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DE3804587A1 - Zusatzlenkung - Google Patents

Zusatzlenkung

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DE3804587A1
DE3804587A1 DE3804587A DE3804587A DE3804587A1 DE 3804587 A1 DE3804587 A1 DE 3804587A1 DE 3804587 A DE3804587 A DE 3804587A DE 3804587 A DE3804587 A DE 3804587A DE 3804587 A1 DE3804587 A1 DE 3804587A1
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    • B62D7/14—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering
    • B62D7/15—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels
    • B62D7/159—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels characterised by computing methods or stabilisation processes or systems, e.g. responding to yaw rate, lateral wind, load, road condition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2260/00—Interaction of vehicle brake system with other systems
    • B60T2260/02—Active Steering, Steer-by-Wire
    • B60T2260/022—Rear-wheel steering; Four-wheel steering

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zusatzlenkung, insbesondere eine Hinterradzusatzlenkung, für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Stellvorrichtung, welche die Lenkräder bzw. die lenkbaren Hinterräder in Abhängigkeit von einer mit der Längsgeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Giergeschwindigkeit korrelierten Größe im Sinne einer Stabilisierung des Fahrzeuges auslenkt.
Aus der DE-OS 33 00 640 ist eine entsprechende Zusatzlenkung bekannt. Diese Zusatzlenkung soll bereits während der reaktionslosen Zeit des Fahrers die Störbewegungen des Fahrzeuges ausgleichen.
Zwar wird in der DE-OS 33 00 640 ganz alllgemein darauf hingewiesen, daß die Steuerung der Zusatzlenkung in Abhängigkeit von der Längsgeschwindigkeit, der Querbeschleunigung und/oder der Giergeschwindigkeit erfolgen kann. Jedoch wird in dieser Druckschrift keine genaue Anweisung gegeben, wie instabile Fahrzustände, die zu Schleuderbewegungen führen können, rechtzeitig erkannt und in optimaler Weise durch die Zusatzlenkung stabilisiert werden sollten.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zusatzlenkung zu schaffen, welche in besonderem Maße geeignet ist, bei erhöhter Schleudergefahr eine besonders wirksame Stabilisierung des Fahrzeuges zu erreichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stellvorrichtung die Lenk- bzw. Hinterräder in Abhängigkeit von der Quergeschwindigkeitsänderung oder einer damit korrelierten Größe in einem der Quergeschwindigkeitsänderung tendenziell entgegenwirkendem Sinne auslenkt. Dabei wird unter der Quergeschwindigkeitsänderung y verstanden:
wobei a y die Querbeschleunigung, v x die Längsgeschwindigkeit und die Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges darstellen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für den Beginn von Schleuderbewegungen eines Fahrzeuges ein schnelles Anwachsen der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges charakteristisch ist. Dementsprechend besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, beim Auftreten von Quergeschwindigkeitsänderungen mit den Lenkrädern, insbesondere den Hinterrädern, gegenzulenken und damit den beginnenden Eindrehvorgang des Fahrzeuges zu verhindern bzw. zumindest zu verlangsamen. Die Zusatzlenkung wird immer dann wirksam, wenn Quergeschwindigkeitsänderungen auftreten. Sobald sich die Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges nicht mehr ändert, wird der durch die Zusatzlenkung bewirkte Lenkeinschlag wiederum zurückgenommen, so daß der zum Ausregeln kritischer Fahrzustände vorhandene Lenkbereich der Zusatzlenkung wieder vollständig für neue kritische Situationen zur Verfügung steht. Gleichzeitig wird damit der Vorteil erzielt, daß das Fahrverhalten bei stationären Fahrzuständen gegenüber einem Fahrzeug ohne Zusatzlenkung unverändert bleibt.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, daß die Auslenkung der Lenk- bzw. Hinterräder von der Quergeschwindigkeitsänderung sowie der zeitlichen Veränderung bzw. Veränderungsgeschwindigkeit der Quergeschwindigkeitsänderung abhängt.
Des weiteren kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Fahrgeschwindigkeit und manuell eingestelltem Lenkausschlag ein Sollwert für die Quergeschwindigkeitsänderung des Fahrzeuges bestimmt und mit dem jeweiligen Istwert verglichen werden, wobei die Stellvorrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert arbeitet. Bei dieser Ausführungsform ist gewährleistet, daß sich das Fahrverhalten gegenüber einem Fahrzeug ohne Zusatzlenkung in unkritischen Situationen nicht verändert. Dementsprechend benötigt der Fahrer keine längere Eingewöhnungszeit beim Umstieg auf ein Fahrzeug mit Zusatzlenkung, denn dieselbe wird nur in kritischen Situationen im Sinne einer automatischen Stabilisierung des Fahrzeuges und damit im Sinne einer Erleichterung der Beherrschung des Fahrzeuges wirksam.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf ein Fahrzeug zur Erläuterung verschiedener Größen,
Fig. 2 verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Fahrverhaltens mit und ohne Zusatzlenkung und
Fig. 3 die Regelung einer Hinterradzusatzlenkung.
