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Ein Beitrag zur Optimierung des Rückmelde- und Rückstellverhaltens elektromechanischer Servolenkungen

Lunkeit, Daniel

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst in das Thema der servounterstützten Lenksysteme eingeführt und die mit dem Technologiewandel von hydraulisch zu elektrisch unterstützten Systemen einhergehenden Vor- und Nachteile erklärt. Dabei wird die verminderte Rückmeldung elektromechanischer Lenksysteme als Teil des Lenkgefühls als Thema der Arbeit aufgegriffen. In der einleitenden Literaturrecherche werden die bislang untersuchten Methoden und Möglichkeiten zur Verbesserung der Rückmeldung elektromechanischer Lenksysteme erörtert. Dabei wird herausgestellt, dass rein mechanische Optimierungsmethoden zwar möglich sind, jedoch wegen der Vielzahl an Entwicklungskompromissen schnell an ihre Grenzen stoßen und daher die Regelungstechnik in den Fokus der Optimierungsmöglichkeiten rückt. Zur theoretischen und simulativen Untersuchung der hydraulischen und elektromechanischen Lenksysteme, sowie für den Entwurf der Regelung werden im weiteren Verlauf der Arbeit geeignete Modelle entworfen. Die Validierung der Modelle und ihrer Parameter für den jeweiligen Verwendungszweck wird anhand des Vergleichs von Messdaten und Simulationsprognosen nachgewiesen. In der nachfolgenden theoretischen Systemanalyse werden die rückmeldungsrelevanten Eigenschaften der Systeme und ihre dominanten Beitragsgeber identifiziert. Es zeigt sich, dass durch ein rein strukturelles Umlegen des Regeleingriffspunktes über eine virtuelle Messstelle zwischen Kugelumlaufgetriebe und Zahnstange, ein der hydraulischen Servolenkung ähnliches Rückmeldeverhalten erzeugt werden kann. Auf Basis der entworfenen Modelle werden die bekannten Konzepte der Kennfeldregelung und der Handmomentenregelung sowie das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Konzept der Unterstützungskraftregelung in der Simulation abgebildet und ihre aus der jeweiligen Struktur ableitbaren Eigenschaften diskutiert. Im Anschluss daran werden die unterschiedlichen Konzepte der Kennfeldregelung, der Handmomentenregelung und der Unterstützungskraftregelung anhand ausgesuchter Simulationsergebnisse hinsichtlich ihrer rückmeldungsrelevanten Eigenschaften mit der hydraulischen Servolenkung verglichen. Nachfolgend wird das Konzept der Unterstützungskraftregelung auf ein reales System übertragen und am Prüfstand, sowie im Fahrzeug im Vergleich zu einer Kennfeldregelung vermessen. Die Auswertung der Messdaten zeigte, dass trotz der aus der Praxis stammenden notwendigen Beschränkungen die Potenziale zur Verbesserung der Lenkungsrückmeldung erhalten bleiben. Im Verlauf der Arbeit wird weiterhin aufgezeigt, dass durch geeignete Wahl der Regelstrecke bei Verwendung der gleichen Reglerentwurfsmethodik, sowohl in der Theorie als auch in der Praxis eine signifikante Verbesserung der Rückmeldung elektromechanischer Servolenkungen erzielt werden kann. Als positiver Nebeneffekt führt die strukturell gegebene umfängliche Trägheitskompensation, sowohl im Führungs- als auch im Störgrößenübertragungspfad durch den fahrphysikalisch richtigen Lenkungsrücklauf zur gewünschten Eigenstabilisierung des Fahrzeugs.

In the presented work the overall subject of power steering systems is initially introduced and the technological change from hydraulic to electrical supported systems is discribed. In this context the reduced road feedback of electric power steering systems compared to hydraulic power steering systems is chooses as the main problem to be solved. During the initial literature research known methods and possibilities to improve steering system road feedback are emphesized. It is shown that simple mechanical optimizations are very limited and that a more control oriented approach leads to more promising results. During the work theoretical models of hydraulic and electric power steering models are derived. The models are used for further simulations and the design of closed loop control systems. The validity of the models is proven by comparison of simulation results and measurements. The latter theoretical systems analysis helps to identify the dominant parameters for reduced steering system road feedback. It is shown that due to just structural changes in the control scheme the road feedback can be significantly improved. In fact introducing a virtual measuring point between ball-screw and steering rack helps an electric power steering system to reach almost the feedback characteristics of an hydraulic power steering system. Bases on the derived models known concepts to control an electric power steering sytems are compared with the new approach. In the same context selected simulation results are compared to the simulation behavior of a hydraulic power steering system. Afterwards the new concept is realized on a test bench and in a car using a rapid prototyping system. The measurement results show that the theoretical potentials to improve road feedback are also existing in a real system. A positive side effect is the significant improvement of the steering system supported self aligning characteristics of a car. Finally a brief overview for further technical an academical use of the work is given.

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Lunkeit, Daniel: Ein Beitrag zur Optimierung des Rückmelde- und Rückstellverhaltens elektromechanischer Servolenkungen. 2014.

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