-
Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenksystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruch
1, das mit einer Hilfslenkvorrichtung ausgestattet ist, um das Lenken
eines Fahrzeugs gemäß jedem
gegebenen Zustand optimal zu unterstützen, und insbesondere ein
solches Fahrzeuglenksystem, das bei Fahrzeugen mit Vierradlenkung
anwendbar ist.
-
Bei
einem Fahrzeug mit Vorderradlenkung (2WS: Zweiradlenkung), bei dem
nur die Vorderräder gelenkt
werden, entsteht während
Kurvenfahrt notwendigerweise ein Fahrzeugschwimmwinkel oder Fahrzeugkarosserie-Seitenschlupfwinkel,
aufgrund des Schräglaufwinkels
oder Seitenschlupfwinkels, des Hinterrads. Dies wiederum hat zur
Folge, daß sich
die Fahrzeugkarosserie unter einem Giermoment um ihren Schwerpunkt
dreht. Dies beeinträchtigt
jedoch eine günstige
Drehreaktion des Fahrzeugs und verhindert ferner günstige Ausschwingeigenschaften
des Fahrzeugs nach einer Gierbewegung. Es wurden daher Fahrzeuge
mit Vierradlenkung (4WS) vorgeschlagen, um diese Probleme zu überwinden,
die bei herkömmlichen
Vorderrad-gelenkten Fahrzeugen auftreten. Bei einem Fahrzeug mit
Vierradlenkung werden sowohl die Hinterräder als auch die Vorderräder derart
gelenkt, daß der Schräglaufwinkel
der Hinterräder
aktiv gesteuert wird. Daher wurden in einer großen Anzahl im Handel erhältlicher
Fahrzeuge Vierradlenksysteme eingebaut.
-
In
der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 02-37080 wurde ein
Steuerverfahren für
ein Fahrzeug mit Vierradlenkung vorgeschlagen, welches den Hinterradlenkwinkel
unter Verwendung eines Differentialelements auf der Basis des Hinterrad-Schräglaufwinkels
steuert. Weil jedoch während der
Kurvenfahrt der Schräglaufwinkel
der Hinterräder notwendiger weise
nach innen weist (positiv ist), kann der herkömmliche Ansatz dieser früheren Patentanmeldung
die Stabilität
des Fahrzeugs verbessern, wie in den 4 und 5 gezeigt, wobei sich jedoch
die Fahrzeugreaktion im Hinblick auf die Gierreaktion des Fahrzeugs
zu Beginn der Lenkbetätigung
kaum verbesserte. Dies führte
dazu, daß die
Eigenschaften eines solchen Fahrzeugs mit Vierradlenkung im Hochgeschwindigkeitsbereich
sich nicht signifikant von jenen eines Fahrzeugs mit Vorderradlenkung
unterscheidet.
-
Aus
der
EP 0 812 748 A2 ist
ein Fahrzeuglenksteuersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1
bekannt. Dort wird der Hinterradlenkwinkel so gesteuert, daß der Fahrzeugrumpfschwimmwinkel im
linearen Bereich der dynamischen Eigenschaften der Reifen immer
0 ist. Ferner wird dort unter Verwendung der Fahrzeugschwimmwinkelgeschwindigkeit
das Giermoment berechnet, und daraus das Links-Rechts-Verhältnis der
Reifenlängskräfte, d.h. Bremskräfte oder
Traktionskräfte.
-
Aus
der
US 4,597,462 ist
es ferner bekannt, den Hinterradlenkwinkel nach Maßgabe der
Fahrzeuggeschwindigkeit, der Rollwinkelgeschwindigkeit und der Querbeschleunigung
zu beeinflussen.
-
Aus
der
EP 0 728 644 B1 ist
es ferner bekannt, bei einem Fahrzeug mit Vierradlenkung, den Schlupfwinkel
und die Längskraft
eines Rades des Fahrzeugs durch Steuern des Raddrehmoments zu verändern.
-
Im
Hinblick auf die oben stehenden Probleme ist es Hauptaufgabe der
Erfindung, ein Fahrzeuglenksystem anzugeben, welches in einer frühen Phase
der Lenkbetätigung
eine günstige
Gierreaktion erreichen kann, und während der gesamten Kurvenfahrt
ein hohes Stabilitätsniveau
bietet.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeuglenksystem anzugeben,
welches ein günstiges
Kurvenverhalten bietet, während
es auf einer besonders einfachen Steuer/Regellogik basiert, so daß jederzeit
ein stabiler Betrieb sichergestellt ist.
