WO2022218623A1 - Fahrermoment- und lenkwinkelmessung in einem torque-overlay-steering (tos) - Google Patents

Fahrermoment- und lenkwinkelmessung in einem torque-overlay-steering (tos) Download PDF

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WO2022218623A1
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driver
motor
angle
electric drive
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PCT/EP2022/056326
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Jens-Hauke MÜLLER
Sven Kirschbaum
Original Assignee
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
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Publication date
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    • B62D5/0409—Electric motor acting on the steering column

Definitions

  • TOS Steering
  • the invention relates to a method for determining a driver torque of a power steering assembly for an electrohydraulic power steering of motor vehicles according to the preamble of claim 1, a low-floor vehicle for carrying out such a method, and a power steering assembly for an electrohydraulic power steering of motor vehicles according to the preamble of claim 20.
  • Hydraulically, electrically or electrohydraulically assisted power steering systems are known for assisting the steering of motor vehicles.
  • Such power steering systems are used in light and heavy commercial vehicles, among other things, in such a way that the turning movement of a steering wheel is transmitted to tie rods either directly or indirectly via linkages, depending on the design.
  • Such power steering systems have been known for a long time and are available in many designs.
  • the documents DE 10 2014 106 488 A1 and DE 10 2014 106 493 A1 describe power steering in which the steering assistance is obtained through the use of hydraulics.
  • the electro-hydraulic power steering systems are equipped with various combinations of sensors, such as a "torque and angle sensor” (TAS sensor), in order to be able to differentiate which torque is being applied by the driver through the steering wheel to the steering system, and which torque is being applied by the steering wheel, for example of the electric power steering.
  • a TAS sensor usually includes angle sensors for determining a differential angle between the steering wheel or its input shaft into the power steering and a shaft of the electric drive of the electric power steering.
  • the electric drive is connected to the input shaft via a torsion bar, so that a relative rotation between the input shaft and the electric drive is possible.With the help of the characteristic curve of the torsion bar and the differential angle, the torque that the driver applies to the power steering can be determined.
  • an electro-hydraulic power steering includes hydraulic steering support.
  • hydraulic power steering is connected in series to the output of the electric power steering.
  • the hydraulic power steering also includes two shafts connected by a torsion bar. The two shafts together with the torsion bar form a rotary valve which is used to control the hydraulic fluid. The more the two shafts are twisted in relation to one another, the further the rotary slide valve is open and the more the steering is hydraulically assisted.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrohydraulic power steering system for motor vehicles which is improved over the prior art and has a significantly simplified structure.
  • the object of the invention is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.
  • the object according to the invention is achieved by a low-floor vehicle having the features of claim 14.
  • the object of the invention is achieved by the features of the characterizing part of claim 20.
  • the torsion bar which is already present due to the hydraulic power steering, is used to actuate the rotary slide valve to determine the driver's torque, and no additional torsion bar is required to determine the driver's torque.
  • a large number of mechanical components such as an additional torsion bar, another shaft, bearings, etc. can be saved.
  • additional resources such as a motor sensor, which is usually present on modern electric motors, and using a special controller, the number of sensors that are additionally required to determine the driver's torque can be minimized.
  • the method according to the invention serves to determine a driver's torque of a power steering assembly for an electrohydraulic power steering of motor vehicles.
  • the power steering assembly includes an input shaft for introducing a driver's torque, an output shaft for driving a steering linkage and a torsion bar between the input shaft and output shaft for actuating a rotary slide valve, an electric drive for electric power steering, and a control unit for controlling the electric drive.
  • the method according to the invention provides that a sensor arrangement of the power steering assembly uses the torsion bar to actuate the rotary slide valve to determine an actual torque, and that the control unit determines a driver's torque based on the actual torque.
  • the input shaft is connected to a direction selector of the motor vehicle.
  • the direction selection element is usually a steering wheel and is connected to the input shaft via a steering column.
  • the driver controls the steering wheel by turning a torque - the driver torque - via the input shaft in the power steering assembly. Once the steering has been assisted, the power is passed on via the output shaft to a steering linkage to change the direction of the vehicle.
  • the input shaft is connected to the output shaft via a torsion bar.
  • This assembly is designed as a rotary slide valve for the hydraulic power steering. This means that the input shaft can be rotated relative to the output shaft, with the rotation opening or closing a valve opening, via which the hydraulic fluid is then regulated. The hydraulic fluid is then used for hydraulic power steering.
  • An electric drive can be coupled to the input shaft for additional electric power steering or to influence the steering.
  • a coupling to the output shaft or other shafts that are frictionally connected to the steering linkage is also conceivable.
  • the driver torque is regularly determined to control the electric drive. This is determined using the sensor array that monitors the torsion bar that actuates the rotary valve. If the driver operates the steering wheel, a differential angle between the input shaft and the output shaft is initially established. Together with the characteristic of the torsion bar, this can be converted into the actual torque.
  • Actual Torque is the actual torque applied to the steering linkage. The actual torque can be made up of several components.
  • the driver's torque As a rule, it consists of the driver's torque and the torques from the various steering assistance systems and is directed in the opposite direction to the vehicle's steering resistance.
  • the actual torque can be converted into the driver's torque, taking into account the prevailing torque and, in particular, the torque introduced by the electric drive. This value is then used to control the electric drive.
  • the electric drive preferably includes an electric motor and a transmission.
  • the electric motor is preferably equipped with an internal motor sensor, which measures and outputs motor characteristics. These motor characteristics may include motor current, motor shaft angle, voltage, or similar values.
  • the gearbox is not limited to a specific design and can be Be realized in the form of a spur, planetary, worm or helical gear. Other types of gears can definitely make sense.
  • this is characterized in that the driver torque is also determined based on an assisting torque delivered by the electric drive.
  • the driver's torque must be known in order to be able to control the supporting electric motor. Therefore, the torque, for example, of the electric motor—that is, the support torque—is usually known or can be estimated, so that this torque can be used to calculate the driver's torque.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement uses a TAS system to determine the driver's torque.
  • a TAS system is a sensor arrangement called “torque and angle sensor” and usually includes several angle sensors with which torque and steering angle are measured.
  • a TAS system is attached to the intersection of two shafts and monitors them.
