DE3932361A1

DE3932361A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern der lenkung von fahrzeugen mit vierradlenkung

Info

Publication number: DE3932361A1
Application number: DE19893932361
Authority: DE
Inventors: Saiichiro Oshita; Kazuhiro Fukamachi
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1990-04-05
Also published as: JPH0295982A; GB2225298A; GB8921813D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Lenkung von Fahrzeugen mit Vierradlenkung. Wird ein Fahrzeug, das mit einer Geschwindigkeit V gefahren wird, ge lenkt, so wird eine Zentrifugalkraft der Größe m · V²/R erzeugt, wobei m die Masse des Fahrzeugs und R der Radius der Kurve, durch die das Fahrzeug ge lenkt wird, sind. Die Zentripetal-Kraft, die der Zentrifugalkraft entgegenwirkt, wird durch die Reifen der Vorder- und Hinterräder erzeugt. Die Lenkeigenschaf ten des Fahrzeugs ändern sich in starkem Maße ent sprechend dem Verhältnis und dem Ausmaß, mit dem diese Lenkkraft oder Seitenführungskraft CF (von cornering force) an den Vorder- und Hinterrädern erzeugt werden. Diese Kurvenkraft, im folgenden Seitenführungskraft genannt, kann ausgedrückt werden durch CF=K α, wobei K die sogenannte Kurvensteifigkeit (cornering power) und α den Schlupf- oder Rutschwinkel bzw. den resultierenden Schräglaufwinkel anzeigen. Infolge dessen können die Lenkeigenschaften des Fahrzeugs ge steuert werden, wenn die Seitenführungskraft bzw. Kur vensteifigkeit K der Vorderräder und Hinterräder ge steuert werden können. Eine signifikante Verbesserung der Fahreigenschaften des Fahrzeugs kann infolgedes sen erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern der Vorder- und Hinterräder sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, womit die Seitenführungskraft bzw. die Kurvensteifigkeit der Vorder- und Hinterräder variabel gesteuert werden.

Gemäß der in den Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeich neten Lösung werden entweder die Lenkkräfte, die Seiten kräfte oder die lateralen Schlupfkräfte oder Rutschkräfte, die auf die Vorderräder und die Rückräder wirken, er faßt, ferner wird angenommen und vorausgesetzt, daß die jeweiligen Lenkkräfte oder lateralen Kräfte, die auf die Vorderräder und Hinterräder wirken, proportional zu den lateralen oder seitlichen Schlupf- bzw. Schräg laufwinkeln sind, und es wird der Vorderradlenk- bzw. Einschlagwinkel auf den Lenkwinkel bzw. Einschlagwinkel gesteuert, indem zum Vorderradlenkwinkel ein Kompensa tionslenkwinkel hinzuaddiert wird, der proportional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel ist. Der Hinterrad lenkwinkel oder -einschlagwinkel wird so gesteuert, daß er proportional zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel ist.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die proportionalen Koeffizienten bezüglich der seitlichen Vorderradschräglaufwinkel bzw. -schlupfwinkel und der seitlichen Hinterradschräglaufwinkel bzw. -schlupf winkel (der Vorderradlenkwinkelkoeffizient und der Hinterradlenkwinkelkoeffizient) individuell und unab hängig gesteuert und eingestellt, um einen Abfall in der Verstärkung bzw. dem Gewinn der Giergeschwindig keit für eine abrupte Lenkung und eine Phasenverzöge rung oder -nacheilung der Erzeugung der Giergeschwin digkeit bezogen auf die Lenkung zu verhindern. Die Lenk eigenschaften können infolgedessen durch Änderung des Gleichgewichts oder Ausgleichs der Seitenführungskraft bzw. Kurvensteifigkeit zwischen den Vorderrädern und Hinterrädern frei gesteuert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausfüh rungsbeispiels für ein vierradgelenktes Fahrzeug, auf das das erfindungsgemäße Lenksteuerverfahren angewandt wird;

Fig. 2 ein schematisches Zweiradmodell für eine Vierradlenkung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm, das das Frequenzverhalten der Giergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lenkung zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das das Frequenzverhalten der Lateralbeschleunigung in bezug auf die Lenkung zeigt; und

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei spiels für ein Steuerverfahren, das das Konzept der erfindungsgemäßen Lenksteuer vorrichtung anwendet.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht ei nes Ausführungsbeispiels für ein vierradgelenktes Fahrzeug, auf welches das erfindungsgemäße Lenksteuerverfahren angewandt ist.

