DE102005012548A1

DE102005012548A1 - Verfahren und Lenkvorrichtung zum Erhöhen der Fahrstabilität eines Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve

Info

Publication number: DE102005012548A1
Application number: DE102005012548A
Authority: DE
Inventors: Peter Lauer; Ralf Dr. Schwarz; Stzefan Dr. Fritz; Matthias Muntu
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, bei dem ein Übersetzungsverhältnis zwischen einem Lenkradwinkel und einem Lenkwinkel an dem Rad durch eine Überlagerung einer von einem Fahrer initiierten Lenkbewegung und einer weiteren Lenkbewegung verändert wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass ein Fahrverhalten des Fahrzeugs auf ein Untersteuern hin überwacht wird und das Übersetzungsverhältnis bei einem Erkennen eines Untersteuern mit zunehmendem Betrag des Lenkradwinkels indirekter gestellt wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft zudem eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Lenkvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, bei dem ein Übersetzungsverhältnis zwischen einem Lenkradwinkel und einem Lenkwinkel an dem Rad durch eine Überlagerung einer von einem Fahrer initiierten Lenkbewegung und einer weiteren Lenkbewegung verändert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Lenkvorrichtung zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, eine Überlagerungslenkung beinhaltend, bei der eine durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und eine durch eine Stelleinheit nach Maßgabe eines Stellsignals initiierte Lenkbewegung überlagert werden.
Die Erfindung geht dabei vorzugsweise von einem Kraftfahrzeug mit vier Rädern aus, bei dem zwei Vorderräder lenkbar ausge führt sind, und der Fahrer einen Lenkwinkel für die Räder vorgibt, indem er einen Lenkradwinkel an einem Lenkrad des Fahrzeugs oder an einer anderen Lenkeinrichtung einstellt. Die Lenkbewegung an dem Lenkrad oder der anderen Einrichtung wird über ein Lenkgetriebe an die Räder vermittelt, wobei das Lenkgetriebe eine Standardübersetzung zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel an den Rädern zur Verfügung stellt.

Die Erfindung nutzt eine so genannte Überlagerungslenkung, bei der die durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und eine durch einen Stellantrieb initiierte Lenkbewegung überlagert werden, und durch die somit eine freie Zuordnung zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel am Rad ermöglicht wird.

Überlagerungslenkungen werden typischerweise durch ein in das Lenkgetriebe eines Fahrzeugs integriertes Planetengetriebe realisiert, in das fahrsituativ eingegriffen wird. Denkbar sind jedoch auch andere Realisierungen, etwa im Rahmen einer Steer-by-Wire-Lenkung (SbW-Lenkung), bei der mechanische Verbindungen zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe durch elektromechanische Verbindungen ersetzt werden.

Insbesondere erlaubt es der Einsatz einer Überlagerungslenkung, das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel an den Rädern gegenüber der Standardübersetzung des Lenkgetriebes zu verändern.

Unter der Bezeichnung „Aktivlenkung" sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert wird.

Bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten wird dabei eine sehr direkte Übersetzung eingestellt, um dem Fahrer ein einfaches Manövrieren mit geringem Lenkradeinschlag zu ermöglichen, während bei hohen Geschwindigkeiten eine sehr indirekte Übersetzung eingestellt wird, um den Geradeauslauf des Fahrzeugs zu verbessern und weniger anfällig gegenüber kleinen Lenkbewegungen des Fahrers zu machen.

Diese Verfahren und Vorrichtungen dienen vor allem einer Erhöhung des Fahrkomforts und der Agilität des Fahrzeugs, tragen jedoch zumindest nur mittelbar zur Erhöhung der Fahrstabilität in Kurven bei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fahrstabilität eines Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve zu verbessern. Insbesondere soll dabei ein Untersteuern des Fahrzeugs verhindert oder zumindest verringert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein Verfahren zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, bei dem ein Übersetzungsverhältnis zwischen einem Lenkradwinkel und einem Lenkwinkel an dem Rad durch eine Überlagerung einer von einem Fahrer initiierten Lenkbewegung und einer weiteren Lenkbewegung verändert wird, so durchgeführt wird, dass ein Fahrverhalten des Fahrzeugs auf ein Untersteuern hin überwacht wird und das Übersetzungsverhältnis bei einem Erkennen eines Untersteuerns mit zunehmendem Betrag des Lenkradwinkels indirekter gestellt wird.

Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich infolge des degressiven Verlaufs des die übertragbare Seitenführungskraft angebenden seitlichen Kraftschlussbeiwertes in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels eines Rades des Fahrzeugs für große Schräglaufwinkel. Der seitliche Kraftschlussbeiwert – kurz die seitliche Reibungszahl – steigt dabei zunächst mit dem Schräglaufwinkel bis zu einem reibwertabhängigen Maximum an und nimmt mit weiter zunehmendem Schräglaufwinkel wieder leicht ab.

Häufig kommt es insbesondere für niedrige Fahrbahnreibwerte zu einem Überlenken des Fahrzeugs durch den Fahrer, indem er Schräglaufwinkel einstellt, die größer sind als der Betrag des zu dem Maximum der seitlichen Reibungszahl gehörenden Schräglaufwinkels. Mit zunehmendem Schräglaufwinkel verringert sich dann eine zur Fahrzeuggeschwindigkeit senkrechte Komponente der Seitenkraft und das Fahrzeug folgt zunehmend weniger der gewünschten Bahn.

