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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrohydraulischen Servolenksystems, wobei das Servolenksystem eine Hydraulikpumpe aufweist, welche einen Hydraulikdruck zur Bereitstellung einer Lenkunterstützung generiert, sowie einen Elektromotor, welcher an ein elektrisches Bordnetz angeschlossen ist und die Hydraulikpumpe antreibt.
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Zentraler Bestandteil eines derartigen elektrohydraulischen Servolenksystems zur Bereitstellung einer Lenkunterstützungskraft für den Fahrer eines Fahrzeugs ist in der Regel ein Servoventil. Ein Beispiel für ein solches Servolenksystem findet sich in der
EP 0 551 619 B1 . Die mit einem Lenkrad verbundene Eingangswelle und die mit einem Lenkgetriebe verbundene Steuerhülse des Servoventils sind dabei jeweils mit Steuernuten versehen, mittels denen ein Hydraulikstrom durch das Servoventil gesteuert werden kann. In einem Ausgangszustand, in welchem sich die Eingangswelle und die Steuerhülse relativ zueinander in der hydraulischen Mittenposition befinden, wird ein von einer Pumpe bereitgestellter Hydraulikstrom gleichmäßig auf zwei Ausgänge des Servoventils verteilt. Wenn die Eingangswelle relativ zur Steuerhülse in einer Richtung verdreht ist, wird einer der Ausgänge mit einem größeren Anteil des Hydraulikstroms versorgt. Der Hydraulikstrom kann beispielsweise zu einer Seite eines Hydraulikzylinders geführt werden, so daß eine Lenkunterstützungskraft in einer ersten Richtung erzeugt wird. Wenn die Eingangswelle relativ zur Steuerhülse in der entgegengesetzten Richtung verdreht ist, wird auch die Lenkunterstützungskraft in der entgegengesetzten Richtung erzeugt.
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Bei modernen Fahrzeugen werden zunehmend Lenksysteme eingesetzt, deren Lenkunterstützungskraft von vorbestimmten Parametern wie z.B. der Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt. Aus Energiespargründen wird in diesen Fällen die Drehzahl eines Elektromotors, der die Pumpe antreibt, an die gewünschte Lenkunterstützungskraft angepasst. Dies kann dazu führen, dass der Elektromotor z.B. bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten und/oder plötzlichen Lenkeinschlägen des Fahrers seine Drehzahl rasch hochfahren muss und dadurch das elektrische Bordnetz stark belastet.
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In einigen Fällen kann es dazu kommen, dass die Bordnetzspannung aufgrund dieses plötzlichen, hohen Energiebedarfs unter eine Schutzspannung fällt, ab welcher der Elektromotor des Servolenksystems automatisch abgeschaltet wird. Infolge dieser Motorabschaltung steigt die Spannung im Bordnetz wieder über einen Schwellenwert, ab dem der Elektromotor erneut eingeschaltet wird. Daraufhin sinkt die Bordnetzspannung unter Umständen abermals unter die Schutzspannung, so dass der Elektromotor abgeschaltet wird. Insgesamt kann dabei eine Situation entstehen, in welcher der Elektromotor des Servolenksystems ständig an- und abgeschaltet wird und somit im ständigen Wechsel eine Lenkunterstützungskraft bereitstellt bzw. keine Lenkunterstützungskraft bereitstellt. Der Fahrer spürt in diesem Fall ein unerwünschtes „Ruckeln“ der Lenkung.
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Um dem Fahrer eine fehlende Lenkunterstützung, also ein ausgeschaltetes Servolenksystem, zu signalisieren sind im Stand der Technik Warnleuchten bekannt. Die
DE 10 2006 043 242 A1 offenbart ein elektrohydraulisches Servolenkvsystem mit einem Elektromotor, welcher an ein elektrisches Bordnetz angeschlossen ist, einer Hydraulikpumpe zur Generierung einer Lenkunterstützung und einer Steuereinheit, die eine Warnleuchte anschaltet, falls das Servolenksystem das Lenken nicht unterstützt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrohydraulisches Servolenksystem so zu betreiben, dass auch bei schwacher oder instabiler Bordnetzspannung eine definierte Lenkunterstützung bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines elektrohydraulischen Servolenksystems, welches eine Hydraulikpumpe, die einen Hydraulikdruck zur Bereitstellung der Lenkunterstützung generiert, sowie einen Elektromotor aufweist, der an ein elektrisches Bordnetz angeschlossen ist und die Hydraulikpumpe antreibt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Vorgeben einer Notlaufbedingung für eine Bordnetzspannung;
- b) Kontinuierliches Messen einer Bordnetzspannung; und
- c) falls die vorhandene Bordnetzspannung die Notlaufbedingung erfüllt:
- Aktivieren einer Notlaufsteuerung für den Elektromotor, um eine definierte Lenkunterstützung bei schwacher oder instabiler Bordnetzspannung aufrechtzuerhalten.
