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Die
Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug und ein
Verfahren zum selektiven Ändern
des Lenkverhältnisses,
und insbesondere ein aktives Frontlenksystem für ein Kraftfahrzeug.
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Aktive
Frontlenksysteme für
Kraftfahrzeuge werden dazu verwendet, die Fahrzeugräder mit
einer anderen Rate als die Drehung des Lenkrades des Fahrzeugs oder
ohne Drehung des Lenkrades zu drehen. Das Verhältnis der Drehung des Lenkrades zur
Drehung des Rades definiert ein Lenkverhältnis. Das aktive Frontlenksystem
setzt daher das Lenkverhältnis
des Fahrzeugs fest. Ohne aktives Frontlenksystem wird das Lenkverhältnis typischer
Weise nur durch die mechanischen Verbindungen zwischen dem Lenkrad
und dem Fahrzeugrad bestimmt.
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Bisher
wurden aktive Frontlenksysteme mit einem mit Energie versorgten
Betätiger
ausgerüstet, der
betrieblich mit der Eingabe eines Zahnstangen/Ritzelsystems eines
Lenksystems eines Fahrzeugs verbunden war. Das aktive Frontlenksystem unterstützt das
Drehen der lenkbaren Räder
im Basisbetrieb, wobei das aktive Frontlenksystem typischer Weise
einen vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel, der auf das Lenkrad
ausgeübt
wird, über den
mit Energie versorgten Betätiger
hinaus ergänzt, um
die Räder
entsprechend dem Lenkverhältnis
zu drehen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik
zu vermeiden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch
10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Es
ist ein Aspekt der Erfindung, ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen,
welches ein lenkbares Rad, das einen Lenkwinkel definiert, einen
mit Energie versorgten Betätiger,
der den Lenkwinkel steuert und ein Lenkrad, das den vom Fahrer eingegebenen
Steuerwinkel liefert, umfaßt. Ein
Verhältnis
des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels zum Lenkwinkel definiert
ein Lenkverhältnis. Das
Lenksystem umfasst auch eine Steuerung, die selektiv das Lenkverhältnis ändert.
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Die
Steuerung veranlasst den mit Energie versorgten Betätiger dazu,
den Lenkwinkel so zu ändern,
dass das Lenkverhältnis
eine Funktion von mindestens einem von mindestens zwei Lenkverhältnisgraphen
ist. Jeder Lenkverhältnisgraph
variiert das Lenkverhältnis
entsprechend dem vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel. Das Lenksystem
umfasst ferner eine durch den Fahrzeugfahrer manuell selektierbare
Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kommuniziert mit der Steuerung,
um einen der Lenkverhältnisgraphen
auszuwählen.
Ein erster Lenkverhältnisgraph
variiert als Funktion des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels
in anderer Weise als der zweiten Lenkverhältnisgraph.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum selektiven
Variieren des Lenkverhältnisses
eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, das ein lenkbares Rad, welches
einen Lenkwinkel definiert, wie ein Lenkrad, aufweist, welches den
vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel liefert, wobei das Verhältnis des
vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels zum Lenkwinkel das Lenkverhältnis definiert. Das
Kraftfahrzeug hat ferner einen mit Energie versorgte Betätiger, welcher
den Lenkwinkel steuert. Das Verfahren umfaßt den Schritt der manuellen
Selektion eines von mindestens zwei Lenkverhältnisgraphen, wobei jeder Lenkverhältnisgraph
das Lenkverhältnis
definiert, das dem vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel entspricht.
Das Verfahren umfaßt auch
den Schritt der Anweisung des mit Energie versorgten Betätigers entsprechend
dem ausgewähltem Lenkverhältnisgraph.