Erfindungsgemäß wird das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel an mindestens einem Rad des Fahrzeugs während einer Untersteuersituation mit zunehmendem Lenkeinschlag des Fahrers indirekter gestellt, wodurch der Lenkwinkel am Rad gegenüber der Fahrervorgabe verringert wird.

Ein Überlenken des Fahrzeugs wird somit verhindert bzw. verringert, und der Schräglaufwinkel bleibt in einem Bereich, der ein stabiles Fahrverhalten gewährleistet, in dem das Fahrzeug durch den Fahrer lenkbar bleibt.

Zudem tritt bei einem Wechsel von einem niedrigen auf einen hohen Fahrbahnreibwert aufgrund der sich sprunghaft erhöhenden Seitenführungskraft ein Gierratensprung auf, der bei zu großen Lenkwinkeln zu einem Schleudern des Fahrzeugs führen kann. Unter Umständen ist das Fahrzeug dabei infolge der hohen Gierbeschleunigung nicht mehr beherrschbar.

Durch die erfindungsgemäße Verringerung des Lenkwinkels gegenüber der Fahrervorgabe wird dieser Gierratensprung auch beim Überlenken des Fahrzeugs minimiert.

In einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird das Übersetzungsverhältnis beim Erkennen eines Untersteuerns degressiv mit wachsendem Betrag des Lenkradwinkels erhöht, so dass ein Überlenken besonders wirkungsvoll verhindert wird.

Entsprechend wird die Übersetzungsänderung degressiv mit einem sich verringernden Betrag des Lenkradwinkels zurückgenommen, wenn der Fahrer während des Untersteuerns zurücklenkt.

Um dem Fahrer auch während des erfindungsgemäßen Lenkeingriffs eine Eingriffsmöglichkeit in das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben, wird das Übersetzungsverhältnis vorzugsweise nicht über einen vorgegebenen Maximalwert hinaus erhöht. Dieser beträgt beispielsweise 20:1.

Hierdurch bleibt das Fahrzeug zu jeder Zeit durch den Fahrer lenkbar, und insbesondere wird eine Rückfallebene realisiert, die es dem Fahrer ermöglicht, fehlerhaft berechnete Zusatzlenkbewegungen zu kompensieren.

Vorzugsweise wird die weitere Lenkbewegung nach Maßgabe eines kontinuierlich in Abhängigkeit des Lenkradwinkels berechneten Zusatzlenkwinkels ausgeführt.

Durch die Überlagerung der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung und der weiteren Lenkbewegung wird dann ein Lenkwinkel an dem Rad eingestellt, welcher der Summe des von dem Fahrer kommandierten Lenkwinkels und dem Zusatzlenkwinkel entspricht, wobei der Zusatzlenkwinkel ein dem Vorzeichen des Fahrerlenkwinkels entgegen gesetztes Vorzeichen aufweist.

Das Untersteuern des Fahrzeugs wird beendet, wenn der Fahrer zurücklenkt oder wenn sich der Fahrbahnreibwert von einem niedrigen auf einen hohen Reibwert ändert, wodurch sich die Seitenführungskraft des Rades erhöht.

In einer sehr bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Übersetzungsänderung dadurch zurückgenommen, dass der Betrag des Zusatzlenkwinkels nach Maßgabe einer zeitabhängigen Funktion auf den Wert Null verringert wird, wenn ein Untersteuern des Fahrzeugs nicht mehr erkannt wird.

Die zeitabhängige Funktion gibt dabei vorzugsweise eine Änderungsrate für den Zusatzlenkwinkel vor, die einem durch den Fahrer beherrschbaren Lenkwinkelgradienten entspricht. Die Änderungsrate des Lenkwinkels am Rad beträgt dabei vorzugsweise etwa 1 °/s.

Es ist ferner bevorzugt, dass das Untersteuern des Fahrzeugs anhand eines Vergleichs der Differenz zwischen dem von dem Fahrer vorgegeben Lenkwinkel und einem in einem Fahrzeugmodell berechneten Solllenkwinkel mit einem vorgegebenen Schwellenwert erkannt wird.

Zweckmäßigerweise wird der Solllenkwinkel dabei in Abhängigkeit der für das Fahrzeug erfassten Gierrate und Querbeschleunigung bestimmt.

Ein untersteuerndes Fahrverhalten liegt dann vor, wenn der sich anhand der Gierrate und der Querbeschleunigung ergebende Lenkwinkel geringer ist, als der von dem Fahrer kommandierte Lenkwinkel.

Somit wird ein Untersteuern zweckmäßigerweise dann erkannt, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem von dem Fahrer vorgegeben Lenkwinkel und dem Solllenkwinkel größer als der vorgegebene Schwellenwert ist.

Es hat sich gleichwohl gezeigt, dass ein Reibwertwechsel von Niedrigreibwert auf Hochreibwert anhand des vorgenannten Vergleichs mit Verzögerung erkannt wird, jedoch sehr gut anhand des Gierratenverlaufs nachgewiesen werden kann.

