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DE19820381A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie - Google Patents

Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie

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DE19820381A1
DE19820381A1 DE19820381A DE19820381A DE19820381A1 DE 19820381 A1 DE19820381 A1 DE 19820381A1 DE 19820381 A DE19820381 A DE 19820381A DE 19820381 A DE19820381 A DE 19820381A DE 19820381 A1 DE19820381 A1 DE 19820381A1
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Abstract

Um ein Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie bei elektrohydraulischen Servolenkeinrichtungen eines Kfz dahingehend zu verbessern, daß keine Beeinträchtigung der Lenkpräzision erfolgt, wird vorgeschlagen, die Drehzahl des Elektromotors so in Abhängigkeit von der Stromaufnahme zu regeln, daß die aktuelle Stromaufnahme und Ist-Drehzahl des Elektromotors ständig bis zu einer Maximaldrehzahl erfaßt und mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Stromaufnahme verglichen werden und bei Abweichung eine Einstellung der Solldrehzahl erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie, einer mittels eines Elektromotors und Hydraulikpumpe angetriebenen Servolenkeinrichtung eines Kfz, in Abhängigkeit von der Stromaufnahme des Elektromotors.
Elektrohydraulische Servolenkeinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Ein Servolenkventil ist direkt oder indirekt mit einem Lenkrad eines Fahrzeuges gekoppelt und mit hydraulischem Druck beaufschlagt. Bei Verdrehung wird der Hydraulikdruck über Hydraulikleitungen auf die eine oder andere Seite eines Lenkgetriebes geführt und sorgt für eine Lenkkraftunterstützung. Der hydraulische Druck wird über eine Hydraulikpumpe erzeugt, welche von einem Elektromotor angetrieben wird.
Grundsätzlich ist es wünschenswert bei Servolenkeinrichtungen das Lenkverhalten in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern. Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen beschrieben um das Lenkverhalten von Servolenkeinrichtungen gezielt zu beeinflussen. Beispielsweise sind Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie als Funktion der Lenkgeschwindigkeit bekannt, indem der Fördervolumenstrom der Hydraulikpumpe der zum Lenkventil fließt gezielt variiert wird. Der reduzierte Fördervolumenstrom läßt sich beispielsweise durch ein inneres Bypassventil, das mit zunehmender Drehzahl der Hydraulikpumpe einen Bypass von der Förderseite zur Rücklaufseite öffnet, einstellen.
Der Verlauf der Servounterstützung der zuvor beschriebenen Art von Servolenkeinrichtungen weist für hohe Volumenströme eine schmale Ventilkennlinie auf. Der Fahrer empfindet die Servolenkung dann als leichtgängig. Mit kleinerem Fördervolumenstrom verringert sich die Servounterstützung und der Fahrer empfindet die Lenkung als schwergängig.
Die Variation des Fördervolumens zum Zwecke der Beeinflussung der Ventilkennlinie ist bei elektrohydraulischen Servolenkeinrichtungen sehr einfach durchzuführen. Durch Änderung der Motordrehzahl ändert sich auch die Drehzahl der Hydraulikpumpe, die bei geringen Drehzahlen kleine und bei hohen Drehzahlen große Volumenströme fördert.
Die Drehzahländerung von Elektromotoren läßt sich einfach durch Änderung der Eingangsspannung regeln. Bei konstanter Bordspannung, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, wird die Motordrehzahl durch Pulsweitenmodulation eingestellt. Durch Pulsweitenmodulation entstehen kleine Stromimpulse, wobei die Länge der Stromimpulse die Motordrehzahl definiert.
Steuereinrichtungen der zuvor beschriebenen Gattung stellen eine preisgünstigere Alternative zur Beeinflussung von Ventilkennlinien dar. Als nachteilig wird vom Fahrer die Vergrößerung der Ansprechschwelle empfunden. Die Ansprechschwelle definiert den Betrag des Torsionsmoments bei dem die Servounterstützung einsetzt. Diese auch als Totband bezeichnete Ansprechschwelle vergrößert sich mit kleinerem Fördervolumenstrom und verschlechtert dabei die Lenkpräzision der Lenkung. Innerhalb des Totbandes lenkt der Fahrer ohne jede Servounterstützung nur über den elastischen Drehstab. Dadurch verschlechtert sich die Lenkpräzision der Lenkung ganz entscheidend. Wünschenswert ist eine Kennlinie wie sie beispielsweise bei hydraulischen Reaktionssystemen bekannt ist, da bei diesen Servolenkeinrichtungen das Totband der Ventilkennlinien näherungsweise konstant gehalten wird.
