DE19702313C1 - Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei derartigen Einrichtungen, wie sie z. B. für Automobile ver­ wendet werden, wird der Lenkwinkel-Sollwert für die Lenkwinkel­ stelleinrichtung sowohl abhängig von der auf das Bedienelement ausgeübten Betätigungskraft als auch von der momentanen Fahr­ zeuglängsgeschwindigkeit variabel vorgegeben. Mit solchen Ein­ richtungen, die beispielsweise eine herkömmliche Lenkung mit Lenkrad und daran mechanisch angekoppelter Lenkwinkelstellein­ richtung bei Automobilen ersetzt, lassen sich vergleichsweise kleine Stellwege und hohe Stellgeschwindigkeiten erreichen. Be­ dienelemente, wie sie vorliegend Verwendung finden, bei denen die auf sie ausgeübte Betätigungskraft die Lenkwinkel-Sollwert­ vorgabe beeinflußt, werden als isometrische Bedienelemente be­ zeichnet. Je nachdem, ob das Bedienelement starr oder zur Be­ reitstellung einer intuitiven Rückmeldung einer oder mehrerer fahrdynamischer Größen auslenkbar angeordnet ist, wird es als passives oder aktives Bedienelement bezeichnet. Bekanntermaßen sind diese bedienelementbezogenen Eigenschaften zur Erfüllung einer zufriedenstellenden Lenkungsfunktionalität vorzugsweise mit einer geschwindigkeitsabhängigen Lenkübersetzung kombiniert, d. h. der Lenkwinkel-Sollwert wird zusätzlich in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bestimmt.

Da bei diesen Lenkwinkelsteuerungseinrichtungen keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Bedienelement und der Lenk­ winkelstelleinrichtung und damit den angesteuerten Fahrzeugrä­ dern besteht, geht dem Fahrer die ihm darüber herkömmlicherweise vermittelte Rückmeldung bezüglich des jeweiligen Lenkungszu­ stands verloren.

Es wurde bereits auf verschiedene Arten ver­ sucht, dies zu kompensieren. In U. Bolte, "Das aktive Stellteil - ein ergonomisches Bedienkonzept", Fortschr.-Ber. VDI Reihe 17 Nr. 75, Düsseldorf, VDI-Verlag 1991 wird beispielsweise als Rückmeldung die Auslenkung des Bedienelementes in Abhängigkeit von der Giergeschwindigkeit vorgeschlagen. Da diese jedoch li­ near von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit abhängt, ändert sich die als Fahrerinformation dienende Bedienelementauslenkung beim Bremsen oder Beschleunigen bereits in einer Kurve mit konstantem Radius, was für den Fahrer ungewohnt ist. Bei einer in der nicht vorveröffentlichten DE 196 00 139 C1 beschriebenen Lenkwinkel­ steuerung wird auf das Bedienelement eine der Betätigungskraft entgegenwirkende Reaktionskraft ausgeübt, die sowohl mit größer werdendem Lenkwinkelbetrag als auch mit größer werdender Fahr­ zeuglängsgeschwindigkeit ansteigt.

In der Patentschrift US 3.022.850 ist eine Einrichtung offen­ bart, bei der ein Steuerknüppel unter anderem zur Lenkwinkelein­ stellung dient. Dazu wird vorgeschlagen, das zugehörige Steuer­ knüppelauslenkungssignal geschwindigkeitsabhängig zu verstärken, und zwar vorzugsweise umgekehrt proportional zum Quadrat der Längsgeschwindigkeit, so daß eine bestimmte Steuerknüppelauslen­ kung unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit zu einer im wsesentlichen gleichbleibenden Querbeschleunigung führt.

In der Offenlegungsschrift DE 44 03 379 A1 ist ein Lenksystem offenbart, bei dem das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel eines Lenkrades und dem damit eingestellten Lenkwinkel lenkbarer Fahr­ zeugräder in Abhängigkeit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit so verändert werden kann, daß in einem niedrigen bis mittleren Geschwindigkeitsbereich eine empfindliche Lenkreaktion und in einem hohen Geschwindigkeitsbereich eine gute Stabilität der Lenkung erhalten wird. Dazu wird in geeigneter Weise auf die Übersetzung eines zugehörigen Lenkgetriebes eingewirkt.