In einer vorteilhaften Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Betrag des Zusatzlenkwinkel daher auf den Wert Null verringert, wenn eine starke Änderung der Gierrate erkannt wird, des weiteren wird der Betrag des Zusatzlenkwinkels zusätzlich mit ansteigender Querbeschleunigung verringert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Niedrigreibwert die Querbeschleunigung sehr klein ist, so dass ein Reibwertanstieg anhand zunehmender Querbeschleunigung erkannt werden kann.

Die Erfindung stellt zudem eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit.

Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Lenkvorrichtung, die eine Überlagerungslenkung enthält, bei der eine durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und eine durch eine Stelleinheit nach Maßgabe eines Stellsignals initiierte Lenkbewegung überlagert werden, und die ein Vergleichsmittel zum Vergleichen einer Differenz zwischen einem erfassten Lenkradwinkel und einem in einem Fahrzeugmodell berechneten Solllenkwinkel und einem Schwellenwert, sowie eine in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen der Differenz und dem Schwellenwert einschaltbare Einheit zum Erzeugen des Stellsignals in Abhängigkeit des erfassten Lenkradwinkels aufweist, nach dessen Maßgabe ein Übersetzungsverhältnis zwischen einem von dem Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel und einem Lenkwinkel an dem Rad erhöht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zudem einen Limiter, der das Übersetzungsverhältnis auf einen maximalen Wert begrenzt.

