DE19923012A1 - Lenkvorrichtung und Lenkverfahren - Google Patents
Lenkvorrichtung und LenkverfahrenInfo
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Abstract
Es wird eine Lenkvorrichtung und ein Lenkverfahren vorgeschlagen, welche einer häufigen Fehlreaktion von ungeübten Fahrern entgegenwirken. Die Erfindung weist eine Einrichtung (12, 14, 6) zur Ermittlung eines an den lenkbaren Rädern (2) auftretenden Querschlupfs auf. In einer elektronischen Steuereinrichtung (6) ist ein oberer Grenzwert für den Querschlupf ermittelbar, oberhalb dessen einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegengewirkt wird. Dies kann durch Begrenzung des Einschlagwinkels und/oder durch ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal bewirkt werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein
Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches so
wie ein Verfahren zum Betrieb der Lenkvorrichtung.
In vielen Fällen weist eine Lenkvorrichtung für ein
Kraftfahrzeug mit lenkbaren Rädern neben einem vom Fahrer
betätigbaren Lenkorgan einen Aktuator für den Einschlagwin
kel der lenkbaren Räder auf. Als Aktuatoren werden elektri
sche oder hydraulische Hilfskrafteinrichtungen parallel zu
einer mechanischen Übertragungseinrichtung oder bei soge
nannten "Steer-by-wire"-System als ausschließliche Stell
glieder eingesetzt.
Ein solches "Steer-by-wire"-System umfaßt üblicherwei
se auch eine elektronische Steuereinrichtung und ist bei
spielsweise aus der DE-OS 196 32 251 bekannt.
Die Mehrzahl der modernen Fahrzeuge ist im Kurven
grenzbereich untersteuernd ausgelegt. Bei Annäherung an den
Kurvengrenzbereich tritt zuerst an den eingelenkten Vorder
rädern ein Querschlupf auf, so daß das Fahrzeug über die
Vorderräder schiebt und verzögert. Ein weiterer Radein
schlag führt lediglich zu verstärktem Abbremsen, wobei je
doch die Querbeschleunigung abnimmt. Ein geübter Fahrer
erkennt das Untersteuern und lenkt nur so weit ein, wie die
jeweilige Fahrsituation es zuläßt.
Viele ungeübte Fahrer reagieren jedoch in einer sol
chen Situation falsch. Beispielsweise aus dem Wunsch, einem
Hindernis auszuweichen, lenken sie immer weiter ein mit dem
Ergebnis, daß das Fahrzeug zwar verzögert, nicht jedoch dem
gewünschten Kurvenradius folgt. Diese Fehlreaktion ist bei
wechselndem Fahrbahnzustand besonders kritisch: Wird bei
spielsweise auf glatter Fahrbahn in der beschriebenen Weise
voll eingelenkt und finden die Vorderräder auf einem grif
figen Fahrbahnabschnitt plötzlich wieder Halt, kann das
Fahrzeug außer Kontrolle geraten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenk
vorrichtung und ein Lenkverfahren zu schaffen, welche auch
ungeübte Fahrer unterstützen, die beschriebene Fehlreaktion
zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Lenkvorrichtung mit
den Merkmalen des Hauptanspruchs und ein Lenkverfahren zum
Betrieb der Lenkvorrichtung nach dem ersten Verfahrensan
spruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale
der übrigen Unteransprüche gegeben.
Nach der Erfindung ist eine Einrichtung zur Ermittlung
eines an den lenkbaren Rädern auftretenden Querschlupfs
vorgesehen. In der elektronischen Steuereinrichtung ist ein
oberer Grenzwert für den Querschlupf ermittelbar, welcher
mit dem Wert des ermittelten Querschlupfs verglichen wird.