Beispielsweise ist es üblich, bei Lenksystemen mit hydraulischer Reaktion die Lenkcharakteristik des Lenkventils, durch Rückführung des anliegenden Arbeitsdruckes auf einen hydraulisch-mechanischen Wandler im Lenkventil zu beeinflussen. Derartige Lenkungen weisen vorteilhafter Weise dann einen linearen Anstieg der Servounterstützung als Funktion des vom Fahrer aufgebrachten Eingangsmomentes auf.
Zusätzlich kann durch die Verwendung eines elektrohydraulischen Wandlers eine geschwindigkeitsabhängige Ventilkennlinie eingestellt werden. Derartige Servolenkeinrichtungen zeichnen sich durch eine schwache Servounterstützung bei hohen Geschwindigkeiten aus. Der Fahrer empfindet dabei durch eine Erhöhung der Verdrehsteifigkeit, d. h. eine verringerte Relativverdrehung der Steuerkanten bei gegebenem Torsionsmoment, hervorgerufen durch den hydraulisch-mechanischen Wandler, eine schwergängige Lenkung. Im Parkierbereich liegt jedoch für den Fahrer eine vorteilhaft leichte Lenkung vor.
Der Nachteil solcher Lenkungen mit hydraulischer Reaktion liegt zum einen in einem höheren Preis im Vergleich zur konventionellen Servolenkung durch Verwendung zusätzlicher Bauteile wie beispielsweise des elektrohydraulische Wandlers, der von einer elektrischen Kontrolleinheit ECU angesteuert wird. Darüber hinaus wird der Aufbau des Lenkventils durch den hydraulisch­ mechanischen Wandler komplexer und teuerer. Das preisgünstige Standardventil einer konventionellen Servolenkeinrichtung kann nicht mehr eingesetzt werden.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine preisgünstige Möglichkeit zur Beeinflussung der Ventilkennlinie bei elektrohydraulischen Servolenkeinrichtungen ermöglicht, ohne die Lenkpräzision zu verschlechtern.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die aktuelle Stromaufnahme und Ist-Drehzahl des Elektromotors ständig bis zu einer Maximaldrehzahl erfaßt und mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Stromaufnahme verglichen werden und bei Abweichung eine Einstellung der Solldrehzahl erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil der hohen Flexibilität, da durch die Wahl des Verlaufes der Soll-Drehzahl über der Stromaufnahme praktisch nahezu alle gängigen Ventilkennlinien nach einer geringfügigen Anpassung der Steuerkanten einstellbar sind. Durch den Verzicht auf die Bauteile elektrohydraulischer und hydraulisch-mechanischer Wandler entsteht zudem eine große Bauraum- und Kosteneinsparung.
Gemäß einem Vorschlag der Erfindung werden die Werte für die Soll-Drehzahlen und die Stromaufnahme in einem elektronischen Speicher abgelegt.
Die Servounterstützung und die Ventilkennlinie sind bei einer beliebigen Verdrehung des Lenkventils abhängig von dem jeweiligen Fördervolumenstrom der Hydraulikpumpe. Der geförderte Volumenstrom ergibt sich aus der Drehzahl der Hydraulikpumpe, die der Antriebsdrehzahl des Elektromotors entspricht. Verdreht der Fahrer das Lenkventil, so tritt eine Druckerhöhung auf die zu einer Erhöhung der Stromaufnahme des Motors führt. Die Stromaufnahme wird von der ECU beispielsweise über den Spannungsabfall eines Widerstandes bestimmt.
