DE19912169A1

DE19912169A1 - Steer-by-wire Lenksystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19912169A1
Application number: DE19912169A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dilger; Peter Ahner; Herbert Lohner; Peter Dominke; Chi-Thuan Cao; Helmut Janetzke; Wolfgang Pfeiffer; Ngoc-Thach Nguyen; Thorsten Allgeier; Bo Yuan; Bernd Mueller; Werner Harter; Werner Hess; Klaus Ries-Mueller; Thomas Sauer; Peter Blessing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire Lenksystem, welches aus einem elektronisch geregelten elektromotorischen Lenksteller (3), der am Lenkgetriebe (15) der Vorderachse oder auch an beiden Vorderrädern angebracht ist, einem elektronischen Lenkregler (10) und einer Feedback-Aktuatoreinheit (5, 6) besteht. Der Fahrerlenkwunsch (delta¶H¶) wird am Lenkrad (1) durch einen Geber (9) abgegriffen. Die Rückwirkungen der Straße lassen sich durch die Feedback-Aktuatoreinheit (5, 6) über das Lenkrad (1) an den Fahrer übermitteln. Das durch den Wegfall der Lenksäule verlorengegangene Straßengefühl, durch das der Fahrerwunsch stark beeinflußt ist, wird erfindungsgemäß durch die Feedback-Aktuatoreinheit (5, 6) nachgebildet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Steer-by-Wire Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit einem am Lenkgetriebe der Vorderachse oder an beiden lenkbaren Vorderrädern angebrachten, elektronisch geregelten Lenksteller, einem den Fahrer lenkwunsch am Lenkrad abgreifenden Lenkradsensor und mit einer Rückwirkungen der Straße an den Fahrer über das Lenk rad übermittelnden Feedback-Aktuatoreinheit.

Ein derartiges Steer-by-Wire Lenksystem für Kraftfahrzeuge ist aus der DE 195 40 956 C1 bekannt. Bei diesem bekannten Lenksystem läßt sich die sonst starre mechanische Antriebsverbindung zwischen Lenkrad und einer Lenkgetriebeanordnung an den gelenkten Fahrzeugrädern durch Öffnen einer Kupplung auftrennen. Dann ist dieses Lenksystem ein Steer-by-Wire Lenksystem, bei dem das Lenkrad lediglich mittelbar mit der Lenkgetriebeanordnung gekoppelt ist. Hier ist zur Übermittlung der Rückwirkungen der Straße an den Fahrer über das Lenkrad ein Handkraftsteller vorgesehen, der als selbsthemmungsfreier Elektromotor ausgeführt ist und, angesteuert von einer Steuerelektronik am Lenkrad einen steuerbaren Betätigungswiderstand bewirkt.

Ein weiteres aus dem US-Patent 5 347 458 bekanntes Steer-by- Wire Lenksystem verwendet einen an der Lenkradwelle angreifenden Lenkradsteller dazu, dem Lenkrad eine Reaktionskraft aufzuprägen, die sich als eine mathematische Funktion darstellen läßt, welche einen der Winkel beschleunigung des Lenkrads proportionalen Beschleuni gungsterm, einen der Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads proportionalen Geschwindigkeitsterm, einen dem Aus lenkungswinkel des Lenkrads proportionalen Proportionalterm und einen konstanten Term enthält, dessen Wert konstant ist, dessen Vorzeichen jedoch von der Auslenkungsrichtung des Lenkrads aus einer neutralen Position abhängt. Mit dieser auf das Lenkrad einwirkenden Reaktionskraft soll dem Fahrzeuglenker nicht nur eine Kraft am Lenkrad entgegengesetzt werden, wie er sie von konventionellen Lenksystemen her gewohnt ist, sondern auch die Fahrzeuglenkbarkeit und Stabilität erhöht, indem Fahrzeugzustände über das Lenkrad dem Fahrer vermittelt werden, so daß dieser die richtigen Lenkmanöver ausführen kann. Indem man den Koeffizienten wenigstens eines der oben genannten Terme in der die Reaktionskraft darstellenden mathematischen Funktion gemäß den Betriebszuständen des Fahrzeugs, wie zum Beispiel der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert, läßt sich eine Reaktionskraft erzeugen, die für jeden besonderen Anwendungsfall optimal ist.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeuglenksystem, bei dem keine mechanische bzw. hydraulische Kopplung zwischen dem Lenkrad und der gelenkten Fahrzeugachse mehr vorliegt, d. h. ein Steer-by-Wire Lenksystem anzugeben, welches nicht nur den vom Lenkradsensor erfaßten Fahrerlenkwunsch unter Berücksichtigung von fahrdynamischen Größen modifizieren kann, sondern auch die Querdynamik durch eine Modifikation des Fahrerlenkwunsches verbessert und gleichzeitig eine individuelle Anpassung an verschiedene Fahreransprüche durch adaptive Nachbildung des durch den Feedback-Aktuator vermittelten Handmoments und damit die Erzeugung adaptiver Sollwerte für den Lenkradregler erlaubt.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Auf der Grundlage der in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale wird ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire Lenksystem für Kraftfahr zeuge geschaffen, das eine flexible Struktur hinsichtlich der Funktionsrealisierung besitzt, den Lenkkomfort durch eine geschwindigkeitsabhängige variable Lenkwinkel übersetzung erhöhen kann, die Querdynamik durch von Fahrzeugbetriebszuständen abhängige Modifikationen des Fahrerlenkwunsches verbessert und das eine individuelle Anpassung an verschiedene Fahreransprüche durch adaptive Nachbildung des durch den Feedback-Aktuator auf das Lenkrad aufgebrachte Handmoments und damit adaptive Sollwerte für den Lenkradregler möglich macht. Mit dem erfindungsgemäß gestalteten Steer-by-Wire Lenksystem läßt sich zum Beispiel die Leistung auf Schlechtwegstrecken über eine Leistungsüberwachung der Lenksteller drosseln und haptische Rückmeldungen bei Überlastung des Lenkstellers dem Fahrer durch das Lenkrad vermitteln, wozu zum Beispiel gehören:

- Veränderung der Lenkgegenkraft bei nicht griffiger Fahrbahn wie beim Aquaplaning, beim Glatteis, usw., bzw. abhängig vom Reibbeiwert der Straßenoberfläche (dieser wird zum Beispiel im ABS-Steuergerät ermittelt);
- Veränderung der Lenkgegenkraft bei Gefahr des Fahrzeugschleuderns bzw. Fahrzeugkippens (die Information dazu kann zum Beispiel aus dem ESP-Steuergerät übertragen werden);
- Veränderung der Lenkgegenkraft bei schlechten Wegstrecken (das Signal für eine schlechte Wegstrecke kann zum Beispiel vom ABS-Steuergerät übertragen werden);
- Anzeige von Fehlbedienungen durch kurzes Ruckeln des Lenkrades beispielsweise bei Überschreiten der Maximaldrehzahl bzw. der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit.

Die obigen und weiteren vorteilhaften Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems erläuternden Beschreibung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Zeichnungen

Die Fig. 1 zeigt in schematischer, blockschaltbildartiger Darstellung ein mit den erfindungsgemäßen Funktionen ausgestattetes Steer-by-Wire Lenksystem mit einem Lenksteller;

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines mit den erfindungsgemäßen Funktionen ausgestatteten Steer-by- Wire Lenksystems mit zwei Lenkstellern;

Die Fig. 3A zeigt in Form von Funktionsblöcken eine erfindungsgemäße geschwindigkeitsabhängige variable Lenkwinkelübersetzung;

Die Fig. 3B zeigt graphisch eine mit der geschwindigkeitsabhängigen variablen Lenkwinkelübersetzung nachbildbare monotone Funktion der Lenkwinkelübersetzung abhängig von der Fahrgeschwindigkeit;

Die Fig. 4 zeigt blockschaltbildartig eine Anordnung zur Verbesserung der Querdynamik mittels einer durch das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem durchführbaren Fahrdynamikregelung;

Die Fig. 5 zeigt schematisch in Form eines Blockschaltbildes eine Regelung für den an der Lenkradwelle angreifenden Feedback-Aktuator gemäß der Erfindung;

Die Fig. 6 zeigt schematisch in Form eines Funktionsblockschaltbilds ein am Feedback-Aktuator gemäß Fig. 5 angekoppeltes Beobachtersystem;

Die Fig. 7 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Hardwarestruktur eines Mikrorechnersystems durch das die Steuer- und Regelfunktionen in dem erfindungsgemäßen Steer by-Wire Lenksystem realisierbar sind; und

Die Fig. 8 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine Hardwarestruktur mit zwei Mikrorechnersystemen, mit denen auch die erfindungsgemäßen Steuer- und Regelfunktionen des Steer-by-Wire Lenksystems realisierbar sind.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 und 2 geben übersichtlich in schematischer Darstellung ein mit den erfindungsgemäßen Funktionen ausgestattetes Steer-by-Wire Lenksystem wieder. Die Bezeichnung "Steer-by-Wire" deutet auf die Tatsache hin, daß die Lenkung nicht über die übliche mechanische Lenksäule, sondern mit Hilfe eines Lenkstellers elektronisch realisiert wird. In Fig. 1 ist nur ein als Elektromotor ausgeführter Lenksteller 3 vorhanden, der über ein Lenkgetriebe 15 an der gelenkten Vorderachse eines Fahrzeugs angreift, während in Fig. 2 eine Ausführungsvariante mit Eingriffen durch zwei als Elektromotoren ausgeführte Lenksteller 3 und 4 dargestellt ist.

