DE102007027039B4

DE102007027039B4 - Bestimmung der absoluten Position eines Lenksystems durch einen Linearsensor an der Zahnstange

Info

Publication number: DE102007027039B4
Application number: DE102007027039A
Authority: DE
Inventors: Salvatore Oliveri; Thomas Riepold
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2027-06-09
Also published as: US7703571B2; US20080011539A1; DE102007027039A1

Abstract

Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Zahnstange (10), die endseitig mit lenkbaren Rädern verbunden ist und diese durch eine Seitwärtsbewegung schwenkt, einem Positionssensor (12), der permanent die Position der Zahnstange (10) ermittelt und entsprechende Positionssignale ausgibt, und einem Steuergerät (32), wobei ein Lenkwinkelsensor (20) vorgesehen ist, der einen Lenkwinkel ermittelt und Lenkwinkelsignale ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) ausgelegt ist, ein Lenkmoment durch Auswertung der Positionssignale, der Lenkwinkelsignale und einer bekannten Steifigkeit zwischen dem Lenkwinkelsensor (20) und dem Positionssensor (12) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Zahnstange, die endseitig mit lenkbaren Rädern verbunden ist und diese durch eine Seitwärtsbewegung schwenkt, einem Positionssensor, der permanent die Position der Zahnstange ermittelt und entsprechende Positionssignale ausgibt, und einem Steuergerät, wobei ein Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der einen Lenkwinkel ermittelt und Lenkwinkelsignale ausgibt.
Bei einem üblichen Lenksystem werden lenkbare Räder von einem Fahrer über eine Betätigungseinheit, insbesondere durch Verdrehen eines Lenkrades gelenkt. Das Drehen des Lenkrades bewirkt eine Verschiebung einer Zahnstange, die wiederum die Räder schwenkt. Die Lenkbewegung des Fahrers wird bei Servolenkungen durch einen zusätzlichen Elektromotor unterstützt. Die Lenkunterstützung erfolgt dabei im Allgemeinen durch kennfeldgesteuerte bzw. -geregelte Systeme, bei denen die Lenkunterstützung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgebracht wird.
Darüber hinaus sind Lenksysteme bekannt, bei denen keine mechanische Verbindung zwischen den lenkbaren Rädern und dem Lenkrad besteht (Steer by wire). Die Räder werden dabei in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel des Lenkrades mit Hilfe von entsprechenden Motoren geschwenkt.
Zur Ermittlung der Position des Lenkrades bzw. der gelenkten Räder werden im Allgemeinen rotatorische Drehwinkelsensoren eingesetzt, im Lenkungsstrang zumeist an der Lenksäule, am Lenkritzel direkt oder an der mit diesem verbundenen Eingangswelle angeordnet sind. Diese können zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels entweder über den gesamten Lenkwinkelbereich oder auch nur über 360° ausgelegt sein. Im letzteren Fall kann der Drehwinkelsensor nur in Verbindung mit einem Mittenfindalgorithmus den absoluten Lenkwinkel bestimmen.
Diese Lenkwinkelsensoren können sowohl als sogenannte Multi-Turn-Sensoren ausgeführt sein, die den absoluten Lenkwinkel über mehr als eine Umdrehung von Anschlag zu Anschlag messen oder als Single-Turn-Sensoren, die den absoluten Lenkwinkel nur über eine Lenkradumdrehung verfolgen können. Ferner sind auch inkrementale Winkelsensoren bekannt.
Der Lenkwinkel kann in einer elektrischen Servolenkung auch über den Positionsgeber des Elektromotors bestimmt werden, der mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis direkt oder indirekt an die Lenksäule angebunden ist. Aufgrund der Übersetzung zwischen Lenksäule und Elektromotor ist dessen für sich absolutes Winkelsignal ebenfalls kein absolutes bezogen auf die Lenksäule.
