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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung
der Stabilität
eines Verhaltens eines Fahrzeugs wie eines Automobils und noch genauer
auf eine solche Vorrichtung, welche das Fahrverhalten eines Fahrzeugs
stabilisiert, indem ein Lenkwinkel von Rädern gesteuert wird.
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Wenn
ein Fahrzeug auf einer Straßenoberfläche mit
unterschiedlichen Reibungskoeffizienten, beispielsweise einer einseitig
abgetrockneten und auf der anderen Seite nassen oder gefrorenen
Oberfläche fährt, ergibt
sich eine Unausgewogenheit der Brems- oder Antriebs- bzw. Traktionskräfte, die
von der Straße auf
die Räder
ausgeübt
werden (Straßenreaktionskräfte) zwischen
rechten und linken Rädern
des Fahrzeugs, die ein Giermoment erzeugt, welches das Fahrzeug
bzw. seine Vorderseite unerwünschterweise
dreht. Eine solche Unausgewogenheit der Brems- oder Traktionskräfte, welche
das Fahrverhalten (beispielsweise die Spurtreue) verschlechtert,
kann in den Fällen
einer Traktionssteuerung (TRC) und/oder Antiblockiersteuerung (ABS)
besonders groß werden,
weil die Kräfte
auf die Räder
individuell gesteuert werden, um einen übergroßen Anstieg des Schlupfs an
den jeweiligen Räder
abhängig
von den unterschiedlichen Straßenbedingungen zu
unterdrücken.
Bisher wurden daher Steuervorrichtungen entwickelt, um ein Fahrverhalten
eines Fahrzeugs durch Verringern oder Aufheben des Effekts eines
Giermoments aufgrund einer Unausgewogenheit der Brems- oder Traktionskräfte, insbesondere
unter einer TRC- und/oder ABS-Steuerung zu stabilisieren.
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Eines
der Beispiele für
eine solche Vorrichtung zur Steuerung der Fahrstabilität eines
Fahrzeugs ist in dem japani schen Patent Nr. 2540742 offengelegt,
in welchem während
der ABS-Steuerung Räder
unabhängig von
einer Lenkbewegung (Handling) durch den Fahrer so gesteuert werden,
dass ein Gegengiermoment erzeugt wird, welches dem Giermoment, welches
durch eine Unausgewogenheit der Bremskräfte zwischen den linken und
rechten Rädern
eines Fahrzeugs hervorgerufen wird, entgegengesetzt ist und es aufhebt.
Das Gegengiermoment, das auf der Grundlage von Bremskräften oder
-drücken
bestimmt wird, die tatsächlich
auf die jeweiligen Räder
angewendet werden, wird durch die automatische Steuerung der Räder in der
Richtung des Drehens der Vorderseite des Fahrzeugs von der Seite
mit den höheren
Reibkräften
(der Seite, auf welche die höhere
(rückwärts gerichtete)
Bremskraft ausgeübt
wird) zu der Seite mit den niedrigeren Reibkräften (der Seite, auf welcher
die niedrigere Bremskraft ausgeübt
wird) erzeugt. Um diese Stabilitätssteuerung
zu erreichen, ist ein Fahrzeug mit einer Steuervorrichtung oder
einem Mechanismus ausgestattet, der es ermöglicht, die Räder unabhängig von
einer Lenkbewegung eines Fahrers zu lenken.
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Vorrichtungen
zur Steuerung der Fahrzeugstabilität wie vorstehend beschrieben
sind dazu ausgelegt, die Auswirkungen einer Unausgewogenheit von
Brems- und/oder Traktionskräften
aufgrund eines Unterschieds in den Verhältnissen auf der Straße zu verringern
oder aufzuheben, auf welcher die Räder eines Fahrzeugs Bodenkontakt
haben, wodurch sie erfolgreich die Spurtreue bzw. Stabilität der Geradeausfahrt
desselben erhöhen.
Der Betrieb der vorstehend erörterten
Vorrichtungen zur Steuerung der Fahrzeugstabilität wird jedoch unerwarteterweise
durch die Unausgewogenheit der Kräfte beeinflusst, die sich durch
eine Verlagerung einer senkrechten Last bzw. Normalkraft in der
Querrichtung eines Fahrzeugs (nach links und rechts), wie beispielsweise
während
der Kurvenfahrt eines Fahrzeugs, ergeben. Beispielsweise erhöht eine
Verlagerung der senkrechten Last aufgrund einer Zentrifugalkraft
in einem Fahrzeug, das eine Kurve fährt, die Brems- oder Antriebskräfte auf
seine in der Kurve außen
liegenden Räder.
Daher würde
das Gegengiermoment und damit die automatische Steuergröße im Hinblick
auf den Zweck der Stabilitätssteuerung
unerwarteterweise sogar auf einer gleichmäßigen Straßenoberfläche erzeugt werden, wenn es
bzw. sie nur aufgrund der derzeitig aufgewendeten Brems- oder Antriebskräfte erzeugt
würde,
was die Kurvenfahrfähigkeit
bzw. die Spurtreue eines Fahrzeugs in der Kurve verschlechtern würde.
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In Übereinstimmung
damit können
herkömmliche
Vorrichtungen zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs wie vorstehend
beschrieben verbessert werden, um geeignet zu arbeiten, wobei eine
Verlagerung der senkrechten Last in der Querrichtung eines Fahrzeugs,
das eine Kurve fährt,
berücksichtigt
wird.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige Vorrichtung zur
Steuerung der Stabilität
eines Fahrzeug geschaffen, um die Auswirkungen einer Unausgewogenheit
der Brems- oder Traktionskräfte
aufgrund eines Unterschieds in den Straßenverhältnissen, insbesondere während das
Fahrzeug eine Kurve fährt,
zu verringern und/oder aufzuheben, indem ein Lenkwinkel des Fahrzeugs
gesteuert wird, wodurch ein Fahrverhalten des Fahrzeugs stabilisiert
wird.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
an einem Fahrzeug angebracht sein, um sein Fahrverhalten zu steuern.
