DE69005148T2

DE69005148T2 - Hinterradlenkwinkelsteuersystem für ein Fahrzeug.

Info

Publication number: DE69005148T2
Application number: DE1990605148
Authority: DE
Inventors: Kazunori Mori
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: EP0384400A1; DE69005148D1; EP0384400B1; JP2510279B2; JPH02220973A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung eines Hinterrad-Lenkwinkels für ein Fahrzeug gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
In einem Kraftfahrzeug ohne Hinterradlenkung (Zweiradlenksystem) besteht die Tendenz, dass die Gierungszunahme und die Phasenverzögerung bei der Lenkfrequenz f des Lenkrads ziemlich klein sind und mit zunehmender Lenkfrequenz grösser werden. Aus diesem Grunde sind Fahrzeuge mit Vierradlenkung entwickelt worden. Ein System zur Lenkung der Hinterräder eines solchen Fahrzeugs mit Vierradlenkung ist dahingehend konzipiert, dass es unter Heranziehung des Modells mit zwei Freiheitsgraden, das ausschliesslich die Gierung und die Querbewegung des Fahrzeugs berücksichtigt, die zentrale Gierposition steuert. Damit wird auf der Basis einer Steuerübertragungsfunktion zur Lenkung der Hinterräder, die theoretisch durch einen Ausdruck ersten Grades über einem anderen (d.h. X/x) dargestellt ist, ein Hinterrad-Ziellenkwinkel bestimmt.
Es ist bekannt, dass das vorbekannte System keinerlei während der Fahrt auftretende Stellungsänderungen wie beispielsweise durch Wank- und Ausgleichlenkungsbewegungen bzw. Aufhängungslenkung infolge von Querkräften, denen das Rad bei Auftreten eines Schlupfwinkels am Rad ausgesetzt ist, berücksichtigt. Die Folge ist, dass aufgrund von Wanklenkmanövern (der Einfluss der Ausgleichslenkung ist relativ gering) der Hinterrad-Lenkwinkkel nicht grösser wird, was zu einer Veränderung der Giergung und einer Zunahme der Phasenverzögerung führt, so dass durch Hinterradlenkung eine nur geringe Verbesserung der Gierdämpfung erzielt werden kann.
Es wird als wünschenswertes Merkmal angesehen, dass der Wert des Lenkwinkels bei grösser werdender Lenkfrequenz zunimmt.
In der US-A 4 786 066 ist ein Hinterrad-Lenksystem beschrieben, das angeblich das Lenk- bzw. Wendeverhalten des Fahrzeugs verbessert. Dieses System entspricht den Anforderungen bei unterschiedlichen Lenksituationen in jeder Lenkphase der Vorderräder bei verschiedenen Arten von Fahrzeugen. Die Hinterräder werden unabhängig voneinander gesteuert.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Systems zur Steuerung eines Hinterrad-Lenkwinkels unter Heranziehung des Modells mit drei Freiheitsgraden, das die Aufhängungslenkung, der Gierung sowie der Querbewegung des Fahrzeugs berücksichtigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss das System mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 vorgeschlagen.
In den Zeichnungen bedeutet:
Figur 1 eine erläuternde Ansicht zur Ableitung einer Bewegungsgleichung bei einem Fahrzeug mit Zweiradlenkung;
Figur 2 eine Schemaansicht eines erfindungsgemässen Systems zur Steuerung des Hinterrad-Lenkwinkels eines Fahrzeugs;
Figur 3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Hinterrad-Lenkwinkelsteuersystems;
Figur 4 ein Diagramm, aus dem die Steuerkonstanten einer Übertragungsfunktion hervorgehen;
Figur 5 ein Diagramm, das die Zunahmen der Gierung und die Phasenwinkelverhältnisse bei der erfindungsgemässen Hinterrad-Lenkwinkelsteuerung sowie bei einer Hinterrad-Lenkwinkelsteuerung nach dem Stand der Technik für ein Fahrzeug mit Zweiradlenkung ausweist;