  • the TAS system is attached to the interface between the input shaft and the output shaft and does not require an additional intermediate shaft with an additional torsion bar, as is usually the case.
  • the sensors of the TAS system can be used to measure the torque, the difference angle and the absolute angle of the two shafts.
  • the TAS is preferred -System set up to measure a differential angle between the input shaft and the output shaft and the resulting torque on the torsion bar, an absolute angle of the input shaft and/or an absolute angle of the output shaft.
  • the number of sensors is not limited to the sensors mentioned above. Rather, the Number and type of used Choosing sensors so that both the angle and the torque can be measured.
  • the TAS system of the sensor arrangement preferably comprises several sensors such as torque sensors, and/or angle sensors, and/or sensors for detecting the number of revolutions of the input shaft, with the aim of reliably and precisely detecting the torque and angles according to the application. It is therefore preferred that the sensor arrangement uses a plurality of sensors to determine the actual torque, in particular torque ment sensors and/or angle sensors and/or sensors for the number of revolutions of the input shaft. The number of revolutions of the input shaft is therefore interesting, as this usually corresponds to the number of revolutions of the steering wheel.
  • the TAS system preferably includes a torque sensor for determining the actual torque and/or an absolute angle sensor.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement uses only one sensor for determining the driver's torque, which is designed as an angle sensor, the driver's torque being determined from the data from the angle sensor and the data from a motor sensor included in the electric drive for monitoring of an electric motor of the electric drive is determined.
  • the angle sensor is preferably set up to determine a differential angle between the input shaft and the output shaft. For such a calculation of the driver's torque, the difference angle between the input shaft and the output shaft is detected by the sensor arrangement and combined with the measurement data from the engine sensor.
  • the motor sensor is preferably also an angle sensor. This can be referred to as a motor angle sensor.
  • both the driver's torque can be determined from the differential angle and the characteristic curve of the torsion bar for actuating the rotary slide valve, and the rotational position of a motor shaft of the electric motor can be determined from the angle sensor of the motor sensor of the electric motor.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects the actual torque redundantly.
  • a redundant recording of the actual torque means that the actual torque is recorded based on two different measured values. This is preferably done by redundant sensor design. Since an intervention in the steering of a motor vehicle is relevant to safety, it makes sense to design the sensor arrangement redundantly. In the simplest case, this can be done by providing the sensors of the sensor arrangement twice. However, it can also be useful to provide different sensor types for the same measured value. In this way, a measurement error that would occur due to external circumstances with a specific type of sensor can be detected. It can It can be provided that the electric drive is switched to passive or switched to a safe mode if the measured values are ambiguous.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement is set up in such a way that the actual torque is determined using a differential angle. Determining the actual torque using a difference angle is a good idea, since the actual torque can be calculated using the characteristic curve of the torsion bar.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects a differential angle between the input shaft and the output shaft in order to calculate the actual torque.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects a differential angle between a motor shaft of an electric motor of the electric drive and the output shaft to calculate the driver's torque.
  • This differential angle lends itself to calculation, since the angle of the motor shaft is already known from the motor sensor, and only the angle of the output shaft has to be additionally recorded.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects a differential angle between a shaft of a transmission of the electric drive and the output shaft to calculate the driver's torque. It can also be the case that the sensor arrangement is set up in such a way that a differential angle between a shaft of a transmission of the electric drive and the input shaft is detected in order to calculate the driver's torque.
  • the sensor arrangement may be necessary to add a gearbox to the output shaft in order to increase either the power or the speed. Since a gearbox essentially does not allow any differential angles between the individual gearbox shafts, it is also possible to determine the differential angle for determining the driver torque using a shaft in the gearbox and not necessarily directly on the input or output shaft of the power steering assembly.
  • the gear comprises a worm gear.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects a differential angle between a motor shaft of an electric motor of the electric drive and the input shaft to calculate the driver's torque.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the electric drive exerts a motor torque on the input shaft for steering assistance. It is preferred that the electric drive engages with the input shaft. In this case, the engine torque is transmitted directly from the electric drive to the input shaft.
  • This engine torque can also be used to determine the driver's torque.
  • a further preferred embodiment of the method is correspondingly characterized in that the control unit also determines the driver torque based on the engine torque.
  • the engine torque can be determined in any way.
  • the control unit determines the motor torque based on a measurement of a motor current for operating the electric drive.
  • the measured motor current can be a motor current for operating the electric motor.
  • other variables and in particular other measured variables can also be used to determine the engine torque.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement detects a multi-turn capable steering angle from the angle of a motor shaft of an electric motor of the electric drive and the angle of the output shaft.
  • a steering angle capable of mutiturn is a steering angle that clearly defines where the steering wheel is, even with more than one full turn of the steering wheel. This can be an angle would be from 0 to 360° in combination with an indication of the full revolutions that have already been completed, or an angle indication that does not start again at 0° over 360°, but continues to count upwards.
  • Such angle sensors usually include several sensors that are able to output the desired multi-turn capable steering angle. In order to make additional sensors superfluous, the motor sensor of the electric motor can be used to determine the required information.
  • the multiturn-capable steering angle is preferably detected using the nonius principle.
  • the vernier principle is known from vernier calipers and other measuring devices, for example.
  • the principle can be used by comparing the angle of the motor sensor, which runs from 0 to 360°, in combination with the gear ratio with the angle of the input shaft, which also runs from 0 to 360°.
  • the gear ratio for example, for a motor angle of 73° and an input shaft angle of 169°, the steering wheel must be in the first rotation, while with a motor angle of 17° and an input shaft angle of 169° this is the case steering wheel must be in the second turn.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement uses a computer module to calculate the driver's torque.
  • the data is managed by a separate computer module and determines the driver's torque.
  • a combination of controlling the electric drive and processing the sensor data can also be useful.
  • the computer module is preferably set up to control the electric drive. Other combinations of control devices or data processing modules can be useful.
  • the method is characterized in that the sensor arrangement forwards the measured values recorded by the sensors to a module present in the motor vehicle for calculating the driver's torque.
  • the processing of the sensor data can be taken over by a module already located in the motor vehicle.
  • this can be a module that controls autonomous ferry operations or that already has steering functions is entrusted.
  • any other module with available capacities can also be used.
  • the low-floor vehicle according to the invention is characterized in that it includes a power steering assembly for carrying out the proposed method.