Eine Lenkvorrichtung des Fahrzeugs ist dazu angepasst, ein Rad unabhängig von
einem Lenkvorgang durch den Fahrer zu steuern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst einen Abschnitt zum Abschätzen von individuellen Längskräften an
den jeweiligen Rädern;
einen Abschnitt zum Berechnen eines Giermoments, das auf eine Fahrzeugkarosserie
ausgeübt
wird und durch durch einen Unterschied in den Längskräften auf die linken und rechten
Räder hervorgerufen
ist (durch den Unterschied in den Längskräften verursachtes Giermoment);
und einen Abschnitt zum Berechnen eines Giermoments, das durch eine
Verlagerung der senkrechten Last in der Richtung nach rechts und
links der Fahrzeugkarosserie verursacht ist (durch die Verlagerung
der senkrechten Last verursachtes Giermoment). In einem Lenkungssteuerabschnitt
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird zuerst ein Gegengiermoment berechnet, um zumindest teilweise
das durch den Unterschied in den Längskräften verursachte Giermoment
aufzuheben. Das sich ergebende Gegengiermoment wird dann modifiziert,
indem ein Beitrag des durch die Verlagerung der senkrechten Last
verursachten Giermoments zum Gegengiermoment von diesem abgezogen
wird. Die Lenkvorrichtung wird durch das Lenken mindestens eines
Rads gesteuert, um das modifizierte Gegengiermoment auf die Fahrzeugkarosserie
auszuüben.
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Man
sollte hier verstehen, dass Längskräfte auf
die Räder
Brems-oder Traktionskräfte
sind, die von einer Straßenoberfläche auf
die jeweiligen Räder
während
des Abbremsens oder Beschleunigens der Räder ausgeübt werden. Eine Längskraft
auf jedes Rad ist eine Funktion einer senkrechten Last bzw. Normalkraft
auf das jeweilige Rad und eines Reibungskoeffizienten mit der Straßenoberfläche, auf
der das Rad Kontakt hat. Daher erhöht (verringert) die Verlagerung
der senkrechten Last während
des Kurvenfahrens auf die Außenseite
(Innenseite) der Kurve wie vorstehend beschrieben die Längskräfte auf
die entsprechenden Räder,
was unerwarteterweise die Größe des Gegengiermoments
beeinflussen bzw. verändern
würde.
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In
der vorliegenden Erfindung werden jedoch durch die momentenbasierte
Berechnung die Effekte der Verlagerung der senkrechten Last aus
einem Gegengiermoment, das tatsächlich
von der Lenkvorrichtung erzeugt wird (modifiziertes Gegengiermoment),
eliminiert. Daher ist ein Gegengiermoment, das von der Lenkungssteuerung
ausgeübt
wird, angepasst oder gerade ausreichend, um Effekte eines Ungleichgewichts
von Brems- und/oder Traktionskräften
aufgrund eines Unterschieds in den Straßenverhältnissen zu verringern und/oder
zu unterdrücken,
selbst während
ein Fahrzeug durch eine Kurve fährt,
wodurch die unerwartete Erzeugung, Erhöhung oder Verringerung eines
Giermoments, das auf eine Fahrzeugkarosserie wirkt, unterdrückt wird.
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In
der momentenbasierten Berechnung kann das Gegengiermoment, das als
Erstes in dem Lenkungssteuerabschnitt berechnet wird, ein zum durch
den Unterschied in den Längskräften verursachten
Giermoment entgegengesetztes Giermoment sein, das bedeutet, ein
Giermoment, das entgegengesetzt zum durch die Längskräfte verursachten Giermoment
gerichtet ist und dieselbe Größe wie dieses
aufweist. Dann kann man das modifizierte Giermoment erhalten, indem
das durch die senkrechte Last verursachte Giermoment zu dem ersten
berechneten Gegengiermoment hinzugezählt wird. In Übereinstimmung
damit wird das modifizierte Gegengiermoment ein Giermoment sein,
welches dem durch den Unterschied in den Längskräften verursachten Giermoment,
von dem das durch die Verlagerung der senkrechten Last verursachte
Giermoment abgezogen wird, entgegengesetzt ist und die gleiche Größe wie es
aufweist. In Übereinstimmung
mit der vorstehend erwähnten
Berechnung kann man ein Gegengiermoment erhalten, das im Wesentlichen
frei von den Auswirkungen der Verlagerung der senkrechten Last ist,
ohne die Unterschiede in den Kraftkomponenten aufgrund von unterschiedlichen
Reibungskoeffizienten auf der Straßenoberfläche abzuleiten.
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Das
durch die Verlagerung der senkrechten Last verursachte Giermoment
kann auf der Grundlage einer Querbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie
berechnet werden. Die Größe der Verlagerung
der senkrechten Last in die Richtungen rechts und links von der
Fahrzeugkarosserie erhöht
sich mit deren Querbeschleunigung, so dass die Größe des durch
die Verlagerung der senkrechten Last verursachten Giermoments bei
einer Erhöhung
der Größe der Querbeschleunigung
größer wird.
Genauer gesagt kann in dieser Beziehung das durch die Verlagerung
der senkrechten Last verursachte Giermoment unter der Annahme abgeschätzt werden,
dass ein Fahrzeug auf einer Straßenoberfläche mit einer bezüglich Reibung
gleichförmigen
Oberflächenbeschaffenheit
eine Kurve fährt.