Figur 6 ein Diagramm, das die Steuerkonstanten einer Annäherungsgleichung einer Übertragungsfunktion zeigt;
Figur 7 ein Diagramm, aus dem die Zunahme der Gierung sowie die Phasenwinkelverhältnisse bei nach einer Annäherungsgleichung einer Übertragungsfunktion erfolgter Hinterrad- Lenkwinkelsteuerung hvervorgehen; und
Figur 8 die Zunahme des Hinterrad-Lenkwinkels je Glied der Annäherungsgleichung einer Übertragungsfunktion.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere Figur 1, seien nunmehr zunächst einmal die für die Konstruktion eines erfindungsgemässen Hinterrad-Lenkwinkelsteuersystems erforderlichen Grundformeln beschrieben.
Der Einfachheit halber sei die nachfolgende Erläuterung auf ein Zweiradmodell gemäss den X-Y-Koordinaten beschränkt, wobei den hierbei benutzten Begriffen die folgenden Bedeutungen zukommen:
M = das Gewicht des Fahrzeugs
I&sub1; = ein Gierträgheitsmoment
I&sub2; = ein Wankträgheitsmoment
l&sub1; = ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem Mittelpunkt einer Vorderradachse
l&sub2; = ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem Mittelpunkt einer Hinterradachse
l&sub3; = ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem Giermittelpunkt
tc = ein Nachlauf der Lenkräder
tpf = ein pneumatischer Nachlauf der Vorderräder
tpr= ein pneumatischer Nachlauf der Hinterräder
tf = der Abstand zwischen den Vorderrädern
tr = der Abstand zwischen den Hinterrädern
hf = die Höhe des Wankmittelpunkts zwischen den Hinterrädern über Strassenniveau
hr = die Höhe des Wankmittelpunkts zwischen den Vorderrädern über Strassenniveau
hg = eine Höhe des Schwerpunkts über Strassenniveau
h = ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und einer Wankachse
Kφf = eine Wankstabilität der Vorderräder
Kφr = eine Wankstabilität der Hinterräder
Kst = eine Lenksteifigkeit
αf= die Dämpfungskraft der Vorderräder
αr = die Dämpfungskraft der Hinterräder
Crf = ein Wanklenkungskoeffizient der Vorderräder
Crr = ein Wanklenkungskoeffizient der Hinterräder
Csf = ein Ausgleichslenkkoeffizient der Vorderräder
Csr = ein Ausgleichslenkkoeffizient der Hinterräder
C&sub1; = die Gesamt-Kurvenstabilität der beiden Vorderräder
C&sub2; = die Gesamt-Kurvenstabilität der beiden Hinterräder
δf = ein tatsächlicher Lenkwinkel der Vorderräder
δr = ein tatsächlicher Lenkwinkel der Hinterräder
δ&sub0;= ein Vorderrad-Lenkwinkel entsprechend einem gelenkten Winkel θ eines Lenkrads (bei einem Lenkgetriebeverhältnis N: δ&sub0; / N)
F&sub1; = die Kurvenkraft der Vorderräder
F&sub2; = die Kurvenkraft der Hinterräder
V = die Fahrzeuggeschwindigkeit
Y = die seitliche Verlagerung des Schwerpunkts
Y&sub3; = die seitliche Verlagerung des Giermittelpunkts
ψ = ein Gierwinkel
φ = ein Wankwinkel
S = ein Laplace-Operator
G = eine Hinterradsteuer-Übertragungsfunktion
In dem Modell gemäss Figur 1 fallen die folgenden Gleichungen an:
Die Kurvenkräfte F&sub1; und F&sub2; lassen sich durch die folgenden Gleichungen darstellen:
Im erfindungsgemässen Hinterrad-Lenkwinkelsteuersystem wird das Modell mit drei Freiheitsgraden benutzt, bei dem neben den Parametern Gierung und Querbewegung eines Fahrzeugs auch noch die Aufhängungs-Lenkung berücksichtigt wird. Damit werden der tatsächliche Vorderrrad-Lenkwinkel δf und der tatsächliche Hinterrad-Lenkwinkel δr ausgedrückt durch:
wobei { (tc + tpf)/KST} F&sub1; einer Lenksteifigkeit eines Vorderrads, CRf(tf/2)φ und CRr(tf/2)φ der Wanklenkung der Vorder- bzw. Hinterräder, Csf(F&sub1;/2) und Csf(F&sub2;/2) der Ausgleichslenkung der Vorder- bzw. Hinterräder und δa einem Hinterad-Lenkwinkel entsprechen. Wird die Hinterradlenkung so gesteuert, dass die Querverschiebungsgeschwindigkeit des Giermittelpunktes auf Null geht, ergibt sich die folgende operative Relation:
und damit
Vereinfachend lassen sich die vorstehenden Gleichungen umschreiben wie folgt:
Durch Ausstauschen der vorstehenden Gleichungen den tatsächlichen Lenkwinkel betreffend durch die Gleichungen für die Kurvenkraft und Anordnung derselben im Sinne der Laplace- Transformation erhält man die folgenden Gleichungen:
wobei:
und :
Durch Austausch der Gleichung (4) gegen die Gleichungen (1) bis (3) erhalten wir die folgenden Gleichungen:
Zweckmässigerweise sind die Formelglieder α&sub1;, β&sub1;, &epsi;&sub1; und η&sub1; wie folgt einzusetzen:
wobei durch Anordnung der Gleichungen (1)' und (2)' als Determinante sich ergibt:
Unter Auflösung der vorstehenden Gleichung nach ( /φ) erhält man:
wobei
Durch Erweiterung der obigen Gleichung ergibt sich:
Mit den vereinfachten Formelgliedern:
werden die nachstehenden Umschreibungen erreicht:
Durch Austausch der Gleichungen (5) und (6) gegen Gleichung (7) und Auflösen derselben nach G ergibt sich die Übergangsfunktion δr/δf = G zur Steuerung des Hinterrad-Lenkwinkels wie folgt:
somit:
wobei:
Zur Vereinfachung der Gleichung werden folgende Buchstaben eingesetzt:
und wird die Übertragungsfunktion G umgeschrieben zu:
Man beachte, dass &epsi;&sub1; und η&sub1; jeweils multipliert ist durch den Wanklenkungskoeffizienten, so dass die Wanklenkung sämtliche Glieder K, τ&sub1; bis τ&sub3; sowie T&sub1; bis T&sub3; beinhaltet. Dies ergibt einen im Hinblick auf die Aufhängungslenkung bestimmten Hinterrad-Lenkwinkel, welcher der durch den Bruch: Ausdruck 3. Ordnung / Ausdruck 3. Ordnung gegebenen Übertragungsfunktion G entspricht. Dadurch wird eine verbesserte Gierdämpfung durch Hinterradlenkung in Bereichen mit hoher Lenkfrequenz ohne Beeinträchtigung durch die Aufhängungs-Lenkung erreicht.
Figur 2 zeigt ein System, das zur erfindungsgemässen Steuerung eines Lenkwinkels für die Hinterräder eines Fahrzeugs geeignet ist.
Die Vorderräder 1L (links) und 1R (rechts) sind über ein Lenkgetriebe 4 drehbar mit einem Lenkrad 3 verbunden. Drehen des Lenkrads 3 um einen Winkel θ bewirkt die Drehung der Vorderräder um einen Winkel δf. Bei einem Lenkgetriebeverhältnis N wird die Relation zwischen θ und δf ausgedrückt durch δf = θ/N. Die Hinterräder 2L und 2R sind mittels eines hinteren Aufhängungsglieds 7 des hinteren Aufhängungssystems mit Querlenkern 5L und 5R sowie oberen Lenkhebeln 6L und 5R aufgehängt. Eine über Seitenstreben 10L und 10R zwischen hinteren Achsschenkeln 8L und 8R eingeschaltete Betätigungseinrichtung 9 ist zur Lenkung der Hinterräder 2L und 2R vorgesehen.
Bei der Betätigungseinrichtung 9 handelt es sich um einen federzentrierten doppeltwirkenden Hydraulikzylinder mit zwei Kammern, die über Druckleitungen 11L und 11R jeweils mit einem elektromagnetisch arbeitenden Proportional-Drucksteuerventil 12 verbunden sind. Das Ventil 12 seinerseits steht über eine Druckleitung 15 mit einer aus einer Hydraulikpumpe 12 bestehenden Druckquelle und über eine Rückleitung 16 mit einem Sammelbehälter 14 in Verbindung. Dieses Steuerventil 12 ist als federzentriertes 3-Wege-Ventil vorgesehen, das die Druckleitungen 11L und 11R druckfrei hält, wenn beide Magnetspulen 12L und 12R entregt sind, und die Druckleitung 11R mit einem der Zeitdauer der Erregung der Magnetspule 12R proportionalen Druck beaufschlagt.