  • the power steering assembly according to the invention is for electrohydraulic power steering of motor vehicles and includes an input shaft for introducing a driver's torque, an output shaft for driving a steering linkage and a torsion bar between the input shaft and output shaft for actuating a rotary slide valve, an electric drive for electric power steering and a sensor arrangement which is set up for this purpose is to determine an actual torque using the torsion bar to actuate the rotary valve.
  • the power steering assembly according to the invention is characterized in that the control unit is set up to determine a driver's torque based on the actual torque.
  • the low-floor vehicle according to the invention and the power steering assembly according to the invention result from the subclaims, which relate to advantageous configurations of the present invention and as such are not to be understood as limiting.
  • the invention also includes combinations of the features of different subclaims, insofar as these are technically possible, even if the subclaims do not relate to one another or if they belong to different claim categories. This also applies to the individual features of the exemplary embodiments discussed below, insofar as these are not recognizable to the person skilled in the art as necessarily belonging to one another.
  • FIG. 1 shows a first embodiment variant of the power steering assembly according to the invention for transmitting a steering movement from a steering wheel (not shown) to a steering linkage (also not shown).
  • This embodiment variant of FIG. 1 can also carry out the method according to the invention.
  • the transmission 7 of the electric drive 10 is connected to the input shaft 2, the transmission 7 being a worm gear in this case.
  • the electric drive 10 further includes the electric motor 3 with motor shaft 4 and motor sensor 8.
  • the torsion bar 5 connects the input shaft 2 to the output shaft 1 in such a way that it allows a certain rotational movement between the two. This is necessary because input shaft 2 and output shaft 1 form a rotary slide valve, which is used to control the hydraulic power steering (not shown here). Rotating the input shaft 2 relative to the output shaft 1 actuates valves which actuate the hydraulic power steering.
  • the steering linkage is in the position desired by the driver and the hydraulic power steering does not introduce any further force into the power steering assembly.
  • the sensor arrangement 6 At the interface of input shaft 2 and output shaft 1 is the sensor arrangement 6, which here, for example, detects the differential angle between input shaft 2 and output shaft 1, which in turn is used to determine the driver's torque.
  • FIG. 2 shows essentially the same power steering assembly as FIG. 1, with the difference that the sensor arrangement only includes an angle sensor which—in contrast to the sensor arrangement 6 of FIG. 1 detecting the differential angle - the absolute angle of the output shaft 1 is detected.
  • the driver of the vehicle operates the steering in manual driving mode. To do this, he turns the steering wheel to specify the desired direction of travel for the vehicle. This rotation of the steering wheel is transmitted to the input shaft 2. As a result, the electric drive 10 rotates at the same time. By moving the electric drive 10, the angle of the motor shaft 4 and thus also the angle of the input shaft 2 can be determined by the motor sensor 8, taking into account the transmission ratio of the transmission 7. It is thus known in which position the steering wheel is located and it is known in which direction the driver wants to steer the vehicle.
  • the electric drive 10 can apply a motor torque in addition to the applied driver torque. This can be directed in such a way that the driver is supported in his turning movement, or it can be directed in the opposite direction, so that an increased torque has to be applied by the driver. In this way, the driver's steering feel can be influenced.
  • a differential angle is initially established between the input shaft 2 and the output shaft 1, since the torsion bar 5 elastically connects the input shaft 2 to the output shaft 1 and the output shaft 1 usually counteracts the rotation, for example through frictional forces of the wheels.
  • the differential angle is set depending on the steering resistance of the wheels or the steering mechanism, which is directly connected to the output shaft 1.
  • the differential angle is recorded directly by the sensor arrangement 6 .
  • the difference angle is determined in that, in addition to the absolute angle of the output shaft 1 from the sensor arrangement 6 , the angle of the input shaft 2 is also known from the motor sensor 8 . Since the input shaft 2 and the output shaft 1 are connected by means of the torsion bar 5 in both exemplary embodiments, the actual torque can be determined in both cases of the torsion bar 5 . The greater the driver's torque in connection with the torque of the electric drive - i.e. the engine torque - the greater this differential angle.
  • Twisting the input shaft in relation to the output shaft causes the hydraulic valves to open, so that hydraulic power steering introduces additional torque into the power steering assembly and supports the driver in turning the steering wheel.
  • the hydraulic power steering engages at a point downstream from the torsion bar 5 , such as the output shaft 1 .
  • the level of the hydraulically introduced torque depends largely on the size of the differential angle. As soon as the hydraulic power steering has turned the output shaft 1 far enough for the differential angle to decrease, the hydraulic valves close again and the hydraulic torque decreases. If the differential angle approaches zero, the valves are also essentially closed and the hydraulic power steering is no longer available.
  • the level of the electrically introduced engine torque can initially be regulated freely by the controller of the electric drive 10 . However, in manual operation it is advisable to use a control that takes into account the differential angle and the measured variables of the motor sensor 8 .
  • the level of the motor torque can be determined via the motor sensor 8 in that the motor voltages or motor currents for operating the electric motor 3 are detected. This engine torque can be calculated together with the detected actual torque of the sensor arrangement 6, so that the driver's torque can be determined. With the torques now known, conclusions can then be drawn as to how strongly the electric power steering should intervene.
  • the hydraulic steering assistance acts and supports the same as in manual operation.
  • the differential angle required to control the hydraulics is again achieved by rotating the input shaft 2 relative to the output shaft 1, but only the electrically introduced torque - i.e. the engine torque - acts on the input shaft 2 and leads to a differential angle.
  • the driver's torque is not available and the electric drive 10 can operate the steering without the driver having to do anything and its movements are supported by the hydraulic steering assistance.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektroantriebs, und dass die Servolenkbaugruppe eine Sensoranordnung am Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Sensoranordnung ein Ist-Drehmoment bestimmt wird und dass die Steuereinheit ein Fahrerdrehmoment mithilfe des Ist-Drehmoments bestimmt.

Description

Fahrermoment- und Lenkwinkelmessung in einem Torque-Overlay-
Steering (TOS)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Niederflurfahrzeug zur Ausführung eines solchen Verfahrens, sowie eine Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 20.
