DE19634728C1 - Fahrzeuglenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeuglenkung mit elektroni­ scher Regelstrecke zur Kopplung von Lenkhandhabe und Fahrzeug­ lenkrädern, wobei eine zur Erzeugung eines Lenkwinkel-Soll­ wertsignales dienende Signalauswerteschaltung, welche mit einem Eingang an einen von der Lenkhandhabe betätigten Geber angeschlossen ist und die Eingangssignale mit vorgegebener Progressivität zwischen eingangsseitiger und ausgangsseitiger Signaländerung in Ausgangssignale umsetzt, ein Filter auf­ weist bzw. als solches arbeitet, welches im wesentlichen für Frequenzen unterhalb einer parameterabhängig veränderbaren Eckfrequenz durchlässig ist.

Derzeit sind bei üblichen Straßenfahrzeugen die Lenkhandhabe bzw. ein als solche angeordnetes Lenkhandrad und die Fahr­ zeuglenkräder mechanisch zwangsgekoppelt, wobei in der Regel ein Servoaggregat zur Verminderung der notwendigen Handkräfte vorgesehen ist.

Es werden jedoch bereits Fahrzeuglenkungen konzipiert, bei denen die Lenkhandhabe und die Fahrzeuglenkräder lediglich über eine elektronische Regelstrecke wirkungsmäßig miteinan­ der gekoppelt sind, welche einen mit der Lenkhandhabe vorge­ gebenen Lenkwinkel-Sollwert mit dem entsprechenden Istwert an den Fahrzeuglenkrädern vergleicht und dieselben entsprechend dem jeweiligen Sollwert einstellt. Derartige Konzepte ähneln elektronischen Steuersystemen, wie sie für Flugzeuge bekannt sind. Diese im Falle von Flugzeugen als "Fly by wire" be­ zeichneten Systeme sind inzwischen derart sicher, daß sie auch in Passagierflugzeugen serienmäßig eingesetzt werden.

Bei Lenkungen mit elektronischer Regelstrecke zur Kopplung von Lenkhandhabe und gelenkten Fahrzeugrädern wird in beson­ ders einfacher Weise die Möglichkeit geboten, das Überset­ zungsverhältnis zwischen dem Stellhub der Lenkhandhabe und der Lenkwinkeländerung der Fahrzeuglenkräder parameterabhän­ gig zu verändern. Derartiges ist zwar auch bei herkömmlichen mechanischen Lenkungen grundsätzlich bekannt, vgl. beispiels­ weise die DE 41 34 390 A1. Jedoch ist dazu ein vergleichswei­ se großer konstruktiver Aufwand notwendig, welcher im Falle der zwischen Lenkhandhabe und gelenkten Fahrzeugrädern zur Kopplung vorgesehenen Regelstrecke durch entsprechende Re­ chenoperationen ersetzt werden kann, für die sich die Elek­ tronik bei entsprechender Auslegung ohne weiteres programmie­ ren läßt. Im Ergebnis kann also mit geringem Aufwand in zweckmäßiger und vorteilhafter Weise ermöglicht werden, bei sehr geringer Fahrgeschwindigkeit, wie sie für Rangiermanöver typisch ist, mit hoher Übersetzung zu arbeiten, so daß eine geringe Stellbewegung der Lenkhandhabe genügt, um den Lenk­ winkel der gelenkten Fahrzeugräder erheblich zu ändern.

Ein weiterer Vorteil von Lenkungen mit elektronischer Regel­ strecke zur Kopplung von Lenkhandhabe und gelenkten Fahr­ zeugrädern liegt darin, daß es vergleichsweise leicht möglich ist, eine automatische Lenkkorrektur vorzunehmen, wenn auf das Fahrzeug unerwartete Störkräfte, z. B. Seitenwind, einwir­ ken. In diesem Zusammenhang kann auf die DE 42 32 256 C2 ver­ wiesen werden.

Aus der DE 43 00 366 A1 ist eine als Hinterrad-Zusatzlenkung ausgebildete Fahrzeuglenkung der eingangs angegebenen Art be­ kannt, wobei das vom Regler erzeugte Stellgrößen-Signal einen Tiefpaßfilter durchläuft.

