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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Steuervorgabe
einer von einer Steuervorrichtung ansteuerbaren aktiven Lenkeinrichtung eines
Fahrzeugs gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Die
Fahrdynamik stellt grundsätzlich
ein Teilgebiet der technischen Mechanik, d. h. der Fahrzeugmechanik,
dar, das sich mit den auf ein Fahrzeug einwirkenden Kräften und
den daraus wiederum resultierenden Fahrzeugbewegungen befasst. Dabei
wird die Fahrdynamik in die Längsdynamik,
die Querdynamik und die Vertikaldynamik eines Fahrzeugs unterteilt.
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Die
Längsdynamik
befasst sich mit dem Zusammenwirken von Antriebs- oder Bremskräften an den Rädern und
mit den Fahrwiderständen
in Abhängigkeit
von den Strecken- und Betriebsverhältnissen. Somit sind aus der
Längsdynamik
unter anderem wichtige Schlussfolgerungen für den Kraftstoffverbrauch,
die Beschleunigungsfähigkeit
und die Auslegung von Triebstrang und Bremsanlage erzielbar.
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Die
Querdynamik betrachtet die Kräfte,
wie Seitenwind oder Fliehkräfte,
die das Fahrzeug von der Fahrtrichtung ablenken. Ein Ausgleich dieser Kräfte kann
nur durch Seitenführungskräfte der
Reifen bzw. Räder
erfolgen, wobei das gummibereifte Rad gegenüber seiner Mittelebene unter
einem entsprechenden Schräglaufwinkel
rollt. Von Einfluss sind auch die dynamische Radlast, die Antriebs-
und Bremskräfte
sowie die Reibungseigenschaften der Fahrbahn. Je nach Lage des Schwerpunkts,
des Angriffspunkts der Windkräfte,
der Konstruktion der Radaufhängung
und der Reifenbeschaffenheit ergeben sich Fahreigenschaften, die
zusammen mit den Lenkreaktionen des Fahrers auf das Fahrverhalten, die
Fahrtrichtungshaltung bei Geradeausfahrt und die Fahrstabilität bei Kurvenfahrt
schließen
lassen.
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Die
Vertikaldynamik untersucht die senkrechten Kräfte und Bewegungen, die durch
die Unebenheiten der Straße
erzeugt werden und unter Zwischenschaltung von Reifen- und Wagenfederung Hubschwingungen
und Nickschwingungen um die Querachse erzeugen, die mit Hilfe von
Schwingungsdämpfern
reduziert werden. Bei Kurvenfahrt ergibt sich ein von der Achsanordnung
abhängiges
Wanken um die Längsachse,
dass durch Stabilisatoren beeinflusst werden kann.
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Durch
den Einsatz elektronischer Regelsysteme wird versucht die Fahrdynamik
zu verbessern, wobei die Längsdynamik
beispielsweise durch ein Antiblockiersystem, die Querdynamik beispielsweise durch
eine Fahrdynamikregelung mit gezielter Beeinflussung der Giermomente
durch einen Bremseingriff sowie die Vertikaldynamik durch eine Verringerung der
Wankneigung des Fahrzeugaufbaus und eine Beeinflussung der Dämpfungseigenschaften
durch elektronische Fahwerkregelung beeinflusst werden kann.
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Des
Weiteren wird zwischen einem untersteuernden, einem übersteuernden
Fahrzeug sowie durch ein neutrales Fahrverhalten gekennzeichnetes Fahrzeug
unterschieden. Dabei ist ein Schräglaufwinkel der Vorderräder bei
einem untersteuernden Fahrzeug größer als der Schräglaufwinkel
der Hinterräder.
Das bedeutet, dass ein untersteuerndes Fahrzeug die Bestrebung aufweist,
einen größeren Kurvenradius
zu fahren als dies den eingeschlagenen Vorderrädern entspricht und dabei über die
Vorderräder
nach außen
schiebt.
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Bei
einem übersteuernden
Fahrzeug sind die Schräglaufwinkel
der Hinterräder
größer als
die der Vorderräder
und das Fahrverhalten des Fahrzeugs ist in einem derartigen Betriebszustand
dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen kleineren Kurvenradius
anstrebt als dies den eingeschlagenen Vorderrädern entspricht und in Grenzsituationen letztendlich
mit dem Heck ausbricht.
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Im
Gegensatz hierzu sind die Schräglaufwinkel
der Vorder- und Hinterräder
eines Fahrzeugs bei einem neutralen Fahrverhalten gleich groß und das Fahrzeug
schiebt bzw. driftet gleichmäßig in Grenzsituationen
gleichmäßig über alle
Räder.
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Unter
Berücksichtung
der vorstehend aufgeführten
Kenntnisse sind die während
des Betriebs eines Fahrzeugs an diesem wirkenden Kräfte und
daraus resultierende Betriebszustandverläufe eines Fahrzeugs mittels
mathematischer Algorithmen und darauf aufbauenden theoretischen
Fahrzeugmodellen wenigstens annähernd
derart abbildbar, das ein Fahrzeugverhalten eines Fahrzeugs während unterschiedlicher
Fahrsituationen theoretisch darstellbar ist.
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Des
Weiteren kommen in der Praxis bekannte Testverfahren bei realen
Fahrzeugen zur Anwendung, bei welchen die Auswirkungen eines Lastwechsels
auf die Kurshaltung und das Richtungsverhalten eines Fahrzeuges
bestimmt werden. Dabei wird von einem Fahrer während einer stationären kreisförmigen Bewegung
des Fahrzeugs eine Störung
bzw. ein die Reifenkräfte
veränderndes
Ereignis in Form eines vordefinierten Lastwechsels vorgenommen,
um die Fahrzeugreaktionen nach plötzlichen Lastwechseln, wie
Gaswegnahme, Gasgeben oder Bremsen, während einer stationären Kurvenfahrt
am realen System beobachten und bewerten zu können.
