DE102004031259A1

DE102004031259A1 - Verfahren zur Lenkung eines Kraftfahrzeuges und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004031259A1
Application number: DE102004031259A
Authority: DE
Inventors: Egon Dr.-Ing. Auer; Horst Dr. Krimmel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-19
Also published as: JP2006015988A; US20050288839A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lenkung eines Kraftfahrzeuges, wobei mittels eines Lenkrades ein Lenkradwinkel delta¶LR¶ und darauf basierend mittels einer Lenkungssteuerung ein Radlenkwinkel delta¶RL¶ und ein Lenkwinkelgradient omega¶RL¶ erzeugt werden. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der Lenkwinkelgradient omega¶RL¶ durch einen zulässigen, aus der Fahrsituation berechenbaren Wert omega¶ZUL¶ begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lenkung eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannte Lenksysteme regeln die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeuges durch Eingriffe in die Lenkung, wobei in Abhängigkeit von einer zulässigen Gierrate eine einer unerwünschten Gierbewegung entgegenwirkende Lenkbewegung veranlasst wird. Derartige Lenksysteme mit so genannter Gierratenregelung wurden durch die DE-A 101 41 274 sowie die DE-A 197 51 227 bekannt. Diese Gierratenregelung wird insbesondere bei Störungen des Fahrzeugzustandes, z. B. bei Bremsen auf einer Fahrbahn mit unterschiedlichen Reibwerten für die rechte und linke Fahrzeugseite (so genannte μ-split-Fahrbahn) oder bei Auftreten von Seitenwind angewendet.

Durch die DE-A 102 12 582 wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrdynamik bekannt, wobei in Abhängigkeit von einer Soll-Gierdynamik ein Lenkwinkel-Vorsteuerwert gebildet wird, welcher für einen Lenkeingriff verwendet wird.

Durch die DE-A 102 18 579 wurde ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems bekannt, welches ein Überlagerungsgetriebe (AFS = Active Front Steering) mit einem Nebeneingang aufweist, in welchen ein Zusatzlenkwinkel eingespeist wird, welcher in einem Fahrdynamikrechner ermittelt wird.