Aus der DE 195 47 176 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung ei­ ner an das tatsächliche Fahrverhalten angepaßten Regelgröße in einer Regelung zur Fahrstabilität eines Fahrzeuges be­ kannt, wobei eine zur Erzeugung eines Sollwert-Signales die­ nende Schaltungsstufe eingangsseitig mit Tiefpaßfiltern be­ schaltet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Lenkung der eingangs angegebenen Art eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störbe­ aufschlagungen der Lenkhandhabe zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Filter

• - mit niedriger Eckfrequenz arbeitet, wenn für die Lenkung eine direkte Übersetzung zwischen dem Stellhub der Lenk­ handhabe und der Lenkwinkeländerung der gelenkten Fahrzeug­ räder vorgesehen ist, und
• - mit hoher Eckfrequenz arbeitet, wenn für die Lenkung eine indirekte Übersetzung zwischen Stellhub der Lenkhandhabe und der Lenkwinkeländerung der gelenkten Fahrzeugräder vorgesehen ist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer sprunghaften Änderung des durch die Handhabe sowie den davon betätigten Meßgeber erzeugten Eingangssignales das Ausgangs­ signal lediglich mit einer vorgebbaren Progressivität - je­ doch nicht sprunghaft - um ein zur sprunghaften Änderung des Eingangssignales analoges Maß zu verändern. Dies kann in ein­ facher Weise durch Einsatz des genannten Filters erreicht werden. Eine sprunghafte Signaländerung läßt sich (mathematisch) mit prinzipiell beliebiger Genauigkeit als Überlagerung sehr vieler - d. h. bei mathematischer Exaktheit als Überlagerung abzählbar unendlich vieler - Wellenpakete mit unterschiedlichen Frequenzen darstellen. Indem nun das Filter die höherfrequenten Wellenpakete oberhalb der vorgeb­ baren Eckfrequenz ausschaltet, können nur noch Wellenpakete mit relativ geringen Frequenzen bei der Überlagerung berück­ sichtigt werden, mit der Folge, daß sich anstelle einer sprunghaften Signaländerung ein mehr oder weniger steiler An­ stieg oder Abfall des Signales ergibt. Dies führt im Ergebnis dazu, daß im Falle einer Fahrzeuglenkung eine gegenüber der Stellgeschwindigkeit der Handhabe verminderte Stellgeschwin­ digkeit der Fahrzeuglenkräder gegeben wird und sehr schnelle Pendelbewegungen der Lenkhandhabe nur zu vergleichsweise ge­ ringfügigen Pendelbewegungen der Fahrzeuglenkräder führen können.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung wird das Filter dann auf eine niedrige Eckfrequenz ein­ gestellt, wenn - etwa bei geringer Fahrgeschwindigkeit - auf­ grund entsprechend hoher Übersetzung ein geringer Stellhub der Lenkhandhabe zu großen Lenkwinkeländerungen der Fahr­ zeuglenkräder führen soll. Solange dagegen - etwa bei höherer Fahrgeschwindigkeit - zwischen Lenkhandhabe und Fahrzeuglenk­ rädern eine geringe Übersetzung vorliegt, arbeitet das Filter mit hoher Eckfrequenz. Im letzteren Falle werden dann Bewe­ gungen der Lenkhandhabe direkt und ohne merkliche Verzögerung auf die Fahrzeuglenkräder übertragen, während im ersteren Falle eine verzögerte Übertragung, ähnlich wie bei einer me­ chanischen Zwangskopplung mit größerer Elastizität, auftritt.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale auf die An­ sprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung ver­ wiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Fahrzeuglenkung der eingangs angegebenen Art mit erfindungsgemäßer Signalauswerteschaltung,

