DE102007000995A1

DE102007000995A1 - Verfahren zum Betrieb einer Überlagerungslenkung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007000995A1
Application number: DE102007000995A
Authority: DE
Inventors: Roland Greul; Jörg Strecker; Christopher Kreis
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-04
Also published as: EP2065291B1; DE502008000769D1; EP2065291A1; US20090138158A1

Abstract

In einem Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung, aufweisend eine Servounterstützungseinheit (4), ein Überlagerungsgetriebe (2) und einen Stellantrieb (1) zur Korrektur eines Fahrerlenkwinkels (sigmaS) durch Einleitung eines Zusatzwinkels (sigmaZ), wobei ein Gesamtlenkwinkel (sigmaG) zur Radlenkwinkelverstellung von gelenkten Rädern (5) mittels des Überlagerungsgetriebes (2) gebildet wird und wobei eine dem Stellantrieb (1) zugeordnete Steuer- und Regelungseinheit (10) eine Sollvorgabe für den Zusatzwinkel (sigmaZ) ermittelt, wird vorgeschlagen, dass bei Erkennung eines Untersteuerzustandes die Sollvorgabe des Zusatzwinkels (sigmaZ) dahingehend verändert wird, dass die Radseitenkraft (FY) in einem Bereich eines maximal erreichbaren, von Umgebungseinflüssen abhängigen Radseitenkraft-Maximalwerts (FY,max) für die Zeitdauer des Untersteuerzustandes gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Überlagerungslenkung in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
In der DE 197 51 125 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug offenbart, das mittels eines Stellantriebes und eines Überlagerungsstellers die durch den Fahrer des Fahrzeugs initiierte Lenkbewegung und die durch den Stellantrieb initiierte Bewegung überlagert, und wobei ein Steuersignal für den Stellantrieb erzeugt wird, welches durch Überlagerung von wenigstens zwei parallel und unabhängigen Lenkanteilen gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Überlagerungslenkung zur Erhöhung der Fahrsicherheit bei Kurvenfahrten vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, dass bei einer Erkennung eines Untersteuerzustandes des Fahrzeugs die Sollvorgabe des Zusatz-Lenkwinkels mittels einer Steuer- und Regelungseinheit dahingehend verändert wird, dass die Radseitenkraft F_y in einem Bereich eines als maximal erreichbar angenommenen, von Umgebungseinflüssen (Reibwert, Reifenparameter) abhängigen Radseitenkraft-Maximalwerts für die Zeitdauer des erkannten Untersteuerzustandes gehalten wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1 zeigt schematisch die in einem Lenkstrang befindliche Überlagerungslenkung eines Kraftfahrzeugs, auf die sich das erfindungsgemäße Verfahren anwenden lässt.
Die 2a und 2b zeigen den Zusammenhang zwischen Schräglaufwinkel und Seitenführungskraft beziehungsweise Reifenrückstellmoment
3 zeigt eine Struktur zur Bestimmung des Grads des momentanen Untersteuerzustands.
4 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Differenzwerts zwischen der Soll- und Ist-Gierrate
5 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung unter Verwendung der momentanen Querbeschleunigung und einer geschätzten Zahnstangenkraft.
6 zeigt eine Umsetzungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Raddrehzahlen und eines virtuellen Radlenkwinkels.
1 zeigt schematisch eine Hilfskraftlenkung eingangs erwähnter Art, beinhaltend einen Stellantrieb 1, der einen Zusatz-Lenkwinkel δ_Z gemäß einer Sollvorgabe δ_Z,Soll in den Lenkstrang des Lenksystems mittels des Überlagerungsgetriebes 2 einleitet, wobei ein ausgangsseitiger Gesamtlenkwinkel δ_G gebildet wird und eingangsseitig dem elektrisch oder hydraulisch unterstützten Lenkgetriebe 4 zugeführt wird. Mittels einer Zahnstange und Spurstangen wird der Gesamtlenkwinkel den gelenkten Rädern 5 zugeführt und ein Radlenkwinkel δ_R erzeugt. Eine Steuer- und Regeleinheit 6 erhält als Eingangsgrößen den durch den Fahrer eingeprägten Lenkwinkel δ_S und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v_x des Fahrzeugs. Eine in der Steuer- und Regeleinheit 6 implementierte VSR-Funktionalität (variable Lenkübersetzung) berechnet aus den Eingangsgrößen eine Sollvorgabe für den Stellantrieb 1.
Vollzieht ein Kraftfahrzeug eine Kurvenfahrt so entsteht an dem zu einem Rad abstrahierten Rädern der gelenkten Vorderachse ein Schräglaufwinkel α_v und entsprechend ein Schräglaufwinkel α_h an der Hinterachse.
