DE102007026189A1 - Elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer solchen - Google Patents

Elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer solchen Download PDF

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Abstract

Eine elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Elektromotor, über den in Abhängigkeit eines vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments (M<SUB>L</SUB>) ein Zusatzlenkmoment (M<SUB>Z</SUB>) in die Lenkung einbringbar ist. Zudem sind Mittel zur Generierung eines eine Spurstangenkraft (F<SUB>SP</SUB>) repräsentierenden Signals, Mittel zur Differenzbildung zwischen dem Spurstangenkraftsignal und einem das Lenkmoment und/oder Zusatzmoment repräsentierenden Signal und ein Hochpassfilter (14) zum Filtern des Differenzsignals vorgesehen. Das hochpassgefilterte Spurstangenkraftsignal (F<SUB>SP</SUB>) ist einem das Zusatzlenkmoment (M<SUB>Z</SUB>) repräsentierenden Signal subtraktiv aufmoduliert. Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren angegeben. Hierdurch wird das Fahrbahngefühl bei elektrischen Lenkungen verbessert und trotz der Massenträgheiten des Elektromotors eine sportliche Lenkungsabstimmung ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Elektromotor, über den in Abhängigkeit eines Signals, welches ein Lenkmoment repräsentiert, ein Zusatzlenkmoment in die Lenkung einbringbar ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Lenkung.
  • Derartige Lenkungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und werden unter anderem in der DE 103 17 991 A1 , der DE 103 60 582 A1 und der DE 10 2005 003 180 A1 beschrieben.
  • Bei elektromechanischen Lenkungen wird beim Lenken durch einen Elektromotor ein Zusatzmoment zur Unterstützung des Fahrers erzeugt. Elektromotoren weisen bauartbedingt verhältnismäßig hohe Massenträgheiten auf. Diese Massenträgheiten dämpfen eine fahrbahnseitige Kraftanregung, welche über Spurstangen, ein Lenkgetriebe und eine Lenksäule an ein Lenkrad übertragen wird. Hierbei wirken die Massenträgheiten des Elektromotors gewissermaßen wie ein Schwungrad. Bei Fahrzeugen, die vorwiegend unter Komfortgesichtspunkten ausgelegt werden, ist eine solche Dämpfung der fahrbahnseitigen Kraftanregung grundsätzlich begrüßenswert. Allerdings erfährt der Fahrer so lediglich wenig Rückmeldung von der Fahrbahn. Bei Fahrzeugen mit eher sportlichem Charakter kann dies bisweilen störend wirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, bei einer elektromechanischen Lenkung das Fahrbahngefühl zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Lenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Hierzu sind Mittel zur Generierung eines eine Spurstangenkraft repräsentierenden Signals, Mittel zur Differenzbildung zwischen dem Spurstangenkraftsignal und einem das Lenkmoment und/oder Zusatzmoment repräsentierenden Signal und ein Hochpassfilter zum Filtern des Differenzsignals vorgesehen. Das hochpassgefilterte Spurstangenkraftsignal ist einem das Zusatzlenkmoment repräsentierenden Signal aufmoduliert.
  • Hochfrequente Anregungen, welche von der Fahrbahn erzeugt werden, würden normalerweise durch die Massenträgheiten des Elektromotors weggedämpft werden. Durch deren Einbeziehung in die Ansteuerung des Elektromotors werden diese für den Fahrer spürbar, da mittels des Elektromotors der Fahrbahnanregung entsprechende Momente am Lenkrad dargestellt werden.
  • An einem Lenkgetriebe besteht aufgrund der kinematischen Gegebenheiten ein enger Zusammenhang zwischen einer Kraft an der Zahnstange und einem Moment an der Lenksäule. Unter einem die Spurstangenkraft repräsentierenden Signal, im Folgenden auch "Spurstangenkraftsignal", wird vorliegend sowohl eine der Spurstangenkraft unmittelbar entsprechende Kraftgröße als auch eine dieser mittelbar entsprechenden Größe wie beispielsweise ein korrespondierendes Moment an der Lenksäule verstanden. Entsprechend kann auch ein das Lenkmoment und/oder Zusatzmoment repräsentierendes Signal, im Folgenden auch "Lenkmomentsignal bzw. "Zusatzmomentsignal" über eine korrespondierende Kraftgröße der Zahnstange dargestellt werden. Für die Differenzsignalbildung erforderliche Signalanpassungen nimmt der Fachmann selbstverständlich ohne weiteres vor.
