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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Rückstellmomentes bei einem elektromechanischen Fahrzeuglenksystem, wobei das Rückstellmoment durch Ansteuerung eines elektromechanischen Lenkhilfsantriebs generiert wird und dazu dient, ein vom Fahrer im Rahmen einer Lenkoperation aus einer Rücklaufnullposition ausgelenktes Lenkrad in jene Rücklaufnullposition zurückzudrängen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektromechanisches Lenksystem, dessen Stellmotor derart ansteuerbar ist, dass über diesen eine automatische Rückstellung eines Lenkrades in eine Rücklaufnullposition herbeiführbar ist.
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Durch den Einsatz von elektromechanischen Lenkgetrieben, die als solche die Funktion einer automatischen Lenkradrückstellung bieten, wird es möglich, die Radaufhängung so zu gestalten, dass die am jeweiligen Rad über die Radaufstandsflächen angreifenden Kräfte nur relativ geringe Reaktionskräfte an den Stellgliedern des entsprechenden Lenkgetriebes verursachen. Dieser Umstand erweist sich insbesondere bei Fahrzeugen mit angetriebenen Vorderachsen als besonders vorteilhaft, da die Abschottung oder Unterdrückung von Reaktionskräften aus dem Bereich der Radaufhängung den Fahrkomfort deutlich hebt. Damit bei derartigen Lenksystemen das Lenkrad ähnlich wie bei rein mechanischen Lenkungen wieder in eine zur Geradeausfahrt führende Mittenposition zurückläuft, ist es bei diesen elektromechanischen Systemen üblich, das Rückstellmoment durch entsprechende Ansteuerung des Lenkhilfsmotors „synthetisch” aufzubauen.
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Es ist auch möglich, bei elektromechanischen Lenksystemen die Lenkmechanik so zu gestalten, dass durch diese noch eine gewisse Wahrnehmbarkeit für die im Bereich der Radaufhängung wirkenden Lenkkräfte gegeben ist. Diese Wahrnehmbarkeit kann erhöht werden, indem die Lenkkraftunterstützung in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs variiert wird. Entsprechende Konzepte sind aus
DE 10 2006 025 254 A1 sowie
GB 2 372 020 A bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche bei Fahrzeugen, die mit elektromechanischen und eine Rücklauffunktion bietenden Fahrzeuglenksystemen ausgestattet sind, die sich dem jeweiligen Fahrer darstellende Lenkcharakteristik weiter verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung eines Rückstellmomentes, durch welches bei einem elektromechanischen Fahrzeuglenksystem ein Fahrzeuglenkrad in eine Rücklaufnullposition gedrängt wird, bei welchem während des Betriebs des Fahrzeuges hinsichtlich des momentanen fahrdynamischen Zustands desselben indikative Signale erfasst werden, anhand dieser Signale auf Grundlage einer applizierbaren Funktion eine Winkelabweichung ermittelt wird, und nach Maßgabe der ermittelten Winkelabweichung die momentane Lage der Rücklaufnullposition der automatischen Rückstellung festgelegt wird.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, bei einem elektromechanischen Lenksystem ein haptisches Feedback zu generieren, das in seiner Charakteristik Merkmale trägt, die für eine mechanische Lenkung mit einem relativ großen Lenkrollhalbmesser und ausgeprägter Eigenrückstellung typisch sind. Insbesondere wird es durch das erfindungsgemäße Konzept möglich, ein bei mechanischen Lenkungen mit ausgeprägter Eigenrückstellung bei temporärem Über- oder Untersteuern des Fahrzeuges auftretendes und am Lenkrad spürbares Abdriften der durch Eigenrückstellung erreichbaren Rücklaufnullposition zu simulieren. Die temporäre Verschiebung der Rücklaufnullposition, und damit verbunden die Einstellung des Rückstellmomentes, erfolgt vorzugsweise mit einer derart hohen Dynamik, dass es dem Fahrer ermöglicht wird, durch eine rasche Lenkradschwenkung die – ggf. veränderte – Lage der Rücklaufnullposition zu erfassen und anschließend soweit möglich, das Fahrzeug auf einen Kurs mit vermindertem Seitenschlupf zu bringen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es weiterhin möglich, bei einem elektromechanischen Lenksystem im Falle einer Lenkoperation, die zu einem Über- oder Untersteuern führt, das Rückstellmoment des Lenkrades nach Maßgabe einer Berechnungsvorschrift bzw. Funktion zu verändern, die eine Lenkcharakteristik abbildet, wie sie bei einem mechanischen Lenksystem mit ausgeprägter Eigenrückstellung vorliegt. Das Phänomen einer temporären Verschiebung der Rücklaufnullposition einer Rückstellfunktion ist bei herkömmlichen elektromechanischen Lenksystemen nicht gegeben. Durch des erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, ein deutliches Feedback für fahrdynamische Grenzbereiche zu realisieren. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere für elektromechanische Lenksysteme von Fahrzeugen mit hohem Beschleunigungspotential.