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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem eines zweispurigen Kraftfahrzeugs, bei dem zumindest an den Vorderrädern ein sich von der Vorgabe des Fahrers unterscheidender Rad-Lenkwinkel einstellbar ist. Zum Stand der Technik wird neben der
DE 198 27 344 C2 und der
DE 103 20 828 A1 beispielsweise auf die
DE 101 41 6273 A1 verwiesen.
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Es ist bekannt, dass bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen, die an den Rädern montierten Reifen einen spürbaren Einfluss auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs und insbesondere auch auf das für den Fahrer an seinem Lenkrad spürbare Lenkgefühl haben. Beispielsweise verhält sich ein Fahrzeug mit in der Fahrfunktion optimierten Sommerreifen fahrdynamisch signifikant anders, als sich das ansonsten gleiche Fahrzeug mit in seinen Eigenschaften optimierten Winterreifen verhält. Entsprechend verändert sich auch das für den Fahrer spürbare Lenkgefühl und Fahrgefühl.
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In der oben erstgenannten Schrift ist eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der unterschiedliche Reifentypen und Reifengrößen bei der Festlegung der Lenkcharakteristik berücksichtigt werden können. In der Ansteuerung der Hilfskraftlenkung, d. h. in deren Verhalten insbesondere bezüglich des bei einer bestimmten Lenkvorgabe des Fahrers abgegebenen Unterstützungsmoments kann somit berücksichtigt werden, welcher Reifentyp aktuell an den Fahrzeug-Rädern verbaut ist. Dieser aktuelle Reifentyp kann einer der Hilfskraftlenkung zugeordneten elektronischen Steuereinheit beispielsweise über eine Barcode-Kennung mitgeteilt werden, wonach diese Steuereinheit den Servomotor der Hilfskraftlenkung geeignet ansteuert. In dieser Schrift ist dabei die sich auf das Lenkverhalten signifikant auswirkende Schräglaufsteifigkeit eines Reifens, die bei verschiedenen Reifen-Typen stark unterschiedlichen sein kann, ausdrücklich erwähnt.
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In der eingangs zweitgenannten Schrift ist die Anpassung eines Fahrdynamikreglers an den aktuellen Reifen-Typ beschrieben und in der
EP 1 892 175 B1 ist beschrieben, dass eine solche Anpassung an die aktuellen Reifen-Eigenschaften vorgenommen wird, indem diese aus dem Fahrverhalten des Fahrzeugs geeignet abgeschätzt werden. In vergleichbarer Weise könnte grundsätzlich auch das Unterstützungs-Verhalten einer Hilfskraftlenkung, so beispielsweise deren sog. Unterstützungskennlinie oder das Niveau von deren Unterstützungsmoment selbsttätig an die Eigenschaften der aktuell montierten Reifen angepasst werden. Schließlich ist in der eingangs letztgenannten Schrift ein Fahrdynamik-Regelsystem beschrieben, welches ebenfalls unterschiedliche Schräglaufsteifigkeiten verschiedener Reifentypen berücksichtigt und beispielsweise mit einer dem Fachmann bekannten Überlagerungs-Lenkung oder einem steer-by-wire-System arbeitet.