  • Das Spurstangenkraftsignal kann beispielsweise mittels geeigneter Sensoren gemessen werden. Ferner ist es möglich, die Spurstangenkraft aus am Fahrzeug verfügbaren Daten anhand eines Berechnungsmodells abzuschätzen.
  • Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das hochpassgefilterte Differenzsignal auf ein Stellsignal zur Ansteuerung des Elektromotors, mit dem das Zusatzlenkmoment eingestellt wird, aufmoduliert und dazu ggf. entsprechend aufbereitet. Es ist jedoch auch möglich, das Spurstangenkraftsignal bereits zu einem früheren Zeitpunkt in die Generierung des Stellsignals für den Elektromotor einzubeziehen.
  • Zur Differenzbildung mit dem Spurstangensignal kann das Zusatzmomentsignal, das Lenkmomentsignal oder ein Signal verwendet werden, welches die Summe aus dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment und dem vom Elektromotor erzeugten Zusatzmoment repräsentiert.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Lenkung gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
  • Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine elektromechanische Lenkung nach der Erfindung,
  • 2 eine Darstellung der Berücksichtigung der Spurstangenkraft gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und in
  • 3 eine Darstellung der Berücksichtigung der Spurstangenkraft gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
  • 4 eine Darstellung der Berücksichtigung der Spurstangenkraft gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt eine elektromechanische Lenkung 1 für ein Personenkraftfahrzeug. Die Lenkung 1 umfasst ein Lenkrad 2, über das von einem Fahrer ein Lenkmoment ML eingebracht werden kann. Dieses Lenkmoment ML wird von dem Lenkrad 2 über eine Lenksäule 3 an ein Lenkgetriebe 4 übertragen. Das Lenkgetriebe 4 weist eine Zahnstange auf, die an ihren Enden jeweils über ein Gelenk 5 mit einer Spurstange 6 gekoppelt ist. Jede Spurstange 6 greift an einem am Fahrzeugaufbau abgestützten Radträger 7 an, an dem ein Fahrzeugrad 8 gelagert ist. Über das Lenkgetriebe 4 wird das Lenkmoment ML in Form einer Lenkkraft längs der Zahnstange an den Spurstangen 6 und letztlich an den Fahrzeugrädern 8 zur Wirkung gebracht.
  • An geeigneter Stelle, bei dem Ausführungsbeispiel an dem Lenkgetriebe 4, wird ein Zusatzlenkmoment MZ in die Lenkung 1 eingeleitet, um den Fahrer beim Lenken zu unterstützen. Dieses Zusatzlenkmoment MZ wird bei einer elektromechanischen Lenkung 1 durch einen Elektromotor 9 erzeugt, der beispielsweise achsparallel zu der Zahnstange angeordnet werden kann. Der Elektromotor 9 kann hierbei entweder koaxial um die Zahnstange oder seitlich versetzt neben der Zahnstange eingebaut werden. Es ist auch möglich, den Motor an anderer Stelle anzuordnen oder einen Kraftangriff an der Lenksäule 3 vorzusehen. Über das Zusatzlenkmoment MZ wird somit eine weitere Kraftkomponente an der Zahnstange bzw. an den Spurstangen 6 bereitgestellt.
  • Das Zusatzlenkmoment MZ wird in Abhängigkeit des vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments ML eingestellt. Dieses Lenkmoment ML kann beispielsweise über einen Drehwinkelsensor 10 an der Lenksäule 3 gemessen werden.
