DE102020207728A1

DE102020207728A1 - Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs und Lenkungssystem

Info

Publication number: DE102020207728A1
Application number: DE102020207728.2A
Authority: DE
Inventors: Felix Heinrich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs sowie ein Lenkungssystem (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das Lenkungssystem (1) mindestens eine Steuereinheit (2) und mindestens einem Aktor (3) zur Erzeugung eines Lenkmoments (ML) aufweist, um einen Soll-Lenkwinkel einzustellen, wobei die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, ein Signal (SB) über die Verfügbarkeit eines Bremssystems zu erhalten, wobei die Steuereinheit (2) bei einer Verfügbarkeit unter einem Schwellwert dem Stellsignal (sSL) für den Aktor (3) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels ein alternierendes Stellsignal (sa) zu überlagern, um eine Bremswirkung zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs und ein Lenkungssystem.
Lenkungssysteme sind in verschiedener Bauart für Kraftfahrzeuge bekannt. Beispielsweise sind diese als elektromechanische Lenkungssysteme oder als Steer-by-wire-Lenkungssysteme ausgebildet. Dabei erzeugt ein Aktor ein Lenkmoment zur Einstellung eines Soll-Lenkwinkels. Bei Steer-by-wire-Systemen erzeugt der Aktor das vollständige Lenkmoment, wohingegen bei elektromechanischen Lenkungssystemen ein Teil des Lenkmoments vom Fahrer aufgebracht wird, das beispielsweise über eine Lenksäule auf eine Zahnstange aufgebracht wird.
Ebenso wie das Lenkungssystem stellt auch ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs ein sicherheitsrelevantes System dar, das entweder eine Rückfallebene aufweisen muss oder aber redundant ausgebildet sein muss.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, das auch eine Bremsfunktionalität zur Verfügung stellt. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung eines hierfür geeigneten Lenkungssystems.
Die Lösung des technischen Problems ergibt seich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Lenkungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs erfolgt mittels mindestens einer Steuereinheit und einem Aktor zur Erzeugung eines Lenkmoments, um einen Soll-Lenkwinkel einzustellen. Weiter wird der Steuereinheit ein Signal über die Verfügbarkeit eines Bremssystems zugeführt, wobei die Steuereinheit bei einer Verfügbarkeit unter einem Schwellwert dem Stellsignal für den Aktor zur Ermittlung des Soll-Lenkwinkels ein alternierendes Stellsignal überlagert, um eine Bremswirkung zu erzielen. Dem liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Bei Bremsvorgängen wird durch den Reifen Schlupf gegenüber der Fahrbahn aufgebaut und so eine Kraft in Fahrzeuglängsrichtung zwischen diesen beiden Reibpartnern aufgebaut, die das Fahrzeug verlangsamt. Auch beim Lenken entsteht Schlupf zwischen der Straße und dem Reifen, der Energie dissipiert, die bei Kurvenfahrten mit konstanter Geschwindigkeit durch die Antriebsmaschine ausgeglichen werden muss. Dieser Effekt wird nun als Rückfallebene für die Bremsung gezielt ausgenutzt. Durch eine alternierende Lenkbewegung ausreichend hoher Frequenz wird am Reifen Schlupf ausgebildet, ohne dass das Fahrzeug aufgrund seiner Trägheit Gelegenheit hat, der Lenkvorgabe zu folgen, d.h. das Kraftfahrzeug folgt weiter seiner Soll-Trajektorie mit dem Soll-Lenkwinkel. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei schätzungsweise 20% - 50% der Bremsleistung des Bremssystems über das Lenkungssystem aufgebracht werden. So kann beispielsweise der Schwellwert derart gewählt werden, dass dieser 80% der maximalen Bremsleistung entspricht, sodass über die zusätzliche Bremsleistung der Lenkung dieser Abfall der Bremsleistung vollständig kompensiert werden kann. Zusätzlich wird vorzugsweise eine entsprechende Warnmeldung generiert, dass das Bremssystem überprüft werden muss. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die zusätzliche Bremsleistung nur einmalig zur Verfügung gestellt wird und ein erneuter Motorstart unterbunden wird, solange das Bremssystem nicht überprüft wurde.
Das Kraftfahrzeug kann dabei ein voll- oder teilautomatisiert fahrendes Kraftfahrzeug sein, aber auch ein Fahrzeug, das überwiegend durch den Fahrzeugführer gesteuert wird.
Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren bei einem Steer-by-wire-Lenkungssystem implementieren, da sich dort sehr einfach eine Rückwirkung des alternierenden Stellsignals auf die Lenkhandhabe ausschließen lässt. Bei elektromechanischen Lenkungssystemen kommt es hingegen zu einer Rückwirkung, die entweder kompensiert werden muss oder aber gezielt als haptische Warnung genutzt wird.
In einer Ausführungsform liegt die Frequenz des alternierenden Stellsignals zwischen 3 Hz und 20 Hz, weiter vorzugsweise zwischen 8 Hz und 12 Hz. Dies stellt einen guten Kompromiss dar, um ausreichend Energie zu dissipieren und Trägheit zu gewährleisten. Gegebenenfalls dennoch auftretende Abweichungen von dem Soll-Lenkwinkel sind gegebenenfalls durch das Stellsignal für den Soll-Lenkwinkel zu kompensieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist das alternierende Stellsignal rechteck-, sinus- oder sägezahnförmig ausgebildet, da sich diese sehr einfach umsetzen lassen. Besonders vorteilhaft ist dabei die rechteckförmige Ausbildung des Stellsignals, da hierbei die Momente schlagartig eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das alternierende Stellsignal symmetrisch. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, wo das alternierende Stellsignal asymmetrisch ist, um maximale Bremskraft zu erzeugen. Entsprechende Abweichungen von dem Soll-Lenkwinkel sind dann anderweitig zu kompensieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch das alternierende Stellsignal mindestens in einer Lenkrichtung das maximale Lenkmoment des Aktors eingestellt, sodass die Bremswirkung maximiert wird. Bei einem Soll-Lenkwinkel von 0 kann dies sehr einfach für beide Lenkrichtungen mittels eines symmetrischen, alternierenden Stellsignals erreicht werden. Ist hingegen der Soll-Lenkwinkel ungleich 0, so erzeugt bereits das Stell-Signal für den Soll-Lenkwinkel ein Lenkmoment in einer Richtung. Entsprechend kleiner kann nun das alternierende Stellsignal in dieser Lenkrichtung sein, um das maximale Lenkmoment in dieser Richtung zu erreichen, wobei das entsprechende Gegenmoment in die andere Richtung größer wird, um das volle Lenkmoment zu erreichen. Dies kann durch ein asymmetrisches Stellsignal kompensiert werden, sodass dennoch in beide Lenkrichtungen jeweils das maximale Lenkmoment aufgebaut wird. Alternativ wird das symmetrische alternierende Stellsignal derart eingestellt, dass nur in einer Lenkrichtung das maximale Lenkmoment erreicht wird.
Hinsichtlich der gegenständlichen Ausbildung des Lenkungssystems kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lenkungssystems,
2a einen beispielhaften Verlauf des Stellsignals für den Soll-Lenkwinkel bei Geradeausfahrt,
2b einen beispielhaften Verlauf des alternierenden Stellsignals bei Geradeausfahrt bei einer Bremsung zum Zeitpunkt t₀,
2c einen beispielhaften Verlauf des Lenkmoments für die Geradeausfahrt bei einer Bremsung zum Zeitpunkt to,
3a einen beispielhaften Verlauf des Stellsignals für den Soll-Lenkwinkel bei einer konstanten Kurvenfahrt,
3b einen beispielhaften Verlauf des alternierenden Stellsignals bei Kurvenfahrt bei einer Bremsung zum Zeitpunkt t₀ und
3c einen beispielhaften Verlauf des Lenkmoments für die konstante Kurvenfahrt bei einer Bremsung zum Zeitpunkt t₀.

