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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erleichtern eines Lenkvorganges für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Computerprogramm und eine Servolenkvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Stand der Technik
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Derartige Verfahren und Servolenkvorrichtungen sind im Stand der Technik grundstz1ich bekannt. Insbesondere sind Servolenkvorrichtungen bekannt, welche das Einleiten einer Kurvenfahrt durch den Fahrer eines Kraftfahrzeugs registrieren und dann den Fahrer bei einer kurvenfahrt unterstützen, indem sie ein Drehmoment auf die Lenksäule oder das Lenkrad des Fahrzeugs in die für die gewünschte Kurvenrichtung notwendige Richtung generieren.
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Die
DE 101 56 369 A1 beschreibt eine Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung. Bei dieser Steuereinheit wird ein Lenkhilfesollwert in Abhängigkeit von dem in der Lenksäule erzeugten Lenkmoment berechnet, indem ein Lenkradrückdrehregler das Lenkradrückdrehsteuersignal auf den Lenkhilfesollwert anwendet. Dadurch wird die Lenkrad-Rückdrehsteuerung nur dann ausgeführt, wenn der Fahrer am Ende einer Kurvenfahrt die Kurve wieder auszuleiten versucht.
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Aus der
EP 1 138 578 A2 ist ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Servolenkung bekannt, bei dem der Haftreibungskoeffizient μ der Straßenoberfläche eine wesentliche Einflussgröße für die Lenkunterstützung darstellt.
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Aus der
EP 1 127 775 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung/Regelung einer elektrischen Servolenkung bekannt, bei der zwei Rückstellmomente ausgewertet werden, um die Lenkunterstützung zu ermitteln.
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Aus der
DE 197 38 161 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen eines Gegenlenkzustands (Gegensteuern) bekannt.
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Aus der
DE 39 29 176 C2 ist eine elektrische, mechanische oder hydraulisch arbeitende Servolenkung bekannt, bei der das Lenkradmoment mLR und das Lenkmoment mlenk erfasst werden und aus der Regeldifferenz die Servounterstützung ermittelt wird.
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Weiterhin sind die folgenden Grundlagen der Fahrzeugdynamik bekannt, die nachfolgend mit Hilfe von 3 veranschaulicht werden. 3 und deren nachfolgende Erläuterung sind veröffentlicht auf Seite 57 in dem Buch ”Simulation von Kraftfahrzeugen” von G. Rill aus dem Vieweg-Verlag mit der ISBN-Nummer ISBN-3-528-08931-8. Die drei 3a, 3b und 3c veranschaulichen das Auftreten von Seitenkräften und Reifennachläufen, die in ein tatsächliches Reifenrückstellmoment bei einer Querbewegung von rotierenden Reifen eines Fahrzeugs in Abhängigkeit verschiedener Fahrsituationen resultieren. Bei allen drei 3a, 3b und 3c ist die Verteilung der Seitenkraft über der negativen Ordinate aufgetragen, die durch die gestrichelte horizontale Linie angedeutet wird. Diese gestrichelte Linie repräsentiert den ”gedachten” Kontaktpunkt zwischen Reifen und Boden. Auf der Abszisse ist bei allen drei Figuren symmetrisch zu dem besagten Kontaktpunkt die Länge der Radaufstandsfläche (L: Latsch) aufgetragen, wobei die Mitte dieses Latsches ebenfalls von der gestrichelten horizontalen Linie repräsentiert wird.
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3a zeigt die Verteilung der Seitenkraft über der Länge der Radaufstandsfläche bei kleinen Schlupfwerten, also wenn der Fahrer gemächlich um eine Kurve fährt. Es ist dann zu erkennen, dass der Angriffspunkt der Seitenkraft, welcher dem Schwerpunkt der gezeigten Verteilung der Seitenkraft entspricht, nicht auf Höhe der gestrichelten Linie und damit des ”gedachten” Kontaktpunktes zwischen Reifen und Boden liegt. Vielmehr liegt dieser Angriffspunkt der Seitenkraft in 3a unterhalb der gestrichelten Linie. Dieser Umstand ist die Ursache für das Entstehen eines tatsächlichen Rückstellmomentes Mrück, welches sich wie folgt berechnet: Mrück = Fy·n, wobei die Größe Fy die Seitenkraft und die Größe n den dynamischen Reifennachlauf bezeichnet. Die Größe n wird in 3a durch den Abstand zwischen dem Kontaktpunkt und dem Angriffspunkt der Seitenkraft repräsentiert. Über die Größe n ist auch die Größe des tatsächlichen Rückstellmomentes Mrück konstruktiv beeinflussbar. In 3a bewirkt das tatsächliche Rückstellmoment de facto auch ein Rückstellen des Lenkrades, wenn eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Reifen besteht. Das tatsächliche Rückstellmoment kommt somit gegebenenfalls dem Fahrerwunsch nach einem Ausleiten der Kurve entgegen.
