DE68906081T2 - 4-Räder-Lenkanordnung für ein Kraftfahrzeug. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Lenkanordnung für vier Räder eines Kraftfahrzeuges, welche neben der gewöhnlichen Steuerung der Vorderräder durch das Lenkrad auf diese Achse und die Hinterachse einwirkende Mittel für das Nachführen beim Einschlagen in Abhängigkeit von für den Bewegungszustand des Fahrzeugs representativen Parametern, die von Meßwertaufnehmern als elektrische Signale ausgegeben werden und die die augenblickliche Geschwindigkeit S' des Fahrzeuges, seine Winkelgeschwindigkeit bei der Drehung um θ' und seine Seitenbeschleunigung R einschließen, und Recheneinheiten für die Berechnung der beiden elektrischen Korrektursignale, die jeweils an die Korrektureinrichtungen für das Nachführen der Vorderachse und der Hinterachse ausgegeben werden, umfaßt.
• Es ist bekannt, daß die Fahrzeuge mit vier Lenkrädern Lenknachführung der Hinterachse bemerkenswerte Vorzüge in bezug auf die Manövrierbarkeit und die Stabilität gegenüber äußeren Störungen (Seitenwind) aufweisen.
• Die bekannten Vorrichtungen versuchen das Fahrzeug in einem minimalen Richtungswinkel zu halten, der Null ist oder sehr klein ist, wobei dieser Winkel der Winkel zwischen der Longitudinalrichtung des Fahrzeugs und der Geschwindigkeit seines Schwerpunktes ist.
• Im allgemeinen erreichen diese Vorrichtungen diese Richtungsbedingung nur im stationären Fall. Mit der in FR-A- 2 608 545 beschriebenen Vorrichtung läßt sich dagegen eine Einstellung des Fahrzeuges in Nullrichtung oder minimaler Richtung jederzeit erreichen, sei es im stationären Fall oder in einem nicht-stationären Fall.
• Aber diese Vorrichtungen führen zu einer starken Untersteuerung, die mit steigender Seitenbeschleunigung anwächst, was auf eine Lenkanordnung für vier Räder des obigen Typs führt, die nicht nur das Einschlagen der Hinterachse, sondern auch das Übersteuern der Vorderachse ermöglicht.
• Infolgedessen kann man sich allgemein zur Aufgabe stellen, dem Fahrzeug vorgegebene und vom Fahrgestell unabhängige Lenkeigenschaften, wie bei der klassischen Lenkung der Vorderachse zu verleihen.
• Zur Lösung werden erfindungsgemäß Vorrichtungen vorgeschlagen, die gleichermaßen die Erfüllung von zwei Bedingungen zulassen:
• Die erste Bedingung ist, zu jedem Zeitpunkt und nicht nur im stationären Fall den Richtungswinkel nahe Null zu halten;
• die zweite Bedingung ist, bei jeder augenblicklichen Fahrzeuggeschwindigkeit S' und jedem Einschlagen δv des Lenkrades eine einzige Seitenbeschleunigung R zu erzielen, die nur von S' und von δv abhängt, die vorgegeben ist und die unabhängig davon ist, ob das Fahrzeug im Moment im stationären Zustand ist oder nicht.
• Es ist klar, daß die zweite Bedingung die Erfüllung der ersten erfordert, das heißt:
• wenn der Richtungswinkel nahe Null ist, stimmt der von einem transversalen in der Nähe des Schwerpunktes des Fahrzeuges eingebauten Beschleunigungsmesser ausgegebene Wert mit der augenblicklichen Radialbeschleunigung überein, bis auf eine Korrektur, die vom Schlingerwinkel abhängt;
• außerdem ist es erforderlich, daß die Radialbeschleunigung und das Einschlagen der Räder so wenig wie möglich außer Phase sind. Simulationen und Experimente zeigten, daß beide sehr gut in Phase bleiben, wenn der Richtungswinkel nahe Null ist.
• Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der Einzelheiten und der dazu gehörigen beigefügten Zeichnungen deutlich, die lediglich als Beispiel dienen und von denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung darstellt,
• Fig. 2 eine andere Ausführungsform darstellt,
• Fig. 3 ein Diagramm darstellt für ein Beispiel, wie man sich die Radialbeschleunigung als Funktion des Lenkrad-Steuerwinkels wünscht,