Weitere Vorteile, bevorzugte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigt
1 eine Skizze mit einem Rad, in die verschiedene Zustandsgrößen der Lenkung und Kräfte eingezeichnet sind,
2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der seitlichen Reibungszahl von dem Schräglaufwinkel für verschiede ne Reibwerte darstellt,
3a ein Diagramm, das die Abhängigkeit der seitlichen Reibungszahl von dem Schräglaufwinkel darstellt,
3b ein Diagramm, das die Abhängigkeit der zur Radgeschwindigkeit senkrechten Seitenkraftkomponente von dem Lenkwinkel darstellt,
4 eine Skizze, in die Kraftvektoren für die Seitenführungskraft für verschiedene Lenkwinkel eingezeichnet sind,
5 ein Blockdiagramm einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 ein Diagramm, das die Anpassung der Lenkübersetzung während des Untersteuerns veranschaulicht,
7 Diagramme, die den zeitlichen Verlauf des Zusatzlenkwinkels, des Lenkwinkels am Rad und der Gierrate in einer Untersteuersituation mit Reibwertwechsel darstellen und
8 Diagramme, die den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen angeben.
Die Erfindung stellt ein vorteilhaftes und neuartiges Verfahren bereit, mit dem eine Verbesserung des Untersteuerverhaltens eines Fahrzeugs erreicht wird, indem ein Überlenken des Fahrzeugs dadurch verhindert bzw. verringert wird, dass der Lenkwinkel δ_wh an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs durch die Überlagerung der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung mit einer Zusatzlenkbewegung gegenüber dem durch den Fahrer anhand des Lenkradwinkels δ_drv vorgegebenen Wert verringert wird.
Sie geht dabei von einem Fahrzeug mit wenigstens einem lenkbaren Rad und einer Überlagerungslenkung aus. Der folgenden Darstellung der Erfindung wird dabei beispielhaft eine spezielle Ausführungsform eines derartigen Fahrzeugs zugrunde gelegt, bei der das Fahrzeug ein Lenksystem mit zwei durch ein Eindrehen eines Lenkrades lenkbare Vorderräder und zwei Hinterräder sowie ein Überlagerungsgetriebe aufweist, in das durch einen Stellantrieb eingegriffen werden kann.
Es sind jedoch ebenso Ausführungsformen der Erfindung denkbar, die auf ein Fahrzeug mit einer anderen Radkonfiguration angewendet werden können oder bei denen eine Steer-by-Wire-Lenkung verwendet wird.
In die in der 1 dargestellte Skizze sind verschiedene den Zustand eines lenkbaren Rades charakterisierende Winkelgrößen eingezeichnet. Das Rad kann beispielsweise eines der lenkbaren Vorderräder eines Fahrzeugs sein.
Der Winkel zwischen der Geschwindigkeit v_rad des Radmittelpunktes und der Felgenebene des Rades wird als Schräglaufwinkel α bezeichnet.
Der Lenkwinkel δ_wh zwischen der Felgenebene des Rades und der als x_FZG-Richtung gekennzeichneten Längsrichtung des Fahrzeugs kann direkt von dem Fahrer anhand eines Lenkradwinkels δ_drv eingestellt werden, wobei das Lenksystem eines Fahrzeugs üblicherweise ein Lenkgetriebe beinhaltet, das ein von dem Wert Eins verschiedenes Übersetzungsverhältnis i zwischen dem Lenkradwinkel δ_drv und dem Lenkwinkel δ_wh an den Rädern realisiert.
Bei einem Einlenken eines rollenden Rades wird dieses Rad gegenüber seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung verdreht, die Aufstandsfläche eines Reifens des Rades deformiert sich, und es entsteht eine Seitenführungskraft F_y, deren Wert insbesondere von der an das Rad angreifenden Normalkraft F_Z und von dem aktuellen Fahrbahnreibwert abhängt.
Aufgrund der Seitenführungskraft F_y stellt sich an dem Rad der Schräglaufwinkel α ein, der mit zunehmender Seitenkraft F_y ebenfalls zunimmt. Umgekehrt muss ein größerer Schräglaufwinkel α eingestellt werden, um eine größere Seitenkraft F_y übertragen zu können.
Wird die Seitenführungskraft F_y auf die Normalkraft F_z am Rad bezogen, so lässt sich der seitliche Kraftschlussbeiwert μ_lat – auch kurz als seitliche Reibungszahl bezeichnet – durch die Beziehung F_y = μ_lat·F_z definieren. Er ist ein Maß für die übertragbare Seitenführungskraft F_y.
Die in Richtung der Felgenebene wirkende Umfangskraft F_x ergibt sich analog zu F_x = μ_long'F_z, wobei μ_long den longitudinalen Kraftschlussbeiwert bezeichnet.
Die Abhängigkeit der seitlichen Reibungszahl μ_lat von dem Schräglaufwinkel α, die qualitativ dem Zusammenhang zwischen der Seitenkraft F_y und dem Schräglaufwinkel α entspricht, ist in dem Diagramm in der 2 für verschiedene Reibwerte dargestellt, wobei die Kurve 210 die Abhängigkeit für Eis, die Kurve 220 den Verlauf für Nässe und die Kurve 230 die Abhängigkeit für Asphalt darstellt.
Für kleine Schräglaufwinkel α steigt die seitliche Reibungszahl μ_lat zunächst näherungsweise proportional zum Schräglaufwinkel α an. Bei größeren Schräglaufwinkeln α werden Tangentialbeschleunigungen zum hinteren Rand der Radaufstandsfläche hin jedoch so groß, dass der Grenzwert der Haftreibung überschritten wird, und ein wachsender Teil der Reifenaufstandsfläche ins Gleiten gerät. Die seitliche Reibungszahl steigt dann nicht mehr näherungsweise linear, sondern degressiv mit dem Schräglaufwinkel α bis zu einen reibwertabhängigen Maximalwert μ_lat,max an und fällt für sehr große Schräglaufwinkel α sogar wieder leicht ab.
Entsprechendes gilt für die Seitenkraft F_y, die somit nicht über einen Maximalwert F_y,max = μ_lat,max·F_z hinaus erhöht werden kann.
Die zur Geschwindigkeit v_rad des Radmittelpunktes senkrechte Komponente F_y' = F_y·cos(α), die eine Impulsänderung senkrecht zur Geschwindigkeit v_Rad und damit eine Richtungsänderung der Bewegung des Rades bewirkt, nimmt mit zunehmendem Schräglaufwinkel α stark ab, wenn dieser einen zum Maximum μ_lat,max gehörenden Wert α_max überschritten hat.
Dies wird anhand der 3a und 3b veranschaulicht. Das Diagramm in 3a enthält dabei wiederum die Kennlinie der seitlichen Reibungszahl μ_lat in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels α für einen gewissen Reibwert. Das Diagramm in der 3b zeigt die Kennlinie der Seitenkraft F_y' am Fahrzeug in Ab hängigkeit des Schräglaufwinkels α, die für große Schräglaufwinkel α abnimmt.
