Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkvorrichtung.

Moderne Lenkvorrichtungen eines Kraftfahrzeugs sind heutzutage typischer- weise elektronisch unterstützt, sodass das vom Fahrer des Kraftfahrzeugs aufgebrachte Lenkmoment durch eine elektronische Lenkunterstützungseinheit verstärkt wird. Hierdurch wird das Lenken des Kraftfahrzeugs vom Fahrer insgesamt als angenehmer empfunden. Auch kann die Lenkunterstützungseinheit ein Gegenmoment erzeugen, sodass gerade bei höheren Geschwindigkeiten ein erhöhtes Lenkmoment vom Fahrer aufgebracht werden muss, um zu lenken. Dies dient der Betriebssicherheit.

Typischerweise weisen die elektronischen Lenkunterstützungseinheiten ein Getriebe sowie einen elektrischen Motor auf, die eine gewisse Reibung sowie Massenträgheit der Lenkvorrichtung zur Folge haben. Insbesondere wird das selbstständige und auch gewünschte Rücklaufverhalten der Lenkvorrichtung, welches dem Fahrer aus nicht elektronisch unterstützten Lenkvorrichtungen bekannt ist, negativ beeinflusst. Die negative Beeinflussung ist derart, dass sich die Räder aufgrund der Spur des Fahrzeugs beim Übergang von einer Kurvenfahrt in eine Geradeausfahrt zwar zurückstellen, der Fahrer jedoch ein mit dem Rücksteilen der Räder verbundenes Moment nicht am Lenkelement spürt.

Im Stand der Technik wird das Rücklaufverhalten aktiv von der elektronischen Lenkunterstützungseinheit bereitgestellt, indem ein entsprechendes Unterstützungsmoment zur Rückstellung erzeugt wird. Hierzu weist die elektronische Lenkunterstützungseinheit eine Steuer- und Regeleinheit auf, welche über Sensoren den Lenkwinkel, die Lenkwinkelgeschwindigkeit sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst und den elektrischen Motor entsprechend ansteuert, sodass dem Fahrer über das erzeugte Unterstützungsmoment ein selbsttätiges Rücksteilen des Lenkelements suggeriert wird. Als nachteilig hat sich dabei jedoch herausgestellt, dass weiterhin Einflussfaktoren für die jeweilige Fahrzeugtopologie aufwendig berücksichtigt und kompensiert werden müssen, da der Lenkwinkel und die Lenkwinkelgeschwindigkeit an der Lenkwelle erfasst werden, die je nach Fahrzeugtyp anders zu den Rädern übersetzt sind. Weitere Einflussfaktoren sind beispielsweise die Spreizung, der Nachlauf und der Lenkrollradius der Lenkachsgeometrie.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenkvorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit denen eine aktive Rückstellung der Lenkvorrichtung unabhängig von der Fahrzeugtopologie möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gelöst, die ein Lenkelement zum Lenken des Kraftfahrzeugs sowie ein Betätigungselement umfasst, mit dem Räder des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einer Betätigung des Lenkelements verstellt werden, wobei dem Lenkelement eine Lenkunterstützungseinheit zugeordnet ist, insbesondere eine elektronische Lenkunterstützungseinheit zur aktiven Rückstellung des Lenkelements, die einen Motor und eine Steuer- und Regeleinheit umfasst, die den Motor zur Erzeugung eines Unterstützungsmoments ansteuert, wobei die Steuer- und Regeleinheit Daten von einem ersten Sensor empfängt, der die Position des Betätigungselements unmittelbar erfasst und den Motor in Abhängigkeit von der Position des Betätigungselements ansteuert.

Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkvorrichtung, insbesondere einer Lenkvorrichtung der zuvor genannten Art, gelöst, wobei eine Steuer- und Regeleinheit die Position eines Betätigungs- elements mittels eines ersten Sensors erfasst und wobei die Steuer- und Regeleinheit ein Unterstützungsmoment eines Motors zur Rückstellung eines Lenkelements in Abhängigkeit von der Position des Betätigungselements berechnet.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die Steuer- und Regeleinheit den Motor unmittelbar in Abhängigkeit der Position des Betätigungselements ansteuert, sodass Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Lenkelement und dem Betätigungselement sowie Elastizitäten und Fertigungstoleranzen zwischen dem Lenkelement und dem Betätigungselement unberücksichtigt bleiben können. Generell wird zur Ansteuerung des Motors eine Regelgröße verwendet, die die Position der Räder direkt erfasst, da der Sensor die Position des Betätigungselements detektiert, das direkt mit den Rädern gekoppelt ist. Mit der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung ist eine aktive Rückstellung des Lenkelements unabhängig von der Fahrzeugtopologie sowie der Anordnung der Lenkvorrichtung möglich. Über das Verfahren ist es analog zur Ausführung der Lenkvorrichtung möglich, das Unterstützungsmoment des Motors zur Rückstellung des Lenkelements unabhängig von der Fahrzeugtopologie zu berechnen, da als Regelgröße die Position des Betätigungselements unmittelbar erfasst wird. Demnach wird erfindungsgemäß gerade nicht der Lenkwinkel und/oder die Lenkwinkelgeschwindigkeit des Lenkelements von einem Sensor erfasst, um das Unterstützungsmoment des Motors zur Rückstellung des Lenkelements zu berechnen, wie dies im Stand der Technik geschieht. Eine Berechnung auf Basis des Lenkwinkels und/oder der Lenkwinkelgeschwindigkeit ist nämlich von der Fahrzeugtopologie und der Anordnung der Lenkvorrichtung abhängig und somit nicht universell.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Steuer- und Regeleinheit Daten von einem zweiten Sensor empfängt, der die Geschwindigkeit des Betätigungselements erfasst, wobei insbesondere der erste und der zweite Sensor in einer Sensoreinheit ausgebildet sein können. Bezüglich des Verfahrens wird die Geschwindigkeit des Betätigungselements vom zweiten Sensor erfasst, der diesen Wert an die Steuer- und Regeleinheit übermittelt, die den erfassten Wert zur Berechnung des Unterstützungsmoments des Motors heranzieht.

Durch den zweiten Sensor werden Daten zur Berechnung des Unterstützungsmoments bereitgestellt, die die vorliegende Fahrsituation noch genauer erfassen, da zusätzlich die Geschwindigkeit des Betätigungselements beim Übergang in seine Neutralstellung gemessen wird. Diese Daten sind ebenfalls unabhängig vom Aufbau des Fahrzeugs bzw. der Übersetzung des Lenkelements zum Betätigungselement. Da beide Sensoren Zustände des Betätigungselements erfassen, können sie in platzsparender Weise in einer einzigen Sensoreinheit ausgebildet sein.

Insbesondere empfängt die Steuer- und Regeleinheit Daten von einem dritten Sensor, der die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erfasst. Beim Verfahren wird die vom dritten Sensor erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit an die Steuer- und Regeleinheit übermittelt, die den erfassten Wert zur Berechnung des Unterstützungsmoments des Motors heranzieht. Die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs dient als weitere Regelgröße, da das Empfinden des Fahrers generell von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt, die einen wichtigen Parameter hinsichtlich der Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs darstellt. Ferner beeinflusst die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs das Rücksteilen der Räder aus einer Kurvenfahrt in deren Neutralstellung, da die Geschwindigkeit die Reibkraft zwischen dem Asphalt und den Rädern beeinflusst und somit deren Rückstellkraft.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Steuer- und Regeleinheit einen Referenzgenerator auf, der eine Referenzgeschwindigkeit des Betätigungselements berechnet, insbesondere in Abhängigkeit von den eingehenden Sensorsignalen.

Im Verfahren wird aufgrund der durch die Sensoren erfassten Werte eine Referenzgeschwindigkeit des Betätigungselements in dem Referenzgenerator der Steuer- und Regeleinheit erzeugt.

Die Referenzgeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich das Betätigungselement in seine Neutralstellung bewegen soll, wobei hier unter anderem die tatsächliche Geschwindigkeit des Betätigungselements und die Fahrzeuggeschwindigkeit eingehen. Die Referenzgeschwindigkeit des Betätigungselements wird demnach anhand von Parametern berechnet, die unabhängig von der jeweiligen Fahrzeugtopologie sind. Die Steuer- und Regeleinheit kann zudem ständig die aktuelle Geschwindigkeit des Betätigungselements mit der Referenzgeschwindigkeit vergleichen und das Unterstützungsmoment entsprechend anpassen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Steuer- und Regeleinheit eine Berechnungseinheit, eine Begrenzungseinheit sowie eine Dämpfungseinheit umfasst, die Daten von wenigstens einem Sensor am Lenkelement empfängt. Über die zusätzlichen Einheiten kann generell eine sicherer Fahrbetrieb gewährleistet werden. Im Verfahren kann ein Dämpfungsfaktor in einer Dämpfungseinheit der Steuer- und Regeleinheit berechnet werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Position, der Geschwindigkeit und dem Drehmoment des Lenkelements. Der Dämpfungsfaktor hängt somit von der Aktivität des Fahrers ab und dämpft das vom Motor der elektronischen Lenkunterstützungseinheit bereitzustellende Unterstützungsmoment entsprechend der vorliegenden Fahrsituation, sodass der Fahrer nicht überrascht wird.