Fig. 2 einen beispielhaften Aufbau des Filters mit veränder­ barer Eckfrequenz,

Fig. 3 ein Diagramm, welches das Durchlaßverhalten des Filters wiedergibt, und

Fig. 4 ein Diagramm, welches die von der Signalauswerte­ schaltung erzeugten Ausgangssignale bei einer sprunghaften Änderung des Eingangssignales für zwei verschiedene Eckfrequenzen des Filters dar­ stellt.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein nicht näher dargestelltes Kraftfahr­ zeug zwei vordere Fahrzeuglenkräder 1, die zu ihrer Lenkbetä­ tigung über Spurstangen 2 mit einer in Fahrzeugquerrichtung verschiebbaren Zahnstange 3 gekoppelt sind, d. h. bei Ver­ schiebung der Zahnstange 3 in der einen oder zur Zahnstangen­ achse parallelen Richtung werden die Fahrzeuglenkräder 1 nach rechts oder links gelenkt. Die Zahnstange 3 kämmt mit einem Ritzel 4, welches von einem Stellmotor 5 grundsätzlich belie­ biger Art angetrieben wird; im dargestellten Fall ist der Stellmotor 5 als Elektromotor ausgebildet.

Zur Betätigung der Fahrzeuglenkung durch den Fahrer ist ein sogenannter Hornlenker 6 oder eine sonstige Lenkhandhabe, z. B. ein Lenkhandrad (nicht dargestellt), vorgesehen. Der Hornlenker 6 ist mit einer sehr kurzen Welle 7 drehfest ver­ bunden, welche ihrerseits bei Drehung des Hornlenkers 6 um die Wellenachse einen Geber 8 betätigt, welcher ein den Dreh­ winkel des Hornlenkers 6 wiedergebendes Signal erzeugt. Der Geber 8 ist mit einem Eingang einer elektronischen Regel­ schaltung 9 verbunden, welche eingangsseitig des weiteren mit einem Geber 10 für den Istwert des Lenkwinkels sowie weiteren Gebern für weitere Parameter, z. B. einem Geber 11 für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, verbunden ist. Ausgangs­ seitig ist die Regelschaltung mit dem elektrischen Stellmotor 5 verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem ist vorgesehen, das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehwinkeländerung des Hornlenkers 6 und der Lenkwinkeländerung der Fahrzeuglenkrä­ der 1 parameterabhängig zu verändern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, in einem Mittelbereich in der Umgebung der Geradeausstellung der Fahrzeuglenkräder 1 eine indirekte Übersetzung vorzusehen, derart, daß der Hornlenker 6 für re­ lativ kleine Lenkwinkeländerungen der Fahrzeuglenkräder 1 re­ lativ große Drehwinkeländerungen ausführen muß. Dagegen kann im Bereich größerer Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder 1 vorge­ sehen sein, daß das Lenksystem vergleichsweise direkt arbei­ tet und kleine Drehwinkeländerungen des Hornlenkers 6 große Lenkwinkeländerungen an den Fahrzeuglenkrädern bewirken. Des weiteren kann vorgesehen sein, daß sich die Übersetzungsver­ hältnisse auch in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, d. h. in Abhängigkeit von den Signalen des Gebers 11, ändern.

Der jeweils parameterabhängig bestimmte Sollwert des Lenkwin­ kels wird von einem als Teil der Regelschaltung 9 angeordne­ ten Sollwertrechner 9′, im dargestellten Beispiel aus den Si­ gnalen der Geber 8 und 11, ermittelt.

Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, daß die Regelschaltung 9 eine Filteranordnung 9′′ umfaßt, wel­ che nur für Frequenzen unterhalb einer parameterabhängig ver­ änderbaren Eckfrequenz durchlässig ist. Diese Filteranordnung 9′′ filtert im dargestellten Beispiel die Ausgangssignale des Sollwertrechners 9′. Erst der Ausgang der Filteranordnung 9′′ wird im Sinne eines Soll-Istwert-Vergleiches verarbeitet, d. h. es wird die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Gebers 10 und dem Ausgang der Filteranordnung 9′′ ermittelt, um in Abhängigkeit von dieser Soll-Istwert-Abweichung den Stellmotor 5 zu steuern.

Die Fig. 3 zeigt das Durchlaßverhalten der Filteranordnung 9′′. Dabei zeigt die Kurve K₀ die Amplitude A eines an der Ein­ gangsseite der Filteranordnung 9′′ anstehenden Signales in Ab­ hängigkeit von der Frequenz f, während die Kurve K₁ die Ampli­ tude A des zugehörigen Ausgangssignales in Abhängigkeit von der Frequenz f für eine Eckfrequenz des Filters von f₁ zeigt. Die Kurve K₂ zeigt dann die Verhältnisse für das Ausgangs­ signal bei einer Eckfrequenz f₂ usw.

