DE60114530T2

DE60114530T2 - Elektrische Servolenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60114530T2
Application number: DE60114530T
Authority: DE
Inventors: Dominique Marc Bernede; Tonino Del Fabbro; Marc Ebalard
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: ATE308446T1; EP1184259B1; DE60114530D1; ES2250323T3; EP1184259A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftfahrzeug-Lenkeinheit, die eine elektrische Servovorrichtung umfasst.
Sie betrifft insbesondere eine elektrische Servolenkeinrichtung, umfassend eine rotierende Lenkwelle, die an einem Ende ein Lenkrad und an ihrem anderen Ende ein Übertragungsorgan trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange zusammenwirkt, die an jedem ihrer Enden mit einem Mechanismus zum Verschwenken der gelenkten Räder des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung einen Elektromotor, der ein mit der Zahnstange zusammenwirkendes Servoorgan antreibt, und eine Steuervorrichtung umfasst, die dem Elektromotor ein Steuersignal liefert, das dafür ausgelegt ist, das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Lenkwelle und/oder allgemeiner des Fahrzeugs sich ändern zu lassen.
Eine solche Einrichtung ist aus der Schrift US-A-5528492 bekannt.
Bei den bekannten elektrischen Servolenksystemen treibt ein Elektromotor über ein Getriebe ein Zahnrad an, das mit der Lenkzahnstange in Eingriff ist, so dass auf die Zahnstange eine Servokraft übertragen wird. Der Elektromotor wird durch einen Rechner gesteuert, der vorprogrammierte Steuergesetzmäßigkeiten anlegt, um der Änderung von Betriebsparametern des Fahrzeugs und der Lenkung Rechnung zu tragen, wie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, dem Drehmoment, das der Fahrer auf das Lenkrad und auf die Lenkwelle ausübt, und der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads. Der Rechner liefert dem Elektromotor ausgehend von diesen Betriebsparametern und von vorprogrammierten Steuergesetzmäßigkeiten ein Drehmomentsteuersignal, das dem Ausgangsantriebsmoment entspricht, das zu liefern ist, um auf die Zahnstange die gewünschte Servokraft auszuüben.
In Allgemeinen ist keine Regelschleife vorgesehen, die die Korrektur des zum Motor gesendeten Steuersignals in Abhängigkeit von gemessenen oder berechneten Größen gestattet, die für ein Drehmoment oder eine Servokraft signifikant sind, die vom Motor tatsächlich geliefert werden.
Eine Servovorrichtung dieses Typs ist nicht vollständig befriedigend, da einerseits die Parameter, an die die Steuergesetzmäßigkeiten angelegt werden, keinen einfachen und genauen Zugang zu einer an die Wahrnehmungen des Benutzers angepasste Servokraft gestatten und da es andererseits schwierig ist, eine gewünschte Servokraft in ein Antriebsausgangsmoment zu übersetzen.
Bei den gleichen Werten der oben genannten Parameter wird nämlich ein und dieselbe Servokraft von der Servovorrichtung angelegt, die für trockene Straßenverhältnisse geeignet sein kann und für rutschige Straßenverhältnisse zu stark sein kann. In einem solchen Fall einer "Überservosteuerung" verliert der Fahrer zum großen Teil die Wahrnehmungen der auf die Lenkung des Fahrzeugs ausgeübten Kraft, was die Fahrsicherheit beeinträchtigt.
Dann unterscheidet sich die tatsächlich auf die Zahnstange ausgeübte Servokraft bei einem gegebenen Ausgangsmoment des Elektromotors beträchtlich von der theoretischen Servokraft, und zwar wegen der mechanischen Energieverluste im Elektromotor (Trägheit, Reibungen) und im Mechanismus zur Umwandlung des Antriebsmoments in Servokraft, und zwar insbesondere im Getriebe und in dem Organ zur Übertragung zur Zahnstange. Beispielsweise können diese mechanischen Energieverluste bei manchen Fahrzeugen vom Typ Limousine und unter gängigen Geschwindigkeits- und Lenkradeinschlagbedingungen bei veränderlichen Lenkraddrehmomenten 30% und bei konstanten Lenkraddrehmomenten 15% der theoretischen Servokraft auf der Zahnstange darstellen. Diese Verluste ändern sich bei ein und demselben Fahrzeug im Laufe der Zeit mit dem Verschleiß der mechanischen Übertragungsteile, aber auch von Fahrzeug zu Fahrzeug, und diese Änderungen sind äußerst schwierig zu modellisieren.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen und eine elektrische Servolenkung vorzuschlagen, die erstens die Fahrwahrnehmungen nicht beeinträchtigt und deren Betrieb durch die zwischen Fahrzeugen bestehenden Unterschiede oder durch die Änderung der mechanischen Energieverluste im Lauf der Zeit nicht beeinträchtigt wird.