Es ist mindestens ein Mittel vorgesehen, welches dazu
dient, einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels
entgegenzuwirken, wenn der ermittelte Querschlupf größer
als der obere Grenzwert ist. Als Maß für den auftretenden
Querschlupf kann beispielsweise der Schräglaufwinkel ver
wendet werden. Dieser kann in der elektronischen Steuerein
richtung aus bei in Fahrzeugen mit elektronischer Fahrdyna
mikregelung ohnehin vorhandenen Signalen eines Gierraten
sensors, von Radstellungssensoren und der Fahrzeuggeschwin
digkeit berechnet werden. Der Grenzwert für den Querschlupf
ist im einfachsten Fall ein vorgebbarer Festwert, der in
der elektronischen Steuereinrichtung gespeichert ist. Es
ist jedoch auch möglich, den Grenzwert dynamisch abhängig
von Fahrzustandsparametern, wie Geschwindigkeit, zu ermit
teln. Ist der tatsächlich auftretende Querschlupf bzw. der
Schräglaufwinkel größer als der obere Grenzwert, wird dar
auf geschlossen, daß eine Fehlreaktion des Fahrers vor
liegt, der zu weit einlenkt. Für diesen Fall ist mindestens
ein Mittel vorgesehen, welches dazu dient, einer weiteren
Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegenzuwirken. Vor
teilhaft dabei ist, daß der Fahrer dabei unterstützt wird,
seine Fehlreaktion zu vermeiden, womit die Fahrsicherheit
erhöht wird.
Ein zu großer Einschlagwinkel kann zuverlässig verhin
dert werden, wenn das Mittel, welches einer weiteren Ver
größerung des Einschlagwinkels entgegenwirkt, der Aktuator
für den Einschlagwinkel ist, wobei die elektronische Steu
ereinrichtung den Stellweg des Aktuators nach oben be
grenzt.
Ein weniger starker Eingriff in die Lenkfunktion er
folgt, wenn ein von der elektronischen Steuereinrichtung
angesteuerter Warnsignalgenerator vorgesehen ist, welcher
ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal erzeugt, wenn der
ermittelte Querschlupf größer ist als der obere Grenzwert.
Bei Lenkvorrichtungen ohne mechanische Verbindung zwi
schen Lenkorgan und Aktuator ist üblicherweise ein Lenkor
ganaktuator vorgesehen, welcher die vom Fahrer wahrnehmbare
Lenkkraft erzeugt. Vorteilhaft ist, diesen Lenkorganaktua
tor als Warnsignalgenerator zu verwenden. Hiermit wird ein
Lenkverfahren ermöglicht, bei welchem vom Lenkorganaktuator
eine erhöhte Lenkkraft erzeugt wird, wenn der ermittelte
Querschlupf größer ist als der obere Grenzwert. Der Fahrer
spürt eine sehr deutliche Rückmeldung, wenn die erzeugte
Lenkkraft beim Überschreiten des oberen Grenzwertes sprung
haft um einen vorgebbaren Betrag ansteigt. Alternativ oder
zusätzlich zur erhöhten Lenkkraft kann vom Lenkorganaktua
tor ein Vibrieren des Lenkorgans erzeugt werden. Ähnlich
wie bei einer ABS-Bremsung, bei der das Bremspedal vi
briert, wird dem Fahrer von einem vibrierenden Lenkrad ver
mittelt, daß er sich in einem Grenzbereich der Reifenhaf
tung befindet. Es versteht sich von selbst, daß die ver
schiedenen Warnsignale miteinander kombiniert werden können
oder daß auch andere Warnsignalgeneratoren vorgesehen wer
den können, die akustisch oder optisch wirken.
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die bei
liegende Figur näher erläutert.
