DE3602031C2 - Allrad-Lenkeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Allrad-Lenkeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Diese Lenkein­ richtung eignet sich zur variablen Steuerung des Ein­ schlagwinkels der Hinterräder abhängig von dem Einschlag­ winkel der Vorderräder.

Aus der DE 31 45 618 A1 ist eine derartige Allrad-Lenkvor­ richtung bekannt. Das Hinterradpaar wird hier um einen Winkel δ_r ausgelenkt, der in einem Verhältnis k zu dem Winkel δ_f steht, um den das Vorderradpaar ausgelenkt wird. Das Verhältnis k (Einschlagwinkelverhältnis) ist durch (A-B·V²)/(C-D·V²) gegeben. V steht hierbei für die ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit und A, B, C und D sind vorbestimmte Parameter. Der Winkel δ_f ist durch e·δ_fD/(1+k) gegeben, wobei δ_fD der Winkel ist, um den das Lenkrad ausgelenkt wird und e eine Konstante. Die Steuer­ einheit dieses Systems spricht auf Signale an, welche die Fahrzeuggeschwindigkeit V und den Lenkwinkel δ_fD von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor bzw. von einem vorderen Lenkwinkelsensor erhält, um ein Hinterradsteuersignal zu erzeugen, welches den Winkel δ_r darstellt, um den das Hinterradpaar zu lenken ist. Bei dieser Allrad-Lenkeinrich­ tung werden demnach der Einschlagwinkel des Vorderradpaares und der des Hinterradpaares in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel δ_fD und der Geschwindigkeit V gesteuert.

Es wurden bereits mehrere Allrad-Lenkeinrichtungen ins­ besondere für Vierradfahrzeuge entwickelt. Die JP 55-91457 A beschreibt beispielsweise eine Allrad-Lenkein­ richtung, bei der die Hinterräder in Abhängigkeit vom Einschlagen der Vorderräder mit übereinstimmender Phasen­ beziehung im Hochgeschwindigkeitsbereich und mit ent­ gegengesetzter Phasenbeziehung im Niedergeschwindigkeits­ bereich eingeschlagen werden. Das Einschlagwinkelver­ hältnis ist eine stetige Funktion der Fahrgeschwindigkeit, wie es beispielsweise in Fig. 5 bei Q gezeigt ist.

Somit erfolgt eine kontinuierliche Steuerung des Ein­ schlagwinkelverhältnisses entsprechend dieser stetigen Funktion Q, so daß die Arbeitsweise der Lenkeinrichtung bei hoher und niedriger Fahrgeschwindigkeit zufrieden­ stellend ist. Insbesondere sind der minimale Drehwinkel und die Innenradiusdifferenz des Fahrzeugs drastisch verringert, und die Manövrierfähigkeit insbesondere bei niederer Geschwindigkeit, beim Fahren in eine Garage, durch schmale und kurvige Straßen und bei einer Umkehr­ kurve wird wesentlich verbessert, wobei der zusätzliche Vorteil auftritt, daß das Fahrzeug im Bereich hoher Ge­ schwindigkeit eine bessere Richtungsstabilität aufweist.

Durch Steuerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinterräder entsprechend der mathematischen Funktion f(u)=(A-Bu²)/(C-Du²) wie es in der DE 31 45 618 A1 oder der JP 57-11173 A vorgeschlagen wird, ist es theoretisch möglich, den Schlupf­ winkel des Fahrzeugs auf 0 zu verringern, und das Fahr­ zeug kann längs der Tangente eines Kreises fahren, der den Kurvenmittelpunkt als Mittelpunkt hat, wodurch die Belastung des Fahrers wirksam verringert werden kann. Auch wird die Phasenverzögerung beim Ansprechen des Fahrzeugs auf seitliche Beschleunigung dadurch verrin­ gert, was zur Verbesserung des Fahrverhaltens beiträgt.

Die vorstehend genannte mathematische Funktion ist je­ doch aufgrund der Annahme abgeleitet, daß das Fahrzeug eine stetige Kurve bei konstantem Radius und konstanter Geschwindigkeit fährt. Tatsächlich kurvt das Fahrzeug jedoch mit Beschleunigung oder Verzögerung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Fahrer beim Fahren einer kurvigen Straße bei relativ hoher Geschwindigkeit nor­ malerweise die Stärke der nächsten Kurve abschätzt und die Fahrgeschwindigkeit entsprechend einstellt. In vie­ len Fällen muß er jedoch nach dem Eintreten in die Kurve die Fahrgeschwindigkeit korrigieren.