Zur Lenkunterstützung von Kraftfahrzeugen sind hydraulisch, elektrisch oder elektrohydraulisch unterstützte Servolenkungen bekannt. Solche Servolenkungen werden unter anderem in leichten und schweren Nutzfahrzeugen so eingesetzt, dass die Drehbewegung eines Lenkrads je nach Bauart entweder direkt oder indirekt über Gestänge auf Spurstangen übertragen wird.
Derartige Servolenkungen sind seit langem bekannt und in vielfachen Ausführungen erhältlich. So beschreiben beispielsweise die Dokumente DE 10 2014 106 488 Al sowie DE 10 2014 106 493 Al Servolenkungen, bei denen die Lenkunterstützung durch den Einsatz von Hydraulik gewonnen wird.
Dabei sind die elektrohydraulischen Servolenkungen mit diversen Sensorkombinationen wie zum Beispiel einem „Torque and Angle-Sensor" (TAS-Sensor) ausgerüstet, um differenzieren zu können, welches Drehmoment vom Fahrer durch das Lenkrad in das Lenksystem eingebracht wird, und welche Drehmomente von zum Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung stammen. Ein TAS-Sensor umfasst in der Regel Winkelsensoren zur Bestimmung eines Differenzwinkels zwischen Lenkrad bzw. dessen Eingangswelle in die Servolenkung und einer Welle des Elektroantriebs der elektrischen Lenkunterstützung. Der Elektroantrieb ist dabei über einen Torsionsstab mit der Eingangswelle verbunden, so dass eine Relativ-Drehung zwischen Eingangswelle und Elektroantrieb möglich ist. Mithilfe der Kennlinie des Torsionsstabs und des Differenzwinkels kann so das Drehmoment bestimmt werden, welches der Fahrer in die Servolenkung einbringt. Zusätzlich zur elektrischen Unterstützung umfasst eine elektrohydraulische Servolenkung eine hydraulische Len ku nte rstütz u n g . Dazu wird an den Abtrieb der elektrischen Lenkunterstützung eine hydraulische Lenkunterstützung in Reihe geschaltet. Die hydraulische Lenkunterstützung umfasst ebenfalls zwei Wellen, welche durch einen Torsionsstab verbunden sind. Die beiden Wellen bilden zusammen mit dem Torsionsstab ein Drehschieberventil, welches zur Steuerung des Hydraulikfluids verwendet wird. Je stärker die beiden Wellen zueinander verdreht sind, desto weiter ist das Drehschieberventil geöffnet und desto stärker wird die Lenkung hydraulisch unterstützt.
Solche Servolenkungen umfassen jedoch sehr viele Bauteile und Sensoren, und sind somit aufwendig in der Herstellung und der Wartung. Auch wird im Vergleich zu einer rein hydraulischen Servolenkung mehr Bauraum benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrohydraulische Servolenkung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, die einen deutlich vereinfachten Aufbau aufweist.
Bezogen auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Ser- volenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Bezogen auf ein Niederflurfahrzeug zur Ausführung eines solchen Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Niederflurfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bezogen auf eine Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments der Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils genutzt wird, welcher aufgrund der hydraulischen Lenkunterstützung ohnehin vorhanden ist, und kein zusätzlicher Torsionsstab zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments notwendig ist. Dadurch kann eine Vielzahl an mechanischen Bauelementen wie ein zusätzlicher Torsionsstab, eine weitere Welle, Lagerungen usw. eingespart werden. Durch die Nutzung weiterer Ressourcen wie beispielsweise eines Motorsensors, welcher an modernen Elektromotoren in der Regel vorhanden ist, und dem Einsatz einer speziellen Steuerung kann die Anzahl der zusätzlich notwendigen Sensoren zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments minimiert werden.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich mit einer solchen Anordnung besonders kompakte elektrohydraulische Servolenkbaugruppen darstellen lassen, welche von besonderem Interesse bei beengten Platzverhältnissen sind, wie dies beispielsweise in Niederflurfahrzeugen der Fall ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen. Erfindungsgemäß umfasst die Servolenkbaugruppe eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektroantriebs.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine Sensoranordnung der Servolenkbaugruppe mithilfe des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment bestimmt, und dass die Steuereinheit ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment bestimmt.
Die Eingangswelle ist mit einem Richtungswählelement des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Richtungswählelement ist in der Regel ein Lenkrad und über eine Lenksäule mit der Eingangswelle verbunden. Über das Lenkrad leitet der Fahrer durch Drehen ein Drehmoment - das Fahrerdrehmoment - über die Eingangs welle in die Servolenkbaugruppe ein. Nach erfolgter Lenkunterstützung wird die Kraft über die Ausgangswelle an ein Lenkgestänge zur Richtungsänderung des Fahrzeugs weitergegeben.
Die Eingangswelle ist über einen Torsionsstab mit der Ausgangswelle verbunden. Diese Baugruppe ist als Drehschieberventil für die hydraulische Lenkunterstüt zung ausgeführt. Das bedeutet, dass die Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle verdreht werden kann, wobei durch die Verdrehung eine Ventilöffnung geöffnet bzw. geschlossen werden, über welche dann das Hydraulikfluid geregelt wird. Das Hydraulikfluid dient dann der hydraulischen Lenkunterstützung.
Für eine zusätzliche elektrische Lenkunterstützung bzw. eine Lenkbeeinflussung kann ein Elektroantrieb an die Eingangswelle gekoppelt sein. Denkbar ist aber auch eine Kopplung an die Ausgangswelle oder andere Wellen, die im Kraftschluss mit dem Lenkgestänge stehen. Zur Steuerung des Elektroantriebs wird regelmäßig unter anderem das Fahrerdrehmoment bestimmt. Dieses wird mithilfe der Sensoranordnung bestimmt, welche den Torsionsstab zur Betätigung des Drehschieberventils überwacht. Sofern der Fahrer das Lenkrad betätigt, stellt sich zunächst ein Differenzwinkel zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle ein. Dieser kann zusammen mit der Kennlinie des Torsionsstabs in das Ist- Drehmoment umgerechnet werden. Das Ist-Drehmoment ist das tatsächlich auf das Lenkgestänge aufgebrachte Drehmoment. Das Ist-Drehmoment kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen. In der Regel setzt es sich aus dem Fahrerdrehmoment und den Drehmomenten aus den verschiedenen Lenkunterstützungen und ist den Lenkwiderständen des Fahrzeugs entgegengerichtet. Das Ist-Drehmoment kann unter Berücksichtigung der herrschenden Drehmo mente und im speziellen des eingeleiteten Drehmoments des Elektroantriebs in das Fahrerdrehmoment umgerechnet werden. Dieser Wert wird dann zur Regelung des Elektroantriebs herangezogen.