In der schematischen Darstellung sind mit 2 die lenk
baren Vorderräder eines Fahrzeugs und mit 3 die Hinterräder
bezeichnet. Die dargestellte Lenkvorrichtung ist eine soge
nannte "Steer-by-wire"-Lenkung, ohne mechanische Koppelung
von Lenkorgan 4 und den lenkbaren Rädern 2. Die Lenkstel
lung des Lenkorgans, welches als Lenkrad 4 ausgebildet ist,
wird von dem Lenkwinkelsensor 18 erfaßt. Dessen Ausgangssi
gnal wird auf die elektronische Steuereinrichtung 6 gelei
tet. Von dieser aus erfolgt die Ansteuerung der Aktuato
ren 8 für den Einschlagwinkel α der lenkbaren Räder. In der
darstellten Ausführungsform ist für jedes der lenkbaren
Vorderräder 2 ein Aktuator 8 vorgesehen. Jeder Aktuator 8
weist einen Stellmotor 20 auf, der über ein Ritzel 22 eine
axial verschiebbare Zahnstange 24 antreibt. Die Axialbewe
gung der Zahnstange 24 wird über eine Stange 26 auf einen
Anlenkpunkt 28 der Radaufhängung übertragen, welcher von
der für die Lenkbewegung maßgeblichen Drehachse 30 beab
standet ist. Selbstverständlich sind für die Erfindung
grundsätzlich auch andere bekannte Ausgestaltungen von Ak
tuatoren verwendbar.
Der Sensor 12 erfaßt die Stellposition des Aktuators.
Das Ausgangssignal wird auf die elektronische Steuerungs
einrichtung 6 zurückgeführt, so daß dort der Radeinschlag
winkel ermittelt bzw. eine Regelung des Radeinschlagwinkels
vorgenommen werden kann.
Der Lenkorganaktuator 16 wird ebenfalls von der elek
tronischen Steuerungseinrichtung angesteuert und ist in
trieblicher Verbindung mit dem Lenkrad 4. Der Lenkorganak
tuator 16 erzeugt die vom Fahrer zu überwindende Lenkkraft
bzw. das am Lenkrad anstehende Lenkmoment. Mit 14 ist
schließlich noch ein Gierratensensor bezeichnet, dessen
Ausgangssignal ebenfalls auf die elektronische Steuerein
richtung 6 geleitet ist. Der Gierratensensor 14 dient zur
Ermittlung des an den lenkbaren Rädern 2 auftretenden Quer
schlupfs bzw. des dort auftretenden Schräglaufwinkels. Aus
dem Radeinschlagwinkel α, welcher mit dem Stellungssen
sor 12 ermittelt wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeit läßt
sich die Gierrate des Fahrzeugs dann ermitteln, wenn kein
Querschlupf an den lenkbaren Rädern 2 auftritt. Ist die so
ermittelte Gierrate kleiner als die mit dem Sensor 14 ge
messene Gierrate, so kann bei einem untersteuernd ausgeleg
ten Fahrzeug darauf geschlossen werden, daß ein Querschlupf
an den Vorderrädern auftritt. Die Differenz der beiden Wer
te ist ein Maß für den Querschlupf bzw. für den Schräglauf
winkel.
Jede andere Möglichkeit, den Querschlupf an den lenk
baren Rädern hinreichend genau zu ermitteln, z. B. mit op
tischen, auf die Fahrbahn gerichteten Sensoren, ist eben
falls für die Erfindung verwendbar.
Im Fahrbetrieb wird der tatsächlich auftretende Quer
schlupf bzw. der tatsächlich auftretende Schräglaufwinkel
laufend ermittelt und in der elektronischen Steuerungsein
richtung mit dem oberen Grenzwert für den Querschlupf, wel
cher vorgebbar oder abhängig von bestimmten Fahrzustandspa
rametern ermittelbar ist, verglichen. Solange der tatsäch
liche Querschlupf kleiner als der Grenzwert ist, funktio
niert die Lenkvorrichtung in bekannter Weise. Wird der obe
re Grenzwert jedoch überschritten, so wird darauf geschlos
sen, daß ein ungewolltes Fehlverhalten des Fahrers vor
liegt, und es werden Mittel eingesetzt, welche dazu dienen,
einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegen
zuwirken.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird direkt der
Stellweg des Aktuators 8 nach oben begrenzt. Dies kann
z. B. durch eine Regelung derart geschehen, daß der Radein
schlagwinkel so lange verkleinert wird, bis der tatsächli
che Querschlupf wieder kleiner als der obere Grenzwert ist.