Die Erfinder konnten experimentell klären, daß bei Steuerung des Einschlagwinkelverhältnisses im Sinne einer Verringerung des Schlupfwinkels auf den Wert 0 bei Voraussetzung konstanter Fahrgeschwindigkeit ein gewünschtes Ergebnis nicht unbedingt eintritt. Das Fahrzeug neigt bei Verzögerung zum Verengen der Kurve, und bei Beschleunigung führt die Bahn des Fahrzeugs aus der Kurve heraus. Es hat sich ferner gezeigt, daß das Fahrverhalten drastisch verbessert werden kann, wenn die Beschleunigung oder die Änderungsrate der Fahrgeschwin­ digkeit berücksichtigt wird.

Im Hinblick auf diese Probleme besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Lenkeinrichtung anzugeben, mit der das Fahrverhalten verbessert wird, indem die Eigenschaften der Einschlagwinkelverhältnisfunktion bei der Vorder- und Hinterradlenkung unter Berücksichtigung der Fahrzeug­ beschleunigung bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch Berücksichtigung nicht nur der Fahrgeschwindigkeit, sondern auch der Änderungsrate der Fahrgeschwindigkeit bei der Bestimmung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinterräder bei einer Allrad-Lenkeinrichtung wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs drastisch verbessert.

Gemäß einer Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist die Funktion f(u)=(A-Bu²)/(C-Du²), wobei A, B, C und D Kon­ stanten sind, die von den Spezifikationen des Fahrzeugs abhängen.

Dadurch kann der Schlupfwinkel des Fahrzeugs unabhängig von der Beschleunigung des Fahrzeugs auf 0 verringert werden. Ferner kann die Funktion g(u′) mit gewünschter Genauigkeit so gewählt werden, daß das gewünschte Fahr­ verhalten erzielt wird, ohne die Steuereinrichtung un­ zweckmäßig zu komplizieren. Ist beispielsweise g(u′)=Ku′, wobei K eine bestimmte Konstante ist, so wird die Steuerung extrem vereinfacht, wobei sich jedoch eine ausreichende Verbesserung des Fahrverhaltens bei Be­ schleunigung und Verzögerung ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Grundkon­ struktion einer Allrad-Lenkeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Hinterradlenkung für das in Fig. 1 gezeigte Aus­ führungsbeispiel

Fig. 3a, b und c Seitenansichten der Hinterradlenkung nach Fig. 2 zur Darstellung der Arbeitsweise,

Fig. 4 ein Schema der Steuereinrichtung der Erfindung,

Fig. 5 einen Graphen, der die Beziehung zwischen Fahrzeug­ geschwindigkeit und Einschlagwinkelverhältnis veranschaulicht.

In Fig. 1 ist eine Lenkwelle 2 mit einem Lenkrad 1 dar­ gestellt, die an ein Zahnstangen-Lenkgetriebe 3 ange­ schlossen ist. Zwei Spurstangenteile 5 sind mit den bei­ den Enden einer Zahnstange 4 verbunden, die in ein nicht dargestelltes Ritzel am unteren Ende der Lenkwelle 2 eingreift. An den äußeren Enden der Spurstangenteile 5 sind zwei Spurhebel 6 befestigt, die die Vorderräder 7 so tragen, daß diese in der durch die Drehung des Lenk­ rades 1 bestimmten Richtung in bekannter Weise einge­ schlagen werden.

Eine Ritzelwelle 8 verläuft vom Lenkgetriebe 3 nach rückwärts, und eine Gelenkwelle 10 ist mit dem hinteren Ende der Ritzelwelle 8 über ein Kreuzgelenk 9 verbunden. Die Ritzelwelle 8 ist mit einem nicht dargestellten Rit­ zel versehen, welches in die Zahnstange 4 eingreift. Eine Antriebswelle 12 (Fig. 2) ist mit dem hinteren Ende der Gelenkwelle 10 über ein weiteres Kreuzgelenk 11 ver­ bunden. Diese Antriebswelle 12 ist auf der Längsmittel­ linie des hinteren Fahrzeugteils angeordnet und in einer Halterung 13 drehbar gelagert, wie Fig. 2 zeigt.

Eine Schwingwelle 15, die in Fig. 2 deutlicher darge­ stellt ist, ist mit dem hinteren Ende der Antriebswelle 12 über eine Gabel 14 verbunden, und ein Verbindungs­ element 16 ist lose über einem mittleren Abschnitt der Schwingwelle 15 angeordnet. Die beiden seitlichen Enden des Verbindungselements 16 sind mit Spurstangenteilen 25 über Kugelgelenke 26 verbunden, und das Verbindungs­ element 16 ist am mittleren Abschnitt eines Arms 17 ge­ halten, der sich in Querrichtung des Fahrzeugs erstreckt.