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Diese sogenannte Notlaufsteuerung schafft dabei in einfacher Art und Weise eine Betriebsstufe des Servolenksystems, die zwischen dem Normalbetrieb und einer kompletten Abschaltung des Servolenksystems liegt. In dieser Betriebsstufe stellt das Servolenksystem kontinuierlich eine definierte Lenkunterstützung bereit, so dass kein unerwünschtes „Ruckeln“ in der Lenkung entsteht. Dass hierbei die Lenkunterstützung in einigen Fahrsituationen etwas unterhalb des Optimums liegen kann, wird vom Fahrer in der Regel kaum wahrgenommen. Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt sich dahingehend aus, dass der Fahrer die Auswirkungen eines schwachen oder instabilen Bordnetzes auf das Lenkungsverhalten des Fahrzeugs kaum oder bestenfalls gar nicht spürt.
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Da die Ansteuerung des elektrohydraulischen Servolenksystems in Abhängigkeit von der Lenkwinkelgeschwindigkeit zu einer besonders hohen Belastung des Bordnetzes führen kann, kann die Motordrehzahl des Elektromotors in einer bevorzugten Ausführungsform bei deaktivierter Notlaufsteuerung abhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit und bei aktivierter Notlaufsteuerung unabhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit sein.
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Darüber hinaus kann durch die Aktivierung der Notlaufsteuerung vorzugsweise eine Obergrenze für die Motordrehzahl des Elektromotors festgelegt sein, welche unterhalb einer technisch maximal erreichbaren Motordrehzahl bei deaktivierter Notlaufsteuerung liegt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann bei aktivierter Notlaufsteuerung die Motordrehzahl des Elektromotors auf einen konstanten vorbestimmten Wert eingestellt werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei instabiler Bordnetzspannung eine stets gleichmäßige Lenkhilfeunterstützung für den Fahrer bereitgestellt wird, wodurch ein störendes „Ruckeln“ im Lenkgetriebe vermieden wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Notlaufsteuerung solange aktiviert bleiben, wie der Fahrtzyklus, innerhalb dessen die Aktivierung der Notlaufsteuerung vorgenommen wurde, andauert. Dies bedeutet, dass die Aktivierung der Notlaufsteuerung erst bei Ausschalten der Zündung bzw. beim Ausschalten des Fahrzeugmotors beendet wird, wobei beim erneuten Starten des Fahrzeugmotors die Notlaufsteuerung dann zunächst deaktiviert ist. Ein erneutes Aktivieren der Notlaufsteuerung erfolgt im Fahrtbetrieb nur dann, wenn die Bordnetzspannung wieder die Notlaufbedingung erfüllt.
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In einer alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Notlaufsteuerung, nachdem sie im Fahrtbetrieb zum ersten Mal aktiviert worden ist, nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne automatisch wieder deaktiviert werden. Dies hat zur Folge, dass dann wieder eine vollständige Lenkhilfeunterstützung für den Fahrer zur Verfügung steht, da die Motordrehzahl des Elektromotors über den vorbestimmten konstanten Drehzahlwert, der ansonsten für die Notlaufsteuerung charakteristisch ist, ansteigen kann. Weiter optional kann ein solches Zurückkehren zum bzw. in den Normalbetrieb des Servolenksystems, bzw. ein Deaktivieren der Notlaufsteuerung, dann erfolgen, wenn die Bordnetzspannung eine Umschaltbedingung erfüllt. Diese Umschaltbedingung ist z.B. dann erfüllt, wenn die Bordnetzspannung im Wesentlichen stabil bleibt und damit keinen signifikanten Schwankungen unterliegt. In gleicher Weise kann die Umschaltbedingung dann erfüllt sein, wenn ein überlagerter Wechselspannungsanteil der Bordnetzspannung einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, was die Stabilität der Bordnetzspannung kennzeichnet. Entsprechend ist eine Deaktivierung der Notlaufsteuerung und eine Rückkehr in den Normalbetrieb des Servolenksystems möglich.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Verfahrensvariante unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 die Prinzipskizze eines elektrohydraulischen Servolenksystems, das gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird; und
- - 2 ein Diagramm, in dem die Bordnetzspannung, die Motordrehzahl und eine Lenkwinkelgeschwindigkeit als Funktion der Zeit aufgetragen sind.
