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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Bei elektromechanischen Lenkungen wird beim Lenken durch einen Elektromotor ein Hilfsmoment zur Unterstützung des Fahrers erzeugt. Elektromotoren weisen bauartbedingt verhältnismäßig hohe Massenträgheiten auf. Diese Massenträgheiten dämpfen eine fahrbahnseitige Kraftanregung, welche über Spurstangen, Lenkgetriebe und 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, um Lenkradstöße zu vermeiden. Die Kompensation periodischer Störungen wird in
DE 10 2004 051 338 A1 näher erläutert. In
EP 2 028 080 A1 wird ein Konzept zur Dämpfung von Störmomenten vorgestellt, bei dem Anregungen durch Radunwuchten, Bremsvorgänge und nicht näher spezifizierte Fahrbahnanregungen kompensiert werden. Allerdings erfährt der Fahrer so lediglich wenig Rückmeldung von der Fahrbahn. Bei Fahrzeugen mit eher sportlichem Charakter kann dies bisweilen störend wirken. Hier wird vielmehr eine größtmögliche Fahrbahnrückmeldung gewünscht, um insbesondere in Grenzsituationen das Fahrzeug sicher beherrschen zu können.
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Der Erfindung liegt ausgehend von der
DE 10 2004 051 338 A1 die Aufgabe zugrunde, bei einer elektromechanischen Lenkung eines sportlich ausgeprägten Fahrzeuges dem Fahrer eine größtmögliche Fahrbahnrückmeldung zu geben.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Lenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Mittel zur differenzierten Erkennung einer periodischen und einer nicht-periodischen fahrbahnseitigen Anregung der Lenkung vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Generierung eines ein Kompensationsmoment (MK) repräsentierenden Signals derart konfiguriert sind, dass eine nicht-periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung durch den Elektromotor verstärkt wird.
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Erfindungsgemäß werden nicht-periodische Anregungen, welche von der Fahrbahn erzeugt werden und normalerweise durch die Massenträgheiten des Elektromotors weggedämpft würden, durch Einbeziehung in die Ansteuerung des Elektromotors für den Fahrer am Lenkrad spürbar, da mittels des Elektromotors der Fahrbahnanregung entsprechende Momente am Lenkrad dargestellt werden.
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Um zu vermeiden, dass Radunwuchten und dergleichen, welche in der Regel eine periodische fahrbahnseitige Anregung erzeugen, ebenfalls verstärkt werden, wird die fahrbahnseitige Anregung im Hinblick auf periodische und nicht-periodische Komponenten analysiert und lediglich die nicht-periodische Komponente verstärkt, die periodische Komponente hingegen mittels des Elektromotors vermindert.
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Hierdurch ergibt sich eine elektromechanische Lenkung mit ausgeprägter Rückmeldung über den Fahrbahnzustand, ohne dass sich Radunwuchten und dergleichen störend bemerkbar machen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel zur Generierung eines das Kompensationsmoment repräsentierenden Signals derart konfiguriert, um in Abhängigkeit der Winkelstellung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Winkelbeschleunigung des Elektromotors eine Momentengröße zu erzeugen und in Abhängigkeit von eine Fahrsituation charakterisierenden Parametern eine Fahrsituationsgröße zu erzeugen. Beide Größen gehen in das das Kompensationsmoment repräsentierende Signal ein. Hierdurch lässt sich die Fahrbahnrückmeldung sehr präzise gestalten.
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Vorzugsweise wird die Fahrsituationsgröße anhand interner Signale der Lenkung und/oder einer ESP-Lenkwinkelsensorik ermittelt, so dass sich diese ohne apparativen Mehraufwand softwaretechnisch, beispielsweise im Lenkungssteuergerät, bestimmen lässt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden für die periodische Komponente der Anregung und für die nicht-periodische Komponente der Anregung jeweils eine eigene Größe, nämlich ein Bedämpfungsmoment und ein Verstärkungsmoment erzeugt. Das ermittelte Bedämpfungsmoment und das ermittelte Verstärkungsmoment sind mittels einer vorgegebenen Entscheidungslogik zu der Momentengröße verknüpft. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass bei einer kombinierten fahrbahnseitigen Anregung über den Elektromotor gleichzeitig periodische Komponenten vermindert, nicht-periodische Komponenten, welche die Fahrbahnrückmeldung repräsentieren, hingegen verstärkt werden.