-
Die
Hauptaufgabe wird durch ein Fahrzeuglenksystem mit den Merkmalen
des Anspruch 1 gelöst
umfassend: eine Hinterradlenkvorrichtung; und eine Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit-Erfassungseinheit
zum Erhalten einer Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit an einer
vor der Hinterachse des Fahrzeugs liegenden Stelle; gekennzeichnet
durch eine Lenksteuer/regeleinheit zur Betätigung der Hinterradlenkvorrichtung derart,
dass ein Betrag der von der Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindig-
keits-Erfassungseinheit erhaltenen Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit
reduziert wird.
-
Wenn
bei dieser Anordnung in einer frühen Phase
der Kurvenfahrt der Fahrzeugseitenschwimmwinkel zunimmt, der in
bezug auf den Drehkreis des Fahrzeugs nach außen weist, oder wenn der nach außen weisende
Fahrzeugseitenschwimmwinkel scharf zunimmt, erzeugt die Hilfslenkvorrichtung
einen Hinterradhilfslenkwinkel, der der Richtung des Vorderradlenkwin kels
entgegengesetzt ist. Hierdurch wird der Fahrzeug-Seitenschwimmwinkel
zumindest teilweise aufgehoben, und die erhöht wiederum das Giermoment
und erzeugt eine scharfe Gierreaktion. Wenn das Fahrzeug weiter
um die Kurve fährt,
erzeugt das erhöhte
Giermoment eventuell eine Tendenz dahingehend, daß das Fahrzeug
schleudert. Dies führt
wiederum zu einer Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit, die
in bezug auf die Tangentiallinie des Drehkreises nach innen weist. Daher
lenkt die Hilfslenkvorrichtung die Hinterräder in der gleichen Phase wie
die Vorderräder,
wodurch die Schleudertendenz des Fahrzeugs ausgeglichen wird. Wenn
das Fahrzeug mit einer stetigen Rate um die Kurve fährt, ohne
daß es
zu einer Änderung
des Fahrzeugseitenschwimmwinkels kommt, lenkt die Hilfslenkvorrichtung
die Hinterräder
nicht, und das Fahrzeug verhält
sich im wesentlichen so, als ob es ein allein Vorderrad-gelenktes
Fahrzeug wäre.
-
Wenn
man den Stellfaktor zur Bestimmung des Hilfslenkwinkelbetrags in
bezug auf die Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit mit zunehmender
Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht,
ist es möglich,
die Gierantwort zu steuern und gleichzeitig die Stabilität in einem
Hochgeschwindigkeitsbereich zu verbessern. In einem niederen bis
mittleren Geschwindigkeitsbereich, in dem Trägheitseinflüsse relativ gering sind, ist
die Hilfslenkung nicht gegenphasig, wodurch ein hoher Grad an Stabilität sichergestellt
ist.
-
Die
Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Hinweis
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Hierin zeigen:
-
1 schematisch
die Gesamtanordnung eines die Erfindung enthaltenden Fahrzeuglenksystems;
-
2 ein
Blockdiagramm der Steuereinheit für das in 1 gezeigte
Hilfs-Hinterradlenksystem;
-
3 in
einer Graphik die Beziehung zwischen dem Rückkopplungsfaktor und der Fahrzeuggeschwindigkeit;
-
4 schematisch
das Verhalten eines Fahrzeugs bei Kurvenfahrt;
-
5 in
einer Graphik die Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit an
verschiedenen Stellen der Fahrzeugkarosserie während einer frühen Phase
der Kurvenfahrt; und
-
6 einen
Satz von Graphiken zum Vergleich der Reaktionen eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs
mit Vierradlenkung mit einem Fahrzeug mit Zweiradlenkung.
-
1 zeigt
schematisch die Gesamtansicht eines Fahrzeuglenksystems, das mit
einer Hilfslenkvorrichtung für
die Hinterräder
ausgestattet ist. Diese Hinterradhilfslenkvorrichtung 1 umfaßt einen
Elektromotor 2, der koaxial an einer Lenkwelle 3 angeordnet ist.