Der Winkelbereich für den Schräglaufwinkel α, bei dem ein stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs realisiert ist, wird durch den ebenfalls in den Diagrammen in den 2, 3a und 3b eingezeichneten Wert α_char begrenzt, für den die Steigung der Kennlinien noch ausreichend ist, um durch eine geringe Erhöhung des Schräglaufwinkels α eine Erhöhung der Seitenkraft F_y bzw. F_y' herbeizuführen.
Das Fahrzeug wird überlenkt, wenn ein Schräglaufwinkel α an einem Rad eingestellt wird, der größer als der Wert α_max ist. Beim Überlenken kommt es zu einer Untersteuersituation, in welcher das Fahrzeug der Lenkbewegung nicht mehr folgt.
In einer Untersteuersituation entspricht die Richtung der Geschwindigkeit v_rad der Vorderräder näherungsweise der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, und der Schwimmwinkel β zwischen der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs und seiner Längsachse (x_FZG) ist klein.
Der Schräglaufwinkel α kann somit näherungsweise mit dem Lenkwinkel δ_wh eines Rades identifiziert werden, und die voranstehend im Hinblick auf den Schräglaufwinkel α getroffenen Aussagen können zumindest qualitativ direkt auf den Lenkwinkel δ_wh übertragen werden:
Beim Überschreiten eines reibwertabhängigen Maximallenkwinkels δ_max, der näherungsweise dem Schräglaufwinkel α_max entspricht, nimmt die Seitenführungskraft F_y des Rades leicht ab, und die Komponente F_y' verringert sich sehr stark.
Das Untersteuern kann somit direkt damit in Verbindung gebracht werden, dass ein zu großer Lenkwinkel δ_wh von dem Fahrer eingestellt wird.
Das Überlenken eines Fahrzeugs durch den Fahrer ist insbesondere auf niedrigen Reibwerten, wie sie etwa für eine schneebedeckte oder vereiste Fahrbahn vorliegen, sehr häufig zu beobachten. Dies resultiert im Allgemeinen aus der falschen Annahme, die Seitenführungskraft F_y bzw. ihre Komponente F_y' durch ein verstärktes Eindrehen der Räder erhöhen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, den Lenkwinkel δ_wh und damit den Schräglaufwinkels α_wh in einer Untersteuersituation durch die Überlagerung der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung mit einer zusätzlichen Lenkbewegung zu verringern, indem das Übersetzungsverhältnis i der Lenkung mit zunehmendem Lenkradwinkel δ_drv kontinuierlich erhöht wird.
In einer Untersteuersituation wird der Schräglaufwinkel α dadurch gegenüber der Fahrervorgabe verringert und in dem durch den Wert α_char charakterisierten Bereich gehalten, der ein stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs gewährleistet.
Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 3a und 3b veranschaulicht, indem jeweils ein einer Fahrervorgabe bei einem Überlenken entsprechender Punkt 310 der Kennlinien und ein der erfindungsgemäßen Änderung der Fahrervorgabe entsprechender Punkt 320 markiert sind.
In der 4 ist der mit der Änderung der Fahrervorgabe verbundene Zuwachs ΔF_y' der Seitenkraftkomponente F_y' anhand einer grafischen Auswertung dargestellt.
Die Seitenkraft F_y1 an einem von einem Fahrer zu stark eingelenkten Rad (in der Skizze schwarz gezeichnet) ist wesentlich geringer als die Seitenkraft F_y2 an dem weniger stark eingedrehten Rad (in der Skizze grau eingezeichnet). Die Differenz der y-Komponenten der Kräfte F_y1 und F_y2 ist der Zuwachs ΔF_y'.
Eine bevorzugte Realisierung des voranstehend dargelegten Erfindungsgedankens wird anhand der 5 erläutert, die ein Blockdiagramm eines Lenksystems zeigt, das ein von dem Fahrer bedientes Lenkrad 510, eine Überlagerungslenkung 520, ein Lenkgetriebe 530 und ein wenigstens lenkbares Rad 540, vorzugsweise zwei lenkbare Vorderräder 540, aufweist.
Eine durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung, bei welcher der Fahrer mit einem Lenkwinkelgradienten δ_drv über den Lenkradwinkel δ_drv einen Lenkwinkel δ_wh am Rad vorgibt, kann durch die Überlagerungslenkung mit einer durch eine Stelleinheit initiierten Lenkbewegung überlagert werden, so dass eine freie Zuordnung zwischen dem Lenkradwinkel δ_drv und dem Lenkwinkel δ_wh an den lenkbaren Rädern möglich ist.
Innerhalb des dargestellten Lenksystems können dabei die erfindungsgemäßen Lenkeingriffe mit geschwindigkeitsabhängigen Änderungen des Übersetzungsverhältnisses i kombiniert werden.
Ohne die Überlagerung der Fahrerlenkbewegung mit der zusätzlichen Lenkbewegung wird der von dem Fahrer am Lenkrad 510 eingestellte Lenkwinkel δ_drv direkt durch das Lenkgetriebe 530 an die Räder 540 übertragen. Der Lenkwinkel δ_Pinion vor dem Lenkgetriebe 530, welches die Standardlenkübersetzung i = i_Pinion zur Verfügung stellt, entspricht in diesem Fall dem von dem Fahrer eingestellten Lenkradwinkel δ_drv, so dass sich für den Lenkwinkel δ_wh an den Rädern 540 ein Wert von δ_wh = i_Pinion ^–1·δ_drv ergibt. Die Standardlenkübersetzung beträgt beispielsweise 16:1.
Das Übersetzungsverhältnis i der Lenkung wird dabei wie üblich durch i = δ_drv/δ_wh (bzw. präziser durch i = dδ_drv/dδ_wh) definiert.
Die Überlagerungslenkung 520 besitzt einen elektromechanischen Aktuator, der über ein Getriebe in den Lenkstrang einer konventionellen hydraulischen oder elektrischen Servolenkung eingreift. Bei dem Getriebe handelt es sich dabei beispielsweise um ein Planetengetriebe.
Die geschwindigkeitsabhängige Änderung der Lenkübersetzung i gegenüber der Standardlenkübersetzung i_Pinion wird durch die Steuereinheit 550 vorgenommen. In Abhängigkeit der aus den Messsignalen von Raddrehzahlsensoren bestimmten Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit v_ref ermittelt die Steuereinheit 550 dabei einen Faktor K_Vref, durch den der von dem Fahrer eingestellte Lenkradwinkel δ_drv verändert wird.