Der Elektroantrieb umfasst vorzugsweise einen Elektromotor und ein Getriebe. Der Elektromotor ist vorzugsweise mit einem internen Motorsensor bestückt, welcher Motorkenndaten misst und ausgibt. Diese Motorkenndaten können der Motorstrom, der Winkel der Motorwelle, die Spannung oder ähnliche Werte umfassen. Das Getriebe ist nicht auf eine bestimmte Bauart festgelegt und kann in Form eines Stirnrad-, Planeten-, Schnecken- oder schrägverzahnten Getriebe realisiert sein. Andere Getriebe-Arten können durchaus sinnvoll sein.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerdrehmoment auch basierend auf einem von dem Elektroantrieb abgegebenen Unterstützungs-Drehmoment bestimmt wird. Für die elektrische Lenkunterstützung in bestimmten Betriebszuständen muss das Fahrerdrehmoment bekannt sein, um die Regelung des unterstützenden Elektromotors zu realisieren. Daher ist üblicherweise das Drehmoment zum Beispiel des Elektromotors - also das Unterstützungs-Drehmoment - bekannt oder kann abgeschätzt werden, so dass dieses Drehmoment zur Berechnung des Fahrerdrehmoments herangezogen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments ein TAS-System verwendet. Ein TAS-System ist eine Sensoranordnung mit Namen „Torque and Angle Sensor" und umfasst in der Regel mehrere Winkelsensoren, mit welchen Drehmoment und Lenkwinkel gemessen wird. Ein TAS-System wird an der Schnittstelle zweier Wellen angebracht und überwacht diese. Das TAS-System ist hier an der Schnittstelle von Eingangswelle und Ausgangswelle angebracht und benötigt, wie normalerweise üblich, keine zusätzlich Zwischenwelle mit zusätzlichem Torsionsstab. Mithilfe der Sensoren des TAS-Systems können das Drehmoment, der Differenzwinkel und der Absolutwinkel der beiden Wellen gemessen werden. Vorzugsweise ist das TAS-System dazu eingerichtet, einen Differenzwinkel zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle und dem daraus resultierenden Drehmoment am Torsionsstab, einen Absolutwinkel der Eingangswelle und/oder einen Absolutwinkel der Ausgangswelle zu messen. Die Sensoranzahl ist dabei nicht auf die zuvor genannten Sensoren festgelegt. Vielmehr sind die Anzahl und Art der eingesetzten Sensoren so zu wählen, dass sowohl die Winkel als auch das Drehmoment gemessen werden kann. Daher umfasst das TAS-System der Sensoranordnung vorzugsweise mehrere Sensoren wie Drehmomentsensoren, und/oder Winkelsensoren, und/oder Sensoren zur Erfassung der Umdrehungsanzahl der Eingangswelle, mit dem Ziel das Drehmoment und die Winkel der Anwendung entsprechend zuverlässig und präzise zu erfassen. Bevorzugt ist daher, dass die Sensoranordnung mehrere Sensoren zur Bestimmung des Ist-Drehmoments verwendet und zwar insbesondere Drehmo- mentsensoren und/oder Winkelsensoren und/oder Sensoren zur Umdrehungszahl der Eingangswelle. Die Umdrehungszahl der Eingangswelle ist daher interessant, da diese meist mit der Umdrehungszahl des Lenkrades übereinstimmt. Vorzugsweise umfasst das TAS-System einen Drehmomentsensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments und/oder einen Absolutwinkelsensor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung nur einen Sensor zu Bestimmung des Fahrerdrehmoments verwendet, welcher als Winkelsensor ausgeführt ist, wobei die Bestimmung des Fahrerdrehmoments aus den Daten des Winkelsensors und den Daten eines von dem Elektroantrieb umfassten Motorsensors zur Überwachung eines Elektromotors des Elektroantriebs bestimmt wird. Bei einer geeigneten Berechnung des Fahrerdrehmoments ist es möglich, die Sensoranordnung auf einen Winkelsensor zu beschränken. Vorzugsweise ist der Winkelsensor zur Ermittlung eines Differenzwinkels zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle eingerichtet. Für eine solche Berechnung des Fahrerdrehmoments wird der Differenzwinkel zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle durch die Sensoranordnung erfasst und mit den Messdaten des Motorsensors kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Motorsensor ebenfalls um einen Winkelsensor. Dieser kann als Motor-Winkelsensor bezeichnet werden. Auf diese Weise kann sowohl das Fahrerdrehmoment aus dem Differenzwinkel und der Kennlinie des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils bestimmt werden als auch aus dem Winkelsensor des Motorsensors des Elektromotors die Rotations-Position einer Motorwelle des Elektromotors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung das Ist-Drehmoment redundant erfasst. Eine redundante Erfassung des Ist-Drehmoments bedeutet, dass das Ist- Drehmoment basierend auf zwei verschiedenen Messwerten erfasst wird. Vorzugsweise erfolgt dies durch redundante Sensorauslegung. Da ein Eingriff in die Lenkung eines Kraftfahrzeugs sicherheitsrelevant ist, bietet es sich an, die Sensoranordnung redundant auszulegen. Dies kann im einfachsten Fall dadurch geschehen, dass die Sensoren der Sensoranordnung doppelt vorgesehen werden. Es kann aber auch sinnvoll sein verschiedene Sensortypen für den gleichen Messwert vorzusehen. So kann ein Messfehler, welcher durch äußere Umstände bei einer bestimmten Art Sensor auftreten würde, detektiert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Elektroantrieb bei uneindeutigen Messwerten passiv geschaltet wird oder in einen sicheren Modus versetzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung so eingerichtet ist, dass das Ist- Drehmoment über einen Differenzwinkel bestimmt wird. Die Bestimmung des Ist- Drehmoments über einen Differenzwinkel bietet sich an, da so mithilfe der Kennlinie des Torsionsstabs das Ist-Drehmoment berechnet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Berechnung des Ist-Drehmoments erfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und der Ausgangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Diesen Differenzwinkel bietet sich zur Berechnung an, da der Winkel der Motorwelle ohnehin durch den Motorsensor bekannt ist, und nur der Winkel der Ausgangswelle zusätzlich erfasst werden muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes des Elektroantriebs und der Ausgangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Es kann auch sein, dass die Sensoranordnung so eingerichtet ist, dass ein Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes des Elektroantriebs und der Eingangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst wird. Es kann je nach Anwendung nötig sein der Ausgangswelle ein Getriebe vorzuschalten, um entweder die Kraft zu oder die Geschwindigkeit zu erhöhen. Da ein Getriebe im Wesentlichen keine Differenzwinkel zwischen den einzelnen Getriebewellen zulässt, ist es auch möglich den Differenzwinkel zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments mithilfe einer Welle im Getriebe zu bestimmen und nicht zwingend direkt an der Eingangs- oder Ausgangswelle der Servolenkbaugruppe. Vorzugsweise umfasst das Getriebe ein Schneckengetriebe. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und der Eingangswelle zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst. Zwischen Motorwelle und Eingangswelle befindet sich in der Regel ein Getriebe oder zumindest eine Kraftschlüssige Verbindung. Diese lässt im Wesentlichen kein Spiel zwischen Motorwelle und der Eingangswelle zu, so dass mithilfe des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes oder der Kraftschlüssigen Verbindung der Differenzwinkel zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments bestimmt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb zur Lenkunterstützung ein Motordrehmoment auf die Eingangswelle ausübt. Bevorzugt ist, dass der Elektroantrieb mit der Eingangswelle in Eingriff steht. In diesem Fall erfolgt die Übertragung des Motordrehmoments also direkt von dem Elektroantrieb auf die Eingangswelle.
