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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen
Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 oder Anspruch 7. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogramm
und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, um ein derartiges
Verfahren durchzuführen.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein elektronisches Servolenksystem
eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Ein
Lenksystem mit Überlagerungsmitteln
ist aus der
DE 197
51 125 A1 bekannt. Dort wird die Bewegung (Zusatzwinkel
bzw. Motorwinkel) eines Stellantriebs, d. h. eines Elektromotors
mittels eines Überlagerungsgetriebes
(beispielsweise ein Planetengetriebe) mit dem Lenkradwinkel überlagert.
Mit Hilfe der Überlagerungsmittel
ist es möglich,
einen von der Lenkhandhabe vorgegebenen Lenkradwinkel zur Erhöhung der
Fahrstabilität
bzw. des Komforts mit einem Zusatzwinkel zu überlagern, so dass sich fahrdynamikabhängig bzw.
komfortabhängig
ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen
Lenkradwinkel und mittlerem Radlenkwinkel der lenkbaren Räder des
Kraftfahrzeugs einstellt. Dadurch ist es sicherheitstechnisch z.
B. möglich,
ein Kraftfahrzeug, welches auszubrechen droht, durch eine entsprechende
Korrektur des Radlenkwinkels wieder in eine stabile Fahrsituation
zurückzuführen. Die Überlagerungsmittel
können
andere Fahrdynamiksysteme (z. B. ein elektronisches Stabilitätsprogramm
(ESP) oder ein Antiblockiersystem (ABS)) unterstützen. Komforttechnisch ist
es auch möglich,
einem Lenkradwinkel beispielsweise einen geschwindigkeitsabhängigen Zusatzwinkel
zu überlagern.
Dadurch kann bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten ein relativ kleines Übersetzungsverhältnis eingestellt
werden, d. h. eine relativ kleine Drehung der Lenkhandhabe führt zu einem
relativ großen
Lenkwinkel der Räder (gegenüber der
mechanischen Grundübersetzung
direkteres Übersetzungsverhältnis).
Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten kann dagegen ein relativ großes Übersetzungsverhältnis (gegenüber der
mechanischen Grundübersetzung
indirekteres Übersetzungsverhältnis) eingestellt
werden, damit sich die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs erhöht. Auch
das erfindungsgemäße elektronische
Servolenksystem weist Überlagerungsmittel
auf.
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Es
ist bekannt, bei Erreichen des Zahnstangenendanschlags die variable
Lenkübersetzung
zu deaktivieren. Dabei wird im Bereich des Zahnstangenendanschlags
der Sollwinkel der Überlagerungseinheit
bzw. der Überlagerungsmittel
sozusagen eingefroren (Endanschlagabschaltung), um sowohl das akustische
und haptische Verhalten der Lenkung zu optimieren, als auch den
Leistungsbedarf zu senken. In der Regel ist die Abschalterkennung
auf Positionsebene umgesetzt, d. h. der Sollwinkel der Endanschlagabschaltung
wird unabhängig
von etwaigen Dynamikeinflüssen
berechnet. Hierdurch kommt es bei einem schnellen Lenken gegen den
Anschlag durch die begrenzte Dynamik der Überlagerungseinheit und eventuell
der Hydraulik zu dem nachteiligen Effekt, dass der Fahrer bereits
weiter gelenkt hat als er mit einem optimalen System hätte lenken
können, da
der Stellantrieb seinem Sollwert nicht ausreichend schnell folgen
kann. Die Stellerregelung fordert aufgrund der nun anstehenden Regeldifferenz
ein hohes Moment bzw. eine hohe Leistungsaufnahme. Wenn der Fahrer
dagegen hält,
kann die Sollposition nicht eingeregelt werden. Sobald der Fahrer
beginnt, zur Lenkungsmittellage zurück zu lenken wird der dann anstehende
Sollwert eingeregelt, wodurch das Lenkgefühl für den Fahrer, d. h. der Komfort
negativ beeinträchtigt
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Ausgehend
davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betrieb eines Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs,
ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt und ein elektronisches
Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, welche einen Betrieb des Servolenksystems derart ermöglichen,
dass das Lenken, insbesondere in den Bereich des Endanschlags der Zahnstange,
komforttechnisch weiter verbessert wird.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Anspruch 1 oder Anspruch 7 genannten Merkmale gelöst. Die
Aufgabe wird bezüglich
des Computerprogramms durch Anspruch 8, bezüglich des Computerprogrammprodukts
durch Anspruch 9 und bezüglich
des elektronischen Servolenksystems durch Anspruch 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird bei
einem Lenken bzw. bei einer Lenkposition in einem ersten Bereich vor
einem Endanschlagsbereich der Zahnstange des Lenkgetriebes der Gradient
des Soll-Zusatzwinkels begrenzt sowie das variable Übersetzungsverhältnis bei
einem Lenken bzw. bei einer Lenkposition in dem Endanschlagsbereich
der Zahnstange des Lenkgetriebes deaktiviert. Somit wird bei einem
Lenken gegen einen Bereich des Endanschlags der Zahnstange des Lenkgetriebes
das variable Übersetzungsverhältnis ab
einer vorgegebenen Position der Zahnstange deaktiviert (sogenannte
Endanschlagabschaltung) und der Gradient des Soll-Zusatzwinkels bereits
zuvor ab einem vorgegebenen ersten Bereich begrenzt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird nun in vorteilhafter Weise bei der Endanschlagsabschaltung
die begrenzte Dynamik der Überlagerungsmittel
berücksichtigt.