Das Drehmoment, das von dem Elektromotor 2 gemäß einem
von einer Steuereinheit 4 zugeführten Treiberstrom erzeugt
wird, wird in eine Hilfslenkkraft in Form einer auf die sich seitlich
erstreckende Lenkwelle 3 wirkenden Axialkraft über einen
Drehmoment/Axialkraftwandlermechanismus gewandelt, beispielsweise
in Form eines an sich bekannten Kugel-Schraubmechanismus.
-
Die
beiden Enden der Lenkwelle 3 sind mit hinteren Achsschenkeln 6R und 6L über jeweilige Lenkspurstangen 5R und 5L verbunden,
so daß der seitliche
Querversatz der Lenkwelle 3 in den Lenkwinkel der Hinterräder 7R und 7L gewandelt
wird. Die Vorderräder 8R und 8L werden
in herkömmlicher Weise
gelenkt. Insbesondere wird ein an ein Lenkrad 9 angelegtes
Lenkdrehmoment in eine Axialkraft einer Zahnstange einer Vorderradlenkvorrichtung 10 gewandelt,
so daß der
Lenkwinkel der Vorderräder 8R und 8L zum
Drehwinkel des Lenkrads proportional ist.
-
2 zeigt
die funktionelle Anordnung der Steuereinheit 4, die im
wesentlichen aus einer vorprogrammierten zentralen Prozessoreinheit
CPU besteht. Die Steuereinheit 4 für diese Hilfshinterradlenkvorrichtung 1 umfaßt eine
Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit-Berechnungseinheit 11 zum
Berechnen eines Fahrzeugkarosserie-Seitenschwimmwinkels an einer
bestimmten Stelle der Fahrzeugkarosserie, die sich vor der Hinterachse
befindet, eine Hinterrad-Sollenkwinkelberechnungseinheit 12 zum Berechnen
des Lenkwinkels der Hinterräder 7R und 7L gemäß der von
der Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit-Berechnungseinheit 11 zugeführten Seiten-Schwimmwinkelgeschwindigkeit,
sowie eine Hinterradlenkwinkelsteuereinheit 13 zum Steuern/Regeln
des Betriebs der Hinterradlenkvorrichtung 1 gemäß dem von
der Hinterrad-Sollenkwinkelberechnungseinheit 12 zugeführten Lenkwinkelbetrag.
Die Hinterradhilfslenkvorrichtung 1 lenkt dementsprechend
die Hinterräder 7R und 7L.
-
Die
Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit β .x an
einer Stelle der Fahrzeugkarosserie, die um einen Abstand x von
der Vorderachse entfernt ist, kann aus der folgenden Gleichung berechnet
werden: β .x = γ + [(dγ/dt) (x – a)/V] – (αγ/V)wobei
a der Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs
ist, γ die
Gierrate ist und αγ die
Querbeschleunigung ist. In dieser Ausführung empfängt die Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 11 die
notwendigen Daten von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 14,
einem Querbeschleunigungssensor 15, einem Gierratensensor 16 sowie
einer Gierbeschleunigungs-Berechnungseinheit 17. Der Karosserieseitenschwimmwinkel
kann nicht nur aus der obigen Gleichung bestimmt werden, sondern
auch aus anderen Schätz-
und Meßverfahren.
Verwiesen wird auf die in Kopie beigefügte deutsche Patentanmeldung Nr.
198 54 633.5 vom gleichen Anmelder der vorliegenden Anmel dung.
-
Eine
Rückkopplungsfaktor-Berechnungseinheit 18 bestimmt
einen Rückkopplungsfaktor
k für die von
der Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeits-Berechnungseinheit1 1 erhaltene
Fahrzeug-Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit β .x,
und zwar gemäß der Ausgabe
von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 14. Der Rückkopplungsfaktor
k kann beispielsweise zur Fahrzeuggeschwindigkeit V linear proportional
sein, wie in 3 gezeigt.
-
Der
Soll-Hinterradlenkwinkel δr wird aus der folgenden Gleichung
bestimmt, in Abhängigkeitvon der
Fahrzeug-Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit β .x,
die von der Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 11 erhalten
wird, sowie dem von der Rückkopplungsfaktor-Berechnungseinheit 18 erhaltenen
Rückkopplungsfaktor
k. δr = kβ .x
-
Der
Soll-Hinterradlenkwinkel δr wird in einer Hinterrad-Lenkwinkelberechnungseinheit 20 mit
der Ausgabe δr0 eines Hinterradlenkwinkelsensors 19 verglichen,
der hier aus einer in der Hilfs-Hinterradlenkvorrichtung 1 vorgesehenen
Drehcodierer besteht, wodurch man die momentan erforderliche Zunahme
(das Inkrement) des Hinterradlenkwinkels Δδr erhält. Δδr = δr – δr0
-
Diese
Zunahme wird dann durch eine Hinterradlenkwinkel-Steuereinheit 13 in
den Treiberstrom des Elektromotors 2 gewandelt, und der
Elektromotor 2 der Hilfs-Hinterradlenkvorrichtung 1 lenkt
entsprechend die Hinterräder 7R und 7L.