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Die 1 zeigt schematisch das Schaltbild eines Servolenksystems 8. Im mechanischen Teil des Lenksystems wird an einem Lenkrad 10 ein Lenkmoment M aufgebracht, welches über ein Lenkgestänge 12, ein Servoventil 13 und ein Ritzel 14 weitergeleitet und als Kraft F in eine Zahnstange 16 eingeleitet wird. Die Kraft F wird über die Zahnstange 16 schließlich an nicht dargestellte, lenkbare Räder eines Fahrzeugs übertragen, die eine entsprechende Lenkbewegung ausführen.
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Mit der Zahnstange 16 ist eine Zylinder/Kolben-Einheit 18 gekoppelt, die an einen Hydraulikkreislauf 19 angeschlossen ist und für eine hydraulische Lenkunterstützung sorgt.
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Der Hydraulikkreislauf 19 umfasst eine Hydraulikpumpe 20, welche einen Hydraulikdruck zur Bereitstellung der Lenkunterstützung erzeugt, einen Elektromotor 22, der die Hydraulikpumpe 20 antreibt, sowie das Servoventil 13, das die hydraulische Lenkunterstützungskraft reguliert.
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Der Elektromotor 22 ist an ein elektrisches Bordnetz 24 eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs angeschlossen und wird über eine elektronische Steuereinheit 26 angesteuert. Neben dem Elektromotor 22 für das elektrohydraulische Servolenksystem 8 sind an das Bordnetz 24 weitere Verbraucher 28, wie z.B. eine Heckscheibenheizung, ein Scheibenwischermotor oder ähnliches angeschlossen. Außerdem umfasst das Bordnetz 24 einen Spannungsmesser 30, mit dem eine vorhandene Bordnetzspannung U kontinuierlich gemessen wird.
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An die elektronische Steuereinheit 26 sind u.a. ein Spannungsmesser 30 sowie weitere Sensoren 32, 34 angeschlossen. Gemäß 1 bestehen diese weiteren Sensoren 32, 34 aus einem Sensor zur Bestimmung der Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ und aus einem Sensor zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit vF.
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Das Bordnetz 24 wird in der Regel durch eine Lichtmaschine (nicht gezeigt) des Fahrzeugs sowie eine Fahrzeugbatterie (nicht gezeigt) mit elektrischer Energie versorgt. Die Fahrzeugbatterie übernimmt dabei die Funktion eines Energiepuffers, der bei schwankenden Belastungen des Bordnetzes 24 durch die Verbraucher 22, 28 für eine möglichst konstante Stromversorgung bzw. Bordnetzspannung U sorgt. Insbesondere bei schwacher Fahrzeugbatterie oder einem unterbrochenen Kontakt zur Fahrzeugbatterie kann die Bordnetzspannung U beim plötzlichen Hochfahren eines so großen Verbrauchers wie dem Elektromotor 22 des Servolenksystems 8 Schwankungen unterliegen, so dass die Bordnetzspannung U nicht konstant ist. Falls solche Schwankungen der Bordnetzspannung U eine vorbestimmte sogenannte Notlaufbedingung erfüllen, so wird das Servolenksystem 8 durch das erfindungsgemäße Verfahren betrieben, was nachstehend unter Bezugnahme auf 2 im Detail erläutert ist.
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Die 2 zeigt ein Diagramm, in dem verschiedene Parameter über der Zeit t aufgetragen sind. Es versteht sich, dass die nachstehend genannten Werte für diese verschiedenen Parameter und auch die zugehörigen Zeitpunkte bzw. Zeitspannen rein beispielhaft sind und beliebige andere Werte annehmen könnten, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Der Verlauf der Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ ist in einer Kurve 36 dargestellt, wobei der Kurvenverlauf ab einer Zeit t0 ≈ 1,08 s auf periodische Lenkbewegungen hinweist.
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In einer Kurve 38 wird die Motordrehzahl vM des Elektromotors 22 über der Zeit t wiedergegeben. Infolge der plötzlich einsetzenden Lenkbewegung bei to ≈ 1,08 s steigt die Motordrehzahl vM von einem nahezu konstanten Wert (ca. 2.300 U/min) rasch auf einen Drehzahlwert von etwa 4.800 U/min an. Hierbei hat der damit verbundene, stark erhöhte Energiebedarf des Elektromotors 22 einen erheblichen Einfluss auf die Bordnetzspannung U.