Innerhalb der Nutzfunktion wird eine Gradientenbegrenzung des Soll-Zusatzwinkels
implementiert. Als Maß für die Lenkposition
bzw. die Position der Zahnstange kann hierbei der Eingangswinkel
des Lenkgetriebes (d. h. der Ritzelwinkel) bzw. dessen Sollbetrag
herangezogen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Endanschlagsbereich der Zahnstange des Lenkgetriebes, in
welchem, wenn durch die Lenkposition erreicht, das variable Übersetzungsverhältnis deaktiviert
wird und/oder der erste Bereich vor dem Endanschlagsbereich der
Zahnstange des Lenkgetriebes, in welchem, wenn durch die Lenkposition
erreicht, der Gradient des Soll-Zusatzwinkels begrenzt wird, variabel, insbesondere
in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit des Eingangswinkels des Lenkgetriebes ausgebildet sein.
Demzufolge kann die Dynamik bzw. die Geschwindigkeit mit welcher
der Fahrer gegen den Endanschlag lenkt in die Berechnung der Bereiche
bzw. Intervalle miteinbezogen werden. Durch diese Maßnahme ist
es möglich
diese Bereiche nur so groß wie unbedingt
notwendig zu gestalten, um das variable Übersetzungsverhältnis so
lang wie möglich
bereitstellen zu können.
Wird langsam gelenkt, können
die Bereiche schmaler ausgelegt werden, da der Stellantrieb gegebenenfalls
fast synchron mitläuft.
Wird jedoch sehr schnell gelenkt, so sollten die Bereiche breiter
ausgelegt werden, da dann das variable Übersetzungsverhältnis frühzeitig
deaktiviert werden sollte.
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Das
variable Übersetzungsverhältnis kann deaktiviert
werden, wenn der von der Nutzfunktion ermittelte Sollbetrag des
Eingangswinkels des Lenkgetriebes des elektronischen Servolenksystems
im Endanschlagsbereich der Zahnstange des Lenkgetriebes liegt. Die
Endanschlagabschaltung kann demnach aktiviert werden, sobald der
innerhalb der Nutzfunktion berechnete Sollritzelwinkelbetrag im
Bereich des Zahnstangenendanschlags liegt.
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Vorteilhaft
ist, dass der Soll-Zusatzwinkel konstant gehalten wird, wenn das
variable Übersetzungsverhältnis deaktiviert
wird.
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Erfindungsgemäß kann ferner
vorgesehen sein, dass das variable Übersetzungsverhältnis reaktiviert
wird, wenn aus dem Endanschlagsbereich der Zahnstange des Lenkgetriebes
in Richtung der Lenkungsmittellage zurückgelenkt wird und der durch
die Nutzfunktion berechnete Soll-Zusatzwinkel kleiner als der bei
der Deaktivierung des variable Übersetzungsverhältnisses
konstant gehaltene Soll-Zusatzwinkel ist. Die Endanschlagabschaltung
wird demnach wieder deaktiviert, sobald der Fahrer beginnt, zur
Lenkungsmittellage zurück
zu lenken und der innerhalb der Funktion berechnete Sollwinkelbetrag kleiner
als der bei der Aktivierung der Abschaltung eingefrorene Wert ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines elektronischen Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs
ist vorzugsweise als Computerprogramm auf einem Steuergerät des elektronischen Servolenksystems
realisiert. Dazu ist das Computerprogramm in einem Speicherelement
des Steuergeräts
gespeichert. Durch Abarbeitung auf einem Mikroprozessor des Steuergeräts wird
das Verfahren ausgeführt.
Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger (Diskette,
CD, DVD, Festplatte, USB-Memorystick oder dergleichen) oder einem
Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und
von dort aus in das Speicherelement des Steuergeräts übertragen
werden. Ein derartiges Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt
mit Programmcodemitteln ist in Anspruch 8 bzw. Anspruch 9 angegeben.
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Anspruch
10 betrifft ein elektronisches Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs.
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Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigt:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Servolenksystems,
welches von einem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird;
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2 ein
vereinfachtes Schaubild eines Verlaufs eines Gradienten des Soll-Zusatzwinkels;
und
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3 ein
vereinfachtes Blockdiagramm einer Nutzfunktion, welche ein variables Übersetzungsverhältnis innerhalb
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitstellt.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
ein elektronisches Servolenksystem 1 eines nicht dargestellten
Kraftfahrzeugs. Das elektrische Servolenksystem 1 weist
eine als Lenkrad 2 ausgebildete Lenkhandhabe auf. Das Lenkrad 2 ist über eine
Gelenkwelle bzw. Lenksäule 3 mit
einem Lenkgetriebe 4 verbunden. Das Lenkgetriebe 4 dient
dazu, einen Drehwinkel der Lenksäule 3 in
einen Radlenkwinkel δFm von lenkbaren Rädern 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs umzusetzen. Das Lenkgetriebe 4 weist eine
Zahnstange 6 und ein Ritzel 7 auf, an welches
die Lenksäule 3 angreift.
Das elektronische Servolenksystem 1 umfasst darüber hinaus Überlagerungsmittel 8,
die einen als Elektromotor 9 ausgebildeten Stellantrieb
bzw. Zusatzwinkelsteller und ein von diesem angetriebenes Überlagerungsgetriebe 10 aufweisen.
Das Überlagerungsgetriebe 10 ist
als Planetengetriebe ausgebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen
könnte
das Überlagerungsgetriebe 10 auch
als Wellgetriebe oder dergleichen ausgebildet sein. Durch das Lenkrad 2 wird
ein Lenkradwinkel δS als Maß für einen
gewünschten
Radlenkwinkel δFm der lenkbaren Räder 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs vorgegeben. Mit Hilfe des Elektromotors 9 wird
dann ein Überlagerungswinkel
bzw. Zusatzwinkel δM generiert und durch das Überlagerungsgetriebe 10 mit
dem Lenkradwinkel δS bzw. dem Drehwinkel der Lenksäule 3 überlagert.
Der Zusatzwinkel δM wird grundsätzlich zur Realisierung von
ein oder mehreren Nutzfunktionen, insbesondere zur Verbesserung
der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs bzw. des Komforts, insbesondere
durch Bereitstellung einer variablen Lenkübersetzung bzw. einem variablen Übersetzungsverhältnis zwischen
Lenkradwinkel δS und Radlenkwinkel δFm der
lenkbaren Räder 5a, 5b,
erzeugt. Die Summe aus Lenkradwinkel δS und
Zusatzwinkel δM ergibt den Eingangswinkel des Lenkgetriebes 4 bzw.
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
den Ritzelwinkel δG.
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Die Überlagerungsmittel 8 weisen
ein elektronisches Steuergerät 11 auf,
welches unter anderem der Regelung des Zusatzwinkels δM und
des abgegebenen Moments des Elektromotors 9 dient. Auf dem
elektronischen Steuergerät 11 läuft dazu
ein Regelungsverfahren ab, welches als Regelungsstruktur bzw. als
Computerprogramm auf einem nicht dargestellten Mikroprozessor des
Steuergeräts 11 ausgeführt ist.