Ein weiterer Aspekt des Verfahrens sieht vor, dass in einer Begrenzungseinheit der Steuer- und Regeleinheit ein maximales Unterstützungsmoment des Motors berechnet wird, insbesondere in Abhängigkeit vom von der Dämpfungseinheit ermittelten Dämpfungsfaktor und der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit. Hierdurch wird sichergestellt, dass das bereitgestellte Unterstützungsmoment immer in einem Bereich liegt, der ein sicheres Betreiben des Fahrzeugs garantiert. Bei den Lenkvorrichtungen kann es sich um eine elektrisch angetriebene oder elektrisch unterstützte Lenkvorrichtung handeln, insbesondere eine „Steer-by- wire"-Lenkvorrichtung. Gerade bei derartigen Lenkvorrichtungen ist es üblich, dass elektronische Lenkunterstützungseinheiten vorgesehen sind. Der Motor kann je nach Lenkvorrichtung derjenige Motor sein, der auch das Betätigungselement verstellt.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lenk- Vorrichtung, und

- Figur 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Lenkvorrichtung.

In Figur 1 ist eine Lenkvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt, die ein Lenkelement 12, das ein Lenkrad 14 und eine daran angeordnete Lenkwelle 16 umfasst, sowie ein Betätigungselement 18 aufweist, an dem zwei Räder 20 des Kraftfahrzeugs über Spurstangenhebel 21 direkt gekoppelt sind. Je nach Ausführung der Lenkvorrichtung 10 können auch noch Lenkhebel und Achsschenkel vorgesehen sein.

Zwischen dem Lenkelement 12 und dem Betätigungselement 18 ist eine elektronische Lenkunterstützungseinheit 22 angeordnet, die generell zur Unter- Stützung der Lenkvorrichtung 10 ausgebildet sein kann. Dies kann ein aktives Verstellen des Betätigungselements 18 sowie ein Erzeugen von Momenten im Lenkelement 12 umfassen, um ein verbessertes Empfinden beim Fahrer herzustellen. Die elektronische Lenkunterstützungseinheit 22 kann zudem das Lenkelement 12 aktiv zurückstellen, wenn das Fahrzeug aus einer Kurvenfahrt in eine Geradeausfahrt übergeht.

In der Figur 1 sind nur diejenigen Komponenten der elektronischen Lenkunterstützungseinheit 22 gezeigt, welche für das aktive Rücksteilen des Lenkelements 12 in seine Neutralstellung benötigt werden.

Die elektronische Lenkunterstützungseinheit 22 weist demnach eine Steuer- und Regeleinheit 24 auf, die als zentrales Element der Lenkunterstützungseinheit 22 einen elektrischen Motor 26 antreibt, der das Lenkelement 12 aktiv in seine Neutralstellung zurückstellt.

Die Steuer- und Regeleinheit 24 empfängt Daten von einem ersten Sensor 28, der die Position des Betätigungselements 18 erfasst, sowie von einem zweiten Sensor 30, der die Geschwindigkeit des Betätigungselements 18 erfasst. Die beiden Sensoren 28, 30 können dabei in einer einzigen Sensoreinheit 32 verwirklicht sein, sodass sie platzsparend ausgebildet sind.

Ferner empfängt die Steuer- und Regeleinheit 24 Daten von einem dritten Sensor 34, welcher die Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst. Zusätzlich kann die Steuer- und Regeleinheit 24 Daten von einem weiteren Sensor 36 erfassen, der am Lenkelement 12, insbesondere an der Lenkwelle 16, angeordnet ist und Daten wie die Lenkwellenwinkelposition, die Lenkwellendrehgeschwindigkeit und das Lenkwellenmoment an die Steuer- und Regeleinheit 24 übermittelt. Über die drei Sensoren 28, 30, 34 kann die Steuer- und Regeleinheit 24 ein

Unterstützungsmoment des Motors 26 berechnen, welches auf das Lenkelement 12 wirkt, um dem Fahrer eine aktive Rückstellung des Lenkelements 12 in die Neutralstellung zu suggerieren, das aus nicht elektronisch unterstützten Lenkvorrichtungen bekannt ist.

Die vom weiteren Sensor 36 erfassten Daten dienen ferner zu einer Art Feineinstellung des Unterstützungsmoments des Motors 26.

Die Funktionsweise der Lenkvorrichtung 10 und insbesondere die Steuerung der Lenkunterstützungseinheit 22 werden anhand der Figur 2 beschrieben.

In Figur 2 ist schematisch dargestellt, wie die von den einzelnen Sensoren 28, 30, 34, 36 empfangenen Daten in der Steuer- und Regeleinheit 24 der elektronischen Lenkunterstützungseinheit 22 verarbeitet werden, um den Motor 26 der elektronischen Lenkunterstützungseinheit 22 anzusteuern, sodass ein bestimmtes Unterstützungsmoment vom Motor 26 erzeugt wird, aufgrund dessen das Lenkelement 12 aktiv zurückgestellt wird.