Zu diesem Zweck ist die Kraftfahrzeug-Servolenkeinrichtung des oben beschriebenen Typs dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung Mittel zum Schätzen der von mindestens einem der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange ausgeübten Kräfte aufweist und die Steuervorrichtung dafür ausgelegt ist, das Signal zur Steuerung des Drehmoments in Abhängigkeit von dem von den Schätzmitteln geschätzten Kraftwert zu ändern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Servolenkeinrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:

– die Mittel zum Schätzen der Kraft umfassen einen Fühler für die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs;
– die Mittel zum Schätzen der Kraft umfassen einen Fühler für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs;
– die Mittel zum Schätzen der Kraft umfassen einen Fühler für den Einschlagwinkel des Lenkrads;
– die Mittel zum Schätzen der Kraft umfassen einen Fühler für die Querbeschleunigung des Fahrzeugs;
– die Schätzmittel umfassen ein Rechenorgan, das den Kraftwert aus Werten
Vx, α_v, γ_t errechnet, die von dem Giergeschwindigkeitsfühler, dem Fahrgeschwindigkeitsfühler, dem Einschlagwinkelfühler bzw. dem Querbeschleunigungsfühler gemessen werden;
– das Rechenorgan errechnet den Kraftwert F nach einer Gleichung vom Typ: F = k1·dψ/dt + k2·VX + k3·αV + k4·γt in der: k₁, k₂, k₃, k₄ vorbestimmte Koeffizienten sind;
– d_ψ/d_t die gemessene Giergeschwindigkeit ist;
– V_X die gemessene Fahrgeschwindigkeit ist;
– α_V der gemessene Einschlagwinkel ist; und
– γ_t die gemessene Querbeschleunigung ist;
– die Servovorrichtung umfasst Mittel zum Messen der von dem Servoorgan auf die Zahnstange ausgeübten Kraft und die Steuervorrichtung ist dafür ausgelegt, das Drehmomentsteuersignal in Abhängigkeit von dem von den Messmitteln gemessenen Kraftwert zu ändern;
– die Steuervorrichtung umfasst einen Rechner, der aus vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern ein Drehmomentsollwertsignal herstellt, und ein Regelmodul, das in Abhängigkeit von dem Sollwertsignal und dem gemessenen Kraftwert das Drehmomentsteuersignal herstellt, wobei einer der Betriebsparameter von dem geschätzten Wert der Kraft der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange gebildet ist;
– das Regelmodul weist ein Umwandlungsorgan auf, das aus dem gemessenen Wert der Kraft des Servoorgans auf die Zahnstange ein Messsignal liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments des Motors ist;
– das Regelmodul weist ein Vergleichsorgan auf, das als Eingang das Messsignal des Drehmoments und das Drehmomentsollwertsignal erhält und als Ausgang ein Drehmomentabweichungssignal liefert;
– das Regelmodul weist einen PID-Regler auf, der aus dem Drehmomentsabweichungssignal das Drehmomentsteuersignal herstellt;
– die Proportionalverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt;
– die Integralverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt; und
– die Differentialverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Servovorrichtung Mittel zum Messen der von dem Servoorgan auf die Zahnstange ausgeübten Kraft, und die Steuervorrichtung ist dafür ausgelegt, das Drehmomentsteuersignal in Abhängigkeit von dem von diesen Messmitteln gemessenen Kraftwert zu ändern.