Ein erster der Lenkverhältnisgraphen
variiert als Funktion des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels
in anderer Weise, als der zweite der Lenkverhältnisgraphen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum selektiven
Variieren eines Lenkverhältnisses
eines Fahrzeuges zu schaffen, welches ein lenkbares Rad aufweist,
das einen Lenkwinkel definiert, sowie ein Lenkrad, welches den vom Fahrer
eingegebenen Steuerwinkel liefert. Ein Verhältnis des vom Fahrer eingegebenen
Steuerwinkels zum Lenkwinkel definiert das Lenkverhältnis. Das Kraftfahrzeug
hat ferner einen mit Energie versorgten Betätiger, der den Steuerwinkel
definiert. Das Verfahren umfaßt
die Schritte: Vorsehen einer Steuerung zum seletiven Variieren-
des Lenkverhältnisses;
manuelle Auswahl mindestens eines von zwei Fahrzuständen mit
einer Steuereinrichtung und Übermittlung
der ausgewählten
Fahrbedingung von der Steuereinrichtung zur Steuerung. Das Verfahren
umfaßt ferner
den Schritt der Anweisung des mit Energie versorgten Betätigers durch
die Steuerung, den Lenkwinkel so zu ändern, dass das Lenkverhältnis eine Funktion
von mindestens zwei Lenkverhältnisgraphen
ist, wobei jeder Lenkverhältnisgraph
einer der Fahrbedingungen entspricht. Jeder Lenkverhältnisgraph
variiert auch das Lenkverhältnis
entsprechend dem vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel. Ein erster
der Lenkverhältnisgraphen
variiert als Funktion des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels
in anderer Weise, als der zweite der Lenkverhältnisgraphen.
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Demzufolge
kann der Fahrer des Fahrzeugs manuell ein Lenkverhältnis auswählen, welches
den Fahrbedingungen des Fahrzeugs am Besten angepaßt ist und/oder
an das vom Fahrer erwünschte Lenkverhalten.
Das Fahrzeuglenksystem ist leicht einzubauen, besitzt eine lange
Betriebsdauer und ist speziell für
die vorgeschlagene Anwendung ausgelegt.
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Diese
und weitere Merkmale, Vorteile und Ziele der Erfindung sind für den Fachmann
unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung, die Ansprüche und
die anhängende
Zeichnung leichter verständlich.
In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Teilansicht eines Lenksystems gemäß der Erfindung, wobei der
Lenkwinkel 0° ist;
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2 eine
schematische Teilansicht des Lenksystems, das auf einen Lenkwinkel
von 0 gelenkt ist; und
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3 ein
Diagramm des Lenkverhältnisses gegen
den vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel eines Lenkrades für das erfindungsgemäße Lenksystem.
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Zu
Zwecken der Beschreibung soll darauf hingewiesen werden, dass die
Erfindung verschiedene alternative Orientierungen annehmen kann,
außer,
falls dies ausdrücklich
gegenteilig erwähnt
ist. Selbstverständlich
sind die spezifischen Vorrichtungen und Verfahren, die in den Zeichnungen
illustriert sind, und in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben,
einfache exemplarische Ausführungsformen
des in den begleitenden Ansprüchen
definierten erfindungsgemäßen Konzepts.
Demzufolge sollen die hierin erwähnten
spezifischen Dimensionen und andere physikalische Charakteristika,
die sich auf Ausführungsformen
beziehen, nicht beschränkt
sein oder so betrachtet werden, sofern dies nicht ausdrücklich anderweitig
angegeben ist.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 allgemein ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
gemäß der Erfindung.
Im erläuterten
Beispiel umfaßt das
Lenksystem 10 ein lenkbares Rad 12, das einen Lenkwinkel 20 (s. 2)
definiert; einen mit Energie versorgten Betätiger 14, der den
Lenkwinkel steuert und ein Lenkrad 16, das den vom Fahrer
eingegebenen Steuerwinkel liefert. Das Verhältnis des vom Fahrer eingegebenen
Steuerwinkels zum Lenkwinkel 20 definiert ein Lenkverhältnis. Das
Lenksystem 10 umfaßt
auch eine Steuerung 18 zur selektiven Variation des Lenkverhältnisses.
Die Steuerung 18 veranlaßt den energieversorgten Betätiger dazu,
den Lenkwinkel 20 so zu ändern, dass das Lenkverhältnis eine
Funktion mindestens eines von mindestens zwei Lenkverhältnisgraphen
ist (beispielsweise 50 und 52 der 3).
Jeder Lenkverhältnisgraph
variiert das Lenkverhältnis
entsprechend dem vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel. Das Lenksystem 10 umfaßt ferner
eine Steuereinrichtung 60, die manuell durch den Fahrzeugfahrer
wählbar
ist. Die Steuereinrichtung 60 kommuniziert mit der Steuerung
18, um einen der ausgewählten
Lenkverhältnisgraphen
auszuwählen.
Ein erster Lenkverhältnisgraph
(beispielsweise 50 in 3) variiert
als Funktion des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels in anderer
Weise, als der zweite der Lenkverhältnisgraphen (beispielsweise 52 in 4).