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Wird
bei einer Kreisfahrt ein Lastwechsel durch eine Gaswegnahme oder
eine Bremsung eingeleitet, entsteht eine derartige Achslastverlagerung von
der Hinterachse auf die Vorderachse, dass die dynamischen Reifenaufstandskräfte an der
Vorderachse größer werden,
während
die dynamischen Reifenaufstandskräfte an der Hinterachse dementsprechend
verkleinert werden. Aufgrund dieser Achslastverlagerung wird das
Seitenkraftpotential der Räder
an der Vorderachse entsprechend der Reifencharakteristik größer und
das Seitenkraftpotential der Räder
an der Hinterachse kleiner, so dass sich die Seitenkraftverteilung ändert. Zusätzlich erzeugen
die Antriebskräfte
an der Vorderachse bei einem Allrad- oder Frontantrieb ein Giermoment.
In der Regel dreht ein Fahrzeug während einer Kurvenfahrt und
während
einer Beschleunigungsphase, d. h. einem Zugbetrieb, aus der Kurve
und bei einer Gaswegnahme, d. h. einem Schubbetrieb, in die Kurve
ein.
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Das
plötzliche
und unerwartete Verändern des
Eigenlenkverhaltens durch Veränderungen
der Reifenlängskräfte, z.
B. durch einen Lastwechsel, ist für den Normalfahrer nicht vorhersehbar
und insbesondere in Grenzsituationen schwer zu beherrschen. Im normalen
Straßenverkehr
finden Kurvenfahrten mit schwer beherrschbaren Lastwechselreaktionen und
einer daraus resultierenden Veränderung
des Eigenlenkverhaltens beim Durchfahren von Autobahnein- und ausfahrten
statt, die besonders für
ungeübte Autofahrer
unter Umständen
zu sicherheitskritischen Fahrsituationen führen können.
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Im
Allgemeinen verändern
alle auf das Fahrzeug einwirkenden Antriebsstrangeinflüsse, die
beispielsweise aus während
einer Kurvenfahrt im Zug- oder
Schubbetrieb sowie bei Lastwechseln eines Fahrzeugs an diesem angreifenden
Längskräften resultieren,
das Eigenlenkverhalten eines Fahrzeugs, da diese die Seitenkraftverteilung
gegenüber
einem längskraftfreien
Rollbetrieb des Fahrzeug während einer
Kurvenfahrt verändern.
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Aus
der
DE 197 23 358
A1 ist ein motorbetriebenes Servolenksystem bekannt, bei
dem einerseits die Lenkbewegung des Fahrers motorisch unter stützt wird
und andererseits die Fahrstabilität und der Fahrkomfort des Fahrzeuges
dadurch erhöht wird,
dass aufgrund zusätzlicher
motorisch durchgeführter
Lenkbewegungen beispielsweise Gierbewegungen des Fahrzeuges minimiert
werden. Die Bewegungen des Fahrzeuges werden dabei durch verschiedene
Sensoren erfasst und dienen als Maß für die zusätzlichen motorisch durchzuführenden
Lenkbewegungen.
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Dieses
System weist jedoch nachteilhafterweise lange Reaktionszeiten auf,
da erst nach der Erfassung der Bewegungen des Fahrzeuges eine Generierung
der motorisch durchzuführenden
Lenkbewegungen erfolgt, wodurch sicherheitskritische Fahrsituationen
nur in sehr begrenztem Umfang vermeidbar sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, mittels welchem die Fahrdynamik eines Fahrzeugs auf
einfache Art und Weise mit kurzen Reaktionszeiten derart beeinflussbar
ist, dass sicherheitskritischen Fahrsituationen wirkungsvoll entgegengetreten
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Bestimmen einer Steuervorgabe für eine von einer Steuervorrichtung
ansteuerbaren aktiven Lenkeinrichtung eines Fahrzeugs ist die Fahrdynamik
eines Fahrzeugs auf einfache Art und Weise mit den für ein erfolgreiches
Vermeiden sicherheitskritischer Fahrsituationen bzw. mit den für ein wirkungsvolles
Entgegenwirken sicherheitskritischer Fahrsituationen erforderlichen
kurzen Reaktionszeiten unter Berücksichtigung
eines aktuellen Betriebszustandes des Fahrzeugs in Richtung einer betriebszustandsabhängigen vordefinierten
Fahrdynamik des Fahrzeugs veränderbar.
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Darüber hinaus
ist ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
angesteuertes Fahrzeug mit einem gewünschten bzw. einem fahrzeugherstellerspezifischen
und in entsprechender Art und Weise vordefinierten Fahrverhalten
darstellbar.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass die Steuervorgabe in Abhängigkeit
einer wenigstens anhand verschiedener aktueller Betriebszustandsgrößen des Fahrzeugs
berechneten Soll-Gierrate und eines in Abhängigkeit der Soll-Gierrate sowie aktueller
Betriebszustandsgrößen des
Fahrzeugs bestimmten dynamischen Fahrzustandes und eine damit korrespondierende
Ist-Gierrate ermittelt wird, wobei die Steuervorgabe dem von einem
Fahrer vorgegebenen Lenkeinschlagwinkel derart überlagert wird, dass eine aktuelle
Ist-Gierrate in Richtung der Soll-Gierrate verändert wird.