Das in Fig. 1 schematisch in Draufsicht dargestellte Fahrzeug besitzt lenkbare Vorderräder 1 und 2 sowie lenkbare Hinterräder 3 und 4. Dabei sind die Vorderräder 1 und 2 um einen Winkel δ VA eingeschlagen, während der Radeinschlag der Hinterräder δ HA beträgt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Fig. 1 die Radeinschläge auf der rechten Fahrzeugseite gleich groß wie auf der linken Fahrzeugseite. Im Hinblick auf eine exakte Lenkgeometrie, bei der sich die Achsen aller Räder bei schlupffreier Fahrt im Kurvenzentrum schneiden sollen, sind die Radeinschläge der Räder auf der Kurvenaußenseite tatsächlich etwas geringer als die Radeinschläge der Räder auf der Kurveninnenseite. Dies braucht jedoch im vorliegenden Falle nicht berücksichtigt zu werden, weil eine entsprechend unterschiedliche Einstellung der Radeinschläge aufgrund der Kinematik des Lenkungsgetriebes bzw. -gestänges zwangsläufig erfolgt. Die in Fig. 1 angegebenen Winkel δ HA und δ VA können daher als Mittelwerte der Radeinschläge der Vorderräder bzw. Hinterräder angesehen werden.
Der Radstand, d. h. der Abstand von Vorder- und Hinterachse in Fahrzeuglängsrichtung ist mit l bezeichnet. Der Abstand des Fahrzeugschwerpunktes S p in Fahrzeuglängsrichtung von der Hinterachse beträgt l H .
Mit x₀, y₀ ist ein stationäres, d. h. bodenfestes, Koordinatensystem bezeichnet, während x, y ein fahrzeugfestes Koordinatensystem mit Ursprung im Fahrzeugschwerpunkt S p bilden.
Der Schwerpunkt S p möge sich entsprechend dem Vektor bewegen, d. h. in einer Richtung, welche von derjenigen Bahn, in die die Räder 1 bis 4 das Fahrzeug zu bringen suchen, abweicht. Dabei tritt zwischen der Richtung der Geschwindigkeit und der Längsachse des Fahrzeuges der Schwimmwinkel β auf.
In Richtung der Fahrzeugquerachse bzw. in Richtung der Fahrzeuglängsachse besitzt die Geschwindigkeit die Komponenten v y und v x .
Falls sich die Geschwindigkeit ändert, so treten Längs- und Quergeschwindigkeitsänderungen x und y sowie Längs- und Querbeschleunigungen a x und a y auf. Außerdem kann sich das Fahrzeug gegebenenfalls mit einer Giergeschwindigkeit um seine Hochachse drehen, wodurch die Längs- und Quergeschwindigkeitsänderungen sowie die Längs- und Querbeschleunigungen ebenfalls beeinflußt werden können.
Wenn Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeuges vernachlässigt werden gilt:
Aufgrund der Drehbewegung des Fahrzeuges um seine Hochachse ist die Quergeschwindigkeitsänderung y also nicht identisch mit der Querbeschleunigung a y .
Gemäß Fig. 3 wird der Lenkeinschlag δ HA der Hinterräder mittels eines Reglers gesteuert, während der Fahrer den Lenkeinschlag δ VA der Vorderräder bestimmt bzw. verändert. Im übrigen wirken auf das Fahrzeug durch Fahrbahn- und Windeinflüsse od. dgl. hervorgerufene Störkräfte K s ein. Aufgrund der genannten Lenkeinschläge und Störkräfte stellen sich zeitlich verändernde Istwerte für die Querbeschleunigung (a y,ist ), die Giergeschwindigkeit ( ist ) usw. sowie die Quergeschwindigkeitsänderung ( y,ist ) ein. Nunmehr wird der Istwert y,ist der Quergeschwindigkeitsänderung mit dem jeweiligen Sollwert y,soll verglichen, um die Regelabweichung Δ y zu bestimmen. Sodann bewirkt der Regler eine entsprechende Änderung des Lenkeinschlages der Hinterräder.
Dabei stellt der Regler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zu einem Zeitpunkt t jeweils folgenden Lenkeinschlag δ HA (t) ein:
wobei
Δ y = y,ist - y,soll
und
T H ein vorgegebenes Zeitintervall und
K p , K D , K s vorgegebene Konstanten sind.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann y,soll = 0 gesetzt werden.