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Im
erläuterten
Beispiel umfaßt
das Lenksystem 10 ein Paar lenkbarer Räder 12, die um einen Drehpunkt 17 gegenüber dem
Fahrzeugrahmen 19 drehen. Jedes Rad definiert den Lenkwinkel 20 (2)
zwischen der Längsachse 22 des
dazugehörigen
Fahrzeugs und einer mittleren Fortbewegungsachse 24 jedes
Rades 12. Selbstverständlich
kann dann, während
der Lenkwinkel 20 durch die Drehbewegung jedes lenkbaren
Rades 12 definiert ist, der Lenkwinkel 20 durch
drehbare Hinterräder
definiert sein, falls das Fahrzeug so ausgerüstet ist, und/oder andere drehbare
Räder.
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Das
erläuterte
Lenksystem 10 umfaßt
auch eine Lenksäule 26,
die in einer durch einen Pfeil 27 repräsentierten Richtung drehbar
ist und betrieben werden kann, um den vom Fahrer über das
Lenkrad 16 eingegebenen Steuerwinkel aufzunehmen.
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Die
Lenksäule 26 ist
betrieblich mit den lenkbaren Rädern 12 über ein
Zahnstangen-/Ritzelsystem 30 verbunden, das eine Zahnstange 32 und
ein Zahnradgetriebe 34, ein Paar Zug-/Schubverbindungen 36 und
einen Lenkarm 38 umfaßt.
Obwohl das vorliegende Beispiel ein Zahnstangen-/Ritzellenksystem
verwendet, ist zu beachten, dass auch andere mit dem hierin beschriebenen
Lenksystem 10 kompatible Lenksysteme eingesetzt werden
können.
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Das
Lenksystem 10 umfaßt
ferner ein aktives Basisfrontlenksystem 40, welches die
Steuerung 18 in betrieblicher Verbindung mit dem mit Energie
versorgten Betätiger 14 umfaßt. Der
mit Energie versorgte Betätiger 14 ist
betrieblich mit der Lenksäule 26 über eine
Kupplung 46 verbunden. Das aktive Frontlenksystem 40 unterstützt das
Drehen der lenkbaren Räder 12.
Obwohl hier eine spezielle Art eines aktiven Frontlenksystems beschrieben
ist, können auch
andere in der Technik bekannte Systeme eingesetzt werden. Im Basisbetrieb
unterstützt
das aktive Frontlenksystem 40 den vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel,
der über
das Lenkrad 16 eingegeben wird, über den mit Energie versorgten
Betätiger 14. Der
Lenkwinkel 20, wie er durch das lenkbare Rad 12 definiert
ist, wird durch eine Kombination des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels
und eines zusätzlichen
Lenkwinkels, der durch den energieversorgten Betätiger 14 geliefert
wird, bestimmt. Der zusätzliche
Lenkwinkel, der durch den energieversorgten Betätiger 14 geliefert
wird, wird durch die nachfolgende Gleichung bestimmt: ∝ASA = δDICA((RA – RD)/RD)wobei ∝ASA = zusätzlicher
Lenkwinkel, der durch den mit Energie versorgten Betätiger 14 geliefert
wird, δDICA = Winkeländerung des Lenkrades 16,
wie sie durch den durch den Fahrer eingegebenen Lenkwinkel bestimmt
ist, RA = Lenkverhältnis des Fahrzeugs ohne den
zusätzlichen
Lenkwinkel und RD = erwünschtes Lenkverhältnis. Beispielsweise
ist dann, falls das Lenkverhältnis
des Lenksystems 10 ohne den energieversorgten Betätiger 14 Eins
ist (beispielsweise wenn das Lenkrad 16 um 5° gedreht
ist und das lenkbare Rad 125° drehen
wird) das erwünschte
Lenkverhältnis 5 (dies
bedeutet, dass eine langsame Änderung
des Lenkwinkels 20 des lenkbaren Rades 12 mit
der Änderung
des Winkels des Lenkrades 16 verglichen wird). Wenn das
Lenkrad 5° bewegt
worden ist, wird der mit Energie versorgte Betätiger 14 das lenkbare
Rad 12 um negative 4° bewegen.
Demzufolge wird das Lenkrad 165° drehen
und das lenkbare Rad 1°,
wodurch das Fahrzeug ein Lenkverhältnis von 5 erhält.
