lenkgetriebe und einem
Überlagerungssteiler zum Oberlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe.
Stand der Technik
Die in derartigen Lenksystemen heutzutage verbauten Unterstützungssteiler sind auch unter dem Begriff Servolenkung geläufig. Beim zugehörigen Lenksystem ist in der Regel als Lenkhandhabe ein Lenkrad mechanisch mit einer Zahnstange verbunden. Bei einer Drehung des Lenkrads wird die Zahnstange verschoben, was ein Schwenkmoment und damit einen Einschlag mindestens eines Rades des zugehörigen Fahrzeugs bewirkt. Der Unterstützungssteiler unterstützt diesen Vorgang, indem er ein zusätzliches Schwenkmoment bzw. Unterstützungs-Moment zu dem Moment, welches vom Lenkrad ausgeht, addiert.
Aus der EP 1 508 499 A2 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches mit einer Lenkhandhabe zum Vorgeben eines Handmoments durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs an einem Lenkgetriebe und einer Servolenkeinrichtung zum zusätzlichen Einleiten eines im Betrag variablen Servomoments in Abhängigkeit des vorgegebenen Handmoments an dem Lenkgetriebe ausgestattet ist. Ferner ist eine Rückwirkeinrichtung zum Erzeugen eines im Betrag variablen Gegen moments zum Handmoment vorgesehen. Dieses Lenksystem kann ein Überlagerungsmoment erzeugen, das unabhängig von der Amplitude und Richtung des Handmoments außer einem Gegenmoment auch ein Unterstützungsmoment zum Handmoment sein kann. Die Rückwirkeinrichtung lässt den Fahrer das am Lenkrad anliegende
Moment spüren. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lenksystem mit einer im Hinblick auf bekannte Lenksysteme verbesserten Funktionalität bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß ist ein aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, mit einem Unterstützungssteller zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs-Moments an dem Lenkgetriebe und einem Überlagerungssteller zum Überlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe geschaffen. Dabei übernimmt erfindungsgemäß zusätzlich der Unterstützungsteller eine Funktion zur Regelung bzw. Vorsteuerung des Radlenkwinkels und der Überlagerungsteller zugleich eine Funktion zur Regelung bzw. Vorsteuerung des Handmoments. Ein übliches Lenksystem umfasst wie erwähnt ein Lenkrad, welches über eine Lenkspindel mechanisch mit einer Spurstange bzw. Lenkstange verbunden ist. Ein Drehen des Lenkrades und damit der Lenkspindel bewirkt aufgrund der Kopplung ein laterales Verschieben der Zahnstange. Die Zahnstange ist mittels eines Schwenkmechanismus mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden. Wenn sich nun die Zahnstange verschiebt, vollziehen die Räder entsprechend eine Schwenkbewegung bzw. einen Lenkeinschlag.
Der Unterstützungssteiler ist dabei vorzugsweise an der Spurstange angeordnet und unterstützt deren seitliche Bewegung. Der Unterstützungssteiler kann beispielsweise als Servomotor ausgebildet sein.
