DE102022134512A1

DE102022134512A1 - System zur steuerung des fahrzeugverhaltens

Info

Publication number: DE102022134512A1
Application number: DE102022134512.2A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Shono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-08-10
Also published as: CN116573035A; JP2023117075A; US20230249714A1

Abstract

Ein System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens umfasst: ein elektrisches Stellglied (28; 130; 250), das an einem Fahrzeug angebracht ist, um eine Haltung des Fahrzeugs zu ändern; und eine Steuerung (20; 140; 370), die dazu aufgebaut ist, als ein Steuerungssubjekt entweder einen Bewegungsbetrag des elektrischen Stellglieds (28; 130; 250) oder eine durch das elektrische Stellglied (28; 130; 250) erzeugte Kraft zu steuern. Die Steuerung (20; 140; 370) ist dazu aufgebaut, Folgendes zu tun: basierend auf i) der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, ii) einem Faktor, der bewirkt, dass die Haltung des Fahrzeugs geändert wird, oder iii) sowohl der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, als auch dem Faktor, der bewirkt, dass die Haltung des Fahrzeugs geändert wird, einen Sollwert des Steuersubjekts zu bestimmen; einen Strom an das elektrische Stellglied (28; 130; 250) basierend auf dem Sollwert zu liefern; und in einer spezifischen Situation einen Stromverringerungsvorgang auszuführen, um den an das elektrische Stellglied (28; 130; 250) zu liefernden Strom zu verringern.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die nachstehende Offenbarung betrifft ein Fahrzeugverhaltenssteuersystem zur Steuerung bzw. Regelung des Verhaltens eines Fahrzeugs.
Erläuterung des Standes der Technik
Viele neu entwickelte Fahrzeuge sind mit einem System zur Regelung des Fahrzeugverhaltens ausgestattet, das ein elektrisches Stellglied verwendet, wie z.B. ein Steer-by-Wire-Lenksystem, ein aktives Stabilisatorsystem oder ein elektromagnetisches Aufhängungs- bzw. Federungssystem. Mit dem Trend zur Elektrifizierung von Fahrzeugen steigt auch die Nachfrage nach energiesparenden Systemen zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens. So wird in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-218553 bzw. der JP 2012-218 553 A ein Lenksystem beschrieben, bei dem die Energieversorgung des Stellglieds am Ende eines Lenkbereichs, also in der Nähe eines Lenkanschlags, begrenzt wird, um Energieeinsparungen zu erzielen.
Kurze Erläuterung
Die vorstehend erläuterte Technik kann unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Belastung durch einen Stopper am Lenkanschlag wirksam sein. Die beschriebene Technik ist jedoch nicht unbedingt zufriedenstellend in Bezug auf die Energieeinsparung. Das heißt, dass das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens im Hinblick auf die Energieeinsparung noch stark verbesserungsfähig ist. Daher wird der Nutzen des Systems zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens durch eine Modifikation des Systems erhöht. Dementsprechend ist ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung auf ein Fahrzeugverhaltensregel- bzw. -steuersystem mit hohem Nutzen gerichtet.
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung, umfasst ein System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens Folgendes: ein elektrisches Stellglied, das in einem Fahrzeug montiert ist, um eine Haltung bzw. Positur des Fahrzeugs zu ändern; und eine Steuervorrichtung, die dazu aufgebaut ist, als ein Steuersubjekt entweder eine Größe der Bewegung des elektrischen Stellglieds oder eine durch das elektrische Stellglied erzeugte Kraft zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuervorrichtung ist dazu aufgebaut, Folgendes zu tun: basierend auf i) der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, ii) einem Faktor, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs bewirkt, oder iii) sowohl der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, als auch dem Faktor, der die Änderung der Haltung des Fahrzeugs bewirkt, einen Sollwert des Steuersubjekts zu bestimmen; einen Strom an das elektrische Stellglied basierend auf dem Sollwert zu liefern; und in einer spezifischen Situation einen Stromverringerungsvorgang auszuführen, um den an das elektrische Stellglied zu liefernden Strom zu verringern.
Im System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens gemäß der vorliegenden Offenbarung reduziert der Stromverringerungsvorgang einen Strom, der dem elektrischen Stellglied zuzuführen ist, in der spezifischen Situation in einem größeren Ausmaß als außerhalb der spezifischen Situation. Dadurch kann ein bis zu einem gewissen Grad hoher Energiespareffekt erwartet werden. Folglich wird der Nutzen des Systems zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens gemäß der vorliegenden Offenbarung erhöht.
VERSCHIEDENE FORMEN
Das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens, auf das das Prinzip der vorliegenden Offenbarung angewandt wird, kann ein elektrisches Stellglied (nachstehend einfach als „Stellglied“ bezeichnet, wo dies angebracht ist) zum Ändern einer Haltung des Fahrzeugs und eine Steuerung bzw. Regelung umfassen, die dazu aufgebaut ist, als Steuerungssubjekt einen Bewegungsbetrag des Stellglieds oder eine durch das Stellglied erzeugte Kraft (nachstehend als eine „Stellgliedkraft“ bezeichnet, wo dies geeignet scheint) steuert. Solange das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens das elektrische Stellglied und die Steuervorrichtung umfasst, sind der Aufbau, die Funktionen, die Anwendungen usw. des Systems zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nicht auf bestimmte davon beschränkt. Das Stellglied kann einen Elektromotor als Antriebsquelle umfassen. Die Haltung des Fahrzeugs, die durch das Stellglied verändert wird, ist eine Nickhaltung (also eine Neigung der Fahrzeugkarosserie in der Fahrzeuglängsrichtung bzw. Richtung von der Front zum Heck), eine Wankhaltung (also eine Neigung der Fahrzeugkarosserie in Breitenrichtung des Fahrzeugs), ein Schlupf- bzw. Schräglaufwinkel (also Richtung und Grad einer Kurvenfahrt) relativ zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs und dergleichen.
Insbesondere ist die vorliegende Offenbarung beispielsweise für ein Lenksystem anwendbar, das zum Lenken bzw. Einschlagen eines Rades aufgebaut ist, ein aktives Stabilisatorsystem, das einen Stabilisatorstab zum Unterdrücken einer Rollbewegung der Fahrzeugkarosserie enthält und in der Lage ist, eine vom Stabilisatorstab erzeugte Rollunterdrückungskraft zu steuern, und ein aktives Federungssystem, das dazu aufgebaut ist, auf die Fahrzeugkarosserie und das Rad eine Kraft in einer Einfederrichtung und eine Kraft in einer Ausfederrichtung auszuüben und dazu fähig ist, die Kräfte zu steuern.
Genauer gesagt kann das Lenksystem in einem Fall, in dem das Fahrzeugverhaltenssteuersystem der vorliegenden Offenbarung das Lenksystem ist, ein System sein, das dazu aufgebaut ist, eine Lenkbetätigungskraft eines Fahrers zu unterstützen, indem es eine durch das elektrische Stellglied erzeugte Kraft nutzt, also ein Servolenksystem, oder das Lenksystem kann ein System sein, das dazu aufgebaut ist, das Rad nicht basierend auf der Lenkbetätigungskraft des Fahrers, sondern basierend auf der durch das Stellglied erzeugten Kraft zu lenken, also ein sogenanntes Steer-by-Wire-Lenksystem (nachstehend gegebenenfalls als „Steer-by-Wire-System“ bezeichnet). Beim Steer-by-Wire-System besteht eine bestimmte Beziehung zwischen dem Bewegungsbetrag des Stellglieds und einer Größe des Einschlagens bzw. einem Lenkbetrag des Rades. Dementsprechend kann das Steuerungssubjekt der Steuerung der Bewegungsbetrag des Stellglieds sein. Die Steuervorrichtung kann einen Betätigungsbetrag eines Lenkbetätigungselements, wie z.B. eines Lenkrads, als einen Index der Haltung aufnehmen, die das Fahrzeug einnehmen sollte, kann einen Sollwert des Lenkbetrags des Rads, nämlich einen Sollwert des Bewegungsbetrags des Stellglieds, basierend auf dem Betätigungsbetrag bestimmen, und kann dem Stellglied basierend auf dem Sollwert Strom zuführen.
In einem Fall, in dem das Fahrzeugverhaltenssteuersystem der vorliegenden Offenbarung das aktive Stabilisatorsystem ist, dient das Stellglied zum Ändern der Wankhaltung der Fahrzeugkarosserie. Insbesondere in einem Fall, in dem das Fahrzeug mit einem Stabilisator ausgestattet ist, der an seinen gegenüberliegenden Enden mit einem rechten Rad bzw. einem linken Rad verbunden ist, um die Wankbewegung der Fahrzeugkarosserie zu unterdrücken, kann das Stellglied so aufgebaut sein, dass es die vom Stabilisator erzeugte Wankunterdrückungskraft ändert. In diesem Fall kann das Steuerungssubjekt der Steuerung der Bewegungsbetrag des Stellglieds sein, wenn die vom Stabilisatorstab erzeugte Wankunterdrückungskraft vom Bewegungsbetrag des Stellglieds abhängt, oder kann die Stellgliedkraft sein, wenn die vom Stabilisatorstab erzeugte Rollunterdrückungskraft von der Stellgliedkraft abhängt. Die Steuereinheit kann die in der Fahrzeugkarosserie erzeugte Querbeschleunigung, eine Gierrate der Fahrzeugkarosserie und eine (nachstehend gegebenenfalls als „Fahrzeuggeschwindigkeit“ bezeichnete) Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs oder eine auf die Fahrzeugkarosserie wirkende Seitenkraft usw. jeweils als den Faktor erhalten, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs bewirkt, kann einen Sollwert der Bewegungsgröße des Stellglieds oder einen Sollwert der Stellgliedkraft basierend auf der Querbeschleunigung usw. bestimmen und kann dem Stellglied basierend auf dem Sollwert Strom zuführen.