• Fig. 4 eine graphische Darstellung des Einschlagens der Lenkradspeiche in einer numerischen Simulation zeigt, dessen Auswirkungen in den Figuren 5 bis 7 für ein nicht mit der Vorrichtung ausgerüstetes Fahrzeug und ein mit der Vorrichtung ausgerüstetes Fahrzeug gezeigt ist,
• Fig. 5 die sich ergebende Radialbeschleunigung zeigt,
• Fig. 6 die sich ergebene Kurvengeschwindigkeit zeigt,
• Fig. 7 den sich ergebenden Richtungswinkel zeigt,
• Fig. 8 das zusätzliche Einschlagen zeigt, das vorher und nachher für die entsprechende Bewegung des ausgerüsteten Fahrzeuges notwendig ist.
• Die Vorrichtung in Figur 1 umfaßt ein Steuerrad 1, das es dem Fahrer erlaubt, das Fahrzeug zu steuern, Steuervorrichtungen 2 für das Einschlagen der Vorderräder 3, Steuervorrichtungen 4 für das Einschlagen der Hinterräder 5, eine Meßeinheit 6 für die Ausgabe elektrischer Signale, nämlich eines Signales für die augenblickliche Fahrzeuggeschwindigkeit S', ein Signal für die Kurvengeschwindigkeit θ', die durch ein Gyrometer oder ein gleichwertiges Mittel gemessen wird, und ein Signal für die Transversalbeschleunigung R des Fahrzeugs, gemessen durch einen Beschleunigungsmesser, der benachbart zum Schwerpunkt angeordnet ist, einen Winkelaufnehmer 7 für das Steuerrad, der ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Winkel des Steuerrades 1 ausgibt, und schließlich eine Rechnereinheit 8, die die vier Signale verarbeitet.
• Die Steuervorrichtung 2 kann beispielsweise umfassen: einen elektrohydraulischen Schieber, mit dem sich jederzeit bestimmen läßt, ob das Einschlagen der Vorräder 3 der Summe aus zwei Termen entspricht, die durch die Einheit 8 berechnet wurde, wobei der erste Term dem Rotationswinkel δv des Lenkrades 1 und der zweite einem Korrekturwert entspricht.
• Die Rechnereinheit 8 umfaßt einen Speicher und einen Mirkoprozessor. Der Speicher enthält insbesondere eine oder mehrere zweidimensionale Tabellen, die die gewünschten Richtungskennzeichen für das Fahrzeug beinhalten. Sie drücken die gewünschte Radialbeschleunigung R als Funktion des Einschlagwinkels δv des Lenkrades aus, wobei jede Tabelle einer Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht. Dabei versteht es sich, daß diese Tabellen durch eine Polynomfunktion oder durch jede andere mathematische Darstellung ersetzt werden können.
• Der Mikroprozessor führt die Berechnungen aufgrund der Momentanwerte von S', θ', R und δv aus.
• Er berechnet die gewünschte Radialbeschleunigung R( δv, S') als Funktion des Einschlagwinkels δv, der durch den Meßwertaufnehmer 7 am Lenkrad gemessen wurde, und der Geschwindigkeit S', die durch die Einheit 6 gemessen wurde.
• Er bestimmt dann den Differenzbetrag EG = R( v, S')-R,
• wobei R die gemessene Radialbeschleunigung ist.
• Er berechnet wie in FR-A- 2 608 545 die Größe EA = (R-θ'S')/S' ,
• die in sehr guter Näherung die Ableitung des Richtungswinkels des Fahrzeuges nach der Zeit wiedergibt.
• Ausgehend von den beiden Fehlersignalen EG und EA berechnet er die beiden Ausgangssignale EAV und EAR.
• Diese letzten Signale entsprechen den Korrekturgeschwindigkeiten des jeweiligen Einschlagens der Vorderräder 3 und der Hinterräder 5.
• Die Signale EAV und EAR sind gegeben durch
• wobei
• die Abbildungsmatrix ist.
• Die Werte der Koeffizienten a, b, c, und d werden so bestimmt, daß die Wirkung von EAV und EAR auf die Steuereinrichtung 2 und 4 zu jederzeit die Fehlersignale EG und EA gegen Null gehenläßt.
• Das Signal EAR kann direkt an der Einrichtung für das hintere Einschlagen 4 anliegen, um die Geschwindigkeit des Einschlagens beispielsweise durch Regelung der Auslenkung eines hydraulischen Servomotors in Abhängigkeit von eben EAR zu steuern.
• Das Signal EAV kann auf zwei verschiedene Arten verwendet werden. In einem Fall berechnet man zu jedem Zeitpunkt die Ableitung:
• d δv/dt
• aus aufeinanderfolgenden Werten von δ v und das Steuersignal
• CAV = 1/r dδv/dt + EAV,
• wobei r der Richtungskehrwert ist. Das Signal CAV wird an die vordere Steuereinrichtung 2 angelegt und stellt die Geschwindigkeit des Einschlagens der Vorderachse dar. Dieser Fall erfordert eine Geschwindigkeitssteuerung. Hierfür reicht es beispielsweise, daß der Elektroschieber der Einrichtung 2 so aufgebaut ist, daß seine Auslenkung proportional zum Steuersignal CAV reagiert.
• In dem zweiten Fall berechnet man das Integral von EAV über die Zeit und erhält als Steuersignal:
• Das Steuersignal wird an die vordere Einschlagvorrichtung 2 angelegt und stellt also das Einschlagen selbst dar. Dieser Fall erfordert eine Positionssteuerung, wobei die Einschlagvorrichtung 2 eine Lenkanordnung ist, bei der das Einschlagen proportional zu CAV ist.
• Figur 2 zeigt eine Variante des zweiten Falles, bei dem die vordere Einschlagvorrichtung oder Summierer 2 einen direkten Eingang vom Steuerrad 1 hat, was die Berechnung von CAV durch die Einheit 8 als Summe aus zwei Termen erübrigt.
• Die Steuereinrichtung 2 ist alles in allem eine Lenkanordnung, d.h. daß man zu jedem Zeitpunkt bestimmen kann, ob der Einschlagwinkel der vorderen Räder 3 die Summe aus den zwei Termen ist, von denen der erste dem Drehwinkel δv des Steuerrades 1 entspricht und der zweite dem Korrekturwinkel, der durch die Einheit 8 berechnet wurde. Das Signal CAV ist daher gleich
• und ist daher eine Übersteuerungskorrektur, die sich dem Einschlagen des Steuerrades
• 1/r δv
• hinzufügt.
• Im folgenden wird der Effekt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand eines Beispiels dargestellt.
• Das als Beispiel dienende Fahrzeug, das nicht erfindungsgemäß ausgerüstet ist, ist bei 125 km/h in einer stationären, charakteristischen Situation in bezug auf die Lenkung nach Figur 3 (die Radialgeschwindigkeit R ist eine Funktion vom Einschlagwinkel des Steuerrades δv). Man möchte dieses Fahrzeug mittels der erfindungsgemäßen Lenkanordnung in ein Fahrzeug umwandeln, das diese Eigenschaft bei jeder Geschwindigkeit hat (beispielsweise zwischen 60 und 160 km/h und nicht lediglich bei 125 km/h) und unabhängig davon, ob das Fahrzeug im stationären Zustand des Fahrzeuges ist oder nicht.
• In Figur 4 ist der Einschlaggrad des Lenkrades als Funktion der Zeit angegeben und in den Figuren 5, 6 und 7 sind die verschiedenen Reaktionen des Fahrzeugs darauf dargestellt:
• Für ein nicht ausgerüstetes Fahrzeug: Kurven (a)
• für ein umgewandeltes Fahrzeug: Kurven (b).
• Wie in den Figuren 5 und 6 zu sehen, ist die Reaktion auf Radialbeschleunigung und Kurvengeschwindigkeit im Fall (b) quasi gleichzeitig zum Einschlagen des Lenkrades und ohne nennenswerte Phasenverschiebung.
• Dagegen ist im Fall (a) die Reaktion auf das Einschlagen sehr stark verändert und die Phasenverschiebung bedeutsam, und zwar zwischen 2 und 3 Zehnteln einer Sekunde.
• Ferner gibt es merkliche Überreaktionen bei der Kurvengeschwindigkeit, die dem wohlbekannten Verhalten von Fahrzeugen mit gewöhnlicher Vorderachsensteuerung entsprechen.
• Man kann feststellen, daß mit einer erfindungsgemäßen Anordnung die durch das Einschlagen des Steuerrades in der Übergangsphase bestimmte Beschleunigung zu jederzeit sehr stark der Radialbeschleunigung im stationären Fall bei dem gleichen Einschlagen des Steuerrades ähnelt. Der Absolutwert der Differenz zwischen beiden ist kleiner als 0,1 m/s².
• Figur 7 zeigt die Entwicklung des Richtungswinkels. Im Fall (b) bleibt der Winkel kleiner als 0,1º.
• Figur 8 zeigt den Zusatzwinkel zum Einschlagen der Vorderräder (e) und den Winkel des hinteren Einschlagens (f), die für die beobachtete Bewegung nötig sind.