Für den
Zweck der Vorrichtungen zur Steuerung der Fahrzeugstabilität, auf den
die Erfindung ausgerichtet ist, sollte auf einer Straßenoberfläche mit
einer bezüglich
Reibung gleichförmigen
Oberflächenbeschaffenheit
selbst während
des Fahrens einer Kurve kein Gegengiermoment erzeugt werden. In
anderen Worten sollte die Abweichung von einem Giermoment, das für ein Fahrzeug
erwartet wird, das auf einer Oberfläche mit gleichförmigem Reibungskoeffizienten
fährt,
durch das resultierende Gegengiermoment aufgehoben werden. Daher
kann bei der Berechnung des modifizierten Gegengiermoments die Momentenkomponente
aufgrund der Verlagerung der senkrechten Last, während ein Fahrzeug eine Kurve
fährt, das
bedeutet, das Giermoment, das aus dem durch den Unterschied in den
tatsächlich
wirkenden Längskräften ausgeübten Giermoment
zu elimininieren ist, als ein Giermoment angesehen werden, das für ein Fahrzeug erzeugt
werden würde,
welches auf einer Oberfläche
mit gleichförmigen
Reibungseigenschaften eine Kurve führe. Auf einer gleichförmigen Straßenoberfläche werden
die Längskräfte auf
die einzelnen Räder
als proportional zu senkrechten Lasten auf die jeweiligen Räder angesehen,
so dass sich das durch die Verlagerung der senkrechten Last verursachte
Giermoment durch Berechnung der Verteilung der senkrechten Last
auf die Räder
eines Fahrzeugs ergibt.
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Längskräfte auf
Räder können unter
Nutzung von Brems- oder
Antriebskräften
oder -drehmomenten abgeschätzt
werden, die von einer Brems- und/oder Antriebsvorrichtung eines
Fahrzeugs ausgeübt
werden (Bremsdrücke
und/oder Maschinendrehmomente, die an den jeweiligen Rädern übermittelt
werden). Noch genauer kann man eine Längskraft auf jedes Rad als
eine Funktion der Brems- oder Antriebsmomente von den Brems-/Antriebsvorrichtungen
und einer Änderung
der Geschwindigkeit der Veränderung
des Radlenkwinkels bzw. einer Radlenkwinkelbeschleunigung erhalten.
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Zum
Betrieb der Lenkvorrichtung auf der Grundlage des sich ergebenden
modifizierten Giermoments wird bevorzugt in dem Lenkungssteuerabschnitt
ein vorläufiger
Ziellenkwinkel für
das gelenkte Rad, der zunächst
auf der Grundlage einer Lenkungsbetätigung durch den Fahrer und
einer vorab bestimmten Lenkungscharakteristik berechnet wird, auf
der Grundlage des modifizierten Gegengiermoments in einen Ziellenkwinkel für das gelenkte
Rad modifiziert. Auf der Grundlage des sich ergebenden Ziellenkwinkels
kann der Lenkungssteuerabschnitt den Lenkwinkel durch die Lenkvorrichtung
steuern. Daher kann die Lenkungssteuerung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der Größe der Betätigung der
Lenkung durch den Fahrer und den vorab bestimmten Lenkungseigenschaften
kompatibel sein. Falls dies erforderlich ist, kann die Lenkungssteuerung durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
unabhängig
von der Lenkungsbetätigung
durch den Fahrer durchgeführt
werden.
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Wenn
ein Schlupfverhältnis
jedes Rads abhängig
von den zugehörigen
Reibverhältnissen
auf der Straße,
beispielsweise wie vorstehend beschrieben durch eine ABS- oder TRC-Steuerung
so gesteuert wird, dass es nicht übermäßig groß wird, wird die Unausgewogenheit
der Längskräfte aufgrund
von unterschiedlichen Reibeigenschaften auf einer Straßenoberfläche groß. Daher
wird die Lenkungssteuerung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorteilhafterweise gemeinsam mit den vorstehend erwähnten Steuerungen
der Schlupfverhältnisse
durchgeführt.
Man sollte verstehen, dass die Lenkungssteuerung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Falle der Abwesenheit einer Steuerung des Schlupfverhältnisses
nicht durchgeführt
werden muss. Wie bemerkt, ist die Modifizierung des Gegendrehmoments
auf die Eliminierung der Auswirkungen von Effekten der Verlagerung
der senkrechten Last aufgrund der Kurvenfahrt eines Fahrzeugs gerichtet.
Daher muss der Vorgang der Modifizierung des Gegendrehmoments nicht
durchgeführt
werden, wenn ein Fahrzeug geradeaus fährt. In diesem Fall kann das
Gegendrehmoment zur Lenkungssteuerung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
verwendet werden, das aus dem Giermoment abgeleitet wird, welches
durch den Unterschied in den Längskräften verursacht
ist.
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Bei
der Durchführung
irgendeiner anderen Brems- oder Lenkungssteuerung, wie einer Steuerung
zur Stabilisierung des Fahrzeugverhaltens durch die Anpassung von
Längskräften auf
die jeweiligen Räder
(VSC mit Radkräften;
TF-VSC oder elektronisches Stabilitätssteuerungsprogramm, ESP)
oder einer Steuerung zur Verteilung von Brems- und Antriebskräften kann
die Modifizierung des Gegendrehmoments verhindert werden, um einen
Konflikt zwischen diesen Steuerungen zu vermeiden.