  • In die Berechnung des Zusatzlenkmoment fließen gegebenenfalls weitere Fahrzeugkenngrößen mit ein, die aus einem Antiblockiersystem oder einem elektronischen Stabilitätsprogramm bekannt sind, wie beispielsweise die aktuellen Raddrehzahlen und Bremsdrücke, die Fahrgeschwindigkeit, die Gierrate des Fahrzeugs oder ein Lenkwinkel desselben. Ferner kann die Lenkwinkelgeschwindigkeit am Lenkrad 2 berücksichtigt werden. Anhand dieser Kenngrößen wird in an sich bekannter Art und Weise mittels einer in einem Steuergerät 11 abgelegten Unterstützungskennlinie oder nach einer dort vorgegebenen Berechnungsvorschrift für die jeweilige Fahrsituation zu einem Lenkmoment ML ein Zusatzlenkmoment MZ ermittelt und in Form eines geeigneten Stellsignals an den Elektromotor 9 übertragen, der dann ein entsprechendes Moment generiert. An der Lenkung kommen somit beide Momente ML und MZ zur Wirkung. Da die Unterstützung kontinuierlich und stetig erfolgt, ist die Unterstützung am Lenkrad 2 nicht fühlbar. Jedoch kann das Ausmaß der Unterstützung je nach Fahrsituation variieren.
  • Neben dem Lenkmoment ML des Fahrers und dem Zusatzlenkmoment MZ greifen an der Lenkung 1 weitere Kräfte an, die unter anderem aus dem Abrollen der Fahrzeugräder 8 auf der Fahrbahn resultieren und über die Spurstange 6, das Lenkgetriebe 4 und die Lenksäule 3 an das Lenkrad 2 übertragen werden können. Die Anregung durch die Fahrbahn erfolgt mit verhältnismäßig hohen Frequenzen, jedoch eher geringen Amplituden. Bei einer elektromechanischen Lenkung der vorstehend erläuterten Art wirken der Elektromotor 9 und einem diesem zugeordnete Getriebestufe aufgrund ihrer trägen Massen jedoch als Dämpfer, so dass die fahrbahnseitigen Anregungen durch weitestgehend in der Lenkung geschluckt werden und das Lenkrad 2 nicht erreichen. Für den Fahrer ist hierdurch sehr wenig Rückmeldung von der Fahrbahn spürbar. Bei einer sportlichen Fahrwerksauslegung ist dies bisweilen unerwünscht.
  • Deswegen wird hier vorgeschlagen, die durch die Lenkung geschluckten Anregungen über den Elektromotor 9 darzustellen und so für den Fahrer am Lenkrad 2 fühlbar zu machen. Hierzu wird eine radnahe Spurstangenkraft FSP gemessen oder mittels eines Berechnungsmodells geschätzt und subtraktiv in die Bestimmung der Ansteuerung des Elektromotors 9 einbezogen. Die Spurstangenkraft FSP stellt dabei die Summe der axialen Komponenten aus dem Lenkmoment ML des Fahrers, dem Zusatzmoment MZ des Elektromotors und der Fahrbahnanregung dar. Kommt es beispielsweise durch die Fahrbahnanregung zu einer hochdynamischen, temporären Erhöhung der Spurstangenkraft FSP, würde sich dies am Lenkrad 2 bei ungedämpfter Kraftübertragung durch ein entsprechendes Reaktionsmoment bemerkbar machen. Aufgrund der Massenträgheiten bei einer elektromechanischen Lenkung würde der Fahrer im Normalfall eine solche hochdynamische Erhöhung der Spurstangenkraft jedoch überhaupt nicht bemerken. Erfindungsgemäß kann durch die Einbeziehung der Spurstangenkraft FSP in die Ansteuerung des Elektromotors 9 das Zusatzlenkmoment MZ kurzzeitig verändert werden, so dass für den Fahrer am Lenkrad 2 eine Reaktion spürbar ist, der einer Fahrbahnrückmeldung entspricht. Hierdurch wird das Fahrbahngefühl verbessert.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind geeignete Sensoren 12 im Bereich der Spurstangen 6 oder den Enden der Zahnstange des Lenkgetriebes 4 angeordnet. Die Spurstangensensoren 12 generieren jeweils ein die Spurstangenkraft FSP repräsentierendes Signal, das an das Steuergerät 11 übermittelt wird.
  • Aus den Signalen der Sensoren 12 der einzelnen Spurstangen 6 wird in einem ersten Schritt 13 ein resultierendes Spurstangensignal gebildet. Dies kann beispielsweise durch einfache Mittelwertbildung oder auch durch eine fahrsituationsabhängige Bewertung der Signalkomponenten erfolgen.