Der Überlagerungssteiler ist hingegen vorzugsweise an der Lenkspindel bzw. in der Lenksäule angeordnet und verändert damit die Drehlage des Lenkrads im Bezug auf die Position der Zahnstange. Mit der derartigen funktionalen Zuordnung bzw. dem derartigen funktionalen Zusammenspiel der Komponenten ist es möglich, an den Rädern weitgehend jede beliebige Schwenkbewegung unter gleichzeitiger
Veränderung der Drehlage des Lenkrads in weitgehend beliebiger Weise bereitzustellen. Zugleich ist den einzelnen Komponenten je eine getrennte Funktionalität zugewiesen, so dass diese Funktionalitäten getrennt gesteuert und steuerungstechnisch damit besonders einfach aufeinander abgestimmt werden können.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein aktives Lenksystem geschaffen, bei dem der Unterstützungssteiler und der Überlagerungsteller derart abgestimmt angesteuert sind, dass sich beim Verstellen des Radlenkwinkels mittels des
Unterstützungsstellers am Lenkrad mittels des Überlagerungsstellers eine in Bezug auf diese Verstellung drehmomentneutrale Situation ergibt. Der Überlagerungssteller kompensiert bei dieser Vorgehensweise im Hinblick auf das am Lenkrad vom Fahrer zu spürende Drehmoment eine Stellbewegung des Unterstützungsstellers. Durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Stellglieds bzw. Stellers im Lenksystem in Form des Unterstützungsstellers ist damit eine teilweise, virtuelle mechanische Entkopplung der Eingriffe des Überlagerungsstellers möglich. Unter virtuell mechanisch entkoppelt wird verstanden, dass ein Drehmoment, welches vom Unterstützungssteller erzeugt wird, durch eine entgegen gesetzte Drehbewegung des Überlagerungsstellers kompensiert wird. Die beiden Bewegungen heben sich im Bezug auf die Lenkradposition damit gegenseitig auf bzw. das Drehmoment des Unterstützungsstellers verringert die Rückwirkung des Stelleingriffs des Überlagerungsstellers. Dabei kompensiert der Unterstützungssteller vorzugsweise auch Trägheitseffekte des Überlagerungsstellers.
Mit anderen Worten kompensiert der Unterstützungssteller durch ein gleichgerichtetes Drehmoment jenes Drehmoment, das der Überlagerungssteller aufgrund des Verstellens der Räder gleichzeitig am Lenkrad erzeugen würde. Es wird eine Drehmomentneutralität hergestellt, die Irritationen des Fahrers bei bestimmten Lenkbewegungen vermeidet. Unter Drehmomentneutralität wird verstanden, dass sich die beiden erwähnten Drehmomente, also jene ausgehend vom Unterstützungssteiler und vom Überlagerungssteller, gegenseitig aufheben, so dass die Summe der davon am Lenkrad angreifenden Kräfte den Wert Null ergibt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen aktiven Lenksystems erfolgt die Koordination der einzelnen Steuergeräte zur Erzeugung der drehmomentneutralen Situation mittels eines dritten Steuergeräts.
Das erfindungsgemäße aktive Lenksystem ist ferner vorzugsweise so gestaltet, dass das mindestens ein Steuergerät mittels eines Bussystems mit dem Überlagerungssteiler und dem Unterstützungssteller in Kontakt ist.
Übliche Bussysteme für derartige Verbindungen sind CAN-Bus oder FlexRay. Dies gewährleistet einen verlässlichen Datenaustausch.
Gemäß einer Weiterbildung des aktiven Lenksystems ist der Unterstützungsteller an einer Zahnstange des aktiven Lenksystems angeordnet.
Wie oben erwähnt, werden durch eine seitliche Verschiebung der Zahnstange die Räder gelenkt. Der Unterstützungssteller ist deshalb vorzugsweise an dieser Zahnstange angeordnet, weil er dort auch weitere Funktionen mit übernehmen kann, wie insbesondere die Funktion als Servosteller.
Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen aktiven Lenksystem vorzugsweise der Überlagerungssteller an einer Lenkspindel des aktiven Lenksystems angeordnet.
Wie oben beschrieben, dient die Lenkspindel insbesondere als Verbindung zwischen Lenkrad und Spurstange. Mit dem an dieser Lenkspindel angeordneten Überlagerungssteller kann die relative Lage des Lenkrads zur Zahnstange vorteilhaft verändert werden. Zugleich kann aufgrund des vom Fahrer am Lenkrad einwirkenden Lenkmoments vom Überlagerungssteller ein Gegenmoment aufgebaut werden, welches das sich mit der Verstellbewegung bzw. Schwenkbewegung der Räder ergebende und damit eigentlich am Lenkrad auswirkende Moment kompensiert. Mit dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist darüber hinaus auch eine gezielte Verkleinerung oder Vergrößerung des für den Fahrer am Lenkrad herrschenden Drehmoments möglich. Ferner kann durch das Zusammenspiel von Überlagerungsteller und Unterstützungssteller die Kompensation des sich durch das aktive Verstellen der Räder ergebenden Drehmoments verzögert kompensiert werden. Der Fahrer merkt bzw. spürt dann diese verzögerte Kompensation, was für ihn wie eine Rückmeldung wirken kann. Diese Rückmeldung zeigt sich insbesondere als variierender, insbesondere geringfügig alternierender Widerstand am Lenkrad.