Es ist eine Steuereinrichtung 17 vorgesehen, welche den Schaltvorgang sowie die Erregungszeit der Magnetspulen 12L und 12R elektronisch steuert. Wie aus Figur 3 ersichtlich, umfasst diese Steuereinrichtung 17 generell eine digitale Rechnerschaltung 17a, eine Digital-Eingangssignal-Detektorschaltung 17b, eine Speicherschaltung 17a, einen D/A-Wandler sowie eine Treiberschaltung 17e. Weiterhin sind ein Lenkwinkelsensor 18 und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 19 vorgesehen, wobei der Lenkwinkelsensor zum Abtasten des gelenkten Winkels θ des Lenkrads 3 dient, um ein entsprechendes Digitalsignal an die Digital-Eingangssignal-Detektorschaltung 17b zu geben, und der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 19 zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit V und Abgabe eines entsprechenden digitalen Signals an die Schaltung 17b konzipiert ist. Basierend auf diesen Eingangsinformationssignalen bestimmt die digitale Rechnerschaltung 17a einen Hinterrad-Lenkwinkel wie folgt:
Einer Datentabelle zur Speicherung von Daten gemäss Figur 4 werden Steuerkonstanten K, τ&sub1; bis τ&sub3; sowie T&sub1; bis T&sub3; entsprechend einer Fahrzeuggeschwindigkeit V entnommen, um die Übertragungsfunktion G gemäss der auf ihnen basierenden Gleichung (8) zu errechnen. Anschliessend wird ein Vorderrad-Lenkwinkel δf = θ/N entsprechend dem erfassten tatsächlich gelenkten Winkel θ bestimmt. Ein Hinterrad-Ziellenkwinkel δr = δf G wird errechnet durch Multiplikation des Vorderrad-Lenkwinkels δf mit der Übertragungsfunktion G zwecks Lieferung von dem jeweiligen Ergebnis entsprechenden Digitalsignalen an den D/A-Wandler 17d, in dem diese in Analogsignale umgewandelt werden. Die Treiberschaltung 17e wandelt das jeweilige Analogsignal um in einen dem Hinterrad-Ziellenkwinkel δr entsprechenden Strom i und gibt diesen auf das Steuerventil 12 zwecks Regelung des zur Lenkung der Hinterräder erforderlichen Arbeitsdrucks.
In dieser Phase bestimmt die Steuereinrichtung 17 selektiv, ob der Strom i auf der Basis des gelenkten Winkels θ auf die Magnetspulen 12L und 12R des Steuerventils 12 gegeben werden muss, um einen Arbeitsdruck in die jeweiligen Druckleitungen 11L und 11R zu liefern, der dem Strom i (d.h. einem errechneten Hinterrad-Lenkwinkel δ ) entspricht. Dies aktiviert die Betätigungseinrichtung 9 in der Weise, dass die Seitenstreben 10L und 10R eine Hubbewegung entsprechend dem jeweiligen Druck vollführen und so das Hinterrad in einem Winkel gelenkt wird, der dem mathematischen Rechenergebnis entspricht.
Da wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich die Gleichung (8) die Übertragungsfunktion in Form eines Ausdrucks 3. Ordnung / Ausdruck 3. Ordnung unter Einschluss eines Aufhängungslenkparameters sowie von Gier- und Querverschiebungsparametern darstellt, beinhaltet der mathematisch ermittelte Hinterrad-Ziellenkwinkel δr einen die Aufhängungslenkung berücksichtigenden Winkel. Es versteht sich, dass diese Hinterrad-Lenksteuerung verhindert, dass die Zunahme des Hinterrad-Lenwinkels durch die Aufhängungslenkung reduziert wird. Die Gierungszunahme sowie der Phasenwinkel sind durch die Kurven E und F in Figur 5 gegeben. Die Änderung der Gierungszunahme und der Phasenverzögerung bleiben selbst bei hoher Lenkfrequenz reduziert.