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Vorliegend soll für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden, wie das Fahrverhalten des Fahrzeugs und in Verbindung damit das für den Fahrer spürbare Lenkgefühl oder Fahrgefühl, welches sich aus einem Zusammenwirken seiner Lenkvorgabe mit dem daraus resultierenden Fzg.-Fahrverhalten ergibt, verbessert und an unterschiedliche Reifentypen, die jeweils aktuell an den Fzg.-Rädern verbaut sind, angepasst werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel einen Zusatz-Lenkwinkel hinzufügt, mit welchem Unterschiede im Fahrverhalten, die sich mit den aktuell montierten Rad-Reifen aufgrund von deren sich von der Schräglaufsteifigkeit und/oder (lateralen) Einlauflänge der bei der Grundauslegung des Lenksystems herangezogen Rad-Reifen nennenswert unterscheidenden Schräglaufsteifigkeit und/oder (lateralen) Einlauflänge ergeben, zumindest annähernd kompensiert werden. Dabei steht der Begriff „heranziehen” bzw. „herangezogen” für das Synonym „verwenden” im weitesten Sinne. Es kann also die Grundauslegung unter physischer tatsächlicher Verwendung bestimmter Reifen, die eine bestimmte Schräglaufsteifigkeit und Einlauflänge besitzen, im Fahrversuch durchgeführt werden bzw. durchgeführt worden sein; alternativ kann aber auch eine virtuelle, rechnerische Grundauslegung durchgeführt werden oder durchgeführt worden sein, welcher ein fiktiver Reifen mit vorgegebenen Eigenschaften zugrunde liegt, so dass quasi fiktive Referenzwerte für die geeignete Steuerung des Lenksystems als Ergebnis der Grundauslegung vorliegen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche
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Erfindungsgemäß wird der Rad-Lenkwinkel beeinflusst, d. h. es wird von einer elektronischen Steuereinheit ein sich vom durch den Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel unterscheidender Lenkwinkel oder Spurwinkel an den lenkbaren Vorderräderndes Fahrzeugs eingestellt, um dann, wenn die Grundauslegung des Lenksystems (im realistischen Fahrversuch oder rechnerisch virtuell) beispielsweise mit fahrdynamisch stärkeren Reifen durchgeführt wurde, mit aktuell montierten fahrdynamisch schwächeren Reifen ein vergleichbares Fzg.-Fahrverhalten auf eine bestimmte Lenkwinkel-Vorgabe des Fahrers zu erzielen. Als ein fahrdynamisch stärkerer Reifen ist dabei ein solcher mit einer höheren Schräglaufsteifigkeit und/oder einer relativ geringen Einlauflänge bezeichnet, während ein fahrdynamisch schwächerer Reifen eine demgegenüber geringere Schräglaufsteifigkeit und/oder eine größere Einlauflänge besitzt. Ein letztgenannter fahrdynamisch schwächerer Reifen-Typ mit geringerer Schräglaufsteifigkeit und/oder größerer Einlauflänge führt jedenfalls bei Lenkvorgaben des Fahrers im sog. niedrig-dynamischen linearen Bereich, in welchem ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen der vom Reifen übertragenen Seitenkraft und dem Schräglaufwinkel des Reifens besteht, in Relation zu einem fahrdynamisch stärkeren Reifen (mit höherer Schräglaufsteifigkeit und/oder kürzerer Einlauflänge) zu einem niedrigeren vom Fahrer aufzubringenden Lenkmoment und zu einer zeitlich verzögerten und/oder geringeren Fahrzeug-Reaktion. All dies wäre für den Fahrer direkt spürbar. Dies, nämlich dass sich das Fahrzeug mit unterschiedlichen Reifen beim Lenken für den Fahrer spürbar unterschiedlich verhält, kann nun vermieden werden, indem dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel durch eine elektronische Steuereinheit ein geeigneter Zusatzlenkwinkel hinzugefügt wird, mit welchem das aktuelle Fahrverhalten an dasjenige Fahrverhalten, auf welches hin das Fahrzeug bzw. dessen Lenksystem ursprünglich ausgelegt wurde, angepasst wird.
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An dieser Stelle sei kurz auf die beiden Begriffe „Schräglaufsteifigkeit” und „Einlauflänge” eingegangen. Bekanntlich ist die Schräglaufsteifigkeit als der Verstärkungsfaktor zwischen dem Schräglaufwinkel des Reifens und der mit diesem Schräglaufwinkel vom Reifen übertragenen Seitenkraft definiert. Die Einlauflänge, genauer die laterale Einlauflänge eines Reifens ist die Länge einer in Metern gemessenen Strecke, welche ein Reifen abrollen muss, bis 63% des stationären Seitenkraftwertes erreicht sind. Sie wird als Länge angegeben, da sie annähernd indirekt proportional zur Abrollgeschwindigkeit des Reifens ist. Näherungsweise kann die Einlauflänge eines Reifens auch durch den Quotienten der Schräglaufsteifigkeit und der Querfedersteifigkeit des Reifens gebildet werden, jedoch besteht tatsächlich kein direkter fester Zusammenhang zwischen der quasistationär wirkenden Schräglaufsteifigkeit eines Reifens und dessen instationär relevanten Einlauflänge.