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Ziel
der Erfindung ist es, kurze Reaktions- bzw. Steuerzeiten über die
als Vorsteuerverfahren ausgestaltete erfindungsgemäße Vorgehensweise zu
erreichen. Voraussetzung dafür
ist eine entsprechend exakte Bestimmung der Steuervorgabe mittels der
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrunde liegenden Berechnungsalgorithmen bzw. theoretischen Abbildungen
des realen Fahrzeugsystems, die wiederum einen möglichst geringen Rechenaufwand verursachen.
Damit ist ein vom Fahrer aktuell angeforderter Lenkeinschlagwinkel
mittels der aktiven Lenkeinrichtung bzw. der Überlagerungslenkung in Abhängigkeit
von Zug- oder Schubeinflüssen
kontinuierlich bzw. permanent und in Echtzeit anpassbar, so dass
eine aktuelle Ist-Gierrate, die von einer Soll-Gierrate aufgrund am Fahrzeug während einer Kurvenfahrt
angreifenden Längskräften bzw.
Antriebsstrangeinflüssen
abweicht, je nach zugrunde geleg ter Betriebsstrategie gezielt beeinflusst
wird und beispielsweise sogar konstant gehalten wird.
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Weitere
Vorteile bilden die Gegenstände
der Unteransprüche.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung
wird die Soll-Gierrate in Abhängigkeit
des von einem Fahrer vorgegebenen Lenkeinschlagwinkels, statischen
Radaufstandskräften
und der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Damit wird
die Soll-Gierrate ohne die Fahrdynamik des Fahrzeugs beeinflussende
und am Fahrzeug angreifende Längskräfte bestimmt,
so dass die ermittelte Soll-Gierrate des Fahrzeugs grundsätzlich einem
fahrzeugspezifischen „neutralen" Fahrverhalten entspricht,
bei dem sich vorzugsweise keine sicherheitskritischen Fahrsituationen
einstellen.
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Die
sich an die Ermittlung der Soll-Gierrate anschließende Bestimmung
des dynamischen Fahrzustandes und der damit korrespondierenden Ist-Gierrate, die bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit
der dynamischen Radaufstandskräfte
ermittelt werden, führt
mit der Ausgabe der wiederum aus der Sollgierrate und aus dem dynamischen
Fahrzustand bestimmten Steuervorgabe vorteilhafterweise dazu, dass
die aktuelle Ist-Gierrate in Richtung der zuvor bestimmten und einem
neutralen bzw. vordefinierten Fahrverhalten entsprechenden Soll-Gierrate
verändert
wird.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Patentansprüchen
und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigt:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung eines Fahrzeugs mit zwei antreibbaren
Fahrzeugachsen und einer aktiven Lenkeinrichtung;
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2a eine
stark schematisierte Seitenansicht eines Fahrzeugs;
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2b ein über ein
einspuriges Fahrzeugmodell modellhaft abgebildetes Fahrzeug während eines
Zugbetriebs, welches in an sich bekannter Weise betrieben wird;
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2c eine 2b entsprechende
Darstellung eines Fahrzeugs im Zugbetrieb, welches erfindungsgemäß angesteuert
wird;
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2d eine 2b entsprechende
Darstellung eines herkömmlich
betriebenen Fahrzeugs im Schubbetrieb;
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2e eine 2b entsprechende
Darstellung eines Fahrzeugs, welches im Schubbetrieb erfindungsgemäß angesteuert
wird;
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3 eine
Darstellung des Einflusses der an einem Fahrzeug angreifenden Längskräfte auf
einen Kurvenradius aufgetragen über
der Fahrzeuggeschwindigkeit;
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4 ein
stark vereinfacht dargestelltes Blockschaltbild einer ersten Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 ein
stark vereinfacht dargestelltes Blockschaltbild einer zweiten Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 ein
Ablaufdiagramm einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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7 eine
Gegenüberstellung
von Verläufen der
Gierrate eines konventionell betriebenen Fahrzeugs und eines erfindungsgemäß betriebenen
Fahrzeugs während
verschiedener Betriebszustände.
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1 zeigt
ein stark schematisiertes und als Allradfahrzeug ausgeführtes Fahrzeug 1 mit
zwei antreibbaren Fahrzeugachsen 2, 3, die Teil
eines Antriebsstranges 4 des Fahrzeugs 1 sind.
Der Antriebsstrang 4 umfasst des Weiteren eine Antriebsmaschine
bzw. eine Brennkraftmaschine 5 und ein Hauptgetriebe 6,
welches jedes an sich aus der Praxis bekannte Getriebe sein kann.
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Zwischen
dem Hauptgetriebe 6, welches zur Darstellung unterschiedlicher Übersetzungen
für Vorwärts- und
Rückwärtsfahrt
vorgesehen ist und den beiden antreibbaren Fahrzeugachsen 2, 3 des
Fahrzeugs 1, die in an sich bekannter Art und Weise auf jeder
Fahrzeugseite mit wenigstens einem Antriebsrad 2A, 2B bzw. 3A, 3B verbunden
sind, ist ein Verteilergetriebe 7 zum Verteilen eines Antriebsmomentes
der Antriebsmaschine 5 bzw. des Getriebeausgangsmomentes
des Hauptgetriebes 6 zwischen den beiden antreibbaren Fahrzeugachsen 2 und 3 angeordnet.