Der durch einen Lenkradwinkelsensor 9 erfaßte Fahrerlenk wunsch δ_H, der am Lenkrad 1 vom Fahrer eingegeben wird, wird gezielt mit Hilfe eines mit einem elektronischen Lenkregler 10 verbundenen Sollwertbildners 11 situationsabhängig unter Verwendung fahrdynamischer Größen, wie zum Beispiel der Fahrgeschwindigkeit ν, der Gierwinkelgeschwindigkeit ω, modifiziert und als Sollwert an einen Lenkregler 10 weitergeleitet. Weiterhin wird als zusätzliche Meßgröße das vom Fahrer auf das Lenkrad 1 übertragene Drehmoment oder Lenkradmoment M_H von einem Momentensensor 7 gemessen. Der Lenksteller 3 greift bei der in Fig. 1 gezeigten Version über ein Lenkgetriebe 15 an der gelenkten Vorderachse an. Bei der in Fig. 2 gezeigten Version sind an jedem Vorderrad jeweils ein Elektromotor 3, 4 als Lenksteller angebracht. In letzterem Fall können die Vorderräder radweise gelenkt werden, d. h. daß sie nicht in jedem Fall exakt den gleichen Lenkwinkel einschlagen müssen. Der Lenkregler 10 steuert den als Lenksteller dienenden Elektromotor 3 (Fig. 1), bzw. die Elektromotoren 3 und 4 gemäß Fig. 2 jeweils durch eine Ausgangsspannung U_v bzw. U_v,l und U_v,r an.

Das durch den Wegfall der mit der gelenkten Vorderachse starr verbundenen Lenksäule verlorengegangene Straßengefühl, welches bei einer herkömmlichen Lenkung durch das Rückstellmoment, d. h. durch ein Handmoment am Lenkrad dem Fahrer mitgeteilt wird und wovon der Fahrerlenkwunsch stark beeinflußt wird, wird mit Hilfe eines Feedback-Aktuators wieder hergestellt. Der Feedback-Aktuator des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems besteht aus einem als Elektromotor ausgeführten Lenkradsteller 5, der über ein Getriebe 5a an das Lenkrad 1 gekoppelt ist, und aus einem Lenkradregler 6 zur Regelung des Lenkradstellers 5. Das Soll-Handmoment M_H,soll wird durch einen mit dem Lenkradregler 6 funktionell zusammenarbeitenden Sollwertbildner 61 gebildet. Das Soll-Handmoment M_H,soll wird vom Sollwertbildner 61 auf der Basis der am Lenksteller 3 bzw. 3 und 4 angebrachten Momentensensoren bzw. Stromsensoren 8 bzw. 8l, und 8r gemessenen Rückstellmomente M_v (bzw. M_v,l und M_v,r) bzw. Ströme Iv (bzw. I_v,l und I_v,r) ermittelt. Alternativ kann das Soll-Handmoment m_H,soll auch mit Hilfe eines Feedback-Simulators aus dem von dem Lenkwinkelsensor gemessenen Lenkradwinkel δ_v (bzw. δ_v,l und δ_v,r) und anderen im Fahrzeug ohnehin vorhandenen Signalen, wie zum Beispiel der Fahrgeschwindigkeit ν und dem Reibwert µ zwischen Straße und Reifen nachgebildet werden. Der Lenkradregler 6 erhält außer dem so ermittelten Soll- Handmoment M_H,soll weitere Größen, wie das von dem mit der Lenkradsäule gekoppelten Momentensensor 7 gemessene Lenkrad moment M_H, den Lenkradwinkel δ_H, der von dem Lenkrad winkelsensor 9 gemessen wird, den Strom I_H des Lenkrad stellers 5 und gibt an den Lenkradsteller 5 eine Spannung U_H zur Regelung desselben aus.

Nachstehend wird anhand der Fig. 3A und 3B eine situationsabhängige Sollwertbildung durch den Sollwert bildner 11 für den Lenkregler 10 im Sinne einer Anpassung des Fahrkomfort durch eine geschwindigkeitsabhängige variable Lenkwinkelübersetzung beschrieben.

Das Lenkgetriebe ist konstruktiv mit einer festen Lenk winkelübersetzung i_s (z. B. 15 bis 17) vorgesehen. Diese Übersetzung wird in der Regel vom Fahrer als angenehm für normale Fahrten bei höheren Geschwindigkeiten empfunden. Beim Rangieren ist aber erwünscht, daß mit kleinen Lenk winkeln große Radeinschlagwinkel erzielt werden. D. h. die Lenkwinkelübersetzung soll bei niedriger Geschwindigkeit verkleinert werden (zum Beispiel 8 bis 10). Diese Anforderung kann durch die in Fig. 3A skizzierte Anordnung erfüllt werden.

Der Fahrerlenkwunsch δ_H wird mit einer geschwindigkeits abhängigen Funktion f(v) modifiziert:

δ_H* = f(v) δ_H (1)

Dieser wird als neuer Sollwert dem Lenkregler zugeführt:

δ_H* = i_s.δ_v

Daraus ergibt sich künstlich:

δ_H = (i_s/f(v)).δ_v

Auf diese Weise wird eine variable Lenkwinkelübersetzung

i_s* = (i_s/f(v))

realisiert.

Die Funktion f(v) kann zum Beispiel, wie in Fig. 3B dargestellt, eine geschwindigkeitsabhängige monotone Funktion sein.