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Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass vorliegend zwar ein Lenksystem als solches beansprucht ist, welches auf erfindungsgemäße Weise arbeitet. Selbstverständlich könnte anstelle eines solchen Lenksystems aber auch ein Betriebsverfahren für ein Fahrzeug-Lenksystem, welches die hierfür erforderlichen Vorrichtungsmerkmale aufweist, beansprucht werden. Wesentlich ist dabei stets, dass ausgehend von einer bei der Entwicklung des Fahrzeugs bzw. Fahrzeug-Typs erfolgten Grundauslegung des Lenksystems, die mit einem bestimmten Reifen-Typ oder einer Gruppe verschiedener, jedoch einander ähnlicher Reifen-Typen vorgenommen wurde, das Fzg.-Lenksystem dann, wenn ein von diesem oder diesen Reifen-Typ(en) abweichender Reifen-Typ an den Rädern installiert ist, bei einer Lenkvorgabe des Fahrers einen solchen Rad-Lenkwinkel oder Spurwinkel einstellt, dass unter ansonsten vergleichbaren Randbedingungen (insbesondere was die Fahrgeschwindigkeit und den Reibwert zwischen den Reifen und der Fahrbahn betrifft) das Fahrverhalten (Lenkverhalten) bzw. das damit zusammenhängende Lenkgefühl oder Fahrgefühl des Fahrers zumindest annähernd gleich dem Fahrverhalten bzw. Lenkgefühl oder Fahrgefühl in der Grundauslegung ist. Unterschiede, die aus den unterschiedlichen Schräglaufsteifigkeiten und/oder Einlauflängen der verschiedenen Reifen-Typen resultieren, werden damit zumindest annähernd kompensiert.
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Der genannte Zusatz-Lenkwinkel, mit welchen eine erfindungsgemäße Kompensation hinsichtlich unterschiedlicher Schräglaufsteifigkeiten und/oder Einlauflängen erfolgt, kann dabei positiv oder negativ sein. Erfolgte die Grundauslegung des Lenksystems mit fahrdynamisch stärkeren Reifen als aktuell am Fahrzeug montiert sind, so wird in der Regel einem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein diesem gleichgerichteter positiver Zusatz-Lenkwinkel hinzugefügt werden. Eine aktuell gegenüber der Grundauslegung geringere Schräglaufsteifigkeit und/oder größere (laterale) Einlauflänge der Reifen wird also durch einen größeren eingestellten Schräglaufwinkel des (jeweiligen) Reifens zumindest annähernd selbsttätig kompensiert. Erfolgte hingegen die Grundauslegung mit fahrdynamisch schwächeren Reifen als aktuell am Fahrzeug montiert sind, so wird zur Erzielung einer erfindungsgemäßen Kompensation des Einflusses unterschiedlicher Schräglaufsteifigkeiten und/oder Einlauflängen ein um einen gewissen („negativen”) Zusatz-Lenkwinkel verringerter Rad-Lenkwinkel als vom Fahrer vorgegeben an den lenkbaren Rädern eingestellt und somit ein geringerer Schräglaufwinkel. Dabei werden bereits dann, wenn das erfindungsgemäße Betriebsverfahren nur an den lenkbaren Vorderrädern des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird, signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bzw. einem Lenksystem, welches eine solche selbsttätige Kompensation nicht vorsieht, erzielt. Dies gilt insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher Einlauflängen. Besonders vorteilhaft insbesondere auch im Hinblick auf unterschiedliche Schräglaufsteifigkeiten ist es jedoch, wenn auch die Hinterräder eines zweiachsigen Fahrzeugs zumindest geringfügig lenkbar sind und bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs durch eine elektronische Steuereinheit in analoger Weise zu den Vorderrädern auch an den Hinterrädern ein von der Grundauslegung des Fahrzeug-Fahrwerks abweichender Spurwinkel eingestellt wird.
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Vorzugsweise ist die das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ausführende elektronische Steuereinheit eines erfindungsgemäßen Lenksystems solchermaßen ausgelegt, dass Informationen über die Schräglaufsteifigkeit und/oder (laterale) Einlauflänge der aktuell verbauten Reifen bzw. Informationen über das Verhältnis zwischen der aktuellen Schräglaufsteifigkeit bzw. Einlauflänge und der Schräglaufsteifigkeit bzw. Einlauflänge der für die Grundauslegung herangezogenen Reifen empfangen und verarbeitet werden können. Beispielsweise in Verbindung mit einem Reifenwechsel kann der Steuereinheit also die jedenfalls für den bereits genannten niedrig-dynamischen linearen Bereich, in welchem ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen der vom Reifen übertragbaren Seitenkraft und dem Schräglaufwinkel des Reifens besteht, konstante Schräglaufsteifigkeit und/oder die Einlauflänge der aktuell montierten Reifen über eine geeignete Eingabe mitgeteilt werden. Alternativ ist aber auch eine automatische Datenübertragung insbesondere über Funk möglich, wenn im Reifen – wie heute zur Reifendrucküberwachung teilweise üblich – ein Transponder vorgesehen ist, der einen Zugriff auf die entsprechenden Reifendaten hat.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das dem Fachmann bekannte Einspurmodell für die Fahrdynamik nicht spurgebundener Fahrzeuge für die Ermittlung des genannten Zusatz-Lenkwinkels zur Kompensation der Unterschiede im Fahrverhalten, die sich aus der Verwendung von Reifen mit unterschiedlicher Schräglaufsteifigkeit und/oder Einlauflänge ergeben, herangezogen werden.