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Die Entscheidungslogik kann beispielsweise derart konfiguriert sein, dass in Abhängigkeit der ermittelten fahrbahnseitigen Anregung, für die zwischen einer periodischen Anregung, einer nicht-periodischen Anregung und einer kombinierten periodisch/nicht-periodischen Anregung unterschieden wird, zwischen einer Bedämpfung, einer Verstärkung und einer kombinierten Bedämpfung und Verstärkung geschaltet wird. Jedoch kann die Verknüpfung eines Bedämpfungsmoments und eines Verstärkungsmoments zu der obengenannten Momentengröße auch in anderer Weise vorgenommen sein.
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Für den Fall einer kombinierten Anregung wird bevorzugt eine kombinierte Bedämpfungs-Verstärkungs-Momentengröße bereitgestellt, die in vorteilhafter Ausgestaltung zusätzlich mittels eines Bandpassfilters gefiltert wird.
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Weiterhin kann das Bedämpfungsmoment abschaltbar ausgebildet werden, um eine Fehlerdiagnose zu ermöglichen. Alternativ ist es auch denkbar, zu Analysezwecken eine Auslesemöglichkeit für das Bedämpfungsmoment vorzusehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Überschreiten eines Schwellwertes oder eines gewichteten Zeitintegrals für das Bedämpfungsmoment ein Warnsignal erzeugt, so dass größere Radunwuchten und ähnliche Störungen schnell erkannt werden.
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Weiterhin kann die Lenkung Mittel zur Unterscheidung zwischen einer fahrbahnseitigen Anregung und einer lenkradseitigen Anregung der Lenkung aufweisen. Hierdurch lässt sich sicherstellen, dass ausschließlich durch den Fahrbahnkontakt verursachte Anregungen verstärkt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel zur Unterscheidung zwischen einer fahrbahnseitigen Anregung und einer lenkradseitigen Anregung der Lenkung als Softwarealgorithmus ausgebildet, der als Eingangsgrößen vorzugsweise interne Signale der Lenkung und/oder einer ESP-Lenkwinkelsensorik nutzt, welche am Fahrzeug ohnehin zur Verfügung stehen.
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Insbesondere können die Mittel zur Unterscheidung zwischen einer fahrbahnseitigen Anregung und einer lenkradseitigen Anregung einen Fuzzy-Logikalgorithmus umfassen, in dem folgende Eingangsgrößen berücksichtigt sind, nämlich ein Handlenkmoment und/oder die zeitliche Änderung des Handlenkmoments, die Winkellage des Elektromotors und/oder die Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors, ein Soll-Hilfsmoment, ein ESP-Lenkwinkel und/oder eine ESP-Lenkwinkelgeschwindigkeit und gegebenenfalls eine Temperatur der Lenkung.
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Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Lenkung gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine fahrbahnseitige Anregung der Lenkung erfasst und im Hinblick auf eine periodische Komponente und eine nicht-periodische Komponente analysiert wird, wobei anhand der nicht-periodischen Komponente ein ein Kompensationsmoment repräsentierendes Signal generiert wird, das einem Stellsignal des Elektromotors aufmoduliert wird, derart, dass die nicht-periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung durch den Elektromotor verstärkt wird.
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Hierdurch ergeben sich die oben bereits erläuterten Vorteile einer Optimierung der haptischen Lenkungseigenschaften, einer Erhöhung der Fahrbahnrückmeldung sowie der Dämpfung von periodischen Schwingungen und Störsignalen wie zum Beispiel einer Radunwucht.
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Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 13 bis 15 angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine elektromechanische Lenkung nach der Erfindung,
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2 eine schematische Blockdarstellung des Wirkprinzips der Lenkung, und in
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3 eine schematische Darstellung einer softwaretechnischen Umsetzung des Wirkprinzips.
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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 Handlenkmoment MF eingebracht werden kann. Dieses Handlenkmoment MF 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 gegenüber dem Fahrzeugaufbau abgestützten Radträger 7 an, an dem ein Fahrzeugrad 8 gelagert ist. Über das Lenkgetriebe 4 wird das Handlenkmoment MF des Fahrers in Form einer Lenkkraft längs der Zahnstange an den Spurstangen 6 und letztlich an den Fahrzeugrädern 8 zur Wirkung gebracht.
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An geeigneter Stelle, bei dem Ausführungsbeispiel an dem Lenkgetriebe 4, wird ein Hilfsmoment MM in die Lenkung 1 eingeleitet, um den Fahrer beim Lenken zu unterstützen. Dieses Hilfsmoment MM, 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 Hilfsmoment des Elektromotors MM wird somit eine weitere Kraftkomponente an der Zahnstange bzw. an den Spurstangen 6 bereitgestellt.
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Das Hilfsmoment MM wird in Abhängigkeit des vom Fahrer aufgebrachten Handlenkmoments MF eingestellt. Dieses Handlenkmoment MF kann beispielsweise durch einen Drehwinkelsensor 10 an der Lenksäule 3 gemessen werden.