Sobald dies der Fall ist, wird eine Vergrößerung des Ein
schlagwinkels wieder zugelassen, sofern diese vom Fahrer
noch gewünscht ist. Eine Regelschwingung um den Radein
schlagwinkel, bei dem der auftretende Querschlupf gleich
dem oberen Grenzwert ist, mit relativ kleiner Amplitude,
kann durchaus erwünscht sein, wird doch hierdurch das von
Rennfahrern praktizierte "Sägen" am Lenkrad simuliert.
Hierbei kann der Lenkorganaktuator 16 dem Lenkrad 4 eine
der Veränderung der Radeinschlagwinkel entsprechende Bewe
gung aufprägen. Da hierzu jedoch erhebliche Kräfte notwen
dig sind, die auch vom Fahrer unter Umständen nicht akzep
tiert würden, ist es vorteilhafter, die Bewegung des Aktua
tors 8 bzw. der Aktuatoren von der Bewegung des Lenkrades
in gewissem Maße zu entkoppeln. Dem Fahrer kann haptisch
durch eine erhöhte Lenkkraft und/oder ein Vibrieren des
Lenkrades mitgeteilt werden, daß die Lenkwinkelbegrenzung
aktiv ist.
Diese Variante sieht also vor, daß das Fehlverhalten
des Fahrers korrigiert wird, worüber der Fahrer dann ledig
lich eine Rückmeldung erhält. Die zweite Variante, bei wel
cher dem Fahrer beim Überschreiten des oberen Grenzwertes
für den Querschlupf lediglich ein Warnsignal übermittelt
wird, bezieht den Fahrer in den Regelkreis mit ein. Es er
folgt keine direkte Begrenzung des Einschlagwinkels durch
Ansteuerung der Aktuatoren. Vielmehr wird dem Fahrer durch
das Warnsignal der Hinweis gegeben, den Einschlagwinkel
durch Betätigung des Lenkorgans 4 wieder zu verkleinern.
Das beschriebene Lenkverfahren eignet sich insbesonde
re für "Steer-by-wire"-Systeme. Bei herkömmlichen, hilfs
kraftunterstützten hydraulischen oder elektrischen Lenkun
gen mit starrer mechanischer Verbindung zwischen Lenkorgan
und lenkbaren Rädern kann die Erfindung ebenfalls verwendet
werden. Zwar ist hier keine Entkoppelung der Bewegung von
Lenkrad und gelenkten Rädern möglich, jedoch ist es auch
hier möglich, ein für den Fahrer wahrnehmbares Warnsignal
zu erzeugen. Beispielsweise kann die Servounterstützung
beim Überschreiten des oberen Grenzwertes durch einen Ein
griff in die hydraulische oder elektrische Ansteuerung
entsprechend verringert werden.
Bei der dargestellten Lenkvorrichtung ist für jedes
lenkbare Rad 2 ein Aktuator 8 vorgesehen. Sofern der Quer
schlupf für jedes gelenkte Rad individuell ermittelt wird,
ist es möglich, den Stellweg jedes Aktuators individuell
nach oben zu begrenzen, wenn der ermittelte Querschlupf an
dem jeweiligen Rad größer ist als der obere Grenzwert. Dies
ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn der obere
Grenzwert für den Querschlupf, abhängig vom aktuellen
Bremszustand bzw. vom aktuellen Längsschlupf, ermittelt
wird. In diesem Fall werden vorteilhaft einem höheren
Längsschlupf größere Grenzwerte für den Querschlupf zuge
ordnet, um auch bei Vollbremsungen eine Lenkbarkeit des
Fahrzeugs zu gewährleisten.