Die Überlagerungslenkung wird durch die Steuereinheit 550 so gesteuert, dass der Lenkwinkel δ_Pinion von dem Lenkgetriebe 530 einen Wert von δ_Pinion = KVref·δ_drv beträgt. Der Lenkwinkel δ_wh an den Rädern ergibt sich damit zu δ_wh = i_Pinion ^–1·K_Vref·δ_drv, und das Gesamtübersetzungsverhältnis der Lenkung ist i = i_Pinion·K_Vref ^–1.
Der Faktor K_Vref variiert beispielsweise zwischen einem Wert von K_Vref = 1,25 bei einer Geschwindigkeit von v_ref = 0 und ei nem Wert von K_Vref = 0,6, der bei einer Geschwindigkeit von v_ref = 150 km/h erreicht wird. Bei einer Standardübersetzung mit i = 16:1 entspricht dies einer sehr direkten Lenkübersetzung mit i = 10:1 für kleine Geschwindigkeiten nahe v_ref = 0 und einer sehr indirekten Lenkübersetzung mit i = 20:1 für hohe Geschwindigkeiten ab v_ref = 150 km/h.
Zum Einstellen des geschwindigkeitsabhängigen Lenkwinkels δ_Pinion wird dabei durch die Steuereinheit 550 ein Zusatzlenkwinkel Δδ_Vref = (KV_ref – 1)·δ_drv berechnet, wozu die Messsignale eines Lenkradwinkelsensors an die Steuereinheit 550 übermittelt werden. Der Zusatzlenkwinkel Δδ_Vref bzw. ein diesem entsprechendes Stellsignal werden an den Stellantrieb übertragen, der daraufhin eine entsprechende zusätzliche Lenkbewegung initiiert.
Die Überlagerung der Lenkbewegungen entspricht der Addition des Fahrerlenkwinkels δ_drv und des Zusatzlenkwinkels Δδ_Vref, so dass sich der Lenkwinkel δ_Pinion = δ_drv + Δδ_Vref = K_Vref·δ_drv Vor dem Lenkgetriebe 530 ergibt.
Die erfindungsgemäße Überlagerung der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung mit der zusätzlichen Lenkbewegung wird durch die Steuereinheit 560 gesteuert.
Die Überwachung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs auf das Vorliegen einer Untersteuersituation wird entweder ebenfalls von der Steuereinheit 560 durchgeführt, oder zur Überwachung wird eine zusätzliche Überwachungseinheit in das Lenksystem integriert.
Wie es auch bei bekannten ESP-Systemen üblich ist, wird das Untersteuern des Fahrzeugs dabei anhand eines Vergleichs des von dem Fahrer eingestellten Lenkradwinkels δ_drv bzw. des geschwindigkeitsabhängigen Lenkwinkels δ_Pinion vor dem Lenkgetriebe mit einem Solllenkwinkel δ_calc ermittelt. Der Solllenkwinkel δ_calc wird aus der erfassten Gierrate in der ebenfalls durch einen entsprechenden Sensor erfassten Querbeschleunigung a_y des Fahrzeugs und der Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit V_ref sowie verschiedenen Fahrzeugparametern in einem Modell berechnet.
Unter Zugrundelegung des Einspurmodells ergibt sich für eine stationäre Kreisfahrt mit konstantem Schwimmwinkel β und konstanter Gierrate ψ . der Solllenkwinkel
wobei 1 den Radstand und EG den Eigenlenkgradienten des Fahrzeugs bezeichnet.
Ein untersteuerndes Verhalten des Fahrzeugs wird erkannt, wenn die Differenz Δδ = δ_Pinion – δ_calc einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Liegt eine Untersteuersituation vor, berechnet die Steuereinheit 560 kontinuierlich einen Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS bzw. ein den Zusatzlenkwinkel repräsentierendes Stellsignal, nach dessen Maßgabe die durch die Stelleinheit initiierte Lenkbewegung ausgeführt wird.
Zur Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses i wird dabei ein Zusatzlenkwinkel der Form Δδ_ZUS = K_us·δ_drv berechnet.
Der Faktor K_us ist dabei eine degressiv fallende Funktion des Lenkradwinkels δ_drv, so dass eine degressive Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses i erreicht wird.
An die Stelleinheit der Überlagerungslenkung 520 wird ein den Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS repräsentierendes Stellsignal übermittelt, das mit dem Signal der Steuereinheit 550 kombiniert wird. Zur Kombination wird dabei ein Addierer 570 verwendet, so dass anhand der durch den Stellantrieb initiierten Lenkbewegung ein Zusatzlenkwinkel eingestellt wird, welcher der Summe Δδ_Vref + Δδ_ZUS entspricht.
Durch die Überlagerung mit der Fahrerlenkbewegung ergibt sich ein Lenkwinkel von δ_Pinion = (KV_ref + K_us)·δ_drv vor dem Lenkgetriebe, und es wird somit ein Lenkwinkel von δ_wh = i_Pinion ^–1·(K_Vref + K_us)·δ_drv an dem Rad 540 eingestellt.
Dem Addierer 570 ist zudem ein Limiter 580 nachgeschaltet, der den Wert der Summe K_us + K_Vref in Abhängigkeit der Standardübersetzung i_Pinion des Lenkgetriebes 530 auf einen Wert begrenzt, bei dem die Lenkübersetzung beispielsweise einen Wert von i = 20:1 nicht überschreitet. Bei einer Standardübersetzung von i_Pinion = 16:1 begrenzt der Limiter 580 die Summe K_us + K_Vref Somit auf einen Wert von 1,25.
Erkennt die Steuereinheit 560 die Beendigung einer Untersteuersituation, da die Differenz Δδ den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, wird der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS nach Maßgabe einer zeitabhängigen Rampenfunktion auf den Wert Null zurückgefahren. Die Änderungsrate wird dabei so gewählt, dass der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS mit einem durch den Fahrer beherrschbaren Gradienten – beispielsweise 1 °/s – zurückgenom men wird und in Abhängigkeit des von dem Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels δ_drv und Lenkwinkelgradienten δ_drv so eingestellt, dass der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS spätestens bei einem Fahrerlenkwinkel von δ_drv = 0 den Wert Δδ_ZUS = 0 erreicht.
Anhand der 6 wird ein erfindungsgemäßer Lenkeingriff in einem Diagramm dargestellt, in dem der Fahrerlenkwinkel δ_drv gegen den Lenkwinkel δ_wh an den Rädern aufgetragen ist.
In das Diagramm eingezeichnete Ursprungsgeraden enthalten Punkte des Diagramms, für die das Übersetzungsverhältnis i konstant ist. Es sind dabei die Geraden für i = 10:1, 12:1, 15:1 und 20:1 eingetragen.
Die Standardlenkübersetzung des Lenkgetriebes wurde für dieses Diagramm mit i_Pinion = 12:1 angesetzt.
Darüber hinaus wird der folgende Ablauf dargestellt, wobei eine geschwindigkeitsabhängige Veränderung der Lenkübersetzung nicht berücksichtigt wird (K_Vref = 1)