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Für die Kompensation der auf unterschiedliche Schräglaufsteifigkeiten zurückzuführenden Unterschiede im Fahrverhalten kann unter Verwendung eines sog. Skalierungsfaktors (k), der das Verhältnis zwischen der Schräglaufsteifigkeit des oder der bei der Grundauslegung des Lenksystems herangezogenen Reifen zur Schräglaufsteifigkeit der aktuell montierten Reifen beschreibt, der genannte Zusatz-Lenkwinkel (Δδ) grundsätzlich als Produkt des aktuellen Reifen-Schräglaufwinkels (α) mit dem um den Betrag „1” reduzierten Skalierungsfaktor (k) bestimmt werden: Δδ = (k – 1)·α
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Jeweils gilt dabei wie oben beschrieben für den Skalierungsfaktor k = cg/ca, wobei „cg” die ggf. in der elektronischen Steuereinheit hinterlegte und im linearen Bereich konstante Schräglaufsteifigkeit der bei der Grundauslegung verwendeten Reifen ist, während „ca” die im linearen Bereich ebenfalls konstante Schräglaufsteifigkeit der aktuell montierten Reifen ist, die der elektronischen Steuereinheit geeignet mitgeteilt wird. Alternativ kann jedoch dieser Steuereinheit auch der genannte Skalierungsfaktor (k) direkt übermittelt werden.
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Für die lenkbaren Vorderräder (tiefgestellter Index „v”) gilt dann: Δδv = (k – 1)·(δ + β – GR·Lv/VF) mit
δ = der aktuelle vom Fahrer vorgegebene Rad-Lenkwinkel bzw. Spurwinkel
β = der aktuelle Schwimmwinkel des Fahrzeugs, der vorzugsweise anhand einer Modellrechnung unter Berücksichtigung der aktuellen Querbeschleunigung des Fahrzeugs geschätzt, alternativ gemessen wird
GR = die aktuelle Gierrate des Fahrzeugs, die wie bekannt bspw. messbar ist
Lv = horizontaler Abstand der Vorderachse des Fahrzeugs vom Fzg.-Schwerpunkt (zumindest näherungsweise für den Konstruktions-Schwerpunkt)
VF = aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs
„+” bzw. „–” stehen für eine algebraische Addition bzw. Subtraktion
„·” bzw. „/” stehen für eine algebraische Multiplikation bzw. Division
„(” bzw. „)” stehen für die algebraische Klammer-Funktion
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Für die Hinterräder des Fahrzeugs, an denen der Fahrer direkt keinen Lenkwinkel bzw. Spurwinkel einstellen kann und deren Spurwinkel ggf. mittels eines von der bzw. einer elektronischen Steuereinheit angesteuerten Aktuators geringfügig veränderbar ist, gilt dann für die Kompensation des Einflusses unterschiedlicher Schräglaufsteifigkeiten entsprechend folgender Zusammenhang mit dem tiefgestellten Index „h”: Δδh = (k – 1)·(β + GR·Lh/VF)
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Obige Gleichungen für Δδv und Δδh, in denen der rechtsseitige Klammer-Ausdruck den Schräglaufwinkel α an der Vorderachse (Index v) bzw. Hinterachse (Index h) gemäß Einspurmodell wiedergibt, sind dabei aus der grundsätzlichen Bedingung abgeleitet, dass die Summe der an den Vorderrädern und an den Hinterrädern übertragenen Achs-Seitenkräfte mit dem aktuell montierten Reifen-Typ bei ansonsten gleichen Randbedingungen gleich der Summe dieser Achs-Seitenkräfte mit dem bei der Grundauslegung des Lenksystems verwendeten Reifen-Typ ist (Äquivalenz der Seitenkraftbilanz). Analog soll das algebraische Produkt aus dem Rotationsträgheitsmoment des Fahrzeugs (um die Hochachse) und der Gierbeschleunigung bei ansonsten unveränderten Randbedingungen mit den beiden Reifen-Typen, nämlich dem aktuell montierten und demjenigen der Grundauslegung des Lenksystems, gleich sein (Äquivalenz der Momentenbilanz). Wie bereits erwähnt gelten diese Zusammenhänge vollumfänglich nur im sog. linearen Bereich, in welchem ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen der vom Reifen übertragenen Seitenkraft und dem Schräglaufwinkel des Reifens besteht, und unter Vernachlässigung des Einflusses der Längskräfte. In diesem linearen Bereich sind jedoch auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Reifen für den Fahrer deutlich spürbar.
