DE3602033C2 - Allrad-Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Allrad-Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 31 45 618 A1 ist eine Allrad-Lenkeinrichtung dieser Art für ein Radfahrzeug bekannt, das ein Paar steu­ erbare Straßenhinterräder, ein Paar steuerbare Straßenvor­ derräder und ein Lenkrad zur Steuerung einer an das Vor­ derradpaar angelegten Lenkkraft aufweist, wobei das Hinter­ radpaar um einen Winkel δr ausgelenkt wird, der in einem Verhältnis k zu dem Winkel δf steht, um den das Vorderrad­ paar gelenkt wird, und wobei das Verhältnis k gegeben ist durch

(A-B·V²)/(C-D·V²)

worin V die festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit und A, B, C und D vorbestimmte Parameter sind und δ gegegeben ist durch

e·δf_D/(1 + k)

worin δf_D derjenige Winkel ist, um den das Lenkrad gedreht wird, und e eine Konstante ist.

Aus der prioritätsälteren, aber nicht vorveröffentlichten DE 34 46 881 A1 ist ein Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem Vorderrad und einem Hinterrad bekannt, bei dem das Hinterrad in Relation zu einer Lenkoperation des Vorderrads lenkbar ist, derart, daß eine Verhältnissteuerung eines Lenkwinkelverhältnisses des Hinterrades zum Vorderrad so bewirkt wird, daß es entsprechend einer Bewegungsgeschwin­ digkeit des Fahrzeugs variierbar ist. Das Lenksystem ist mit einer Modenauswahleinrichtung versehen, die zur ex­ klusiven Einstellung eines beliebigen von mehreren Steuer­ moden der Verhältnissteuerung manuell betätigbar ist. Das Lenksystem kann außerdem mit einer Zeitverzögerungsein­ richtung zum graduellen Bewirken der Verhältnissteuerung dann, wenn von einem der Steuermoden auf einen anderen gewechselt wird, versehen sein.

Aus der JP 55-91457 A ist eine Allrad-Lenkeinrichtung bekannt, bei der die Hinterräder in Abhängigkeit vom Ein­ schlagen der Vorderräder mit übereinstimmender Phasenbe­ ziehung im Hochgeschwindigkeitsbereich und mit entgegen­ gesetzter Phasenbeziehung im Niedergeschwindigkeitsbereich eingeschlagen werden. Das Einschlagwinkelverhältnis ist eine stetige Funktion der Fahrgeschwindigkeit. Es erfolgt eine kontinuierliche Steuerung des Einschlagwinkelverhält­ nisses entsprechend dieser stetigen Funktion, so daß die Arbeitsweise der Lenkeinrichtung bei hoher und niedriger Fahrgeschwindigkeit zufriedenstellend ist. Insbesondere sind der minimale Drehwinkel und die Innenradiusdifferenz des Fahrzeugs drastisch verringert. Dadurch ist die Ma­ növrierfähigkeit, insbesondere bei niederer Geschwindig­ keit, beim Fahren in eine Garage, durch schmale und kurvige Straßen und bei einer Umkehrkurve wesentlich verbessert, wobei der zusätzliche Vorteil auftritt, daß das Fahrzeug im Bereich hoher Geschwindigkeit eine bessere Richtungsstabi­ lität aufweist.

Aus der JP 57-11173 A ist es bekannt, durch Steuerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hinterräder entsprechend einer mathematischen Funktion den Schlupfwinkei des Fahr­ zeugs auf 0 zu verringern und das Fahrzeug längs der Tan­ gente eines Kreises zu fahren, der den Kurvenmittelpunkt als Mittelpunkt hat, wodurch die Belastung des Fahrers wirksam verringert werden kann. Auch wird die Phasenver­ zögerung beim Ansprechen des Fahrzeugs auf seitliche Be­ schleunigung dadurch verringert, was zur Verbesserung des Fahrverhaltens beiträgt. Die genannte mathematische Funk­ tion ist jedoch aufgrund der Annahme abgeleitet, daß das Fahrzeug längs einer stetigen Kurve mit konstantem Radius bei 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 normaler­ weise die Stärke der nächsten Kurve abschätzt und die Fahrgeschwindigkeit entsprechend einstellt. In vielen Fällen muß er jedoch nach dem Eintreten in die Kurve die Fahrgeschwindigkeit korrigieren. Bei Steuerung des Ein­ schlagwinkelverhältnisses. Im Sinne einer Verringerung des Schlupfwinkels auf den Wert 0 unter der Voraussetzung konstanter Fahrgeschwindigkeit neigt das Fahrzeug bei Verzögerung zum Verengen der Kurve und bei Beschleunigung führt die Bahn des Fahrzeugs aus der Kurve heraus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Allrad-Lenkeinrichtung anzugeben, mit der das Fahrverharnten verbessert wird, indem die Eigenschaften der Einschlagwinkelverhältnisfunktion bei der Vorder- und Hinterradlenkung in geeigneter Weise be­ stimmt werden. Dabei soll eine aromatische Verbesserung des Fahrverhaltens ohne irgendwelche speziellen Maßnahmen möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 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 wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs drastisch verbessert.