In bestimmten Fahrsituationen, z. B. beim „Verreißen" der Lenkung durch den Fahrer des Kraftfahrzeuges versagen die bekannten Gierratenrege lungen. Eine solche Fahrsituation kann beispielsweise bei untersteuernden Fahrzeugen auftreten, wenn der Fahrer, insbesondere ein unerfahrener Fahrer dazu neigt, weiter einzulenken, um eine – wie er meint – angemessene Reaktion des Fahrzeuges zu erzwingen. Bei zu starkem Einlenken der Räder werden jedoch die auf die Fahrbahn übertragbaren Reifenquerkräfte geringer, da die Kennlinie der physikalisch umsetzbaren Reifenquerkräfte jenseits eines Maximums für große Radlenkwinkel wieder abfällt. Insofern führt eine weiteres Einlenken zu keiner Erhöhung der Gierrate mehr, vielmehr kann dieses so genannte Überziehen der Vorderräder die Reifenquerkräfte und damit die Gierrate des Fahrzeuges kurzzeitig deutlich reduzieren, was fahrdynamisch destabilisierend wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige kritische Fahrsituation beherrschbar zu machen und somit die Sicherheit des Fahrzeuges zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren zur Lenkung der Lenkwinkelgradient begrenzt, d. h. die Änderung des Radeinschlages des Fahrzeuges darf einen zulässigen Wert nicht überschreiten. Dadurch wird ein Verreißen der Räder und ein Spurverlust des Fahrzeuges vermieden, d. h. bei einem Überreißen des Lenkrades behalten die Reifen einen hinreichenden Kraftschluss mit der Fahrbahn, so dass das Fahrzeug steuerbar bleibt. Der Aufbau gefährlicher Schwimmwinkel kann somit frühzeitig und direkt beeinflusst werden. Insgesamt ergibt sich der Vorteil einer höheren Lenksicherheit des Fahrzeuges.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der zulässige Lenkwinkelgradient in der betreffenden Fahrsituation in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern berechnet, beispielsweise in Abhängigkeit von der Lenkradwinkelgeschwindigkeit (Lenkradwinkelgradient), vom Lenkradwinkel, vom Radlenkwinkel, von den Reifenreibwerten und von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit. Unter Berücksichtigung dieser Parameter wird ein realistischer Grenzwert für den Lenkwinkelgradienten (Änderung des Radlenkwinkels) errechnet. Vorteilhaft hierbei ist, dass, insbesondere in untersteuernden Fahrsituationen die Haftreibung zwischen Reifen und Fahrbahn so lange wie möglich, d. h. bis an die Grenze der physikalischen Möglichkeiten erhalten bleibt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird dem Radlenkwinkel (kurz auch Lenkwinkel genannt), durch die Lenkungssteuerung ein Zusatzlenkwinkel überlagert, welcher in Abhängigkeit des zuvor berechneten zulässigen Lenkwinkelgradienten errechnet wird. Dieser Zusatzlenkwinkel ist – bei Überreißen des Lenkrades – ein negativer Zusatzlenkwinkel, welcher den tatsächlichen Lenkwinkel auf das zulässige Maß reduziert.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, und zwar durch ein als Umlaufgetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe, welches eine variable Lenkübersetzung ermöglicht. Ein derartiges Überlagerungsgetriebe wurde unter der Bezeichnung „Aktivlenkung" durch einen Prospekt der Firma ZF Lenksysteme GmbH bekannt und läuft ebenfalls unter der Bezeichnung „Aktivlenkung" bei einem deutschen Automobilhersteller in Serie. Ein ähnliches Überlagerungsgetriebe (AFS) wurde durch die DE-A 102 18 579 und als Planetengetriebe mit variablem Lenkverhältnis durch die DE-C 43 26 355 bekannt. Vorteilhaft bei einem derartigen Planetengetriebe ist, dass der erfindungsgemäße Zusatzlenkwinkel über eine zweite Eingangswelle mittels eines Elektromotors eingegeben und dem über die erste Eingangswelle eingegebenen Lenkradwinkel überlagert werden kann. Damit bleibt die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern erhalten, was einen Sicherheitsfaktor für die Lenkung darstellt.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Lenksystem gelöst, bei welchem ein Zusatzlenkwinkel dem Lenkradwinkel hydraulisch überlagert wird. Auch hier bleibt die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern erhalten. Der Zusatzlenkwinkel wird aber nicht über ein mechanisches Überlagerungsgetriebe, sondern über eine rein hydraulische Anordnung eingebracht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Lenkungssteuerung auch als so genanntes „steer-by-wire"-System ausgebildet sein. Damit besteht keine mechanische Verbindung mehr zwischen Lenkrad und Rädern. Die Befehle des Lenkrades werden ausschließlich elektrisch (by wire) übertragen. Der erfindungsgemäße Zusatzlenkwinkel wird somit vom Lenkradwinkel in einer Steuereinheit subtrahiert.

Die einzige Figur veranschaulicht in einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße Verfahren. In eine Recheneinheit 1 eines nicht näher dargestellten Lenksystems für ein Kraftfahrzeug werden verschiedene Parameter x1, x2, x3, x4, x5 und x6 eingegeben und verarbeitet. Die einzelnen Parameter bedeuten

x1:: Lenkradwinkelgeschwindigkeit ω_LR
x2:: Lenkradwinkel δ_LR
x3:: Radlenkwinkel δ_RL
x4:: Reifenreibwerte η_R
x5:: Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (v_x) und
x6:: Stabilitätsreserve des Fahrzeuges.