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In Übereinstimmung
damit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und neuartige
Vorrichtungen zur Steuerung der Stabilität für ein Fahrzeug wie ein Automobil
zu schaffen, indem ein Gegengiermoment durch das Lenken von Rädern geschaffen
wird, um ein Giermoment aufgrund des Ungleichgewichts zwischen den
Längskräften, die
auf die linken und rechten Räder
wirken, zu verringern und/oder aufzuheben.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Vorrichtungen
zu schaffen, die geeignet selbst während der Kurvenfahrt eines
Fahrzeugs arbeiten, ohne das Gegendrehmoment unerwarteterweise zu
erzeugen, zu vergrößern oder
zu verringern, indem sie Effekte einer Verlagerung der senkrechten
Last auf die linke und rechte Seite eines Fahrzeugs berücksichtigen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zu schaffen, in welchen der Beitrag eines Giermoments aufgrund einer
Verlagerung der senkrechten Last in der seitlichen Richtung eines Fahrzeugs
aus der Steuergröße für die Lenkungssteuerung
eliminiert wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zu schaffen, in welchen die Steuergrößen für gelenkte Räder durch
die Berechnung von Momenten ohne Analyse der von unterschiedlichen
Reibeigenschaften auf einer Straßenoberfläche herrührenden Kraftkomponenten auf
das jeweilige Rad bestimmt wird.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zu schaffen, in welchen ein Giermoment aufgrund einer Verlagerung
der senkrechten Last unter der Annahme abgeschätzt wird, dass ein Fahrzeug
auf einer Straßenoberfläche mit
einem gleichförmigen
Reibungskoeffizienten fährt.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zu schaffen, in welchen eine unerwünschte und unerwartete Veränderung
des Gegengiermoments insbesondere während das Fahrzeug eine Kurve
fährt,
verhindert werden.
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Andere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden teilweise
offensichtlich sein und teilweise nachstehend genauer erläutert.
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In
den beigefügten
Zeichnungen ist
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1 eine
veranschaulichende Darstellung eines vierrädrigen, heckgetriebenen Fahrzeugs,
das mit einer Vorrichtung zur Veränderung eines Kurvenfahr- bzw.
Lenkwinkels vom Typ mit einem teilweise nicht durchgängigen mechanischen
Kraftfluss bzw. Semi-steer-by-wire-Typ, die als eine automatische
Lenkvorrichtung dient, und einer Vorrichtung zur Steuerung der Fahrzeugstabilität in Übereinstimmung
mit der Erfindung ausgestattet ist;
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2 ein
Ablaufplan eines Programms zur Steuerung der Fahrzeugstabilität, die in
den bevorzugten Ausführungsformen
in dem Fahrzeug in 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zum Steuern der Lenkwinkel der linken und rechten Vorderräder durchgeführt wird;
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3 eine
Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Fahrzeuggeschwindigkeit
V und einem Lenkungsübersetzungsverhältnis Rg
zeigt.
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1 zeigt
schaubildartig ein vierrädriges,
heckgetriebenes Fahrzeug, das eine bevorzugte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Steuerung der Fahrzeugstabilität in Übereinstimmung
mit der Erfindung verkörpert.
In dieser Zeichnung weist eine Fahrzeugkarosserie 12 linke
und rechte Vorderräder 10FL und 10FR sowie
linke und rechte Hinterräder 10RL und 10RR auf.
Wie üblich
ist das Fahrzeug so ausgestattet, dass es ein Antriebsmoment oder
eine drehende Antriebskraft erzeugt, das bzw. die von einer (nicht
gezeigten) Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit einem Grad
der Öffnung
eines Drosselventils als Antwort auf das Niederdrücken eines
Gaspedals durch einen Fahrer über
ein (nicht gezeigtes) Differentialgetriebesystem usw. an die Hinterräder 10RL und 10RR ausgegeben
wird.
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Die
Vorderräder 10FL, 10FR werden
jeweils durch Spurstangen 20L, R mit einer Servolenkvorrichtung 16 vom
Zahnstangentyp gelenkt, die als Antwort auf die Drehung eines Lenkrads 14 durch
den Fahrer betätigt wird.
Um die Räder
automatisch zu lenken, ist jedoch die hier verwendete Lenkvorrichtung 16 eine
vom Semi-steer-by-wire-Typ bzw. vom Typ mit teilweise nicht durchgängigem mechanischem
Kraftfluss, der eine Vorrichtung 24 zur Veränderung
eines Kurvenwinkels als eine Hilfslenkvorrichtung aufweist, welche
die Steuerung des Lenkwinkels der Vorderräder unabhängig von dem Eingriff durch
den Fahrer ermöglicht.
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Die
Vorrichtung 24 zur Veränderung
eines Kurvenwinkels weist einen Antriebsmotor 32 auf, der
ein Gehäuse 24A aufweist,
das über
eine obere Lenkwelle 22 mit dem Lenkrad 14 wirksam
verbunden ist, und einen Rotor 24B, der über eine
untere Lenkwelle 26 und ein Kardangelenk 28 mit
einer Zahnradwelle 30 wirksam verbunden ist. Der Antriebsmotor 32 dreht
die untere Lenkwelle 26 relativ zu der oberen Lenkwelle 22 unter
der Kontrolle einer elektronischen Steuerung 34 wie nachstehend
beschrieben. Falls irgendein Versagen der drehenden Antriebsbewegung
der Vorrichtung 24 auftritt, werden das Gehäuse 24A und
der Rotor 24B gegeneinander mechanisch durch eine (nicht
gezeigte) Verriegelungsvorrichtung verriegelt, was eine relative Drehung
der oberen und unteren Lenkwellen gegeneinander verhindert. Um den
Betrieb der Vorrichtung 24 zur Veränderung eines Kurvenwinkels
zu steuern, werden jeweils ein Lenkwinkel θ des Lenkrads 14,
das bedeutet, der Drehwinkel θ der
oberen Lenkwelle 22 und ein relativer Winkel θre der unteren
Lenkwelle 26, der gegenüber
der oberen Lenkwelle 22 (zwischen dem Gehäuse 24A und
dem Rotor 24B) gemessen wird, jeweils mit Winkelsensoren 50 und 52 erfasst.
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Die
Servolenkungsvorrichtung 16 kann entweder vom Typ mit hydraulischer
Servounterstützung
oder vom Typ mit elektrischer Servounterstützung sein. Zur Verringerung
einer Drehmomentreaktion, die von der Vorrichtung 24 auf
das Lenkrad 14 übertragen
wird, wird bevorzugt eine elektrische Servolenkvorrichtung vom zur
Zahnstange koaxialen Typ verwendet, die einen Motor und einen Mechanismus
aufweist, um das Drehmoment des Motors in eine lineare Kraft zur
Bewegung der Zahnstange 18 umzuwandeln.