In einem Fall, in dem das Fahrzeugverhaltenssteuersystem der vorliegenden Offenbarung das aktive Aufhängungssystem ist, dient das Stellglied zum Ändern der Nickstellung, der Wankstellung, einer Einfederstellung usw. der Fahrzeugkarosserie, anders gesagt zum Ändern eines relativen Abstands zwischen jedem Rad und der Fahrzeugkarosserie in der Auf-Ab-Richtung. (Nachstehend wird der relative Abstand zwischen jedem Rad und der Fahrzeugkarosserie in Auf-Ab- bzw. Höhenrichtung gegebenenfalls als „Hubgröße“ bezeichnet). Wenn die Stellgliedkraft so ausgelegt ist, dass sie direkt zwischen dem Rad und der Fahrzeugkarosserie wirkt, kann die Stellgliedkraft das Regelungsobjekt der Steuerung sein. Die Stellgliedkraft kann als Dämpfungskraft für eine Relativbewegung zwischen dem Fahrzeugaufbau und dem Rad wirken oder als Kraft zur direkten Änderung der Hubgröße (nachstehend gegebenenfalls als „Hubgrö-ßenänderungskraft“ bezeichnet). Darüber hinaus kann die Stellgliedkraft als eine Kraft wirken, die durch die Synthese der Komponente der Dämpfungskraft und der Komponente der Hubgrößenänderungskraft erhalten wird. In einem Fall, in dem das Stellglied so aufgebaut ist, dass es die Nicklage und/oder die Wanklage der Fahrzeugkarosserie ändert, kann die Stellgliedkraft, insbesondere die Hubgrößenänderungskomponente der Stellgliedkraft, das Steuersubjekt der Steuervorrichtung sein. Die Steuervorrichtung kann eine Längsbeschleunigung und/oder eine Querbeschleunigung, die auf die Fahrzeugkarosserie wirken, jeweils als den Faktor erhalten, der eine Änderung der Lage des Fahrzeugs bewirkt, kann einen Sollwert der Stellgliedkraft, insbesondere einen Sollwert der Hubgrößenänderungskomponente der Stellgliedkraft, basierend auf der Längsbeschleunigung und/oder der Querbeschleunigung bestimmen und kann dem Stellglied basierend auf dem Sollwert Strom zuführen.
Im System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens der vorliegenden Offenbarung wird der Stromverringerungsvorgang in der spezifischen Situation durchgeführt. Das vorliegende System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens ist dazu aufgebaut, das Verhalten des Fahrzeugs zu steuern bzw. zu regeln, und es ist zu erwarten, dass die Verringerung des dem Stellglied zuzuführenden Stroms eine Verringerung der Reaktion des Systems in Bezug auf die Steuerung bewirkt, nämlich eine Verringerung der Reaktion der Bewegung des Stellglieds. Im Klartext wird erwartet, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis der Bewegungsbetrag des Stellglieds und die Stellgliedkraft den beabsichtigten Bewegungsbetrag und die beabsichtigte Stellgliedkraft erreichen. Daher wird eine Situation, in der eine starke Reaktion des Stellglieds nicht erforderlich ist, als spezifische Situation betrachtet, und der Stromverringerungsvorgang wird vorzugsweise in einer solchen spezifischen Situation durchgeführt. In Anbetracht der Tatsache, dass eine starke Reaktion des Systems nicht erforderlich ist, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gering ist, kann beispielsweise eine Situation, in der die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht höher als eine festgelegte Geschwindigkeit ist, als die spezifische Situation angesehen werden, und der Stromverringerungsvorgang kann in einer solchen spezifischen Situation durchgeführt werden. Für das Fahrzeug, das sowohl manuell durch einen Fahrer als auch automatisiert gefahren werden kann, kann eine Situation, in der das Fahrzeug automatisiertes Fahren durchführt, als die spezifische Situation betrachtet werden, wenn man bedenkt, dass Vorgänge, die eine hohe Reaktion erfordern, beim automatisierten Fahren nicht durchgeführt werden, d.h. ein gewisses Ausmaß extrem schneller Vorgänge wird beim automatisierten Fahren nicht durchgeführt. Der Stromverringerungsvorgang kann in einer solchen spezifischen Situation durchgeführt werden.
Während die Technik der Ausführung des Stromverringerungsvorganges nicht auf eine bestimmte Technik beschränkt ist, kann die Steuerung den Stromverringerungsvorgang beispielsweise gemäß den folgenden Techniken ausführen.
Wie vorstehend erläutert wurde, bestimmt die Steuerung den Sollwert des Steuersubjekts. Um den Stromverringerungsvorgang gemäß einer Technik auszuführen, kann die Steuerung dazu aufgebaut sein, einen Tiefpassfiltervorgang für den Sollwert nur in der spezifischen Situation auszuführen, oder die Steuerung kann dazu aufgebaut sein, eine Grenzfrequenz im Tiefpassfiltervorgang, der für den Sollwert durchgeführt wird, in der spezifischen Situation stärker absenkt als außerhalb der spezifischen Situation. Der Tiefpassfilter bewirkt eine Verzögerung bei der Ausgabe des Sollwertes. Der Tiefpassfilter verhindert oder minimiert eine abrupte Änderung des Sollwerts. Zudem kann die Änderungsrate des Sollwerts durch Herabsetzen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters verringert werden. Diese Technik kann den dem Stellglied zuzuführenden Strom verringern.
Die Steuerung kann dazu aufgebaut sein, dem Stellglied den Strom durch eine Rückkopplungsregelung zuzuführen, die auf einer Abweichung eines Istwerts des Steuersubjekts vom Sollwert des Steuersubjekts basiert. Um den Stromverringerungsvorgang gemäß einer anderen Technik in einem solchen Aufbau auszuführen, kann die Steuerung dazu aufgebaut sein, eine Verstärkung in der Rückkopplungsregelung in der spezifischen Situation stärker zu reduzieren als außerhalb der spezifischen Situation. Diese Technik kann den dem Stellglied zuzuführenden Strom reduzieren. Die Rückkopplungsregelung kann wie später erläutert durch Addition eines Proportionalanteils, eines Differentialanteils und eines Integralanteils durchgeführt werden. In diesem Fall können bei der Stromreduzierung die Verstärkungen nur für die Bestimmung des Proportionalanteils und des Differentialanteils verringert werden, die zur Antwort beitragen.
Bei der Stromreduzierung kann nur eine der beiden vorstehend erläuterten Techniken oder beide angewandt werden.
Figurenliste
Die Aufgaben, Merkmale, Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn man die nachstehende genaue Erläuterung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Figuren liest, in denen:

1 eine Ansicht ist, die einen Gesamtaufbau eines Lenksystems für ein Fahrzeug veranschaulicht, das ein Fahrzeugverhaltenssteuersystem gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2A eine Ansicht eines Lenkstellglieds des Lenksystems ist;
2B eine Schnittansicht eines Abschnitts des Lenkstellglieds ist, an dem ein Lenkbetragssensor angeordnet ist;
3 eine Schnittansicht des Lenkstellglieds zur Erläuterung eines Lenkmotors und eines Bewegungsumwandlungsmechanismus ist;
4A ist ein Schaubild zur Veranschaulichung von Kennfelddaten zur Bestimmung oder Einstellung einer Lenkübersetzung basierend auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit;
4B ist ein Schaubild zur Veranschaulichung von Kennfelddaten für die Bestimmung oder Einstellung einer Grenzfrequenz in einem Tiefpassfiltervorgang basierend auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit;
4C ist ein Schaubild zur Veranschaulichung von Kennfelddaten zum Bestimmen oder Einstellen einer Proportionaltermverstärkung und einer Differentialtermverstärkung basierend auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die bei der Bestimmung eines Lenkstroms verwendet werden;
5 ist ein Blockschaubild zur Veranschaulichung von Funktionen einer elektronischen Lenksteuereinheit;
6A ist ein Schaubild zur Veranschaulichung der Auswirkungen des Tiefpassfiltervorgangs, der für einen Solllenkbetrag bzw. eine Solllenkgröße genutzt wird;
6B ist ein weiteres Schaubild zur Erläuterung der Auswirkungen des Tiefpassfiltervorgangs auf den Solllenkbetrag;
6C ist ein noch anderes Schaubild zur Erläuterung der Auswirkungen der Tiefpassfilterung auf den Solllenkbetrag;
6D ist ein weiteres Schaubild zur Erläuterung der Auswirkungen des Tiefpassfiltervorgangs auf den Solllenkbetrag;
7 ist ein Ablaufplan eines Lenksteuerprogramms, das von der elektronischen Lenksteuereinheit ausgeführt wird;
8 ist eine Ansicht eines aktiven Stabilisatorsystems, bei dem es sich um ein Fahrzeugverhaltenssteuersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform handelt;
9A ist eine Ansicht einer vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung des aktiven Stabilisatorsystems;
9B ist eine Ansicht einer hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung des aktiven Stabilisatorsystems;
10 ist eine Querschnittsansicht eines Stellglieds der Stabilisatorvorrichtung;
11 ist ein Ablaufplan eines Stabilisatorsteuerprogramms, das von einer elektronischen Stabilisatorsteuereinheit bzw. Stabilisator-ECU ausgeführt wird;
12 ist eine Ansicht eines aktiven Aufhängungs- bzw. Federungssystems, das ein System zum Steuern eines Fahrzeugverhaltens gemäß einer dritten Ausführungsform ist;
13 ist eine Ansicht einer Aufhängungsvorrichtung des aktiven Federungssystems;
14 ist eine Schnittansicht eines elektromagnetischen Stellglieds der Aufhängungsvorrichtung;
15 ist eine Querschnittsansicht eines Dämpfers der Aufhängungsvorrichtung;
16A ist eine Konzeptansicht eines realen Vorrichtungsmodells der Aufhängungsvorrichtung;
16B ist eine Konzeptansicht eines Regelmodells der Aufhängungsvorrichtung; und
17 ist ein Ablaufplan eines Aufhängungssteuerprogramms, das von einer elektronischen Steuereinheit für die Aufhängung bzw. Federung ausgeführt wird.

