DE3713486A1 - Elektrische servolenkung - Google Patents

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.