DE102009057166A1 - Fahrzeuglenkung - Google Patents

Abstract

Eine Fahrzeuglenkung umfasst Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands der Lenkung, und Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung in die Lenkung, wenn seitens der Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands auf einen Bewegungsstillstand der Lenkung geschlossen wird. Hierdurch ein verbessertes Anlenkverhalten erzielt. Die Erfindung ermöglicht eine sportliche Lenkungscharakteristik mit geringem Reibungsverhalten.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeuglenkungen.
• Bei herkömmlichen Kraftfahrzeuglenkungen muss beim Anlenken, d. h. einer Lenkbewegung aus einem Bewegungsstillstand der Lenkung heraus zunächst die Haftreibung des Systems überwunden werden. Die Überwindung der Haftreibung bedingt zwangsläufig ein etwas verzögertes Ansprechverhalten. Dies ist insbesondere für ein sportliches Lenkverhalten unerwünscht.
• Eine Kompensation der Haftreibung gestaltet sich aufgrund des stark nicht-linearen Charakters der Haftbedingungen schwierig.
• Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lenkung zu schaffen, die sich durch ein verbessertes Anlenkverhalten auszeichnet.
• Diese Aufgabe wird durch eine Fahrzeuglenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkung umfasst hierzu Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands der Lenkung sowie weiterhin Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung in die Lenkung, wenn seitens der Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands auf einen Bewegungsstillstand der Lenkung geschlossen wird.
• Durch die gezielte Einleitung von Vibrationen wird die Lenkung in Bewegung gehalten, wenn diese nicht durch den Fahrer oder anderweitige Lenkeingriffe bewegt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich die Lenkung setzen und in den Haftreibungszustand gelangen kann. Beim Anlenken muss die Haftreibung nicht erst überwunden werden, was zu einem schnelleren Ansprechverhalten der Lenkung führt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
• Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich sowohl für hydraulische als auch für elektromechanische Fahrzeuglenkungen. In erstgenannten Fall kann die Schwingungserregung über einen zusätzlichen Schwingungserreger erzeugt werden. Bei elektromechanischen Lenkungen ist zur Unterstützung des Fahrers ein Elektromotor vorgesehen. Dessen Stellsignal kann eine Schwingungskomponente überlagert werden, so dass der Elektromotor gleichzeitig als Schwingungserregen nutzbar ist.
• Die Frequenz der Schwingungserregung wird vorzugsweise oberhalb der ersten bzw. niedrigsten Eigenfrequenz der Lenkung gewählt, wobei auch Bereiche höherer Eigenfrequenzen vermieden werden. Sie liegt auch oberhalb der Fahrzeugeigenfrequenz. Hierdurch ist die Schwingungserregung für den Fahrer nicht oder kaum wahrnehmbar.
• Bevorzugt liegt die Frequenz im Bereich von 150 Hz bis 2000 Hz, wobei vor allem gute Ergebnisse oberhalb von 500 Hz erzielt werden.
• Die Amplitude der Schwingungserregung wird vorzugsweise unterhalb einer für den Fahrer an einem Lenkrad haptisch wahrnehmbaren Schwelle gewählt, so dass der Fahrer durch die Schwingungserregung nicht gestört oder abgelenkt wird. Sie ist bevorzugt auch akustisch nicht wahrnehmbar. Die Komforteigenschaften des zugehörigen Fahrzeugs bleiben dadurch unbeeinträchtigt.
• In bestimmten Situationen kann die Schwingungserregung aus Komfortgründen deaktiviert werden. Dies gilt insbesondere für niedrige Fahrgeschwindigkeiten sowie in Bereichen der Endanschläge der Lenkung.
• Der Bewegungszustand kann beispielsweise mittels eines an der Lenkung angeordneten Drehwinkelsensors erfasst werden. Die kann beispielsweise eine Sensor zur Erfassung des Lenkradwinkels oder ein Sensor zur Erfassung des Lenkmoments sein, deren Signale in der Regel im Zusammenhang mit der Ermittlung der Lenkunterstützung ausgewertet werden. Auf einen Bewegungsstillstand wird dann geschlossen wird, wenn die mit Hilfe des Drehwinkelsensors erfasste Winkelgeschwindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
• Bei einer elektromechanischen Lenkung kann der Bewegungszustand auch mittels eines Drehwinkelsensors erfasst werden, der derart angeordnet ist, um die Stellung einer Motorwelle des Elektromotors der Lenkung zu erfassen.