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Zusätzlich sind
zwischen den Antriebsrädern bzw.
den Reifen 2A, 2B und 3A, 3B jeweils
Einrichtungen 8, 9 zum Ausgleichen von Differenzdrehzahlen
zwischen den Reifen 2A, 2B der Fahrzeugachse 2 und
den Reifen 3A, 3B der Fahrzeugachse 3 vorgesehen,
welche Einrichtungen 8, 9 vorliegend als an sich
bekannte Querverteilergetriebe bzw. Achsgetriebe ausgeführt sind.
Dabei ist das Achsgetriebe 8 der Fahrzeugachse 2,
welche vorliegend die Fahrzeughinterachse darstellt, mit einer steuer-
und regelbaren Achssperre ausgeführt.
Damit wird der jeweils den antreibbaren Fahrzeugachsen 2 und 3 zugeführte Anteil
des Getriebeausgangsmomentes des Hauptgetriebes 6 über die
Einrichtungen 8, 9 zu den Antriebsrädern 2A, 2B bzw. 3A, 3B der
Fahrzeugachsen 2, 3 weitergeleitet und jeweils
zwischen den Reifen 2A, 2B und 3A, 3B der
betreffenden Fahrzeugachse 2 bzw. 3 bedarfsgerecht
verteilt.
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Die
beiden Querverteilergetriebe bzw. Achsgetriebe 8 und 9 bieten
die Möglichkeit,
die Antriebsräder
der Fahrzeugachsen 2 und 3 unabhängig voneinander
entsprechend den verschiedenen Weglängen der linken bzw. rechten
Fahrspur mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben, wodurch das Antriebsmoment
symmetrisch und somit giermomentfrei zwischen zwei Antriebsrädern einer
Fahrzeugachse 2 bzw. 3 verteilbar ist.
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Zusätzlich ist
das Fahrzeug an seiner Fahrzeugvorderachse mit einer an sich aus
der Praxis bekannten aktiven Lenkeinrichtung 10 ausgeführt, bei der
einem von einem Fahrer des Fahrzeugs 1 vorgegebenen Lenkeinschlagwinkel
ein von einer Steuervorrichtung 11 generierter motorisch
erzeugter Überlagerungslenkeinschlagwinkel
in an sich bekannter Art und Weise mittels eines Getriebes überlagert
werden kann. Die aktive Lenkeinrichtung kann beispielsweise als
eine Überlagerungslenkung
oder als eine Steer-by-Wire-Lenkung ausgeführt sein.
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Weiterhin
ist das Fahrzeug 1 im Bereich der Räder 2A, 2B bzw. 3A, 3B mit
so genannten CDC-Dämpfern 122A, 122B, 123A, 123B (Continuous
Damping Control) ausgeführt,
mittels welchen in an sich bekannter Weise eine elektronische stufenlose
Dämpfersteuerung
durchführbar
ist. Zudem werden in Abhängigkeit
verschiedener Zustandsgrößen der
CDC-Dämpfer 122A, 122B, 123A, 123B,
die in Abhängigkeit
eines aktuellen Fahrzeuggewichts stehen, in der Steuereinrichtung 11 die
in 2a näher dargestellten
und in Normalrichtung auf die Reifen 2A bis 3B einwirkenden
statischen Reifenaufstandskräfte
F_AS_2A, F_AS_2B, F_AS_3A, F_AS_3B ohne Berücksichtigung dynamischer Einflüsse berechnet.
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Die
CDC-Dämpfer 122A, 122B, 123A, 123B sind
vorliegend herkömmlich
mit über
den Reifen 2A, 2B, 3A, 3B positionierten
und nicht näher
gezeigten Beschleunigungssensoren zum sensorischen Ermitteln der
Radbeschleunigungen im Betrieb des Fahrzeugs 1 ausgebildet.
Anhand der Sensorwerte sind so genannte dynamische Radaufstandskräfte F_AD_2A,
F_AD_2B, F_AD_3A, F_AD_3B der Reifen 2A bis 3B bestimmbar.
Vorliegend werden unter dem Begriff „dynamische Radaufstandskräfte" jeweils die in 2a als
Normalkräfte
eingezeichneten resultierenden Kraftkomponenten F_AD_2A, F_AD_2B,
F_AD_3A, F_AD_3B verstanden, die sich aus den statischen Reifenaufstandskräften F_AS_2A,
F_AS_2B, F_AS_3A, F_AS_3B und den jeweils in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands
des Fahrzeugs jeweils im Bereich der Reifen 2A bis 3B wirkenden
dynamischen Normalkraftkomponenten zusammensetzen.
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Selbstverständlich liegt
es im Ermessen des Fachmannes, die dynamischen Radaufstandskräfte alternativ
zu der letztgenannten Bestimmung in Abhängigkeit anderer Betriebszustandsgrößen des Fahrzeugs
zu bestimmen, die über
aus der Praxis hinlänglich
bekannte Fahrzeugkomponenten, wie einer Niveauregulierungseinrichtung
oder aktiver Federbeineinrichtungen, ermittelt werden. Zudem besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
die dynamischen Radaufstandskräfte
sowohl in Abhängigkeit
der Sensorwerte der Beschleunigungssensoren als auch in Abhängigkeit
der vorstehend genannten weiteren Betriebszustandsgrößen zu bestimmen.
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Dabei
besteht die Möglichkeit,
die dynamischen Radaufstandskräfte
mit Hilfe von über
verschiedenste in Fahrzeug angeordnete Sensoreinrichtungen ermittelte
Betriebszustandsparameter des Fahrzeugs, wie dem Getriebeausgangsmoment
oder einer Fahrzeuglängsbeschleunigung,
in Abhängigkeit
der zuvor bestimmten statischen Radaufstandskräfte abzuschätzen. Hiervon abweichend besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
die dynamischen Reifenaufstandskräfte mittels einer entsprechend
ausgestalteten Reifenkraftsensoreinrichtung direkt zu ermitteln.