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3b veranschaulicht, dass bei mittleren Schlupfwerten die Situation eine völlig andere ist. Der Schwerpunkt der Verteilung der Seitenkraft liegt nun oberhalb der gestrichelten Linie, weshalb auch der Angriffspunkt der aus einer Querbewegung eines rotierenden Reifens resultierenden Seitenkraft oberhalb dieser Linie liegt. Damit kommt es zu einer Umkehrung des Vorzeichens für den Abstand zwischen dem Angriffspunkt der Seitenkraft und der horizontalen Linie. Damit einher geht eine Änderung des Vorzeichens des Rückstellmoments, weshalb sich dieses in dieser Situation nicht etwa in einem Rückstellen des Lenkrades, sondern in einem Hineindrehen des Lenkrades in die Kurve, die gerade ausgeleitet werden soll, auswirkt. Aus dem Rückstellmoment wird ein Drehmoment, welches den Lenkwinkel weiter erhöht.
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3c zeigt schließlich die Verteilung der Seitenkraft bei großen Schlupfwerten, also wenn der Reifen nur noch über die Fahrbahn rutscht und nicht mehr haftet. Das Verhalten des Fahrzeugs bezeichnet man dann auch als Untersteuern. Der Reifennachlauf n ist hier null und der Angriffspunkt der Seitenkraft liegt genau auf dem Kontaktpunkt. Damit ist auch das tatsächliche Rückstellmoment und dessen Rückwirkung auf das Lenkrad gleich null.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass lediglich bei der Situation gemäß 3a der Fahrer automatisch durch das konstruktiv bedingte tatsächliche Rückstellmoment Mrück beim Ausleiten einer Kurve unterstützt wird. Bei den beiden anderen, in den 3b und 3c gezeigten Fahrsituationen erhält der Fahrer keine Unterstützung beim Ausleiten einer Kurve; im Gegenteil, bei der in 3b gezeigten Situation wird das Ausleiten der Kurve für ihn sogar erschwert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Verfahren zum Erleichtern eines Lenkvorganges für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit einer Servolenkvorrichtung, ein bekanntes Computerprogramm und eine bekannte Servolenkvorrichtung, jeweils zum Durchführen dieses Verfahrens und ein Fahrzeug mit einer solchen Servolenkvorrichtung derart weiterzubilden, dass das Rückstellen des Lenkrades des Fahrzeugs beim Ausleiten einer Kurve für den Fahrer erleichtert wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Erleichtern eines Lenkvorganges mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 4 und eine Servolenkvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Für das Verständnis der Erfindung ist es wichtig, zwischen dem oben erläuterten aus dem Stand der Technik bekannten und durch die Fahrwerkskonstruktion bedingten tatsächlichen Rückstellmoment Mrück und dem erfindungsgemäß berechneten Lenkrad-Rückstellmoment zu unterscheiden. Letzteres wird insbesondere nach Maßgabe durch das tatsächliche Rückstellmoment berechnet und diesem in seinen Wirkungen auf die Lenkung, insbesondere das Lenkrad, überlagert. Während das tatsächliche Rückstellmoment originär im Kontaktpunkt zwischen Reifen und Boden angreift und nur im Falle einer mechanischen Verbindung zwischen Reifen und Lenkrad auf letzteres zurückwirkt, greift das Lenkrad-Rückstellmoment nur direkt bei der Lenkung an. Vorteilhafterweise wird der Fahrer eines Kraftfahrzeugs durch das Lenkrad-Rückstellmoment beim Zurückdrehen des Lenkrads beim Ausleiten einer Kurve unterstützt. Die Handhabung des Fahrzeugs wird dadurch insgesamt verbessert.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für die Berechnung des angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes das aktuelle Lenkraddrehmoment, der aktuelle Lenkradwinkel und die Fahrsituation in Form eines aktuellen Unter- oder Übersteuern des Fahrzeugs berücksichtigt. Vorteilhafterweise genügen diese wenigen Parameter bereits für eine sinnvolle Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes. Gemäß einem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Berechnung des angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes lediglich unter Berücksichtigung des tatsächlichen Rückstellmomentes Mrück = Fy·n, wobei Fy die Seitenkraft und n den dynamischen Reifennachlauf repräsentiert. Für eine weitere Verbesserung der Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes ist es empfehlenswert, weitere Parameter, wie zum Beispiel die Gierrate, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Aktivierung der Bremsen oder Pedalwerte in die Berechnung zusätzlich mit einzubeziehen. Wie bereits erwähnt, wird die oben genannte Aufgabe weiterhin durch ein Computerprogramm für die Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs sowie durch die entsprechende Servolenkvorrichtung beziehungsweise einen aktiven Lenkraddrehmomentensteller und ein Kraftfahrzeug mit dieser Servolenkvorrichtung gelöst. Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen den oben unter Bezugnahme auf das beanspruchte Verfahren beschriebenen Vorteilen.
