DE3713486A1 - Elektrische servolenkung - Google Patents
Elektrische servolenkungInfo
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- B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
- B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
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Description
Die Erfindung betrifft eine Servolenkung mit einem elektrischen
Stellantrieb zur Erzeugung einer Lenkhilfskraft,
insbesondere eine elektrische Servolenkung für Personenkraftwagen.
Früher wurden in Kraftfahrzeugen hauptsächlich hydraulische
Servolenkungen verwendet. Seit einigen Jahren werden jedoch
die verschiedensten Arten von elektrischen Servolenkungen
vorgeschlagen, da diese viele Regelmöglichkeiten bieten
und leicht in die Fahrzeuge einbaubar sind. Ein Beispiel
hierfür zeigt die offengelegte JP-PS 70257/1984.
Bei dieser konventionellen elektrischen Servolenkung wird
eine sogenannte verzögerte Regelung durchgeführt; dabei
wird, wenn die auf ein Lenkrad wirkende Betätigungskraft
einen vorbestimmten Wert erreicht, die Lenkhilfskraft
schrittweise erhöht, um die Änderung der Lenkhilfskraft bei
Betätigung des Lenkrads zu unterdrücken.
Der elektrische Stellantrieb, z. B. ein Elektromotor, für
die Servolenkung erzeugt, soweit ihm ein elektrischer Strom
zugeführt wird, eine Kraft auch in einem Bereich, in dem
der elektrische Strom so gering ist, daß kein Ausgangsdrehmoment
erzeugt wird. Der elektrische Stellantrieb beginnt
keine Bewegung, wenn der ihm zugeführte Strom so gering
ist, daß die erzeugte Betätigungskraft kleiner als seine
Haftreibungskraft ist. Die Betätigungskraft wird jedoch
trotzdem erzeugt. Bei der mit der konventionellen verzögerten
Regelung arbeitenden elektrischen Servolenkung
ändert sich daher die Haftreibungskraft im Lenksystem infolge
des Anstiegs des elektrischen Stroms abrupt, wenn das
Lenkrad mit geringer Kraft betätigt wird, so daß für den
Fahrer ein unangenehmes Lenkgefühl erzeugt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer elektrischen Servolenkung, die die dem Stand der
Technik anhaftenden Probleme beseitigt und auch in sehr
kleinen Betätigungsbereichen, wenn z. B. gerade mit dem
Einschlagen des Lenkrads begonnen wird, ein ruhiges Lenkgefühl
vermittelt.
Gemäß der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß
eine Beziehung zwischen der Betätigungskraft und dem dem
elektrischen Stellantrieb zugeführten Strom in Abhängigkeit
von der Größe der auf das Lenkrad wirkenden Betätigungskraft
dadurch geändert wird, daß der elektrische Strom mit
Null vorgegeben wird, wenn die Betätigungskraft in einem
sehr kleinen Bereich liegt, und der elektrische Strom proportional
zur Betätigungskraft geändert wird, wenn diese
den sehr kleinen Bereich überschreitet.
Dabei wird auch dann, wenn das Lenkrad mit sehr geringer
Kraft betätigt wird, der zum elektrischen Stellantrieb
fließende Strom nicht schrittweise, sondern proportional
geändert. Daher ändert sich die Haftreibungskraft nicht
abrupt, und es wird ein ruhiges Lenkgefühl vermittelt.