In der 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Lenkungssystems 1 dargestellt. Das Lenkungssystem 1 weist eine Steuereinheit 2 sowie einen Aktor 3 zur Erzeugung eines Lenkmoments auf. Der Aktor 3 weist hierzu eine Leistungselektronik 4 sowie einen Elektromotor 5 auf, der über ein nicht dargestelltes Getriebe mit einer Zahnstange 6 verbunden ist, die den Lenkwinkel an den nicht dargestellten Rädern einstellt. Weiter weist das Lenkungssystem 1 eine Lenkhandhabe 7 sowie einen Sensor 8 auf. Der Sensor 8 kann dabei ein Drehwinkel- oder Drehmomentsensor sein, der den Fahrerwunsch an der Lenkhandhabe 7 erfasst und an die Steuereinheit 2 übermittelt. Das dargestellte Lenkungssystem 1 ist ein Steer-by-wire-Lenkungssystem, sodass keine mechanische Verbindung zwischen Lenkhandhabe 7 und Zahnstange 6 existiert. Die Steuereinheit 2 erhält des Weiteren Signale FA von Fahrerassistenzsystemen wie beispielsweise einem Fahrspurhalte-Assistenzsystem. Weiter erhält die Steuereinheit 2 ein Signal S_B von einem Steuergerät 9 eines Bremssystems über die Verfügbarkeit des Bremssystems. Sinkt dabei die Verfügbarkeit unter einen Schwellwert, erzeugt die Steuereinheit 2 ein alternierendes Stellsignal, das dem Stellsignal für einen Soll-Lenkwinkel überlagert wird. Unter Überlagerung wird dabei verstanden, dass die beiden Stellsignale addiert werden und das resultierende Stellsignal dem Aktor 3 zugeführt wird, wobei durch das alternierende Stellsignal eine Bremskraft an den Rädern erzeugt wird, ohne den eingestellten Soll-Lenkwinkel zu beeinflussen. Schließlich ist die Steuereinheit 2 mit einer Anzeigeeinheit 10 verbunden, um den Fahrzeugführer zu informieren, wenn das Lenkungssystem 1 als unterstützendes Bremssystem arbeitet.
Die Wirkungsweise soll nun beispielhaft für eine Geradeausfahrt und eine konstante Kurvenfahrt kurz erläutert werden.
In der 2a ist das Stellsignal s_SL zur Einstellung eines Soll-Lenkwinkel über der Zeit für eine Geradeausfahrt dargestellt. Da der Soll-Lenkwinkel 0° beträgt, ist das Stellsignal s_SL = 0. Zum Zeitpunkt t₀ soll das Lenksystem 1 (siehe 1) eine Bremskraft zur Verfügung stellen, wozu die Steuereinheit 2 ein alternierendes Stellsignal s_a für den Aktor 3 (siehe 1) erzeugt, was in 2b dargestellt ist, sodass sich ein Lenkmoment M_L einstellt, das zwischen den maximalen Lenkmomenten ± M_L,max mit der Frequenz f alterniert. Dies ist in 2c dargestellt. Das resultierende Weg-Signal der Zahnstange 6 ist dann ein sinusförmiges Signal.
In der 3a ist das Stellsignal s_SL zur Einstellung eines Soll-Lenkwinkels über der Zeit für eine konstante Kurvenfahrt dargestellt, wobei s_SL = const ≠ 0 ist. Soll dann wieder zum Zeitpunkt t₀ eine Bremskraft erzeugt werden, so wird dem Stellsignal s_SL für den Soll-Lenkwinkel ein alternierendes Stellsignal s_a überlagert (siehe 3b). Das alternierende Stellsignal s_a ist dabei rechteckförmig und symmetrisch. Entsprechend symmetrisch alterniert auch das Lenkmoment M_L . Die Höhe der Amplitude des alternierenden Stellsignals s_a wird dabei derart gewählt, dass in einer Lenkrichtung das maximale Lenkmoment M_L,max erreicht wird. Dies ist in 3c dargestellt, wobei angenommen wurde, dass das Stellsignal s_SL ein Lenkmoment M_L = ½ M_L,max erzeugt. Dann schwingt das Lenkmoment zwischen M_L,max und 0.
Bezugszeichenliste