In der nicht vorveröffentlichten DE 196 25 498 C1 ist neben weiteren ein Beispiel einer Lenksteuerungseinrichtung be­ schrieben, bei dem der Lenkwinkel-Sollwert allein in Abhängig­ keit von der auf das Bedienelement ausgeübten Betätigungskraft vorgegeben wird und Bedienelementauslenkungsmittel vorgesehen sind, welche das Bedienelement entsprechend dem jeweils vorlie­ genden Lenkwinkel-Istwert auslenken.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Lenkwinkelsteuerungseinrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit der eine Lenkwinkelsteuerung mit hohem Bedienkom­ fort und hoher Funktionszuverlässigkeit erzielt wird.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Lenkwinkelsteuerungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Bei dieser Einrichtung wird einerseits der Lenkwinkel-Soll­ wert sowohl in Abhängigkeit von der auf das Bedienelement ausge­ übten Betätigungskraft als auch in Abhängigkeit von der momenta­ nen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit variabel vorgegeben, während andererseits durch geeignete Bedienelementauslenkungsmittel das Bedienelement entsprechend dem jeweils vorliegenden Lenkwinkel- Istwert und folglich unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit ausgelenkt wird. Dies hat zur Folge, daß die erwünschte Längsgeschwindigkeitsabhängige Lenkwinkel-Sollwertvorgabe be­ wirkt wird, ohne daß die Rückmeldung des Lenkungszustands auf das Bedienelement von der Längsgeschwindigkeit beeinflußt wird. Somit ist es unter bestimmten Voraussetzungen, wie gleichblei­ benden Schräglaufwinkeln und neutraler Steuertendenz des Fahr­ zeugs, möglich, daß sich vorteilhafterweise diese Rückwirkung beim Durchfahren einer Kurve mit konstantem Radius nicht ändert, selbst wenn sich währenddessen die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ändert.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Einrichtung wird der Lenkwinkel-Istwert von einer geeigneten Wegsensorik anhand der Bewegung einer Spurstange erfaßt, die als Teil der Lenkwinkel­ stelleinrichtung an die lenkbaren Fahrzeugräder gekoppelt ist. Der Lenkwinkel-Sollwert wird von einem entsprechenden Geber vor­ gegeben, dem hierzu die Informationen über die Bedienelementbe­ tätigungskraft von einem zugehörigen Sensor und über die momen­ tane Fahrzeuglängsgeschwindigkeit von der betreffenden Fahrzeug­ längsgeschwindigkeitsensorik zugeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung dieser Einrichtung ist gemäß Anspruch 3 die Spurstangen-Wegsensorik von einem hydraulischen Wegmeßzy­ linder gebildet, während die Bedienelementauslenkungsmittel ei­ nen als Aktuator ausgelegten Hydraulikzylinder umfassen, der hy­ draulisch mit dem Wegmeßzylinder gekoppelt ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Lenkwinkelsteuerungseinrichtung für ein Automobil.

Die in der Figur gezeigte Lenkwinkelsteuerungseinrichtung bein­ haltet als Bedienelement einen von einer Hand des Fahrers betä­ tigbaren Steuerknüppel 1, der an einem Ende eines Hebels 2 ange­ bracht ist, welcher in einem zwischen seinen beiden Enden lie­ genden Bereich um eine an der Fahrzeugkarosserie gelagerte Schwenkachse 3 schwenkbeweglich gehalten ist. Am Hebel 2 ist ein Kraftsensor 4 so angeordnet, daß er die auf den Steuerknüppel 1 ausgeübte Betätigungskraft erfaßt. Das Ausgangssignal des Kraft­ sensors 4 ist einem Lenkwinkel-Sollwertgeber 5 zugeführt, dem zusätzlich die Information über die jeweils momentane Fahrzeug­ längsgeschwindigkeit von einer zugehörigen Fahrzeuglängsge­ schwindigkeitsensorik 6 zugeführt wird. In Abhängigkeit von die­ sen zugeführten Informationen bestimmt der Lenkwinkel-Sollwert­ geber den für die Lenkungssteuerung vorzugebenden Lenkwinkel­ sollwert, beispielsweise anhand eines angelegten Kennfeldes, welches den Lenkwinkel-Sollwert in Abhängigkeit zum einen von der Betätigungskraft auf den Steuerknüppel 1 und zum anderen von der sensierten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit festlegt.