Die elektrische Servolenkung nach der Erfindung, bei der
die von einem Lenkrad auf das Lenkgetriebe eines Fahrzeugs
übertragene Betätigungskraft erfaßt und die Lenkhilfskraft
unter Anwendung eines elektrischen Stellantriebs in Abhängigkeit
von dem erfaßten Wert geregelt wird, ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein Regler eine Beziehung zwischen der
erfaßten Betätigungskraft und dem dem elektrischen Stellantrieb
zugeführten Strom in mehreren unterschiedlichen
Betriebsarten vorgibt und der Strom auf Null gehalten wird,
wenn die erfaßte Betätigungskraft kleiner als ein Sollwert
ist, und zwischen der erfaßten Betätigungskraft und dem
Strom eine Proportionalitätsbeziehung aufrechterhalten
wird, wenn die erfaßte Betätigungskraft größer als der
Sollwert ist.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockdiagramm einer elektrischen Servolenkung
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Regelkennlinien zeigt;
und
Fig. 3
und 4 Diagramme der Kennlinien eines Elektromotors.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Servolenkung, bei der
als elektrischer Stellantrieb ein Gleichstrommotor verwendet
und mit einem Drehkraftfühler eine das Lenkrad beaufschlagende
Betätigungskraft erfaßt wird. Fig. 1 zeigt ein
Lenkrad 1, einen Drehkraftfühler 2, der auf der Lenkwelle
des Lenkrads 1 angeordnet ist, ein gelenktes Rad 4, einen
Gleichstrommotor 5, der eine Lenkhilfskraft erzeugt, eine
ausfallsichere Kupplung 6, ein Untersetzungsgetriebe 7,
einen Regler 8, Schalttransistoren 9 und 10, einen Stromfühler
11, der den in den Gleichstrommotor 5 fließenden
Strom erfaßt, eine Batterie 12, eine Drehstromlichtmaschine
13, Freilaufdioden 14 und 15, einen Anker 50 des Gleichstrommotors
5 sowie Erregerspulen 51 und 52.
Im normalen Lenkbetrieb erfaßt der Drehkraftfühler 2 die
Betätigungsdrehkraft, die auf das Lenkrad 1 ausgeübt wird,
und leitet sie an den Regler 8 weiter. In Abhängigkeit von
dem vom Drehkraftfühler 2 erfaßten Signal liefert der Regler
8 einen Ausgangsimpuls mit unterschiedlichem Tastverhältnis
an den Transistor 9 bzw. 10 und bewirkt eine
Schaltregelung des Gleichstrommotors 5, der dann das Drehmoment
auf das gelenkte Rad 4 über die Kupplung 6 und das
Untersetzungsgetriebe 7 überträgt, um die Lenkkraft des
Lenkrads 1 zu unterstützen.
Der Motor 5 ist ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor mit einer
Erregerspule 51 für Rechtsdrehung und einer Erregerspule 52
für Linksdrehung. Die Energieversorgung ist eine Batterie
12, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist und von der
Drehstromlichtmaschine 13 elektrisch geschaltet wird.
Das gelenkte Rad 4 erhält einen Lenkeinschlag aufgrund der
Lenkkraft, die eine Kombination der vom Lenkrad 1 über das
Lenkgetriebe 3 übertragenen Betätigungskraft und der vom
Motor 5 über das Untersetzungsgetriebe 7 übertragenen Lenkhilfskraft
ist. Daher erzeugt der Motor 5 die Lenkhilfsdrehkraft
in Abhängigkeit von der vom Drehkraftfühler 2
erfaßten Drehkraft, so daß die Servolenkungsfunktion erhalten
wird.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Ankerstrom I des
Motors 5 und der vom Drehkraftfühler 2 erfaßten Ausgangsspannung
T (die eine das Lenkrad 1 beaufschlagende Betätigungsdrehkraft
bezeichnet), wobei diese Beziehung vom Regler
8 geregelt wird. Der Regler 8 hat die Funktion, unterschiedliche
Beziehungen zwischen der Ausgangsspannung T und
dem vom Stromfühler 11 erfaßten Strom I in Abhängigkeit von
der Ausgangsspannung T des Drehkraftfühlers 2 vorzugeben.