Weiterhin wird anhand der Fig. 4 eine situationsabhängige Sollwertbildung durch den Sollwertbildner 11 für den Lenkregler 10 im Sinne einer Verbesserung der Querdynamik durch eine Fahrdynamikregelung beschrieben.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung zur Verbesserung der Querdynamik durch Fahrdynamikregelung paßt einen Fahrerlenkwunsch δ_H mit Hilfe eines Gierreglers so an, daß ein gewünschtes Gierverhalten eingehalten werden kann. Ein Referenzmodell in einem Referenzbildner 14 dient dazu, um das gewünschte Gierverhalten ω_ref vorzugeben.

worin
ω_ref: Soll-Giergeschwindigkeit
ν: Geschwindigkeit
ν_ch: Charakteristische Geschwindigkeit (≈ 60 . . . 100 km/h)
l: Achsstand
T_ref: Zeitkonstante
s: Laplace-Operator
sind.

Der Gierregler 13 kann ein standardmäßiger PID-Regler oder ein robuster Modellfolgeregler sein. Der resultierende Ausgang des Gierreglers 13 bestimmt den modifizierten Fahrerlenkwunsch δ_H*.

Im Fall einer individuellen Vorderradlenkung muß die Geometrie der inneren und äußeren Räder bei der Ermittlung des modifizierten Fahrerlenkwunsches δ_H* noch berücksichtigt werden:

worin
R: Kreisradius der stationären Kreisfahrt, und
b: Radabstand sind,
wobei sich der Kreisradius R aus den Geschwindigkeiten ν_i, ν_a der hinteren Antriebsräder ermitteln läßt:

worin
ν_i: Geschwindigkeit des inneren hinteren Antriebsrades
ν_a: Geschwindigkeit des äußeren hinteren Antriebsrades sind.

Anstelle der Soll-Giergeschwindigkeit ω_ref kann auch die Soll-Querbeschleunigung des Fahrzeuges a_y,ref oder eine Kombination dieser beiden Größen verwendet werden.

Der Lenkregler 10 (Fig. 1, Fig. 2) ist ein Lageregler, der dafür sorgt, daß der Radeinschlagwinkel an den vorderen Rädern dem modifizierten Fahrerlenkwunsch δ_H* folgt. Der Entwurf des Lenkreglers hängt stark von den Motorvarianten des Lenkstellers ab und wird hier nicht näher erläutert. Grundsätzlich eignen sich hierfür digitale Algorithmen auf der Basis einer PID-Struktur oder generell digitale adaptive Regelstrukturen.

Im Fall einer individuellen Vorderradlenkung werden die Vorderräder mit zwei getrennten Regelkreisen gelenkt. Es ist dann vorgesehen, die logische Richtigkeit der Sollwerte beider Regelkreise durch eine Plausibilitätsprüfung zu sichern.

Der Lenksteller ist nur für normale Lenkmanöver ausgelegt. Kritisch wird diese Auslegung für die Lenkung auf einer langen Schlagloch- oder Feldwegstrecke. Dies wird aber in Kauf genommen, damit die Dimensionierung des Motors klein gehalten wird. Über ein Temperaturmodell kann bei Erwärmung des Motors die Überlastung des Motors erkannt werden. Als Maßnahmen kann entweder eine entsprechend modulierte Rückwirkung dem Lenkrad (z. B. Schwergängigkeit)) zugeführt oder die Dynamik und damit die Leistung des Motors zurückgefahren werden.

Im folgenden wird die Ermittlung der Handmomente am Lenkrad erläutert.

Das Handmoment wird durch eine Momentenmessung bzw. eine Strommessung des Lenkstellers ermittelt und aufbereitet. Dies kann auch über eine Modellbildung mit Hilfe ohnehin bekannter Fahrzeugdaten (ν, µ, δ_v, etc.) berechnet werden. Beide Verfahren können vorteilhaft kombiniert werden.

A Modellgestützte Nachbildung der Handmomente (Feedback- Simulator) 1. Möglichkeit

Über ein Fahrzeugmodell (im einfachsten Fall: "Einspur modell") wird anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Lenkwinkels das Gierverhalten des Fahrzeugs und daraus die Schräglaufwinkel der Räder berechnet. Durch die Verwendung eines Reifenmodells wird das Rückstellmoment an den Vorderrädern berechnet. Ein nachgeschaltetes Lenk säulenmodell (Lenkrad, Lenksäule, Zahnstange, Spurhebel, Servounterstützung, etc. unter Berücksichtigung von Reibung und Elastizitäten) ermöglicht die Berechnung des Handmoments am Lenkrad.

2. Möglichkeit

In einem Kennfeld sind charakteristische Parameter für ein nachgeschaltetes Modell der Lenkcharakteristik unter Berücksichtigung von Reibung und Elastizitäten in der Lenkanlage gespeichert. In Abhängigkeit unterschiedlicher Fahrzeugsituationen (Geschwindigkeit, Straßenreibwert, Lenkwinkel, etc.) werden die entsprechenden Handmomente berechnet.