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In die Berechnung des Hilfsmoments MM fließen gegebenenfalls weitere Fahrzeugparameter 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 Handlenkmoment MF des Fahrers ein Hilfsmoment MM 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 MF und MM 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.
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Neben dem Handlenkmoment MF des Fahrers und dem Hilfsmoment MM des Elektromotors 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 weitestgehend in der Lenkung geschluckt wenden 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.
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Deswegen wird hier vorgeschlagen, durch die Lenkung gedämpfte fahrbahnseitige Anregungen mittels des Elektromotors 9 zu verstärken und so für den Fahrer am Lenkrad 2 fühlbar zu machen. Unter Nutzung von lenkungsinternen Signalen und Signalen einer ESP-Lenkwinkelsensorik wird mittels eines Softwarealgorithmus detektiert, ob ein fahrerseitiger Lenkbefehl oder eine fahrbahnseitige Anregung vorliegt. Bei erkannter fahrbahnseitiger Anregung wird ein Verstärkungsmoment MVerstärkung generiert, derart, dass die Fahrbahnanregung durch den Elektromotor 9 fahrsituationsabhängig verstärkt wird und die Fahrbahnrückmeldung an das Lenkrad 2 gelangt. Hingegen werden periodische Störsignale wie zum Beispiel Radunwuchten kompensiert bzw. ausgeblendet, so dass eine solche Anregung nicht an das Lenkrad 2 gelangt.
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Wie 2 zeigt, wird zunächst zwischen fahrerseitigen und fahrbahnseitigen Anregungen unterschieden, da für eine verbesserte Fahrbahnrückmeldung lediglich durch den Kontakt zwischen den Fahrzeugrädern und der Fahrbahn ursächliche Anregungen nützlich sind. Die Lenkung 1 des dargestellten Ausführungsbeispiels weist hierzu entsprechend ausgebildete Mittel in Form eines Softwarealgorithmus auf, welcher als Eingangsgrößen interne Signale der Lenkung und einer ESP-Lenkwinkelsensorik nutzt. Insbesondere werden als Eingangsgrößen der Lenkradwinkel φL, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit dφL/dt, das Handlenkmoment MF, die zeitliche Änderung des Handlenkmoments dMF/dt, ein berechneter Lenkwinkel der Lenkung sowie die berechnete Lenkwinkelgeschwindigkeit, das Soll-Hilfsmoment MM und gegebenenfalls die Temperatur T der Lenkung verwendet. Ferner kann die Winkellage φMotor des Elektromotors 9 und/oder die Winkelgeschwindigkeit dφMotor/dt des Elektromotors 9 berücksichtigt werden. Der Softwarealgorithmus kann, wie in 3 angedeutet, auf Fuzzy-Logik beruhen. Wird mittels des Algorithmus festgestellt, dass keine fahrbahnseitige Anregung vorliegt, erfolgt keine weitere Aktion.
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Wird hingegen eine fahrbahnseitige Anregung erkannt, wird in einem weiteren Schritt geprüft, ob die fahrbahnseitige Anregung periodisch oder nicht-periodisch ist. Auch dies kann, wie in 3 beispielhaft dargestellt, mit Hilfe von Fuzzy-Logik erfolgen. Jedoch können entsprechende Anregungen auch mit anderen Methoden im Hinblick auf eine periodische und eine nicht-periodische Komponente analysiert werden. Die Lenkung umfasst weiterhin Mittel zur Generierung eines ein Kompensationsmoment MK repräsentierenden Signals in Abhängigkeit der erkannten fahrbahnseitigen Anregung. Dieses Signal wird einem Stellsignal des Elektromotors 9 aufgeschaltet bzw. dem das Soll-Hilfsmoment MM repräsentierenden Signal überlagert. Das Kompensationsmoment MK wird dabei so eingestellt, dass eine nicht-periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung durch den Elektromotor 9 verstärkt, eine periodische Komponente der fahrbahnseitigen Anregung durch den Elektromotor 9 vermindert wird.
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Wird eine nicht-periodische fahrbahnseitige Anregung festgestellt. so wird zunächst eine Momentengröße in Form eines Verstärkungsmoments MVerstärkung für die Fahrbahnanregung berechnet. Das Verstärkungsmoment MVerstärkung kann, wie in 3 dargestellt, auf der Grundlage der Winkelgeschwindigkeit dφMotor/dt und der Winkelbeschleunigung d2φMotor/dt2 des Elektromotors 9 ermittelt werden, wobei die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung gegebenenfalls mit vorgegebenen Faktoren V1 und V2 gewichtet sind.