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept wird das Feedback für den Fahrer verbessert, indem Rückstellfehler die aufgrund von Über- oder Untersteuern indem Lenksystem natürlicherweise vorliegen müssten und in rein mechanischen Lenksystemen auch vorliegen in Form einer Winkelabweichung gewollt dargestellt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch eine applizierbare Funktion ein Translationswert generiert, der einen Fehlwinkel beschreibt, um welchen die Rücklaufnullposition zu verschieben ist. Die applizierbare Funktion ist vorzugsweise so gestaltet, dass diese für die Verschiebung der Rücklaufnullposition und vorzugsweise auch für eine weitere Modifikation der Kennlinie des Rückstelldrehmomentes aktuelle Fahrzustandssignale berücksichtigt. Diese Fahrzustandssignale können insbesondere berücksichtigt werden, indem diese letztlich Parameter der applizierbaren Funktion darstellen oder Eingang in diese Parameter finden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als weiteres Fahrzustandssignal die Fahrzeugquerbeschleunigung erfasst. Weiterhin werden vorzugsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Radmomente, und/oder die ABS-Sensorsignale erfasst. Die Radmomente können aus dem momentanen Motor- und Getriebetriebszustand sowie dem Betriebszustand des Bremssystems errechnet werden.
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Die Funktion kann weiterhin so gestaltet sein, dass diese bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten und niedrigen Motordrehzahlen keine Rückstellung veranlasst, so dass beispielsweise während eines Einparkvorganges das Lenkrad in der vom Fahrer eingestellten Position verbleibt.
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Die erfindungsgemäße Translation der Rücklaufnullposition der Kennlinie des Rückstelldrehmomentes kann für einen Geschwindigkeitsbereich vorgesehen sein, der sich oberhalb eines Grenzwertes befindet, ab welchem ein fahrdynamisches Feedback von Bedeutung ist. Dieser Grenzwert kann relativ niedrig angesetzt sein, so dass die erfindungsgemäße Verschiebung der Rücklaufnullposition bei schnee- und eisglatten Fahrbahnen früh in Erscheinung tritt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lenksystem derart ausgelegt, dass anhand der Fahrzustandssignale ermittelt wird, ob ein Übersteuern vorliegt, und dass eine Winkelabweichung errechnet wird, die einen Rückstellfehler beschreibt, wie er bei einer in ihrem Verhalten abzubildenden (z. B. rein mechanischen) Lenkung bei Übersteuern zu erwarten ist, und dass nach Maßgabe dieser errechneten Winkelabweichung die Rücklaufnullposition Funktion derart weit verschoben wird, dass damit eine Rückstellcharakteristik erreicht wird, wie sie bei der abzubildenden Lenkung zu erwarten wäre.
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Weiterhin ist es möglich, das Lenksystem auch so auszulegen, dass anhand der Fahrzustandssignale ermittelt wird, ob ein Untersteuern vorliegt, und dass eine Winkelabweichung errechnet wird, die einen Rückstellfehler beschreibt, wie er bei einer in ihrem Verhalten abzubildenden (z. B. rein mechanischen) Lenkung bei Untersteuern zu erwarten ist, und dass nach Maßgabe dieser errechneten Winkelabweichung die Rücklaufnullposition der Kennlinie des Rückstelldrehmomentes verschoben wird.
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Es ist möglich, das Lenksystem so zu realisieren, dass ein Betriebsmodus in welchem das Lenksystem die Verschiebung der Rücklaufnullposition der Funktion bietet, selektiv einschaltbar ist.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht auch gelöst durch ein elektromechanisches Lenksystem mit einem Lenkgetriebe zur Aufbringung der zur Herbeiführung einer geforderten Radausrichtung erforderlichen Stellkräfte, wobei dieses Lenkgetriebe eine Lenkwelle und einen mit dieser mechanisch gekoppelten Lenkhilfsmotor umfasst ist, und der Lenkhilfsmotor über eine elektronische Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass an der Lenkwelle ein Rückstellmoment wirksam ist, das bei Auslenkung eines an die Lenkwelle angebundenen Lenkrades aus einer Rückstellnullposition das Lenkrad in jene Rückstellnullposition drängt, wobei Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die Lage der Rückstellnullposition gegenüber einer Lenkradgeradestellung bei Eintritt von Über- oder Untersteuern verändert.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzeptes zur Einstellung der Lage der Rückstellnullposition des Rückstelldrehmomentes bei einem elektromechanischen Lenkgetriebe;
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2 eine Grafik zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzeptes der Verschiebung der Rückstellnullposition einer das Rückstellmoment darstellenden Drehmomentenkennlinie.