B Ermittlung des Handmoments über Messung

Das Rückstellmoment wird mittels Messung der Momente M_v bzw. M_vl, M_vr an den Vorderrädern bzw. über eine Messung des Lenkstellerstroms I_v bzw. I_vl, I_vr ermittelt und konvertiert. Nach entsprechender Aufbereitung und Filterung gelangt das Rückstellmoment auf ein Lenksäulenmodell (s. o.), das die Berechnung des Handmoments am Lenkrad ermöglicht.

Fig. 5 gibt die schematische Darstellung des Regelkreises des Feedback-Aktuators wieder. Kernstück des Lenkradreglers 6 ist ein adaptiver Momentenregler 6a, der sicherstellt, daß das Rückstellmoment der Reifen auf das Lenkrad 1 übertragen wird. Der Momentenregler 6a liefert einen Sollstrom I_H,soll für einen internen Stromregler 6b, der den Lenkradsteller 5 (z. B. einen Gleichstrommotor) mit einer Spannung U_H ansteuert. Die Adaption geschieht bei der Aufbereitung des Soll-Handmoments M_H,soll* wie folgt:

- Das durch eine Momentenmessung M_v bzw. eine Strommessung I_v des Lenkstellers ermittelte Rückstellmoment M_v* wird aufbereitet und bewertet (Block 613). Durch Filterung 612 können Fahrbahnunebenheiten, Vibrationen, etc. eliminiert werden. Wichtige Momentenänderungen, die bei Fahrbahnbelagsänderungen, Fahren auf Glatteis, Abdrücken des Rades am Bordstein, ect. auftreten, werden unverändert ans Lenkrad 1 übertragen.
- Das Gesamtübertragungsverhalten kann darüber hinaus mittels Parameteradaption 614 an verschiedene Fahrer ansprüche, die mit Hilfe einer Fahrertyperkennung 615 festgestellt werden, angepaßt werden und ermöglicht somit einen individuellen Lenkkomfort.
- Das auf der Basis eines Lenksäulenmodells 611 nachgebildete Handmoment M_H,soll muß schließlich über eine Adaptionsstrategie 616 modifiziert werden (M_H,soll*), damit die herkömmliche Rückwirkung auf das Lenkrad bei mechanischen Lenkungen naturgetreu auch für das Steer-by- Wire-Fahrzeug hergestellt werden kann.

Das modifizierte Soll-Lenkradmoment M_H,soll* wird auf ein Maximalmoment begrenzt, um ein Fahrgefühl zu vermitteln, wie es bei heutigen Servolenkungen üblich ist. Aus Kosten-, Gewichts- und Platzgründen sollte der Feedback-Aktuator nur die Kräfte übertragen können, die durch den normalen Fahrbetrieb entstehen. Größere Momente, die z. B. beim Abdrücken des Rades vom Bordstein entstehen, können dem Fahrer durch eine andere Rückmeldung ("haptisches Signal" wie z. B. Vibrieren des Lenkrads) weitergegeben werden.

Fig. 6 zeigt einen Beobachter B, der anhand des Motorstroms I_H und der Lenkradbewegung schätzt, welche Momente der Fahrer auf das Lenkrad ausübt. Dazu wird aus dem gemessenen Lenkradwinkel δ_H dessen erste und zweite Ableitung _H und _H vermittelt und Differenzen zu entsprechenden, durch den Beobachter B gebildeten Größen δ_H*, _H* und _H* gebildet. Damit kann z. B. festgestellt werden, ob der Fahrer die Hand am Lenkrad hat oder ob der Fahrer das System übersteuern möchte. Fahrerassistenzfunktionen, die der Steer-by-Wire Lenkregelung überlagert sind, benötigen diese Informationen für ihre Abschaltstrategien.

In Fig. 7 und 8 werden zwei Realisierungsvarianten der Erfindung dargestellt.

Fig. 7 zeigt eine Realisierung mittels eines Mikrorechnersystems. Die dargestellte Funktionskomponente R beinhaltet ein Mikrorechnersystem einschließlich der zugehörigen Peripheriekomponenten für die Erfassung aller Sensorsignale. Zudem ist darin auch die erforderliche Leistungselektronik zur Bildung des Ansteuersignales U_H für den Lenkradstellmotor 5 bzw. U_v für die Ansteuerung des Lenkstellers 3; 3, 4 enthalten. Die in Klammern dargestellten Sensorsignale bzw. Stellgrößen sind für die radindividuelle Realisierungsvariante des Steer-by-Wire Lenksystems gültig.

K₁ kennzeichnet ein Kommunikationssystem, z. B. realisiert mittels eines seriellen Busses, das die Verbindung zu weiteren Steuergeräten, wie einem ABS-Steuergerät, einem ESP-Steuergerät im Kfz ermöglicht. Über dieses Kommunikationssystem werden die Sensorsignale für die Gierwinkelgeschwindigkeit ω und für die Querbeschleunigung a_y dem Mikrorechnersystem zugeführt. Zudem werden über K₁ Schätzwerte für den Reibkoeffizient µ zwischen Rad und Straße und ein Schätzwert der Fahrzeuggeschwindigkeit ν übertragen.