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Im
dargestellten Beispiel wird die Steuerung 18 des aktiven
Frontlenksysems 14 selektiv das Lenkverhältnis variieren. 3 illustriert
einen ersten Lenkverhältnisgraph 50 und
einen zweiten Lenkverhältnisgraph 52 auf
einem Diagramm, welches die Lenkverhältnisse für den ersten Lenkverhältnisgraph 50 und
den zweiten Lenkverhältnisgraph 52 als
Funktion des vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkels zeigt, wie er
dem Lenkrad 16 vom Fahrer vorgegeben wird. Die Steuerung 18 wird
dem mit Energie versorgten Betätiger 14 befehlen,
für einen
Lenkwinkel zu sorgen, wie er durch eine Steuereinrichtung 60 bestimmt
wird, der manuell durch den Fahrer des Fahrzeugs wählbar ist,
in dem der energieversorgte Betätiger 14 dazu
veranlaßt
wird, den Lenkwinkel 20 so zu ändern, dass das Lenkverhältnis eine
Funktion mindestens eines der mindestens zwei Lenkverhältnisgraphen
ist. Die Steuerung 18 kann eine auf einem üblichen
Mehrzweckmikroprozessor basierende Steuerung aufweisen und eine
kommerziell erhältliche
Steuerung von der Stange. Die Steuerung 18 umfaßt bevorzugt
einen Prozessor und einen Speicher für das Speichern und Verarbeitung
von Software-Algorithmen,
verarbeitet Eingaben von der Steuereinrichtung 60 und liefert
Steuersignale an den energieversorgten Betätiger 14. Die Steuereinrichtung 60 kann
jeglicher Steuerschalter, Wahleinrichtung usw. im Fahrgastraum des
Fahrzeugs sein, wodurch der Fahrer eine Fahrposition oder -zustand
mit der Steuereinrichtung 60 auswählen kann. Beispielsweise kann
die Steuereinrichtung 60 eine Wahleinrichtung mit mindestens
zwei drehbar auswählbaren
Positionen sein, ein Hebel mit mindestens zwei Positionen oder ein
Berührungsfeld
mit mindestens zwei Auswahlmöglichkeiten.
Die Steuereinrichtung 60 kann auch ein anderer Schalter
im Fahrzeug sein, der einen anderen Aspekt der Fahrzeugcharakteristika steuert.
Beispielsweise könnte
die Steuereinrichtung 60 eine Schaltknüppelanordnung oder eine aktive Federungseinstellung
sein. Die oben angegebenen Steuereinrichtungen 60 sind
lediglich illustrativ genannt und sollen keinesfalls die im erfindungsgemäßen System
anwendbare Steuereinrichtung einschränken.
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Der
illustrierte erste Lenkverhältnisgraph 50 ist
variabel, variiert mit dem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel und
besitzt ein Maximum, wenn der vom Fahrer eingegebene Steuerwinkel
0 ist. Der erste Lenkverhältnisgraph 50 kann
dann eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug sich auf einen Straße fortbewegt.
Demzufolge kann dann, wenn der vom Fahrer eingegebene Steuerwinkel
kleiner ist (nämlich das
Lenkrad 18 vom Fahrer nur um ein kleinen Winkel gedreht
wird) der Lenkwinkel 20 kleiner als der vom Fahrer eingegebene
Steuerwinkel sein. Ausgehend von einer 0 Position (d. h. wenn das
Lenkrad 18 nicht gedreht und der vom Fahrer eingegebene
Steuerwinkel 0 ist) und bei Drehen des Lenkrades 18 wird der
Lenkwinkel 20 sich zunächst
sehr langsam ändern
und sodann erhöhen,
wenn sich das Lenkverhältnis
erniedrigt. Sobald der vom Fahrer eingegebene Steuerwinkel den Punkt 54 erreicht, ändert sich das
Lenkverhältnis
nicht mehr und der Lenkwinkel 20 wird sich linear mit dem
vom Fahrer eingegebenen Steuerwinkel ändern. Der Lenkwinkel 20 wird
sich bevorzugt langsam entsprechend dem vom Fahrer eingegebenen
Steuerwinkel ändern,
wenn das Lenkrad 16 sich nahe der 0 Position befindet,
da das Fahrzeug sich typischerweise schnell fortbewegt, wenn der
Lenkwinkel 20 der lenkbaren Räder 12 nahe 0 liegt,
um dem Fahrer eine bessere Steuerung des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Zusätzlich
wird dann, wenn der Lenkwinkel 20 hoch ist, der Fahrer üblicherweise
ein Manöver
bei niedriger Geschwindigkeit ausführen, wie Parken, der Fahrer
wünscht
dann nicht, das Lenkrad 18 zu weit einzuschlagen. Demzufolge
wird am Punkt 54 das Lenkverhältnis linear. Im angegebenen
Beispiel ist der zweite Lenkverhältnisgraph 52 linear.