Gemäß anderen Merkmalen dieser zweiten Ausführungsform, allein oder in allen technisch vorstellenbaren Kombinationen genommen,

– umfasst die Steuervorrichtung einen Rechner, der ausgehend von den vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern ein Drehmomentsollwertsignal herstellt, und ein Regelmodul, das in Abhängigkeit von dem Sollwertsignal und dem gemessenen Kraftwert das Drehmomentsteuersignal herstellt, wobei einer dieser Betriebsparameter von dem Wert der Kräfte mindestens eines der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange gebildet ist;
– das Regelmodul weist ein Umwandlungsorgan auf, das ausgehend von dem gemessenen Wert der Kraft des Servoorgans auf die Zahnstange ein Messsignal liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments des Motors ist;
– das Regelmodul weist ein Vergleichsorgan auf, das als Eingang das Messsignal des Drehmoments und das Drehmomentsollwertsignal erhält und als Ausgang ein Drehmomentsabweichungssignal liefert;
– das Regelmodul weist einen PID-Regler auf, der ausgehend von dem Drehmomentabweichungssignal das Drehmomentsteuersignal herstellt;
– die Proportionalverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt;
– die Integralverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt; und
– die Differentialverstärkung des PID-Reglers ist auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer Servolenkeinheit vom oben beschriebenen Typ, gemäß welchem man das Drehmomentsteuersignal auf folgende Weise herstellt:

– man misst die von dem Servoorgan auf die Zahnstange ausgeübte Kraft;
– man wandelt den auf diese Weise erhaltenen Kraftwert in einen tatsächlichen Drehmomentwert um, der ausgehend von den Merkmalen eines Untersetzungsgetriebes, des Servoorgans und der Zahnstange geschätzt wird;
– man schätzt die von mindestens einem der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange ausgeübten Kräfte;
– man errechnet die Abweichung eines Drehmomentsollwerts, der ausgehend von vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern bestimmt wird, von dem auf diese Weise geschätzten tatsächlichen Drehmomentwert, wobei einer der Betriebsparameter von dem Wert der geschätzten Kraft der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange gebildet wird;
– man errechnet einen Drehmomentsteuerwert mit Hilfe einer PID-Regelgesetzmäßigkeit, deren Koeffizienten vorbestimmt sind;
– man stellt das Drehmomentsteuersignal her, das diesem Steuerwert entspricht.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens schätzt man die ausgeübten Kräfte durch Berechnung.
Man berechnet die Kräfte der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange vorzugsweise durch die folgenden Operationen:

– man misst die Giergeschwindigkeit d_ψ/d_t des Fahrzeugs;
– man misst die Fahrgeschwindigkeit V_X des Fahrzeugs;
– man misst den Einschlagwinkel α_v des Lenkrads;
– man misst die Querbeschleunigung γ_t des Fahrzeugs; und
– man errechnet den Kraftwert F nach einer Gleichung vom Typ: F = k1·dψ/dt + k2·VX + k3·αV + k4·γt

₁

₂

₃

₄

Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens schätzt man die von mindestens einem der Schwenkmechanismen auf die Zahnstange ausgeübten Kräfte, indem man diese Kräfte misst.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Kraftfahrzeug, das eine elektrisch servogesteuerte Lenkeinheit umfasst, wie sie oben definiert ist oder die gemäß einem Verfahren, wie es oben definiert wurde, arbeitet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine lediglich als Beispiel dienende Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Servolenkeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Schema, das die Servovorrichtung der Servolenkeinrichtung von 1 zeigt;
3 eine schematische Ansicht einer Servolenkeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
4 ein Schema, das die Servovorrichtung der Servolenkeinrichtung von 3 zeigt.
1 zeigt eine elektrische Kraftfahrzeugservolenkeinrichtung, die ein Lenkrad 2 aufweist, das mit einem ersten Abschnitt 3 einer Lenkwelle 4 fest verbunden ist, der über eine Kardanverbindung 6 mit einem zweiten Abschnitt 5 dieser Lenkwelle 4 verbunden ist. Die Lenkwelle 4 besteht im vorliegenden Fall aus zwei aneinander angelenkten Abschnitten 3, 5, kann jedoch auch aus einem einzigen Teil bestehen. Die Lenkwelle 4 überträgt das von dem Fahrer des Fahrzeugs auf das Lenkrad 2 ausgeübte Drehmoment auf ein Übertragungszahnrad 7, das mit einer Lenkzahnstange 8 in Eingriff ist, die zur Achse des Fahrzeugs zwischen zwei gelenkten Rädern 9 in Querrichtung angeordnet ist.
Das Übertragungszahnrad 7 kann durch jedes andere geeignete Übertragungsorgan ersetzt sein, wie z.B. eine Schnecke. Jedes gelenkte Rad 9 kann sich unter der Einwirkung der linearen Bewegung der Zahnstange 8 um eine vertikale Schwenkachse -Z-Z verschwenken, wobei das gelenkte Rad 9 durch einen Schwenkmechanismus betätigt wird, der eine Stange 10 umfasst, die mit einem Ende 11 der Zahnstange 8 verbunden ist.