Ein Untersteuerverhalten bei einer Kurvenfahrt ist definiert als α_v – α_h > 0, ein übersteuerndes Verhalten wird als α_v – α_h < 0 definiert. Im Allgemeinen weist ein Kraftfahrzeug bei einer Kurvenfahrt ein untersteuerndes Verhalten auf. In der 1 zeigt den Schräglaufwinkel α der vorderen Achse abstrahiert an einem gelenkten Rad der Achse. Der Schräglaufwinkel α bildet sich zwischen dem Geschwindigkeitsvektor v des Rads und des Radlenkwinkels δ_R bei untersteuerndem Verhalten des Fahrzeugs aus.
Bei Kraftfahrzeugen, die mit einer Überlagerungslenkung wie in der DE 197 51 125 beschrieben, ausgestattet sind, ist es möglich, autonome fahrdynamische Lenkeingriffe zur Herstellung der Wiederbeherrschbarkeit des Fahrzeugs vorzunehmen. Siehe hierzu auch die einschlägigen Veröffentlichungen von Anton van Zanten zur Fahrdynamikregelung.
Vorliegende Erfindung erweitert dieses Konzept dahingehend, dass bei einem zu stark untersteuernden Fahrzeug das untersteuernde Verhalten unter Verwendung einer Überlagerungslenkung zu reduzieren.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Sollvorgabe für den Zusatzlenkwinkel in diesem Zustand derart modifiziert wird, dass sich der Gesamtlenkwinkel δ_G und dementsprechend der Radlenkwinkel δ_R gemäß der Beziehung δ_S + δ_Z reduziert und in einem Bereich der maximaler Seitenführungskraft F_y,max des Rades rückgeführt und gehalten wird.
Somit wird mittels der Überlagerungslenkung ein optimaler Radlenkwinkel δ_R eingestellt, bei dem eine maximal erreichbare Seitenkraft auf den Reifen wirkt und somit eine maximal mögliche Querbeschleunigung des Fahrzeugs erzielt wird.
Es ist daher von Vorteil, den maximalen Wert der Seitenführungskraft anhand der geschätzten Zahnstangenkraft zu erkennen.
Der Radlenkwinkel δ_R entsteht hierbei aus additiver Überlagerung eines vom Fahrer eingeleiteten Fahrerlenkwinkels δ_S und eines vom Stellantrieb eingeleiteten Zusatzlenkwinkels δ_Z wobei sich ein Gesamtlenkwinkel δ_G gemäß der Beziehung δ_S + δ_Z ergibt. Der Gesamtlenkwinkel δ_G wird dabei mittels des Lenkgetriebes und den Spurstangen an die gelenkten Räder übertragen und entspricht somit im Wesentlichen dem Radlenkwinkels δ_R eines zu einem Rad abstrahierten Rädern der gelenkten vorderen Achse.
Betrachtet man, wie in 2a dargestellt, den Zusammenhang zwischen Rad-Seitenkraft F_y und Radlenkwinkel δ_R beziehungsweise eines sich daraus ergebenden Schräglaufwinkels α, so wird deutlich, dass ab einem gewissen Wert es nicht mehr möglich ist eine zusätzliche Seitenführungskraft aufzubauen.
Es stellt sich bei weiter ansteigenden Radlenkwinkel δ_R sogar eine Reduzierung der Seitenführungskraft ein.
In der 2a ist dieser Übergang durch den Punkt P gekennzeichnet. Rechts dieses Punktes befindet sich das Fahrzeug im untersteuernden Zustand (schraffierter Bereich). Die Erfindung sieht vor, den Zustand, bei dem eine weitere Zunahme des Radlenkwinkels δ_R, d. h. eine weitere Erhöhung des Radeinschlags, zu keiner weiteren Erhöhung der Radseitenkraft führt, zu erkennen.
In der 2b ist das dazugehörige Rückstellmoment M_R des Reifens beziehungsweise die entsprechend der Seitenkraft auf die Zahnstange wirkende Zahnstangenkraft F_Z aufgezeichnet. Bezogen auf den Schräglaufwinkel α bildet sich das Maximum P' für die Zahnstangenkraft F_Z respektive das Reifen-Rückstellmoment M_R aufgrund von Reifeneigenschaften deutlicher und früher aus. Der Punkt P maximaler Seitenkraftführung F_y,max liegt demnach in einem Bereich wieder abfallender Zahnstangenkraft, nachdem das durch den Punkt P' gekennzeichnete Maximum überschritten worden ist. Diese Erkenntnis ist äußerst hilfreich für die sichere Erkennung eines untersteuernden Zustandes.
