DE102005003180B4

DE102005003180B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduzierung von Fehlanregungen am Lenkrad

Info

Publication number: DE102005003180B4
Application number: DE102005003180.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brosig; Dr. Sedlan Konstantin; Andreas Marx
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: FR2880860A1; US20060180369A1; FR2880860B1; US8090502B2; DE102005003180A1

Abstract

Vorrichtung zur Reduzierung von Fehlanregungen (16) an einem Lenkrad (2) umfassend eine Sensorik, wobei mittels der Sensorik eine Fehlanregung an einem Lenkrad (2) und/oder einem Lenkgetriebe (4) erfassbar ist,
mindestens eine Regelungseinheit (13.1), wobei in der Regelungseinheit (13.1) auf Basis der erfassten Fehlanregung (16) ein Zusatzlenkmoment (τ) generierbar ist, und mindestens einen Servomotor (9), durch welchen das Zusatzlenkmoment (τ) auf das Lenkgetriebe (4) aufbringbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Regelungseinheit (13.1) die zu kompensierende Fehlanregung (16) quantitativ und/oder qualitativ auswertbar ist, wobei mindestens ein Grenzwert definiert ist und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlereintrag in eine Überwachungseinheit schreibbar ist und/oder ein Fahrer durch ein optisches und/oder akustisches Signal warnbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zur Reduzierung von Fehlanregungen am Lenkrad.
In herkömmlichen Fahrzeugen sind die gelenkten Vorderräder mechanisch mit dem Lenkrad gekoppelt. Beim Fahren kann es daher aufgrund einer Unwucht am Fahrzeugrad, Straßenschäden und/oder aufgrund verschlissener Bremsscheiben zu einer hochfrequenten Schwingungsanregung des Lenkrads mit einer geringen Amplitude kommen. Diese Schwingungsanregung wirkt sich für einen Fahrer negativ auf den Fahrkomfort aus.
Es ist daher allgemein bekannt, an der Lenkung aktive oder passive Dämpfungssysteme vorzusehen. Passive Dämpfungssysteme, beispielsweise durch Blattfedern und Anschläge, haben den Nachteil, dass sie nach einem Einbau nicht mehr veränderbar sind. Aus der DE 196 44 528 C1 ist ein aktiver Lenkungsdämpfer bekannt, wobei beim Auftreten eines Stoßes die Dämpfungskraft während der Stoßdauer auf einen sehr hohen Wert verstellt wird. Hierfür sind an radnahen Lenkgetriebeelementen Stoßsensoren angeordnet. Basierend auf den Sensorsignalen wird ein Signal generiert, durch welches verzögerungsarme Lenkungsdämpfungselemente für einen kurzen Zeitraum aktiviert werden. Für die Funktion eines derartigen Dämpfungssystems ist eine sehr schnelle Signalübertragung notwendig. Zudem sind separate Stoßsensoren erforderlich.
Aus der DE 103 17 991 A1 ist ein System zur Verminderung von Fehlanregungen am Lenkrad bekannt, wobei ein Lenkradwinkel und ein Radstellungswinkel durch Sensoren erfasst werden. Durch eine Auswerteeinheit wird eine Phasenverschiebung zwischen dem Verlauf des Lenkradwinkels und dem Verlauf des Radstellungswinkels erfasst und in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ein Stellsignal zur Dämpfungserhöhung in der Lenkung generiert. Die Erhöhung der Dämpfung erfolgt durch einen zuschaltbaren Lenkungsdämpfer, der durch das Stellsignal aktivierbar und deaktivierbar ist Das System nutzt dabei vorteilhafterweise die Sensorik weiterer bereits im Fahrzeug integrierter Programme zur Regelung der Fahrzeugdynamik wie ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) und/oder eine elektromechanische Lenkunterstützung (EPS).
Aus der DE 102 35 039 A1 und der FR 2 837 161 B1 ist jeweils eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fehlanregungen an einem Lenkrad bekannt, umfassend eine Sensorik, wobei mittels der Sensorik eine Fehlanregung an einem Lenkrad und/oder einem Lenkgetriebe erfassbar ist, mindestens eine Regelungseinheit, wobei in der Regelungseinheit auf Basis der erfassten Fehlanregung ein Zusatzlenkmoment generierbar ist, und mindestens einen Servomotor, durch welchen das Zusatzlenkmoment auf das Lenkgetriebe aufbringbar ist.