Statt dessen ist es auch möglich und im Hinblick auf ein leicht beherrschbares Fahrverhalten vorteilhaft, für y,soll den Wert zu ermitteln und einzusetzen, welcher sich aufgrund der jeweiligen Fahr- bzw. Längsgeschwindigkeit v x des Fahrzeuges sowie der Lenkeinschläge δ VA der Vorderräder (und gegebenenfalls auch der Lenkeinschläge δ HA der Hinterräder) sowie der zeitlichen Änderung dieser Größen bei quer schlupffreier Fahrt, d. h. bei Rollbedingung, ergeben würde.
Gemäß der obigen Gleichung wird der Lenkeinschlag w HA der Hinterräder durch insgesamt drei Terme bestimmt, und zwar durch einen Proportional-Anteil (erster Term), einen Differential-Anteil (zweiter Term) sowie einen Integral- Anteil (dritter Term). Der Lenkeinschlag wird dabei in der Regel hauptsächlich durch den Proportional-Anteil bestimmt. Der Differential-Anteil bewirkt bei Beginn von Schleuderbewegungen, wenn die Quergeschwindigkeitsänderung zeitlich nicht konstant bleibt, einen zusätzlichen Lenkeinschlag.
Der Integral-Anteil bewirkt einen weiteren zusätzlichen Lenkeinschlag, wenn eine beginnende Schleuderbewegung durch einen Lenkeinschlag, welcher der Summe aus Proportional- und Differential-Anteil entspricht, noch nicht ganz verhindert werden kann oder wenn sich das Fahrzeug mit relativ kleiner Quergeschwindigkeitsänderung um seine Hochachse dreht, beispielsweise auf Schnee oder sonstiger glatter Fahrbahn. Da die Integration beim Integral-Anteil jeweils nur über ein Zeitintervall (T H ) erfolgt, welches dem jeweiligen Zeitpunkt (t) unmittelbar vorausgeht, ist gewährleistet, daß der Integral-Anteil bei stationärer Kreisfahrt, d. h. wenn y = 0 gilt, auf den Wert Null absinkt.
Da auch die Proportional- und Differential-Anteile bei stationären Fahrzuständen, d. h. bei y = 0, den Wert Null haben, ist gewährleistet, daß die Zusatzlenkung in ihre Geradeaus-Stellung zurückgestellt wird und sich das Fahrverhalten nicht von einem Fahrzeug ohne Zusatzlenkung unterscheidet, wenn ein stationärer Fahrzustand vorliegt.
Die optimalen Werte für die Parameter K p , K D , K J und T H werden bevorzugt in Fahrversuchen ermittelt und festgelegt. Da erfindungsgemäß die Lenkeinschläge der Zusatzlenkung geregelt und nicht nur gesteuert werden, können für die genannten Parameter ohne weiteres Konstanten vorgegeben werden. Wenn sich beispielsweise die Fahrumstände ändern, beispielsweise statt trockener eine verschneite oder vereiste Fahrbahn, so ändert sich zwangsläufig auch der Quergeschwindigkeitsverlauf bei Fahrmanövern bzw. Reaktionen des Fahrzeuges auf Störeinflüsse. Aufgrund des geänderten Quergeschwindigkeitsverlaufes werden dann die geänderten Fahrumstände von der Regelung indirekt erfaßt und berücksichtigt.
Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, mittels zusätzlicher Sensoren zumindest einen Teil der Fahrumstände, beispielsweise den Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahn, zumindest indirekt zu erfassen und zu berücksichtigen, indem die genannten Parameter abgeändert werden.
In Fig. 2 ist das Fahrverhalten eines Fahrzeuges ohne Zusatzlenkung dem Fahrverhalten eines Fahrzeuges mit Zusatzlenkung gegenübergestellt. Dabei wird von einer verschneiten Fahrbahn und dementsprechend von einem geringen Reibwert zwischen Fahrbahn und Reifen ausgegangen, der Reibwert liegt beispielsweise bei µ = 0,3. Gemäß Fig. 2a wird das Lenkrad sinusförmig zu einer Seite hin ausgelenkt und wieder zurückgestellt in die Geradeaus-Stellung. Gemäß den strichlierten Kurven in den Fig. 2b und 2c führt dieses Lenkmanöver bei einem Fahrzeug ohne Zusatzlenkung zu einer ausgeprägten Schleuderbewegung, wobei eine hohe Giergeschwindigkeit auftritt und auch nach Beendigung des Lenkmanövers aufrechterhalten bleibt, d. h. das Fahrzeug dreht sich um seine Hochachse. Darüber hinaus wächst der Schwimmwinkel, d. h. der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ständig an. Bei dem Fahrzeug mit Zusatzlenkung tritt dagegen ein völlig anderes und sehr stabiles Fahrverhalten auf, wie durch die mit durchgezogenen Linien dargestellten Kurven in den Fig. 2b und 2c wiedergegeben wird. Nach Beendigung des Lenkmanövers haben die Giergeschwindigkeit sowie der Schwimmwinkel sehr geringe und tendenziell abnehmende Werte, eine gefährliche Schleuderbewegung wurde also verhindert.