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Die Bordnetzspannung U ist in einer Kurve 40 über der Zeit t aufgetragen. Im Normalbetrieb liegt die Bordnetzspannung U etwa zwischen 12 V und 16 V, gemäß 2 etwa bei 14 V. Falls eine Lenkbewegung plötzlich einsetzt, dann sinkt die Bordnetzspannung U infolge der abrupt zunehmenden Motordrehzahl vM des Elektromotors 22 und seines damit einhergehenden, stark erhöhten Energiebedarfs bei t ≈ 1,08 s bis auf einen Wert von ca. 6 V ab. Sobald die Bordnetzspannung U jedoch unter eine vorgegebene Schwellenspannung US fällt, setzt automatisch eine Unterspannungsschutzfunktion des Elektromotors 22 ein, die den Elektromotor 22 abschaltet. Die vorgegebene Schwellenspannung US beträgt dabei in der Regel höchstens 10 V, vorzugsweise etwa 9 V.
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Durch die Abschaltung des Elektromotors 22 sinkt dessen Motordrehzahl vM auf etwa 0 U/min ab und die Bordnetzspannung U steigt aufgrund des weggefallenen Verbrauchers in Form des Elektromotors 22 wieder an. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Bordnetzspannung (beispielsweise bei etwa 10 oder 11 V) wird die Spannung als ausreichend angesehen, um den Elektromotor 22 wieder zu betreiben. Beim Hochfahren des Elektromotors 22 bzw. seiner Motordrehzahl vM sinkt jedoch die Bordnetzspannung U wieder unter die vorgegebene Schwellenspannung Us, woraufhin der Elektromotor 22 wiederum abgeschaltet wird, usw.
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Dieses ständige Wechselspiel zwischen Ein- und Ausschalten des Elektromotors 22 führt zu einem unerwünschten „Ruckeln“ der Lenkung. Um dies zu unterbinden, wird in der elektronischen Steuereinheit 26 (vgl. 1) eine Notlaufbedingung für die Bordnetzspannung U vorgegeben. Die Notlaufbedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn die Bordnetzspannung U innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne Δt wenigstens einmal unter die vorbestimmte Schwellenspannung Us fällt.
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Falls die Bordnetzspannung U, die sich beim Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs einstellt, die Notlaufbedingung erfüllt, wird eine Notlaufsteuerung für den Elektromotor 22 aktiviert, um eine definierte Lenkunterstützung bei schwacher oder instabiler Bordnetzspannung U aufrecht zu erhalten. Diese Notlaufbedingung ist z.B. dann erfüllt, wenn die Bordnetzspannung U innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne Δt wenigstens einmal unter eine vorgegebene Schwellenspannung Us abfällt.
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Um eine Fehlauslösung der Notlaufsteuerung für den Elektromotor 22 zu vermeiden, ist die Notlaufbedingung in einer bevorzugten Ausführungsvariante erst dann erfüllt, wenn die Bordnetzspannung U innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne Δt mehrmals, im vorliegenden Fall gemäß 2 wenigstens dreimal unter die vorbestimmte Schwellenspannung US fällt.
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Die vorbestimmte Zeitspanne Δt beträgt vorzugsweise weniger als eine Sekunde, im vorliegenden Fall gemäß 2 weniger als etwa 300 ms.
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Durch die Aktivierung der Notlaufsteuerung des Elektromotors 22 wird beispielsweise eine Obergrenze für die Motordrehzahl vM des Elektromotors 22 festgelegt, welche unterhalb einer maximal erreichbaren Motordrehzahl vM bei deaktivierter Notlaufsteuerung liegt. Diese Obergrenze für die Motordrehzahl vM beträgt vorzugsweise zwischen 2.000 U/min und 3.500 U/min.