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Der Erfindung sind drei Figuren beigefügt, wobei:
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1 das Verfahren gemäß der Erfindung;
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2 die Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung; und
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3 aus dem Stand der Technik bekannte Grundlagen der Fahrphysik
veranschaulicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 detailliert beschrieben.
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Aus 1 ist zu erkennen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Kurvenfahrt und insbesondere das Ausleiten einer Kurvenfahrt festgestellt wird (Schritt S1).
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Es wird dann die aktuelle Fahrsituation des Kraftfahrzeugs analysiert (Schritt S2). Diese Analyse kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darin bestehen, dass das aktuelle Lenkraddrehmoment, der aktuelle Lenkradwinkel und ein Unter- oder Übersteuern des Fahrzeugs festgestellt werden. Diese drei Daten sind bereits ausreichend, um dann in einem nachfolgenden Schritt S3 ein für die aktuelle Fahrsituation angemessenes Lenkrad-Rückstellmoment zu berechnen.
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Alternativ dazu kann in Schritt S2 die Fahrsituation in Form des tatsächlichen Rückstellmomentes Mrück, wie es oben mit Bezugnahme auf den Stand der Technik definiert wurde, analysiert werden. Auch das tatsächliche Rückstellmoment ist für sich alleine betrachtet ausreichend zur Berechnung des für die aktuelle Fahrsituation angemessenen Lenkrad-Rückstellmomentes.
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Ungeachtet der in den beiden letzten Absätzen beschriebenen Minimalanforderungen zur Berechnung des gesuchten Lenkrad-Rückstellmomentes, besteht die Möglichkeit, dessen Berechnung durch die Berücksichtigung weiterer Fahrzeugparameter zu präzisieren. Als solche Parameter eignen sich insbesondere die Gierrate, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Aktivierung der Bremsen oder verschiedene Pedalwerte in der aktuellen Situation.
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Die meisten dieser Parameter etc. können aus einem eventuell bei dem Fahrzeug vorhandenen elektronischen Stabilitätsprogramm ESP-System abgegriffen werden.
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Wenn der Lenkradwinkel als Parameter zur Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes verwendet wird, besteht zwischen den beiden Größen eine Proportionalbeziehung. Je weiter eingelenkt wurde, desto weiter ist der Weg in die Neutralposition und umso größere Lenkbeschleunigungen werden benötigt, um schnell wieder in die Neutralposition zurückzukehren.
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Mit der Berücksichtigung der Lenkradwinkelgeschwindigkeit wird der Fahrerwunsch analysiert. Will der Fahrer nach einer Kurvenfahrt schnell wieder geradeaus fahren, das heißt, das Lenkrad neutral stellen, dann wird er auch in der Anfangsphase seiner Rücklenkbewegung starker am Lenkrad ”reißen”. Außerdem kann durch die Berücksichtigung eines Vorzeichenwechsels in der Lenkradgeschwindigkeit ein Lenkrichtungswechsel erkannt werden, der als Kriterium für die Berechnung und das Einspeisen des zusätzlichen Lenk-Rückstellmomentes gemäß der Erfindung dienen kann.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, das Lenkrad-Rückstellmoment in Abhängigkeit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen, denn je größer diese ist, desto geringer beziehungsweise sensibler muss das Lenkrad-Rückstemoment dimensioniert werden.