In der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsvariante werden die Aufgaben des Steer-by-Wire Lenksystems auf die zwei Mikrorechnersysteme R₁ und R₂ verteilt, die mittels des Systems K₁ kommunizieren. Im Mikrorechnersystem R₁ werden die Funktionen für die Regelung des Feedback-Aktuators realisiert und im Mikrorechnersystem R₂ erfolgt die Regelung des gewünschten Lenkwinkels einschließlich der im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschriebenen Maßnahmen zur Verbesserung der Querdynamik.

Da das oben beschriebene Steer-by-Wire Lenksystem dazu eingerichtet ist, dem Fahrer des Kraftfahrzeugs über das Lenkrad 1 durch den Feedback-Aktuator Rückmeldungen zu übertragen, die auch entsprechend bestimmten Betriebs zuständen des Kraftfahrzeugs moduliert sein können, eignet sich das erfindungsgemäße Lenksystem auch dazu, Fehlbedienungen des Fahrers am Lenkrad 1 oder an anderen Bedienungselementen des Kraftfahrzeugs mitzuteilen. Dadurch wird eine zusätzliche aktive Sicherheit beim Betrieb des Kraftfahrzeugs erreicht. Darunter seien folgende Anwendungsfälle für das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem erwähnt:

- Veränderung der Lenkgegenkraft bei nicht griffiger Fahrbahn, z. B. bei Aquaplaning, bei Glatteis, usw., bzw. abhängig von dem z. B. im ABS-Steuergerät ermittelten und übertragbaren Reibbeiwert in der Straßenoberfläche;
- Veränderung der Lenkgegenkraft bei Gefahr des Fahrzeugschleuderns bzw. Gefahr, daß das Fahrzeug kippt. Die Information hierzu kann vom ISP-Steuergerät übertragen werden;
- Veränderung der Lenkgegenkraft bei Strecken mit schlechter Fahrbahnoberfläche, wie beispielsweise bei Schlaglöchern oder starken Welligkeiten. Das Signal für eine Schlechtwegstrecke liegt unter anderem in dem ABS- Steuergerät vor und kann von dort an die Feedback- Aktuatoreinheit übertragen werden;
- Anzeige von Fehlbedienungen des Kraftfahrzeugs durch kurzes Ruckeln oder Vibrieren des Lenkrades, beispielsweise bei überschreiten der Maximaldrehzahl oder der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit.

Durch die Verwendung von im Systemverbund zur Verfügung stehenden Informationen (z. B. ABS. ESP, ACC, usw.) kann zur Information des Fahrers das Rückstellmoment am Lenkrad verändert werden. Auch können Fehlerinformationen und Warnungen dem Fahrer über haptische Rückmeldungen am Lenkrad (z. B. Ruckeln) übermittelt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft Fahrzeuge, die verstellbare Aufhängungssysteme zwischen dem Fahrzeugaufbau und den einzelnen Rädern aufweisen. Bei solchen sogenannten aktiven Fahrwerken bzw. Fahrwerkregelungs- oder Fahrwerksteuerungssystemen kann beispielsweise der Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und den einzelnen Rädern, das Fahrzeugniveau, eingestellt werden. Darüber hinaus können die Federungs- und/oder Dämpfungseigenschaften der Aufhängungssysteme, im allgemeinen eine Kombination aus einem federnden und einem dämpfenden Element, individuell an den vorliegenden Fahrzeug-, Fahr- und/oder Fahrbahnzustand automatisch angepaßt werden. So kann beispielsweise die Dämpfung erhöht werden, wenn sich die Beladung des Fahrzeugs ändert.

Sind solche Fahrwerksysteme vorhanden, so ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Soll- Handmoment abhängig von der Einstellung der Aufhängungssysteme, also insbesondere abhängig von dem Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Rädern, der Federungseigenschaft und/oder der Dämpfungseigenschaft der Aufhängungen zwischen Aufbau und Rädern, ermittelt wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, daß bei abnehmender Dämpfung und/oder abnehmender Federungshärte das Soll- Handmoment erhöht wird. So kann bei geringer Dämpfung dem Fahrer durch Erhöhung des Handmoments vermittelt werden, daß er nicht zu schnell in eine Kurve fahren sollte. Darüber hinaus kann das Handmoment insbesondere abhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit gewählt werden. Die Beeinflussung des Handmoments kann beispielsweise durch eine Kennlinie oder ein Kennfeld aus der Fahrzeughöhe (Abstand zwischen Fahrzeugaufbau und Rädern) und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, daß der schon beschriebene Lenkradregler dafür eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment abhängig von dem obenerwähnten Abstand, der obenerwähnten Federungseigenschaft und/oder der obenerwähnten Dämpfungseigenschaft zu verändern.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft Fahrzeuge, die ein Reifenluftdruckerfassungsgerät aufweisen, durch das der momentane Luftdruck in den Fahrzeugreifen erfaßt wird. In diesem Fall ist vorgesehen, daß das Soll-Handmoment abhängig von dem erfaßten Luftdruck ermittelt wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, daß der Lenkradregler dafür eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment abhängig von erfaßten Luftdruck zu verändern.