• Weiterhin ist es möglich, Bedienungsmittel zum Ein- und Ausschalten der Schwingungserregung vorzusehen sind. Hierdurch kann beispielsweise durch den Fahrer zwischen einem sportlichen Charakter und einem weniger sportlichen Charakter der Lenkung hin- und hergeschaltet werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
• 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeuglenkung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und in
• 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Aufprägung einer Vibration auf die Lenkung.
• Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Fahrzeuglenkung 1 für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst ein Lenkungsgehäuse 2, durch das sich eine Lenkstange 3 erstreckt. An der Lenkstange 3 greift ein nicht näher dargestelltes Lenkungsritzel einer Lenksäule 4 an, um einen vom Fahrer mittels einer Lenkungshandhabe 5 aufgebrachten Lenkbefehl an die Fahrzeugräder 6 zu übertragen. Aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen der Lenkungshandhabe 5 und der Lenkstange 3 wird eine vom Fahrer an der Lenkungshandhabe 5 aufgebrachte Kraft bzw. ein vom Fahrer an der Lenkungshandhabe 5 aufgebrachtes Moment in eine Axialkraft an der Lenkstange 3 übersetzt.
• Weiterhin weist die Fahrzeuglenkung 1 einen Elektromotor 7 auf, der vorzugsweise koaxial oder achsparallel zu der Lenkstange 3 angeordnet und mit dieser über ein nicht näher dargestelltes Getriebe gekoppelt ist, so dass das Antriebsmoment des Elektromotors 7 als Axialkraft an der Lenkstange 3 zur Wirkung gebracht wird. Üblicherweise ist die Unterstützungskraft erheblich größer, als die allein durch den fahrerseitigen Lenkbefehl an der Lenkstange 3 mechanisch erzeugte Kraft.
• Zur Ansteuerung des Elektromotors 7 dient eine Steuereinrichtung 8, in der unter Berücksichtigung des fahrerseitigen Lenkbefehls sowie gegebenenfalls weiterer Fahrzeugparameter ein Stellsignal i generiert wird. Erfindungsgemäß wird dem Stellsignal i bei einem erfassten Bewegungsstillstand der Lenkung eine Schwingungskomponente i_osz überlagert. Hierdurch können über den Elektromotor 7 Schwingungen in die Lenkung eingeleitet werden, welche die beweglichen Komponenten der Lenkung stets in Bewegung halten. Die Schwingungserregung ist dabei so gewählt, dass diese für den Fahrer nicht wahrnehmbar ist, jedoch ein Setzen der Lenkung verhindert. Für den Fahrer ergibt sich beispielsweise bei einer Geradeausfahrt ohne Lenkimpuls an der Lenkungshandhabe 5 weiterhin der Eindruck einer stillstehenden Lenkung. Wird aus dieser Situation ausgelenkt, entfällt jedoch die bei herkömmlichen Lenkungen unvermeidlicher Haftreibung, so dass sich ein spontaneres Ansprechen ergibt, das insbesondere für eine sportliche Charakteristik der Lenkung von Vorteil ist.
• Die Schwingungserregung kann beispielsweise mittels eines Oszillators 9 erzeugt werden, der entweder außerhalb des Steuergerät 8 angeordnet oder aber vorzugsweise in diesem implementiert ist.
• Zudem kann die Schwingungserregung für einen optionalen Modus zuschaltbar ausgeführt sein. Die Zuschaltung kann entweder automatisch, beispielsweise durch das Steuergerät 8, veranlasst werden. Weiterhin ist es möglich, eine Wahlmöglichkeit für den Fahrer zu schaffen, indem geeignete Bedienungsmittel 10 wie Schalter oder ein Bedienungsmenu im Aktionsbereich des Fahrers angeordnet werden. Denkbar ist ferner, die Wahl einer sportlicheren Lenkungscharakteristik mit anderen Funktionalitäten, welche für ein sportliches Fahrverhalten kennzeichnend sind, zu verknüpfen, so dass dem Fahrer mit der Wahl eines Sportprogramms neben einer sportlichen Lenkungscharakteristik beispielsweise gleichzeitig auch eine sportlichere Fahrwerkabstimmung und/oder ein sportliches Schaltprogramm für das Getriebe zur Verfügung gestellt werden.
• Die Frequenz der Schwingungserregung ist oberhalb der niedrigsten Eigenfrequenz der Lenkung gewählt. Sie liegt im Bereich von 150 Hz bis 2000 Hz, vorzugsweise oberhalb von 500 Hz. Die Amplitude der Vibration liegt unterhalb der haptisch und akustisch wahrnehmbaren Grenzen. Sie kann über Frequenz applizierbar ausgeführt werden.