Die Kennlinie eines Elektromotors weist üblicherweise einen nicht geregelten konstanten oder abfallenden Verlauf der Drehzahl über dem Antriebsmoment auf. Das Antriebsmoment und die Stromaufnahme des Elektromotors steigen dabei näherungsweise proportional mit dem von der Hydraulikumpe geförderten Hydraulikdruck an. Durch diesen Zusammenhang ergibt sich ein konstanter oder abfallender Verlauf der Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit des Hydraulikdruckes.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine Drehzahlregelung in Abhängigkeit der Stromaufnahme des Elektromotors derart, daß die aktuelle Stromaufnahme und Ist-Drehzahl des Elektromotors ständig bis zu einer Maximaldrehzahl erfaßt und mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll- Drehzahl beim jeweiligen Wert der Stromaufnahme verglichen werden und bei Abweichung eine Einstellung der Solldrehzahl erfolgt.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Drehzahländerung des Elektromotors mit einem Pulsweiten-Modulationsverfahren.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Drehzahlregelung des Elektromotors schrittweise durchgeführt.
Durch die Drehzahlregelung und der Vorgabe der Solldrehzahlen sind über den Stand der Technik hinaus weitere Drehzahlverläufe des Elektromotors in Abhängigkeit des Antriebsmomentes darstellbar, wodurch die Ventilkennlinie gezielt beeinflußt werden kann. Die Vorgabe der Soll-Drehzahl erfolgt aufgrund einer Berechnung der Abweichung einer Ist-Ventilkennlinie, die sich ohne Drehzahlregelung einstellt, gegenüber einer Soll-Ventilkennlinie.
Für jede Verdrehung des Lenkventils existiert ein Drosselquerschnitt der bei vorgegebenem Fördervolumenstrom, d. h. bei vorgegebener Drehzahl des Elektromotors, einen definierten Hydraulikdruck erzeugt. Die Differenz der Hydraulikdrücke einer Ist-Ventilkennlinie und einer Soll-Ventilkennlinie bei einer beliebigen Verdrehung des Lenkventils definiert demnach den benötigten Fördervolumenstrom, um bei gleicher Verdrehung die Soll-Ventilkennlinie einzustellen. Aus dem Fördervolumenstrom läßt sich dann die jeweilige Soll- Drehzahl errechnen.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden die Werte für die Soll- Drehzahl derart festgelegt, daß die Ventilkennlinie eines Lenkventils zumindest teilweise linearisiert wird.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt eine Einlesung der Werte für die Soll-Drehzahl und die Stromaufnahme während des Betriebes der Servolenkeinrichtung in den elektronischen Speicher.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt eine Drehzahlkorrektur des Elektromotors, wenn die Kennlinie des Lenkventils und/oder die Servokraft einer Servolenkeinrichtungen außerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen.
Bei der Lenkventilfertigung entstehen durch die sehr hohen Toleranzanforderungen verhältnismäßig große Ausschußraten, wodurch hohe Qualitätskosten für Nacharbeit anfallen. Lenkventile die gering außerhalb der Toleranzgrenzen liegen zeigen beispielsweise eine etwas zu schwere oder eine zu leichte Lenkkennlinie oder weisen Unsymmetrien auf. Die Kennlinie solcher Lenkventile kann beispielsweise während des üblichen abschließenden Funktionstestes der Servolenkeinrichtung durch die Drehzahlregelung positiv beeinflußt werden. Aufgrund einer Abweichung der Ventilkennlinie und/oder der Servokraft einer Servolenkeinrichtung erfolgt eine Berechnung der Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Stromaufnahme und einer entsprechenden Korrektur der Ist-Drehzahl, so daß die ursprünglichen Abweichungen der Ventilkennlinie und/oder der Servokraft innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird ein Lenkwinkelsensor zur Erfassung der Drehrichtung verwendet, um während der Produktion entstandene Unsymmetrien der Ventilkennlinie durch Vorgabe einer Soll-Drehzahl beim Lenken nach rechts oder links zu kompensieren.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden die Werte für die Soll- Drehzahl derart festgelegt, daß eine gezielte Korrektur der Lage der Ventilkennlinie während unterschiedlicher Öltemperaturen und/oder alterungsbedingter Ventiländerungen erfolgt.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden die Werte für die Soll- Drehzahl derart festgelegt, daß der Wert des Torsionsmomentes bei dem die Servounterstützung einsetzt einstellbar ist.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird zusätzlich zur Stromaufnahme und Ist-Drehzahl die Fahrgeschwindigkeit erfaßt und ständig mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Fahrgeschwindigkeit und Stromaufnahme verglichen, um bei einer Abweichung die Soll-Drehzahl einzustellen.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung, werden die Werte für die Soll- Drehzahl derart festgelegt, daß die Ventilkennlinie eines Lenkventils einen geschwindigkeitsabhängigen Verlauf aufweist.