Dieses Motordrehmoment kann ebenfalls zur Ermittlung des Fahrerdrehmoments herangezogen werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit das Fahrerdrehmoment auch basierend auf dem Motordrehmoment bestimmt.
Grundsätzlich kann das Motordrehmoment auf beliebige Art und Weise ermittelt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuereinheit das Motordrehmoment basierend auf einer Messung eines Motorstroms zum Betrieb des Elektroantriebs ermittelt. Speziell kann es sich bei dem gemessenen Motorstrom um einen Motorstrom zum Betrieb des Elektromotors handeln. Es können zur Ermittlung des Motordrehmoments aber auch weitere Größen und insbesondere weitere gemessene Größen hinzugezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Multiturn-fähigen Lenkwinkel aus dem Winkel einer Motorwelle eines Elektromotors des Elektroantriebs und dem Winkel der Ausgangswelle erfasst. Ein Mutiturn-fähiger Lenkwinkel ist ein Lenkwinkel, der auch bei mehr als einer ganzen Umdrehung des Lenkrades klar definiert, wo sich das Lenkrad befindet. Dies kann beispielsweise eine Winkelan- gäbe von 0 bis 360° in Kombination mit einer Angabe zu den bereits abgefahrenen vollen Umdrehungen sein, oder eine Winkelangabe, die über 360° nicht wieder bei 0° beginnt, sondern weiter hoch zählt. Solche Winkelsensoren umfassen meist mehrere Sensoren, die in der Lage sind, den gewünschten Multiturn- fähigen Lenkwinkel auszugeben. Um zusätzlich Sensoren entbehrlich zu machen, kann der Motorsensor des Elektromotors genutzt werden, um die benötigte Information zu bestimmen. Vorzugsweise wird der Multiturn-fähige Lenkwinkel mit Hilfe des Nonius-Prinzips erfasst. Das Nonius-Prinzip ist von zum Beispiel Messschiebern und anderen Messeinrichtungen bekannt. In Falle der Servolenkbau- gruppe kann das Prinzip genutzt werden, indem der Winkel des Motorsensors, welcher von 0 bis 360° läuft, in Kombination mit dem Übersetzungsverhältnis mit dem Winkel der Eingangswelle, welcher ebenfalls von 0 bis 360° läuft, verglichen wird. So ergibt sich abhängig vom Übersetzungsverhältnis beispielsweise für einen Motorwinkel von 73° und einen Winkel der Eingangswelle von 169°, dass sich das Lenkrad in der ersten Umdrehung befinden muss, während bei einem Motorwinkel von 17° und einem Winkel der Eingangswelle von 169° sich das Lenkrad in der zweiten Umdrehung befinden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ein Rechner-Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments verwendet. Je nach Komplexität der zu verwaltenden Sensordaten kann es von Vorteil sein, wenn die Daten von einem eigenen Rechner- Modul verwaltet werden und das Fahrerdrehmoment bestimmen. Auch eine Kombination einer Steuerung des Elektroantriebs und der Datenverarbeitung der Sensordaten kann sinnvoll sein. Vorzugsweise ist das Rechner-Modul zur Steuerung des Elektroantriebs eingerichtet. Weitere Kombinationen von Steuergeräten oder Datenverarbeitungs-Modulen können sinnvoll sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung die erfassten Messwerte der Sensoren an ein im Kraftfahrzeug vorhandenes Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments weiterleitet. Um ein weiteres Steuergerät zu vermeiden, kann die Verarbeitung der Sensordaten von einem bereits im Kraftfahrzeug befindlichem Modul übernommen werden. Dies kann Beispielsweise ein Modul sein, welches einen autonomen Fährbetrieb steuert oder bereits mit Funktionen zur Lenkung betraut ist. Es ist aber auch jedes andere Modul mit verfügbaren Kapazitäten verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Niederflurfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Servolenkbaugruppe zur Ausführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens umfasst.
Die erfindungsgemäße Servolenkbaugruppe ist für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen und umfasst eine Eingangswelle zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zur Betäti gung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb zur elektrischen Lenkunterstützung und eine Sensoranordnung, welche dazu eingerichtet ist, mithilfe des Torsionsstabs zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment zu bestimmen.