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Es ist weiterhin von Vorteil, das von dem Fahrer vorgegebene Lenkrad-Drehmoment in die Berechnung mit einzubeziehen, um den Fahrerwunsch nach einer Richtungsänderung möglichst frühzeitig zu erfassen.
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Ungeachtet dessen, wie das Lenkrad-Rückstellmoment letzten Endes berechnet wird, muss es schließlich gemäß Verfahrensschritt S4 in 1 in eine vorhandene Servolenkvorrichtung 100 des Fahrzeugs eingespeist werden, damit es seine Wirkung, nämlich eine Vereinfachung der Rückstellung des Lenkrades für den Fahrer beim Ausleiten einer Kurve, entfalten kann.
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2 veranschaulicht den Aufbau einer Servolenkvorrichtung 100 gemäß der Erfindung. Sie umfasst eine Sensoreinrichtung 110 zum Feststellen, dass der Fahrer des Fahrzeugs am Ende einer Kurvenfahrt versucht, die Kurve durch ein Rückstellen des Lenkrades 200 auszuleiten und zum Erfassen der aktuellen Fahrsituation in Form einer Unter- oder Übersteuerung des Fahrzeugs oder in Form des tatsächlichen Rückstellelements. Die von der Sensoreinrichtung 110 ermittelten Daten werden einer Berechnungseinrichtung 120 zugeführt, welche diese Daten auswertet und je nach dem Ergebnis der Auswertung ein für die aktuelle Fahrsituation angemessenes Lenkrad-Rückstellmoment berechnet. Das berechnete Lenkrad-Rückstellmoment wird dann an einen Aktivator 130 in der Servolenkvorrichtung 100 übermittelt, der dieses Lenkrad-Rückstellmoment direkt auf die Lenkung beziehungsweise das Lenkrad 200 einwirken lässt.
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Die Größe des zu berechnenden Lenkrad-Rückstellmomentes richtet sich, wie bereits gesagt, nach der Fahrsituation. So ist es bei Fahrsituationen mit kleinen Schlupfwerten, wie sie in 3a dargestellt sind, in der Regel nicht erforderlich, überhaupt ein gemäß der Erfindung berechnetes Lenkrad-Rückstellmoment in die Servolenkung einzuspeisen, weil bereits das konstruktiv-bedingte tatsächliche Rückstellmoment vorhanden ist und den Fahrer beim Rückstellen des Lenkrades unterstützt, sofern eine mechanische Verbindung zwischen Reifen und Lenkrad besteht. Anderes ist die Situation bei mittleren oder großen Schlupfwerten, bei denen dieses Rückstellmoment, wie einleitend unter Bezugnahme auf die 3b und 3c erläutert wurde, nicht auftritt. So ist es in Fahrsituationen mit mittleren Schlupfwerten, wie sie in 3b dargestellt sind, erforderlich, ein besonders großes Lenkrad-Rückstellmoment bereitzustellen, welches nicht nur das in dieser Situation vorhandene Drehmoment kompensiert, sondern darüber hinaus auch den Fahrer tatsächlich bei der Rückstellung des Lenkrades unterstützt. In Situationen mit besonders großen Schlupfwerten ist die Situation ähnlich wie bei mittleren Schlupfwerten; aufgrund der fehlenden Haftung kann das zu erzeugende Lenkrad-Rückstellmoment jedoch etwas geringer ausfallen, weil es das Drehmoment, welches bei mittleren Schlupfwerten auftritt, nicht kompensieren muss.