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1 zeigt ein Blockdiagramm, das als solches das erfindungsgemäße Konzept weiter veranschaulicht. Durch dieses Konzept wird es möglich, Rückstellfehler die aufgrund von Über- oder Untersteuern in einem in seinem Verhalten nachzuempfindenden Lenksystem vorliegen müssten, in Form einer Winkelabweichung künstlich darzustellen. Erfindungsgemäß wird eine applizierbare Funktion bereitgestellt, die auf Basis des Lenkradwinkels φ, der Querbeschleunigung ay, der Fahrzeuggeschwindigkeit vFzg, der Gierrate dψ/dt und anderen lenkungseigenen Größen eine Winkelabweichung Δφu errechnet. Dieser Fehlwinkel entspricht dem Rückstellwinkel einer idealen Lenkung ohne elektromechanische bzw. automatische Rückstellung.
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Alternativ kann an dieser Stelle auch ein Über- oder Untersteuerungssignal eines Bremsensteuergerätes verwendet werden, aus welchem die Winkelabweichung Δφu generiert wird.
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Die Winkelabweichung Δφu wird der Festlegung der Rücklaufnullposition des automatischen Rücklaufs zugrunde gelegt. Zusätzlich kann diese Funktion der Einstellung einer zusätzlichen Zahnstangenkraft Fu zugrunde gelegt werden, die auf das Lenksystem aufgeprägt werden kann.
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Nach dem erfindungsgemäßen Konzept erfolgt bei einer Erkennung von Über- und Untersteuern eine Veränderung der Lage Rücklaufnullposition des automatischen Rücklaufs. Die Kräfte FU und FARS werden zu der Kraft, die für die Lenkunterstützung berechnet wird, hinzuaddiert. Der Winkel Δφu und die Kraft FU kann für Sicherheitszwecke begrenzt werden. Die beschriebene erfindungsgemäße Funktionalität kann für den Betrieb eines „Sportmodus” optional zuschaltbar sein.
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In 2 ist anhand einer Grafik die Einstellung des Rückstellmomentes MR bei einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenksystem veranschaulicht. Auf der Abszisse ist der Lenkradeinschlagwinkel φ beispielhaft in Schritten von 30° angetragen. Lenkradeinschläge nach rechts sind rechts der Lenkradnullposition O abgebildet. Lenkradeinschläge nach links sind entsprechend links der Lenkradnullposition O abgebildet. Das Rückstellmoment MR ist als Betrag dargestellt. Die Orientierung oder der Drehsinn dieses Rückstellmomentes MR ist so, dass eine Drehung in eine Rückstellnullposition RN veranlasst wird. Erfindungsgemäß wird die Lage dieser Rückstellnullposition RN gegenüber der Lenkradnullposition O (d. h. der „Geradeausfahrtstellung”) in besonderer Weise variiert.
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Das Rückstellmoment MR wird nach Maßgabe einer Funktion f eingestellt. Diese Funktion f ist so festgelegt, dass sich eine gewisse Progressivität ergibt. Diese Progressivität hat zur Folge, dass das Rückstellmoment MR mit zunehmender Auslenkung aus der Rückstellnullposition RN zunimmt. Der Grad der Progressivität kann unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Motordrehzahl und anderweitiger fahrdynamischer Parameter variiert werden. Die abschnittsweise dargestellten Graphen f2 und f3 entsprechen der Funktion f bei verschiedenen, niedrigen Geschwindigkeiten.
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Bei normalen fahrdynamischen Zuständen, d. h. fahrdynamischen Zuständen ohne Über- oder Untersteuern, entspricht die Rückstellnullposition RN der Funktion f der Lenkradnullposition O. Die Funktion f ist so festgelegt, dass diese betraglich ein Funktionsminimum aufweist. Dieses Funktionsminimum liegt bei der Rückstellnullposition RN die wiederum bei normalem, d. h. im Wesentlichen seitenschlupffreien Fahrbetrieb bei der Lenkradnullposition O liegt. Die Lage des Minimums der das Rückstellmoment MR bestimmenden Funktion f oder der Rückstellnullposition RN wird erfindungsgemäß verändert, insbesondere nach links oder rechts verschoben, und zwar nach Maßgabe von Signalen, die eng mit dem Ausmaß von Über- oder Untersteuern korrelieren. Das Ausmaß der Verschiebung der Rückstellnullposition RN gegenüber der Lenkradnullposition O wird vorzugsweise auf Grundlage einer Funktion bestimmt, die auf den Lenkradwinkel, die Querbeschleunigung, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und andere lenkungseigene Größen appliziert wird und damit jene Verschiebung errechnet.