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In 2a ist
das Fahrzeug 1 aus 1 in einer
stark schematisierten Seitenansicht dargestellt, wobei das Fahrzeug 1 prinzipiell
in zwei verschiedenen Positionen gezeigt ist. Die erste Position
ist durch eine durchgezogene Linienausführung und die zweite Position
ist durch eine strichpunktierte Linienausführung grafisch wiedergegeben.
Dabei nimmt das Fahrzeug 1 die erste Position während einer Kreisfahrt
mit konstantem Lenkeinschlagwinkel in rollendem Zustand ohne im
Bereich der Reifen wirkende Längskräfte ein
und entspricht vorliegend einer Ausgangsposition des Fahrzeugs 1.
Die zweite Position nimmt das Fahrzeug 1 im Zugbetrieb
ein, der ein so genanntes Nicken des Fahrzeugs um seine Querachse
verursacht.
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In 2b ist
das Fahrzeug gemäß 2a in einer
stark schematisierten Draufsicht gezeigt, wobei der Reifen 2A der
Fahrzeugachse 2 und der Reifen 3A der Fahrzeugachse 3 sowie
der Reifen 2B der Fahrzeugachse 2 und der Reifen 3B der
Fahrzeugachse 3, die auf jeder Fahrzeugachse jeweils eine
Spur ausbilden, zu einer einzigen Spur zusammengefasst dargestellt
sind.
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Das
in 2b dargestellte Fahrzeug befindet sich im Zugbetrieb
und wird während
einer Kurvenfahrt auf herkömmliche
Art und Weise angesteuert. Am Fahrzeug greift ein um die Fahrzeughochachse
des Fahrzeugs 1 wirkendes Giermoment an, welches in 2b durch
den zwischen den beiden schema tisch dargestellten Fahrzeugachsen 2 und 3 positionierten
gekrümmten
Pfeil 13 grafisch wiedergegeben ist und in diesem Fall
ein untersteuerndes Fahrverhalten zur Folge hat.
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Des
Weiteren sind die im Bereich der Fahrzeugachsen 2, 3 bzw.
der jeweils zu einer Spur zusammengefassten Reifen 2A, 2B bzw. 3A, 3B in Fahrzeuglängsrichtung
bzw. in Fahrzeugquerrichtung wirkenden Reifenlängs- und Reifenquerkräfte F_L2,
F_L3 bzw. F_Q2, F_Q3 wiedergegeben, die senkrecht zu den statischen
und den dynamischen Reifenaufstandskräften F_AS_2A, F_AS_2B, F_AS_3A,
F_AS_3B, F_AD_2A, F_AD_2B, F_AD_3A, F_AD_3B im Bereich der Aufstandsflächen der
Reifen 2A bis 3B auf dem Untergrund wirken und
an den Reifen 2A bis 3B angreifen.
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In 2c ist
das Fahrzeug 1 in einer in 2b entsprechenden
Darstellung in dem 2b zugrunde liegenden Betriebszustand
gezeigt, wobei dem in 2b dargestellten Lenkeinschlagwinkel δ_0 ein über das
nachbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren
ermittelter Überlagerungslenkeinschlagwinkel Δδ überlagert
ist, dass das um die Fahrzeughochachse wirkende Giermoment vollständig neutralisiert
ist. Die in 2c gezeigten Reifenquerkräfte F_Q2,
F_Q3 sind im Vergleich zu den in 2b gezeigten
verändert,
was durch die verschiedenen Längen
der die Reifenkräfte
F_Q2, F_Q3 symbolisierenden Pfeile grafisch wiedergegeben ist. Zusätzlich bewirkt
die Überlagerung
des ermittelten Überlagerungslenkeinschlagswinkels Δδ zu dem vom
Fahrer des Fahrzeugs 1 angeforderten Lenkeinschlagwinkels δ_0 eine Veränderung
des Kurvenradius R, den das Fahrzeug 1 während der
Kurvenfahrt durchfährt.
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In 2d und 2e ist
das Fahrzeug 1 gemäß 2a jeweils
in einer 2b entsprechenden Darstellung
gezeigt, wobei sich das Fahrzeug 1 jeweils im Schubbetrieb
befindet. Das in 2d gezeigte Fahrzeug wird wie
das in
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2b dargestellte
in an sich bekannter Art und Weise betrieben. An dem in 2d modellhaft dargestellten
Fahrzeug 1 greift ein zu dem in 2b am
Fahrzeug 1 angreifenden Giermoment entgegengerichtet wirkendes
Giermoment an, welches in diesem Fall ein übersteuerndes Fahrverhalten
des Fahrzeugs 1 zur Folge hat.
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In 2e ist
die Spur der Fahrzeugvorderachse 2 im Vergleich zu der
Darstellung gemäß 2d um
einen geringeren Lenkeinschlagwinkel gegenüber einer einer Geradeausfahrt
entsprechenden Position verschwenkt, wodurch das an der Fahrzeughochachse
angreifende und ein übersteuerndes Fahrverhalten
bewirkendes Giermoment im Wesentlichen neutralisiert ist.
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Die
Neutralisierung des in 2d dargestellten
Giermoments resultiert wie die zu 2b und 2c beschriebene
Neutralisierung des Giermoments aus der Überlagerung eines über das
nachbeschriebene und erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Überlagerungslenkeinschlagwinkels Δδ zu dem fahrerseitig
angeforderten Lenkeinschlagwinkel δ_0, wobei die Überlagerung
wiederum eine Veränderung
der Reifenkräfte
F_L2, F_L3 bzw. F_Q2, F_Q3 in der in 2d und 2e dargestellten
Art und Weise bewirkt.