Der zweite Lenkverhältnisgraph
kann eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug sich abseits der Straße bewegt.
Demzufolge wird dann, wenn das Fahrzeug sich abseits der Straße fortbewegt,
der Fahrer des Fahrzeugs eine Feinsteuerung des Lenkwinkels 20 haben,
um das Fahrzeug und den Lenkwinkel 20 schnell auf den vom
Fahrer eingegebenen Steuerwinkel reagieren zu lassen.
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Obwohl
nur ein erster Lenkverhältnisgraph 50 und
ein zweiter Lenkverhältnisgraph 52 hierin
illustriert sind, wird angenommen, dass die Steuerung 18 das Lenkverhältnis zwischen
vielen von Graphen variieren kann. Jeder Lenkverhältnisgraph
könnte
für einen
anderen Fahrzustand auf oder abseits der Straße oder für eine Geschwindigkeit innerhalb
der Fahrbedingungen auf oder abseits der Straße individualisiert sein. Beispielsweise
könnte
die Steuerung 18 das Lenkverhältnis entlang einem ersten
Lenkverhältnisgraph
für das
Fahren auf Sand, einem zweiten Lenkverhältnisgraph für das Fahren
auf schmutzigen Straßen,
einem dritten Lenkverhältnisgraph
für das Fahren
in Schlamm, einem vierten Lenkverhältnisgraph zum Fahren über Hügel, einem
fünften
Lenkverhältnisgraph
für Fahren
auf Pflaster, einem sechsten Lenkverhältnisgraph für schnelle
Fahrt, einem siebten Lenkverhältnisgraph
für langsames
Fahren, einem achten Lenkverhältnisgraph
für Fahren
auf schmutzigen Straßen
mit hoher Geschwindigkeit usw. ändern.
Zusätzlich
kann, obwohl das Lenkverhältnis
des zweiten Lenkverhältnisgraphen 52 als
linear dargestellt wird, angenommen werden, dass der zweite Lenkverhältnisgraph 52 nicht
linear sein kann und/oder der erste Lenkverhältnisgraph 50 linear sein
kann. Beispielsweise könnte
der zweite Lenkverhältnisgraph
die gleiche vertikale Höhe
wie der erste Lenkverhältnisgraph 50,
wie in 3 dargestellt, haben, und den Punkt 54 auf
dem zweiten Lenkverhältnisgraph 52 näher an der
vertikalen Lenkverhältnislinie
als Punkt 54 im ersten Lenkverhältnisgraph 50 (nämlich ein
kompaktiertes Äquivalent
des ersten Lenkverhältnisgraphen 50,
wie in 3 gezeigt), wodurch ein Sportlenkverhältnis entsteht.
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Dem
Fachmann ist offensichtlich, dass Modifikationen der Erfindung ohne
Abweichung der darin offenbarten Konzepte möglich sind. Beispielsweise kann,
obwohl das Lenksystem mit einer direkten mechanischen Verbindung
zwischen dem Lenkrad 16 und den lenkbaren Rädern 12 offenbart
wurde, angenommen werden, dass das Lenksystem und das Verfahren
zum selektiven Variieren des Lenkverhältnisses, wie hierin offenbart,
durch einen Antrieb mit einem Seilzugsystem eingesetzt werden kann.
Ein Antrieb mit einem Seilzugsystem ist dem Fachmann bekannt. Solche
Modifikationen sollen als in den nachfolgenden Ansprüchen umfaßt betrachtet
werden, sofern diese Ansprüche
dies nicht ausdrücklich
anderweitig festsetzen.
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- 10
- Lenksystem
- 12
- lenkbares
Rad
- 14
- energiebetriebener
Betätiger
- 16
- Lenkrad
- 17
- Drehpunkt
- 18
- Steuerung
- 19
- Fahrzeugrahmen
- 20
- Lenkwinkel
- 22
- Längsachse
- 24
- Fortbewegungsachse
- 26
- Lenksäule
- 27
- Pfeil
- 30
- Zahnstangen-/Ritzelsystem
- 32
- Zahnstange
- 34
- Zahnradgetriebe
- 36
- Zug-/Schub-Verbindung
- 38
- Lenkarm
- 40
- Basisfrontlenksystem
- 46
- Kupplung
- 50
- Lenkverhältnisgraph
- 52
- Lenkverhältnisgraph
- 60
- Steuereinrichtung