Bei Verwendung eines nur über eine Lenkradumdrehung absolut messenden Winkelsensors ist zur Bestimmung der Mitte nur eine ungefähre Positionsbestimmung erforderlich, bei inkremental wirkenden Winkelsensoren oder Messung über den Positionsgeber des Motors ist eine weitaus höhere Genauigkeit der Positionsbestimmung erforderlich. Dies kann entweder über eine Auswertung der Raddrehzahlen erfolgen aber auch über eine Auswertung des Lenkmomentes und der Lenkwinkelgeschwindigkeit. In beiden Fällen erfordert es aber eine gewisse Zeit bzw. Fahrtstrecke, um mittels dieser Mittenfindalgorithmen eine ausreichend genaue Mittenposition zu finden, wie sie je nach Verwendungszweck der Winkelsignale erforderlich ist. Dies schränkt nach einem Systemneustart den Leistungsumfang der vom Lenkwinkel abhängigen Komfort- und Sicherheitssysteme für eine gewisse Zeit ein, was deren Verfügbarkeit beeinträchtigt.
Elektrische Servolenksysteme benutzen darüber hinaus in Allgemeinen einen separaten, dem Lenksystem zugeordneten Drehmomentsensor zur Messung des Lenkmomentes, welches vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebracht wird. Dieser Drehmomentsensor dient zumeist ausschließlich der Messung des Drehmoments, kann aber auch mit einem Drehwinkelsensor kombiniert sein.
Aus der DE 10 2004 060 030 A1 ist eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs bekannt, die eine Zahnstange aufweist, die endseitig mit lenkbaren Rädern verbunden ist und diese durch eine Seitwärtsbewegung schwenkt, einen Positionssensor, der die Position der Zahnstange ermittelt und entsprechende Positionssignale ausgibt, und ein Steuergerät. Ferner ist ein Lenkwinkelsensor vorgesehen, der einen Lenkwinkel ermittelt und Lenkwinkelsignale ausgibt.
Ferner offenbart die DE 100 57 674 A1 eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Bestimmung eines Lenkwinkels. Der durch einen Lenkradeinschlag verursachte Verschiebeweg einer Zahnstange wird mittels eines linearen Wegsensors detektiert und daraus unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Übersetzungsverhältnisses zwischen Lenkradwinkel und Zahnstangenweg der Lenkwinkel bestimmt.
Die DE 196 24 801 A1 offenbart einen induktiven Wegsensor zum Erfassen einer Wegstrecke, bei dem eine Abhängigkeit gegenüber fremden Störeinflüssen beseitigt ist. Hierzu ist der Wegsensor mit einem Kurzschlussring versehen.
Einen weiteren magnetischen Wegsensor beschreibt die DE 36 10 479 A1 .
Die DE 103 28 753 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenwegs einer Kraftfahrzeuglenkung und zeigt ferner eine elektromechanische Fahrzeuglenkung. Die Fahrzeuglenkung umfasst im Wesentlichen einen Betätigungskraftsimulator zur haptischen Rückwirkung der Lenkbetätigung an einen Fahrer, ein Stellaggregat zum Verschwenken der Räder mittels einer Bewegung der Lenkstange und eine Zentralsteuereinheit, die die Lenkbewegung des Fahrers auswertet, diese in einen Lenkwinkel (Sollwert) für das Stellaggregat umrechnet und Letzterem zuführt. Der Istwert der Radstellung wird über die Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenwegs ermittelt und der Zentralsteuereinheit zugeführt.
Weitere Vorrichtungen zum Messen des Lenkstangenwegs einer Kraftfahrzeuglenkung sind ebenfalls in der DE 101 56 398 A1 und der DE 101 50 305 A1 beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge aufzuzeigen, die ohne Lenkmomentsensor die Bestimmung eines Lenkmoments ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass der Lenkwinkel, der unmittelbar mit der Position der Zahnstange korreliert auch einfacher direkt über diese bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß kann ein Geber- und ein Empfängerbauteil vorgesehen sein, die jeweils an der bewegbaren Zahnstange und einem feststehenden Bauteil, zum Beispiel dem Zahnstangengehäuse angeordnet sein können. Insbesondere eignen sich sogenannte PLCD Sensor Systeme (Permanent linear contactless Displacement), bei denen ein magnetisches Element verschoben wird und das Magnetfeldverhalten über ein dichtes System redundant abgegriffen werden kann. Der Weg des magnetischen Elements kann dann als Steuersignal weitergeleitet werden. Das magnetische Element ist demnach auf der Zahnstange angeordnet und bewegt sich mit dieser. Der Empfänger ist als Spule oder Anordnung von mehrere Spulen ortfest im Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Aluminium oder einem ähnlichen Material gefertigt. Optional kann die Auswerteeinheit in den Sensor integriert werden.