Gemäß einer Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist zu­ mindest eine der mathematischen Funktionen positiv im Hochgeschwindigkeitsbereich und negativ im Niederge­ schwindigkeitsbereich, so daß die Hinterräder in über­ einstimmender Phasenbeziehung mit den Vorderrädern im Hochgeschwindigkeitsbereich und mit entgegengesetzter Phasenbeziehung im Niedergeschwindigkeitsbereich einge­ schlagen werden.

Dadurch ergibt sich eine bessere Manövrierfähigkeit im Niedergeschwindigkeitsbereich und gleichzeitig ein besse­ res Fahrverhalten im Hochgeschwindigkeitsbereich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung kann eine Zeitverzögerung beim Übergang von einer mathe­ matischen Funktion zur anderen proportional der Fahr­ zeugbeschleunigung vorgesehen sein, wodurch ein glatter Übergang von einer mathematischen Funktion zur anderen erzielt wird. Diese Zeitverzögerung kann vorteilhaft in dem Antrieb zur Veränderung des Einschlagwinkelverhält­ nisses stattfinden, wodurch der Leistungsbedarf des Antriebs verringert wird.

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 Blockdiagramm der Steuerung des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Einschlagsfunk­ tionseigenschaften der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 4,

Fig. 6 ein Blockdiagramm für ein zweites Ausführungs­ beispiel und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Einschlagsfunk­ tionseigenschaften des zweiten Ausführungsbei­ spiels.

In Fig. 1 ist eine Lenkwelle 2 mit einem Lenkrad 1 darge­ stellt, die an ein Zahnstangen-Lenkgetriebe 3 angeschlos­ sen ist. Zwei Spurstangenteile 5 sind mit den beiden En­ den einer Zahnstange 4 verbunden, die in ein nicht darge­ stelltes 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 Lenkrades 1 be­ stimmten Richtung in bekannter Weise eingeschlagen wer­ den.

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 Ritzel 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 Verbindungsele­ ment 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 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 Abtriebswel­ le 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 Schenkachse 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 zu dem 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 Fahrgeschwindig­ keitssignal u wird in einem Umsetzungsprozeß (a) in ein vorbestimmtes Funktionssignal k_O = f(u) umgesetzt, welches ein vorbestimmtes Einschlagwinkelverhältnis angibt. Diese Funktion wird in einem Auswahlprozeß (c) entsprechend ei­ nem Signal für die Änderungsrate der Fahrgeschwindigkeit oder einem Beschleunigungssignal u′ ausgewählt, welches durch Differenzieren (b) des Fahrgeschwindigkeitssignals erhalten wird.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird die Funktion des Ein­ schlagwinkelverhältnisses durch die Kurve Q vorgegeben, wenn der Absolutwert der Beschleunigung in einem bestimm­ ten Bereich liegt. Wenn der absolute Wert der Beschleu­ nigung jedoch zur negativen Seite hin zunimmt, so wer­ den nacheinander die Kurven P1, P2 . . . oberhalb der Kurve Q gewählt. Wenn der Absolutwert der Beschleunigung zur positiven Seite zunimmt, so werden die Kurven R1, R2 . . . unterhalb der Kurve Q nacheinander gewählt. Die Anzahl der mathematischen Funktionen in Zuordnung zu den Kurven P1, P2 . . . und R1, R2 . . . ist beliebig und kann so groß sein, wie es der Speicherraum des Rechners 33 erlaubt. Deshalb ist es möglich, den Übergang von einer mathemati­ schen Funktion zur anderen praktisch kontinuierlich zu verwirklichen.

Der Positionssensor 35 wertet die Drehposition des Gelenk­ elements 21 aus, die proportional dem Einschlagwinkelver­ hältnis beim aktuellen Einschlagen ist, und das Auswerte­ ergebnis wird dem Rechner 33 als aktuelles Einschlagwin­ kelverhältnis k_m zugeführt. Eine relative Differenz Δk = k_m-k_O ergibt sich durch einen Vergleichsprozeß (d). Diese Differenz Δk wird vom Rechner 33 einer Ausgabe­ steuerung 43 in Form von Daten zugeführt, die der Korrek­ tur des Einschlagwinkelverhältnisses entsprechen, die er­ forderlich ist, um das gewünschte Einschlagwinkelverhält­ nis 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 ergibt.

Wie Fig. 5 zeigt, ist im Hochgeschwindigkeitsbereich das Einschlagwinkelverhältnis allgemein positiv oder gleich­ phasig, und die Tendenz des Fahrzeugs, aus der Kurve herauszudriften, wenn es beschleunigt wird, wird durch Verringerung des Einschlagwinkelverhältnisses der Hin­ terräder gleichphasig zu den Vorderrädern reduziert. Die Tendenz des Fahrzeugs, in die Kurve hineinzudriften, wenn es verzögert wird, wird durch Erhöhung des Ein­ schlagwinkelverhältnisses der Hinterräder kompensiert.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Aufbau des Rechners 33. Hierbei sind die Maßnahmen zur Veränderung der Einschlagwinkelfunktion abhängig von der Änderungsrate der Fahrgeschwindigkeit ähnlich wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel, jedoch sind hier gemäß Fig. 7 nur drei Einschlagwinkelverhältnisfunktionen P, Q und R vorgesehen.