Bis zum Erkennen der Untersteuersituation in Punkt 610 der in das Diagramm eingezeichneten Kurve lenkt der Fahrer mit der Standardübersetzung i_Pinion ein.
Bei einem weiteren Einlenken des Fahrers über den Punkt hinaus wird die Lenkübersetzung i durch die Überlagerung der Fahrerlenkbewegung und der Zusatzlenkbewegung erhöht, bis der Maximalwert von i = 20:1 erreicht ist.
Das Übersetzungsverhältnis i wird dabei mit zunehmendem Fahrerlenkwinkel δ_drv degressiv bis zu dem Maximalwert erhöht und – begrenzt durch den Limiter 580 – bei einem weiteren Einlenken des Fahrers auf diesem Wert gehalten.
Lenkt der Fahrer während des Untersteuerns zurück, wie in dem Punkt 630 der Kurve, wird der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS und damit die Änderung der Lenkübersetzung i zurückgefahren, bis diese den Standardwert i_Pinion erreicht hat. Dies ist in dem Punkt 640 der Fall.
Wird die Untersteuersituation beendet, ohne dass der Fahrer zurücklenkt, so wird der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS mit einem konstanten und von dem Fahrer beherrschbaren Gradienten zurückgenommen bis der Lenkwinkel δ_wh an den Rädern den Wert erreicht, der sich aufgrund des Fahrerlenkwinkels δ_drv bei der Standardübersetzung i_Pinion ergibt. Beispielhaft dafür sind in der Kurve die Punkte 650 und 660 markiert, an denen eine Untersteuersituation beendet wird. Der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS wird anhand der gestrichelten Linien zurückgenommen, bis der Punkt 670 bzw. der Punkt 680 auf der zur Standardübersetzung gehörenden Ursprungsgeraden erreicht ist.
Das Untersteuern kann dabei beispielsweise aufgrund eines Reibwertwechsels beendet werden, der in der Differenz Δδ = δ_Pinion – δ_calc jedoch erst mit Verzögerung erkannt werden kann.
Daher wird während des Untersteuerns neben der Differenz Δδ ebenfalls der Verlauf der Gierrate ψ . des Fahrzeugs ausgewertet, um das Beenden einer Untersteuersituation zu erkennen.
Zur Veranschaulichung dieses Vorgehens zeigt die 7 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Betrages des Zusatzlenkwinkels Δδ_ZUS ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Lenkwinkels δ_wh an den Rädern (gestrichelte Kurve in dem zweiten Diagramm von oben) und dem Verlauf des dem Fahrerlenkwinkel δ_drv bei einer Standardlenkübersetzung i = i_Pinion entsprechenden Lenkwinkels δ_wh an den Rädern (durchgezogene Kurve in dem zweiten Diagramm von oben) sowie den zeitlichen Verlauf der Gierrate ψ . des Fahrzeugs.
Das untere Diagramm mit dem Gierratenverlauf verdeutlicht, dass der Reibwertwechsel, der zu der Zeit t_c auftritt, anhand eines Gierratensprungs nachgewiesen werden kann.
Durch den Vergleich der Differenz Δδ mit dem Schwellenwert wird der Beginn einer Untersteuersituation zum Zeitpunkt t₁ festgestellt. Die Erkennung der Beendigung der Untersteuersituation durch den Reibwertwechsel geschieht erst zum Zeitpunkt t₂ mit einiger Verzögerung.
Daher wird der Wert der Gierrate ψ . zum Zeitpunkt t₁ des Eintretens in die Untersteuersituation, beispielsweise durch die Steuereinheit 560, gespeichert und kontinuierlich mit der aktuell erfassten Gierrate ψ . verglichen. Ergibt der Vergleich eine starke Änderung der Gierrate ψ . gegenüber dem gespeicherten Wert, dann wird der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS mit einem konstanten Gradienten δ_ZUS auf den Wert Null zurückgefahren.
In den 8a) bis e) sind einige Diagramme gezeigt, welche die Abhängigkeit verschiedener Größen von der Zeit t während eines erfindungsgemäßen Lenkeingriffs darstellen.
Das Diagramm in der 8a) zeigt den zeitlichen Verlauf des Lenkwinkels δ_wh an den Rädern.
Das Diagramm in der 8b) gibt den zeitlichen Verlauf des Zusatzlenkwinkels Δδ_ZUS wieder.
Das Diagramm in der 8c) stellt den durch den Fahrer eingestellten Lenkradwinkel δ_drv in Abhängigkeit der Zeit t dar.
Das Diagramm in der 8d) zeigt den zeitlichen Verlauf der Differenz Δi = i – i_Pinion zwischen dem aktuellen Wert i der Lenkübersetzung und der Standardübersetzung i_Pinion des Lenkgetriebes.
Das Diagramm in der 8e) gibt den zeitlichen Verlauf einer Funktion f wieder, die in einer Untersteuersituation den Wert 1 und sonst den Wert 0 annimmt.
Die Diagramme sind das Ergebnis einer Simulation zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine Standardübersetzung von i_Pinion = 10:1 und eine sägezahnartige Lenkvorgabe δ_drv des Fahrers zugrunde gelegt wurde.
Der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS hat ein gegenüber dem Fahrerlenkwinkel δ_drv verschiedenes Vorzeichen, um den Lenkwinkel δ_wh gegenüber seinem sich anhand der Fahrervorgabe δ_drv und der Standardübersetzung i_Pinion entsprechenden Wert zu verringern.
Das Diagramm in der 8b) zeigt dabei, dass der Betrag des Zusatzlenkwinkels nach dem Beginn der Untersteuersituation erhöht wird, solange der Fahrer weiter einlenkt. Beim Zurücklenken des Fahrers während des Untersteuerns wird der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS zurückgenommen, bis die Übersetzung i der Standardübersetzung i_Pinion entspricht und Δi = 0 ist (siehe Diagramm in der 8d)).
Lenkt der Fahrer nun während des Untersteuerns in die andere Richtung ein, so wird der Betrag des Zusatzlenkwinkels Δδ_ZUS wiederum erhöht, bis der Fahrer zurücklenkt. Der Lenkwinkelgradient sinkt dabei mit zunehmendem Fahrerlenkwinkel δ_drv und der Betrag des Zusatzlenkwinkels wird so erhöht, dass die Lenkübersetzung i nach dem Erreichen des Maximalwerts von i = 20:1 (dem in dem Diagramm in der 8d) ein Wert von Δi = 10 entspricht) konstant bleibt, bis der Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS beim Zurücklenken des Fahrers zurückgenommen wird.
Zusammenfassend ist damit festzuhalten, dass die Erfindung ein vorteilhaftes Verfahren schafft, mit dem das Kurvenverhalten eines Fahrzeugs durch die Überlagerung des Fahrerlenkwinkels δ_drv mit einem Zusatzlenkwinkel Δδ_ZUS erheblich verbessert wird.