GENAUE ERLÄUTERUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Figuren wird im Einzelnen ein Fahrzeuglenksystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben, ein aktives Stabilisatorsystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und ein aktives Federungssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Einzelheiten der folgenden, in VERSCHIEDENEN FORMEN beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen beschränkt ist, sondern basierend auf dem Wissen der Fachleute geändert und modifiziert werden kann.
1. Fahrzeug-Lenksystem (Erste Ausführungsform)
Es wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug erläutert (nachstehend einfach als „Lenksystem“ bezeichnet, wo es angebracht ist), das ein System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
(a) Aufbau des Fahrzeug-Lenksystems
i) Gesamtaufbau
Wie in 1 schematisch dargestellt, ist das vorliegende Lenksystem ein Steer-by-Wire-Lenksystem, das dazu aufgebaut ist, die rechten und linken Vorderräder 12 eines Fahrzeugs 10 zu lenken bzw. einzuschlagen. Das Lenksystem umfasst: eine Lenkvorrichtung 14, die dazu aufgebaut ist, die Räder 12 zu lenken; eine Betätigungsvorrichtung 18 mit einem Lenkrad 16, das ein durch einen Fahrer bedienbares Lenkbetätigungselement ist; und eine elektronische Lenksteuereinheit 20 (nachstehend gegebenenfalls als „Lenk-ECU 20“ bezeichnet), die dazu aufgebaut ist, die Lenkvorrichtung 14 zu steuern, um die Lenkung der Räder 12 entsprechend einer Betätigung des Lenkrads 16 durchzuführen. Die Lenk-ECU 20 ist ein Beispiel für eine Steuervorrichtung.
Jedes Rad 12 wird von einem (nicht dargestellten) entsprechenden Achsschenkel drehbar gehalten, der über eine entsprechende Aufhängungsvorrichtung schwenkbar an einer Karosserie des Fahrzeugs gelagert ist. Die Lenkvorrichtung 14 umfasst: ein Lenkstellglied 28, das einen Lenkmotor 24 umfasst und dazu aufgebaut ist, eine Lenkstange 26 in der Rechts-Links-Richtung zu bewegen; Verbindungsstangen 32, von denen ein Ende jeweils über ein Kugelgelenk 30 mit einem zugehörigen der gegenüberliegenden Enden der Lenkstange 26 verbunden ist. Der Lenkmotor 24 ist ein Elektromotor, der als eine Antriebsquelle dient. Das Lenkstellglied 28 ist ein Beispiel für ein elektrisches Stellglied. Das andere Ende jeder Verbindungsstange 32 ist über ein (nicht gezeigtes) Kugelgelenk mit einem (nicht gezeigten) Arm des entsprechenden Achsschenkels verbunden. Die Lenkstange 26 wird in Rechts-Links-Richtung so bewegt, dass die Achsschenkel geschwenkt werden, um dadurch die Räder 12 zu lenken.
ii) Aufbau des Lenkstellglieds
Das Lenkstellglied 28 der am Fahrzeug 10 montierten Lenkvorrichtung 14 ist dazu aufgebaut, eine Haltung des Fahrzeugs 10 zu ändern, insbesondere eine Ausrichtung des Fahrzeugs 10 zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs 10, also einen Schlupf- bzw. Schräglaufwinkel des Fahrzeugs 10. Mit Bezug auf die 2A, 2B und 3 wird ein grundlegender Aufbau des Lenkstellglieds 28 beschrieben. Wie aus 2A, die ein allgemeines äußeres Erscheinungsbild des Lenkstellglieds 28 zeigt, und 3 ersichtlich ist, die das Innere des Lenkungsmotors 24 und das Innere des Lenkstellglieds 28 zeigt, wird die Lenkstange 26 in einem Gehäuse 40 so gehalten, dass die Lenkstange 26 um ihre Achse nicht drehbar und in der Rechts-Links-Richtung beweglich ist. Am Außenumfang der Lenkstange 26 ist eine Schraubennut 42 ausgebildet. Eine Haltehülse 44 ist in dem Gehäuse 40 so gehalten, dass die Haltehülse 44 um ihre Achse drehbar und in der Rechts-Links-Richtung unbeweglich ist. Eine Mutter 46 mit Lagerkugeln wird von der Haltehülse 44 festgehalten. Die Mutter 46 und die Lenkstange 26 stehen in Gewindeeingriff miteinander, um einen Kugelgewindemechanismus zu bilden. Das bedeutet, ein Schraubmechanismus wird durch ein Gewinde an der Lenkstange 26 und die Mutter 46 gebildet, die mit einem Gewinde versehen ist, das mit dem Gewinde der Lenkstange 26 in Schraubeingriff steht.
Der Lenkmotor 24 ist außerhalb des Gehäuses 40 so angeordnet, dass die Achse des Lenkmotors 24 parallel zur Achse der Lenkstange 26 ist. Eine Steuerscheibe 50 ist an einem Ende einer (nachstehend einfach als „Motorwelle 48“ bezeichneten) Motordrehwelle 48 befestigt. Wie die Steuerscheibe 50 weist auch die Haltehülse 44 Eingriffszähne 52 auf, die an ihrem Außenumfang ausgebildet sind. Somit wirkt die Haltehülse 44 als eine weitere Steuerscheibe, die mit der Steuerscheibe 50 zusammenwirkt. Ein Zahnriemen 54, bei dem es sich um einen Antriebsriemen handelt, wird umlaufend über die Haltehülse 44 und die Zahnscheibe 50 gelegt. Die Drehung des Lenkmotors 24, also im engeren Sinne die Drehung der Motorwelle 48, bewirkt eine Drehung der Mutter 46, so dass die Lenkstange 26 passend zur Drehrichtung des Lenkmotors 24 nach rechts oder links bewegt wird. Das heißt, ein Riemengetriebemechanismus wird durch die Haltehülse 44, die Zahnscheibe 50 und den Zahnriemen 54 gebildet. Zudem wird ein Bewegungsumwandlungsmechanismus 55 durch den Riemengetriebemechanismus und den Schraubenmechanismus gebildet. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 55 ist dazu aufgebaut, die Drehbewegung der Motorwelle 48 in die Bewegung der Lenkstange 26 in einem Bewegungsausmaß umzuwandeln, das zum Ausmaß der Drehbewegung der Motorwelle 48 passt.
Der Lenkmotor 24 im vorliegenden Lenksystem ist ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor. Insbesondere sind Magnete 56 am Außenumfang der Motorwelle 48 so befestigt, dass sie in Umfangsrichtung angeordnet sind, und die Spulen 58 werden von einem Motorgehäuse 59 des Lenkmotors 24 so gehalten, dass sie den Magneten 56 gegenüberliegen. Der Lenkmotor 24 wird in Drehung versetzt, indem die Spulen 58 mit Strom versorgt werden. Das vom Lenkmotor 24 erzeugte Drehmoment, also die Kraft, die die Lenkstange 26 in der Rechts-Links-Richtung bewegt, ist im Allgemeinen proportional zum Strom, der den Spulen 58 zugeführt wird.
iii) Aufbau der Betätigungsvorrichtung
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst die Betätigungsvorrichtung 18 das Lenkrad 16, eine am Lenkrad 16 befestigte und mit dem Lenkrad 16 drehbare Lenkwelle 60 und einen Reaktionskraftmotor 62, der ein Elektromotor ist. Die Motorwelle des Reaktionskraftmotors 62 ist mit der Lenkwelle 60 verbunden, und der Reaktionskraftmotor 62 übt ein Drehmoment auf das Lenkrad 16 aus. Das Drehmoment wirkt als Reaktionskraft (Betätigungsreaktionskraft) auf die Betätigung des Lenkrads 16 durch den Fahrer, also die Lenkbetätigung. Dementsprechend stellt der Reaktionskraftmotor 62 ein Reaktionskraftstellglied dar. Obwohl ein detaillierter Aufbau des Reaktionskraftmotors 62 nicht dargestellt ist, ist der Reaktionskraftmotor 62 wie der Lenkmotor 24 ein bürstenloser Gleichstrommotor. Die Betätigungsreaktionskraft wird erzeugt, indem man dem Reaktionskraftmotor 62 Strom zuführt. Die Betätigungsreaktionskraft weist eine Größe auf, die im Allgemeinen proportional zum Strom ist, der dem Reaktionskraftmotor 62 zugeführt wird. Die Betätigungsreaktionskraft wirkt auch als eine Kraft, durch die das Lenkrad 16 in eine neutrale Position zurückgeführt wird (in der das Lenkrad 16 weder nach rechts noch nach links bewegt wird).