1: Lenkungssystem
2: Steuereinheit
3: Aktor
4: Leistungselektronik
5: Elektromotor
6: Zahnstange
7: Lenkhandhabe
8: Sensor
9: Steuergerät
10: Anzeigeeinheit
sSL: Stellsignal für Soll-Lenkwinkel
sa: alternierendes Stellsignal
ML: Lenkmoment
SB: Signal über die Verfügbarkeit eines Bremssystems

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, mittels mindestens einer Steuereinheit (2) und einem Aktor (3) zur Erzeugung eines Lenkmoments (M_L), um einen Soll-Lenkwinkel einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit (2) ein Signal (S_B) über die Verfügbarkeit eines Bremssystems zugeführt wird, wobei die Steuereinheit (2) bei einer Verfügbarkeit unter einem Schwellwert dem Stellsignal (s_SL) für den Aktor (3) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels ein alternierendes Stellsignal (s_a) überlagert, um eine Bremswirkung zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des alternierenden Stellsignals (s_a) zwischen 3 Hz und 20 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Stellsignal (s_a) rechteck-, sinus- oder sägezahnförmig ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Stellsignal (s_a) symmetrisch ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das alternierende Stellsignal (s_a) mindestens in einer Lenkrichtung das maximale Lenkmoment (±M_L,max) des Aktors (3) eingestellt wird.
Lenkungssystem (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das Lenkungssystem (1) mindestens eine Steuereinheit (2) und mindestens einem Aktor (3) zur Erzeugung eines Lenkmoments (M_L) aufweist, um einen Soll-Lenkwinkel einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, ein Signal (S_B) über die Verfügbarkeit eines Bremssystems zu erhalten, wobei die Steuereinheit (2) bei einer Verfügbarkeit unter einem Schwellwert dem Stellsignal (s_SL) für den Aktor (3) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels ein alternierendes Stellsignal (s_a) zu überlagern, um eine Bremswirkung zu erzielen.
Lenkungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des alternierenden Stellsignals (s_a) zwischen 3 Hz bis 20 Hz liegt.
Lenkungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des alternierenden Stellsignals (s_a) rechteck-, sinus- oder sägezahnförmig ist.
Lenkungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Stellsignal (s_a) symmetrisch ist.
Lenkungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, dass durch das alternierende Stellsignal (s_a) mindestens in einer Lenkrichtung das maximale Lenkmoment (±M_L,max) des Aktors (3) eingestellt wird.