Fällt der Reifendruck ab (vorgebbaren Sinken des Luftdrucks) bzw. ist der Reifendruck zu niedrig (Unterschreitung des Luftdrucks unter einen vorgebbaren oder vorgegebenen Schwellenwert), so kann dem Fahrer mittels dem Handmoment durch ein Ruckeln oder Vibrieren am Lenkrad vermittelt werden, daß er nicht zu schnell, insbesondere in eine Kurve, fahren sollte. Darüber hinaus kann das Handmoment insbesondere abhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit gewählt werden. Die Beeinflussung des Handmoments kann beispielsweise durch eine Kennlinie oder ein Kennfeld aus dem erfaßten Reifendruck und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Claims

1. Steer-by-Wire Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit einem am Lenkgetriebe (15) der Vorderachse oder an beiden lenkbaren Vorderrädern angebrachten, elektronisch geregelten Lenksteller (3, 4), einem den Fahrerlenkwunsch (δ_H, M_H) am Lenkrad (1) abgreifenden Lenkradsensor (7, 9) und mit einer Rückwirkungen der Straße an den Fahrer über das Lenkrad (1) übermittelnden Feedback-Aktuatoreinheit (5, 6), dadurch gekennzeichnet, daß mit dem elektromechanischen Lenksteller (3, 4) ein elektronischer Lenkregler (10) funktionell verbunden ist, der mit Hilfe eines mit dem Lenkregler (10) funktionell verbundenen Sollwertbildners (11) den vom Lenkradsensor (7, 9) erfaßten Fahrerlenkwunsch (δ_H) abhängig von fahrdynamischen Größen modifiziert und daraus einen Sollwert für den oder die Lenksteller (3, 4) bildet, wobei der Feedback-Aktuator (5, 6) einen Lenkradsteller (5), der über ein Getriebe (5a) an das Lenkrad (1) angekoppelt ist und einen mit dem Lenkradsteller (5) funktionell in Verbindung stehenden Lenkradregler (6) zur Regelung des Lenkradstellers (5) aufweist, wobei der Lenkradregler (6) ein Soll-Handmoment (M_H,soll) für den Fahrer aufgrund von mittels am Lenksteller (3) oder an den Lenkstellern (3, 4) angebrachten Moment- oder Stromsensoren (8) gemessenen Rückstellmomenten bzw. Rückstellströmen oder aufgrund von durch den Lenkradsensor (9) gemessenen Signalen (δ_v) und anderen im Fahrzeug vorhandenen Zustandssignalen (ν, µ), wobei ν die Fahrgeschwindigkeit und µ der Reibwert der Straße/Reifen sind, simulierten Rückstellmomenten ermittelt, und wobei das Soll-Handmoment (M_H,soll) dem an das Lenkrad durch den Lenkradsteller (5) übertragenen Handmoment zugrunde liegt.

2. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Lenkregler (10) zur Erzeugung einer von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen variablen Lenkwinkelübersetzung abhängig vom Fahrerlenkwunsch (δ_H) gemäß folgender Beziehung eingerichtet ist:
δ_H* = f(v) - δ_H,
wobei δ_H* dem Lenkregler als neuer Sollwert zugeführt wird.

3. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Lenkregler (10) die Lenkwinkelübersetzung durch eine von der Fahrgeschwindigkeit monoton abhängige Funktion (f(v)) variiert.

4. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkregler (10) funktionell mit einem Gierregler (13) verbunden ist, der zu einer fahr dynamikabhängigen Modifikation des Fahrerlenkwunsches (δ_H) eingerichtet ist, um ein gewünschtes Gierverhalten des Fahrzeugs zu erreichen.

5. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gierregler (13) funktionell mit einem Referenzgeber (14) verbunden ist, der ein gewünschtes Gierverhalten (ω_ref) gemäß folgender Beziehung vorgibt:
wobei
ω_ref: Soll-Giergeschwindigkeit
ν: Geschwindigkeit
ν_ch: Charakteristische Geschwindigkeit (≈ 60 . . . 100 km/h)
l: Achsstand
T_ref: Zeitkonstand
s: Laplace-Operator
sind.

6. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gierregler im Falle radindividueller Lenksteller (3, 4) die Modifikation des Fahrerlenkwunsches abhängig von der Geometrie der jeweils kurveninneren und kurvenäußeren Räder gemäß folgender Beziehung ausführt:
wenn b der gleiche Radabstand der Räder ist, wobei sich der Kreisradius R aus den Geschwindigkeiten ν; , ν_a und dem Radabstand b der hinteren Antriebsräder durch folgende Beziehung ermitteln läßt:

7. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feedback-Simulator (12) aufgrund eines Fahrzeugmodells mit Hilfe der Fahrgeschwindigkeit und des Ist-Lenkwinkels δ_v, δ_vr, δ_vl das Gierverhalten des Fahrzeugs und daraus die Schräglaufwinkel der Räder und unter Verwendung eines Reifenmodells das Rückstellmoment an den Vorderrädern berechnet, und daß ein dem Fahrzeugmodell nachgeschaltetes Lenksäulenmodell unter Berücksichtigung von Reibung und Elastizität in der Lenksäule das Soll-Handmoment am Lenkrad berechnet.

8. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feedback-Simulator ein Kennfeld mit charakteristischen Parametern für ein nachgeschaltetes Modell der Lenkcharakteristik speichert und in Abhängigkeit von unterschiedlichen Fahrzeugsituationen die entsprechenden Soll-Handmomente zur Beaufschlagung des Lenkradstellers (5) berechnet.

9. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) zur Ermittlung eines Soll-Handmoments das an den Vorderrädern gemessene Rückstellmoment oder den am Lenksteller oder den Lenkstellern gemessenen Rückstellstrom konvertiert und einem dem Lenkradregler (6) nachgeschalteten Lenksäulenmodell überträgt, das schließlich die Berechnung des dem Lenkradsteller zugeführten Soll-Handmoments ausführt.

10. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) das erzeugte Handmoment auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt, um ein Fahrgefühl zu vermitteln, wie es bei heutigen Servolenkungen üblich ist.

11. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) eine Überlastung des Lenkstellers bzw. der Lenksteller durch ein an das Lenkrad durch den Lenkradsteller übertragenes haptisches Signal, zum Beispiel durch Vibrieren des Lenkrads anzeigt.

12. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung und/oder Regelung weiterer Funktionen des Kraftfahrzeugs wenigstens ein Steuergerät, insbesondere ein Antiblockier- (ABS) und/oder Antriebsschlupf- (ASR) und/oder Fahrstabilitäts- (FDR/ESP) und/oder Abstandsregel- (ACC) und/oder Motor steuerungs- und/oder Fahrwerksteuerung- und/oder Fahrwerkregelungs- und/oder Reifenluftdruckerfassungsgerät vorgesehen ist, wobei dem Lenkradregler (6) Informationen zugeführt werden, die in dem Steuergerät gebildet werden, und das Soll-Handmoment (M_H,soll) weiterhin abhängig von diesen Informationen ermittelt wird.

13. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) dafür eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment bei nicht griffiger Fahrbahn und/oder abhängig von einem im ABS-Steuergerät ermittelten Reibbeiwert der Straßenoberfläche zu verändern.

14. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) dazu eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment abhängig von einer in einem elektronischen Steuergerät erzeugten Information, die die Gefahr des Fahrzeugschleudern bzw. Fahrzeugkippens angibt, zu verändern.

15. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) dazu eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment bei einer im ABS-Steuergerät erkannten Schlechtwegstrecke zu verändern.

16. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) dazu eingerichtet ist, ein eine Fehlbedienung des Fahrzeugs angebendes Signal durch das Handmoment, zum Beispiel ein kurzes Ruckeln des Lenkrads bei Überschreitung der Maximaldrehzahl bzw. der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit oder bei einem Fahren mit fast leerem Tank zu erzeugen.

17. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrwerksteuerung- und/oder Fahrwerkregelungsgerät den Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Radeinheiten des Fahrzeugs und/oder die Federungseigenschaft und/oder Dämpfungseigenschaft der zwischen dem Fahrzeugaufbaus und den Radeinheiten des Fahrzeugs angebrachten Aufhängungssysteme steuert oder regelt, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß die Eigenschaften an den vorliegenden Fahrzeug-, Fahr- und/oder Fahrbahnzustand angepaßt werden, und das Soll-Handmoment (M_H,soll) abhängig von dem Abstand, der Federungseigenschaft und/oder der Dämpfungseigenschaft ermittelt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß bei abnehmender Dämpfung und/oder abnehmender Federungshärte das Soll-Handmoment (M_H,soll) erhöht wird.

18. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrwerksteuerung- und/oder Fahrwerkregelungsgerät den Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Radeinheiten des Fahrzeugs und/oder die Federungseigenschaft und/oder Dämpfungseigenschaft der zwischen dem Fahrzeugaufbaus und den Radeinheiten des Fahrzeugs angebrachten Aufhängungssysteme steuert oder regelt, und der Lenkradregler (6) dafür eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment abhängig von dem Abstand, der Federungeigenschaft und/oder der Dämpfungseigenschaft zu verändern.

19. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reifenluftdruckerfassungsgerät den momentane Luftdruck in den Fahrzeugreifen erfaßt, und das Soll-Handmoment (M_H,soll) abhängig von dem erfaßten Luftdruck ermittelt wird.

20. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruche 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradregler (6) dafür eingerichtet ist, das dem Lenkradsteller zugeführte Handmoment abhängig von dem erfaßten Luftdruck zu verändern, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß bei Unterschreitung des Luftdrucks unter einen vorgebbaren oder vorgegebenen Schwellenwert und/oder bei einem vorgebbaren Sinken des Luftdrucks ein Ruckeln und/oder ein Vibrieren am Lenkrad eingestellt wird.