Da sich mit abnehmendem Reibwert die maximale Seitenführungskraft verringert und dementsprechend auch die Radlastdifferenz, erhält man aufgrund der Reifeneigenschaften auch geringere Spurstangenkräfte. Daraus ergeben sich Schwellwerte in Abhängigkeit der Querbeschleunigung. Die momentane Spurstangenkraft wird vorzugsweise mittels eines Schätzalgorithmus, wie in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2006 036 751 beschrieben, ermittelt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Abwandlung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der untersteuernde Zustand mittels einer Bewertung eines zuvor bestimmten Untersteuer-Faktors, „USF", wie in 3 schematisch dargestellt, identifiziert wird.
Einer arithmetisch-logischen Funktionseinheit 301 wird die Soll-Gierrate ψ .soll, die Ist-Gierrate ψ .ist und die Querbeschleunigung a_y zugeführt.
Diese Größen werden intern verrechnet und gegeneinander plausibilisiert um daraus einen Wert zu bestimmen, der den Grad der Untersteuerung, USF%, festlegt. Eine nicht weiters dargestellte nachfolgende Bewertungs- und Entscheidungseinheit trifft daraus unter Verwendung weiterer Größen eine binäre Entscheidung über das Vorliegen des Untersteuer-Zustandes.
In der 4 ist ein alternatives Verfahren als weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Einem Fahrzeug-Referenzmodell 101 wird der fahrerseitig eingeprägte Lenkwinkel δ_S und die Fahrzeuggeschwindigkeit v_x zugeleitet. Daraus wird eine Soll-Gierrate ψ .soll ermittelt und mit der gemessenen Ist-Gierrate ψ .ist verglichen. Ein Gierraten-Abweichungswert Δψ . wird von einem Differenz-Glied 102 arithmetisch bestimmt und nach dessen Maßgabe ein mittels eines Verstärkungsglieds 102 der durch entsprechendes Setzen der Sollvorgabe für den durch den Zusatz-Lenkwinkel δ_Z einzustellenden Radlenkwinkel δ_R festgelegt.
Der Funktionsblock 301 ist bevorzugt als computerimplementiertes Verfahren auf der Steuer- und Regeleinheit 6 hinterlegt.
5 zeigt ein weiteres Verfahren gemäß der Erfindung. Die momentane Querbeschleunigung a_y wird dem Funktionsblock 501 zugeführt, der aus fahrzeugspezifischen Größen, beispielsweise dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und den geometrischen Achs- und Lenkungsverhältnissen eine Umrechnung der Seitenführungskraft F_y in eine Spurstangenkraft F_S vornimmt.
Der Funktionsblock 502, der im Wesentlichen einen Schätzalgorithmus zur Bestimmung der Spurstangenkraft F_S beziehungsweise der Zahnstangenkraft F_Z beinhaltet, ermittelt anhand intern bekannter Größen der Servolenkung, insbesondere aus Winkel- und Momenten-Informationen, eine als real angenommene, auf die Zahnstange einwirkende Zahnstangenkraft F_Z bzw. Spurstangenkraft F_S.
Die Ausgangsgrößen beider Funktionsblöcke 501, 502 werden einer Vergleichsstelle zugeführt wobei die aus dem Funktionsblock 502 ermittelte geschätzte Spurstangenkraft als Istwert und die aus dem Funktionsblock 501 stammende Spurstangenkraft als Sollvorgabe dient.
Eine nachfolgende Regelungsstufe 504 ermittelt unter zwingender Berücksichtigung des im Funktionsblock 503 ermittelten momentanen Fahrzustandes, d. h. bei Vorliegen eines als untersteuernd bewerteten Zustandes, eine Sollvorgabe für den einzustellenden Zusatz-Lenkwinkel δ_Z,soll. Der Funktionsblock 503 dient zur Ermittlung des Grades des Untersteuerns und arbeitet gemäß dem zu 3 beschriebenen Verfahren.
Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in der 6 dargestellt. Hierbei werden die Raddrehzahlen der gelenkten Räder der vorderen Achse, RDZ_vl, RDZ_vr, erfasst und einem Funktionsblock 601 zur Berechnung eines virtuellen Radlenkwinkels δ_R' zugeführt. Zum einen ist der virtuelle Radlenkwinkel δ_R' ist in weiten Bereichen nahezu identisch mit dem real anliegenden Radlenkwinkel δ_R, er zeigt darüber hinaus auch den qualitativen Verlauf der Querbeschleunigung a_y.