Das hier vorgestellte Verfahren eröffnet insgesamt somit die Möglichkeit der preisgünstigen Beeinflussung der Ventilkennlinie bei gleichzeitiger Reduzierung der Qualitätskosten. Das Verfahren erwirkt weitestgehende Unabhängigkeit des Systems von den Toleranzen der einzelnen Baugruppen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Differenzdruck/Torsionsmomenten-Diagramm einer Lenkung mit beeinflußter Kennlinie,
Fig. 2 ein Differenzdruck/Torsionsmomenten-Diagramm einer Lenkung mit hydraulischer Reaktion,
Fig. 3 ein Differenzdruck/Torsionsmomenten-Diagramm einer Lenkung mit variablem Fördervolumenstrom und
Fig. 4 ein Motordrehzahl/Stromaufnahme-Diagramm.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Ventilkennlinie einer Servolenkeinrichtung mit hydraulischer Reaktion in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit. Das Totband t ist bei derartigen Servolenkeinrichtungen nahezu konstant und die Ventilkennlinie weist einen linearen Verlauf auf. In Fig. 3 ist der Verlauf der Ventilkennlinie einer Servolenkeinrichtung mit variablem Fördervolumenstrom in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit dargestellt. Das Totband t vergrößert sich mit fallendem Fördervolumenstrom.
Die zugrunde liegende Drehzahlregelung sei beispielhaft anhand Fig. 1 näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Verlauf von zwei Ventilkennlinien. Kennlinie e stellt die Ist-Ventilkennlinie eines Lenkventils einer konventionellen Servolenkeinrichtung für konstanten Fördervolumenstrom, d. h. konstante Pumpen- und Motordrehzahl dar. Die Ventilkennlinie d ist die gewünschte Soll-Ventilkennlinie. Zu Beginn eines Lenkvorgangs steht das Lenkventil in Neutralstellung 0 und der Differenzdruck ist nahezu Null. Durch eine Verdrehung des Lenkventils erhöht sich geringfügig der Differenzdruck und damit der Förderdruck der Hydraulikpumpe, die bei dem Elektromotor eine Änderung der Stromaufnahme und eine Ist-Drehzahl des Motors hervorruft. In der ECU sind in einem elektronischen Speicher die Wertepaare für die Stromaufnahme und die Solldrehzahl des Elektromotors gespeichert. Nach Erfassung der Stromaufnahme führt die ECU nun einen Soll/Ist-Vergleich durch und regelt anschließend die Motordrehzahl auf den Sollwert ein. Die Positionen 1 und 1' in Fig. 1 zeigen den Unterschied der beiden Kennlinien bei kleinerem Hydraulikdruck. Kennlinie d zeigt ein früheres Einsetzen der Servolenkeinrichtung und damit ein kleineres Totband im Vergleich zu Kennlinie e. Der Soll/Ist- Vergleich wird permanent bis zur Maximaldrehzahl des Motors durchgeführt. Die Maximaldrehzahl ist die Grenzdrehzahl die sich aufgrund einer vorgegebenen Last des ungeregelten Elektromotor einstellt.
Der Vergleich der beiden Kennlinien zeigt deutlich die Vorteile des hier vorgestellten Verfahrens der Drehzahlregelung des Motors als Funktion der Stromaufnahme. Das Totband der Ventilkennlinie kann beim Steuern der Motordrehzahl gezielt verringert werden.
Die entsprechenden qualitativen Verläufe der Motorkennlinien sind in Fig. 4 dargestellt. Die Kennlinie eM beschreibt den Verlauf der Motordrehzahl als Funktion der Stromaufnahme eines mit konstanter Drehzahl betriebenen Motors. Kennlinie dM kennzeichnet eine geregelte Motorkennlinie. Die Positionen 1 und 1' in Fig. 1 korrespondierenden mit den Drehzahlwerte 1 und 1' des Elektromotors in Fig. 4. Deutlich ist die Erhöhung der Drehzahl der Kennlinie dm in Vergleich zu em zu ersehen, die eine Veränderung der Kennlinie e zur Kennlinie d in Fig. 1 ermöglicht.