• Zur Erfassung des Bewegungszustands der Lenkung können ein oder mehrere, an dieser befindliche Sensoren ausgelesen werden. Üblicherweise sind an einer elektromechanischen Lenkung zumindest einen Sensor 11 zur Erfassung der Stellung der Lenkungshandhabe 5, ein Drehmomentssensor 12 an der Lenksäule 4 und ein Motorlagesensor 13 zur Erfassung der Stellung einer Motorwelle des Elektromotors 7 vorgesehen. Auf einen Bewegungsstillstand wird beispielsweise dann geschlossen, wenn das ausgelesene Signal keine oder zumindest eine unter einem vorgegebenen Grenzwert fallende Veränderung aufweist.
• Da der Elektromotor 7 einen großen Anteil am Gesamtträgheitsmoment der Lenkung aufweist, bietet es sich an, im Hinblick auf die Aufschaltung von Vibrationen vor allem dessen Bewegungszustand zu überwachen. Ein Bewegungsstillstand liegt z. B. dann vor, wenn die mit Hilfe des Motorlagesensors 13 erfasste Winkelgeschwindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
• Bei der vorstehend erläuterten Lenkung ist ferner vorgesehen, die Schwingungserregung bzw. Vibration bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten sowie in den Bereichen der Endanschläge der Lenkung zu deaktivieren. Dementsprechend sind die Mittel zur Einleitung der Schwingungserregung derart konfiguriert, dass unterhalb einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit v₀ keine Schwingungserregung erfolgt. Eine entsprechende Ansteuerung kann über das Steuergerät 8 erfolgen, das beispielsweise über einen Datenbus eine Information über die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v erhält. In gleicher Weise kann die Schwingungserregung deaktiviert werden, wenn ein vorgegebener Lenkradeinschlag δ_L0 überschritten wird, was beispielsweise mittels eines Lenkradwinkelsensors erfasst werden kann.
• Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne dass diese auf das Ausführungsbeispiel beschränkt wäre.
• So können mechanische Schwingungen beispielsweise auch in eine Fahrzeuglenkung mit hydraulischer Servounterstützung eingeleitet werden, wozu in diesem Fall an der Lenkung ein entsprechender Schwingungserreger angekoppelt ist. Prinzipiell ist dies auch bei einer Lenkung möglich, an der die Lenkunterstützung durch einen Elektromotor bereitgestellt wird, wenn dieser nicht zur Schwingungserregung herangezogen wird.
• Ferner eignet sich die Erfindung für steer-by-wire Systeme, bei denen eine mechanische Kopplung zwischen Lenkungshandhabe 5 und Lenkstange 3 nicht mehr vorhanden ist.
• In sämtlichen Fällen ergibt sich durch die Einleitung von Vibrationen ein sportlicher und reibungsarmer Fahrcharakter.
• Anhand von 2 soll abschließend die Betriebsweise der Lenkung dargestellt werden. Nach einem Einschalten S0 wird in einem ersten Schritt S1 geprüft, ob die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v größer als eine vorgegebene Mindestfahrgeschwindigkeit v₀ ist. Ist dies nicht der Fall, wird eine Schwingungserregung unterbunden (vgl. Schritt S2). Überschreitet die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v hingegen die Mindestfahrgeschwindigkeit v₀, wird in einem weiteren Schritt S3 geprüft, ob sich die Lenkung im Bereich der Endanschläge befindet. Dazu wird beispielsweise der Lenkradwinkelsensor ausgelesen, indem geprüft wird, ob der Betrag des Lenkradwinkels δ_L einen vorgegebenen Grenzwert δ_L0 überschreitet. Ist dies der Fall, wird eine Schwingungserregung unterbunden (vgl. Schritt S2). Andernfalls erfolgt in einem weiteren Schritt S4 eine Prüfung des Bewegungszustands der Lenkung. Dazu wird beispielsweise der Motorlagesensor 13 ausgelesen. Ist die Motorwinkelgeschwindigkeit φ . kleiner als ein vorgegebener Grenzwert für die Motorwinkelgeschwindigkeit φ .₀, wird dies als Bewegungsstillstand der Lenkung interpretiert und in einem weiteren Schritt S5 die Schwingungserregung aktiviert. Andernfalls wird die Schwingungserregung deaktiviert. Diese Prozedur wird im Betriebszustand des Fahrzeugs fortlaufend wiederholt, so dass der Lenkung immer dann, wenn die Lenkung in einen Stillstand zu fallen droht und die Randbedingungen hinsichtlich Fahrgeschwindigkeit und Lenkradwinkel eingehalten sind, Vibrationen aufgeschaltet werden.
• Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
• Bezugszeichenliste