In der Fig. 1 zeigt die Bezugszahl 1 ein Lenk rad an. 2 bezeichnet eine Vorderradlenkeinheit und 3 entsprechend eine Hinterradlenkeinheit. Die Vorder radlenkeinheit 2 ist ein Zahnstangen/Ritzelmechanismus mit einem Ritzel 4 und einer Zahnstangenwelle 5, deren beide Enden über Schubstangen 6,6 und Gelenkarme 7,7 mit den Vorderrädern 8,8 verbunden sind. Die Hinter radlenkeinheit 3 umfaßt ebenfalls einen Zahnstangen/ Ritzelmechanismus mit einem Ritzel 9 und einer Zahnstan genwelle 10, Schubstangen 11,11 und Gelenkarmen 12,12, um mit diesen Elementen die Lenkung der Hinterräder 13,13 zu ermöglichen.

Darüber hinaus sind sowohl die Vorderradlenkeinheit 2 als auch die Hinterradlenkeinheit 3 mit Motoren 14 bzw. 15 ausgestattet, die mit dem jeweiligen Ritzel funktions wirksam verbunden sind. Die Motoren 14 und 15 arbeiten entsprechend Signalen von einer Steuereinheit 20 so, daß sie die Ritzel 4,9 zur Lenkung der Vorder- und Hinter räder drehen. Das Lenkrad 1 wird vom Fahrer gedreht oder eingeschlagen und ist mit einer Lenkradwinkeldetektor einrichtung 16 versehen, die den Drehwinkel des Lenkrades erfaßt. Darüber hinaus sind die Zahnstangen 5 und 6 der Vorder- bzw. Hinterräder beispielsweise mit Lateral- G-Kraftdetektoreinrichtungen 17, 18 ausgestattet, die die lateralen bzw. seitlichen G-Kräfte (S-Kräfte) erfassen. Signale von diesen Detektoreinrichtungen 16, 17, 18 werden zur Steuerung der Motoren 14, 15 in die Steuereinheit 20 eingegeben.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Lenk steuerverfahren vor dem Hintergrund der Hinterradsteue rung erläutert.

Die Fig. 2 stellt in schematischer Weise die laterale oder seitliche Rutsch- oder Schlupfwirkung in y-Achsenrichtung und die Gierwirkung in z-Achsenrichtung um den Schwerpunkt eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung auf der Grundlage eines Zweiradmodells dar, wobei für diese beiden Wirkungen oder Vorgänge die folgenden Gleichungen gelten:

In diesen Gleichungen und im folgenden bedeuten:
β lateraler Fahrzeugrutsch- oder -schräglaufwinkel,
β f lateraler Vorderradrutsch- oder -schräglaufwinkel,
β r lateraler Hinterradrutsch- oder -schräglaufwinkel,
m Fahrzeugmasse,
v Geschwindigkeit,
ψ Gierwinkelgeschwindigkeit,
I Gierträgheitsmoment,
l Rad- oder Achsstand,
lf Abstand der Vorderräder vom Fahrzeugschwerpunkt,
lr Abstand der Hinterräder vom Fahrzeugschwerpunkt,
kf Vorderradkurvensteifigkeit,
kr Hinterradkurvensteifigkeit,
δ f Vorderradlenkwinkel oder -einschlag,
δ r Hinterradlenkwinkel oder -einschlag.

Von den jeweiligen Lenkkräften und lateralen Kräften, die auf die Vorder- und Hinterräder wirken, wird angenommen, daß sie proportional zu den jeweili gen lateralen Rutsch- bzw. Schräglaufwinkeln sind. Der Wert, der als wirklicher Vorderradlenkwinkel δ f verwendet wird, ist der Wert eines Vorderradlenkwinkel sollwerts δ f₀ in Abhängigkeit von einem Lenkradwinkel, zu dem der Beitrag, der proportional zum lateralen Vorderradschräglaufwinkel β f ist, als Kompensations lenkwinkel hinzugefügt ist (Formel 3). Wird der Hinterradlenkwinkel δ f proportional zum lateralen Hinterradschräglaufwinkel b r gemacht, so kann vom gewünschten Vorderradlenkwinkel-Sollwert δ f₀ angenommen werden, daß er die Lateralrichtung des Fahr zeugs und die Gierwirkung beeinflußt. Dies wird durch die folgenden Formeln ausgedrückt:

δ f = δ f₀ - kf · β f, (3)

w r = -kr · β r. (4)

In diesen Gleichungen bezeichnet kf den Vorderrad lenkkoeffizienten und kr ist der Hinterradlenkkoeffi zient, jeweils ausgedrückt als Funktion der Fahrzeug geschwindigkeit.