Ein Ende des Arms 17 ist mit dem Fahrzeugkörper über ein Gelenkelement 18 und eine Aufhängung 19 verbunden, wäh­ rend das andere Ende des Arms 17 mit dem Fahrzeugkörper über Gelenkelemente 20 und 21 und eine Aufhängung 22 so verbunden ist, daß der Arm 17 in einer vertikalen Ebene quer zur Längsrichtung des Fahrzeugs schwingen kann. Eine Schwenkachse 23 des Gelenkelements 21 an der Auf­ hängung 22 kann einstückig mit dem Gelenkelement 21 drehen. Die Außenenden der Spurstangenteile 25 sind mit Spurhebeln 28 verbunden, die die Hinterräder 27 tragen, wie Fig. 1 zeigt.

Ein Motor 31 ist an einem Teil des Fahrzeugkörpers beim anderen Ende des Arms 17 montiert, und eine Abtriebs­ welle des Motors 31 ist mit einer Schnecke 32 versehen, die wiederum in ein Zahnsegment 24 eingreift, welches auf der Schwenkachse 23 des Gelenkelements 21 befestigt ist. Somit bewirkt eine Drehung des Motors 31 die Drehung des Arms 17. Das Fahrzeug ist ferner mit einem Rechner 33 ausgerüstet, der Signale von einem Fahrgeschwindigkeits­ sensor 34 und einem Positionssensor 35 empfängt, welcher die Position der Schwenkachse 23 des Gelenkelements 21 auswertet und ein entsprechendes Steuersignal an den Rechner 33 abgibt, so daß die Drehung des Motors 31 ab­ hängig von der Fahrgeschwindigkeit gesteuert werden kann.

Wenn der Schwenkpunkt P des Verbindungselements 16 mit der Mitte O der Antriebswelle 12 zusammenfällt, wie es in Fig. 3a dargestellt ist, so drehen sich die Antriebs­ welle 12 und die Schwingwelle 15 koaxial, weshalb das Verbindungselement 16 nicht seitlich schwingen kann und die Spurstangenteile 25 stationär bleiben, so daß nur die Vorderräder 7 eingeschlagen werden, jedoch nicht die Hinterräder 27, wie dies bei einem Fahrzeug herkömmlicher Art der Fall ist.

Wenn das Gelenkelement 21 durch die Drehung des Motors 31 über die Schnecke 32 und das Zahnsegment 24 abwärts gedreht wird, so neigt sich der Arm 17 mit seinem linken Ende abwärts, wie es in Fig. 3b gezeigt ist. Durch diese Neigung des Arms 17 befindet sich der Schwenkpunkt P un­ ter der axialen Mitte O, und wenn die Antriebswelle 12 beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn um einen Winkel θ gedreht wird, so bewegen sich die Spurstangenteile 25 nach rechts, wie es in Fig. 3b gestrichelt gezeigt ist. Die Hinterräder 27 werden dann entgegengesetzt zur Ein­ schlagrichtung der Vorderräder 7 eingeschlagen.

Wenn das Gelenkelement 21 durch gegenläufige Drehung des Motors 31 aufwärts gedreht wird, so neigt sich der Arm 17 mit seinem linken Ende aufwärts, wie es in Fig. 3c gezeigt ist. Durch diese Neigung des Arms 17 befindet sich der Schwenkpunkt P über der axialen Mitte O, und wenn die Antriebswelle 12 beispielsweise im Gegenuhr­ zeigersinn um den Winkel θ gedreht wird, so bewegen sich die Spurstangenteile 25 nach links entgegengesetzt zum vorherigen Fall, wie es in Fig. 3c gestrichelt ge­ zeigt ist. Dadurch werden die Hinterräder 27 in derselben Richtung wie die Vorderräder 7 eingeschlagen.

Im folgenden wird die Steuerfunktion des vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 4 und 5 erläutert.