Die Kurve Q wird für eine Beschleunigung innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgewählt; die Kurve P wird gewählt, wenn die Beschleunigung außerhalb des Bereichs zur posi­ tiven Seite liegt; die Kurve R wird gewählt, wenn die Be­ schleunigung außerhalb des Bereichs zur negativen Seite liegt. Der Absolutwert des Beschleunigungssignals /u′/, der sich durch Differentiation (b) des Fahrgeschwindig­ keitssignals u ergibt, wird einer Verzögerungsschaltung (e) zugeführt, und die Zeit, die erforderlich ist, um das durch die jeweils gewählte Funktion vorgegebene Ein­ schlagwinkelverhältnis zu erreichen, wird durch die Ver­ zögerungsschaltung (e) durch Einwirkung auf die Ausgabe 43 entsprechend der Größe der Beschleunigung verändert. Wenn der Absolutwert der Beschleunigung groß ist, so wird der durch die relevante Funktion bestimmte Einschlag­ winkel in relativ kurzer Zeit erreicht. Wenn anderer­ seits der Absolutwert der Beschleunigung klein ist, so wird der Einschlagwinkel den entsprechenden Wert ziem­ lich langsam erreichen.

Somit kann dieses Ausführungsbeispiel eine ähnliche Wir­ kung wie das zuvor beschriebene erzeugen, ohne daß der­ art viele mathematische Funktionen erforderlich sind.

Die Erfindung bietet den beachtlichen Vorteil des guten Fahrverhaltens auch bei Verzögerung oder Beschleunigung des Fahrzeugs beim Kurven insbesondere bei hoher Geschwin­ digkeit, wodurch sich ein komfortableres, ermüdungsfreie­ res und sichereres Fahren ergibt zusätzlich zu dem Vor­ teil der Allradlenkung, die das Fahrverhalten im Hochge­ schwindigkeitsbereich und die Manövrierfähigkeit im Niedergeschwindigkeitsbereich verbessert.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die verschiedenen Prozesse des Rechners 33 unter Steuerung durch ein Programm (Software) durchgeführt, das beispielsweise in einem Bereich des Speichers des Rechners 33 gespeichert ist. Es ist jedoch auch möglich anstelle eines Programms elektrische Schaltungen mit ähnlicher Funktion zur Durchführung der Prozesse zu be­ nutzen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sie kann auch auf All­ radlenkungen angewendet werden, bei denen die Vorder- und die Hinterräder hydraulisch gesteuert werden und die Information über den Einschlagwinkel der Vorderräder hydraulisch oder in Form elektrischer Signale zum Rech­ ner 33 übertragen wird.

Claims (6)

1. Allrad-Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug zur variablen Steuerung des Verhältnisses der Einschlagwinkel der Hinterräder (27) zum Einschlagwinkel der Vorderräder (7) des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (u) des Fahrzeugs mit einem Fahrgeschwindigkeitssensor (34), mit einer Wahleinrichtung (c) zur Auswahl einer von mehreren mathematischen Funktionen zum Steuern des Verhältnisses der Einschlagwinkel in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (u) und mit einer Hinterradlenkung (11 bis 26, 28 bis 31) zur Einstellung des Verhältnisses der Einschlagwinkel entsprechend der jeweils ausgewählten mathematischen Funktion, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematischen Funktionen (P₁, P₂, P₃, Q, R₁, R₂; P, Q, R) unterschiedlichen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen (u′) des Fahrzeugs zugeordnet sind und daß der Wert der gewählten mathematischen Funktion (P₁, P₂, P₃, Q, R₁, R₂; P, Q, R) in einem Hochgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs mit zunehmender Beschleunigung des Fahrzeugs abnimmt und mit zunehmender Verzögerung des Fahrzeugs zunimmt.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der mathematischen Funktionen (P₁, P₂, P₃, Q, R₁, R₂; P, Q, R) in dem Hochgeschwindigkeitsbereich einem positiven und in einem Niedergeschwindigkeitsbereich einem negativen Verhältnis der Einschlagwinkel entspricht, wodurch die Hinterräder (27) im Hochgeschwindigkeitsbereich gleichphasig zu den Vorderrädern (7) und im Niedergeschwindigkeitsbereich gegenphasig zu den Vorderrädern (7) eingeschlagen werden.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von einer mathematischen Funktion (P₁, P₂, P₃, Q, R₁, R₂) zu einer anderen mathematischen Funktion (P₁, P₂, P₃, Q, R₁, R₂) weitgehend ohne Zeitverzögerung stattfindet.

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von einer mathematischen Funktion (P, Q, R) zu einer anderen mathematischen Funktion (P, Q, R) mit einer Zeitverzögerung stattfindet.

5. Lenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung durch eine Verzögerungsvorrichtung (e) erfolgt, die auf die Hinterradlenkung (11 bis 26, 28 bis 31) einwirkt.

6. Lenkeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei mathematische Funktionen (P, Q, R) vorgesehen sind.