Die tatsächlichen Werte vom Vorderradlenkwinkel δ f und dem Hinterradlenkwinkel w r werden dazu verwendet, den lateralen Vorderradschräglaufwinkel β f und Hinterradschräglaufwinkel β r in der folgenden geome trischen Weise auszudrücken:

Werden die Formeln 5 und 6 in die Formeln 3 und 4 eingesetzt, so ergeben sich die folgenden Formeln:

Ferner ergeben sich aus den Formeln 1 und 2 unter Einsetzung der Formeln 3′ und 4′ die folgen den Formeln:

Werden in diesen Formeln

gesetzt, so nehmen die Formeln 7 und 8 die folgen de Form an:

Beim Vergleich mit den Formeln 1 und 2 ergibt sich, daß die abgeleitete Form der Gleichung für die Bewegung eines Vorderradlenkfahrzeugs (2WS) entspricht, wenn w r=0 ist.

Die Fig. 3 zeigt im Blockschaltbild ein Aus führungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung. Dabei sind in diesem Blockschaltbild die Vorderradkurvensteifigkeit k′f und die Hinterradkurvensteifigkeit k′r für vier radgelenkte Fahrzeuge, wie sie in den Formeln 9 und 10 definiert sind, für die Vorderradkurvensteifigkeit kf und Hinterradkurvensteifigkeit kr für vorderrad gelenkte Fahrzeuge (2WS) substituiert. Wie aus den For meln 9 und 10 hervorgeht, können die Vorderrad- und Hinterradkurvensteifigkeitswerte k′f und k′r durch die Auswahl des Vorderradlenkkoeffizienten kf und Hinterradlenkkoeffizienten kr geändert werden. Infol gedessen ist eine variable Steuerung für die Charakte ristik der Lateralrichtungsbewegung des Fahrzeugs und die Gierwirkungscharakteristik möglich.

Darüber hinaus können die Resonanz- oder Eigenfrequenz ω _n, das Dämpfungsverhältnis ξ, eine konstante Lenkverstärkung für die Giergeschwindigkeit

und eine konstante Lenkverstärkung für die laterale Beschleunigung

die das entsprechen de Antwortverhalten des Fahrzeugs ansprechend auf einen Lenkvorgang wiedergeben, und ein Stabilitätsfaktor, der die Lenkeigenschaften des Fahrzeugs darstellt, für eine Vierradlenkung sämtlich in derselben Form wie für Fahrzeuge mit Vorderradlenkung (2WS) be schrieben werden.
Stabilitätsfaktor

Eigenfrequenz

Dämpfungsverhältnis

Konstante Lenkverstärkung für die Giergeschwindigkeit

Konstante Lenkverstärkung für die Lateralbeschleunigung

Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Berechnung des Frequenzverhaltens der Giergeschwindigkeit be zogen auf die Lenkung eines Fahrzeugs mit Vierrad lenkung und eines Fahrzeugs mit Vorderradlenkung, für den Fall, daß der Vorderradlenkkoeffizient kf und der Hinterradlenkkoeffizient kr kf=kr=0,5 be tragen.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Berechnung des Frequenzverhaltens der Lateralbeschleunigung be zogen auf die Lenkung für die obengenannten beiden Fälle mit den genannten Bedingungen.

Wie aus den Fig. 4 und 5 und den Gleichungen 13, 14, 15, 16 und 17 hervorgeht, unterscheidet sich die Vierradlenkung, bei der sowohl der Vorderrad lenkkoeffizient kf als auch der Hinterradlenkkoeffi zient kr in der folgenden Beziehung auf der gleichen Seite stehen (1<kf<0 bzw. 1<kr<0) von der Vor derradlenkung darin, daß das Dämpfungsverhältnis ξ, die Eigenfrequenz ω n und die konstanten Lenk verstärkungen

ver größert werden können (ein Gewinn der Giergeschwin digkeit und Lateralbeschleunigung ist vorhanden, wenn eine langsame Lenkung vorliegt). Infolgedessen werden hierdurch nicht nur Abfälle der Lateralbeschleunigung und der Giergeschwindigkeit im Falle einer abrupten Lenkung verhindert, sondern darüber hinaus Phasenver zögerungen oder -nacheilungen der Lateralbeschleuni gung und der Giergeschwindigkeit bezüglich der Lenkung.