Alternativ kann auch ein Positionssensor verwendet werden, der nach dem Kurzsschlußringprinzip ausgeführt ist. Ein Kurzschlußring bzw. mehrere Kurzschlußringe ist/sind auf der Zahnstange und die Spule oder die Spulen ortsfest im Gehäuse angeordnet. Optional kann die Auswerteeinheit in den Sensor integriert werden.
Diese Sensoren sind einfacher aufgebaut und kostengünstiger herstell- und einbaubar ist, als die bekannten im Lenkgetriebe und/oder an der Lenksäule angeordneten Sensoren.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Lenksystems ist eine Sensierung des Lenkmomentes ohne eigener Lenkmomentsensor der bekannten Bauarten durch eine Auswertung der Signale aus einem im Lenkungsstrang angeordneten Winkelsensor und der Position der Zahnstange relativ zum Lenkgehäuse möglich. Durch die Auswertung der beiden Positionssignale und der bekannten Steifigkeiten zwischen den Sensoren kann das Lenkmoment bestimmt werden. Dazu kann optional ein drehelastisches Element zwischen den beiden Sensoren verwendet werden oder nicht.
Erfindungsgemäß ist eine Verwendung der Position der Zahnstange als parametrierte Mess- und Regelgröße zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens des Lenksystems möglich. Dies kann z. B. eine positionsabhängige Parametrierung der aktiven Rückstellung sein.
Vorteilhafterweise kann die Position der Zahnstange auch als parametrierte Mess- und Regelgröße zur Verwendung in Fahrdynamiksystemen wie ABS, EPS verwendet werden. Die Erfindung macht sich also weiterhin zunutze dass moderne Fahrzeuge üblicherweise ohnehin mit Fahrdynamiksystemen ausgestattet sind, die permanent Daten zur Fahrerunterstützung ermitteln. Durch die Verknüpfung von zum Beispiel Schlupfregel-, Brems- und Fahrstabilitätssystemen (ABS, ASC, DSC, ESP usw.) gelingt es, die aktive Sicherheit und den Fahrkomfort zu steigern und so den Fahrer zu entlasten, sie helfen dem Fahrer, sein Fahrzeug auch in kritischen Situationen sicher zu beherrschen. Derartige Systeme treten erst dann in Aktion, wenn beispielsweise die Reifen Gefahr laufen, die Haftung zu verlieren, d. h. bevor die Räder durchdrehen, rutschen oder blockieren. Radsensoren überwachen z. B., wie schnell sich die Räder während des Bremsvorgangs drehen. Neigt ein Rad zum Blockieren, wird automatisch der Bremsdruck am entsprechenden Radbremszylinder soweit verringert, bis das Rad wieder unter normalem Schlupf lauft. Bei der Antriebsschlupfregelung sorgen Sensoren dafür, dass die Antriebskraft beim Beschleunigen mit minimalem Schlupf übertragen wird. Unabhängig von der Stellung des Gaspedals wird nur soviel Motorleistung zugelassen, wie in der momentanen Fahrsituation ohne durchdrehende Räder möglich ist. Durch Erfassung der Radgeschwindigkeiten durch Sensoren erkennt dieses System ob die Räder sicher greifen. Neigen die angetriebenen Räder zum Durchdrehen, greift die Regelung in das Motormanagement ein und nimmt unabhängig von der momentanen Gaspedalstellung des Drehmoments zurück.
Bei der dynamischen Stabilitätskontrolle ermitteln zusätzliche Sensoren weitere Fahrzustände, um die Fahrsicherheit bei abrupten Ausweichmanövern oder plötzlichen Gefahrsituationen zu erhöhen. Eine Erweiterung des ABS erhöht die Fahrstabilität besonders beim Bremsen in Kurven. Das Regelungssystem regelt die Bremsdrücke unterhalb der ABS-Regelschwelle durch unterschiedlich hohe Bremsdrücke rechts und links für stabilisierende Gegenmomente. Weiterhin sind dynamische Bremsmanagement-Systeme bekannt, die das Bremsen des Fahrers unterstützen bzw. den Bremsvorgang beispielhaft beschleunigen.