Das vorbeschriebene Hinterrad-Steuersystem erfordert jedoch den Einsatz eines schnellen Rechners sowie eines Digitalfilters, was beispielsweise mit hohen Kosten und einer komplexen Steuerschaltung verbunden ist. Zur Senkung dieser Kosten sowie zur Vereinfachung der Steuerschaltung lässt sich entsprechend wie nachfolgend beschrieben zur Steuerung des Hinterrad-Lenkwinkkels näherungsweise ein Ausdruck für die Übertragungsfunktion beistellen.
Ein Hydrauliksystem zur Lenkung der Hinterräder tendiert im allgemeinen dahingehend, dass eine Verzögerungszeit erster Ordnung entsteht. Bei einer Konstante T für diese Verzögerungszeit erster Ordnung lässt sich die hydraulische Verzögerung in der Hinterrad-Lenksteuerung ausdrücken durch 1 / (1 + TS). Somit kann die Gleichung (8) multipliziert werden mit (1 + TS), um die Übertragungsfunktion G der mathematisch ermittelten Hinterrad-Ziellenkwinkels δ relativ zum tatsächlich gelenkten Vorderrad-Lenkwinkel δf näherungsweise zu bestimmen und die hydraulische Verzuögerung zu kompensieren.
Somit ergibt sich die folgende Gleichung:
In der Annahme, dass der Wert des Gliedes S in der obigen Gleichung extrem klein ist, lässt sich die Gleichung wie folgt umschreiben:
Eine weitere Umschreibung ist möglich zu:
Wird in der vorstehenden Gleichung aus Gründen der Vereinfachung jedes der Glieder {τ&sub1; +K(T - T&sub1;)}S und {τ&sub2; + τ&sub1;(T - T&sub1;) - K&sub2;T - T²&sub2; + T&sub1;T)} ersetzt durch τ und τ', so ergibt sich die folgende Gleichung für das Verhältnis zwischen dem tatsächlich gelenkten Vorderradwinkel δf und dem Hinterrad-Ziellenkwinkel δ :
Somit wird aufgrund der hydraulischen Verzögerung die Relation zwischen dem tatsächlich gelenkten Vorderradwinkel δf und dem tatsächlich gelenkten Hinterradwinkel δr wie folgt dargestellt:
Die im Hinblick auf die hydraulische Verzögerung durchzuführende Hinterrad-Lenkwinkelsteuerung ist beschrieben in der am 10. Oktober 1989 von Kasunori et al. eingereichten und an NISSAN MOTOR CO., LTD. abgetretenen US Patentanmeldung Nr. 419 161 mit dem Titel "HINTERRAD-LENKWINKELSTEUERSYSTEM FÜR KRAFTFAHRZEUGE", auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Figur 6 zeigt die Steuerkonstanten K, τ und τ' der vorstehenden Annäherungsgleichung. Für die Hinterrad-Lenksteuerung unter Einsatz dieser Annäherungsgleichung auf der Basis der Gierungszunahme und des Phasenwinkels als Steuerparameter gelten die Kurven G bzw. H in Figur 7, wobei gleiche Bezugsziffern jeweils gleiche Charakteristiken bezeichnen. Da die Termini höherer Ordnung des Laplace-Operators S bei der Berechnung der Annäherungsgleichung vernachlässigt wurden, ist eine Fehlerzunahme zwischen den logischen Kurven C und E und den tatsächlichen Kurven G und H in den Bereichen höherer Lenkfrequenz zu verzeichnen.
Figur 8 zeigt die Hinterrad-Lenkzunahmen aufgrund der Ausdrücke K/(1 + TS), τS/(1 + TS) sowie τ'S²/(1 + TS) der Annäherungsgleichung. Wie ersichtlich vergrössert die Zunahme beim Terminus τ' nur den Bereich hoher Lenkfrequenz. Damit vermag der grosse Absolutwert von τ' die Verschiebung zwischen dem logischen und dem tatsächlichen Wert wirksam zu kompensieren. Vergrössert sich beispielsweise der Absolutwert von τ' um das Zweieinhalbfache des Wertes in Figur 6, so verändern sich Gierungszunahme und Phasenwinkel von den Kurven G und H zu den Kurven I und J in Figur 7, was zu einer stark verbesserten Annäherungsgenauigkeit bezüglich der logischen Charakteristika C und E führt.