Die Steuer- und Regeleinheit 24 weist dazu einen Referenzgenerator 38, eine Dämpfungseinheit 40, eine Berechnungseinheit 42 sowie eine Begrenzungseinheit 44 auf, die jeweils Daten von den verschiedenen Sensoren 28, 30, 34, 36 empfangen und wie nachfolgend beschrieben verarbeiten.

Der Referenzgenerator 38 erzeugt ausgehend von den Sensorsignalen der ersten drei Sensoren 28, 30, 34 eine Referenzgeschwindigkeit des Betätigungs- elements 18, mit der sich das Betätigungselement 18 in seine Neutralstellung zurückbewegen soll. Diese Referenzgeschwindigkeit übermittelt der Referenzgenerator 38 an die Berechnungseinheit 42.

Die Berechnungseinheit 42 erhält zudem direkt von den Sensoren 28, 30, 34 die jeweils gemessenen Daten. Die Berechnungseinheit 42 empfängt demnach die vom Referenzgenerator 38 erzeugte Referenzgeschwindigkeit des Betätigungselements 18, die vom dritten Sensor 34 erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit, die vom zweiten Sensor 30 erfasste tatsächliche Geschwindigkeit des Betätigungselements 18 sowie die vom ersten Sensor 28 erfasste Position des Betätigungselements 18. Darüber hinaus empfängt die Berechnungseinheit 42 einen Dämpfungsfaktor, der in der Dämpfungseinheit 40 in Abhängigkeit von den vom weiteren Sensor 36 erfassten Daten berechnet worden ist. Der Dämpfungsfaktor ist dabei eine Größe, die auf die Aktivität des Fahrers zurückschließt, da die vom weiteren Sensor 36 erfassten Daten direkt am Lenkelement 12 gemessen werden, das vom Fahrer bedient wird. Mittels des Dämpfungsfaktors kann das vom Motor 26 zu erzeugende Unterstützungsmoment an die Aktivität des Fahrers angepasst werden.

In der Berechnungseinheit 42 wird nun ausgehend von den zuvor genannten Daten ein vorläufiges Unterstützungsmoment des Motors 26 berechnet. Die Steuer- und Regeleinheit 24 kann dabei die vom Referenzgenerator 38 erzeugte Referenzgeschwindigkeit mit der tatsächlichen Geschwindigkeit des Betätigungselements 18 vergleichen und das vorläufige Unterstützungsmoment des Motors 26 entsprechend anpassen. Dieser Verfahrensschritt kann iterativ ausgeführt werden, wobei auch eine Anpassung der im Referenzgenerator 38 berechneten Referenzgeschwindigkeit möglich ist. Das in der Berechnungseinheit 42 berechnete vorläufige Unterstützungsmoment kann abschließend in der Begrenzungseinheit 44 begrenzt werden. Hierzu wird der Begrenzungseinheit 44 der von der Dämpfungseinheit 40 berechnete Dämpfungsfaktor, die vom dritten Sensor 34 erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit sowie das von der Berechnungseinheit 42 berechnete vorläufige Unterstützungsmoment bereitgestellt.

Die Begrenzungseinheit 44 errechnet anhand der eingehenden Größe eine Begrenzung des vorläufigen Unterstützungsmoment und begrenzt dieses in gewissen Fahrzeugsituationen, sodass sichergestellt ist, dass das vom Motor 26 erzeugte Unterstützungsmoment der Lenkunterstützungseinheit 22 nicht zu einer unsicheren Fahrzeugsituation führen würde. Dabei gehen insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit und das Verhalten des Fahrers ein.

Der elektrische Motor 26 kann ein separater Motor sein, der lediglich zur aktiven Rückstellung des Lenkelements 12 vorgesehen ist. Alternativ kann der Motor 26 derjenige Motor sein, der auch das Betätigungselement 18 während eines Lenkvorgangs verstellt. Dies ist abhängig von der Art der Lenkvorrichtung 10. Handelt es sich beispielsweise um eine„Steer-by-wire"-Lenkvorrichtung, die keine mechanische Verbindung zwischen Lenkelement 12 und Betätigungselement 18 hat, so sind zwei separate Motoren vorgesehen. Ist die Lenkvorrichtung dagegen eine elektronisch unterstützte Lenkvorrichtung, die eine mechanische Verbindung aufweisen kann, so kann insgesamt nur ein Motor vorgesehen sein.

Mit der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung 10 sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Lenkvorrichtung ist sichergestellt, dass das Unterstützungsmoment der elektronischen Lenkunterstützungseinheit 22 unabhängig von der Fahrzeugtopologie bestimmt werden kann, sodass ein sicherer Fahrzeugbetrieb sowie eine aktive Rückstellung des Lenkelements 12 garantiert ist.