Claims

Verfahren zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, bei dem ein Übersetzungsverhältnis (i) zwischen einem Lenkradwinkel (δ_drv) und einem Lenkwinkel (δ_wh) an dem Rad durch eine Überlagerung einer von einem Fahrer initiierten Lenkbewegung und einer weiteren Lenkbewegung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrverhalten des Fahrzeugs auf ein Untersteuern hin überwacht wird und das Übersetzungsverhältnis (i) bei einem Erkennen eines Untersteuerns mit zunehmendem Betrag des Lenkradwinkels (δ_drv) indirekter gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis (i) mit zunehmendem Betrag des Lenkradwinkels (δ_drv) degressiv erhöht wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis (i) auf einen Maximalwert begrenzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lenkbewegung nach Maßgabe eines kontinuierlich berechneten Zusatzlenkwinkels (Δδ_ZUS) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Zusatzlenkwinkels (Δδ_ZUS) nach Maßgabe einer zeitabhängigen Funktion auf den Wert Null verringert wird, wenn ein Untersteuern nicht mehr erkannt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Zusatzlenkwinkels (Δδ_ZUS) auf den Wert Null verringert wird, wenn eine starke Gierbeschleunigung für das Fahrzeug erkannt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersteuern des Fahrzeugs anhand eines Vergleichs einer Differenz (Δδ) zwischen einem durch den Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel (δ_drv) und einem in einem Fahrzeugmodell berechneten Solllenkwinkel (δ_calc) mit einem Schwellenwert für diese Differenz erkannt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solllenkwinkel (δ_calc) in Abhängigkeit der Gierrate (ψ .) und der Querbeschleunigung (a_y) des Fahrzeugs berechnet wird.
Lenkvorrichtung zum Erhöhen der Fahrstabilität eines wenigstens ein lenkbares Rad aufweisenden Fahrzeugs während der Fahrt durch eine Kurve, eine Überlagerungslenkung beinhaltend, bei der eine durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und eine durch eine Stelleinheit nach Maßgabe eines Stellsignals initiierte Lenkbewegung überlagert werden, mit a. einem Vergleichsmittel (560) zum Vergleichen einer Differenz (Δδ) zwischen einem erfassten Lenkradwinkel (δ_drv) und einem in einem Fahrzeugmodell berechneten Solllenkwinkel (δ_calc) und einem Schwellenwert sowie b. einer in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen der Differenz (Δδ) und dem Schwellenwert einschaltbaren Einheit (560) zum Erzeugen des Stellsignals (Δδ_ZUS) in Abhängigkeit des erfassten Lenkradwinkels (δ_drv), nach dessen Maßgabe ein Übersetzungsverhältnis (i) zwischen einen durch den Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel (δ_drv) und einem Lenkwinkel (δ_wh) an dem Rad erhöht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Limiter (580) beinhaltet, der das Übersetzungsverhältnis (i) auf einen maximalen Wert begrenzt.