-
Zu 4.
Wenn bei einem Fahrzeug mit Vorderradlenkung bei relativ hoher Geschwindigkeit
die Vorderräder
gelenkt werden, erzeugt die Trägheit
des Fahrzeugs während
einer frühen
Phase der Kurvenfahrt eine Tendenz dahingehend, daß das Fahrzeug weiterhin
geradeaus fährt.
Dies erzeugt einen Fahrzeugkarosserie-Seitenschlupfwinkel oder einen Fahrzeugseitenschwimmwinkel,
der in bezug auf die Tangentiallinie des Drehkreises nach außen weist. Wenn
das Fahrzeug mit einem konstanten Drehradius um eine Kurve fährt, sind
die Seitenführungskräfte der
Vorder- und Hinterräder
zu der auf die Fahrzeugkarosserie wirkenden Zentrifugalkraft ausgeglichen. Weil
jedoch die Fahrzeugkarosserie einem Giermoment unterliegt, weist
der resultierende Fahrzeugseitenschwimmwinkel in bezug auf die Tangentiallinie des
Drehkreises nach innen.
-
Da
erfindungsgemäß der nach
außen
weisende (negative) Fahrzeugseitenschwimmwinkel in einer Frühphase der
Kurvenfahrt stark ansteigt, werden die Hinterräder gegenphasig gelenkt, um
die Änderung
des Fahrzeugseitenschwimmwinkels zu steuern oder auszugleichen.
Dies fördert
die scharfe Zunahme der Gierrate und verbessert die Gierantwort des
Fahrzeugs. Wenn das Fahrzeug die Kurve weiterfährt und die Hinterräder gegenphasig
gelenkt werden, nimmt der Hinterradschräglaufwinkel ab. Dies wiederum
bewirkt, daß der
nach innen weisende Fahrzeugseitenschwimmwinkel zunimmt, um eine Seitenführungskraft
zu erzeugen, die zum Ausgleich mit der Zentrifugalkraft erforderlich
ist.
-
Erfindungsgemäß werden
die Hinterräder
so gelenkt, daß der
Fahrzeugseitenschwimmwinkel gesteuert oder ausgeglichen wird, und
dann werden die Hinterräder
so gelenkt, daß der
Hinterradschräglaufwinkel
zunimmt. Anders gesagt, die Hinterräder werden automatisch in der
gleichen Phasenbeziehung gelenkt, und dies stabilisiert das Fahrverhalten.
-
Wenn
das Fahrzeug mit einem stetigen Krümmungsradius um die Kurve fährt, und
hierbei sich der Fahrzeugseitenschwimmwinkel nicht ändert oder die
Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit null ist, findet keine
Hilfslenkaktion statt, und das Fahrzeug verhält sich im wesentlichen wie
ein normales Fahrzeug mit Vorderradlenkung.
-
5 zeigt
die Reaktion der Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit, wenn
das mit 120 km/h fahrende Fahrzeug aus Geradeausfahrt heraus um
90° scharf
gelenkt wird. Wenn die Meßstelle
der Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit an der Hinterachse
gewählt
ist, schwingt die Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit anfänglich in
die positive Richtung, und schwingt dann schnell auf null ein. Wenn
jedoch die Meßstelle
von der Achse nach vorne verlagert wird, nimmt die Tendenz der Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit,
sich vorübergehend
in die negative Richtung zu bewegen, progressiv zu. Anders gesagt,
je weiter der Erfassungspunkt der Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit
von der Hinterachse nach vorne verlegt wird, desto größer wird – in einer
Frühphase
der Kurvenfahrt – der
Stellfaktor für
die gleichphasige Lenkung der Hinterräder. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder
stellte sich heraus, daß,
wenn die Meßstelle
vor der Hinterachse angeordnet ist, die Fahrzeugseitenschwimmwinkelgeschwindigkeit – in Antwort
auf gewöhnlich
zu erwartende plötzliche Lenkmanöver – allgemein
in die negative Richtung schwingt.