Die erfindungsgemäße Zusatzlenkung ist zweckmäßig mit einem Antiblockiersystem für die Betriebsbremse des Fahrzeuges sowie einem Antriebsschlupfregelsystem kombiniert. Damit wird gewährleistet, daß weder beim Beschleunigen noch beim Bremsen des Fahrzeuges ein übermäßiger Längsschlupf der Räder auftreten und zu einem Verlust der Seitenführungskraft der Räder führen kann. Die Zusatzlenkung kann deshalb auch bei Brems- und Beschleunigungsmanövern ihre volle Wirksamkeit erreichen.
Durch die Zusatzlenkung werden insbesondere solche Schleuderbewegungen verhindert bzw. abgemildert, die beispielsweise
  • - bei Kreisfahrt auf unebener Fahrbahn durch Seitenkraftverlust aufgrund übergroßer Radlastschwankungen, z. B. bei defekten Stoßdämpfern,
  • - durch schnelles Lenkmanöver, um z. B. einem Hindernis auszuweichen,
  • - durch Schwankung des Reibwertes der Fahrbahn (trockene bzw. vereiste bzw. verschneite Fahrbahn)
verursacht werden.

Claims (7)

1. Zusatzlenkung, insbesondere Hinterradzusatzlenkung, für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Stellvorrichtung, welche die Lenkräder, insbesondere die Hinterräder, in Abhängigkeit von einer mit der Längsgeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Giergeschwindigkeit korrelierten Größe im Sinne einer Stabilisierung des Fahrzeuges auslenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (Regler) die Lenk- bzw. Hinterräder (3, 4) in Abhängigkeit von der Quergeschwindigkeitsänderung oder einer damit korrelierten Größe auslenkt.
2. Zusatzlenkung, insbesondere Hinterradzusatzlenkung, für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Stellvorrichtung, welche die Lenkräder, insbesondere die Hinterräder, in Abhängigkeit von einer mit der Längsgeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Giergeschwindigkeit korrelierten Größe im Sinne einer Stabilisierung des Fahrzeuges auslenkt, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung der Lenk- bzw. Hinterräder (3, 4) von der Quergeschwindigkeitsänderung sowie der zeitlichen Veränderung bzw. Veränderungsgeschwindigkeit der Quergeschwindigkeitsänderung abhängt.
3. Zusatzlenkung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus Fahrgeschwindigkeit und manuell eingestelltem Lenkausschlag od. dgl. Sollwerte der Quergeschwindigkeitsänderung ermittelt und mit den jeweiligen Istwerten verglichen werden, z. B. mittels Rechners, und daß die Stellvorrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwerten arbeitet.
4. Zusatzlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Sensoren zur direkten bzw. indirekten Messung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn angeordnet sind und die Proportionalität zwischen dem Stellwert der Zusatzlenkung und der korrelierten Größe beeinflussen.
5. Zusatzlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkbewegungen der Zusatzlenkung unabhängig vom momentanen Lenkwinkel der Vorderräder bzw. der Lenkaktivität eines Fahrers erfolgen.
6. Zusatzlenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zusatzlenkung bewirkte Lenkausschlag, insbesondere der Lenkwinkel der Hinterräder (δ HA ), wie folgt, z. B. mittels Rechners, ermittelt wird: wobeiΔ y = y,ist - y,soll undT H ein vorgegebenes Zeitintervall,
K p , K D , K s vorgegebene Konstanten,
t die Zeit,
y die Quergeschwindigkeitsänderung,
y,ist der Istwert der Quergeschwindigkeitsänderung,
y,soll der Sollwert der Quergeschwindigkeitsänderung und
τ eine zeitliche Variable sind.
7. Zusatzlenkung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Quergeschwindigkeitsänderung ( y,soll ) wie folgt, z. B. mittels Rechners, bestimmt wird: wobeiv x , x die Längsgeschwindigkeit bzw. die Längsgeschwindigkeitsänderung,
l H der Abstand zwischen Fahrzeughinterachse und Fahrzeugschwerpunkt (S p ),
l der Radstand des Fahrzeuges und
δ VA , VA der Lenkeinschlag bzw. die Lenkeinschlagsänderung der Vorderräder (3, 4) sind.
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