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Der
Einfluss der am Fahrzeug 1 in Fahrzeuglängsrichtung angreifenden Reifenlängskräfte F_L2,
F_L3 auf den jeweils von einem Fahrzeug während einer Kurvenfahrt tatsächlich durchfahrenen Kurvenradius
ist in 3 über
der Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg gezeigt. Die Linie R_0 gibt den durchfahrenen
Kurvenradius mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg wieder,
wobei ein Fahrzeug ein derartiges Fahrverhalten aufweist, wenn die angreifenden
Längskräfte im Wesentlichen
Null sind.
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Die
oberhalb der Linie R_0 verlaufenden Linien R_1, R_2 und R_3 geben
jeweils ein Fahrverhalten eines Fahrzeugs in Zugbetrieb wieder.
Die Ab weichungen der Linien R_1 bis R_3 von der Linie R_0 nehmen
mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg zu, wobei die Linie
R_3 die größten Abweichungen
aufweist. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die der Linie R_3
zugrunde liegenden Reifenlängskräfte größer als
die den Linien R_1 und R_2 zugrunde liegenden Reifenlängskräfte sind.
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Die
unterhalb der Linie R_0 verlaufenden Linien R_4, R_5 und R_6 repräsentieren
jeweils das Fahrverhalten eines Fahrzeuges im Schubbetrieb, wobei
der Linie R_4 die kleinsten Reifenlängskräfte und der Linie R_6 die höchsten Reifenlängskräfte zugrunde
liegen.
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Grundsätzlich verursachen
Längskraftänderungen,
d. h. am Fahrzeug angreifende Beschleunigungen, Änderungen im Bereich der dynamischen Radaufstandskräfte F_AD_2A,
F_AD_2B, F_AD_3A, F_AD_3B. Daraus resultiert während einer Kurvenfahrt auch
eine Veränderung
der Seitenkraftverteilung im Bereich der Reifen 2A bis 3B.
Zusätzlich
erzeugen die Antriebskräfte
bei einem Allrad- oder Frontantrieb an der Fahrzeugvorderachse ein
Giermoment, so dass das Fahrzeug in der Regel bei Kurvenfahrt während einer
Beschleunigungsphase des Fahrzeugs aus der Kurve dreht und bei Gaswegnahme
in die Kurve eindreht.
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Mittels
der anhand 4, 5 und 6 beschriebenen
verschiedenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen die durch
Längskraftveränderungen
auftretenden Einflüsse
des Antriebsstrangs auf das Eigenlenkverhalten eines Fahrzeugs während einer
Kurvenfahrt kontinuierlich berechnet und im Rahmen der Physik neutralisiert
oder in Abhängigkeit
einer vordefinierten Betriebsstrategie entsprechend kompensiert
werden.
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Dazu
wird bei der in 4 in Form eines stark schematisiert
dargestellten Ablaufdiagramms gezeigten ersten Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens
während
eines Schritts F_1 zunächst
ein stationärer
Fahrzustand bzw. eine Soll-Gierrate φ_0 bestimmt. Das Fahrzeug 1 wird
mittels eines nichtlinearen Einspurigen Fahrzeugmodells theoretisch bzw.
modellhaft abgebildet. Dabei werden die beiden Räder 2A, 3A bzw. 2B, 3B der
Fahrzeugachsen 2 und 3 in der zu 2b vorbeschriebenen
Art und Weise zur Vereinfachung der Berechungen im Bereich der Fahrzeugvorderachse 2 und
der Fahrzeughinterachse 3 zu einer einzigen Spur zusammengefasst
und das Fahrverhalten des Fahrzeugs 1 mit Hilfe einer Funktion
höherer
Ordnung mathematisch abgebildet, wobei die Soll-Gierrate in Abhängigkeit
des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auch über ein linearisiertes einspuriges
Fahrzeugmodell ermittelt werden kann.
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In
die Berechnung des Schritts S1 fließen als Eingangsrechengrößen die
aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg, die statischen Reifenaufstandskräfte F_AS_2A,
F_AS_2B, F_AS_3A, F_AS_3B sowie ein von einem Fahrer des Fahrzeugs 1 aktuell
angeforderter Lenkeinschlagwinkel δ_0 ein, um die Soll-Gierrate φ_0 theoretisch
zu bestimmen bzw. zu berechnen. Die während des Schritts S_1 bestimmte Soll-Gierrate φ_0 entspricht
somit einer Gierrate des Fahrzeugs, an dem im Wesentlichen keine
Längskräfte angreifen,
so dass die Soll-Gierrate φ_0
im Wesentlichen einem Fahrzeug mit neutralen Fahrverhalten entspricht.
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Anschließend wird
in einem Schritt S_2 ein dynamischer Fahrzustand anhand eines das
reale Fahrzeug theoretisch abbildenden einspurigen Fahrzeugmodells
bestimmt, das in dem der Berechnung aktuell zugrunde liegenden Betriebspunkt
linearisiert ist und bei dem ebenfalls die beiden Spuren des Fahrzeugs 1 theoretisch
als eine Spur angenommen werden.