Zudem können erfindungsgemäß auch eventuell vorkommende Trägheitseffekte durch den Unterstützungssteiler relativ gut neutralisiert werden. Hauptzweck ist allerdings die Herstellung einer Drehmomentneutralität, so dass der Fahrer keinen Widerstand oder dergleichen bei aktiven Stelleingriffen am Lenkrad spürt.
Vorzugsweise ist ferner bei dem erfindungsgemäßen Lenksystems ein Drehmomentsensor an der Lenkspindel angeordnet. Der Drehmomentsensor misst insbesondere das Drehmoment am Lenkrad und/oder am Überlagerungssteller. Die Werte werden vorzugsweise verwendet, um die gewünschte Drehmomentneutralität einzuregeln. Der Drehmomentsensor ist vorteilhaft mittels eines Bussystems mit dem Steuergerät bzw. den Steuergeräten vernetzt.
Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße aktive Lenksystem wie eingangs erwähnt in einem Kraftfahrzeug verwendet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Lenksystems, und
Fig. 2 ein Prinzipschema eines Regelungsmodell des Lenksystems.
In Fig. 1 ist die Funktionsweise bzw. das Zusammenspiel der jeweiligen Komponenten eines aktiven Lenksystems 10 dargestellt. Ein derartiges Lenksystem 10 umfasst ein Lenkrad 12, das an einem Ende einer Lenkspindel 14 an diese drehfest angekoppelt ist. Die Lenkspindel 14 ist drehmomentenübertragend mit einer Spurstange 16 gekoppelt. Die Koppelung ist dabei dergestalt, dass mit einer Drehung der Lenkspindel 14 die Spurstange 16 in ihrer Längsrichtung verschoben wird.
An der Spurstange 16 ist ein Unterstützungssteller 18 angeordnet. Der Unterstützungssteiler 18 ist an einer Fahrzeugkarosserie 36 gelagert und dort ortfest abgestützt bzw. angebracht.
An der Lenkspindel 14 befindet sich ein Überlagerungssteiler 20. Ferner ist an der Lenkspindel 14 ein Drehmomentsensor 22 angeordnet.
Mittels eines Bussystems 24 sind der Unterstützungssteiler 18 und der Uberlagerungssteller 20 mit einem ersten Steuergerät 26 und einem zweiten Steuergerät 28 verbunden. Das erste und zweite Steuergerät 26, 28 sind beide wiederum mit einem dritten Steuergerät 30 verbunden. Zusätzlich ist der Drehmomentsensor 22 mittels des Bussystems 24 mit dem dritten Steuergerät 30 funktional gekoppelt.
Wenn ein Fahrer am Lenkrad 12 ein Drehmoment einträgt, wird dieses auf die Lenkspindel 14 übertragen. Die Lenkspindel 14 überträgt dieses Drehmoment derart auf die Spurstange 16, dass sich diese versucht entgegen dem (Reib-)Widerstand von Rädern 38 in ihrer Längsrichtung zu verschieben. Der Widerstand der Räder 38 ergibt sich dadurch, dass ein Reifen des Rades 38 auf einem Untergrund aufliegt und an dieser Kontaktfläche Reibung herrscht, während das Rad 38 mit seinem Reifen von der Spurstange 16 geschwenkt bzw. gelenkt wird. Die Richtung der Verschiebung der Spurstange 16 hängt von der Drehrichtung des Lenkrads 12 ab. Eine Verschiebung der Spurstange 16 bewirkt also ein Lenken, Schwenken bzw. Einschlagen der Räder 38 des zugehörigen (nicht weiter veranschaulichten) (Kraft-) Fahrzeugs. Das Schwenken der Räder 38 führt dann zu einer Änderung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Üblicherweise ist eine Lenkbewegung mittels des Lenkrads 12, insbesondere im Stand des Fahrzeugs, mit für den Fahrer hohem Kraftaufwand verbunden. Die Kraft aufgrund der Reibung der Räder 38 am Fahrbahnuntergrund wirkt ja der Kraft der Lenkbewegung entgegen. Um den Kraftaufwand für den Fahrer zu verringern, hilft der Unterstützungssteiler 18, welcher als angetriebener Servomotor eine Servolenkungseinrichtung bildet. Der derart aktive Unterstützungssteiler 18 unterstützt also die Lenkbewegung, indem er zusätzlich zur Drehbewegung der Lenkspindel 14 die Spurstange 16 mit verschiebt. Die Kraftanstrengung am Lenkrad 12 wird damit geringer, da der Unterstützungssteiler 18 die Lenkbewegung unterstützt.