Die erfindungsgemäß Servolenkbaugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment zu bestimmen.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Niederflurfahrzeugs und der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe ergeben sich aus den Unteransprüchen, die sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beziehen und als solche nicht einschränkend zu verstehen sind. Von der Erfindung mit umfasst sind auch Kombinationen der Merkmale verschiedener Unteransprüche, soweit diese technisch möglich sind, auch wenn sich die Unteransprüche nicht aufeinander beziehen oder wenn diese verschiedenen Anspruchskategorien zugehören. Dies gilt auch für die einzelnen Merkmale der nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiele, soweit diese nicht für den Fachmann als zwingend zueinander gehörig erkennbar sind.
Die nachstehend wiedergegebenen Ausführungsbeispiele sind dazu vorgesehen, dem Fachmann die Erfindung näher zu erläutern. Die Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1: eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2: eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Servolenkbaugruppe zur Übertragung einer Lenkbewegung von einem Lenkrad (nicht dargestellt) an ein Lenkgestänge (ebenfalls nicht dargestellt). Diese Ausführungsvariante der Fig. 1 kann auch das erfindungsgemäße Verfahren ausführen.
Das Fahrerdrehmoment wird über das Lenkrad durch die Eingangswelle 2 in die Servolenkbaugruppe eingebracht. Mit der Eingangswelle 2 ist das Getriebe 7 des Elektroantriebs 10 verbunden, bei welchem Getriebe 7 es sich hier um ein Schneckengetriebe handelt. Der Elektroantrieb 10 umfasst dabei weiter den Elektromotor 3 mit Motorwelle 4 und Motorsensor 8. Der Torsionsstab 5 verbindet die Eingangswelle 2 mit der Ausgangswelle 1 in der Weise, dass er eine gewisse Drehbewegung zwischen den beiden zulässt. Dies ist nötig, da Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 ein Drehschieberventil bilden, welches zur Steuerung der hydraulischen Lenkunterstützung (hier nicht dargestellt) dient. Durch eine Verdrehung der Eingangswelle 2 gegenüber der Ausgangswelle 1 werden Ventile betätigt, welche die hydraulische Lenkunterstützung betätigen. Sobald die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 1 einen Differenzwinkel im Wesentlichen 0° aufweisen, steht das Lenkgestänge in der vom Fahrer gewünschten Position und die hydraulische Lenkunterstützung leitet keine weitere Kraft in die Servolenkbaugruppe ein. An der Schnittstelle von Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 befindet sich die Sensoranordnung 6, welche hier beispielhaft den Differenzwinkel zwischen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 erfasst, welcher wiederum zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments genutzt wird.
Das in der Fig. 2 abgebildete Ausführungsbeispiel zeigt die im Wesentlichen gleiche Servolenkbaugruppe wie die Fig. 1, mit dem Unterschied, dass die Sensoranordnung nur noch einen Winkelsensor umfasst, welcher - im Gegensatz zu der den Differenzwinkel erfassenden Sensoranordnung 6 der Fig. 1 - den Absolutwinkel der Ausgangswelle 1 erfasst.
Für beide Ausführungsbeispiele gilt, dass in einem manuellen Fährbetrieb der Fahrer des Fahrzeugs die Lenkung bedient. Dazu dreht er an dem Lenkrad, um die gewünschte Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorzugeben. Diese Drehbewegung des Lenkrads wird auf die Eingangswelle 2 übertragen. Dadurch dreht sich gleichzeitig der Elektroantrieb 10 mit. Durch das Bewegen des Elektroantriebs 10 kann durch den Motorsensor 8 der Winkel der Motorwelle 4 und damit auch unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 7 der Winkel der Eingangswelle 2 bestimmt werden. Somit ist bekannt, in welcher Position sich das Lenkrad befindet und es ist bekannt in welche Richtung der Fahrer das Fahrzeug lenken möchte.
Der Elektroantrieb 10 kann zusätzlich zum aufgebrachten Fahrerdrehmoment ein Motordrehmoment aufbringen. Dies kann so gerichtet sein, dass der Fahrer in seiner Drehbewegung unterstützt wird, oder es kann entgegen gerichtet sein, so dass ein erhöhtes Drehmoment vom Fahrer aufgebracht werden muss. Auf diese Weise kann das Lenkgefühl des Fahrers beeinflusst werden.
Durch das Drehen der Eingangswelle 2 stellt sich zunächst ein Differenzwinkel zwischen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 ein, da der Torsionsstab 5 die Eingangswelle 2 mit der Ausgangswelle 1 elastisch verbindet und die Ausgangswelle 1 in der Regel durch zum Beispiel Reibungskräfte der Räder der Drehung entgegenwirkt. Der Differenzwinkel stellt sich in Abhängigkeit des Lenkwiderstands der Räder bzw. der Lenkmechanik ein, welche direkt mit der Ausgangswelle 1 verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird der Differenzwinkel dabei durch die Sensoranordnung 6 direkt erfasst. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird der Differenzwinkel dadurch ermittelt, dass neben dem Absolutwinkel der Ausgangswelle 1 durch die Sensoranordnung 6 auch der Winkel der Eingangswelle 2 durch den Motorsensor 8 bekannt ist. Da in beiden Ausführungsbeispielen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 1 mittels des Torsionsstabs 5 verbunden sind, kann in beiden Fällen des Torsionsstabs 5 das Ist-Drehmoment bestimmt werden. Je größer das Fahrerdrehmoment in Verbindung mit dem Drehmoment des Elektroantriebs - also dem Motordrehmoment - ist, desto größer ist auch dieser Differenzwinkel. Die Verdrehung der Eingangswelle zur Ausgangswelle führt zu einem Öffnen der Hydraulikventile, so dass eine hydraulische Lenkunterstützung ein zusätzliches Drehmoment in die Servolenkbaugruppe einleitet und den Fahrer in seiner Drehbewegung am Lenkrad unterstützt. Die hydraulische Lenkunterstützung greift dabei an einer dem Torsionsstab 5 nachgeordneten Stelle wie beispielsweise der Ausgangswelle 1 an. Die Höhe des hydraulisch eingeleiteten Drehmoments hängt dabei maßgeblich von der Größe des Differenzwinkels ab. Sobald die hydraulische Lenkunterstützung die Ausgangswelle 1 so weit gedreht hat, dass der Differenzwinkel kleiner wird, schließen sich die hydraulischen Ventile wieder und das hydraulische Drehmoment wird geringer. Sofern der Differenzwinkel gegen Null geht, sind auch die Ventile im Wesentlichen geschlossen und die hydraulische Lenkunterstützung nicht mehr vorhanden.