Sensoren ermitteln die Gierrate, die angibt, wie schnell sich das Fahrzeug um seine Hochachse dreht, die Querbeschleunigung, als Maß für Kurvenradius- und Geschwindigkeit, den Lenkwinkel, der die gewünschte Richtung angibt und den Bremsdruck, den der Fahrer über das Pedal ausübt sowie die Drehzahl der einzelnen Räder. Die oben genannten Ausführungen sind nur beispielhaft zu verstehen, Fahrdynamikdaten werden auch durch weitere Systeme ermittelt und genutzt.
Durch eine Verbindung mit einem solchen Fahrdynamiksystem, das permanent Mess- und Regelgrößen des Fahrzeugs ermittelt, ist es erfindungsgemäß möglich, dass ein Rechner aus den ermittelten Mess- und Regelgrößen und den Positionssignalen des Sensors der Zahnstange das durch einen Fahrer auf einen Lenkungsstrang aufgebrachte Drehmoment errechnet.
Wird die Bewegung der Zahnstange durch einen starr an die Zahnstange angekoppelten Elektromotor ohne Positionsgeber unterstützt, kann der Rechner erfindungsgemäß die Bestimmung der Position des Elektromotors aus einer mechanischen Übersetzung zwischen dem Elektromotor und der Zahnstange sowie den Positionssignalen errechnen und entsprechende Motorpositionssignale erzeugen. Der Positionsgeber im Elektromotor kann dann entfallen.
Ist jedoch im Elektromotor ein Positionsgeber vorhanden, kann der Rechner erfindungsgemäß aus den ermittelten Mess- und Regelgrößen des Fahrdynamiksystems, den Positionssignalen des Sensors der Zahnstange und den Motorpositionssignalen das durch den Fahrer auf des Lenkungsstrang aufgebrachte Drehmoment berechnen. Hierzu eignet sich zum Beispiel ein bürstenloser Elektromotor.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese sollen nur beispielhaft verstanden werden, die Erfindung soll nicht auf dieses beschränkt sein. Es zeigen:
1: ein Prinzipschema für eine elektrische Servolenkung ohne eigenen Drehmomentsensor, aber mit einem Sensor zur Ermittlung der Position der Zahnstange und einem Lenkwinkelsensor im Lenkgetriebe,
2: ein Prinzipschema für eine elektrische Servolenkung ohne eigenen Drehmomentsensor, aber mit einem Sensor zur Ermittlung der Position der Zahnstange und einem Lenkwinkelsensor in der Lenksäule.
Die beiden Figuren zeigen jeweils ein Prinzipschema zur Nutzung eines erfindungsgemäßen Lenksystems. Wie sich der jeweils zugehörigen Legende entnehmen lässt, sind zwischen den gezeigten Komponenten strukturelle Verbindungen, Signalfluss oder Kraftfluss bzw. Energiefluss möglich. Weiterhin sind Systemgrenzen und Subsystemgrenzen durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt. In beiden Systemen befindet sich an einer Zahnstange 10 ein Positionssensor 12, der beispielsweise durch ein PLCD-Sensor-System gebildet sein kann. Der Positionssensor 12 ermittelt die Position der Zahnstange 10 im Verhältnis zu einem ortsfesten Bauteil, vorzugsweise einem Zahnstangengehäuse.
In beiden Lenksystemen ist dargestellt, dass ein Fahrer 14 ein Lenkmoment über eine Lenksäule 16 auf ein Lenkgetriebe 18 aufbringt. Optional kann die Lenksäule 16 einen Lenkwinkelsensor 20 nach dem Stand der Technik aufweisen (vergl. 2).
Das Lenkgetriebe 18 weist in beiden Fällen ein Ritzel 22 auf, über das das Lenkmoment auf die Zahnstange 10 übertragen wird. Das Lenkmoment wird durch ein Reduktionsgetriebe 24 unterstützt, das wiederum von einem Elektromotor 26 angetrieben wird. Optional kann das Lenkgetriebe 18 weiterhin einen Drehstab 28 aufweisen. Über den Drehstab ist es möglich, ein auf das Lenkgetriebe 18 wirkendes Lenkmoment zu ermitteln.