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Beispiele von Fahrsituationen, bei denen sich die Erfindung vorteilhaft auswirken kann, sind für Normalfahrer das Durchfahren eines Kreisverkehrs oder für den sportlich ambitionierten Fahrer das Durchfahren eines Slaloms. Beim Durchfahren eines Kreisverkehrs muss der Fahrer zunächst nach rechts einlenken, um in den Kreisverkehr einzufädeln. Um den Kreisverkehr dann durchfahren zu können, muss je nach Lenkübersetzung sehr weit nach links gelenkt werden und beim Verlassen des Kreisverkehrs muss der Fahrer dann wieder nach rechts lenken. Beim Durchfahren eines Slaloms ist es besonders wichtig, dass nach dem schnellen Einlenken das Lenkrad schnell wieder in die Neutralposition kommt. Bei beiden beschriebenen Fahrsituationen ist es vorteilhaft, wenn über das gegebenenfalls auftretende tatsächliche Rückstellmoment hinaus das erfindungsgemäß berechnete Lenkrad-Rückstellmoment auf die Lenksäule bzw. das Lenkrad einwirkt und den Fahrer beim Lenken entlastet. Genauer gesagt besteht die Entlastung darin, dass aufgrund des zusätzlichen Lenkrad-Rückstellmomentes das Lenkrad mit weniger Kraftaufwand am Lenkrad wieder zurückgestellt werden kann.
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Mathematisch ausgedrückt lässt sich die unterstützende Wirkung des erfindungsgemäßen Lenkrad-Rückstellmoments mit folgender Formel veranschaulichen: Θω' = MF + MLenkrad_rück – MB, wobei,
- Θ
- für das Trägheitsmoment des Lenkstranges vom Lenkrad bis vor die Zahnstange;
- ω'
- für die Lenkwinkelbeschleunigung;
- MF
- für das vom Fahrer eingespeiste Lenkmoment;
- MLenkrad-rück
- für das zusätzlich wirkende erfindungsgemäße Lenkrad-Rückstellmoment; und
- MB
- für das Bohrmoment, das durch die elastische Verformung im Latsch entsteht,
steht.
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Wie bereits den obigen Erläuterungen der Erfindung zu entnehmen ist, ist das Lenkrad-Rückstellmoment MLenkrad-rück je nach Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Funktion von einer Vielzahl von Variablen, die oben beschrieben wurden.
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Das oben einleitend unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Verfahren zum Erleichtern eines Lenkvorgangs für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit einer Servolenkeinrichtung gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Arten realisiert werden. So ist es möglich, dieses Verfahren in Form einer elektronischen Hardwareschaltung zu realisieren, bei welcher die zu erfassenden physikalischen Größen von Sensoren erfasst werden, aber der Vergleich der erfassten Größen und die Berechnung des erfindungsgemäßen Lenkrad-Rückstellmomentes durch entsprechende Hardwarebausteine realisiert wird.
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Alternativ dazu ist es möglich, zumindest die Auswertung der erfassten physikalischen Größen und die Berechnung des Lenkrad-Rückstellmomentes mit Hilfe einer Software zu realisieren. Softwarerealisierung bedeutet, dass ein Computerprogramm mit einer Abfolge von Befehlen vorhanden ist, wobei diese Befehle letztlich die besagten Vergleichs- und Berechnungsfunktionen durchführen.
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In beiden Fällen kann eine Servolenkvorrichtung oder ein aktiver Lenkraddrehmomentensteller vorgesehen sein, um den Fahrer bei einem Lenkvorgang zu unterstützen. In dieser Servolenkvorrichtung ist dann entweder die Hardwareschaltung oder die Software oder eine Kombination von beidem vorhanden, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Im Falle einer Softwarerealisierung ist es möglich, das entsprechende Computerprogramm gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen zur Realisierung der Servolenkung auf einem computerlesbaren Datenträger abzuspeichern. Dabei kann es sich um eine Diskette, eine Compact-Disk (sogenannte CD), einen sogenannten Flash-Memory oder dergleichen handeln. Die auf dem Datenträger abgespeicherte Software kann dann als Produkt an einen Kunden verkauft werden. Ebenfalls ist es im Falle einer Softwarerealisierung möglich, das Computerprogramm zusammen mit weiteren Computerprogrammen für die Servolenkvorrichtung – ohne die Zuhilfenahme eines elektronischen Speichermediums – über ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk als Produkt an einen Kunden zu übertragen und auf diese Weise zu verkaufen. Bei dem Kommunikationsnetzwerk kann es sich insbesondere um das Internet handeln.