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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Hilfskraftlenkungen, auch als Servolenkungen bekannt, finden in modernen Kraftwagen beinahe universellen Einsatz. Neben hydraulischen und elektrohydraulischen Hilfskraftlenkungen setzen sich elektromechanische Hilfskraftlenkungen in zunehmenden Maße durch. Üblicherweise wird bei einer derartigen elektromechanischen Hilfskraftlenkung ein vom Fahrer auf eine Lenkhandhabe, beispielsweise ein Lenkrad, ausgeübtes Lenkmoment gemessen und in Abhängigkeit von diesem Lenkmoment ein Unterstützungsmoment durch eine elektrische Maschine auf ein Lenkgetriebe des Kraftwagens ausgeübt. Der Fahrer muss daher wesentlich geringere Lenkkräfte aufbringen als bei einer nicht unterstützten Lenkung, so dass der Fahrkomfort erhöht und ein ermüdungsfreies Fahren ermöglicht wird.
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Die Messung des vom Fahrer ausgeübten Lenkmomentes erfolgt üblicherweise über einen Drehmomentsensor in einer Lenksäule des Kraftwagens. Das Unterstützungsmoment für die elektrische Maschine wird dann anhand einer Kennlinie oder eines fahrtgeschwindigkeitsabhängigen Kennfelds aus diesem gemessenen Lenkmoment bestimmt. Als Drehmomentsensor wird dabei meist ein Drehstab verwendet, also ein tordierbarer elastischer Abschnitt in der Lenksäule. Derartige Drehmomentsensoren verschlechtern jedoch die Lenkpräzision.
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Aufgrund der mechanischen Kopplung aller Komponenten eines solchen Lenksystems wirken nicht nur die vom Fahrer ausgeübten Lenkmomente auf die Räder, es besteht vielmehr auch eine Kraftübertragung in umgekehrter Richtung. Vom befahrenen Untergrund auf die Räder ausgeübten Kräfte sind also an der Lenkhandhabe spürbar. Durch die Trägheit und Reibung innerhalb des Lenkgetriebes und der elektrischen Maschine wirken übliche elektromechanische Hilfskraftlenkungen hierbei als Tiefpassfilter, die einen hochfrequenten Anteil der auf die Räder des Kraftwagens wirkenden Kräfte nur abgeschwächt an die Lenkhandhabe übertragen. Eine solche Kraftrückmeldung an den Fahrer ist jedoch essentiell, da sie dem Fahrer eine haptische Information über den Straßenzustand und den fahrdynamischen Zustand seines Fahrzeugs liefert. Die Abschwächung dieser Kraftrückmeldung durch elektromechanische Hilfskraftlenkungen verschlechtert daher das Fahrgefühl und die Fahrsicherheit.
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Aus der
DE 10 2007 026 189 A1 ist eine elektromechanische Lenkung für einen Kraftwagen bekannt, bei welcher auf die beschriebene Weise ein Lenkmoment durch einen Drehmomentsensor in der Lenksäule gemessen und zur Bestimmung eines Unterstützungsmomentes durch eine elektrische Maschine verwendet wird. Zusätzlich werden durch weitere Kraftsensoren die auf die Spurstangen der Lenkung des Fahrzeugs wirkenden Kräfte bestimmt. Ein hochpassgefiltertes Signal dieser Kraftsensoren fließt zusammen mit dem Lenkmoment des Fahrers in die Bestimmung des Unterstützungsmomentes ein, um so die Dämpfung der hochfrequenten Kraftanteilen Anteile durch die Hilfskraftlenkung zu vermindern und das Fahrgefühl zu verbessern. Solche Systeme benötigen also eine Vielzahl von Sensoren und sind daher generell aufwändig und teuer.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches auf einfache Weise eine besonders präzise Lenkung eines Fahrzeugs mit einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem derartigen Verfahren wird das durch eine elektrische Maschine auf ein Lenkungsgetriebe der Hilfskraftlenkung auszuübende Unterstützungsmoment unter Verwendung eines Signals bestimmt, welches durch einen an einer Spurstange oder Zahnstange des Kraftwagens angeordneten Sensors gemessen wird. Die Messung erfolgt zu mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, wobei das Signal zu jedem Zeitpunkt eine Kraft an der Spurstange und/oder Zahnstange repräsentiert. Die Abfolge der Signale repräsentiert also einen Kraftverlauf an der Spurstange und/oder Zahnstange. Der aus konventionellen Hilfskraftlenkungen bekannte Drehmomenten- bzw. Torsionssensor in einer Lenksäule des Kraftwagens entfällt bei Verwendung dieses Verfahrens vollständig, so dass die Lenkpräzision deutlich erhöht wird. Durch die vereinfachte Sensoranordnung ist ein Kraftwagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zudem kostengünstig.