iv) Aufbau hinsichtlich der Steuerung
Die Lenk-ECU 20, die zur Steuerung des Lenksystems aufgebaut ist, umfasst einen Computer, der aus einer CPU, einem ROM, einem RAM usw. besteht, sowie Inverter, die jeweils als Treiberschaltung (Antrieb) für den zugehörigen aus dem Lenkmotor 24 und dem Reaktionskraftmotor 62 arbeiten. Wie aus 1 ersichtlich wird, ist die Lenk-ECU 20, also jeder der Inverter der Lenk-ECU 20, über einen Konverter bzw. Wandler 64 mit einer Batterie 66 verbunden, die eine Stromquelle darstellt. Die Lenk-ECU 20 versorgt den Lenkmotor 24 und den Reaktionskraftmotor 62 basierend auf einem Befehl des Computers mit Strom.
Die Lenkvorrichtung 14 und die Bedienvorrichtung 18 sind mit verschiedenen Sensoren zum Erfassen ihrer Betriebszustände ausgestattet. Die Lenk-ECU 20 steuert das Lenksystem basierend auf den Erfassungswerten der Sensoren. Insbesondere umfasst das Lenkstellglied 28 einen Lenkbetragssensor 80, um als eine Lenkgröße (Lenkwinkel bzw. Einschlagwinkel) θ der Räder 12 eine Bewegungsgröße der Lenkstange 26 zu erfassen, nämlich eine Bewegungsposition der Lenkstange 26 in der Rechts-Links-Richtung. 2B zeigt im Querschnitt einen Abschnitt des Lenkstellglieds 28, an dem der Lenkbetragssensor 80 angeordnet ist. Wie in 2B dargestellt wird, ist an der Lenkstange 26 eine Zahnstange 82 vorgesehen, und eine Ritzelwelle 86, die ein mit der Zahnstange 82 kämmendes Ritzel 84 enthält, wird vom Gehäuse 40 gehalten. Das Lenkstellglied 28 ist ein Stellglied, das in einer sogenannten Servolenkung eingesetzt wird. Die Ritzelwelle 86 ist über einen Torsionsstab 88 mit einer Eingangswelle 90 verbunden. Im vorliegenden Lenksystem ist der Lenkbetragssensor 80 anstelle eines Drehmomentsensors zur Erfassung eines Betriebsdrehmoments an einer Position angeordnet, an der der Drehmomentsensor in dem Fall vorgesehen sein sollte, in dem das Lenkstellglied 28 in der Servolenkung eingesetzt wird. Die Betätigungsvorrichtung 18 umfasst einen Betätigungsbetragssensor 92 zur Erfassung eines Betätigungsbetrags (Betätigungswinkels) δ des Lenkrads 16. Sowohl der Lenkbetragssensor 80 als auch der Betätigungsbetragssensor 92 sind sogenannte Lenksensoren mit einem typischen Aufbau, auf dessen genaue Erläuterung hier verzichtet wird.
Jedes der Räder 12 weist einen Raddrehzahlsensor 94 zum Erfassen einer Raddrehzahl v_W auf, die eine Rotationsgeschwindigkeit des entsprechenden Rades 12 ist. Die Lenk-ECU 20 ist dazu aufgebaut, eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, die eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 10 ist, basierend auf den Erfassungswerten der Raddrehzahlsensoren 94 zu schätzen.
Das Fahrzeug 10 ist dazu fähig, automatisiertes Fahren durchzuführen, und umfasst einen Schalter 96 für automatisiertes Fahren, der auf einem Armaturenbrett vorgesehen ist, um automatisiertes Fahren durchzuführen. Zudem ist ein Fahrmodus-Wahlschalter 98 auf dem Armaturenbrett vorgesehen, um einen Fahrmodus zwischen einem ÖKO-Modus und einem Sportmodus umzuschalten. Obwohl dies nicht genauer erläutert wird, ist der ÖKO-Modus ein Fahrmodus, bei dem die Kraftstoffeffizienz im Vordergrund steht, während der Sportmodus ein Fahrmodus ist, der ein sportliches bzw. rasantes Fahren ermöglicht. Der Fahrmodus-Wahlschalter 98 ist dazu aufgebaut, den Fahrmodus zwischen dem ÖKO-Modus und dem Sportmodus umzuschalten. Der Schalter 96 für automatisiertes Fahren und der Fahrmodus-Wahlschalter 98 sind ebenfalls mit der Lenk-ECU 20 verbunden.
(b) Steuerung des Fahrzeuglenksystems
Beim vorliegenden Lenksystem führt die Lenk-ECU 20, die als die Steuervorrichtung wirkt, also der Computer der Lenk-ECU 20, eine Steuerung für die Lenkung der Räder 12 am Lenkstellglied 28 aus, um den Schräglaufwinkel des Fahrzeugs 10 zu steuern. (Die Steuerung der gelenkten Räder 12 wird nachstehend als „Lenksteuerung“ bezeichnet, wo dies passend erscheint.) Zudem führt die Lenk-ECU 20 eine Reaktionskraftsteuerung der Betätigungseinrichtung 18 aus, nämlich für den Reaktionskraftmotor 62 der Betätigungseinrichtung 18, um die Betätigungsreaktionskraft gegen die Lenkbetätigung durch den Fahrer auf das Lenkrad 16 aufzubringen. Die Reaktionskraftsteuerung ist eine typische Steuerung. Daher wird die Reaktionskraftsteuerung hier nicht erläutert. Die Lenksteuerung wird genau erläutert.
i) Grundlegende Lenksteuerung
Kurz gesagt dient die Lenksteuerung dazu, ein Lenken bzw. Einschlagen der Räder 12 gemäß einer Lenkanforderung zu erreichen. Wenn das Fahrzeug 10 manuell gefahren wird, ist die Lenkanforderung der Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16, der vom Betätigungsbetragssensor 92 erfasst wird. Basierend auf dem Betätigungsbetrag δ bestimmt das Lenk-ECU 20 einen Solllenkbetrag θ*, der ein Sollwert für den Lenkbetrag θ der Räder 12 ist. Insbesondere verwendet das vorliegende Lenksystem ein variables Übersetzungssystem (VGRS für variable gear ratio system). Die Lenk-ECU 20 schätzt die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 basierend auf den Raddrehzahlen vW ab, die von den jeweiligen Raddrehzahlsensoren 94 erfasst werden, und bestimmt ein Lenkübersetzungsverhältnis γ passend zur Fahrzeuggeschwindigkeit v. Das Lenkübersetzungsverhältnis γ ist ein Verhältnis des Lenkbetrags θ zum Betätigungsbetrag δ. Die Lenk-ECU 20 bestimmt das Lenkübersetzungsverhältnis γ anhand von Kennfelddaten, die in der Lenk-ECU 20 gespeichert sind. Obwohl dies nicht im Einzelnen beschrieben ist, wird das Lenkgetriebeverhältnis γ so eingestellt, dass es mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit v kleiner wird, wie in 4A dargestellt ist. Die Lenk-ECU 20 bestimmt den Solllenkbetrag θ* gemäß der folgenden Gleichung: $θ * = γ \cdot δ$
Wenn das Fahrzeug 10 ein automatisiertes Fahren durchführt, das durch Einschalten des Schalters 96 für automatisiertes Fahren ausgelöst wird, erhält die Lenk-ECU 20 den Solllenkbetrag θ* basierend auf Informationen, die von einer (nicht gezeigten) elektronischen Steuereinheit für automatisiertes Fahren übertragen werden. Die elektronische Steuereinheit für automatisiertes Fahren wird nachstehend als „ECU für automatisiertes Fahren“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint.
Der Lenkbetrag θ kann als Bewegungsbetrag der Lenkstange 26 in Rechts-Links-Richtung betrachtet werden, also als Bewegungsbetrag des Lenkstellglieds 28. Der Bewegungsbetrag des Lenkstellglieds 28 ist ein Steuersubjekt der Lenksteuerung, die im vorliegenden Lenksystem ausgeführt wird. Somit ist der Solllenkbetrag θ* ein Sollwert des Steuersubjekts. Im vorliegenden Lenksystem ist der Solllenkbetrag θ* als eine Drehgröße (Drehposition) der Ritzelwelle 86 des Lenkstellglieds 28 definiert.