Fig. 4 zeigt die funktionelle Struktur des Rechners 33. Das Fahrgeschwindigkeitssignal des Fahrgeschwindigkeits­ sensors 34 wird dem Rechner 33 als bestimmtes Fahrge­ schwindigkeitssignal u zugeführt. Dieses Fahrgeschwin­ digkeitssignal u wird in einem Umsetzungsprozeß (a) in ein vorbestimmtes Funktionssignal k_O=f(u) umgesetzt, welches ein vorbestimmtes Einschlagwinkelverhältnis an­ gibt. Das Fahrgeschwindigkeitssignal wird in die Ände­ rungsrate der Fahrgeschwindigkeit oder die Fahrzeugbe­ schleunigung in einem Differentiationsprozeß (b) umge­ setzt, und nach Multiplikation mit einer geeigneten Kon­ stante K wird es zu dem Funktionssignal f_O in einem Addierer (c) addiert, wodurch sich ein Einschlagwinkel­ verhältnissignal k_O ergibt. Wenn die Funktion als f(u)=(A-Bu²)/(C-Du²) gegeben ist, wobei A, B, C und D Konstanten abhängig von den Spezifikationen des Fahr­ zeugs sind, so ergibt sich der Vorteil der Verringerung des Schlupfwinkels des Fahrzeugs auf 0 unabhängig von der Größe der Fahrzeugbeschleunigung.

Der Positionssensor 35 wertet die Drehposition des Ge­ lenkelements 21 aus, die proportional dem Einschlagwin­ kelverhältnis beim aktuellen Einschlagen ist, und das Auswerteergebnis wird dem Rechner 33 als aktuelles Ein­ schlagwinkelverhältnis k_m zugeführt. Eine relative Diffe­ renz Δk=k_m-k_O ergibt sich durch einen Vergleichsprozeß (d). Diese Differenz Δk wird vom Rechner 33 einer Aus­ gabesteuerung 43 in Form von Daten zugeführt, die der Korrektur des Einschlagwinkelverhältnisses entsprechen, die erforderlich ist, um das gewünschte Einschlagwinkel­ verhaltnis zu erhalten. Der Ausgang der Ausgabesteuerung 43 ist mit dem Motor 31 verbunden und liefert an diesen ein Steuersignal s, das der Differenz Δk entspricht. Somit wird der Motor 31 in der Richtung gedreht, in der sich das Einschlagwinkelverhältnis entsprechend der laufenden Fahrgeschwindigkeit und Fahrzeugbeschleunigung ergibt.

Wie Fig. 5 zeigt, wird die Tendenz des Fahrzeugs, bei beschleunigter Kurvenfahrt nach außen zu driften, durch Verringerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinter­ räder gleichphasig mit den Vorderrädern gesteuert, und die Tendenz des Fahrzeugs, bei verzögerter Kurvenfahrt nach innen zu driften, wird durch Erhöhung des Einschlag­ winkelverhältnisses der Hinterräder gesteuert. In Fig. 5 entspricht die Kurve Q dem Einschlagwinkelverhältnis für die Änderungsrate 0 der Fahrgeschwindigkeit, während die Kurve P ein vergrößertes Einschlagwinkelverhältnis in­ folge der Beschleunigung des Fahrzeugs zeigt. Die Kurve R zeigt, wie das Einschlagwinkelverhältnis durch Ver­ zögerung des Fahrzeugs verringert wird.

Somit führt die Erfindung zu dem beachtlichen Vorteil eines guten Fahrverhaltens, auch wenn das Fahrzeug in der Kurvenfahrt verzögert oder beschleunigt wird, insbeson­ dere im Hochgeschwindigkeitsbereich. Daher wird das Fahr­ verhalten des Fahrzeugs komfortabler und weniger ermüdend zusätzlich zu dem Vorteil der Allradlenkung, die bei hoher Geschwindigkeit zu einem verbesserten Fahrverhalten und bei niedriger Geschwindigkeit zu einer verbesserten Manövrierfähigkeit führt.

Claims (5)

1. Allrad-Lenkeinrichtung für Fahrzeuge zur variablen Steuerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinterräder relativ zu den Vorderrädern entsprechend der Fahrgeschwindigkeit mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinterräder als mathematische Funktion der Fahrgeschwindigkeit u, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der Beziehung f(u)-g(u′) genügt, wobei u′ die Änderungsrate der Fahrgeschwindigkeit und g(u′) eine monoton ansteigende Funktion von u′ ist.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß f(u)=(A-Bu²)/(C-Du²) ist, wobei A, B, C und D Konstanten sind, die von Spezifikationen des Fahrzeugs abhängen.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß g(u′)=Ku′ ist, wobei K eine bestimmte Konstante ist.

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß g(u′) eine stetige Funktion von u′ ist.

5. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß g(u′) gleich einer von mehreren Konstanten für jeden Bereich des Wertes von u′ ist.