1

Fahrzeuglenkung

2

Lenkungsgehäuse

3

Lenkstange

4

Lenksäule

5

Lenkungshandhabe

6

Fahrzeugrad

7

Elektromotor

8

Steuereinrichtung

9

Oszillator

10

Bedienungsmittel

11

Sensor zur Erfassung der Stellung der Lenkungshandhabe

12

Drehmomentssensor

13

Motorlagesensor Stellsignal

i*

modifiziertes Stellsignal

iosz

Schwingungskomponente

v

Fahrgeschwindigkeit

v0

Mindestfahrgeschwindigkeit

δL

aktueller Lenkradwinkel

δL0

Grenzwert

φ.

Motorwinkel

φ.0

Grenzwert

Claims (10)

1. Fahrzeuglenkung, umfassend Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands der Lenkung, und Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung in die Lenkung, wenn seitens der Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands auf einen Bewegungsstillstand der Lenkung geschlossen wird.
2. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingungserregung oberhalb der niedrigsten Eigenfrequenz der Lenkung liegt.
3. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingungserregung im Bereich von 150 Hz bis 2000 Hz liegt.
4. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Schwingungserregung unterhalb einer an einer Lenkungshandhabe haptisch wahrnehmbaren Schwelle liegt.
5. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung einen an die Lenkung angekoppelten Schwingungserreger umfassen.
6. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung einen Elektromotor (7) der Lenkung umfassen, dessen Stellsignal eine Schwingungskomponente überlagert wird.
7. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung des Bewegungszustands der Lenkung mindestens einen an der Lenkung angeordneten Sensor zur Erfassung einer Relativbewegung umfassen, und auf einen Bewegungsstillstand geschlossen wird, wenn die mit Hilfe des mindestens einen Sensors erfasste Bewegung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
8. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor zur Erfassung einer Relativbewegung ein Drehwinkelsensor (13) vorgesehen ist, der die Stellung eines Elektromotors (7) der Lenkung erfasst, wobei auf einen Bewegungsstillstand geschlossen wird, wenn die mit Hilfe des Drehwinkelsensors (13) erfasste Winkelgeschwindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
9. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Bedienungsmittel (10) zum Ein- und Ausschalten der Schwingungserregung vorgesehen sind.
10. Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einleitung einer Schwingungserregung in die Lenkung derart konfiguriert sind, dass unterhalb einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit eine Schwingungserregung deaktiviert ist und/oder oberhalb eines vorgegebenen Lenkradeinschlags eine Schwingungserregung deaktiviert ist.

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