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Bei
der Berechnung des dynamischen Fahrzeugstandes finden die Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg,
die dynamischen Reifenaufstandskräfte F_AD_2A, F_AD_2B, F_AD_3A,
F_AD_3B der aktuell vom Fahrer angeforderte Lenkeinschlagwinkel δ_0 und die
in Schritt S_1 bestimmte Soll-Gierrate φ_0 Eingang, wobei der Überlagerungslenkeinschlagwinkel Δδ die Ausgangsgröße des Schritts S_2
darstellt und anschließend
dem vom Fahrer angeforderten Lenkeinschlagwinkel δ_0 überlagert wird.
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Die
in 5 in Form eines stark schematisierten Ablaufdiagramms
dargestellte zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheidet sich
von der in 4 dargestellten ersten Variante
im Wesentlichen im Bereich des Schritts S_1, während dem die Soll-Gierrate φ_0 zusätzlich in
Abhängigkeit einer
vordefinierten, vorzugsweise fahrzeugherstellerspezifischen, Betriebsstrategie
bestimmt wird. Die Betriebsstrategie liegt in Form von vordefinierten Kennwerten
vor, die während
der Berechnung aus einem in der Steuereinrichtung 11 abgelegten
Kennfeld ausgelesen werden. Die Kennwerte korrespondieren mit den
jeweils zum Berechnungszeitpunkt des Überlagerungslenkeinschlagwinkels Δδ aktuellen
Betriebszustandsgrößen. D.
h. vorliegend mit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v_fzg, den
statischen Reifenaufstandskräften
F_AS_2A, F_AS_2B, F_AS_3A, F_AS_3B, sowie dem aktuell vom Fahrer angeforderten
bzw. aktuell eingestellten Lenkeinschlagwinkel δ_0.
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Damit
besteht bei der zweiten Variante im Unterschied zur ersten Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Möglichkeit,
die Soll-Gierrate φ_0
in Abhängigkeit
eines gewünschten
Fahrverhaltens zu bestimmen, das während des Betriebs des Fahrzeugs
beispielsweise durch wechselnde Fahrprogramme verändert werden
kann. Das bedeutet, dass beispielsweise fahrerseitig oder steuergeratseitig
generell ein eher untersteuerndes, ein eher übersteuerndes oder ein neutrales
Fahrverhalten dargestellt werden kann.
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6 zeigt
ein Ablaufdiagramm einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem ein die Schritte S_1 und S_2 umfassendes Vorsteuerverfahren
VS_3 und ein Regelverfahren RV_4 parallel geschaltet ist. Somit
wird die Ermittlung der Steuervorgabe zur Ansteuerung der aktiven
Lenkeinrichtung 10 in zwei parallelen Pfaden durchgeführt.
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Während des
einen ersten Pfad darstellenden Vorsteuerverfahrens VS_3 wird ein
erster Anteil der Steuervorgabe zur Ansteuerung der aktiven Lenkeinrichtung 10 entweder
mittels der zu 4 beschriebenen ersten Variante
oder der zu 5 beschriebenen zweiten Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
berechnet, während
ein weiterer Anteil der Steuervorgabe in einem Schritt S_5 des den zweiten
Pfad darstellenden Regelverfahrens RV_4 der aktuelle Lenkeinschlagwinkel δ_0 bestimmt
wird; der in einem Schritt S_6 zu dem über das Vorsteuerverfahren
VS_3 bestimmten Überlagerungslenkeinschlagwinkel Δδ addiert
wird und anschließend
als Steuervorgabe an die aktive Lenkeinrichtung 10 ausgegeben
wird.
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7 zeigt
eine Gegenüberstellung
zweier Verläufe
G_1 und G_2 einer Gierrate des Fahrzeugs 1 über der
Zeit t, die sich während
verschiedener aufeinander folgender Betriebszustände des Fahrzeugs während einer
Kurvenfahrt einstellen. Dabei entspricht der Verlauf G_1 dem Verlauf
der Gierrate, welche sich bei einem konventionell betriebenen Fahrzeug
einstellt, bei dem keine die Fahrdynamik eines Fahrzeugs beeinflussende
Fahrzeugkomponente, d. h. vorliegend die aktive Lenkeinrichtung 10,
erfindungsgemäß angesteuert
wird.
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Die
Fahrzeuggeschwindigkeit ist während des
gesamten Fahrmanövers
konstant, wobei sich durch die am Fahrzeug jeweils angreifenden
Antriebskräfte
bei einem konventionell betriebenen Fahrzeug eine Veränderung
der Gierrate von ca. 35 % gegenüber
einem neutralen Fahrbetrieb einstellt, wohingegen bei einem von
Antriebseinflüssen
neutralisierten Fahrzeug der Einfluss der Antriebskräfte auf
die Gierrate nahezu null ist.
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Zwischen
einem Zeitpunkt T_0 und einem Zeitpunkt T_1 durchfährt das
Fahrzeug 1 eine Kurve mit konstantem Radius, ohne das an
dem Fahrzeug das Fahrverhalten beeinflussende Längskräfte angreifen, was einem einfachen
Rollen des Fahrzeugs 1 entspricht.
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Zum
Zeitpunkt T_1 geht das Fahrzeug 1 sprunghaft in einen Zugbetrieb über, was
durch Vollgasgeben bewirkt wird. Der Übergang in den Zugbetrieb führt zu einem
Absinken des Verlaufs G_1 bis hin zu einem Minimum, wobei sich die
Gierrate nach einiger Zeit auf einen im Wesentlichen konstanten Wert
einpendelt und bis zu einem Zeitpunkt T_2 auf diesem Wert bleibt.