Die Verstellung der Spurstange 18 ist davon abhängig, wie weit das Lenkrad 12 gedreht wird. Um hier den Fahrer weiter zu entlasten und insbesondere auch den vom Fahrer vorzugebenden Lenkradwinkel von äußeren Einflussfaktoren (insbesondere der Geschwindigkeit des Fahrzeugs) abhängig zu machen, ist der Überlagerungssteiler 20 vorgesehen. Der Überlagerungssteiler 20 verändert das "Übersetzungsverhältnis" bzw. die Positionszuordnung zwischen dem Lenkrad 12 und der Spurstange 16. Mit dem Überlagerungssteller 20 ist es beispielsweise möglich, dass die Spurstange 16 um einen Betrag bewegt wird, für den eigentlich eine Bewegung des Lenkrades 12 um eine ganze Umdrehung erforderlich wäre, aufgrund des geänderten "Übersetzungsverhältnisses" dann aber nur das Lenkrad 12 um eine halbe Umdrehung verdreht werden muss.
Der Überlagerungssteller 20 hilft also insbesondere während der Fahrt und unterstützt die Lenkbewegung dahingehend, dass z.B. bereits eine geringe Umdrehung des Lenkrads 12 zu einem überproportionalen Einschlag der Räder 38 führt. Üblicherweise wird die benötigte Lenkbewegung am Lenkrad 12 immer geringer, je höher die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Der Unterstützungssteiler 18 ist ferner derart gestaltet und gesteuert, dass mit ihm aktiv eine Schwenkbewegung der Räder 38 eingeleitet werden kann, ohne dass es dazu zu einer "Aufforderung" von Seiten des Fahrers über das Lenkrad 12 gekommen wäre. Es kann also eine Aktivlenkung eingeleitet werden, die zu einem Lenken der Räder 38 insbesondere unabhängig vom Lenkverhalten des Fahrers führt. Mit einer solchen Aktivlenkung kann auf das Fahrzeug in fahrdynamisch kritischen Situationen Einfluss genommen werden oder es kann der Fahrer beispielsweise beim Einparken aktiv bei der Lenkbewegung des Fahrzeugs entlastet werden.
Mit dem Überlagerungssteller 20 kann bei dem Lenksystem 10 ferner ein weiteres Drehmoment zu den vom Lenkrad 12 und dem Unterstützungssteiler 18 ausgehenden Drehmomenten addiert werden. Dieses Überlagerungs-Drehmoment ist insbesondere ein "negatives" Drehmoment, das in die andere Drehrichtung zeigt, als die mittels des Unterstützu ng sstel lers 18 eingebrachte aktive Lenkbewegung. Durch diese Addition eines "negativen" Drehmoment bzw. der Verringerung eines Gesamtdrehmoments am Lenkstrang wird eine Rückwirkung des Unterstützungsstellers 18 während einer Aktivlenkung zum Lenkrad 12 hin verringert.
Vorzugsweise wird die Rückwirkung auf den Fahrer der aktiven Krafteinwirkung des Unterstützungssteiler 18 auf die Spurstange 16 aufgrund einer Aktivlenkung komplett kompensiert und am Lenkrad 12 eine Drehmomentneutraiität hergestellt. Der Fahrer spürt somit am Lenkrad 12 vorzugsweise nichts vom aktiven Eingriff des Unterstützungsstellers 18.