  • Wie in 2 gezeigt, wird durch Differenzbildung zwischen dem Spurstangenkraftsignal und einem das Zusatzmoment MZ repräsentierenden Signal ein Differenzsignal sF erzeugt, das die Fahrbahnanregung repräsentiert. Die Signalgenerierung ist hier beispielhaft rechnerisch auf Momentengrößen bezogen, wozu die gemessene Spurstangenkraft, wie durch Bezugszeichen 16 angedeutet, in eine Momentengröße konvertiert wird. Es ist jedoch genauso gut möglich, sämtliche Signale auf Kraftgrößen zu beziehen oder in anderer Weise aneinander anzupassen. So kann beispielsweise das Handmoment ML über eine Kennlinie geführt werden. Das ist dann nur eine Verstärkung und kein Filter. Die Ausgangsgröße ist dann auch eine Kraft, die über einen Faktor in ein Motormoment umgerechnet wird.
  • Anschließend wird dieses Differenzsignal sF mittels eines Hochpassfilters 14 gefiltert. Das Hochpassfilter 14 weist eine vorzugsweise sprungfreie Verstärkungskennlinie auf, über die die einzelnen Frequenzbereiche der fahrbahnseitigen Schwingungsanregung gewichtet werden können.
  • Zur Ermöglichung einer individuellen Fahrwerkabstimmung durch den Fahrer kann die Verstärkung des hochpassgefilterten Spurstangenkraftsignals einstellbar ausgeführt werden, so dass beispielsweise im Rahmen unterschiedlicher Fahrwerksprogramme zwischen einer sportlichen und einer komfortablen, gegebenenfalls auch mehrstufigen Abstimmung der Lenkung gewählt werden kann.
  • Ferner ist es möglich, eine Abschaltmöglichkeit für das Hochpassfilter 14 vorzusehen, so dass durch Abschalten desselben eine stärkere Dämpfung der Lenkung eingestellt werden kann.
  • Das hochpassgefilterte Signal wird einem Summierer 15 aufgeschaltet. Als weiteres Eingangssignal liegt an dem Summierer 15 ein das Zusatzlenkmoment MZ repräsentierendes Signal an. Das Ausgangssignal des Summierers 15 repräsentiert somit ein Zusatzlenkmoment mit einem aufmodulierten Differenzsignal, welches die Fahrbahnanregung zum Ausdruck bringt. Dieses modifizierte Signal MZ* wird, gegebenenfalls nach einer weiteren Konditionierung, als Stellsignal an den Elektromotor 9 übermittelt.
  • In einer Abwandlung wird die Spurstangenkraft FSP nicht gemessen, sondern aus am Fahrzeug bekannten Parametern abgeschätzt. Eine entsprechende Berechnungsvorrichtung mit einem geeigneten Berechnungsalgorithmus ist in dem Steuergerät 11 abgelegt und ersetzt oder ergänzt den Signaleingang der Spurstangensensoren 12. Das mittels des Berechnungsalgorithmus erhaltene Signal, welches die Spurstangenkraft FSP repräsentiert, wird wie in dem anhand 2 erläuterten Ausführungsbeispiel weiterbehandelt, das heißt zunächst hochpassgefiltert.
  • In einer weiteren Abwandlung ist es möglich, das Differenzsignal sF aus dem Spurstangenkraftsignal und dem Lenkmomentsignal zu erzeugen. Das Differenzsignal kann sF dann bereits zu einem früheren Zeitpunkt in die Berechnung des Zusatzlenkmoment MZ einbezogen werden, um ein modifiziertes Zusatzmoment MZ* zu erhalten, wie die in 3 gezeigt ist. Es ist jedoch auch hier möglich, das Differenzsignal sF wie in 2 unmittelbar auf das Stellsignal des Motors aufzumodulieren.
  • Alternativ kann weiterhin ein das Lenkmoment ML und das Zusatzmoment MZ repräsentierendes Signal als Eingangsgröße zur Differenzbildung mit dem Spurstangenkraftsignal verwendet werden, wie dies in 4 angedeutet ist. Das so generierte Differenzsignal sF kann dann wie in 2 oder 3 in die Bestimmung des modifizierten Zusatzmoments MZ* einbezogen werden.
  • Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und Abwandlungen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkte, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
  • 1
    elektromechanische Lenkung
    2
    Lenkrad
    3
    Lenksäule
    4
    Lenkgetriebe
    5
    Spurstangengelenk
    6
    Spurstange
    7
    Radträger
    8
    Fahrzeugrad
    9
    Elektromotor
    10
    Drehwinkelsensor
    11
    Steuergerät
    12
    Spurstangensensor
    13
    Lenkradwinkelsensor
    14
    Hochpassfilter
    15
    Summierer
    16
    Signalanpassung
    FSP
    Spurstangenkraft
    ML
    Lenkmoment
    MZ
    Zusatzlenkmoment
    MZ*
    modifiziertes Zusatzlenkmoment
    SF
    Differenzsignal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 10360582 A1 [0002]
    • - DE 102005003180 A1 [0002]

Claims (16)

  1. Elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Elektromotor (9), über den in Abhängigkeit eines vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments (ML) ein Zusatzlenkmoment (MZ) in die Lenkung (1) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Generierung eines eine Spurstangenkraft (FSP) repräsentierenden Signals, Mittel zur Differenzbildung zwischen dem Spurstangenkraftsignal und einem das Lenkmoment und/oder Zusatzmoment repräsentierenden Signal, und ein Hochpassfilter (14) zum Filtern des Differenzsignals vorgesehen sind, und das hochpassgefilterte Differenzsignal dem das Zusatzlenkmoment (MZ) repräsentierenden Signal aufmoduliert ist.
  2. Elektromechanische Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (11) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit des das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signals ein das Zusatzlenkmoment (MZ) repräsentierendes Stellsignal für den Elektromotor (9) erzeugt, wobei das hochpassgefilterte Differenzsignal dem das Zusatzmoment (MZ) repräsentierenden Stellsignal aufmoduliert ist.
  3. Elektromechanische Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (11) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit des das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signals ein das Zusatzlenkmoment (MZ) repräsentierendes Stellsignal für den Elektromotor (9) erzeugt, wobei das hochpassgefilterte Differenzsignal dem das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signal vor Generierung des Stellsignals aufmoduliert ist.
  4. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (12) zur Messung der Spurstangenkraft (FSP) vorgesehen ist.
  5. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnungsvorrichtung (16) zum Schätzen der Spurstangenkraft (FSP) aus Signalen eines Antiblockiersystems und/oder eines elektronischen Stabilitätsprogramms und/oder einem Lenkradwinkel vorgesehen ist.
  6. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter (14) abschaltbar ist.
  7. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter (14) eine sprungfreie Verstärkungskennlinie aufweist.
  8. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des hochpassgefilterten Differenzsignals einstellbar ist.
  9. Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung, bei dem in Abhängigkeit eines von Fahrer aufgebrachten Lenkmoments (ML) mittels eines Elektromotors (9) ein Zusatzlenkmoment (MZ) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Spurstangenkraft (FSP) repräsentierendes Signal generiert, durch Differenzbildung mit einem das Lenkmoment (ML) und/oder Zusatzmoment (MZ) repräsentierenden Signal ein Differenzsignal erzeugt und hochpassgefiltert wird, und das hochpassgefilterte Signal in die Ansteuerung des Elektromotors (9) einbezogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signals ein das Zusatzlenkmoment (MZ) repräsentierendes Stellsignal für den Elektromotor (9) erzeugt, wobei das hochpassgefilterte Differenzsignal dem das Zusatzmoment (MZ) repräsentierenden Stellsignal aufmoduliert wird.
  11. Elektromechanische Lenkung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signals ein das Zusatzlenkmoment (MZ) repräsentierendes Stellsignal für den Elektromotor (9) erzeugt, wobei das hochpassgefilterte Differenzsignal dem das Lenkmoment (ML) repräsentierenden Signal vor Generierung des Stellsignals aufmoduliert wird.
  12. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spurstangenkraft (FSP) gemessen wird.
  13. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spurstangenkraft (FSP) aus Signalen eines Antiblockiersystems und/oder eines elektronischen Stabilitätsprogramms und/oder einem Lenkradwinkel geschätzt wird.
  14. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter (14) abschaltbar ist.
  15. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter (14) eine sprungfreie Verstärkungskennlinie aufweist.
  16. Elektromechanische Lenkung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des hochpassgefilterten Differenzsignals einstellbar ist.
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