Die Lenkeinheit 1 besitzt ferner eine Servovorrichtung 12, die dazu bestimmt ist, auf die Zahnstange 8 eine Kraft von derselben Richtung wie die von dem Übertragungszahnrad 7 ausgeübte Kraft auszuüben, so dass die Betätigung des Lenkrads 2 durch den Fahrer des Fahrzeugs erleichtert wird, und zwar in Abhängigkeit von drei Parametern P1, P2, P3 des Betriebs des Fahrzeugs und des Betriebs der Lenkung.
Der erste Parameter P1 wird von dem Geschwindigkeitswert des Fahrzeugs gebildet, der durch gebräuchliche Mittel zur Messung der Fahrgeschwindigkeit V_X bestimmt wird, die gewöhnlich in dem Fahrzeug vorhanden sind, und die man mit Fahrgeschwindigkeitsfühler 13 bezeichnet.
Der zweite Parameter P2 wird weiter unten erläutert.
Der dritte Parameter P3 stellt das Drehmoment dar, das auf das Lenkrad 2 ausgeübt wird und das mit Hilfe eines Drehmomentfühlers 14 ermittelt wird, der auf dem zweiten Abschnitt 5 der Lenkwelle 4 in einem dem Übertragungszahnrad 7 nahen Bereich angeordnet ist.
Die Servovorrichtung 12 besitzt einen Elektromotor 15, dessen Ausgangsdrehmoment C_S durch einen elektronische Steuervorrichtung 16 gesteuert wird, die dem Motor ein Drehmomentsteuersignal S liefert. Das Ausgangsdrehmoment C_S des Elektromotors 15 wird über eine Ausgangswelle 18 des Motors 15 auf ein Getriebe 19 und auf ein mit der Zahnstange 8 in Eingriff stehendes Servozahnrad 20 übertragen.
Die Zahnstange 8 besitzt einen Kraftfühler 21, der dafür ausgelegt ist, die von dem Servozahnrad 20 auf die Zahnstange 8 ausgeübte Kraft zu messen und der elektronischen Steuervorrichtung 16 den Wert m der auf diese Weise gemessenen Kraft zu liefern.
Abgesehen von dem Fahrgeschwindigkeitsfühler 13 besitzt die Servovorrichtung 12 einen Fühler 25 für die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs, einen Fühler 27 für die Querbeschleunigung des Fahrzeugs sowie einen Fühler 29 für den Einschlagwinkel des Lenkrads 2.
Die Servovorrichtung 12 besitzt ferner ein Rechenorgan 31, das mit dem Fahrgeschwindigkeitsfühler 13, mit dem Giergeschwindigkeitsfühler 25, mit dem Querbeschleunigungsfühler 27 und mit dem Fühler 29 für den Einschlagwinkel des Lenkrads verbunden ist. Das Rechenorgan 31 erhält von diesen Fühlern, mit denen es verbunden ist, Signale, die gemessene Größen darstellen, und zwar die Fahrgeschwindigkeit V_X des Fahrzeugs, die Giergeschwindigkeit
des Fahrzeugs, die Querbeschleunigung γ_t des Fahrzeugs und den Einschlagwinkel α_v des Lenkrads.
Das Rechenorgan 31 verarbeitet die gemessenen Größen V_X,
λ_t, α_v, so, dass man eine resultierende Kraft F der Stangen 10 auf die Zahnstange 8 nach der folgenden Beziehung erhält: F = k1·dψ/dt + k2·VX + k3·αV + k4·γt worin k₁, k₂, k₃, k₄ vorbestimmte Koeffizienten sind, die in dem Rechenorgan 31 vorgespeichert sind.
Unter resultierender Kraft F versteht man die Summe der von den Stangen 10 auf die Zahnstange 3 ausgeübten Kräfte oder die mittlere Kraft.
Der zweite Parameter P2, der der elektronischen Steuervorrichtung geliefert wird, besteht aus diesem geschätzten Wert F der Kraft, die von den Stangen 10 auf die Zahnstange 8 ausgeübt wird.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die elektronische Steuervorrichtung 16 einen Rechner 122 und ein Regelmodul 123. Der Rechner 122 empfängt die Betriebsparameter P1, P2, P3 und legt an sie vorgespeicherte Steuergesetzmäßigkeiten an, um ein Drehmomentsollwertsignal S1 herzustellen und zu einem ersten Eingang des Regelmoduls 123 zu senden.