2
lenkbare Räder
3
Hinterräder
4
Lenkorgan
6
elektronische Steuereinrichtung
8
Aktuator
12
Sensor
14
Gierratensensor
16
Lenkorganaktuator
18
Lenkwinkelsensor
20
Stellmotor
22
Ritzel
24
Zahnstange
26
Stange
28
Anlenkpunkt
30
Drehachse
Claims (9)
1. Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit lenkbaren
Rädern (2), mit einem von einem Fahrer gegen die Wirkung
einer Lenkkraft bzw. eines Lenkmoments betätigbaren Lenkor
gan (4), mindestens einem auf die lenkbaren Räder (2) wir
kenden, von einer elektronischen Steuereinrichtung (6) be
einflußbaren Aktuator (8) für den Einschlagwinkel der lenk
baren Räder, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (12, 14, 6) zur Ermittlung eines an den
lenkbaren Rädern (2) auftretenden Querschlupfs vorgesehen
ist, daß in der elektronischen Steuereinrichtung (6) ein
oberer Grenzwert für den Querschlupf ermittelbar ist und
daß mindestens ein Mittel (16, 8) vorgesehen ist, welches
dazu dient, einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwin
kels entgegenzuwirken, wenn der ermittelte Querschlupf grö
ßer ist als der obere Grenzwert.
2. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Mittel, welches einer
weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegenwirkt,
der Aktuator (8) für den Einschlagwinkel ist, wobei die
elektronische Steuereinrichtung (6) den Stellweg des Aktua
tors (8) bzw. der Aktuatoren (8) nach oben begrenzt, wenn
der ermittelte Querschlupf größer ist als der obere Grenz
wert.
3. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Mittel, welches
einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegen
wirkt, ein Warnsignalgenerator (16) ist, welcher von der
elektronischen Steuereinrichtung angesteuert wird, und der
ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal erzeugt, wenn der
ermittelte Querschlupf größer ist als der obere Grenzwert.
4. Lenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Warnsignalgenerator ein
Lenkorganaktuator (16) ist, welcher bei Lenkvorrichtungen
ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkorgan (4) und Ak
tuator (8) dem Fahrer die Lenkkraft vermittelt.
5. Lenkverfahren für eine Lenkvorrichtung nach An
spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom
Lenkorganaktuator (16) eine erhöhte Lenkkraft erzeugt wird,
wenn der ermittelte Querschlupf größer ist als der obere
Grenzwert.
6. Lenkverfahren nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erzeugte Lenkkraft beim
Überschreiten des oberen Grenzwertes sprunghaft um einen
vorgebbaren Betrag ansteigt.
7. Lenkverfahren für eine Lenkvorrichtung nach An
spruch 4 oder Lenkverfahren nach einem der Ansprüche 5
oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß vom
Lenkorganaktuator ein Vibrieren des Lenkorgans erzeugt
wird, wenn der ermittelte Querschlupf größer ist als der
obere Grenzwert.
8. Lenkverfahren für eine Lenkvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 4 oder Lenkverfahren nach einem der
Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet
daß der obere Grenzwert für den Querschlupf abhängig von
einem aktuellen Bremszustand ermittelt wird, wobei einem
höheren Längsschlupf größere Grenzwerte für den Querschlupf
zugeordnet werden.
9. Lenkverfahren für eine Lenkvorrichtung nach An
spruch 2 oder Lenkverfahren nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Querschlupf für
jedes gelenkte Rad individuell ermittelt wird, daß jedes
gelenkte Rad von einem separaten Aktuator betätigt wird und
daß die elektronische Steuereinrichtung den Stellweg jedes
Aktuators individuell nach oben begrenzt, wenn der ermit
telte Querschlupf an dem jeweiligen Rad größer ist als der
obere Grenzwert.
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