Der Elektromotor 9 wird mit einem elektrischen Ansteuersignal δMd,
welches dem Sollwert des von dem Elektromotor 9 zu erzeugenden
Zusatzwinkels δM, also dem Soll-Zusatzwinkel entspricht,
angesteuert. Der Soll-Zusatzwinkel δMd ergibt
sich dabei in der Regel durch eine Summierung von Teilsoll-Zusatzwinkeln
unterschiedlicher Nutzfunktionen (z. B. der variablen Lenkübersetzung)
des elektronischen Servolenksystems 1. Der Einfachheit
halber wird nachfolgend jedoch der Soll-Zusatzwinkel δMd mit dem
Teilsoll-Zusatzwinkel der variablen Lenkübersetzung gleichgesetzt. Die
Ansteuerung bzw. Regelung des Elektromotors 9 erfolgt dabei üblicherweise
in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, d. h. das durch
eine Nutzfunktion bereitgestellte variable Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Lenkradwinkel δS und dem Ritzelwinkel δG bzw.
dem Radlenkwinkel δFm der Räder 5a, 5b wird
durch die Überlagerung
des Lenkradwinkels δS mit verschiedenen, geschwindigkeitsabhängigen Zusatzwinkeln δM in
Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt. Damit die vorstehend
angeführten
Steuerungs- bzw. Regelungsfunktionen ausgeführt werden können, erhält das Steuergerät 11 unter
anderem die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit vx (z.
B. über
den CAN-Bus des Kraftfahrzeugs) und den Lenkradwinkel δS als
Eingangssignale. Das elektronische Servolenksystem 1 kann
in weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen den Überlagerungsmitteln 8 nachgeordnet
auch einen elektrischen oder hydraulischen Servoantrieb aufweisen,
welcher unter anderem der variablen Momentenunterstützung dient.
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Erfindungsgemäß wird das
elektronische Servolenksystem 1 nun mittels eines Verfahrens
betrieben, bei welchem mittels der Lenkhandhabe 2 der Lenkradwinkel δS als
Maß für einen
gewünschten Radlenkwinkel δFm für die lenkbare
Räder 5a, 5b des Kraftfahrzeugs
vorgegeben wird, bei welchem eine Nutzfunktion VSR ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Lenkradwinkel δS und dem Radlenkwinkel δFm bereitstellt,
indem ein Zusatzwinkel δM mittels des berechneten einzuregelnden Soll-Zusatzwinkels δMd generiert
und der Eingangswinkel δG des Lenkgetriebes 4 des elektronischen Servolenksystems 1 aus
einer Überlagerung
des Lenkradwinkels δS mit dem Zusatzwinkel δM erzeugt wird,
wobei der Eingangswinkel δG des Lenkgetriebes 4 in den Radlenkwinkel δFm für die lenkbaren
Räder 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs umgesetzt wird, wobei bei einer Lenkposition in einem
ersten Bereich B1 (siehe 2)
vor einem vorgegebenen Endanschlagsbereich BE der
Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 4 der Gradient δ .Md des Soll-Zusatzwinkels begrenzt wird,
und wobei das variable Übersetzungsverhältnis bei
einer Lenkposition in dem Endanschlagsbereich BE der
Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 4 deaktiviert,
d. h. der Soll-Zusatzwinkel δMd konstant gehalten wird, wonach der Gradient δ .Md bzw. die Änderungsgeschwindigkeit des
Soll- Zusatzwinkels, wie
aus 2 ersichtlich, gleich Null ist. Als Maß für die Lenkposition
bzw. die Position der Zahnstange 6 wird hierbei der Eingangswinkel δG des
Lenkgetriebes 4 bzw. dessen Sollbetrag herangezogen. In 2 ist
der Verlauf des Gradienten δ .Md des
Soll-Zusatzwinkels
betragsmäßig, d.
h. für
eine Lenkrichtung, in einem stark vereinfachten Schaubild bei einer
Annäherung
an den Endanschlag E dargestellt. Auf der vertikalen Achse ist dabei
der Gradient δ .Md des Soll-Zusatzwinkels und
auf der horizontalen Achse der Eingangswinkel δG des
Lenkgetriebes 4 aufgetragen.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
kann vorgesehen sein, dass der Endanschlagsbereich BE der Zahnstange 6 des
Lenkgetriebes 4 variabel, insbesondere in Abhängigkeit
der momentanen Geschwindigkeit des Eingangswinkels δG des
Lenkgetriebes 4, ausgebildet ist. Der erste Bereich B1 vor dem vorgegebenen Endanschlagsbereich
BE der Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 4 kann
ebenfalls variabel, insbesondere in Abhängigkeit der momentanen Geschwindigkeit
des Eingangswinkels δG des Lenkgetriebes 4, ausgebildet
sein.