Ferner ist es vorteilhaft möglich die Kompensation verzögert zu gestalten, so dass der Fahrer zunächst einen Widerstand am Lenkrad 12, hervorgerufen durch den aktiven Eingriff des Unterstützungsstellers 18, spürt. Dieser Widerstand dann aber zeitverzögert durch das Einsetzen bzw. Kompensieren des Überiagerungsstellers 20 abfällt.
Die Regelung zur Drehmomentregulierung bzw. zum Herstellen der Drehmomentneutralität erfolgt von den Steuergeräten 26, 28, 30. Diese sind mittels eines Bussystems 24 untereinander und mit dem Unterstützungsstellers 18 und dem Überlagerungssteller 20 verbunden. Eine Drehung des Lenkrads 12 wird vom dritten Steuergerät 30 erfasst. Die dabei erfassten Werte werden mittels des Bussystems 24 an das erste Steuergerät 26 weitergeleitet. Dieses regelt, beruhend auf den erhaltenen Daten, den Unterstützungssteiler 18 entsprechend der Lenkbewegung und der erforderlichen Aktivbewegung. Die Drehmoment-Werte des Unterstützungsstellers 18 werden durch das Bussystem 24 an das zweite Steuergerät 28 weitergeleitet. Das zweite Steuergerät 28 ist in der Lage den Übertagerungssteller 20 entsprechend einzuregeln, so dass vorzugsweise das Drehmoment ausgehend von der Aktivbewegung des Unterstützungsstellers 18 kompensiert wird. Jene Krafteinwirkung, die sich an den Rädern 38 aufgrund von deren Reibung ergibt, wird hingegen an das Lenkrad 12 weitergeleitet.
Das erste und zweite Steuergerät 26, 28 können die entsprechenden Regelungen jeweils separat durchführen. Möglich ist jedoch auch das diese vom dritten Steuergerät 30 unterstützt werden, indem dieses sämtliche Berechnungen zur Regelung ausführt. Vorzugsweise stellt diese Regelung eine Drehmomentneutralität im Hinblick auf das Aktivlenken mittels des Unterstützungsstellers 18, welche bereits erklärt wurde, am Lenkrad 12 her.
An der Lenkspindel 14 ist optional ein Drehmomentsensor 22 vorgesehen. Der Drehmomentsensor 22 unterstützt die Regelung, indem er das Drehmoment, welches von der Lenkspindel 14 an das Lenkrad 12 gelangt misst. Die gemessenen Daten werden mittels des Bussystems 24 an das dritte Steuergerät 30 weitergeleitet. Dort werden die Daten verarbeitet und zur Unterstützung der Regelung verwendet.
Das Regelungsmodell in Fig. 2 dient zur Veranschaulichung des Regelungsverhaltens des Lenksystems 10. Das Lenkrad 12 wird von einem Fahrer 32 gehalten. Es wirkt somit eine Fahrerimpedanz 34 auf das Lenkrad 12 und die daran angekoppelte Lenkspindel 14. Auf die Fahrerimpedanz 34 kann der Übertagerungssteller 20 Einfluss nehmen, abhängig vom damit ebenfalls verbundenen Unterstützungssteiler 18. Der Unterstützungssteiler 18 ist zum einen an einer Fahrzeugkarosserie 36 gelagert. Zum anderen ist der Unterstützungssteiler 18 mittels der Spurstange 16 mit den Reifen 38 verbunden. Eine Reifenimpedanz wechselwirkt so mit dem Unterstützungssteiler 18.
Dabei bezeichnet kL die Federsteifigkeit der schlaffen Fahrerarme (L = limp), cL die Dämpfungskonstante der schlaffen Fahrerarme, mw die Trägheit des Lenkrads (W = wheel), xw die Position des Lenkrads, k* die Federsteifigkeit des Drehstabs z.B. der
Lenkspinde!, F* das gemessene Torsionsmoment des Drehstabs, xsup die Position des Überlagerungsstellers 20 (sup = superposition), FPS das Moment des Unterstützungsstellers 18 (PS = power steering), mR die Masse der Zahnstange (R = rack), xR die Position der Zahnstange, kT die Federsteifigkeit des Reifens (Latschsteifigkeit) (T = tire), cT die Dämpfungskonstante des Reifens, FF,0,sigma mehrere Parameter, die ein Reibungsmodeil beschreiben, wobei FF,0 = Maximalwert der Reibung an der Zahnstange und sigma = Parameter des Reibungsmodells.