Nach Erreichen der maximalen Querbeschleunigung ist er ebenfalls konstant. Die mittels der Vergleichstelle 602 ermittelte Radlenkwinkeldifferenz Δ δ_R wird einer nachfolgenden Regelungsstufe 603 zugeführt, welche einen Sollwert für den Zusatzlenkwinkel δ_Z bestimmt, um eine vorhande Radlenkwinkeldifferenz zu minimieren. Die Funktionseinheit 604 dient zur Ermittlung des Grades des Untersteuerns und arbeitet gemäß dem zu 3 beschriebenen Verfahren. Die Reglerstufe 603 wird nach deren Maßgabe des Untersteuerfaktors USF% in einen aktiven oder inaktiven Modus geschaltet. Ein Korrekturwert für den Zusatzlenkwinkel wir dementsprechend berechnet und aufgeschaltet oder zu null gesetzt. Die Information über den untersteuernden Zustand USF% muss hierbei nicht zwingend der Regelungsstufe 603 zugeführt sein, sie dient hauptsächlich zur Plausibilisierung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19751125 [0002, 0015]
- DE 102006036751 [0025]

Claims

Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung, aufweisend eine Servounterstützungseinheit (4), ein Überlagerungsgetriebe (2) und einen Stellantrieb (1) zur Korrektur eines Fahrerlenkwinkels (δ_S) durch Einleitung eines Zusatzlenkwinkels (δ_Z), wobei ein Gesamtlenkwinkel (δ_G) zur Radlenkwinkelverstellung von gelenkten Rädern (5) mittels des Überlagerungsgetriebes (2) gebildet wird, und wobei eine dem Stellantrieb (1) zugeordnete Steuer- und Regelungseinheit (10) eine Sollvorgabe für den Zusatzlenkwinkel (δ_Z) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung eines Untersteuerzustandes die Sollvorgabe des Zusatzlenkwinkels (δ_Z) dahingehend verändert wird, dass die Radseitenkraft (F_y) in einem Bereich eines maximal erreichbaren, von Umgebungseinflüssen abhängigen Radseitenkraft-Maximalwerts (F_y,max) für die Zeitdauer des Untersteuerzustandes gehalten wird.
Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollvorgabe für den Zusatzlenkwinkel (δ_Z) nach Maßgabe eines Differenzwerts aus einem mittels eines Schätzers (502) ermittelten Werts einer Spurstangenkraft (F_S) beziehungsweise einer Zahnstangenkraft (F_Z) und einer aus der momentanen Querbeschleunigung (a_y) mittels einer Berechnungseinheit (501) abgeleiteten Sollvorgabe (F_{Z,S Soll}) für die Spurstangenkraft (F_S) beziehungsweise der Zahnstangenkraft (F_Z) bestimmt wird.
Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein virtueller Radlenkwinkel (δ_R') aus den Raddrehzahl-Informationen der gelenkten vorderen Räder (RDZvl, RDZvr) einer Achse ermittelt wird und kontinuierlich mit einer Größe geeignet zur Beschreibung eines Ist- Radlenkwinkels (δ_R, δ_G) verglichen wird und nach Maßgabe der Abweichung zwischen beiden Größen eine Sollvorgabe für den Zusatzlenkwinkel (δ_Z) ermittelt wird.
Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollvorgabe für den Zusatz-Lenkwinkel (δ_Z) nach Maßgabe eines Differenzwertes zwischen einer Ist-Gierrate (ψ .ist) und einer mittels eines Fahrzeugreferenzmodells (101) bestimmten Soll-Gierrate (ψ .soll) ermittelt wird, wobei dem Fahrzeugreferenz-Modell wenigstens die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit (v_x) und den Fahrerlenkwinkel (δ_S) als Eingangsgrößen zugeführt sind.
Verfahren zur fahrdynamischen Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hilfskraftlenkung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Untersteuerverhaltens eine Fahrzustands-Erkennungs-Einheit (604), (503), (301) verwendet wird, die als Eingangsgrößen eine Ist-Gierrate (ψ .ist), eine Soll-Gierrate (ψ .soll) und eine Querbeschleunigung (a_y) erhält und die aus den Eingangsgrößen mittels hinterlegten algebraischen Algorithmen und/oder einer Zustandsmaschine und/oder einer Fuzzylogik eine Größe geeignet zur Beschreibung des momentanen Untersteuerungsverhaltens (USF%) bestimmt und nach dessen Maßgabe ein Untersteuerzustand abgeleitet wird, nach dessen Maßgabe ein Regelungsverfahren zur Ermittlung der Sollwertvorgabe des Zusatzlenkwinkels (δ_Z,Soll) beeinflusst wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche geeignet ist.
Computerprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speichermedium abgespeichert ist.
Steuergerät zum Steuern einer Hilfskraftlenkung mit einer Servounterstützungseinheit (4), einem Überlagerungsgetriebe (2) und einem Stellantrieb (1) zur Korrektur eines Fahrer-Lenkwinkels (δ_S) durch Einleitung eines Zusatz-Lenkwinkels (δ_Z), wobei ein Gesamt-Lenkwinkel (δ_G) zur Radlenkwinkelverstellung von gelenkten Rädern (5) mittels des Überlagerungsgetriebes (2) gebildet wird, und wobei eine dem Stellantrieb (1) zugeordnete Steuer- und Regelungseinheit (10) eine Sollvorgabe für den Zusatzlenkwinkel (δ_Z) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 arbeitet.