-
6 vergleicht
das Verhalten eines Fahrzeugs mit Vorderradlenkung (2WS) mit jenem
eines Fahrzeugs mit Hinterradlenkung (4WS), wobei der Hinterradlenkwinkel
gemäß der Fahrzeug-Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit
an der Vorderachse gesteuert wird. In beiden Fällen ist die Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs 120 km/h. Die Graphiken an der linken Seite zeigen
die Gierratenantwort, und die Graphiken an der rechten Seiten zeigen
die Querbeschleunigungs-Antworten.
-
Die
Frequenzantwort der Gierrate des erfindungsgemäß Vierrad-gelenkten Fahrzeugs
hat einen reduzierten Spitzenwert im Vergleich zu der bei einem Fahrzeug
mit Vorderradlenkung. Ferner zeigt das Fahrzeug mit Vierradlenkung
eine reduzierte Phasenverzögerung
in einem hohen Frequenzbereich. Das bedeutet, daß das Fahrzeug mit Vierradlenkung
sowohl im Hinblick auf das Ansprechverhalten als auch die Stabilität besser
ist. Ferner zeigt das Fahrzeug mit Vierradlenkung einen schärferen Anstieg
der Gierratenanstiege in Antwort auf die Drehung des Lenkrads, ohne
daß es
zu signifikantem Überschwingen
kommt. Anders gesagt, das Fahrzeug mit Vierradlenkung ist sowohl
im Hinblick auf die Gierreaktionen als auch die Ausschwingcharakteristiken
besser als das Fahrzeug mit Vorderradlenkung.
-
Im
Hinblick auf die Seitenreaktions-Frequenzantwort ist das Fahrzeug
mit Vierradlenkung frei von jeglichen übermäßigen Spitzen im Stellfaktor
und der Phasenverschiebung, im Gegensatz zum Fahrzeug mit Vorderradlenkung,
und dies führt
zu höherer
Stabilität.
Zusätzlich
ist die Übergangsreaktion
bei der Lenkeingabe glatter.
-
Daher
hat das Fahrzeug mit Vierradlenkung, welches mit der erfindungsgemäßen Hilfs-Hinterradlenkvorrichtung
ausgestattet ist, Vorteile sowohl in der Gierreaktion als auch der
Stabilität,
und dies wird erreicht, ohne das Handling des Fahrzeugs bei stationärer Kreisfahrt
zu ändern.
Als zusätzlicher
Vorteil verhindert die Hilfs-Hinterradlenkvorrichtung eine Traktionsminderung
der Hinterräder,
wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt und gleichzeitig eine Traktion
ausgeübt
wird, weil die Hinterräder
im wesentlichen nicht gelenkt werden, und daher während stationärer Kreisfahrt
oder gegen Ende der Kurvenfahrt keiner signifikanten Last ausgesetzt
sind.
-
Bei
einem Fahrzeug mit Vierradlenkung werden die Hinterräder gelenkt,
um einen Betrag der Fahrzeug-Seitenschwimmwinkelgeschwindigkeit
zu reduzieren. Wenn es in einer Frühphase des Drehvorgangs zu
einer Zunahme des Fahrzeugseitenschwimmwinkels kommt, der in bezug
auf den Drehkreis des Fahrzeugs nach außen weist, werden die Hinterräder in bezug
auf den Vorderradlenkwinkel gegensinnig gelenkt. Daher wird der
Fahrzeugseiten schwimmwinkel zumindest teilweise aufgehoben, und
dies wiederum erhöht
das Giermoment und erzeugt eine scharfe Gierantwort. Im weiteren
Verlauf der Kurvenfahrt des Fahrzeugs werden die Hinterräder gleichphasig
mit den Vorderrädern
gelenkt, um hierdurch die Schleudertendenz des Fahrzeugs auszugleichen.
Wenn das Fahrzeug mit stetiger Rate um die Kurve fährt, ohne
daß sich
der Fahrzeug-Seitenschwimmwinkel ändert, werden die Hinterräder nicht gelenkt,
und das Fahrzeug verhält
sich im wesentlichen so, als ob es ein Fahrzeug mit Vorderradlenkung
wäre.