Die auf diese Weise ermittelte Lenkwinkel-Sollwertinformation wird vom Lenkwinkel-Sollwertgeber 5 einer nachgeschalteten Len­ kungssteuereinheit 7, z. B. in Form eines Lenkungsreglers, zuge­ führt. Diese steuert abhängig vom vorgegebenen Lenkwinkel-Soll­ wert ein Lenkgetriebe 8 an, und zwar speziell einen nicht näher gezeigten Lenkungsaktuator des Lenkgetriebes 8. Abhängig von dieser Ansteuerung wirkt der Lenkungsaktuator 8 auf eine mit der Abtriebsseite des Lenkgetriebes 8 gekoppelte Spurstange 9 ein, die jeweils endseitig in üblicher Weise an zwei lenkbare Fahr­ zeugvorderräder 10a, 10b angekoppelt ist.

Der an den lenkbaren Rädern 10a, 10b eingestellte Lenkwinkel- Istwert wird bei der gezeigten Einrichtung über die Bewegung der Spurstange 9 erfaßt. Hierzu ist an die Spurstange 9 eine Kolben­ stange 11 einer hydraulischen Kolben-/Zylinder-Einheit 12 ange­ koppelt, deren Zylinder 13 starr an der Fahrzeugkarosserie ange­ bracht ist und die auf diese Weise als Wegmeßeinheit für die Spurstangenbewegung fungiert. Der an der Kolbenstange 11 endsei­ tig angeordnete Kolben dieser Wegmeßeinheit 12 unterteilt den Zylinderraum in zwei Arbeitskammern, von denen je eine Hydrau­ likleitung 14a, 14b abgeht. Die Hydraulikleitungen 14a, 14b sind zwei entsprechenden Arbeitskammern einer weiteren hydraulischen Kolben-/Zylinder-Einheit 15 zugeführt, welche als Aktuator zur Auslenkung des Steuerknüppels 1 in Abhängigkeit vom über die Spurstangenbewegung erkannten Lenkwinkel-Istwert dient. Hierzu ist der Zylinder dieser Kolben-/Zylinder-Einheit 15 wiederum fest an der Fahrzeugkarosserie angebracht, während eine zugehöri­ ge Kolbenstange 16 mit einem Ende an dem Steuerknüppel 1 abge­ wandten Ende des Hebels 2 angelenkt ist. An ihrem anderen Ende trägt die Kolbenstange 16 wiederum einen Kolben, der den Zylin­ derraum in die beiden Arbeitskammern unterteilt.

Somit bilden die beiden hydraulischen Kolben-/Zylinder-Einheiten 12, 15 zusammen mit den sie verbindenden Hydraulikleitungen 14a, 14b Steuerknüppelauslenkungsmittel, durch welche der Steuerknüp­ pel 1 allein in Abhängigkeit vom Lenkwinkel-Istwert ausgelenkt wird. Die jeweilige Stellung des Steuerknüppels 1 ist damit ein für den Fahrer intuitiv erfaßbares Maß für den jeweils vorlie­ genden Lenkeinschlag an den Rädern 10a, 10b. Denn Bewegungen der Spurstange in der einen oder anderen Richtung und damit entspre­ chende Radlenkbewegungen führen zu Verschiebungen des Kolbens der Wegmeßeinheit 13, wodurch das eingebrachte Hydraulikfluid über die Hydraulikleitungen 14a, 14b aus der einen Arbeitskammer herausgedrückt und in die andere Arbeitskammer eingesaugt wird. Dementsprechend wird das Hydraulikfluid in der als Aktuator fun­ gierenden Kolben-/Zylinder-Einheit 15 in die eine Arbeitskammer hineingedrückt und aus der anderen Arbeitskammer abgesaugt, wo­ durch sich ihr Kolben und damit ihre Kolbenstange 16 verschie­ ben. Diese Bewegung der Kolbenstange 16 führt über den Hebel 2 zu einer entsprechenden Verschwenkung und damit Auslenkung des Steuerknüppels 1. Die jeweilige Steuerknüppelposition ist daher unabhängig von der momentanen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, die ihrerseits zusammen mit der auf den Steuerknüppel 1 ausgeübten Betätigungskraft den Lenkeinschlag bestimmt. Dem Fahrer bleibt daher über die fühlbare Steuerknüppelposition bei gegebenen Lenkwinkel-Istwert, z. B. beim Befahren einer Kurve mit konstan­ tem Radius, eine gleichbleibende Lenkungszustandsinformation auch während eventueller Beschleunigungs- und Verzögerungsvor­ gänge erhalten.