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Das Diagramm gemäß 2 zeigt eine weitere Kurve 42, welche bei t ≈ 1,2 s von einem konstanten Wert auf einen erhöhten konstanten Wert springt, wobei dieser Versprung eine Aktivierung der Notlaufsteuerung symbolisieren soll. Zum Zeitpunkt von t = 1,2 s hat die Bordnetzspannung U innerhalb von 300 ms dreimal die vorbestimmte Schwellenspannung von Us = 9V unterschritten, so dass die Notlaufbedingung erfüllt ist und entsprechend die Notlaufsteuerung für den Elektromotor 22 aktiviert wird. Im vorliegenden Fall wird die Motordrehzahl vM durch die Aktivierung der Notlaufsteuerung bei t = 1,2 s auf einen vorgegebenen, konstanten Drehzahlwert eingestellt, wobei dieser konstante Drehzahlwert gemäß 2 bei etwa 2.000 U/min liegt. Dieser Drehzahlwert stellt sich nach einer kurzen Verzögerung von etwa 0,1 s ab der Aktivierung der Notlaufsteuerung ein. Diese Verzögerung wird durch unvermeidbare und übliche geringfügige Messungenauigkeiten, das Einschwingverhalten der Signale und der Prozeßparameter und durch die Massenträgheit des Rotors des Elektromotors 22 verursacht, wobei sie lediglich eine vernachlässig kleine Zeitspanne beansprucht und deshalb vom Fahrer im Wesentlichen nicht wahrgenommen wird. Das Maß dieser Verzögerung ist zudem vom Antriebsprinzip des jeweils verwendeten Elektromotors 22 abhängig und kann z.B. weiter verringert werden, falls der Motor über eine Positionserkennung seines Rotors verfügt
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Die Kurvenverläufe im Diagramm gemäß 2 machen deutlich, dass die Motordrehzahl vM bei deaktivierter Notlaufsteuerung abhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ und bei aktivierter Notlaufsteuerung unabhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ ist, da die Drehzahländerung bei t ≈ 1,08 s und deaktivierter Notlaufsteuerung erst durch die Lenkbewegungen (vgl. Kurve 36) hervorgerufen wurde. Nach einer Aktivierung der Notlaufsteuerung bei t ≈ 1,2 s stabilisiert sich hingegen die Motordrehzahl vM bei etwa 2.000 U/min, obwohl weitere Lenkbewegungen durchgeführt werden (vgl. Kurve 36).
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In einer Verfahrensvariante kann eine gegebenenfalls vorhandene Abhängigkeit der Motordrehzahl vM von einer Fahrzeuggeschwindigkeit bei aktivierter Notlaufsteuerung weiter erhalten bleiben.
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Analog zur Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ kann die Motordrehzahl vM in einer anderen Verfahrensvariante bei deaktivierter Notlaufsteuerung abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und bei aktivierter Notlaufsteuerung unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit sein.
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Insgesamt werden durch die Notlaufsteuerung Parameter wie z.B. die Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ, welche zu enormen Drehzahlausschlägen führen kann, nicht mehr berücksichtigt und/oder es wird eine Obergrenze für die Motordrehzahl vM des Elektromotors 22 festgelegt, welche unterhalb einer maximal erreichbaren Motordrehzahl vM bei deaktivierter Notlaufsteuerung liegt.
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Bei Servolenksystemen 8 ohne Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor 32 kann die Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ auch als Ableitung des Lenkwinkels φ ermittelt werden. Da der Elektromotor 22 bei einer Lenkbewegung höher belastet wird und somit einen höheren Stromverbrauch aufweist ist es auch möglich, das von der Lenkbewegung bzw. der Lenkwinkelgeschwindigkeit beeinflusste Stromsignal als Ersatzgröße für die Lenkwinkelgeschwindigkeit vφ zu verwenden.
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Im Regelfall, d.h. bei ausreichend groß dimensionierter Lichtmaschine sowie geladener Fahrzeugbatterie, die über eine korrekt ausgeführte elektrische Verbindung ordnungsgemäß angeschlossen ist, wird die Bordnetzspannung U auch bei erheblichen Drehzahländerungen nicht unter die vorgegebene Schwellenspannung von etwa 9 bis 10 V absinken.
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Die in dem oben beschriebenen Verfahren erwähnte Notlaufbedingung für die Bordnetzspannung U wird üblicherweise nur dann erfüllt werden, wenn die Fahrzeugbatterie schwach ist oder der Kontakt zum Bordnetz 24 unzureichend ausgeführt ist oder unterbrochen wurde. In diesem Fall kann es dann zu Einbrüchen der Bordnetzspannung U, wie in 2 gezeigt, kommen. Infolge der Aktivierung der Notlaufsteuerung für den Elektromotor 22 durch die elektronische Steuereinheit 26 wird jedoch eine definierte Lenkunterstützung aufrecht erhalten. Lediglich bei extremen Lenkmanövern wird aufgrund der eingeschränkten Drehzahlsteuerung des Elektromotors 22 keine optimale Lenkunterstützung generiert, was für den Fahrer jedoch kaum spürbar ist.
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Neben dem Vorteil einer definierten Lenkunterstützung gewährleistet die aktivierte Notlaufsteuerung auch ein stabiles Bordnetz 24 für alle anderen Verbraucher 28 im Fahrzeug. Bei Schwankungen in der Bordnetzspannung U wird das Bordnetz 24 zunächst über die geänderte Ansteuerung des Elektromotors 22 als einem der größten Verbraucher so stabilisiert, dass die anderen Verbraucher 28 nicht abgeschaltet werden und somit deren zuverlässige Funktion gewährleistet ist.