Die Lenk-ECU 20 erfasst über den Lenkbetragssensor 80 des Lenkstellglieds 28 einen Ist-Lenkbetrag θ als Ist-Wert des Steuersubjekts. Die Lenk-ECU 20 ermittelt eine Lenkbetragsabweichung Δθ, die eine Abweichung des Ist-Lenkbetrags θ vom Soll-Lenkbetrag θ* darstellt. Basierend auf der Lenkbetragsabweichung Δθ bestimmt die Lenk-ECU 20 einen Strom I_S, der dem Lenkmotor 24 zugeführt werden soll (nachstehend als „Lenkstrom I_S“ bezeichnet, wo dies geeignet scheint) anhand einer Rückkopplungsregelung. Genauer gesagt bestimmt die Lenk-ECU 20 den Lenkstrom I_S gemäß der nachstehenden Gleichung: $I_{s} = K_{P} \cdot Δθ + K_{D} \cdot d Δθ /dt + K_{I} \cdot \int Δ θ dt$
Der erste Term, der zweite Term und der dritte Term auf der rechten Seite deder Gleichung sind jeweils eine Proportionalkomponente, eine Differentialkomponente und eine Integralkomponente, und „K_P“, „K_D“ und „K_I“ sind eine Proportionaltermverstärkung, eine Differentialtermverstärkung und eine Integraltermverstärkung. Die Lenk-ECU 20 liefert den Strom an den Lenkmotor 24 über den Inverter basierend auf dem Lenkstrom I_S, der wie vorstehend erläutert bestimmt wird.
ii) Stromverringerungsvorgang
Im vorliegenden Lenksystem wird in einer bestimmten Situation ein Stromverringerungsvorgang zum Verringern des dem Lenkstellglied 28 zuzuführenden Stroms unter Berücksichtigung von Leistungs- und Energieeinsparungen durchgeführt. Der Stromverringerungsvorgang wird nachstehend erläutert.
Wird der dem Lenkstellglied 28 zuzuführende Strom reduziert, wird eine durch das Lenkstellglied 28 erzeugte Kraft (nachstehend als „Stellgliedkraft“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint) verringert, was zu einer Verzögerung der Bewegung des Lenkstellglieds 28 führt. Das heißt, das Ansprechverhalten des Lenkstellglieds 28 wird schwächer. Genauer gesagt kann die Verringerung der Stellgliedkraft dazu führen, dass auf eine Änderung des Soll-Lenkbetrags θ* keine Änderung des Ist-Lenkbetrags θ beim Lenken der Räder 12 folgt. Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, wenn die Änderung des Soll-Lenkbetrags θ* groß ist, mit anderen Worten, wenn ein relativ abrupter Lenkvorgang durchgeführt wird oder wenn eine relativ große Stellgliedkraft erforderlich ist.
Im vorliegenden Lenksystem ist daher die spezifische Situation, in der der Stromverringerungsvorgang ausgeführt wird, auf eine Situation beschränkt, in der kein starkes Ansprechen für die Bewegung des elektrischen Stellglieds erforderlich ist. Bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit v ist z.B. das auf die zu lenkenden Räder 12 wirkende Selbstausrichtungsmoment groß, so dass eine relativ große Stellgliedkraft erforderlich ist. Außerdem ist bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit v ein bis zu einem gewissen Grad starkes Ansprechverhalten erforderlich, z. B. in Bezug auf das Fahrgefühl und die Fahrstabilität des Fahrzeugs 10. In Anbetracht dieser Tatsachen erkennt die Lenk-ECU 20, dass sich das Fahrzeug 10 in der spezifischen Situation befindet, und führt den Stromverringerungsvorgang aus, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v niedrig ist, wenn also die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher als eine Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist, z.B. 20-30 km/h.
Die Lenk-ECU 20 des vorliegenden Lenksystems führt zwei Stromverringerungsvorgange aus, die sich in ihrer Technik voneinander unterscheiden. Einer der beiden Stromverringerungsvorgänge ist ein Tiefpassfiltervorgang (nachstehend einfach als „Filtervorgang“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint), der auf den Solllenkbetrag θ* angewendet wird. Genauer gesagt führt die Lenk-ECU 20 an dem wie vorstehend erläutert bestimmten Solllenkbetrag θ* einen Vorgang zum Verhindern einer Änderung des Solllenkbetrags θ* aus, der eine höhere Frequenz als eine Abschalt- bzw. Grenzfrequenz fc aufweist, anders gesagt, einen Vorgang, um eine Verzögerung einer Änderung des Solllenkbetrags θ* zu verursachen, der eine höhere Frequenz als die Grenzfrequenz fc aufweist. Wie im Schaubild von 4B dargestellt ist, wird die Grenzfrequenz fc auf eine niedrige Frequenz f_CL festgelegt, die relativ gering ist, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher ist als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH. Wie vorstehend erläutert ist, werden für das Fahrzeug 10 zwei Fahrmodi eingestellt, von denen einer der ÖKO-Modus ist, der die Energieeinsparung betont, und der andere der Sport-Modus ist, der den Schwerpunkt auf die Fahrleistung des Fahrzeugs legt. In der Grafik wird eine Änderung der Grenzfrequenz fc im ÖKO-Modus durch die durchgezogene Linie angezeigt, und eine Änderung der Grenzfrequenz fc im Sport-Modus wird durch die gestrichelte Linie angezeigt. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, wird eine niedrige Frequenz f_CL1 als die niedrige Frequenz f_CL im ÖKO-Modus eingestellt, und eine niedrige Frequenz f_CL2 (>f_CL1) wird als die niedrige Frequenz f_CL im Sport-Modus eingestellt, um einen Unterschied zwischen den beiden Modi in Bezug auf das erforderliche Ansprechniveau zu berücksichtigen. Wie im Schaubild dargestellt ist, wird die Grenzfrequenz fc in beiden Fahrmodi so eingestellt, dass sie mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit v, die über der Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH liegt, allmählich hoch wird. Wird die Fahrzeuggeschwindigkeit v größer oder gleich einer bestimmten Geschwindigkeit, wird die Grenzfrequenz fc auf eine hohe Frequenz f_CH festgelegt. Hier beträgt die niedrige Frequenz f_CL1 etwa 5 Hz, die niedrige Frequenz f_CL2 etwa 10 Hz und die hohe Frequenz f_CH beispielsweise etwa 30 Hz.
Der andere der beiden Stromverringerungsvorgänge ist ein Vorgang der Verringerung der Proportionaltermverstärkung K_P und der Differentialtermverstärkung K_D bei der Bestimmung des Lenkstroms IS gemäß der vorstehend beschriebenen Rückkopplungsregelungstechnik. Dieser Vorgang wird nachstehend als „Verstärkungsverringerungsvorgang“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint. Wie im Schaubild der 4C dargestellt, werden die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D, die sich auf das Ansprechverhalten beziehen, auf eine niedrige Verstärkung K_PL bzw. eine niedrige Verstärkung K_DL festgelegt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher ist als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH. Die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D werden so eingestellt, dass sie mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit v, die den Schwellenwert v_TH überschreitet, allmählich ansteigen. Wird die Fahrzeuggeschwindigkeit v größer oder gleich einer bestimmten Geschwindigkeit, werden die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D jeweils auf eine hohe Verstärkung K_PH und eine hohe Verstärkung K_DH festgelegt.
Wie vorstehend erläutert wurde, kann das Fahrzeug 10 sowohl manuell als auch automatisiert fahren. Fährt das Fahrzeug 10 automatisiert, erkennt die Lenk-ECU 20, dass sich das Fahrzeug 10 in einer spezifischen Situation befindet, und führt den Stromverringerungsvorgang unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v aus.
Beim manuellen Fahren werden die Grenzfrequenz fc im Filtervorgang und die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D, die bei der Bestimmung des Lenkstroms I_S genutzt werden, abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v eingestellt. Im Gegensatz dazu wird beim automatisierten Fahren die Grenzfrequenz fc auf die niedrige Frequenz f_CL1 eingestellt, und die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D werden unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v jeweils auf die geringe Verstärkung K_PL und die geringe Verstärkung K_DL eingestellt.
Im vorliegenden Lenksystem wird der Filtervorgang für den Solllenkbetrag θ* auch dann ausgeführt, wenn sich das Fahrzeug 10 nicht in der spezifischen Situation befindet. Der Filtervorgang kann so aufgebaut sein, dass er nicht ausgeführt wird, wenn sich das Fahrzeug 10 nicht in der spezifischen Situation befindet. Im vorliegenden Lenksystem wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH überschreitet, i) die Grenzfrequenz fc im Filtervorgang so eingestellt, dass sie abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v allmählich von der niedrigen Frequenz f_CL auf die hohe Frequenz f_CH steigt, und ii) die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D so eingestellt, dass sie abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v allmählich von der geringen Verstärkung K_PL und der geringen Verstärkung K_DL auf die hohe Verstärkung K_PH und die hohe Verstärkung K_DH ansteigen. Die Grenzfrequenz fc, die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D können anders festgelegt sein. Wenn beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit v den Schwellenwert v_TH übersteigt, können die Grenzfrequenz fc, die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D schrittweise so erhöht werden, dass sie die hohe Frequenz f_CH, die hohe Verstärkung K_PH bzw. die hohe Verstärkung K_DH erreichen. Bei dem im vorliegenden Lenksystem durchgeführten Stromverringerungsvorgang ändert die Lenk-ECU 20 sowohl i) die Grenzfrequenz fc im Filtervorgang als auch ii) die beiden Verstärkungen, die bei der Bestimmung des Lenkstroms I_S genutzt werden, also die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D. Es kann auch nur einer der Parameter i) Grenzfrequenz fc und ii) die beiden Verstärkungen K_P, K_D geändert werden.
iii) Funktionsblockschaubild zur Lenkungssteuerung
5 ist ein Blockschaubild, das Funktionen der Lenk-ECU 20 veranschaulicht, die an der Lenkungssteuerung bzw. -regelung beteiligt ist, die den vorstehend erläuterten Stromverringerungsvorgang umfasst. Die Lenk-ECU 20 umfasst einen Abschnitt 400 zum Abschätzen der Fahrzeuggeschwindigkeit, der dazu aufgebaut ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 basierend auf den Raddrehzahlen vw der jeweiligen vier Räder 12 zu schätzen, die von den entsprechenden Raddrehzahlsensoren 94 erfasst werden. Die Lenk-ECU 20 umfasst ferner einen Abschnitt 402 zum Bestimmen eines Solllenkbetrags, der dazu aufgebaut ist, basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit v die Lenkübersetzung γ anhand der in 4A dargestellten Kennfelddaten zu bestimmen und den Solllenkbetrag θ* basierend auf der Lenkübersetzung γ und dem Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16 zu bestimmen, der von dem Betätigungsbetragssensor 92 erfasst wird.