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Ein
Bremssystem 36, das eine Bremskraft auf jedes Rad erzeugt,
weist einen hydraulischen Schaltkreis 38 auf, der (was
nicht gezeigt ist) einen Behälter,
eine Ölpumpe
und verschiedene Ventile aufweist, Radzylinder 40FL, 40FR, 40RL und 40RR,
die an den jeweiligen Rädern
vorgesehen sind, und einen Hauptzylinder 44, der als Antwort
auf das Niederdrücken
eines Bremspedals 42 durch den Fahrer betätigt wird.
In dem Bremssystem wird ein Bremsdruck in jedem Radzylinder und
folglich die Bremskraft auf jedes Rad durch den Hydraulikschaltkreis 38 als
Antwort auf einen Hauptzylinderdruck angepasst.
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Der
Bremsdruck in jedem Radzylinder kann ebenfalls durch die elektronische
Steuerung 34 beim Steuern eines Schlupfverhältnisses
für jedes
Rad gesteuert werden, wie bei einer Antiblockiersteuerung oder TRC
und TF-VSC, wie im Stand der Technik bekannt. Während des Bremsens des Fahrzeugs
wird eine Antiblockiersteuerung durchgeführt, wenn ein Bremsschlupf
auf das jeweilige Rad 10FL-10RR zu groß (das bedeutet,
größer als
ein Referenzwert) wird, um den Bremsdruck für ein Rad innerhalb eines vorab
bestimmten Bereichs anzupassen, wodurch verhindert wird, dass das
Rad blockiert. In ähnlicher
Weise wird während
der Beschleunigung des Fahrzeugs eine TRC durchgeführt, um
den Bremsdruck für
ein Rad anzupassen, wenn der Antriebsschlupf auf eines der hinteren
Räder 10RL, 10RR übermäßig groß (das bedeutet,
größer als
ein Referenzwert) wird, so dass der Antriebsschlupf für das jeweilige
Rad in einen vorab bestimmten Bereich fällt. Bezüglich der TF-VSC werden die
Bremsdrücke
für das
Rad gesteuert, um ein Giermoment zu erzeugen, um das Fahrzeugverhalten
zu stabilisieren, wenn sich die Fahrbedingungen für das Fahrzeug
verschlechtern bzw. das Fahrzeug in einen instabilen Fahrzustand
gerät,
beispielsweise unter der Bedingung eines Drehens oder der Bedingung
eines Driftens nach außen.
Die Verschlechterung des Fahrzeugverhaltens kann überwacht werden,
indem ein Wert der Bedingung des Drehens und/oder ein Wert der Bedingung
des Driftens berechnet wird, der, wie im Stand der Technik bekannt,
aus einer Querbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie usw. abgeleitet
wird. Zum Regeln der Bremsdrücke
sind Drucksensoren 60i (i=FL, FR, RL, RR) angebracht, um
die Drücke
Pbi (i=fl, fr, rl, rr) in den Radzylindern 40FR-40FL zu
erfassen.
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Die
elektronische Steuerung 34, welche die Vorrichtung 24 zum
Verändern
des Kurvenwinkels und die Bremsdrücke (Bremskräfte) an
den jeweiligen Rädern
steuert, kann vom herkömmlichen
Typ sein und einen Mikrocomputer, welcher eine CPU, ROM, RAM und
Ein-/Ausgabeanschlussvorrichtungen aufweist, die über einen
bidirektionalen gemeinsamen Bus miteinander verbunden sind, sowie
Antriebsschaltkreise aufweisen. Wie aus 1 zu sehen,
werden in die Steuerung 34 folgende Signale eingegeben:
Der
Lenkwinkel θ des
Lenkrads 14; der relative Winkel θre der unteren Lenkwelle; eine
Querbeschleunigung Gy, die mit einem Querbeschleunigungssensor 54 erfasst
wird, eine Gierrate γ,
die mit einem Gierratensensor 56 erfasst wird; Raddrehzahlen
Vwi (i=fl, fr, rl, und rr, jeweils für das vordere linke, vordere
rechte, hintere linke und hintere rechte Rad), die mit Raddrehzahlsensoren 58FL-58RR erfasst
werden, welche an den zugehörigen
Rädern 10FL-10RR angebracht
sind; Drücke
Pbi (i=fl, fr, rl, rr) in den Radzylindern 40FR-40RL;
und eine Drosselöffnung Φ und eine
Motordrehzahl (die Anzahl an Umdrehungen) Ne, die von einer Motorsteuerung bzw.
Brennkraftmaschinensteuerung 62 bereitgestellt werden.
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Wie
bereits angemerkt, führt
die Steuerung 34 sowohl die Steuerung des Übersetzungsverhältnisses der
Lenkung und die automatische Lenkungssteuerung als auch die Steuerung
der Schlupfverhältnisse
an den Rädern
durch.
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Unter
normalen Bedingungen steuert die Steuerung 34 die Vorrichtung 24 zur
Veränderung
des Kurvenwinkels durch die Drehung des Motors 32, um ein
Lenkungsübersetzungsverhältnis zu
verändern,
das bedeutet, das Verhältnis
des Lenkwinkels der Vorderräder
zu dem Drehwinkel des Lenkrads 14, wo durch eine vorab bestimmte
Lenkcharakteristik geschaffen wird. Im Betrieb wird zunächst ein
Lenkwinkelübersetzungsverhältnis Rg
zur Erzielung einer vorab bestimmten Lenkcharakteristik in einem
Abschnitt in der Steuerung 34 unter Verwendung einer Abbildung,
die in 3 gezeigt ist, auf der Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit V
bestimmt, die aus den Raddrehzahlen Vwi berechnet werden kann. Dann
wird ein (provisorischer) Ziellenkwinkel δst berechnet durch: δst = θ/Rg (1), und die
Vorrichtung 24 zur Veränderung
des Kurvenwinkels wird betätigt,
um die Vorderräder
zu lenken, wobei ihr Lenkwinkel an δst angepasst wird. Daher wirkt
in diesem Fall die Vorrichtung 24 zur Veränderung
des Kurvenwinkels als eine Vorrichtung zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses
der Lenkung.