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Durch die Messung an den Spurstangen bzw. der Zahnstange werden zudem über die Räder in die Lenkung eingeleitete Momente besser erfasst, da der Sensor an seinem Anbringungsort von der Dämpfungswirkung des Lenkgetriebes und der elektrischen Maschine nicht beeinflusst ist. Allein durch die geänderte Sensoranordnung wird somit ein verbessertes Lenkgefühl geschaffen, da bei der Bestimmung des Unterstützungsmomentes solche extern eingebrachten Momente mit berücksichtigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestimmung des Unterstützungsmoments mittels eines fahrtgeschwindigkeitsabhängigen Kennfelds. Durch ein derartiges Kennfeld können die Änderungen der Lenkungsdynamik bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, so dass bei allen Fahrtgeschwindigkeiten ein optimales Lenkungsgefühl erzielt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vor der Bestimmung des Unterstützungsmoment ein oberhalb einer vorgegebenen Frequenz zeitlich variierender Anteil des gemessenen Signals mittels eines Tiefpassfilters ausgefiltert. Solche sich hochfrequent ändernden Momente werden im Wesentlichen über die Räder in die Lenkung eingebracht und bieten dem Fahrer wichtige Informationen über den fahrdynamischen Zustand seines Fahrzeugs und den Straßenzustand.
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Sind solche hochfrequenten Anteile des Signals, welche die Radkräfte repräsentieren, in der Eingangsgröße für die kennfeldbasierte Bestimmung des Unterstützungsmoments enthalten, enthält das Unterstützungsmoment aufgrund des verwendeten Kennfeldes ebenfalls hochfrequent variierende Anteile, die den Radkräften entgegengerichtet sind. Diese werden daher durch die elektrische Maschine der Hilfskraftlenkung aktiv gedämpft. Der Fahrer erfährt dann eine deutlich verringerte haptische Rückmeldung.
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Durch die Ausfilterung derartiger Signalanteile mittels eines Tiefpassfilters werden bei der Bestimmung des Unterstützungsmoments mittels des Kennfeldes keine entsprechenden Gegenmomente erzeugt, so dass die Radkräfte nicht durch die elektrische Maschine aktiv gedämpft werden. Der Fahrer verspürt somit an der Lenkhandhabe eine stärkere Kraft, die von den Rädern des Kraftwagens ausgeübt wird. Dies verbessert den Fahrkomfort und erhöht die Fahrsicherheit, da der Fahrer deutlich spürt, wenn sein Fahrzeug in fahrdynamische Grenzsituationen gerät.
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Alternativ oder auch zusätzlich wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein oberhalb einer weiteren vorgegebenen Frequenz zeitlich variierender Anteil des gemessenen Signals mittels eines Hochpassfilters übertragen und zur Bestimmung eines zusätzlich zum Unterstützungsmoment von der elektrischen Maschine auszuübenden Rückmeldemoments verwendet. Die hochfrequenten Signalanteile können zwar im Eingangssignal des Kennfelds noch vorhanden sein, die aufgrund des Kennfelds erzeugten Gegenmomente zu den Radkräften werden jedoch durch das Rückmeldemoment ausgeglichen oder sogar überkompensiert. Auch hierdurch wird die aktive Dämpfung der Radkräfte durch die elektrische Maschine vermieden und die haptische Rückmeldung an den Fahrer verbessert. Wie beschrieben, führt dies zu einer Verbesserung des Fahrgefühls und der Fahrsicherheit.