Die Höhe des elektrisch eingeleiteten Motordrehmoments kann zunächst frei von der Steuerung des Elektroantriebs 10 geregelt werden. Jedoch empfiehlt sich im manuellen betrieb eine Regelung unter Berücksichtigung des Differenzwinkels sowie den Messgrößen des Motorsensors 8 zu verwenden. Über den Motorsensor 8 kann die Höhe des Motordrehmoments bestimmt werden, indem die Motorspannungen bzw. Motorströme zum Betrieb des Elektromotors 3 erfasst werden. Dieses Motordrehmoment kann zusammen mit dem erfassten Ist-Drehmoment der Sensoranordnung 6 verrechnet werden, so dass das Fahrerdrehmoment bestimmt werden kann. Mit den nun bekannten Drehmomenten kann dann darauf geschlossen werden, wie stark die elektrische Lenkunterstützung eingreifen soll.
In einem autonomen Fährbetrieb agiert und unterstützt die hydraulische Lenkunterstützung genauso wie im manuellen Betrieb. Der benötigte Differenzwinkel zur Ansteuerung der Hydraulik wird wieder durch das Verdrehen der Eingangswelle 2 relativ zur Ausgangswelle 1 erreicht, jedoch greift lediglich das elektrisch eingeleitete Drehmoment - also das Motordrehmoment - an der Eingangswelle 2 an und führt zu einem Differenzwinkel. Das Fahrerdrehmoment ist nicht vorhanden und der Elektroantrieb 10 kann die Lenkung ohne Zutun des Fahrers bedienen und wird durch die hydraulische Lenkunterstützung in seinen Bewegungen unterstützt. Bezugszeichenliste
1 Ausgangswelle
2 Eingangswelle 3 Elektromotor
4 Motorwelle
5 Torsionsstab
6 Sensoranordnung
7 Getriebe 8 Motorsensor
9 Steuereinheit
10 Elektroantrieb

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerdrehmoments einer Servolenkbau- gruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, wobei die Servolenkbaugruppe eine Eingangswelle (2) zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle (1) zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab (5) zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb (10) zur elektrischen Lenkunterstützung, sowie eine Steuereinheit (9) zur Ansteuerung des Elektroantriebs (10) umfasst und wobei eine Sensoranordnung (6) der Servolenkbaugruppe mithilfe des Torsionsstab (5) zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment bestimmt.
2. Verfahren gemäß , dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerdrehmoment auch basierend auf einem von dem Elektroantrieb (10) abgegebenen Unterstützungs-Drehmoment bestimmt wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) zur Bestimmung des Ist- Drehmoments ein TAS-System verwendet, vorzugsweise dass die Sensoranordnung (6) mehrere Sensoren, insbesondere Drehmomentsensoren, und/oder Winkelsensoren, und/oder Sensoren zur Erfassung der Umdrehungsanzahl der Eingangswelle (2), zur Bestimmung des Ist- Drehmoments verwendet.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das TAS- System einen Drehmomentsensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments und/oder einen Absolutwinkelsensor umfasst.
5. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, , dadurch gekenn zeichnet, dass die Sensoranordnung (6) nur einen Sensor zur Bestimmung des Ist-Drehmoments verwendet, welcher als Winkelsensor ausgeführt ist, wobei die Bestimmung des Fahrerdrehmoments aus den Daten des Winkelsensors und den Daten eines von dem Elektroantrieb (10) umfassten Motorsensors (8) zur Überwachung eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) das Ist-Drehmoment redundant erfasst, vorzugsweise durch redundante Sensorauslegung.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) so eingerichtet ist, dass das Ist-Drehmoment über einen Differenzwinkel bestimmt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Ist-Drehmoments erfasst.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und der Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Welle eines Getriebes (7) des Elektroantriebs (10) und der Ausgangswelle (1) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
11. Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) ein Schneckengetriebe umfasst.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Differenzwinkel zwischen einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und der Eingangswelle (2) zur Berechnung des Fahrerdrehmoments erfasst.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb (10) zur Lenkunterstützung ein Motordrehmoment auf die Eingangswelle (2) ausübt, vorzugsweise, dass der Elektroantrieb (10) mit der Eingangswelle (2) in Eingriff steht.
14. Verfahren gemäß Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) das Fahrerdrehmoment auch basierend auf dem Motordrehmoment bestimmt.
15. Verfahren gemäß Patentanspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) das Motordrehmoment basierend auf einer Messung eines Motorstroms zum Betrieb des Elektroantriebs (10), insbesondere zum Betrieb des Elektromotors (3), ermittelt.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) einen Multiturn-fähigen Lenkwinkel aus dem Winkel einer Motorwelle (4) eines Elektromotors (3) des Elektroantriebs (10) und dem Winkel der Ausgangswelle (1) erfasst, vorzugsweise den Multiturn-fähigen Lenkwinkel mit Hilfe des Nonius- Prinzips erfasst.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) ein Rechner-Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments verwendet.
18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6) die erfassten Messwerte der Sensoren an ein im Kraftfahrzeug vorhandenes Modul zur Berechnung des Fahrerdrehmoments weiterleitet.
19. Niederflurfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederflurfahrzeug eine Servolenkbaugruppe zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfasst.
20. Servolenkbaugruppe für eine elektrohydraulische Servolenkung von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Eingangswelle (2) zur Einleitung eines Fahrerdrehmoments, eine Ausgangswelle (1) zum Antrieb eines Lenkgestänges und einen Torsionsstab (5) zwischen Eingangswelle (2) und Ausgangswelle (1) zur Betätigung eines Drehschieberventils, einen Elektroantrieb (10) zur elektrischen Lenkunterstützung, eine Steuereinheit (9) zur Ansteuerung des Elektroantriebs (10) und eine Sensoranordnung (6), welche dazu eingerichtet ist mithilfe des Torsionsstabs (5) zur Betätigung des Drehschieberventils ein Ist-Drehmoment zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) dazu eingerichtet ist, ein Fahrerdrehmoment basierend auf dem Ist-Drehmoment zu bestimmen.
PCT/EP2022/056326 2021-04-16 2022-03-11 Fahrermoment- und lenkwinkelmessung in einem torque-overlay-steering (tos) WO2022218623A1 (de)

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