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Die Funktion f kann neben der hier angedeuteten Verschiebung der Lage des Funktionsminimums oder der Rückstellnullposition RN (d. h. jener Winkelposition in welcher die Lenkung keine Rückdrehung des Lenkrades veranlasst) auch weiter modifiziert werden. So können, wie hier durch die Funktionen f2 und f3 angedeutet, z. B. für niedrige Fahrgeschwindigkeiten niedrigere Rückstellmomente und zudem flachere Anstiege der Rückstellmomente vorgesehen sein. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten werden das Rückstellmoment in die Rückstellnullposition RN sowie die Progressivität (d. h. der Zuwachs des Rückstellmomentes bei Abweichung von der Rückstellnullposition) erhöht. Weiterhin wird die Rückstellnullposition RN verschoben. Der Funktion f kann temporär auch eine gewisse Asymmetrie gegenüber der die Rückstellnullposition durchsetzenden Vertikalachse verliehen werden.
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Der Graph f' veranschaulicht die Charakteristik des Lenkradrückstellmomentes MR in einem Fahrzeugbetriebszustand, bei welchem ein Übersteuern um einen Fehlwinkel von etwa 30° bei mittlerer Geschwindigkeit eintritt. Wie erkennbar ist die Funktion f' derart „nach links” verschoben, dass der Versatz der Rückstellnullposition RN' gegenüber der Lenkradnullposition O im wesentlichen den übermäßigen und zu Übersteuern führenden Fehlwinkel abbildet. Durch diesen Ansatz ergibt sich für den Fahrer eines entsprechenden Fahrzeuges ein haptisches Feedback, das den Charakter einer mechanischen Lenkung mit ausgeprägter Eigenrückstellung hat.
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Das hier beschriebene Verfahren wird vorzugsweise durch eine elektronische Steuerung abgearbeitet, durch welche letztlich das Drehmoment eines Unterstützungsmotors des Lenkgetriebes derart eingestellt wird, dass am Fahrzeuglenkrad die in 2 veranschaulichte Charakteristik des Rückstellmomentes mit variabler Rückstellnullposition RN erreicht wird. Die der Festlegung des Verlaufs des Rückstellmomentes oder der Winkelverschiebung der Rückstellnullposition zugrunde liegenden Funktionen können über die elektronische Steuerung in das Lenksystem implementiert werden, indem diese Funktionen durch die Steuerung konkret abgearbeitet werden. Es ist auch möglich, in der Steuerung ein Kennfeld zu hinterlegen, auf welches zurückgegriffen werden kann und vorliegend als Funktion im weiteren Sinne verstanden wird. Die erfindungsgemäße Verschiebung der Rückstellnullposition kann auch durch eine analoge Signalverarbeitung oder Einflussnahme auf den der Steuerung zugeführten aktuellen Lenkwinkel realisiert werden. Die erfindungsgemäße Funktionalität kann auch ohne konkrete Abarbeitung dieser Funktion durch in ihrer Wirkung hinreichend ähnliche Übertragungssysteme erreicht werden.
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Die Erfindung ist geprägt durch den Ansatz, dass die Rückstellnullposition RN, in welche das Lenkrad unter Aufbringung eines entsprechend orientierten Rückstellmomentes gedrängt wird, unter Berücksichtigung eines bei Über- oder Untersteuern eintretenden Fehlwinkelereignisses verschoben wird und zwar derart, dass sich eine Rückstellcharakteristik ergibt, wie sie für mechanische Lenksysteme, insbesondere solche mit relativ großem Lenkrollhalbmesser in derartigen fahrdynamischen Zuständen typisch ist.
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Die Erfindung wurde vorliegend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie möglicher Abwandlungen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen, auch wenn diese vorstehend nicht ausdrücklich beschrieben worden sind.
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Bezugszeichenliste
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- FARS
- Kraft
- Fu
- Zahnstangenkraft
- MR
- Rückstellmomentes
- O
- Lenkradnullposition
- RN
- Rückstellnullposition
- ay
- Querbeschleunigung
- vFzg
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- φ
- Lenkradeinschlagwinkel
- dψ/dt
- Gierrate
- Δφu
- Winkelabweichung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006025254 A1 [0003]
- GB 2372020 A [0003]