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Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn der durch den Hochpassfilter übertragene Anteil des Signals vor Bestimmung des Rückmeldemoments noch verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor kann hierbei geeignet gewählt werden, um dem Fahrer jederzeit das gewünschte Ausmaß an haptischer Rückmeldung zu liefern.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vorgegebene Frequenz und/oder die weitere vorgegebene Frequenz gemäß einer Fahrervorgabe gewählt. Dies kann beispielsweise im Rahmen der Auswahl eines Fahrdynamikprogramms geschehen. Bei einem gewünschten sportlichen Lenkungsverhalten werden die hochfrequenten Anteile des Signals verstärkt auf die elektrische Maschine aufgeschaltet, um so eine besonders deutliche haptische Rückmeldung für den Fahrer zu generieren und eine sportliche Fahrweise zu erleichtern. Bei gewünschtem Komfortfahrverhalten wird dagegen der hochfrequente Anteil des gemessenen Signals stärker gedämpft, um ein ruhigeres und weicheres Lenkungsverhalten zu erzeugen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung des auszuübenden Unterstützungsmoments zusätzlich wenigstens ein weiterer, einen Fahrzustand oder eine Umgebungsbedingung des Kraftwagens repräsentierender Parameter verwendet. Neben der Fahrtgeschwindigkeit und den gemessenen Kräften an Spurstange bzw. Zahnstange des Kraftwagens können beispielsweise Informationen über den Seitenwind, eine Sollfahrtrichtung, oder dergleichen mit in die Bestimmung des Unterstützungsmomentes eingehen. Auch hierdurch wird eine weitere Verbesserung der Fahrtsicherheit und des Fahrtkomforts ermöglicht. Auch ein aktives Rückstellmoment auf das Lenkrad kann durch die elektrische Maschine der Hilfskraftlenkung erzeugt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Lenkungssystems eines Kraftwagens mit elektromechanischer Hilfskraftlenkung;
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2 eine schematische Darstellung einer Steuerstrecke zum Einstellen eines Unterstützungsmoments für einen Elektromotor einer Hilfskraftlenkung im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit aktiver Erzeugung eines Rückmeldemoments;
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3 eine schematische Darstellung einer Steuerstrecke zum Einstellen des Unterstützungsmoments für den Elektromotors einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung mit Tiefpassfilterung des Eingangssignals;
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4 eine schematische Darstellung der Steuerstrecke zum Einstellen des Unterstützungsmoments für den Elektromotors einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung mit Tiefpassfilterung des Eingangssignals und aktiver Erzeugung eines Rückmeldemoments.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Hilfskraftlenkungssystem für einen Kraftwagen umfasst ein Lenkrad 12, mittels welchem ein Fahrer des Kraftwagens ein Lenkmoment ausüben kann. Das ausgeübte Lenkmoment wird über eine Lenksäule 14 auf ein Lenkgetriebe 16 übertragen, wo es zur seitlichen Verlagerung einer Zahnstange 18 führt. Die Zahnstange 18 ist über Spurstangen 20 mit den Rädern 22 der gelenkten Achse 24 verbunden, so dass die Bewegungen der Zahnstange 18 in die gewünschten Lenkbewegungen umgesetzt werden.
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Zur Unterstützung des Fahrers ist ein Servomotor 26 vorgesehen, welcher in Abhängigkeit von dem am Lenkrad vorgegebenen Lenkmoment ein Unterstützungsmoment generiert, welches ebenfalls auf die Zahnstange 18 wirkt. Um den Servomotor 26 anzusteuern, muss daher das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment bestimmt werden. Bei Lenkungen nach dem Stand der Technik erfolgt dies über einen in der Lenkstange 14 angeordneten Torsionsstab. Dieser führt eine künstliche Elastizität in die Lenksäule 14 ein und verschlechtert daher die Lenkpräzision. Um dieses Problem zu umgehen, sind an der Zahnstange 18 Kraftsensoren 28 angebracht, die die auf die Zahnstange 18 bzw. die Spurstangen 20 wirkenden Kräfte messen können. Aus den so gemessenen Kräften wird dann das vorgegebene Lenkmoment bestimmt und der Servomotor 26 entsprechend angesteuert.
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Neben den vom Lenkrad 12 über die Lenksäule 14 übertragenen Kräften wirken auch Kräfte von den Rädern 22 zurück auf das Lenkrad 12. Diese Kraftrückmeldung liefert dem Fahrer wichtige Hinweise über den momentanen fahrdynamischen Zustand seines Kraftfahrzeugs sowie über den Straßenzustand. Das Lenkgetriebe 16 sowie der Servomotor 26 weisen jedoch eine beträchtliche Trägheit auf und dämpfen daher insbesondere die hochfrequenten Anteile dieser Kräfte. Auch dies führt zu einer Verschlechterung des Lenkverhaltens.
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Um die Rückmeldung von Radkräften zum Lenkrad 12 zu verbessern, muss die Ansteuerung des Servomotors 26 entsprechend angepasst werden. Drei Möglichkeiten hierzu sind in den 2 bis 4 gezeigt.
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Im Steuerschema gemäß 2 wird die mit dem Sensor 28 gemessene, an der Zahnstange 18 wirkende Kraft, sowie die mit einem weiteren Sensor 30 gemessene Fahrtgeschwindigkeit an ein Berechnungsglied 32 übermittelt. Auf Grundlage eines Kennfeldes ermittelt das Berechnungsglied 32, also beispielsweise ein Mikroprozessor, welcher beispielsweise als mit dem Fahrzeugbus verbundene Steuereinheit ausgelegt sein kann, ein Sollmoment für die Servounterstützung, also das Moment, das durch den Servomotor 26 aufgebracht werden soll.