Während das Eingangssignal für alle Frequenzen eine gleiche Amplitude hat, hat das Ausgangssignal jeweils nur für Fre­ quenzen unterhalb der Eckfrequenz eine gleichbleibende Ampli­ tude; oberhalb der Eckfrequenz hat die Amplitude praktisch den Wert 0, d. h. in diesem Bereich ist die Filteranordnung undurchlässig. In der Umgebung der jeweiligen Eckfrequenz fällt die Amplitude des Ausgangssignales mit höher werdenden Frequenzen steil ab.

Die Fig. 4 zeigt nun die Auswirkungen der Filteranordnung 9′′. Dabei zeigt die Kurve S₀ einen beispielhaften Verlauf des Pe­ gels P des vom Sollwertrechner 9′ ermittelten Sollwertes in Abhängigkeit von der Zeit t. Im dargestellten Beispiel wird der Sollwert zu einem Zeitpunkt t₁ sprunghaft erhöht und zu einem Zeitpunkt t₂ entsprechend sprunghaft abgesenkt. Die Kur­ ven S₁ und S₂ zeigen nun das daraus resultierende Signal am Ausgang der Filteranordnung 9′′, wobei im einen Falle die Eck­ frequenz den Wert f₁ und im anderen Falle die Eckfrequenz den Wert f₂ hat.

Es ist erkennbar, daß bei vergleichsweise hoher Eckfrequenz f₂ das Ausgangssignal bei sprunghafter Erhöhung des Eingangs­ signales relativ steil, wenn auch nicht sprunghaft, ansteigt und beim sprunghaften Abfall des Eingangssignales entspre­ chend steil abfällt.

Besitzt die Filteranordnung 9′′ dagegen eine niedrige Eckfre­ quenz, sind der Anstieg und der Abfall des Ausgangssignales vergleichweise flach.

Im Ergebnis führt dies dazu, daß bei einer Stellbewegung des Hornlenkers 6 die Verstellung der Fahrzeuglenkräder 1 mit verminderter Schnelligkeit erfolgt, der Hornlenker 6 also der Lenkverstellung der Fahrzeuglenkräder "vorauseilt". Dies hat des weiteren zur Folge, daß schnelle Pendelbewegungen des Hornlenkers 6 nur zu stark verminderten Pendelbewegungen der Fahrzeuglenkräder 1 führen können bzw. die Fahrzeuglenkrä­ der 1 von Pendelbewegungen des Hornlenkers 6 "nichts merken".

Die Filteranordnung 9′′ wird zweckmäßigerweise dann auf eine niedrige Eckfrequenz geschaltet, wenn das Lenksystem in einem Betriebszustand ist, bei dem eine sehr direkte Übersetzung zwischen den Drehbewegungen des Hornlenkers und den Lenkbewe­ gungen der Fahrzeuglenkräder 1 vorliegt, d. h. wenn relativ kleine Drehhübe des Hornlenkers 6 vergleichsweise große Lenk­ winkeländerungen der Fahrzeuglenkräder 1 bewirken.

Das Filter 9′′ kann die in der Fig. 2 beispielhaft dargestell­ te Struktur aufweisen, durch die ein Filter erster Ordnung gebildet wird.

Das vom Sollwertrechner 9′ kommende Sollwertsignal wird einem Signaleingang 12 zugeführt, welcher unmittelbar mit einem Eingang eines Multipliziergliedes 13 und über eine Verzöge­ rungsstrecke 14 mit einem Eingang eines weiteren Multipli­ ziergliedes 15 verbunden ist. Die Ausgänge der Multiplizier­ glieder 13 und 15 sind mit jeweils einem Eingang eines Sum­ mierers 16 verbunden, dessen Ausgang einerseits den Ausgang des Filters 9′′ bildet und andererseits über eine Verzöge­ rungsstrecke 17 mit einem Eingang eines Multipliziergliedes 18 verbunden ist, dessen Ausgang mit einem weiteren Eingang des Summierers 16 gekoppelt ist.