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Weiterhin wird in Abhängigkeit von für eine Fahrsituation charakteristischen Fahrzeugparametern eine Fahrsituationsgröße F generiert, mit der eine Adaption des berechneten Verstärkungsmoments an eine Fahrsituation beispielsweise eine Autobahnfahrt, das Fahren auf einer Landstraße, in der Stadt oder im Gelände oder ein Parkieren erfolgt.
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Sowohl die Momentengröße, das heißt hier das Verstärkungsmoment MVerstärkung als auch die Fahrsituationsgröße F gehen in das das Kompensationsmoment MK repräsentierende Signal ein. Vorzugsweise sind beide Größen multiplikativ miteinander verknüpft.
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Wird hingegen eine nicht-periodische fahrbahnseitige Anregung festgestellt, so wird zunächst eine Momentengröße in Form eines Bedämpfungsmoments MBedämpfung für periodische Störsignale berechnet. Das Bedämpfungsmoment MBedämpfung kann ebenfalls auf der Grundlage der Winkelgeschwindigkeit dφMotor/dt und der Winkelbeschleunigung d2φMotor/dt2 des Elektromotors 9 ermittelt werden, wobei die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung mit vorgegebenen Faktoren B1 und B2 gewichtet sind.
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Das Bedämpfungsmoment MBedämpfung wird zudem mittels der vorstehend bereits genannten Fahrsituationsgröße F an die jeweilige Fahrsituation angepasst, so dass das Kompensationsmoment MK als eine aus beiden Großen verknüpfte Momentengröße dem Soll-Hilfsmoment MM aufgeschaltet wird.
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Wie bereits oben ausgeführt, wird mittels einer softwaretechnisch implementierten Entscheidungslogik zwischen einer periodischen und einer nicht-periodischen fahrbahnseitigen Anregungskomponente unterschieden und dementsprechend ein Verstärkungsmoment MVerstärkung oder ein Bedämpfungsmoment MBedämpfung generiert. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gestattet die Entscheidungslogik zudem eine individuelle Reaktion auf kombinierte periodisch/nicht-periodische fahrbahnseitige Anregungen, so dass gleichzeitig eine gute Fahrbahnrückmeldung sowie eine Unterdrückung von periodischen Störsignalen wie Radunwuchten erzielt werden kann. Hierzu wird eine kombinierte Bedämpfungs-Verstärkungs-Momentengröße generiert, für die zunächst aus der periodischen Komponente der Anregung ein Bedämpfungsmoment MBedämpfung und aus der nicht-periodischen Komponente ein Verstärkungsmoment MVerstärkung berechnet werden. Beide Größen werden anschließend summiert und mittels eines Bandpassfilters gefiltert. Die gefilterte Momentengröße wird anschließend mittels der Fahrsituationsgröße F an die entsprechende Fahrsituation angepasst und das entsprechende Signal dem Stellsignal für das Soll-Hilfsmoment MM des Elektromotors 9 aufmoduliert. Die in 3 dargestellte Entscheidungsmatrix gestattet somit das Schalten zwischen drei verschiedenen Zuständen im Hinblick auf die Aufschaltung eines Kompensationsmoment MK. Für den Fall, dass keine fahrbahnseitige Anregung vorliegt, unterbleibt eine Korrektur des Soll-Hilfsmoment MM.
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Periodische fahrbahnseitige Anregungen haben ihre Ursache in der Regel in Störungen am Fahrzeug, wie beispielsweise Radunwuchten. Diese verursachen ein Bedämpfungsmoment MBedämpfung. Durch ein Auslesen des Bedämpfungsmoments MBedämpfung lassen sich somit Störungen am Fahrzeug erkennen. Diese können dem Fahrer angezeigt werden, beispielsweise dadurch, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes oder eines gewichteten Zeitintegrals für das Bedämpfungsmoment MBedämpfung ein Warnsignal erzeugt wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanische Lenkung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenksäule
- 4
- Lenkgetriebe
- 5
- Spurstangengelenk
- 6
- Spurstange
- 7
- Radträger
- 8
- Fahrzeugrad
- 9
- Elektromotor
- 10
- Drehwinkelsensor
- 11
- Steuergerät
- F
- Fahrsituationsgröße
- MBedämpfung
- Bedämpfungsmoment
- MF
- Handlenkmoment
- MK
- Kompensationsmoment
- MM
- Hilfsmoment des Elektromotors
- MVerstärkung
- Verstärkungsmoment
- T
- Temperatur
- φMotor
- Winkellage des Elektromotors
- dφMotor/dt
- Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors
- d2φMotor/dt2
- Winkelbeschleunigung des Elektromotors
- φL
- Lenkradwinkel
- dφL/dt
- Lenkradwinkelgeschwindigkeit