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Um die Rückmeldung von Radkräften auf das Lenkrad 12 zu verbessern, wird das Signal des Sensors 28 parallel hierzu durch einen Hochpassfilter 34 gefiltert. Dieser lässt Frequenzen oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz passieren, so dass insbesondere die hochfrequenten, für die Beurteilung des Fahrzustands besonders wichtigen Anteile der Lenkungskräfte übertragen werden. Das derart gefilterte Signal wird in der Folge durch einen Verstärker 36 verstärkt und zusammen mit dem vom Berechnungsglied 32 ermittelten Sollmoment einem Mischerglied 38 zugeführt. Auch das Mischerglied ist als Mikroprozessor ausgeführt und kann in die oben beschriebene Steuereinheit integriert sein. Aus dem verstärkten Kraftsignal sowie den dem Kennfeld entnommenem Sollmoment für die Servounterstützung wird im Mischerglied 38 schließlich das Steuersignal für den Elektromotor 26 des Hilfskraftlenksystems 10 erzeugt. Die hochfrequenten Anteile der Lenkungskräfte werden somit verstärkt übertragen, so dass deren Dämpfung durch das Lenkungsgetriebe 16 sowie den Servomotor 26 kompensiert wird. Der Verstärkungsfaktor K des Verstärkers 36 kann dabei auch nach Fahrerwünschen eingestellt werden, so dass zum Beispiel zwischen einem sportlichen Fahrprogramm und einem Komfortfahrprogramm gewechselt werden kann.
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3 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Steuerung des Elektromotors der Servolenkung 26. Auch hier wird mittels des Sensors 28 ein Kraftverlauf an der Zahnstange 18 aufgenommen und parallel dazu mittels des weiteren Sensors 30 die Fahrtgeschwindigkeit registriert. Vor Übermittlung des Kraftsignals 28 zum Berechnungsglied 32 wird das Signal des Sensors 28 jedoch zunächst mittels eines Tiefpassfilters 40 gefiltert. Dieser überträgt bevorzugt Frequenzen unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz und dämpft höhere Frequenzen. Hierdurch werden die hohen, für das Fahrgefühl besonders bedeutenden Frequenzanteile der Lenkungskräfte nicht an das Berechnungsglied 32 übermittelt und gehen daher nicht in die Berechnung des Sollmoments aus dem Servokennfeld ein. Daher wird eine aktive Dämpfung dieser hochfrequenten Anteile aufgrund der kennfeldgesteuerten Lenkungsunterstützung vermieden. Auch hier kann aufgrund einer Fahrereingabe über die Eigenschaften des Tiefpassfilters 40 eine Anpassung des Lenkungsverhaltens vorgenommen werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die die beiden Steuerungsmöglichkeiten gemäß den 2 und 3 kombiniert. Das vom Sensor 28 an der Zahnstange 18 gemessene Signal wird mittels eines Tiefpassfilters 40 gefiltert und zusammen mit einem Fahrtgeschwindigkeitssignal des weiteren Sensors 30 dem Berechnungsglied 32 zugeführt, in welchem die kennfeldbasierte Bestimmung des Sollmoments für den Elektromotor 26 erfolgt. Parallel hierzu wird das Signal des Sensors 28 mittels des Hochpassfilter 34 gefiltert und anschließend durch den Verstärker 36 im gewünschten Maße verstärkt. Das von dem Berechungsglied 32 ausgegebene Sollmoment sowie das verstärkte Signal des Kraftsensors 28 werden hier analog zur Ausführungsform gemäß 2 wieder in einem Mischerglied 38 zusammengeführt und dienen der Ansteuerung des Elektromotors 26. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders genaue Kontrolle des Lenkungsverhaltens durch Anpassung der Kennwerte des Hochpassfilters 34, des Tiefpassfilters 40 sowie des Verstärkungsfaktors K des Verstärkers 36.
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Insgesamt wird so eine apparativ besonders einfache Lenkung geschaffen, die ausschließlich mit Sensoren 28 an der Zahnstange 18 auskommt und keine Sensoren in der Lenksäule 14 benötigt. Durch die beschriebene Art der Verarbeitung der Signale dieser Sensoren 28 kann gleichzeitig sichergestellt werden, dass der Fahrer des Kraftwagens immer eine optimale Kraftrückmeldung von den Rädern 22 auf das Lenkrad 12 erhält und so auf haptische Weise stets über den aktuellen Fahrzustand seines Fahrzeugs und den aktuellen Straßenzustand informiert ist. Das beschriebene Lenkungssystem 10 kombiniert somit ein technisch einfaches Hilfskraftlenkungssystem mit besonders hohem Fahrkomfort und besonders hoher Fahrsicherheit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007026189 A1 [0005]