Es versteht sich, daß die Rückmeldung des Lenkwinkel-Istwertes zum Steuerknüppel 1 in Form einer Auslenkung desselben nicht nur durch ein hydraulisches System, wie das in der Figur gezeigte, sondern z. B. auch durch eine mechanische Kopplung bewirkt werden kann. In beiden Fällen ergibt sich als weiterer Vorteil die Ei­ genschaft, daß das Fahrzeug in einem Notbetrieb, bei dem der normale Lenksteuerungspfad vom Kraftsensor 4 bis zum Lenkgetrie­ be 8 ausgefallen ist, aufrechterhalten werden kann, indem der Lenkwinkel-Istwert dann direkt mittels einer entsprechenden Aus­ lenkung des Steuerknüppels 1 eingestellt wird. Hierzu braucht lediglich ein entsprechender Freilauf im Lenkgetriebe 8 vorgese­ hen werden. Dann führt eine vom Fahrer veranlaßte Schwenkbewe­ gung des Steuerknüppels 1 über die hydraulische oder mechanische Kopplung zu einer entsprechenden Bewegung der Spurstange 9 und damit zu der gewünschten Lenkbewegung für die Räder 10a, 10b.

Je nach Anwendungsfall kann eine Rückmeldung weiterer fahrdyna­ mischer Größen zum Steuerknüppel 1 vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das zu lenkende Fahrzeug nicht über eine selbsttätig querdynamisch stabilisierende Ein­ richtung verfügt, sondern diese Stabilisierungsaufgabe vom Fah­ rer übernommen werden muß. Als weiteres Beispiel einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung kann die funktionale Abhängigkeit des Lenkwinkel-Sollwertes von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit auch dadurch realisiert werden, daß die Längsgeschwindigkeitsinforma­ tion direkt auf das Lenkgetriebe gegeben und dort herkömmliche Mittel vorgesehen werden, welche die Lenkübersetzung des Getrie­ bes in Abhängigkeit von der zugeführten Geschwindigkeitsinforma­ tion verändern. In diesem Fall überlagern sich die Einflüsse der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit einerseits und der auf den Steuer­ knüppel 1 ausgeübten Betätigungskraft andererseits nicht schon wie gezeigt im Lenkwinkel-Sollwertgeber, sondern erst im Lenkge­ triebe selbst. Des weiteren versteht es sich, daß für die erfin­ dungsgemäße Einrichtung neben dem gezeigten Steuerknüppel auch andersartige Bedienelemente verwendbar sind, z. B. ein Lenkrad, das nicht mechanisch starr mit den zu lenkenden Fahrzeugrädern gekoppelt ist.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges, mit

• - einem benutzerbetätigbaren Bedienelement (1),
• - einer Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik (6) und
• - einer Lenkwinkelstelleinrichtung (4, 5, 7, 8, 9), die derart mit der Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik und dem Bedienelement gekoppelt ist, daß der Lenkwinkel-Sollwert in Abhängigkeit von der auf das Bedienelement ausgeübten Betätigungskraft und der sensierten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vorgegeben wird,
  gekennzeichnet durch
• - Bedienelementauslenkungsmittel (11 bis 16), welche das Bedienelement (1) entsprechend dem jeweils vorliegenden Lenkwinkel-Istwert auslenken.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Lenkwinkelstelleinrichtung (4, 5, 7, 8, 9) einen an das Bedienelement (1) angekoppelten Kraftsensor (4), einen vom Ausgangssignal des Kraftsensors und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik (6) beaufschlagten Lenkwinkel-Sollwertgeber (5), eine dem Lenkwinkel-Sollwertgeber nachgeschaltete Lenkungssteuereinheit (7) und eine von letzterer angesteuerte Lenkgetriebeeinheit mit aktuatorbetätigtem Getriebe (8) und an die lenkbaren Fahrzeugräder (10a, 10b) angekoppelter Spurstange (9) umfaßt und
• - die Bedienelementauslenkungsmittel (11 bis 16) eine die Bewegung der Spurstange (9) erfassende Spurstangen-Wegsensorik (12) und eine Bedienelement-Auslenkeinheit (15) umfassen, wobei letztere das Bedienelement (1) entsprechend der von der Spurstangen-Wegsensorik erfaßten Spurstangenbewegung auslenkt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Spurstangen-Wegsensorik von einer hydraulischen Kolben-/Zy­ linder-Wegmeßeinheit (11 bis 13) und die Bedienelement-Auslenk­ einheit von einer hydraulischen Kolben-/Zylinder-Aktuatoreinheit (15, 16) gebildet sind, die untereinander über zugehörige Hy­ draulikleitungen (14a, 14b) gekoppelt sind.