Die Lenk-ECU 20 umfasst ferner einen Tiefpassfilter 404, der dazu aufgebaut ist, den Tiefpassfiltervorgang für den Solllenkbetrag θ* auszuführen, der durch den Abschnitt 402 zum Bestimmen des Solllenkbetrags bestimmt wird. Der Tiefpassfilter 404 hat eine typische Konfiguration und wird einfach beschrieben. Der Tiefpassfilter 404 umfasst ein integrales Element 406 und ein proportionales Element 408. Das Zeichen „a“ in dem in 5 dargestellten Proportionalelement 408 ist durch den folgenden Ausdruck definiert: $a = 1 /T (T : Zeitkonstante)$
Eine Übertragungsfunktion G(s) des Tiefpassfilters 404 wird wie folgt dargestellt: $G (s) = 1 / (1 + T \cdot s) (s : Laplace - Operator)$
Ferner wird die Beziehung zwischen der Zeitkonstante T und der Grenzfrequenz fc wie folgt dargestellt: $T = 1 / (2 \cdot π \cdot fc)$
Der Tiefpassfilter 404 stellt die Grenzfrequenz fc abhängig vom Fahrmodus und davon ein, ob das Fahrzeug 10 automatisiert oder manuell fährt. Wenn das Fahrzeug 10 manuell fährt, stellt der Tiefpassfilter 404 die Grenzfrequenz fc basierend auf der geschätzten Fahrzeuggeschwindigkeit v anhand der Kartendaten von 4B ein. Fährt das Fahrzeug 10 automatisiert, setzt der Tiefpassfilter 404 die Grenzfrequenz fc unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v auf die niedrige Frequenz f_CL1. Basierend auf der so eingestellten Grenzfrequenz fc bestimmt der Tiefpassfilter 404 die Zeitkonstante T und führt den Filtervorgang aus.
Die Lenk-ECU 20 ermittelt eine Lenkbetragsabweichung Δθ, die eine Abweichung des vom Lenkbetragssensor 80 des Stellglieds 28 erfassten Ist-Lenkbetrags θ vom Soll-Lenkbetrag θ* ist, für den der Filtervorgang ausgeführt wurde. Die Lenk-ECU 20 umfasst einen Multiplikator 410 für die Proportionaltermverstärkung, einen Multiplikator 412 für die Differentialtermverstärkung , einen Multiplikator 414 für die Integraltermverstärkung, einen Differentiator 416 und einen Integrator 418. Basierend auf der Lenkbetragsabweichung Δθ bestimmt die Lenk-ECU 20 eine Proportionalkomponente des Lenkstroms Is über den Multiplikator 410 für die Proportionaltermverstärkung, bestimmt eine Differentialkomponente des Lenkstroms Is über den Differentiator 416 und den Multiplikator 412 für die Differentialtermverstärkung und bestimmt eine Integralkomponente des Lenkstroms Is über den Integrator 418 und den Multiplikator 414 für die Integraltermverstärkung. Die Lenk-ECU 20 addiert den Proportionalanteil, den Differenzialanteil und den Integralanteil und ermittelt so den Lenkstrom Is. Die Lenk-ECU 20 bestimmt die Proportionalkomponente und die Differenzialkomponente abhängig davon, ob das Fahrzeug 10 automatisiert oder manuell gefahren wird. Wird das Fahrzeug 10 manuell gefahren, bestimmt die Lenk-ECU 20 die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D basierend auf der geschätzten Fahrzeuggeschwindigkeit v anhand der Kennfelddaten von 4C. Fährt das Fahrzeug 10 automatisiert, stellt die Lenk-ECU 20 die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D jeweils auf die geringe Verstärkung K_PL und die geringe Verstärkung K_DL ein. Die Anweisung bezüglich des ermittelten Lenkstroms Is wird an den Inverter 420 übertragen, und der Inverter 420 gibt den so ermittelten Lenkstrom Is an den Lenkmotor 24 des Stellglieds 28 ab.
iv) Auswirkungen des Stromverringerungsvorgangs
In den 6A-6D werden die Effekte beschrieben, die durch den Stromverringerungsvorgang bereitgestellt werden, nämlich die Effekte, die durch den Tiefpassfiltervorgang bereitgestellt werden, der für den Solllenkbetrag θ* ausgeführt wird. Die Schaubilder der 6A und 6B zeigen jeweils die Änderungen des Soll-lenkbetrags θ* und des Istlenkbetrags θ in Bezug auf den Ablauf einer Zeit t bzw. die Änderung des Lenkstroms Is in Bezug auf das Verstreichen einer Zeit t in einem Fall, in dem der Filtervorgang nicht ausgeführt wird. Die Schaubilder in 6C und 6D zeigen die Änderungen des Solllenkbetrags θ* und des Istlenkbetrags θ in Bezug auf den Ablauf einer Zeit t und die Änderung des Lenkstroms Is in Bezug auf das Verstreichen einer Zeit t für den Fall, dass der Filtervorgang ausgeführt wird. Die Grenzfrequenz fc für den Filtervorgang wird auf 5 Hz festgelegt. Die Lenkbedingungen wie die Fahrzeuggeschwindigkeit v, der Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16 und die Betätigungsgeschwindigkeit dδ/dt des Lenkrads 16 sind für die Fälle gleich, in denen der Filtervorgang ausgeführt wird und in denen er nicht ausgeführt wird. Die Betätigung des Lenkrads 16 wird an einem Zeitpunkt t₀ eingeleitet. Der Lenkmotor 24 ist ein dreiphasiger bürstenloser Motor. Der Lenkstrom Is stellt einen Strom der U-Phase, einen Strom der V-Phase und einen Strom der W-Phase des Lenkmotors 24 dar.
Wie aus dem Schaubild in 6A ersichtlich wird, ist in dem Fall, in dem der Filtervorgang nicht ausgeführt wird, der Gradient des Anstiegs des Solllenkbetrags θ* relativ steil, und der tatsächliche Lenkbetrag θ folgt dem Solllenkbetrag θ* nicht adäquat. Wie aus dem Schaubild in 6C ersichtlich ist, ist der Gradient des Anstiegs des Soll-lenkbetrags θ* in dem Fall, in dem der Filtervorgang ausgeführt wird, relativ sanft, und der tatsächliche Lenkbetrag θ folgt dem Solllenkbetrag θ* relativ angemessen. Wie aus dem Vergleich zwischen dem Schaubild in 6B und dem Schaubild in 6D hervorgeht, ist die Amplitude des Stroms jeder Phase in dem Fall, in dem der Filtervorgang ausgeführt wird, kleiner als in dem Fall, in dem der Filtervorgang nicht ausgeführt wird. Der Steuerstrom Is wird also durch die Ausführung des Filtervorganges verringert.
v) Steuerablauf
Der Computer der Lenk-ECU 20 führt ein Lenksteuerprogramm, das durch einen Ablaufplan in 7 dargestellt ist, wiederholt in einem kurzen Zeitfenster von beispielsweise einigen bis -zig Millisekunden aus, so dass die vorstehend erläuterte Lenksteuerung ausgeführt wird. Der Ablauf der Verarbeitung gemäß dem Lenksteuerprogramm wird anhand des Ablaufplans kurz erläutert.
Bei der Verarbeitung gemäß dem Lenkungssteuerprogramm beginnt der Steuerablauf mit Schritt 1, um basierend darauf, ob der Schalter 96 für automatisiertes Fahren eingeschaltet ist, festzustellen, ob das Fahrzeug 10 automatisiert fährt. (Nachfolgend wird Schritt 1 mit „S1“ abgekürzt. Die anderen Schritte werden analog abgekürzt.) Fährt das Fahrzeug 10 nicht automatisiert, wird das Fahrzeug 10 also manuell gefahren, wird bei S2 ein Flag FLAD für automatisiertes Fahren auf „0“ gesetzt. Das Flag FLAD für automatisiertes Fahren wird auf „0“ gesetzt, wenn das Fahrzeug 10 manuell gefahren wird, und auf „1“, wenn das Fahrzeug 10 automatisiert fährt.