In der Recheneinheit 1 wird in Abhängigkeit von den erwähnten Parametern x1 bis x6 eine Obergrenze für den Lenkwinkelgradienten ω_RL, d. h. ein maximal zulässiger Wert ermittelt. Dieser obere Grenzwert des Lenkwinkelgradienten, d. h. der Winkelgeschwindigkeit, mit welcher die Räder eingeschlagen werden, repräsentiert quasi idealerweise die Grenze zwischen Haft- und Gleit reibung der Räder auf der Fahrbahn. In Abhängigkeit von dieser Obergrenze des Lenkwinkelgradienten ω_RL wird ein Zusatzlenkwinkel δ_ZL bestimmt und ausgegeben, welcher einer Überlagerungslenkung 2 zugeführt bzw. dieser eingegeben wird. Die Überlagerungslenkung 2 ist beispielsweise ein an sich bekanntes Planetengetriebe mit zwei Eingangs- und einer Ausgangswelle, welches ein variables Lenkverhältnis zwischen dem Lenkradwinkel δ_LR und dem Radlenkwinkel δ_RL ermöglicht. Ein solches Überlagerungsgetriebe wurde durch einen Prospekt der Firma ZF Lenksystems unter der Bezeichnung ZF-Aktivlenkung für Pkw der Mittel- und Oberklasse bekannt und läuft zurzeit bei einem Fahrzeug eines deutschen Automobilherstellers in Serie. Während der vom Fahrer gewählte Lenkradwinkel δ_LR über eine erste nicht dargestellte Eingangswelle angegeben wird, wird der Zusatzlenkwinkel δ_ZL über eine zweite nicht dargestellte Eingangswelle in das Überlagerungsgetriebe 2 eingegeben. Durch die ebenfalls nicht dargestellte Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes 2 wird dann der Radlenkwinkel δ_RL (auch Lenkwinkel genannt) übertragen. Dieser Lenkwinkel δ_RL ist somit an die Fahrsituation angepasst und verhindert ein Ausbrechen (Schwimmwinkelaufbau) des Fahrzeuges bei Überreißen des Lenkrades.
Das Überlagerungsgetriebe 2 stellt eine mechanische Verbindung zwischen nicht dargestelltem Lenkrad und nicht dargestellten Rädern des Kraftfahrzeuges dar und bildet somit eine mechanische Redundanz.
Möglich ist jedoch auch, den Zusatzlenkwinkel mittels eines "steer-bywire"-Systems dem Fahrerwunsch zu überlagern. Der Zusatzlenkwinkel δ_ZL wird somit nicht mechanisch, sondern als elektrisches Signal in das „steer-by-wire"-System eingegeben.

1: Recheneinheit
2: Überlagerungsgetriebe (AFS)
δ_LR: Lenkradwinkel
ω_LR: Lenkradwinkelgradient bzw. -winkelgeschwindigkeit
δ_RL: Radlenkwinkel (Lenkwinkel)
ω_RL: Lenkwinkelgradient bzw. -winkelgeschwindigkeit
ω_ZUL: zulässiger Wert für Lenkwinkelgradient
δ_ZL: Zusatzlenkwinkel
v_x: Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (in x-Richtung)
μ_R: Reibwert Reifen/Fahrbahn

Claims

Verfahren zur Lenkung eines Kraftfahrzeuges, wobei mittels eines Lenkrades ein Lenkradwinkel δ_LR eingegeben wird und daraus mittels einer Lenkungssteuerung ein Radlenkwinkel δ_RL und ein Lenkwinkelgradient ω_RL erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet , dass der Lenkwinkelgradient ω_RL durch einen zulässigen, in der Fahrsituation berechenbaren Wert ω_ZUL begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zulässige Wert ω_ZUL in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, insbesondere von der Lenkradwinkelgeschwindigkeit ω_LR, vom Lenkradwinkel δ_LR, vom Radlenkwinkel δ_RL, von den Reifenreibwerten μ_R und von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Radlenkwinkel δ_RL durch die Lenkungssteuerung ein in Abhängigkeit vom Lenkwinkelgradienten ω_ZUL berechneter Zusatzlenkwinkel δ_ZL überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Radlenkwinkel δ_LR ein negativer Zusatzlenkwinkel δ_ZL überlagert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkungssteuerung ein Überlagerungsgetriebe (2) mit veränderlicher Lenkübersetzung und zwei Eingangswellen aufweist, über welche jeweils der Lenkradwinkel δ_LR und der Zusatzlenkwinkel δ_ZL eingebbar sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkungssteuerung eine hydraulische Anordnung aufweist, über welche jeweils der Lenkradwinkel δ_LR und der Zusatzlenkwinkel δ_ZL eingebbar sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkungssteuerung als „steer-by-wire"-System ausgebildet ist.