Claims

1. System zur Steuerung eines Hinterrad-Lenkwinkels für ein Fahrzeug, mit

einem Geschwindigkeitssensor (19) zum Abtasten der Fahrzeuggeschwindigkeit und Liefern eines entsprechenden Signals,

einem Lenkungssensor (18) zum Abtasten eines gelenkten Winkels des Lenkrades des Fahrzeugs zur Bestimmung eines tatsächlich gelenkten Winkels der Vorderräder, der eine gelenkte Winkelkomponente der Vorderräder einschließt die durch die Aufhängungs-Lenkung der Vorderräder bestimmt sind, auf der Basis des Signals des Geschwindigkeitssensors, und Liefern eines entsprechenden Signals,

einer Steuereinrichtung (17), die auf das Signal des ersten und zweiten Sensors anspricht und einen Ziel-Lenkwinkel der Hinterräder bestimmt und ein entsprechendes Signal abgibt, und

einer Lenkeinrichtung (12,9), die auf das Signal der Steuereinrichtung (17) anspricht und die Hinterräder (2L,2R) entsprechend dem Ziel-Lenkwinkel lenkt

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung (17) den Ziel-Lenkwinkel der Hinterräder (2R,2L) entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt

δr(S)/δf(S) = (K + τ&sub1;S + τ&sub2;S² + τ&sub3;S³)/(1 + T&sub1;S² + T&sub2;S³)

In dieser Gleichung ist δr(S) ein Wert, in den der gelenkte Hinterradwinkel transformiert wird entsprechend einer Laplace-Transformation, δf(S) ein Wert, in den ein Vorderrad-Lenkwinkel transformiert wird entsprechend einer Laplace-Transformation, K,τ&sub1;,τ&sub2;,τ&sub3;,T&sub1;,T&sub2; und T&sub3; Funktionen, die sich beziehen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit, und S ein Laplace-Operatur.

2. System zur Steuerung eines Hinterrad-Lenkwinkels eines Fahrzeugs, mit

einem Lenkungssensor (18) zum Abtasten eines gelenkten Winkels des Lenkrades des Fahrzeugs zur Bestimmung eines tatsächlich gelenkten Winkels der Vorderräder, der eine gelenkte Winkelkomponente der Vorderräder einschließt, die durch die Aufhängungs-Lenkung der Vorderräder bestimmt sind, auf der Basis des Signals des Geschwindigkeitssensors, und Liefern eines entsprechenden Signals,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung (17) den Ziel-Lenkwinkel der Hinterräder (2R,2L) entsprechend der folgenden Annäherungsgleichung bestimmt zur Kompensation einer Reduktion der Gierdämpfung, die verursacht ist durch Aufhängungs-Lenkung:

In dieser Gleichung ist δf(S) ein Wert, in den der gelenkte Vorderradwinkel umgewandelt wird entsprechend einer Laplace-Transformation, δr(S) ein Wert, in den der Hinterrad-Lenkwinkel umgewandelt wird entsprechend einer Laplace-Transformation, K, τ und τ' Funktionen, die sich auf die Fahrzeuggeschwindigkeit beziehen, S ein Laplace-Operator und T eine Konstante einer Verzögerungszeit erster Ordnung des Systems.