Claims (7)

1. Lenkanordnung für vier Räder (3, 5) eines Kraftfahrzeuges, welche neben der gewöhnlichen Steuerung der Vorderräder (3) durch das Lenkrad (1) auf diese Achse und die Hinterachse einwirkende Mittel (2, 4) für das Nachführen beim Einschlagen in Abhängigkeit von für den Bewegungszustand des Fahrzeugs repräsentativen Parametern, die von Meßzellen (7) als elektrische Signale ausgegeben werden und die die augenblickliche Geschwindigkeit S' des Fahrzeugs, seine Winkelgeschwindigkeit der Drehung θ' und seine Seitenbeschleunigung R einschließen, und Recheneinheiten (8) für die Berechnung der beiden elektrischen Korrektursignale EAV und EAR aus den Parametern, die jeweils an die Mittel (2, 4) für das Nachführen der Vorderachse und Hinterachse ausgegeben werden, umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

daß die Recheneinheiten (8) die Signale für das Nachführen EAV und EAR in einer geschlossenen Schleife aus den Fehlermeldungen EG der Abweichung der gewünschten radialen Beschleunigung R von der gemessenen radialen Beschleunigung und EA des Richtungswinkels berechnen, und zwar in der Art, daß gleichzeitig die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind:

- erstens den Richtungswinkel zu jeder Zeit und nicht nur in stationärem Zustand ungefähr auf Null zu halten;

- zweitens bei jeder beliebigen momentanen Geschwindigkeit S' des Fahrzeugs und bei jedem beliebigen Einschlag δv des Lenkrades eine bestimmte seitliche Beschleunigung R zu gewährleisten, die nur von S' und δv abhängt, wie sie im voraus und unabhängig davon vorgegeben wurde, ob das Fahrzeug im stationären Zustand ist oder nicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhaltung der ersten Bedingung mit dem Signal für die Abweichung EA = (R-θ'S')/S' überwacht wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhaltung der zweiten Bedingung mit dem Signal für die Abweichung

EG = R( δv, S')-R

überwacht wird.

4. Anordnung nach den beiden Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) die Signale EAV und EAR für die jeweilige Steuerung der vorderen (2) und hinteren (4) Lenkeinrichtungen nach der Formel:

wobei

die Abbildungsmatrix ist, berechnen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Zeit die Ableitung

dδv/dt

ausgehend von den aufeinanderfolgenden Intervallen δv und der Steuerbefehl

CAV = 1/r dδv/dt + EAV

berechnet wird, wobei r die Übersetzung der Lenkung ist und das Signal CAV an die vordere Steuerung (2) ausgegeben wird, was die Einschlaggeschwindigkeit der Räder (3) bestimmt.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zu jedem Zeitpunkt das Integral von EAV über die Zeit bestimmt, aus welchem sich der Steuerbefehl ergibt:

wobei der Befehl an die vordere Steuerung (2) ausgegeben wird und somit die eigentliche Steuerung darstellt.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Steuerung oder der Summierer (2) einen direkten Eingang vom Steuerrad (1) hat, das Signal CAV also gleich

ist und zusätzlich zum Einschlagen des Lenkrades

1/r δv

eine Korrektursteuerung darstellt.