Aus der DE 103 60 582 A1 ist eine elektromechanische Lenkung eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit zumindest Mitteln zum Erfassen von vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomenten, Mitteln zum Erfassen von Hilfsmomenten mindestens eines elektrischen Servomotors der Lenkung und/oder eines Lenkstroms des mindestens einen elektrischen Servomotors. Weiter weist die elektromechanische Lenkung eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung auf, die zumindest in Abhängigkeit der erfassten Werte mindestens einen charakteristischen Kennwert als mindestens einen Schädigungsgrad ermittelt und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schädigungsgrads ein Ausgabesignal und/oder eine akustische und/oder optische und/oder haptische Informationsausgabe erzeugt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung von Fehlanregungen zu schaffen, durch welche ein Fahrkomfort erreicht wird und die Ursachen der Fehleranregung berücksichtigt werden.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierfür wird mittels einer Sensorik eine Fehlanregung an einem Lenkrad und/oder einem Lenkgetriebe erfasst und auf Basis der erfassten Fehlanregung in einer Regelungseinheit ein Zusatzlenkmoment generiert, welches durch einen Servomotor zusätzlich auf das Lenkgetriebe aufgebracht wird. Eine erwartete Fehlanregung des Lenkrads aufgrund einer Unwucht am Fahrzeugrad, Straßenschäden und/oder aufgrund verschlissener Bremsscheiben kann radnah erfasst werden. Durch die Überlagerung der Fehlanregung mit dem Zusatzlenkmoment wird die Fehlanregung am Lenkrad reduziert und bestenfalls kompensiert. Der Servomotor wirkt dabei als aktives Dämpfungselement. Der Servomotor ist derart auszubilden, dass hochfrequente Anregungen aufbringbar sind. Vorzugsweise wird der Servomotor einer elektromechanischen Lenkung genutzt, so dass keine zusätzlichen Geräte-Anforderungen gegeben sind. Eine Anregung des Lenkgetriebes und/oder des Lenkrads ist durch Auswertung eines Radstellungswinkels, eines Lenkwinkels oder Lenkmoments am Lenkrad oder ähnliche Größen ermittelbar.
Dabei erfolgt eine quantitative Auswertung der zu kompensierenden Fehlanregung, wobei mindestens ein Grenzwert definiert wird und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlereintrag in eine Überwachungseinheit geschrieben wird und/oder ein Fahrer durch ein optisches und/oder akustisches Signal gewarnt wird. Die Reduzierung der Fehlanregung am Lenkrad durch Aufschalten eines Zusatzlenkmoments erhöht den Fahrkomfort. Ursachen, welche zu der Fehlanregung führen, werden jedoch nicht behoben. Ursächlich kann unter anderem auch ein defekter Reifen sein. Ohne eine aktive Dämpfung hat der defekte Reifen eine Anregung des Lenkrads als Folge, so dass der Defekt für den Fahrer erkennbar ist. Aufgrund der Dämpfung durch Überlagerung kann der Fahrer jedoch nicht auf gewohnte Weise eine Beschädigung des Rades feststellen. Die Beschädigung wird daher anhand des aufzubringenden Zusatzlenkmoments und/oder der Höhe der erfassten Fehlanregung bewertet. Bei Überschreiten eines Grenzwerts werden geeignete Maßnahmen ergriffen.