Gemäß 1 ist ein Lenkwinkelsensor 30 im Lenkgetriebe 18 vorgesehen, der den Lenkwinkel ermittelt. Der ermittelte Lenkwinkel wird an ein Steuergerät 32 übermittelt, welches ebenfalls eine vom Positionssensor 12 ermittelte Zahnstangenposition empfängt. Über das Steuergerät 32 wird der Elektromotor 26 gesteuert. Das Steuergerät ist also in der Lage, aus dem Lenkwinkel und der Zahnstangenposition das optimale Unterstützungsmoment für das Reduktionsgetriebe 24 zu ermitteln. Üblicherweise werden Daten aus dem Lenksystem auch im Rahmen eines Fahrdynamiksystems für Systeme wie zum Beispiel ABS, ASC, DSC, ESP usw. genutzt.
In der Ausführung gemäß 2 ist der Lenkwinkelsensor 20, wie oben bereits ausgeführt, nicht im Lenkgetriebe 18, sondern in der Lenksäule 16 angeordnet. Der ermittelte Lenkwinkel wird ebenfalls an das Steuergerät 32 übermittelt.
Durch den Positionssensor 12 an der Zahnstange 10 und den Lenkwinkelsensor 20, entweder angeordnet im Lenkgetriebe 18 oder an der Lenksäule 16, ist es möglich, das aufgebrechte Lenkmoment des Fahrers 14 zu bestimmen. Hierzu kann entweder die bekannte Steifigkeit zwischen dem Lenkwinkelsensor 20 und dem Positionssensor 12 oder optional der Drehstab 28 zur Berechnung verwendet werden.
Die beiden Figuren erläutern nur ein mögliches Anwendungsbeisplel für das erfindungsgemäße Lenksystem. In der Ermittlung des Lenkmoments kann es für verschiedene Anwendungen ausreichend sein, lediglich die Position der Zahnstange 10 durch den Positionssensor 12 zu bestimmen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst vielmehr auch alle gleichwirkenden Ausführungsformen.

Claims

Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Zahnstange (10), die endseitig mit lenkbaren Rädern verbunden ist und diese durch eine Seitwärtsbewegung schwenkt, einem Positionssensor (12), der permanent die Position der Zahnstange (10) ermittelt und entsprechende Positionssignale ausgibt, und einem Steuergerät (32), wobei ein Lenkwinkelsensor (20) vorgesehen ist, der einen Lenkwinkel ermittelt und Lenkwinkelsignale ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) ausgelegt ist, ein Lenkmoment durch Auswertung der Positionssignale, der Lenkwinkelsignale und einer bekannten Steifigkeit zwischen dem Lenkwinkelsensor (20) und dem Positionssensor (12) zu bestimmen.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geber- und ein Empfängerbauteil vorgesehen sind, die an der bewegbaren Zahnstange (10) und einem feststehenden Bauteil angeordnet sind.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Element vorgesehen ist, das sich mit der Zahnstange bewegt und dessen Magnetfeldverhalten zur Bestimmung der Position der Zahnstange genutzt wird.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (12) nach dem Kurzsschlußringprinzip ausgeführt ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzschlußring bzw. mehrere Kurzschlußringe auf der Zahnstange und eine Spule bzw. mehrere Spulen ortsfest im Gehäuse angeordnet ist/sind.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Fahrdynamiksystem, das permanent Mess- und Regelgrößen des Fahrzeugs ermittelt, wobei das Steuergerät (32) aus den ermittelten Mess- und Regelgrößen und den Positionssignalen des Positionssensors (12) der Zahnstange (10) ein durch einen Fahrer auf einen Lenkungsstrang aufgebrachtes Drehmoment errechnet.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem einen starr an die Zahnstange (10) angekoppelten Elektromotor (26) ohne Positionsgeber zur Unterstützung der Bewegung der Zahnstange (10) aufweist und die Bestimmung der Position des Elektromotors (26) aus einer Übersetzung zwischen dem Elektromotor (26) und der Zahnstange (10) sowie den Positionssignalen des Linearsensors errechnet und ein entsprechendes Motorpositionssignal zur Steuerung des Elektromotors erzeugt wird.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem einen starr an die Zahnstange (10) angekoppelten, Motorpositionssignale erzeugenden Elektromotor (26) mit Positionsgeber zur Unterstützung der Bewegung der Zahnstange (10) aufweist, wobei das Steuergerät (32) aus den ermittelten Mess- und Regelgrößen des Fahrdynamiksystems, den Positionssignalen des Positionssensors (12) der Zahnstange (10) und Motorpositionssignalen das durch den Fahrer auf den Lenkungsstrang aufgebrachte Drehmoment errechnet.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein bürstenloser Elektromotor verwendet wird.