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In
dieser Beziehung wird der (provisorische) Ziellenkwinkel δst als eine
Summe des Lenkwinkels angesehen, der einer tatsächlichen Größe des Lenkeingriffs durch
den Fahrer (einem Drehwinkel des Lenkrads 14), der gleich θ/Rgo ist,
und einer Steuergröße zum Erhalten
einer vorab bestimmten Charakteristik entspricht. δst kann auch
eine Funktion einer Lenkwinkelgeschwindigkeit sein, um eine Übergangsantwort
der Bewegung des Fahrzeugs zu verbessern. Man bemerke, dass das
Lenkungsübersetzungsverhältnis auf
andere im Stand der Technik bekannte Arten bestimmt werden kann.
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Wenn
eine Unausgewogenheit der Längskräfte zwischen
den linken und rechten Rädern
des Fahrzeugs auftritt, führt
die Steuerung 34 die automatische Lenkungssteuerung durch,
bei welcher die Vorrichtung 24 zum Verändern des Kurvenwinkels (der
Antriebsmotor 32) angewiesen wird, die Vorderräder 10FL, 10FR unabhängig von
der Drehung des Lenkrads 14 zu lenken, wodurch ein Gegengiermoment
erzeugt wird, um das Giermoment aufgrund der Unausgewogenheit der
Längskräfte aufzuheben.
Daher wirkt die Vorrichtung 24 zum Verändern des Kurvenwinkels in
diesem Fall als eine automatische Lenkvorrichtung. Man bemerke im Hinblick
darauf, dass in Übereinstimmng
mit der vorliegenden Erfindung der Beitrag des Ungleichgewichts
der Kräfte
aufgrund einer Verlagerung der senkrechten Last in der Querrichtung
der Fahrzeugkarosserie, während das
Fahrzeug eine Kurve fährt,
aus einem tatsächlich
ausgeübten
Gegengiermoment in der automatischen Lenkungssteuerung eliminiert
wird.
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Im
Betrieb wird zunächst
ein Giermoment Mf, das durch das Ungleichgewicht der Längskräfte (ein durch
den Unterschied in den Längskräften verursachtes
Giermoment) verursacht wird, wie folgt abgeschätzt:
wobei T eine Spurweite des
Fahrzeugs ist und Fxi (i=fr, fl, rr, rl) die Längskräfte auf die jeweiligen Räder sind. Mf
wird in
1 der Richtung gegen den Uhrzeigersinn
als positiv definiert. Fxi wird als in der Vorwärtsfahrrichtung positiv definiert.
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Fxi
kann für
jedes Rad wie folgt abgeschätzt
werden:
wobei Ji ein Trägheitsmoment
eines Rads ist; dVwi eine Winkelbeschleunigung des Rads ist, die
man durch Ableiten der Raddrehzahl Vwi erhält; Txi ein Nettodrehmoment,
das auf das Rad ausgeübt
wird, das bedeutet, eine Summe des Bremsmoments (<0) und des Antriebsmoments
(>0); und R ein effektiver
Radius des Rads. Das Bremsmoment kann mit den Bremsdrücken Pbi
und geeigneten Faktoren bestimmt werden.
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Das
Antriebsmoment kann durch ein Motordrehmoment bestimmt werden, das
aus der Drosselöffnung ϕ und
der Motordrehzahl Ne abgeleitet wird. Das Nettodrehmoment kann auch
direkt mit irgendwelchen Sensoren gemessen werden.
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Wenn
das Fahrzeug geradeaus fährt,
wird das sich ergebende Giermoment Mf durch die Unausgewogenheit
der Längskräfte erzeugt,
die beispielsweise von unterschiedlichen Reibungseigenschaften von
Straßenoberflächen, auf
denen die jeweiligen Räder
Kontakt haben, oder einem Unterschied in der senkrechten Last in
der Querrichtung des Fahrzeugs aufgrund anderer als der Zentrifugalkräfte herrühren. Das
bedeutet, dass das Giermoment durch die automatische Lenkungssteuerung
aufgehoben wird. In Übereinstimmung
damit wird ein Gegengiermoment Mc, das von der automatischen Lenkung
erzeugt wird, auf -Mf festgelegt. Mc ← –Mf (4a)
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Während das
Fahrzeug eine Kurve fährt,
erhöht
die Zentrifugalkraft die senkrechte Last, und folglich die Längskräfte auf
die Räder
an der Kurvenaußenseite
relativ zu den Rädern
an der Kurveninnenseite. Der Effekt dieser Verlagerung der senkrechten
Last zu der Kurvenaußenseite
wird in die Abschätzung
des Giermoments Mf und des Gegengiermoments Mc aufgenommen: Beim
Bremsen des Fahrzeugs verfälscht
die Verlagerung der senkrechten Last das Giermoment Mf in Richtung
des Untersteuerns, so dass das Gegengiermoment Mc in Richtung der
Kurveninnenseite verschoben wird, was es wahrscheinlich macht, dass
das Fahrzeug unerwarteterweise über
das Ziel der automatischen Lenkungssteuerung hinaus übersteuert.
Beim Beschleunigen des Fahrzeugs verfälscht andererseits die Verlagerung
der senkrechten Last das Giermoment Mf in Richtung des Übersteuerns,
so dass das Gegengiermoment in Richtung der Kurvenaußenseite
verschoben wird, was es wahrscheinlich macht, dass das Fahrzeug
unerwarteterweise untersteuert. Daher werden in der erfindungs gemäßen automatischen
Lenkungssteuerung wie bemerkt die Effekte der Verlagerung der senkrechten
Last, während
das Fahrzeug eine Kurve fährt,
aus dem Gegengiermoment Mc durch die wie nachstehend beschriebene
momentenbasierte Berechnung eliminiert.