In einer Ausbildungsform werden durch einen Filter niederfrequente Anregungen an dem Lenkrad und/oder dem Lenkgetriebe für eine Ansteuerung des Servomotors durch das Zusatzlenkmoment ausgenommen. Dadurch wird verhindert, dass aufgrund der Reduzierung der Fehlanregungen ein Eigenverhalten der Lenkung beeinträchtigt wird. Der Filter kann dabei vor der Regelungseinheit oder nach der Regelungseinheit angeordnet werden oder als Software-Filter mit dieser gemeinsam ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Sensorik eine Winkelstellung des Rotors des Servomotors einer elektromechanischen Lenkung und/oder das Lenkmoment des Lenkrades erfasst, wobei die Sensorsignale aus einer elektromechanischen Lenkunterstützung (EPS) abgegriffen werden. Die Erfindung nutzt dabei in vorteilhafterweise bereits im Fahrzeug vorhandene Sensoreinrichtungen der elektromechanischen Lenkunterstützung. Die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Winkelstellung des Rotors ist dabei im Regelfall hochauflösend, so dass hochfrequente Fehlanregungen gut erfassbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Sensorik ein Lenkradwinkel erfasst, wobei die Sensorsignale aus einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) abgegriffen werden. Die Erfindung nutzt dabei in vorteilhafterweise bereits im Fahrzeug vorhandene Signale des elektronischen Stabilitätsprogramms.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Fehlanregung über eine Detektion erkannt und bei einer erkannten Fehlanregung ein Stellsignal generiert, wobei die Regelungseinheit aufgrund des Stellsignals zu- oder abschaltbar ist. Mittels der Detektion soll verhindert werden, dass ein Eigenverhalten durch zu frühes Aufschalten eines Zusatzlenkmoments beeinträchtigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Gleiche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen:
1 schematische Darstellung einer Lenkung für ein Fahrzeug mit einem System zur Reduzierung einer Fehlanregung eines Lenkrads und
2 ein Blockschaltbild des Systems zur Reduzierung der Fehlanregung des Lenkrads.
1 zeigt schematisch eine als elektromechanische Lenkung ausgebildete Lenkung 1 eines Kraftfahrzeugs. Die Lenkung 1 umfasst ein Lenkrad 2, das über eine Lenkspindel 3 mit einem Lenkgetriebe 4 mechanisch gekoppelt ist. Ein am Lenkrad 2 eingebrachter Lenkbefehl wird über die Lenkspindel 3 und das Lenkgetriebe 4 auf eine Zahnstange 5 übertragen. Die Zahnstange 5 ist mit Spurstangen 6 gekoppelt, die jeweils an einem Radträger 7 angreifen. Die Radtäger 7 lagern die Fahrzeugräder 8.
Die Lenkung 1 umfasst weiter einen Servomotor 9 für eine elektromechanische Lenkunterstützung (EPS). Der Servomotor 9 wird für eine Lenkunterstützung in Abhängigkeit eines Torsionsmoments der Lenkspindel 3 angesteuert. Die Lenkspindel 3 ist hierfür mit einem Torsionssensor als Sensoreinrichtung 10 ausgebildet.
Die Lenkung 1 ist erfindungsgemäß mit einem System als Sensorik zur Kompensation von Fehlanregungen an dem Lenkrad 2 ausgebildet, umfassend eine Sensorik, wobei mittels der Sensorik eine Fehlanregung an einem Lenkrad und/oder einem Lenkgetriebe erfassbar ist.
In der dargestellten Ausführungsform nutzt das System hierfür die Sensoreinrichtungen 10, 11, 12 der elektromechanischen Lenkunterstützung und eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP). Für das System zur Kompensation von Fehlanregungen werden dabei die entsprechenden Informationen aus der elektromechanischen Lenkunterstützung und dem elektronischen Stabilitätsprogramm abgegriffen. Das Lenkmoment des Lenkrads 2 ist durch die Sensoreinrichtung 10 erfassbar. Mittels der Sensoreinrichtung 12 ist eine Winkelstellung des Rotors des Servomotors 9 und damit indirekt ein Radstellungswinkel β erfassbar. Durch die Sensoreinrichtung 11 des elektronischen Stabilitätsprogramms ist ein Lenkradwinkel α erfassbar.
Daneben ist es denkbar, weitere Sensorik in die Lenkung 1 zu integrieren. Beispielsweise könnte der Radstellungswinkel β direkt durch eine geeignete Sensorik erfasst werden. Dies hätte den Vorteil, dass Fehlanregungen des Lenkrads am Ort des Entstehens und dadurch schnell und eindeutig erkennbar wären.
Die Signale der Sensoreinrichtungen 10, 11, 12 werden einer Auswerteeinheit 13 zugeführt. In der Auswerteeinheit 13 erfolgt eine Auswertung der Signale. Wird eine Fehlanregung des Lenkrads 2 durch die Auswerteeinheit detektiert, so wird ein Zusatzlenkmoment τ generiert und dieses auf den Servomotor 9 aufgebracht.
2 zeigt schematisch eine Fehlanregung des Lenkrads 2 und deren Reduzierung. Die Darstellung lässt sich in die drei Teile Störung oder Fehlanregung I, Lenkung oder System II und Reduzierung III unterteilen.