Darüber hinaus kann durch Änderung des Gleich gewichts oder Ausgleichs der Kurvensteifigkeit der Stabilitätsfaktor, wie er durch Formel 13 ausgedrückt wird, geändert werden, wodurch die Lenkeigenschaften ermöglicht werden, d. h. der frei zu steuernde Grad an Untersteuerung, mit anderen Worten die Lenkunwilligkeit.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung, die das Konzept der erfindungsgemäßen Lenk steuervorrichtung anwendet, unter Bezug auf Fig. 6 erläutert.

Zunächst wird die Lenkung der Hinterräder 8 auf der Grundlage von Signalen durchgeführt, die von einer Lenkradwinkeldetektoreinrichtung 16 geliefert werden. Das bereitgestellte Lenkradwinkelsignal wird einer Vorderradlenkwinkeleinstelleinrichtung 21 übergeben und der Vorderradlenksollwinkel δ f₀ wird in Über einstimmung mit dem Lenkradwinkel eingestellt. Der Vorderradlenkwinkel oder -einschlagwinkel δ f₀ wird auf der Grundlage einer konstanten Bedingung und mit einer eins-zu-eins Beziehung bezüglich des Einschlagwinkels vom Lenkrad eingestellt. Der Vorder radlenkwinkel δ f₀ von der Vorderradlenkwinkelein stelleinrichtung 21 wird einer Einstelleinrichtung 22 für einen ersten Steuerbetrag zugeführt. Der Steuer- oder Regelbetrag des Motors 14 wird in Übereinstimmung mit dem Lenkwinkel oder Einschlagwinkel eingestellt und festgelegt. Dieser Steuerbetrag bzw. der Pegel der Regelgröße wird über eine Antriebsschaltung 23 dem Motor 14 zugeführt.

Die laterale G-Kraft (S-Kraft) wird von den G-Krafterfassungseinrichtungen 17 und 18 für die Vorder- und Hinterräder als repräsentativer Wert für eine bestimmte Lateralkraft in proportionaler Beziehung zwischen den seitlichen Schräglaufwinkeln der Vorder räder und Hinterräder erfaßt. Die Lateral-G-Kraft- Signale von den Vorderrädern und die Lateral-G-Kraft- Signale von den Hinterrädern werden jeweils einer ihnen zugeordneten Vorderrad-Lateral-Schräglaufwinkel berechnungseinrichtung 24 und einer Hinterrad-Lateral- Schräglaufberechnungseinrichtung 25 zugeführt, die den lateralen Vorderradschräglaufwinkel β f bzw. den lateralen Hinterradschräglaufwinkel β r berechnen. Der laterale Vorderradschräglaufwinkel β f wird einer Vorderradkompensationswinkelberechnungseinrichtung 26 zugeführt und der Einstellwinkel für die Vorderrad kompensation wird in Verbindung mit dem Vorderrad lenkkoeffizienten kf berechnet, der entsprechend der gewünschten Sollcharakteristik der Lenkung frei ein gestellt wird. Daraufhin wird die Steuerung in Über einstimmung mit dem Kompensationslenkwinkel durch eine Einstelleinrichtung für einen zweiten Steuerbetrag 27 eingestellt und festgelegt, und der Motor 14 wird über die Antriebsschaltung 23 so angesteuert, daß eine Kompensation entsprechend dem Lenkradwinkel mit Bezug auf den gegebenen Lenkwinkel oder Einschlagwinkel durch geführt wird. Ferner wird der laterale oder seitliche Hinterradschräglaufwinkel β r einer Hinterradlenkwinkel berechnungseinrichtung 28 zugeführt, die den Hinterrad lenkwinkel δ r₀ in Verbindung mit dem Hinterradlenk koeffizienten kr berechnet, der in Übereinstimmung mit dem Hinterradlenkwinkel δ r₀ frei eingestellt wird, wo bei der Winkel δ r₀ bzw. die entsprechende Steuer- bzw. Regelgröße durch eine Einstelleinrichtung für einen dritten Steuerbetrag 29 eingestellt werden und der Motor 15 über eine Antriebsschaltung 30 so angetrieben wird, daß die Hinterräder ebenfalls gelenkt werden bzw. eingeschlagen werden.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden entweder die Lenkkraft oder die Seitenkraft der Vorder räder und Hinterräder erfaßt und die Lenkkräfte oder Seitenkräfte der Vorderräder und Hinterräder werden unter der Annahme ausgewertet, daß sie proportional zu den jeweiligen seitlichen (lateralen) Schlupf- bzw. Schräglaufwinkeln sind. Der Vorderradlenkwinkel wird gesteuert, indem ein Kompensationslenkwinkel, der propor tional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel ist, berechnet wird und vom Vorderradlenkwinkel hinzuaddiert wird. Der Hinterradlenkwinkel wird so gesteuert, daß er proportional zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel ist. Infolgedessen können der Vorderradlenkkoeffizient und der Hinterradlenkkoeffizient, die proportionale Konstanten mit Bezug auf den seitlichen Vorderradschräg laufwinkel bzw. den seitlichen Hinterradschräglauf winkel sind, variabel und unabhängig gesteuert werden. Dies bedeutet, daß Abfälle in der Lateralbeschleunigungs verstärkung und der Verstärkung bzw. dem Gewinn der Giergeschwindigkeit im Falle abrupter Lenkung verhindert werden können, und daß die Phasennacheilung oder die Phasenverzögerung zur Erzeugung der Lateralbeschleunigung und der Giergeschwindigkeit in bezug auf die Lenkung ebenfalls verhindert werden können. Infolgedessen kann das Gleichgewicht der Kurvensteifigkeit bzw. Seiten führungskräfte zwischen Vorder- und Hinterrädern verän dert werden, um die Lenkeigenschaften zu verändern. Diese und andere Fahrzeugbewegungseigenschaften können zur Erzeugung eines großen Effektes in der praktischen Anwendung frei gesteuert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrich tung zu dessen Durchführung wurden unter bezug auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, es sind jedoch zahl reiche Modifikationen und Änderungen denkbar, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Lenkung eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung, aufweisend die Schritte:
der Erfassung der jeweiligen Lenkkräfte der Vorder räder und Hinterräder,
der Voraussetzung, daß die jeweiligen Lenkkräfte der Vorderräder und Hinterräder proportional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel β f und zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel b r sind,
der Berechnung eines Kompensationslenkwinkels, der proportional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel ist,
des Addierens des Kompensationslenkwinkels zum Vorder radlenkwinkel zur Steuerung des Vorderradeinschlag winkels und
der Steuerung des Hinterradlenkwinkels in der Weise, daß dieser proportional zum seitlichen Hinterradschräg laufwinkel ist.