Zu einem Zeitpunkt T_3 wechselt das Fahrzeug 1 vom Zugbetrieb
in den Schubbetrieb, wobei der Betriebszustandswechsel vorliegend durch
eine sprunghafte Gaswegnahme bewirkt wird. Zum Zeitpunkt T_2, der
kurze Zeit später
auf den Zeitpunkt T_3 folgt, steigt der Verlauf G_1 der Gierrate
des konventionell betriebenen Fahrzeugs 1 auf einen Wert
oberhalb der Gierrate des neutralen Fahrverhaltens während des
Rohzustand an, und verläuft anschließend im
Wesentlichen konstant bis zu einem Zeitpunkt T_4, zudem das Fahrzeug
wiederum in einen stationären
Rollzustand ohne am Fahrzeug angreifende Längskräfte übergeht. Am Übergang
vom Schubbetrieb in den stationären
Rollbetrieb fällt
der Verlauf G_1 der Gierrate auf den vor dem Zeitpunkt T_1 entsprechenden
Wert ab und verläuft
anschließend
im Wesentlichen konstant.
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Im
Vergleich dazu ist der Verlauf G_2 der Gierrate dargestellt, der
sich nach den vorbeschriebenen Betriebszustandsänderungen bzw. Lastwechseln
bei entsprechender erfindungsgemäßer Ansteuerung
der aktiven Lenkeinrichtung einstellt. Der Verlauf G_2 der Gierrate
ist im Wesentlichen über
den gesamten dargestellten Zeitraum nahezu konstant, so dass ein
für einen
Fahrer des Fahrzeugs 1 erkennbares Eigenlenkverhalten des
Fahrzeugs bei einem von Antriebseinflüssen wenigstens annähernd neutralisierten
Fahrzeug im Wesentlichen erhalten bleibt.
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Abweichend
von den vorbeschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es bei weiteren Ausführungsformen
vorgesehen sein, dass anstatt der eine Rechenkomplexität begrenzenden
linearisierten einspurigen Fahrzeugmodelle auch durch einen höheren Rechenaufwand
gekennzeichnete mathematische Fahrzeugmodelle zur Abbildung des
realen Fahrzeugsystems eingesetzt werden. So kann beispielsweise
ein Vollfahrzeugmodell, bei dem ein Fahrzeug mit zwei Spuren theoretisch
abgebildet wird, oder eines nicht linearisierten einspurigen Fahrzeugmodell
verwendet werden.
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Die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist selbstverständlich
nicht auf ein in der Zeichnung dargestelltes Allradfahrzeug beschränkt, sondern
kann grundsätzlich
bei jedem beliebig ausgestatteten Fahrzeug eingesetzt werden, das
mit einer aktiven Lenkeinrichtung ausgeführt ist.
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Während einer
Kurvenfahrt eines Fahrzeugs auftretende Antriebsstrangeinflüsse führen aufgrund einer
jeweils in Abhängigkeit
des Betriebszustandes eines Fahrzeugs stehenden aktuellen Gierrate
sowie einer aktuellen Querbeschleunigung bekannterweise zur einer
Veränderung
des Eigenlenkverhaltens eines Fahrzeugs. Mit dem vorbeschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Auswirkungen der Antriebsstrangeinflüsse auf das Eigenlenkverhalten
berechnet und mit Hilfe der Steuervorgabe bzw. eines damit korrelierenden
Zusatzradwinkels neutralisiert oder in Richtung eines betriebsstrategieabhängigen,
d. h. vorzugsweise in Richtung eines fahrzeugherstellerspezifisch
vordefinierten, Eigenlenkverhaltens verändert.
-
Darüber hinaus
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dass Verfahren nach der Erfindung bei einem Fahrzeug anzuwenden,
das mit mehr als einer lenkbaren Fahrzeugachse ausgeführt ist.
Dann kann die Steuervorgabe in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden
Anwendungsfalles lediglich im Bereich einer der lenkbaren Fahrzeugachsen
oder gleichzeitig im Bereich zweier oder auch mehrerer lenkbarer
Fahrzeugachsen zur Anpassung der Ist-Gierrate in Richtung einer
Soll-Gierrate durch eine Veränderung
des Lenkeinschlagwinkels der Räder
einer Fahrzeugachse oder der Lenkeinschlagwinkel der Räder mehrerer Fahrzeugachsen
verwendet werden.
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- 1
- Allradfahrzeug
- 2
- Fahrzeugachse,
Hinterachse
- 2A,
2B
- Reifen
der Hinterachse
- 3A,
3B
- Reifen
der Vorderachse
- 3
- Fahrzeugachse
- 4
- Antriebsstrang
- 5
- Antriebsmaschine
- 6
- Hauptgetriebe
- 7
- Verteilergetriebe
- 8
- Achsgetriebe
der Hinterachse mit Achssperre
- 9
- Achsgetriebe
der Vorderachse
- 10
- aktive
Lenkeinrichtung
- 11
- Steuer-
und Regelvorrichtung
- 122A,
122B, 123A, 123B
- CDC-Dämpfer
- δ
- Lenkeinschlagwinkel
- R
- Kurvenradius
- Aδ
- Überlagerungslenkeinschlagwinkel
- F_AS_2A
bis F_AS_3B
- statische
Reifenaufstandskraft
- F_AD_2A
bis F_AD_3B
- dynamische
Reifenaufstandskräfte
- F_L2,
F_L3
- Reifenlängskraft
- F_Q2,
F_Q3
- Reifenquerkraft
- R_1
bis R_6
- Verlauf
des Kurvenradius
- S_1,
S_2, S_5, S_6
- Schritt
- VS_3
- Vorsteuerverfahren
- RV_4
- Regelverfahren
- T_0
bis T_5
- Zeitpunkt
- t
- Zeit
- v_fzg
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- φ_0
- Soll-Gierrate