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Während das
Fahrzeug eine Kurve fährt,
wird das Gegengiermoment Mc so modifiziert, dass es zu
Mc ← –(Mf – Mg) oder Mc + Mg (4b) wird, wobei
Mg eine Giermomentenkomponente aufgrund der Verlagerung der senkrechten
Last, das bedeutet, ein durch die Verlagerung der senkrechten Last
verursachtes Giermoment, ist. Mg kann wie folgt abgeleitet werden:
Zunächst sollte
bedacht werden, das Mc Null sein sollte, wenn das Fahrzeug auf einer
gleichförmigen
Straßenoberfläche eine
Kurve fährt.
Daher kann Mg als ein Giermoment angesehen werden, das unter der
Annahme erzeugt wird, dass das Fahrzeug auf einer Oberfläche mit
gleichförmigem
Reibungskoeffizienten fährt.
Auf einer Straßenoberfläche, die
einen gleichförmigen
Reibungskoeffizienten aufweist, sind Längskräfte auf die Räder proportional
zu senkrechten Lasten auf die jeweiligen Räder. Daher ist Mg durch Verteilen
der gesamten Längsbrems-
oder -Antriebskräfte
Fx in dem Fahrzeug auf die linken und rechten Räder mit einem Verteilungsverhältnis der
senkrechten Lasten gegeben durch:
wobei Fzl und Fzr die senkrechten
Lasten jeweils auf die linken Vorder- und Hinterräder und
die rechten Vorder- und
Hinterräder
sind. Die senkrechten Lasten Fzl und Fzr können gegeben sein durch:
wobei Fzlo und Fzro jeweils
die senkrechten Lasten auf die linken vorderen und hinteren Räder und
auf die rechten vorderen und hinteren Räder im Ruhezustand des Fahrzeugs
sind und M und H jeweils das Fahrzeuggewicht und die Höhe des Schwerpunkts
des Fahrzeugs sind. Gy ist die Querbeschleunigung, die in
1 nach
links positiv definiert ist. Folglich kann Mg gegeben sein durch:
wobei Kg eine Gravitations-
bzw. Erdbeschleunigung ist, das bedeutet, Mg · Kg = Fzl + Fzr = Fzlo +
Fzro. Fx kann durch die Gesamtsumme von Fxi gegeben sein, die nach
Gleichung (3) berechnet wird.
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Die
senkrechten Lasten in Gleichung (5) können mit geeigneten Sensoren
direkt gemessen werden.
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Dann
weist ein Abschnitt in der Steuerung 34 die Vorrichtung 24 zur
Veränderung
des Kurvenwinkels an, die Vorderräder zu lenken, um das Gegengiermoment
Mc in den Gleichungen (4a) oder (4b) wie vorstehend berechnet aufzubauen.
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Man
bemerke, dass das Gegengiermoment Mc in Gleichung (4b) als im Wesentlichen
frei vom Effekt der Verlagerung der senkrechten Last angesehen wird,
die von der Zentrifugalkraft herrührt, während das Fahrzeug eine Kurve
fährt.
In Übereinstimmung
damit kann eine Lenkungsgröße, die
von der automatischen Steuerung bereitgestellt wird, im Wesentlichen
gerade groß genug
sein, um die Unausgewogenheit der Kräfte, die von den unterschiedlichen
Reibeigenschaften einer Straßenoberfläche herrührt, selbst
während
der Kurvenfahrt des Fahrzeugs aufzuheben, wodurch die übersteuernden und/oder
untersteuernden Tendenzen während
des Bremsens und/oder Beschleunigens eines Fahrzeugs wie vorstehend
beschrieben unterdrückt
werden. Ein Fachmann wird verstehen, dass Mf und Mg auf beliebige
Art, nicht nur mit den vorstehend bezeichneten Gleichungen, bestimmt
werden können.
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Der
Ablaufplan in 2 zeigt ein beispielhaftes Steuerprogramm
zum Erzielen der Steuerung der Fahrzeugstabilität wie vorstehend beschrieben.
In dieser Ausführungsform
wird die automatische Lenkungssteuerung durchgeführt, wenn eine Antiblockiersteuerung
(ABS) oder Traktionssteuerung (TRC), jedoch keine TF-VSC, durch
das Anpassen der Bremskräfte
durchgeführt
wird. Dies ist teilweise so, weil bei der Durchführung der ABS-Steuerung oder
Traktionssteuerung angenommen wird, dass die Radkräfte auf
ihren Maximalpegel steigen, so dass eine weitere Veränderung
der Kräfte
schwierig wird. In einem solchen Fall ist die automatische Lenkungssteuerung
besonders nützlich,
um das Fahrzeugverhalten zu korrigieren. Andererseits kann bei nicht
vorhandener ABS- oder Traktionssteuerung das Fahrverhalten des Fahrzeugs
durch das Anpassen der Bremskräfte
korrigiert werden. Weiterhin wäre
es während
der Durchführung
der TF-VSC durch die
Anpassung der Bremskräfte
schwierig, die automatische Lenkungssteuerung mit der Anpassung
von Bremskräften
kompatibel zu machen, da diese beiden Steuerungen dazu da sind,
die jeweiligen Zielgiermomente zu erzeugen. Ein Fachmann sollte
jedoch bemerken, dass die erfindungsgemäße automatische Lenkungssteuerung
während
der Durchführung
einer TF-VSC und anderer Steuerungen, wie einer Steuerung zur Verteilung
einer Brems- und Antriebskraft, mit einigen kleineren Veränderungen
durchgeführt
werden kann, und diese Fälle
werden als im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
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Mit
Bezug auf 2 kann das Steuerprogramm durch
Schließen
eines (in 1 nicht gezeigten) Zündschalters
gestartet und zyklisch mit einer Zykluszeit im Millisekun denbereich
während
des Betriebs des Fahrzeugs wiederholt werden.