Das Signal, das den Wert m der Kraft des Servozahnrads 20 auf die Zahnstange 8 darstellt, die von dem entsprechenden Kraftfühler 21 gemessen wird, wird zu einem zweiten Eingang des Regelmoduls 123 gesendet, das ein Umwandlungsorgan 124 aufweist, das aus dem gemessenen Wert m der Kraft ein Messsignal S0 liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments Cs des Motors ist.
Das Regelmodul 123 besitzt ferner einen Vergleicher 125, der als Eingang das Drehmomentmesssignal S0 und das vom Rechner 123 gelieferte Drehmomentsollwertsignal S1 empfängt und der als Ausgang ein Drehmomentabweichungssignal S_Δ liefert, das auf einen PID-Regler 126 übertragen wird. Dieser Regler 126 legt an das Drehmomentsignal S_Δ eine proportionale/integrale/differentiale Gesetzmäßigkeit an, um das Drehmomentsteuersignal S herzustellen, das dann an den Elektromotor 15 angelegt wird.
Die Proportional-/Integral-/Differential-Verstärkungskoeffizienten K_p, K_i, K_d, die in der Regelgesetzmäßigkeit angelegt werden, sind beispielsweise von der Größenordnung von: 7,5; 175; 0,02.
In 3 ist eine elektrische Kraftfahrzeugservolenkeinheit 1 dargestellt, die ein Lenkrad 2 umfasst, das mit einem ersten Abschnitt 3 einer Lenkwelle 4 fest verbunden ist, die mit einem zweiten Abschnitt 5 dieser Lenkwelle 4 über eine Kardanverbindung 6 verbunden ist. Die Lenkwelle 4 besteht im vorliegenden Fall aus zwei aneinander angelenkten Abschnitten 3, 5, kann jedoch auch aus einem Teil bestehen. Die Lenkwelle 4 überträgt das von dem Fahrer des Fahrzeugs auf das Lenkrad 2 ausgeübte Drehmoment auf ein Übertragungszahnrad 7, das mit einer Lenkzahnstange 8 in Eingriff ist, die bezüglich der Achse des Fahrzeugs zwischen zwei gelenkten Rädern 9 in Querrichtung angeordnet ist. Das Übertragungszahnrad 7 kann durch jedes andere angepasste Übertragungsorgan ersetzt sein, wie z.B. eine Schnecke. Jedes gelenkte Rad 9 kann sich unter der Einwirkung der linearen Bewegung der Zahnstange 8 um eine vertikale Schwenkachse Z-Z verschwenken, wobei das gelenkte Rad 9 durch einen Schwenkmechanismus betätigt wird, der eine Stange 10 aufweist, die mit einem Ende 11 der Zahnstange 8 verbunden ist.
Die Lenkeinheit 1 besitzt ferner eine Servovorrichtung 212, die dazu bestimmt ist, auf die Zahnstange 8 eine Kraft von derselben Richtung wie die von dem Übertragungszahnrad 7 ausgeübte Kraft auszuüben, so dass die Betätigung des Lenkrads 2 durch den Fahrer des Fahrzeugs erleichtert wird, und zwar in Abhängigkeit von drei Parametern P'1, P'2, P'3 des Betriebs des Fahrzeugs und des Betriebs der Lenkung.
Der erste Parameter P'1 besteht aus dem Geschwindigkeitswert des Fahrzeugs, der durch gebräuchliche Mittel zur Messung der Geschwindigkeit bestimmt wird, die gewöhnlich in den Fahrzeugen vorhanden sind.
Der zweite Parameter P'2 wird weiter unten erläutert.
Der dritte Parameter P'3 stellt das auf das Lenkrad 2 ausgeübte Drehmoment dar, das mit Hilfe eines Drehmomentfühlers 14 ermittelt wird, der auf dem zweiten Abschnitt 5 der Lenkwelle 4 in einem Bereich nahe dem Übertragungszahnrad 7 angeordnet ist.
Die Servovorrichtung 212 besitzt einen Elektromotor 15, dessen Ausgangsdrehmoment C_S durch eine elektronische Steuervorrichtung 216 gesteuert wird, die dem Motor ein Drehmomentsteuersignal S' liefert. Das Ausgangsdrehmoment C_S des Elektromotors 15 wird über die Ausgangswelle 18 des Motors 15 auf ein Getriebe 19 und auf ein Servozahnrad 20 übertragen, das mit der Zahnstange 8 in Eingriff ist.