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Das
variable Übersetzungsverhältnis wird
reaktiviert, wenn aus dem Endanschlagsbereich BE der Zahnstange 6 des
Lenkgetriebes 4 in Richtung der Lenkungsmittellage – entsprechend
in 2 in Richtung des Ursprungs 0 – zurückgelenkt wird, d. h. der Sollwert
des Eingangswinkels δG des Lenkgetriebes 4 somit nicht
mehr im Endanschlagsbereich BE liegt und
der durch die Nutzfunktion berechnete Soll-Zusatzwinkel δMd betragsmäßig kleiner
als der bei der Deaktivierung des variablen Übersetzungsverhältnisses
konstant gehaltene bzw. eingefrorene Soll-Zusatzwinkel δMd ist.
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Die
Nutzfunktion VSR, welche das variable Übersetzungsverhältnis innerhalb
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitstellt, wird nachfolgend anhand des in 3 ausschnittsweise
dargestellten vereinfachten Blockdiagramms verdeutlicht. Wie aus 3 weiter
ersichtlich, erhält
die Nutzfunktion VSR in einem Funktionsblock 12a die aktuelle
Fahrzeuggeschwindigkeit vx und den Lenkradwinkel δS als
Eingangssignale und errechnet daraus als Ausgangssignal den Soll- Zusatzwinkel δMd.
Ein Funktionsblock 12b, welcher die Endanschlagsabschaltung
bzw. -behandlung realisiert, erhält
als Eingangssignale den Soll-Zusatzwinkel δMd von
dem Funktionsblock 12a und den Ritzelwinkel bzw. den Eingangswinkel δG des
Lenkgetriebes 4 und liefert als Ausgangssignal den Soll-Zusatzwinkel δMd an
den Elektromotor 9. Das variable Übersetzungsverhältnis wird
deaktiviert, d. h. die Endanschlagsabschaltung aktiviert, wenn ein
von der Nutzfunktion VSR ermittelter Sollbetrag des Eingangswinkels δG des
Lenkgetriebes 4 im Endanschlagsbereich BE der
Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 4 liegt. Dann wird
der Soll-Zusatzwinkel δMd konstant gehalten bzw. der im letzten
Abtastschritt ermittelte Soll-Zusatzwinkel δMd eingefroren
(durch die Verbindung 13 des Ausgangssignals des Funktionsblocks 12b auf
dessen Eingang angedeutet). Bei einer Lenkposition bzw. einem Eingangswinkel δG des Lenkgetriebes 4 in
einem ersten Bereich B1 (siehe 2)
vor einem vorgegebenen Endanschlagsbereich BE der
Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 4 wird der Gradient δ .Md des Soll-Zusatzwinkels durch den Funktionsblock 12b begrenzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb des elektronischen Servolenksystems 1 ist als Computerprogramm
auf dem Steuergerät 11 realisiert,
wobei auch andere Lösungen
selbstverständlich
in Frage kommen. Dazu ist das Computerprogramm in einem Speicherelement
des Steuergeräts 11 gespeichert.
Durch Abarbeitung auf einem Mikroprozessor des Steuergeräts 11 wird
das Verfahren ausgeführt.
Das Computerprogramm kann auf einem nicht dargestellten computerlesbaren
Datenträger (Diskette,
CD, DVD, Festplatte, USB-Memorystick oder dergleichen) oder einem
Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und von
dort aus in das Speicherelement des Steuergeräts 11 übertragen
werden.
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- 1
- Überlagerungslenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle/Lenksäule
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a,
5b
- lenkbare
Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- Überlagerungsmittel
- 9
- Zusatzwinkelsteller/Elektromotor
- 10
- Überlagerungsgetriebe
- 11
- elektronisches
Steuergerät
der Überlagerungsmittel
- 12a,
12b
- Funktionsblöcke
- 13
- Pfeil
- δFm
- Radlenkwinkel
bzw. Lenkwinkel
- δG
- Ritzelwinkel
- δS
- Lenkradwinkel
- vx
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- δM
- Zusatzwinkel
- δMd
- Sollwert
des Zusatzwinkels
- δ .Md
- Gradient
des Sollwerts des Zusatzwinkels
- VSR
- Nutzfunktion
variable Lenkübersetzung