Die dabei zugrunde liegenden Bewegungsgleichungen zeigen vereinfacht die nachfolgenden Formeln:
Figure imgf000012_0001
Um Drehmomentenneutralität für den Fahrer in Gleichung (2) zu erzeugen, muss (ohne weitere Einflüsse) die Lenkradposition konstant bleiben, also gilt:
xw != 0 (3).
Aus der Gleichung (2) folgt, dass F* = 0, d.h.
XR = Xsup (4),
da
Figure imgf000012_0002
Beide Steller werden modelliert, als hätten sie eine Übertragungsgleichung Gi(s), um Ihre Dynamik zu berücksichtigen:
Figure imgf000012_0003
wobei G1 = Übertragungsfunktion Überlagerungssteiler 20, G2 = Übertragungsfunktion des Unterstützungssteller 18 und s = Laplace-Variable.
Aus den Gleichungen (1), (4) und (6) sowie unter Berücksichtigung der Reibung der Räder 38 folgt dann:
Figure imgf000012_0004
um Drehmomentenneutralität am Lenkrad 12 zu erzielen.
Zu dieser Überlegung können ferner folgende Vereinfachungen angewendet werden: Der Unterstützungssteller 18 hat eine hohe Bandbreite im Vergleich zur Dynamik des Systems - G2(s) ist damit ungefähr 1.
Für ein rollendes Rad 38 ist die Schwenkreibung klein - kT ist damit ungefähr 0. Damit ergibt sich für die obige Gleichung (7):
Figure imgf000013_0001
Bezugszeicheniiste
10 Lenksystem
12 Lenkrad
14 Lenkspindel
16 Spurstange
18 Unterstützungssteller
20 Überlagerungssteller
22 Drehmomentsensor
24 Bussystem
26 Steuergerät
28 Steuergerät
30 Steuergerät
32 Fahrer
34 Fahrerimpedanz
36 Fahrzeugkarosserie
38 Rad bzw. Reifen
40 Reifenimpedanz

Claims

Patentansprüche
1. Aktives Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Fahrzeug dient, einem Unterstützungssteiler (18) zum Einleiten eines im Betrag und Vorzeichen variablen Unterstützungs- Moments an dem Lenkgetriebe und einem Überlagerungssteiler (20) zum Überlagern eines im Betrag und Vorzeichen variablen Überlagerungswinkeis an dem Lenkgetriebe,
dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Unterstützungsteller (18) eine Funktion zur Regelung des Radlenkwinkels und mit dem Überlagerungsteller (20) eine Funktion zur Regelung des Handmoments ausgeführt wird.
2. Aktives Lenksystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der U nterstützu ngsstelier (18) und der Überlagerungsteller (20) derart abgestimmt angesteuert sind, dass sich beim Verstellen des Radlenkwinkels mittels des Unterstützungsstellers (18) am Lenkrad (12) mittels des Überlagerungsstellers (20) eine in Bezug auf diese Verstellung drehmomentneutrale Situation ergibt.
3. Aktives Lenksystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination zur Erzeugung der drehmomentneutralen Situation mittels eines Steuergeräts (30) erfolgt.
4. Aktives Lenksystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuergerät (30) mittels eines Bussystems (24) mit dem Überlagerungssteiler (18) und dem Unterstützungssteiler (20) in Kontakt ist.
5. Aktives Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstützungsteller (18) an einer Spurstange (16) des aktiven Lenksystems (10) angeordnet ist.
6. Aktives Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungssteiler (20) an einer Lenkspinde!
(14) des aktiven Lenksystems (10) angeordnet ist.
7. Aktives Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentsensor (22) an einer bzw. der Lenkspindel (14) angeordnet ist.
8. Verwendung eines aktiven Lenksystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Kraftfahrzeug.
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