Die Zahnstange besitzt an ihren beiden Enden 11 einen ersten Kraftfühler 221a und einen zweiten Kraftfühler 221b, die dafür ausgelegt sind, die von jeder der Stangen 10 auf die Zahnstange 8 ausgeübte Kraft zu messen und dem elektronischen Steuerorgan 216 nach Summierung der erhaltenen Werte m'a und m'b durch einen Summierer 230 den Wert m' der resultierenden Kraft der auf diese Weise gemessenen Kräfte zu liefern.
Der zweite Parameter P'2 wird von diesem Wert m' der von den Stangen 10 auf die Zahnstange 8 ausgeübten Kräfte gebildet.
Die Zahnstange 8 besitzt andererseits einen dritten Kraftfühler 221c, der dafür ausgelegt ist, die von dem Servozahnrad 20 auf die Zahnstange 8 ausgeübte Kraft zu messen und der elektronischen Steuervorrichtung 216 den Wert m'c der auf diese Weise gemessenen Kraft zu liefern.
Wie in 4 dargestellt ist, umfasst die elektronische Steuervorrichtung 216 einen Rechner 222 und ein Regelmodul 223. Der Rechner 222 erhält die Betriebsparameter P'1, P'2, P'3 und legt an sie vorgespeicherte Steuergesetzmäßigkeiten an, um ein Drehmomentsollwertsignal S'1 herzustellen und zu einem ersten Eingang des Regelmoduls 223 zu senden.
Das Signal, das den Wert m'c der von dem entsprechenden Kraftfühler 221c gemessenen Kraft des Servozahnrads 20 auf die Zahnstange 8 darstellt, wird einem zweiten Eingang des Regelmoduls 223 zugeleitet, wobei dieses ein Umwandlungsorgan 224 aufweist, das ausgehend von dem gemessenen Kraftwert m'c ein Messignal S'0 liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments Cs des Motors ist.
Das Regelmodul 223 besitzt ferner einen Vergleicher 225, der als Eingang das Drehmomentmesssignal S'0 und das vom Rechner 222 gelieferte Drehmomentsollwertsignal S'1 erhält und der als Ausgang ein Drehmomentabweichungssignal S'_Δ liefert, das zu einem PID-Regler 226 übertragen wird. Dieser Regler 226 legt an das Drehmomentsignal S'_Δ eine Proportional-/Integral-/Differential-Gesetzmäßigkeit an, um das Drehmomentsteuersignal S' herzustellen, das dann an den Elektromotor 15 angelegt wird.
Die Proportional-/Integral-/Differential-Verstärkungskoeffizienten, K'_p, K'_i, K'_d, die in der Regelgesetzmäßigkeit angelegt werden, sind beispielsweise von der Größenordnung von: 7,5; 175; 0,02.
Die elektrischen Servolenkeinheiten und die zugeordneten Steuerverfahren, wie sie in der Erfindung definiert werden, liefern eine Servokraft, die die tatsächlichen Kräfte berücksichtigt, die von den mit den Rädern verbundenen Lenkübertragungsteilen auf die Zahnstange ausgeübt werden, und die so geregelt wird, dass sowohl die Auswirkungen des Verschleißes der mechanischen Übertragungsteile der Lenkung während der gesamten Lebenszeit des Fahrzeugs als auch die Änderungen der mechanischen Merkmale von einem Fahrzeug zum anderen und die Änderungen dieser Merkmale entsprechend den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs kompensiert werden.