In S3 wird die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 basierend auf der Raddrehzahlen vw der jeweiligen Räder 12 geschätzt, die von den entsprechenden Raddrehzahlsensoren 94 erfasst werden. In S4 wird das Lenkübersetzungsverhältnis γ basierend auf der geschätzten Fahrzeuggeschwindigkeit v anhand der in 4A dargestellten Kennfelddaten bestimmt. In S5 wird der Solllenkbetrag θ* gemäß dem vorstehend erläuterten Ausdruck unter Nutzung des ermittelten Lenkübersetzungsverhältnisses γ bestimmt.
Wenn in S1 festgestellt wird, dass das Fahrzeug 10 automatisiert fährt, geht der Steuerablauf zu S6 weiter, um das Flag FLAD für automatisiertes Fahren auf „1“ zu setzen. In S7 erhält man den Solllenkbetrag θ* basierend auf von der ECU für automatisiertes Fahren übermittelten Informationen.
In S8 wird eine Bestätigung basierend auf dem Wert des Flags FLAD für automatisiertes Fahren durchgeführt. Wenn das Fahrzeug 10 automatisiertes Fahren durchführt, geht der Steuerablauf zu S9 weiter, um basierend auf dem Betriebszustand des Fahrmodus-Wahlschalters 98 zu erkennen, ob der gegenwärtig ausgewählte Fahrmodus der ÖKO-Modus oder der Sport-Modus ist. Basierend auf dem identifizierten Fahrmodus zum aktuellen Zeitpunkt und der Fahrzeuggeschwindigkeit v wird die Grenzfrequenz fc im Filtervorgang anhand der Kennfelddaten von 4B eingestellt. Wenn das Fahrzeug 10 automatisiert fährt, geht der Steuerablauf zu S11 weiter, um die Grenzfrequenz fc auf die niedrige Frequenz f_CL1 einzustellen. In S12 wird der Tiefpassfiltervorgang für den in S7 bestimmten Solllenkbetrag θ* ausgeführt. Das in dem Programm ausgeführte Verfahren der Tiefpassfilterung ist typisch, so dass auf eine genaue Erläuterung verzichtet wird.
In S13 wird erneut eine Bestätigung basierend auf dem Flaggenwert des Flags FLAD für automatisiertes Fahren durchgeführt. Wenn das Fahrzeug 10 manuell gefahren wird, geht der Steuerablauf zu S14 weiter, um die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D einzustellen, die bei der Bestimmung des Lenkstroms Is gemäß der PID-Rückkopplungsregelung basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit v anhand des Kennfelds der 4C zu verwenden sind. Fährt das Fahrzeug 10 automatisiert, geht der Steuerablauf zu S15 weiter, um die Proportionaltermverstärkung KP und die Differentialtermverstärkung KD jeweils auf die niedrige Verstärkung KPL und die niedrige Verstärkung KDL einzustellen.
In S16 wird der tatsächliche Lenkbetrag θ durch den Lenkbetragssensor 80 erfasst. In S17 wird die Lenkbetragsabweichung Δθ bestimmt. Die Lenkbetragsabweichung Δθ ist eine Abweichung des Ist-Lenkbetrags θ vom Solllenkbetrag θ*, für den der Filtervorgang ausgeführt wurde. Zudem wird der dem Lenkmotor 24 zuzuführende Lenkstrom Is gemäß der Technik der PID-Regelsätze basierend auf der Lenkbetragsabweichung Δθ und der Proportionaltermverstärkung K_P, der Differentialtermverstärkung K_D und der Integraltermverstärkung K_I bestimmt, die wie vorstehend erläutert eingestellt sind. In S18 wird der ermittelte Lenkstrom Is an den Lenkmotor 24 abgegeben. Damit wird eine Ausführung des Lenksteuerprogramms beendet.
2. Aktives Stabilisatorsystem (zweite Ausführungsform)
Nachstehend wird ein aktives Stabilisatorsystem erläutert (im Folgenden einfach als „Stabilisatorsystem“ bezeichnet, wenn dies geeignet erscheint), das ein System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Das vorliegende Stabilisatorsystem wird im Fahrzeug 10 eingebaut, in dem auch das vorstehend erläuterte Lenksystem eingebaut ist.
(a) Aufbau des aktiven Stabilisatorsystems
Wie in 8 dargestellt wird, umfasst das vorliegende Stabilisatorsystem zwei Stabilisatorvorrichtungen 114, die auf einer Vorder- und auf einer Hinterradseite des Fahrzeugs 10 angeordnet sind. Wie in 9 dargestellt ist, umfasst jede Stabilisatorvorrichtung 114 einen Stabilisatorstab 120, der an seinen gegenüberliegenden Enden über entsprechende Verbindungsstangen 118, die jeweils als Kopplungselement wirken, mit entsprechenden (nicht dargestellten) Aufhängungsunterarmen gekoppelt ist, die jeweils als ein Radhalteelement wirken, das ein entsprechendes aus den rechten und linken Rädern 12 hält. Der Stabilisator 120 besteht aus einem Paar von Stabilisatorstabelementen, also einem rechten Stabilisatorstabelement 122 und einem linken Stabilisatorstabelement 124. Die Stabilisatorstabelemente 122, 124 sind so gekoppelt, dass sie über ein zwischen ihnen liegendes Stellglied 130 relativ zueinander drehbar sind. Bei dem Stellglied 130 handelt es sich um ein elektrisches Stellglied. Grob gesagt ist die Stabilisatorvorrichtung 114 so aufgebaut, dass das Stellglied 130 bewirkt, dass sich das rechte und das linke Stabilisatorstabelement 122, 124 relativ zueinander drehen, um dadurch die (nachstehend gegebenenfalls als „Stabilisatorsteifigkeit“ bezeichnete) scheinbare Steifigkeit des Stabilisators 120 insgesamt zu verändern, um das Wanken der Karosserie des Fahrzeugs 10 zu unterdrücken. Beim vorliegenden Stabilisatorsystem unterscheiden sich die vorderradseitige Stabilisatorvorrichtung 114 und die hinterradseitige Stabilisatorvorrichtung 114 teilweise in ihrem Aufbau voneinander. In der nachstehenden Beschreibung wird in den Fällen, in denen es notwendig ist, die beiden Stabilisatorvorrichtungen 114 zwischen der Vorderradseite und der Hinterradseite zu unterscheiden, ein Suffix „f“ an jede der Bezugsziffern angehängt, die zur vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114 gehören, während ein Suffix „r“ an die Bezugsziffern angehängt wird, die der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114 zugeordnet sind. Wenn es notwendig ist, auch die rechte und linke Seite für jede aus der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114 und der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114 zu unterscheiden, wird jedes der nachfolgenden Suffixe „fr“ (vordere rechte Radseite), „fl“ (vordere linke Radseite), „rr“ (hintere rechte Radseite) und „rl“ (hintere linke Radseite) an ein entsprechendes Bezugszeichen angehängt, die zur vorderradseitigen und zur hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114 gehören.
Wie in 9A dargestellt wird, umfassen die Stabilisatorstabelemente 122f, 124f der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f jeweils Folgendes: Torsionsstababschnitte 160fr, 160fl, die im Allgemeinen in einer Breitenrichtung des Fahrzeugs 10 verlaufen; und Armabschnitte 162, 162, die einteilig bzw. einstückig mit den entsprechenden Torsionsstababschnitten 160fr, 160fl ausgebildet sind und diese Abschnitte 160fr, 160fl so schneiden, dass sie im Allgemeinen zur Rückseite des Fahrzeugs 10 zeigen. Der Torsionsstababschnitt 160fr des rechten Stabilisatorstabelements 122f ist relativ kurz, während der Torsionsstababschnitt 160fl des linken Stabilisatorstabelements 124f relativ lang ist. Das linke Stabilisatorstabelement 124f umfasst ferner einen versetzten oder gebogenen Abschnitt 163, der relativ zur Achse des Torsionsstababschnitts 160fl versetzt ist. Wie in 9B dargestellt wird, umfassen die Stabilisatorstabelemente 122r, 124r der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r jeweils Folgendes: Torsionsstababschnitte 160rr, 160rl, die sich generell in der Fahrzeugbreitenrichtung mit im Allgemeinen derselben Länge erstrecken; und Armabschnitte 162, 162, die einstückig mit den entsprechenden Torsionsstababschnitten 160rr, 160rl ausgebildet sind und diese Abschnitte 160rr, 160rl so schneiden, dass sie allgemein zu einer Vorderseite des Fahrzeugs 10 zeigen. Im Gegensatz zu den Torsionsstababschnitten 160fr, 160fl der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f weisen die Torsionsstababschnitte 160rr, 160rl der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r eine lineare bzw. gerade Form auf. Ferner sind die Länge des Torsionsstababschnitts 160rr, der zwischen dem Stellglied 130 und dem entsprechenden Armabschnitt 162 verläuft, und die Länge des Torsionsstababschnitts 160rl, der zwischen dem Stellglied 130 und dem entsprechenden Armabschnitt 162 verläuft, im Wesentlichen einander gleich.