Eine Fehlanregung 16 beruht auf periodischen Störungen 14, welche über ein Fahrwerk 15 auf das Lenkrad 2 übertragen werden. Das Fahrwerk 15 umfasst die in 1 dargestellten Elemente Lenkspindel 3, Lenkgetriebe 4, Zahnstange 5, Spurstangen 6, Radträger 7 und Fahrzeugräder 8. Das Fahrwerk 15 wirkt als Übertragungsglied. Eigenschaften des Fahrwerks 15 haben einen starken Einfluss auf die resultierende Fehlanregung 16 des Lenkrads 2. So kann beispielsweise die Störung 14 eine Anregung der Eigenfrequenz des Fahrwerks 15 als Folge haben. Im Regelfall wirkt jedoch das Fahrwerk 15 als Filter auf die Störung 14. Das Lenkrad 2 wird durch die resultierende Fehlanregung 16 angeregt.
Die Reduzierung der Fehlanregung 16 erfolgt mittels der Auswerteeinheit 13, umfassend eine Regelungseinheit 13.1, einen Filter 13.2 und eine Detektion 13.3. Die einzelnen Elemente können auf einem gemeinsamen Bauteil und/oder auf getrennten Bauteilen realisiert sein.
Die Fehlanregung 16 des Lenkrads 2 ist durch die bereits in 1 erläuterten Sensoreinrichtungen 10, 11, 12 erkennbar. Hierfür werden die Signale der Detektion 13.3 zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Detektion 13.3 derart konfiguriert, dass zwischen dem Verlauf den Lenkradwinkels α und dem Verlauf des Radstellungswinkels β eine Phasenverschiebung ermittelt wird. Anhand eines Voreilens des Radstellungswinkels β gegenüber dem Lenkradwinkel α wird eine Fehlanregeung erkannt und ein Stellsignal s erzeugt. Das Stellsignal wird der Regelungseinheit 13.2 zugeführt, welche aufgrund des Stellsignals s aktiviert oder deaktiviert wird. Eine Aktivierung erfolgt, wenn eine Fehlanregung erkannt wurde.
Die Regeleinheit 13.1 generiert im aktivierten Zustand ein Zusatzlenkmoment τ, welches durch den in 1 dargestellten Servomotor 9 auf das Lenkgetriebe 4 und damit auf das Lenkrad 2 aufgebracht wird. Das Zusatzlenkmoment τ wird in Abhängigkeit der Signale der Sensoreinrichtungen 10, 11, 12 generiert.
Um die Lenkung im Eigenverhalten möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist es notwendig, nur hochfrequente Fehlanregungen durch das Zusatzlenkmoment τ zu kompensieren. Der Regelungseinheit 13.1 ist zu diesem Zweck ein Filter 13.2 vorgeschaltet, welcher die niederfrequenten Anteile aus den Signalen der Sensoreinrichtungen 10, 11, 12 unterdrückt. Der Filter 13.2 kann in einer anderen Ausführungsform auch nach der Regelungseinheit 13.1 angeordnet werden, wobei nicht die Eingangssignale der Regelungseinheit 13.1, sondern das Ausgangssignal gefiltert werden.
Für die Reduzierung der Fehlanregung 16 werden drei Stufen unterschieden. In einer ersten Stufe werden die periodischen Fehlanregungen 16 durch das Zusatzlenkmoment τ reduziert. Dadurch lässt sich der Fahrkomfort deutlich steigern. Ein für die Fehlanregung 16 eventuell ursächlicher Fehler wird jedoch nicht behoben. Überschreitet die Dauer und/oder die Höhe der Fehlanregungen 16 einen im Vorfeld festgelegten Grenzwert, so ist dies im Regelfall nicht auf externe Einflüsse wie Straßenschäden, sonden auf einen Fehler am Fahrzeug zurückzuführen. In einer zweiten Stufe wird daher zusätzlich zu einer Aufschaltung des Zusatzlenkmoments τ ein Fehlersignal in eine Überwachungseinheit des Fahrzeugs geschrieben. Die Überwachungseinheit ist bei einer Inspektion auslesbar und die nur bei der Fahrt auftretende Fehlanregung 16 in der Werkstatt erkennbar. Die Ursache des Fehlers ist dann durch geeignete Maßnahmen behebbar. In einer dritten Stufe erfolgt eine sofortige Warnung des Fahrers. Diese ist beispielsweise notwendig, wenn die Fehlanregung 16 einen festgelegten kritischen Grenzwert überschreitet, so dass eine sichere Weiterfahrt gefährdet ist.