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Für die Kompensation der auf unterschiedliche Einlauflängen zurückzuführenden Unterschiede im Fahrverhalten kann eine geeignete Zeit-Funktion (Zeit = „t”) gewählt werden, anhand derer an den vom Fahrer lenkbaren Vorderrädern des Fahrzeugs zunächst ein Zusatz-Lenkwinkel mit einem bestimmten Betrag hinzugefügt wird, welcher daraufhin zeitlich betrachtet reduziert wird, um die unterschiedliche zeitliche Verzögerung darzustellen, mit der bei einem aktuellen Reifen in Relation zum bei der Grundauslegung des Lenksystems verwendeten Reifen bei einer im wesentlichen sprungartigen Änderung des Schräglaufwinkels der Aufbau von Seitenkraft erfolgt. Beispielsweise bietet sich für die Zeit-Funktion die natürliche Exponentialfunktion („e-Funktion”) an, da der Aufbau der Reifenseitenkraft (Fy) näherungsweise nach folgendem Zusammenhang erfolgt: Fy = Fy,max·(1 – e–t/τ) mit der Zeitkonstanten τ, nach Ablauf derer die genannten 63% des stationären Wertes der Seitenkraft (= Fy,max) erreicht sind. Der zeitliche Verlauf des durch die besagte elektronische Steuereinheit an den vom Fahrer lenkbaren Vorderrädern zu stellenden Zusatz-Lenkwinkels (δZusatz) kann dann beispielsweise durch folgende in der elektronischen Steuereinheit abgelegte Funktion vorgegeben sein: δZusatz = α·e(–m·t/τ) mit „m” als geeignet festgelegter Konstante und „α” als aktuellem Schräglaufwinkel, welcher wie weiter oben angegeben bestimmt werden kann (für die Vorderache: α = δ + β – GR·Lv/VF). Die die Einlauflänge des Reifens beschreibende Zeitkonstante (τ) kann der elektronischen Steuereinheit dabei analog wie der oben genannte Skalierungsfaktor (k) oder wie die aktuell gültige Schräglaufsteifigkeit (ca) mitgeteilt werden.
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Alternativ zu diesen jedenfalls unter Zugrundelegung des Einspurmodells algebraisch exakten Bestimmungen eines Zusatz-Lenkwinkels für die Vorderräder oder für die Vorderräder und Hinterräder des Fahrzeugs kann ein solcher Zusatz-Lenkwinkel auch durch geeigneten Vergleich des aktuellen Fahrzeug-Fahrverhaltens mit dem sich unter ansonsten vergleichbaren Randbedingungen mit den für die Grundauslegung verwendeten Reifen einstellenden Fahrverhalten ermittelt werden. Hierfür können in der bzw. einer elektronischen Steuereinheit geeignete Beobachtermodelle oder dgl. hinterlegt sein, die unter Verwendung geeigneter Messgrößen und geschätzter Größen, wie beispielsweise des Reibwerts zwischen Fahrbahn und Reifen für unterschiedliche Fahrzustände passende Zusatz-Lenkwinkel mit annähernder und dabei durchaus ausreichender Genauigkeit bestimmen können.
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Wesentliche Voraussetzung für ein erfindungsgemäßes Lenksystem ist jedoch, dass an den lenkbaren Vorderrädern an der Vorderachse des Fahrzeugs ein von der Vorgabe des Fahrers abweichender Lenkwinkel oder Spurwinkel eingestellt werden kann, wofür dem Fachmann verschiedene Systeme bekannt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19827344 C2 [0001]
- DE 10320828 A1 [0001]
- DE 101416273 A1 [0001]
- EP 1892175 B1 [0004]