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In
diesem Programm werden zunächst
Signale wie vorstehend beschrieben eingelesen (Schritt 10) und
der (provisorische bzw. vorläufige)
Ziellenkwinkel δst
wird durch Gleichung (1) unter Verwendung einer Abbildung wie in 3 gezeigt
bestimmt (Schritt 20). Dann wird in den Schritten 30 bis 50 beurteilt,
ob die TF-VSC durch das Anpassen von Bremskräften durchgeführt wird
(Schritt 30), und ob entweder eine Antiblockiersteuerung
oder eine Traktionssteuerung durchgeführt wird (Schritte 40, 50).
Wie gezeigt wird keine automatische Lenkungssteuerung wie vorstehend
beschrieben durchgeführt
und der provisorische Ziellenkwinkel δst wird als ein Ziellenkwinkel δt für die Vorrichtung 24 zum
Verändern
des Kurvenfahrwinkels verwendet (Schritt 60), wenn die
TF-VSC durchgeführt
wird oder wenn weder eine Antiblockiersteuerung noch eine Traktionssteuerung
durchgeführt
wird.
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Wenn
andererseits entweder eine Antiblockiersteuerung oder eine Traktionssteuerung
(TRC) durchgeführt
wird, werden durch die Schritte 70 bis 100 unter
Verwendung der Gleichungen (2) , (3) und (5) oder (7) ein durch
den Unterschied in den Längskräften verursachtes
Giermoment Mf und ein durch die Verlagerung der senkrechten Last
verursachtes Giermoment Mg berechnet. Dann wird in Schritt 110 beurteilt,
ob das Fahrzeug eine Kurve fährt,
indem beispielsweise beurteilt wird, ob die Gierrate γ einen Referenzwert γo übersteigt. Während das
Fahrzeug eine Kurve fährt,
wird in Gleichung (4b) ein Zielgegengiermoment Mc auf –(Mf – Mg) festgelegt:
Ein modifiziertes Zielgiermoment. Ansonsten, wenn das Fahrzeug beispielsweise
geradeaus fährt oder
anhält,
wird das Zielgiermoment in Gleichung (4a) auf –Mf festgelegt. Anschließend wird
auf der Grundlage des resultierenden Mc eine Lenkwinkelmodifikation Δδt berechnet
(Schritt 140) und ein Ziellenkwinkel δt wird als δt = δst + Δδt bestimmt (Schritt 150).
Im Hinblick darauf kann ein Zielsteuerwinkel δt auf der Grundlage von Mc ohne
Verwendung des provisorischen δst
bestimmt werden.
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Schließlich wird
in Schritt 160 die Vorrichtung 24 zum Verändern des
Kurvenwinkels so betätigt,
dass sie die untere Lenkwelle 26 relativ zu der oberen
Lenkwelle dreht, wodurch sie die Vorderräder 10FL, 10FR auf
den Ziellenkwinkel δt
lenkt, der in Schritt 60 oder 150 bestimmt wurde.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
und einige teilweise Abwandlungen derselben genau beschrieben wurde,
ist es für
den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene andere Modifikationen
mit Bezug auf die gezeigten Ausführungsformen
innerhalb des Gebiets der vorliegenden Erfindung möglich sind.
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Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung in einem vorderradgetriebenen Fahrzeug
oder einem allradgetriebenen Fahrzeug verwendet werden. Als Lenkvorrichtung
kann ein vollständig
ohne durchgängige mechanische
Kraftübertragung
("full steer-by-wire") arbeitendes Servolenksystem
verwendet werden. weiterhin kann die automatische Lenkvorrichtung
zum Lenken von Hinterrädern
verwendet werden. Man bemerke, dass die Erzeugung des Gegengiermoments
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung durch die Steuerung von Brems- und
Antriebskräften
auf Räder
wie bei TF-VSC durchgeführt
werden kann. Die elektronische Steuerung für die erfindungsgemäße Lenkungssteuerung
kann getrennt von jenen für
die Antischlupfsteuerung, TRC oder TF-VSC bereitgestellt werden.
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Zusammengefasst
leistet die vorliegende Erfindung Folgendes:
Es wird eine neue
und neuartige Vorrichtung zur Steuerung der Fahrzeugstabilität vorgeschlagen,
um ein Giermo ment aufgrund der Unausgewogenheit der Längskräfte zwischen
den rechten und linken Rädern
eines Fahrzeugs durch automatisches Lenken von Rädern zu verringern und/oder
aufzuheben. Die Steuervorrichtung schätzt ein Giermoment, das aufgrund
eines Unterschieds in den Längskräften verursacht
wird, und ein Giermoment ab, das aufgrund einer Verlagerung einer
senkrechten Last bzw. Normalkraft verursacht wird, die auf die Fahrzeugkarosserie
wirken. Eine Lenkvorrichtung wird betätigt, um auf die Fahrzeugkarosserie
ein Gegendrehmoment aufzubringen, das man erhält, indem ein Beitrag des Giermoments,
der von der Verlagerung der senkrechten Last verursacht wird, aus
einem Gegengiermoment eliminiert wird, das aus dem Giermoment berechnet
wird, welches durch die Unausgewogenheit in den Längskräften verursacht
wird.
wobei Fzlo und Fzro jeweils die senkrechten Lasten auf die linken vorderen und hinteren Räder und auf die rechten vorderen und hinteren Räder im Ruhezustand des Fahrzeugs sind und M und H jeweils das Fahrzeuggewicht und die Höhe des Schwerpunkts des Fahrzeugs sind. Gy ist die Querbeschleunigung, die in