Der Regler 8 übt dabei die Regelfunktion so aus, daß der
Strom I in einem Bereich, in dem die Ausgangsspannung T
kleiner als eine Spannung T₀ ist, also in einem Bereich, in
dem die das Lenkrad 1 beaufschlagende Betätigungsdrehkraft
unter einem Sollwert liegt, auf Null gehalten wird, und daß
der Strom I proportional zu dem Anstieg der Spannung T ausgehend
von einem Strom Null in einem Bereich ansteigt, in
dem die Ausgangsspannung T größer als die Spannung T₀, aber
nicht größer als eine Spannung T₃ ist; dabei ist die Proportionalitätskonstante
über einen Bereich zwischen der
Spannung T₀ und einer Spannung T₁, einen Bereich zwischen
der Spannung T₁ und einer Spannung T₂ und einen Bereich
zwischen der Spannung T₂ und der Spannung T₃ jeweils verschieden.
Bei dieser Ausführungsform wird daher ein ruhiges Lenkgefühl
vermittelt, wenn mit dem Einschlagen des Lenkrads
gerade begonnen wird, und der Fahrer hat kein unangenehmes
Gefühl. Die Gründe hierfür werden nachstehend erläutert.
Fig. 3 zeigt Strom-Spannungs-Verläufe des Motors 5, wobei
eine Vollinie den Verlauf bei einer Ankerklemmenspannung V₀
von z. B. 12 V und eine Strichlinie den Verlauf bei einer
Ankerklemmenspannung V₁ von z. B. 2 V zeigt. Der Rotationsverlust
des Motors 5 nimmt mit sinkender Klemmenspannung
ab. Daher nimmt auch der Leerlaufstrom des Motors 5 von I₀
[A] auf I₁ [A] ab. Wenn das Lenkrad 1 um einen kleinen
Betrag eingeschlagen wird, schnürt der Regler 8 aufgrund
der Schaltregelung die dem Motor zugeführte Spannung ein.
Daher beginnt der Motor bei dem Strom I₁ [A] mit der Erzeugung
des Ausgangsdrehmoments.
Die Regelung muß an einem Punkt, an dem der Motor mit der
Erzeugung eines Ausgangsdrehmoments beginnt, d. h. an einem
Lenkhilfskraft-Startpunkt, ruhig und gleichmäßig erfolgen,
so daß der Fahrer kein unangenehmes Gefühl bekommt.
Der Motor 5 erzeugt zwar das Drehmoment, läuft jedoch nicht
an, wenn sein Drehmoment kleiner oder gleich seinem Haftreibungs-Drehmoment
ist. Fig. 4 zeigt das Haftreibungs-Drehmoment
in einem kleinen Strombereich, der kleiner als
der Rotationsstartstrom des Motors 5, d. h. kleiner als der
Leerlaufstrom, ist. In diesem Bereich erzeugt der Motor
einen Antrieb Null. Das Haftreibungs-Drehmoment steigt
jedoch proportional zum Strom an. Wenn der Motor 5 daher
von außen gedreht wird, ist die zum Drehen des Motors benötigte
Kraft veränderlich. Insbesondere bei einer elektrischen
Servolenkung mit Untersetzungsgetriebe ändert sich
die zum Drehen des Motors benötigte Kraft zwischen 0 [A]
und I₁ [A] in einem nicht vernachlässigbaren Ausmaß.
Bei der Regelung der Lenkhilfskraft des Motors 5, d. h. bei
der Regelung des elektrischen Stroms wird daher, wenn der
Strom wie beim Stand der Technik schrittweise bis zum Leerlaufstrom
I₁ [A] erhöht wird, das Ansprechverhalten zwar
verbessert, aber die zum Drehen des Lenkrads benötigte
Kraft ändert sich abrupt, so daß sich ein unangenehmes
Lenkgefühl einstellt. Eine Regelung bis in den Bereich, in
dem der Motor kein Abtriebsdrehmoment erzeugt, ist jedoch
verschwenderisch und sinnlos.
Aus den vorstehend angegebenen Gründen werden daher bei der
vorliegenden Ausführungsform Drehkraftfühler-Ausgangswerte
gegenüber Ankerstromverläufen gemäß Fig. 2 aufgetragen.