Claims

Elektrische Servolenkeinrichtung, umfassend eine rotierende Lenkwelle (4), die an einem Ende ein Lenkrad (2) und an ihrem anderen Ende ein Übertragungsorgan (7) trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange (8) zusammenwirkt, die an jedem ihrer Enden (11) mit einem Mechanismus (10) zum Verschwenken der gelenkten Räder des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung (12; 212) einen Elektromotor (15), der ein mit der Zahnstange (8) zusammenwirkendes Servoorgan (20) antreibt, und eine Steuervorrichtung (16; 216) umfasst, die dem Elektromotor (15) ein Steuersignal (S; S') liefert, das dafür ausgelegt ist, das Ausgangsdrehmoment (Cs) des Elektromotors (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Lenkwelle und/oder allgemeiner des Fahrzeugs sich ändern zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung (12; 212) Mittel (13, 25, 27, 29, 31; 221a, 221b) zum Schätzen der von mindestens einem der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kräfte aufweist und die Steuervorrichtung (16; 216) dafür ausgelegt ist, das Signal zur Steuerung des Drehmoments (S; S') in Abhängigkeit von dem von den Schätzmitteln (13, 25, 27, 29, 31; 221a, 221b) geschätzten Kraftwert (F; m') zu ändern.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13, 25, 27, 29, 31) zum Schätzen der Kraft (F) einen Fühler (25) für die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs umfassen.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13, 25, 27, 29, 31) zum Schätzen der Kraft (F) einen Fühler (13) für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs umfassen.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13, 25, 27, 29, 31) zum Schätzen der Kraft (F) einen Fühler (29) für den Ein schlagwinkel des Lenkrads (2) umfassen.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13, 25, 27, 29, 31) zum Schätzen der Kraft (F) einen Fühler (27) für die Querbeschleunigung des Fahrzeugs umfassen.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 zusammen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzmittel (13, 25, 27, 29, 31) ein Rechenorgan (31) umfassen, das den Kraftwert (F) aus Werten (d_ψ/d_t, V_X, α_V, γ_t) errechnet, die von dem Giergeschwindigkeitsfühler (25), dem Fahrgeschwindigkeitsfühler (13), dem Einschlagwinkelfühler (29) bzw. dem Querbeschleunigungsfühler (27) gemessen werden.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenorgan (31) den Kraftwert (F) nach einer Gleichung vom Typ F = k1·dψ/dt, + k2·VX + k3·αV + k4·γt errechnet, in der: k₁, k₂, k₃, k₄ vorbestimmte Koeffizienten sind; d_ψ/d_t die gemessene Giergeschwindigkeit ist; V_X die gemessene Fahrgeschwindigkeit ist; α_V der gemessene Einschlagwinkel ist; und γ_t die gemessene Querbeschleunigung ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung (12) Mittel (21) zum Messen der von dem Servoorgan (20) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kraft umfasst und die Steuervorrichtung (16) dafür ausgelegt ist, das Drehmomentsteuersignal (S) in Abhängigkeit von dem von den Messmitteln (21) gemessenen Kraftwert (m) zu ändern.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (16) einen Rechner (122), der aus vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern (P1, P2, P3) ein Drehmomentsollwertsignal (S1) herstellt, und ein Regelmodul (123) aufweist, das in Abhängigkeit von dem Sollwertsignal (S1) und dem gemessenen Kraftwert (m) das Drehmomentsteuersignal (S) herstellt, wobei einer der Betriebsparameter (P2) von dem geschätzten Wert (F) der Kraft der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) gebildet ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (123) ein Umwandlungsorgan (124) aufweist, das aus dem gemessenen Wert (m) der Kraft des Servoorgans (20) auf die Zahnstange (8) ein Messsignal (S0) liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments (Cs) des Motors (15) ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (123) ein Vergleichsorgan (125) aufweist, das als Eingang das Messsignal (S0) des Drehmoments und das Drehmomentsollwertsignal (S1) erhält und als Ausgang ein Drehmomentabweichungssignal (S_Δ) liefert.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (123) einen PID-Regler (126) aufweist, der aus dem Drehmomentsabweichungssignal (S_Δ) das Drehmomentsteuersignal (S) herstellt.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalverstärkung (K_p) des PID-Reglers (126) auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Integralverstärkung (K_i) des PID-Reglers (126) auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialverstärkung (K_d) des PID-Reglers (126) auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzmittel (221a, 221b) Mittel zum Messen der von mindestens einem der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kräfte sind.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung (112) Mittel (221c) zum Messen der von dem Servoorgan (20) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kraft aufweist und die Steuervorrichtung (216) dafür ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem von diesen Messmitteln (221c) gemessenen Kraftwert (m'c) das Drehmomentsteuersignal (S') zu ändern.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (216) einen Rechner (222), der aus gehend von den vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern (P'1, P'2, P'3) ein Drehmomentsollwertsignal (S'1) herstellt, und ein Regelmodul (223) aufweist, das in Abhängigkeit von dem Sollwertsignal (S'1) und dem gemessenen Kraftwert (m'c) das Drehmomentsteuersignal (S') herstellt, wobei einer dieser Betriebsparameter (P'2) von dem Wert (m') der Kräfte mindestens eines der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) gebildet ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (223) ein Umwandlungsorgan (224) aufweist, das ausgehend von dem gemessenen Wert (m'c) der Kraft des Servoorgans (20) auf die Zahnstange (8) ein Messsignal (S'0) liefert, das ein Bild des tatsächlichen Werts des Ausgangsdrehmoments (Cs) des Motors (15) ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (223) ein Vergleichsorgan (225) aufweist, das als Eingang das Mess- signal des Drehmoments (S'0) und das Drehmomentsollwertsignal (S'1) erhält und als Ausgang ein Drehmomentsabweichungssignal (S'_Δ) liefert.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodul (223) einen PID-Regler (226) aufweist, der ausgehend von dem Drehmomentabweichungssignal (S'_Δ) das Drehmomentsteuersignal (S') herstellt.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalverstärkung (K'_p) des PID-Reglers (226) auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Integralverstärkung (K'_i) des PID-Reglers (226) auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt ist.
Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialverstärkung (K'd) des PID-Reglers (226) auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt ist.
Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors einer elektrischen Servolenkvorrichtung einer Kraftfahrzeug-Lenkeinrichtung durch ein Drehmomentsteuersignal, wobei die Lenkeinrichtung eine rotierende Lenkwelle (4) umfasst, die an einem Ende ein Lenkrad (2) und an ihrem anderen Ende ein Übertragungsorgan (7) trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange (8)zusammenarbeitet, die an jedem ihrer Enden (11) mit einem Mechanismus (10) zum Verschwenken der gelenkten Räder des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung (12; 212) einen Elektromotor (15), der ein mit der Zahnstange (8) zusammenwirkendes Servoorgan (20) antreibt, und eine Steuervorrichtung (16; 216) aufweist, die dem Elektromotor (15) ein Steuersignal (S; S') liefert, das dafür ausgelegt ist, das Ausgangsdrehmoment (Cs) des Elektromotors (15) sich ändern zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass man das Drehmomentsteuersignal (S, S') auf folgende Weise herstellt: – man misst die von dem Servoorgan (20) auf die Zahnstange (8) ausgeübte Kraft; – man wandelt den auf diese Weise erhaltenen Kraftwert (m, m'c) in einen tatsächlichen Drehmomentwert um, der ausgehend von den Merkmalen eines Untersetzungsgetriebes (19), des Servoorgans (20) und der Zahnstange (8) geschätzt wird; – man schätzt die von mindestens einem der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kräfte; – man errechnet die Abweichung eines Drehmomentsollwerts, der ausgehend von vorgespeicherten Daten und Betriebsparametern (P1, P2, P3; P'1, P'2, P'3) bestimmt wird, von dem auf diese Weise geschätzten tatsächlichen Drehmomentwert, wobei einer der Betriebsparameter (P2; P'2) von dem Wert der geschätzten Kräfte (F; m') der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) gebildet wird; – man errechnet einen Drehmomentsteuerwert mit Hilfe einer PID-Regelgesetzmäßigkeit, deren Koeffizienten (K_p, K_i, K_d; K'_p, K'_i, K'_d) vorbestimmt sind; – man stellt das Drehmomentsignal (S; S') her, das diesem Steuerwert entspricht.
Steuerverfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man die von mindestens einem der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kräfte durch Berechnung schätzt.
Steuerverfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kräfte der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) durch die folgenden Operationen berechnet: – man misst die Giergeschwindigkeit d_ψ/d_t des Fahrzeugs; – man misst die Fahrgeschwindigkeit V_X des Fahrzeugs; – man misst den Einschlagwinkel α_V des Lenkrads; – man misst die Querbeschleunigung γ_t des Fahrzeugs; und – man errechnet den Kraftwert F nach einer Gleichung vom Typ: F = k1·dψ/dt, + k2·VX + k3·αV + k4·γt in der k₁, k₂, k₃, k₄ vorbestimmte Koeffizienten sind.
Steuerverfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man die von mindestens einem der Schwenkmechanismen (10) auf die Zahnstange (8) ausgeübten Kräfte schätzt, indem man diese Kräfte misst.
Kraftfahrzeug, die eine Servolenkeinrichtung umfasst, die nach einem der Ansprüche 1 bis 24 ist oder gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28 arbeitet.