2. Verfahren zum Steuern der Lenkung eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung, aufweisend die Schritte:
der Erfassung der jeweiligen Seitenkräfte der Vorder räder und Hinterräder,
der Voraussetzung, daß die jeweiligen Seitenkräfte der Vorderräder und Hinterräder proportional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel β f und zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel β r sind,
des Berechnens eines Kompensationslenkwinkels, der proportional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel ist,
der Addition des Kompensationslenkwinkels zum Vorderrad lenkwinkel zur Steuerung des Vorderradeinschlagwinkels und
der Steuerung des Hinterradlenkwinkels in der Weise, daß er proportional zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel ist.

3. Verfahren zum Steuern der Lenkung eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung, aufweisend die Schritte:
der Erfassung der jeweiligen seitlichen Schlupfkräfte der Vorderräder und Hinterräder,
der Voraussetzung, daß die jeweiligen seitlichen Schlupfkräfte der Vorderräder und Hinterräder propor tional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel β f und zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel β r sind,
der Berechnung eines Kompensationslenkwinkels, der pro portional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel ist,
der Addition des Kompensationslenkwinkels zum Vorder radlenkwinkel zur Steuerung des Vorderradeinschlag winkels und
der Steuerung des Hinterradlenkwinkels in der Weise, daß er proportional zum seitlichen Hinterradschräg laufwinkel ist.

4. Vorrichtung zum Steuern der Lenkung eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung, aufweisend:
Einrichtungen (17, 18) zum Erfassen der Seitenführungs kraft der Vorderräder (8,8) und der Hinterräder (13,13),
Einrichtungen (24, 25) zum Voraussetzen, daß die Seiten führungskräfte der Vorderräder und Hinterräder pro portional zum seitlichen Vorderradschräglaufwinkel β f und zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel b r sind,
eine Berechnungseinrichtung (26) zum Berechnen eines Kompensationslenkwinkels, der proportional zum seitli chen Vorderradlenkungsschräglaufwinkel ist,
eine Addiereinrichtung (27) zur Addition des Kompensa tionslenkwinkels zum Vorderradlenkwinkel zur Steuerung des Vorderradlenkwinkels und
eine Steuereinrichtung (29) zur Steuerung des Hin terradlenkwinkels in der Weise, daß dieser propor tional zum seitlichen Hinterradschräglaufwinkel β r ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenführungskräfte die Lenkkräfte sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenführungskräfte die Lateralkräfte sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenführungskräfte die lateralen Schlupf kräfte sind.