Die Multiplizierglieder 13, 15 und 18 sind eingangsseitig des weiteren jeweils mit der Ausgangsseite eines Umschaltgliedes 19, 20 bzw. 21 verbunden. Die Umschaltglieder 19 bis 21 werden über einen Steuereingang 22 betätigt, so daß sie die zugeord­ neten Eingänge der Multiplizierglieder 13, 15 und 18 jeweils entweder mit Speicherplätzen 23′, 24′ und 25′ bzw. mit Speicher­ plätzen 23′′, 24′′ und 25′′ verbinden. Die Speicherplätze 23′, 24′ und 25′ enthalten Festwerte, welche der Eckfrequenz f₁ zuge­ ordnet sind, während die Speicherplätze 23′′, 24′′ und 25′′ der Eckfrequenz f₂ zugeordnete Festwerte enthalten. Je nachdem, ob an den zugeordneten Eingängen der Multiplizierglieder 13, 15 und 18 die einen oder anderen Festwerte anliegen, arbeitet also das Filter 9′′ mit der Eckfrequenz f₁ oder der Eckfrequenz f₂.

Wenn für größere Lenkwinkel der Lenkräder 1 eine direkte Übersetzung und für kleinere Lenkwinkel der Lenkräder 1 eine indirekte Übersetzung zwischen dem Stellhub des Lenkers 6 und der Lenkwinkeländerung der Lenkräder 1 vorgesehen ist, kann ein die Umschaltung der Umschaltglieder 19 bis 21 bewirkendes Steuersignal, welches dem Steuereingang 22 zugeführt wird, aus den Lenkwinkel-Istwerten abgeleitet werden, die vom Geber 10 ermittelt werden. Wenn der Betrag des Lenkwinkels oberhalb eines Schwellwertes liegt, wird ein Steuersignal erzeugt, welches die Umschaltglieder mit den Speicherplätzen 23′, 24′ und 25′ verbindet. Unterhalb des Schwellwertes liegt ein Si­ gnal vor, durch das die Umschaltglieder 19 bis 21 mit den Speicherplätzen 23′′, 24′′ und 25′′ verbunden werden.

Berechnet man die Inhalte der Speicherplätze 23′ bis 25′′ onli­ ne abhängig von einem kontinuierlichen Steuersignal, so kann die Grenzfrequenz auch kontinuierlich verändert werden.

Claims (2)

1. Fahrzeuglenkung mit elektronischer Regelstrecke zur Kopp­ lung von Lenkhandhabe und gelenkten Fahrzeugrädern, wobei ei­ ne zur Erzeugung eines Lenkwinkel-Sollwertsignales dienende Signalauswerteschaltung, welche mit einem Eingang an einem von der Lenkhandhabe betätigten Geber angeschlossen ist und die Eingangssignale mit vorgegebener Progressivität zwischen eingangsseitiger und ausgangsseitiger Signaländerung in Aus­ gangssignale umsetzt, ein Filter aufweist bzw. als solches arbeitet, welches im wesentlichen nur für Frequenzen unter­ halb einer parameterabhängig veränderbaren Eckfrequenz durch­ lässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (9′′)

• - mit niedriger Eckfrequenz (f₁) arbeitet, wenn für die Lenkung eine direkte Übersetzung zwischen dem Stellhub der Lenkhandhabe (6) und der Lenkwinkeländerung der gelenkten Fahrzeugräder (1) vorgesehen ist, und
• - mit hoher Eckfrequenz (f₂) arbeitet, wenn für die Lenkung eine indirekte Übersetzung zwischen dem Stell­ hub der Lenkhandhabe (6) und der Lenkwinkeländerung der gelenkten Fahrzeugräder (1) vorgesehen ist.

2. Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringen Lenkwinkeln der gelenkten Fahrzeugräder (1) eine indirekte und bei größeren Lenkwinkeln der gelenkten Fahrzeugräder (1) eine direkte Übersetzung zwischen dem Stellhub der Lenkhandhabe (6) und der Lenkwinkeländerung der gelenkten Fahrzeugräder (1) vorgesehen ist.