Das hier beschriebene Verfahren zur Drehzahlregelung ist nicht nur auf einen Anwendungsfall wie er in Fig. 1 beschrieben ist beschränkt, sondern es können natürlich auch andere sinnvolle Ventilkennlinien erzeugt werden. Dies ist insbesondere ein weiterer Vorteil, da das Lenkventil nur geringfügig an den Steuerkanten modifiziert werden muß. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden eine hohe Flexibilität bei der Ventilkennlinie bei gleichzeitigem hohem Standardisierungsgrad des Lenkventils bereitgestellt. Für die Servolenkeinrichtung sind praktisch keine zusätzlichen Bauteile erforderlich.
Bezugszeichenliste
VFahrgeschwindigkeit
aLenkkennlinie mit hohem Fördervolumenstrom
bLenkkennlinie mit mittlerem Fördervolumenstrom
cLenkkennlinie mit geringem Fördervolumenstrom
dLenkkennlinie mit Variation der Motordrehzahl
eLenkkennlinie mit konstanter Motordrehzahl
dM
Motorkennlinie mit Variation der Motordrehzahl
eM
Motorkennlinie, konstante Motordrehzahl
tTotband der Ventilkennlinie
t1
Totband der Ventilkennlinie mit hohem Fördervolumenstrom
t2
Totband der Ventilkennlinie mit mittlerem Fördervolumenstrom
t3
Totband der Ventilkennlinie mit geringem Fördervolumenstrom
t4
Totband der Ventilkennlinie
t5
Totband der Ventilkennlinie
1
Betriebspunkt einer geregelten Ventilkennlinie und Motorkennlinie
1
'Betriebspunkt einer ungeregelten Ventilkennlinie und Motorkennlinie

Claims (12)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Ventilkennlinie einer mittels eines Elektromotors und Hydraulikpumpe angetriebenen Servolenkeinrichtung eines Kfz in Abhängigkeit von der Stromaufnahme des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Stromaufnahme und Ist-Drehzahl des Elektromotors ständig bis zu einer Maximaldrehzahl erfaßt und mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Stromaufnahme verglichen werden und bei Abweichung eine Einstellung der Solldrehzahl erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Soll-Drehzahl derart festgelegt werden, daß der Wert des Torsionsmomentes bei dem die Servounterstützung einsetzt einstellbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Soll-Drehzahl derart festgelegt werden, daß die Ventilkennlinie eines Lenkventils zumindest teilweise linearisiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Soll-Drehzahl und die Stromaufnahme in einem elektronischen Speicher abgelegt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlesung der Werte für die Soll-Drehzahl und die Stromaufnahme während des Betriebes der Servolenkeinrichtung in den elektronischen Speicher erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund von Toleranzabweichungen der Servokraft einer Servolenkeinrichtung errechneten Werte für die Soll-Drehzahl derart festgelegt werden, daß zumindest teilweise eine Korrektur der Servokraft bewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund von Toleranzabweichungen der Ventilkennlinie einer Servolenkeinrichtung berechneten Werte für die Soll- Drehzahl derart festgelegt werden, daß zumindest teilweise eine Korrektur der Ventilkennlinie bewirkt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verwendung eines Lenkwinkelsensors zur Ermittlung des Lenkwinkels und die aufgrund einer Rechts/Links- Unsymmetrie der Ventilkennlinie einer Servolenkeinrichtung berechneten Werte für die Soll-Drehzahl derart festgelegt werden, daß zumindest teilweise eine Korrektur der Ventilkennlinie bewirkt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung des Elektromotors schrittweise durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung mittels Pulsweiten- Modulationsverfahren erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Stromaufnahme und Ist-Drehzahl die Fahrgeschwindigkeit erfaßt und ständig mit in einem Speicher abgelegten Werten für die Soll-Drehzahl beim jeweiligen Wert der Fahrgeschwindigkeit und Stromaufnahme verglichen werden und bei Abweichung eine Einstellung der Solldrehzahl erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Soll-Drehzahl derart festgelegt werden, daß die Ventilkennlinie eines Lenkventils einen geschwindigkeitsabhängigen Verlauf aufweist.
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