Claims

Vorrichtung zur Reduzierung von Fehlanregungen (16) an einem Lenkrad (2) umfassend eine Sensorik, wobei mittels der Sensorik eine Fehlanregung an einem Lenkrad (2) und/oder einem Lenkgetriebe (4) erfassbar ist, mindestens eine Regelungseinheit (13.1), wobei in der Regelungseinheit (13.1) auf Basis der erfassten Fehlanregung (16) ein Zusatzlenkmoment (τ) generierbar ist, und mindestens einen Servomotor (9), durch welchen das Zusatzlenkmoment (τ) auf das Lenkgetriebe (4) aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelungseinheit (13.1) die zu kompensierende Fehlanregung (16) quantitativ und/oder qualitativ auswertbar ist, wobei mindestens ein Grenzwert definiert ist und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlereintrag in eine Überwachungseinheit schreibbar ist und/oder ein Fahrer durch ein optisches und/oder akustisches Signal warnbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Filter (13.2), wobei durch den Filter (13.2) niederfrequente Anregungen an dem Lenkrad (2) und/oder dem Lenkgetriebe (4) für eine Ansteuerung des Servomotors (9) durch das Zusatzlenkmoment (τ) ausnehmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Sensoreinrichtung (12) der Sensorik eine Winkelstellung des Rotors des Servomotors (9) einer elektromechanischen Lenkung und/oder durch eine Sensoreinrichtung (10) der Sensorik das Lenkmoment des Lenkrades (2) erfassbar ist, wobei die Sensorsignale der Sensoreinrichtungen (12, 10) aus einer elektromechanischen Lenkunterstützung abgegriffen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Sensoreinrichtung (11) der Sensorik ein Lenkradwinkel (α) erfassbar ist, wobei die Sensorsignale der Sensoreinrichtung (11) aus einem elektronischen Stabilitätsprogramm abgegriffen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Detektion (13.3), wobei eine Fehlanregung (16) mittels der Detektion (13.3) erkennbar ist und die Detektion (13.3) bei einer erkannten Fehlanregung (16) ein Stellsignal (s) generiert, wobei ein Aufbringen des Zusatzlenkmoments (τ) aufgrund des Stellsignals (s) zu- oder abschaltbar ist.
Verfahren zur Reduzierung von Fehlanregungen (16) an einem Lenkrad (2), wobei mittels einer Sensorik eine Fehlanregung (16) an einem Lenkrad (2) und/oder einem Lenkgetriebe (4) erfassbar ist, wobei in einer Regelungseinheit (13.1) auf Basis der erfassten Fehlanregung (16) ein Zusatzlenkmoment (t) generiert wird und durch einen Servomotor (9) das Zusatzlenkmoment (τ) auf das Lenkgetriebe (4) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelungseinheit (13.1) die zu kompensierende Fehlanregung (16) quantitativ und/oder qualitativ ausgewertet wird, wobei mindestens ein Grenzwert definiert ist und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlereintrag in eine Überwachungseinheit geschrieben wird und/oder ein Fahrer durch ein optisches und/oder akustisches Signal gewarnt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Filter (13.2) niederfrequente Anregungen an dem Lenkrad (2) und/oder dem Lenkgetriebe (4) für eine Ansteuerung des Servomotors (9) durch das Zusatzlenkmoment (τ) ausgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Sensoreinrichtung (12) der Sensorik eine Winkelstellung des Rotors des Servomotors (9) einer elektromechanischen Lenkung und/oder durch eine Sensoreinrichtung (10) der Sensorik das Lenkmoment des Lenkrades (2) erfasst wird, wobei die Sensorsignale der Sensoreinrichtungen (12, 10) aus einer elektromechanischen Lenkunterstützung abgegriffen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Sensoreinrichtung (11) der Sensorik ein Lenkradwinkel (α) erfasst wird, wobei die Sensorsignale der Sensoreinrichtung (11) aus einem elektronischen Stabilitätsprogramm abgegriffen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlanregung (16) mittels einer Detektion (13.3) erkannt wird und die Detektion (13.3) bei einer erkannten Fehlanregung (16) ein Stellsignal (s) generiert, wobei das Zusatzlenkmoment (τ) aufgrund des Stellsignals (s) zugeschaltet wird.