Dabei wird bei der Ausgangsspannung T des Drehkraftfühlers
2 der in den Motor 5 fließende Strom mit steiler Steigung
von 0 [A] zum Leerlaufstrom I₁ [A] angehoben. Dann wird der
Strom mit mäßiger Steigung von einem Punkt, an dem der
Motor 5 mit der Erzeugung des Ausgangsdrehmoments beginnt,
um den Lenkhilfsbetrieb auszulösen, auf einen Punkt I₂ [A]
angehoben, auf dem das Drehmoment noch relativ gering ist,
um einen ruhigen Verlauf des Lenkvorgangs aufrechtzuerhalten.
In diesem Moment wird der Punkt I₂ [A] auf der Grundlage
des Gefühls beim tatsächlichen Fahren des Fahrzeugs
bestimmt. Wenn dann die zum Betätigen des Lenkrads erforderliche
Kraft ansteigt und in einem Anstieg der Drehkraftfühler-
Ausgangsspannung über T₂ [V] resultiert, wird der
Strom wiederum mit steiler Steigung auf einen Stromgrenzwert
I₃ [A] angehoben. Die Steigung von 0 [A] bis zum Punkt
P in Fig. 2 sollte willkürlich in Abhängigkeit von den
Kennlinien des Motors und den beim praktischen Fahrbetrieb
erhaltenen Testergebnissen festgelegt werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform erhalten die Dreh
kraftfühlerausgangswert-Strom-Verläufe selbst in einem
kleinen Strombereich, in dem der Strom kleiner als ein
Rotationsstartpunkt des Motors 5 ist, eine steile Steigung,
dann wird diese Steigung vermindert, nachdem der Motor mit
der Erzeugung des Ausgangsdrehmoments begonnen hat, und die
Steigung wird wieder steiler gemacht, wenn die zum Betätigen
des Lenkrads benötigte Kraft größer geworden ist. Damit
wird das Lenkgefühl hinreichend verbessert, ohne daß die
Ansprech-Charakteristiken verschlechtert werden, und die
Ausbildung eines unangenehmen Lenkgefühls wird verhindert.
Bei der beschriebenen Erfindung beginnt der Regelvorgang
für den elektrischen Stellantrieb, der die Lenkhilfskraft
erzeugt, auch dann schon, wenn der elektrische Strom noch
unter einem Punkt liegt, an dem der elektrische Stellantrieb
mit der Erzeugung der Betätigungskraft beginnt. Daher
werden die dem Stand der Technik innewohnenden Probleme in
vorteilhafter Weise gelöst, und das Lenkgefühl zu dem Zeitpunkt,
zu dem der Fahrer gerade mit dem Einschlagen des
Lenkrads begonnen hat, wird wesentlich verbessert.
Claims (3)
1. Elektrische Servolenkung, bei der die von einem Lenkrad
auf das Lenkgetriebe eines Fahrzeugs übertragene Betätigungskraft
erfaßt und die Lenkhilfskraft unter Anwendung
eines elektrischen Stellantriebs in Abhängigkeit von dem
erfaßten Wert geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Regler (8) eine Beziehung zwischen der erfaßten
Betätigungskraft und dem dem elektrischen Stellantrieb (5)
zugeführten Strom in mehreren unterschiedlichen Betriebsarten
vorgibt und der Strom auf Null gehalten wird, wenn
die erfaßte Betätigungskraft kleiner als ein Sollwert ist,
und zwischen der erfaßten Betätigungskraft und dem Strom
eine Proportionalitätsbeziehung aufrechterhalten wird, wenn
die erfaßte Betätigungskraft größer als der Sollwert ist.
2. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Proportionalitätsbeziehung zwischen der erfaßten
Betätigungskraft und dem Strom auf einer Proportionalitätskonstanten
basiert, die in Abhängigkeit von der erfaßten
Betätigungskraft unterschiedlich ist.
3. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erfassung der Betätigungskraft ein auf der Lenkwelle
des Lenkrads (1) angeordneter Drehkraftfühler (2) und
als elektrischer Stellantrieb ein Gleichstrommotor (5) verwendet
wird.
Applications Claiming Priority (1)
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