Jeder der Torsionsstababschnitte 160 der jeweiligen Stabilisatorstabelemente 122f, 122r, 124f, 124r wird in einer Position nahe dem Armabschnitt 162 durch einen fest an der Fahrzeugkarosserie vorgesehenen Stützabschnitt 164 drehbar gelagert. Die rechten und linken Torsionsstababschnitte 160 der rechten und linken Stabilisatorstabelemente 122, 124 sind koaxial zueinander angeordnet. In der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f und der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r ist das Stellglied 130 so angeordnet, dass es die rechten und linken Torsionsstababschnitte 160 verbindet. Wie später genauer erläutert wird, ist ein Ende jedes Torsionsstababschnitts 160 gegenüber dem entsprechenden Armabschnitt 162 mit dem Stellglied 130 verbunden. Bei der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f, die wie vorstehend erläutert aufgebaut ist, ist das Stellglied 130 relativ zur Fahrzeugbreitenrichtung außermittig angeordnet, das Stellglied 130 ist also an einer Position angeordnet, die gegenüber dem mittleren Abschnitt des Fahrzeugs 10 in der Breitenrichtung nach rechts verschoben ist. Bei der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r ist das Stellglied 130 in der Breitenrichtung im Wesentlichen im mittleren Abschnitt des Fahrzeugs 10 angeordnet. Ein Ende jedes Armabschnitts 162, das dem entsprechenden Torsionsstababschnitt 160 gegenüberliegt, ist über die zugehörige Verbindungsstange 118 mit dem zugehörigen Radhalteelement verbunden. In der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f schlagen das Stellglied 130 und ein fest am Torsionsstababschnitt 160fl vorgesehenes Kontaktelement 166 jeweils an der einen und der anderen der einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Stützabschnitte 164 an, um dadurch zu verhindern, dass sich die vorderradseitige Stabilisatorvorrichtung 114f in der Fahrzeugbreitenrichtung bewegt. In der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r schlagen zwei Kontaktelemente 166, die fest an den jeweiligen Torsionsstababschnitten 160rr, 160rl vorgesehen sind, jeweils an der einen und der anderen der einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Stützabschnitte 164 an, um so zu verhindern, dass sich die hinterradseitige Stabilisatorvorrichtung 114r in Fahrzeugbreitenrichtung bewegt.
Das Stellglied 130 der vorderradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114f und das Stellglied 130 der hinterradseitigen Stabilisatorvorrichtung 114r sind baugleich. Wie in 10 schematisch dargestellt wird, umfasst das Stellglied 130 einen Elektromotor 170, der als Antriebsquelle arbeitet, und eine Untersetzung 172 zum Untersetzen der Drehung des Elektromotors 170. Der Elektromotor 170 und die Untersetzung 172 sind in einem Gehäuse 174 untergebracht. Das Gehäuse 174 ist ein Außenrahmen des Stellglieds 130. Wie aus 10 ersichtlich wird, ist das linke Stabilisatorstabelement 124 fest mit einem Ende des Gehäuses 174 verbunden, während das rechte Stabilisatorstabelement 122 so angeordnet ist, dass es sich in das Gehäuse 174 hinein erstreckt und vom Gehäuse 174 so getragen wird, dass es drehbar und axial unbeweglich relativ zum Gehäuse 174 ist. Ein Ende des rechten Stabilisatorstabelements 122, das sich im Gehäuse 174 befindet, ist mit der Untersetzung 172 verbunden.
Der Elektromotor 170 umfasst Folgendes: eine Vielzahl von Statorspulen 184, die an einem Umfang entlang der Innenfläche der zylindrischen Wand des Gehäuses 174 fest montiert sind; eine hohle Motorwelle 186, die vom Gehäuse 174 drehbar gehalten wird; und Permanentmagnete 188, die auf einem Umfang entlang der äußeren Umfangsfläche der Motorwelle 186 fest so angeordnet sind, dass sie den Statorspulen 184 gegenüberliegen. Die Statorspulen 184 und die Permanentmagnete 188 des Elektromotors 170 wirken jeweils als Stator bzw. als Rotor. Der Elektromotor 170 ist ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor.
Die Untersetzung 172 besteht aus einem harmonic drive bzw. Spannungswellengetriebe mit einem Wellengenerator 190, einem flexiblen Zahnrad 192 und einem Hohlrad 194. Das Spannungswellengetriebe wird als „HARMONIC DRIVE“ (eingetragene Marke) oder als Spannungswellen-Zahnkranzmechanismus bezeichnet. Der Wellengenerator 190 umfasst einen ovalen Nocken und Kugellager, die am Umfang des Nockens angebracht sind. Der Wellengenerator 190 ist an einem Ende der Motorwelle 186 befestigt. Das flexible Zahnrad 192 weist die Form einer Schale auf, deren zylindrischer Wandabschnitt elastisch verformbar ist. Zahlreiche Zähne sind an einem Außenumfang eines offenen Endabschnitts des zylindrischen Wandabschnitts ausgebildet. Das flexible Zahnrad 192 ist mit dem rechten Stabilisatorstabelement 122 verbunden und wird von diesem getragen. Insbesondere erstreckt sich das rechte Stabilisatorstabelement 122 durch die Motorwelle 186 und umfasst einen Endabschnitt, der aus der Motorwelle 186 herausragt. Mit diesem Endabschnitt des rechten Stabilisatorstabelements 122 ist ein unterer Abschnitt des flexiblen Zahnrads 192, der als Ausgangsabschnitt der Untersetzung 172 arbeitet, durch Kerbverzahnung in einem Zustand verbunden, in dem der Endabschnitt des rechten Stabilisatorstabelements 122 durch den unteren Abschnitt des flexiblen Zahnrads 192 verläuft, so dass das rechte Stabilisatorstabelement 122 und das flexible Zahnrad 192 zueinander nicht drehbar und axial unbeweglich sind. Das Hohlrad 194 ist im Allgemeinen ringförmig und ist am Gehäuse 174 befestigt. An einem Innenumfang des Hohlrads 194 sind zahlreiche Zähne ausgebildet. Die Zahl der am Innenumfang des Zahnkranzes 194 ausgebildeten Zähne ist geringfügig größer (z. B. um zwei größer) als die Zahl der am Außenumfang des flexiblen Zahnrads 192 ausgebildeten Zähne. Das biegsame Zahnrad 192 ist an seinem zylindrischen Wandabschnitt auf dem Wellengenerator 190 angebracht und elastisch in eine ovale Form verformt. Das flexible Zahnrad 192 kämmt mit dem Hohlrad 194 an zwei Abschnitten, die zu den gegenüberliegenden Enden der Längsachse des Ovals gehören, und greift an anderen Stellen nicht in das Hohlrad 194 ein. Bei einer Umdrehung des Wellengenerators 190 (also nach einer Drehung des Wellengenerators 190 um 360 Grad), anders gesagt nach einer Umdrehung der Motorwelle 186 des Elektromotors 170, werden das flexible Zahnrad 192 und das Hohlrad 194 relativ zueinander um einen Betrag gedreht, der sich aus einem Unterschied zwischen ihnen hinsichtlich der Zahl der Zähne ergibt.
Wenn die Fahrzeugkarosserie in der so konstruierten Stabilisatorvorrichtung 114 aufgrund einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs 10 oder dergleichen eine Kraft erfährt, die einen Abstand zwischen einem der rechten und linken Räder 12 und der Fahrzeugkarosserie und einen Abstand zwischen dem anderen der rechten und linken Räder 12 und der Fahrzeugkarosserie relativ zueinander ändert, wenn nämlich ein Wankmoment auf die Fahrzeugkarosserie ausgeübt wird, wirkt auf das Stellglied 130 eine Kraft, die die rechten und linken Stabilisatorstabelemente 122, 124 zueinander verdreht, genauer gesagt wirkt auf das Stellglied 130 eine externe Eingangskraft, die darauf ausgeübt wird. Wenn das Stellglied 130 als Stellgliedkraft in diesem Fall eine Kraft erzeugt, die aufgrund einer vom Elektromotor 170 erzeugten Motorkraft die extern einwirkende Kraft ausgleicht, wird ein Stabilisatorstab 120 verdrillt, der aus den beiden Stabilisatorstabgliedern 122, 124 besteht. (Die vorstehend erläuterte Motorkraft wird nachstehend als „Rotationsdrehmoment“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint, weil der Elektromotor 170 ein Rotationsmotor ist und daher die vom Elektromotor 170 erzeugte Kraft als ein Rotationsdrehmoment betrachtet wird.) Die elastische Kraft, die durch die Verdrehung des Stabilisators 120 erzeugt wird, wirkt als eine Kraft, die dem Wankmoment entgegenwirkt, also als eine Wankunterdrückungskraft. Indem die Drehposition (Betriebsposition) des Stellglieds 130 aufgrund der Motorkraft verändert wird, wird die relative Drehposition der rechten und linken Stabilisatorstabelemente 122, 124 verändert, so dass die Wankunterdrückungskraft verändert wird, um den Wankbetrag der Fahrzeugkarosserie zu verändern. Somit ist die vorliegende Stabilisatorvorrichtung 114 dazu fähig, die Stabilisatorsteifigkeit zu verändern.
Das Stellglied 130 umfasst in seinem Gehäuse 174 einen Motordrehwinkelsensor 196 zur Erfassung eines Drehwinkels der Motorwelle 186, nämlich eines Motordrehwinkels ψ, der ein Drehwinkel des Elektromotors 170 ist. Der Motordrehwinkelsensor 196 des vorliegenden Stellglieds 130 besteht im Wesentlichen aus einem Encoder. Der Motordrehwinkel ψ wird bei der Steuerung des Stellglieds 130, nämlich bei der Steuerung der Stabilisatorvorrichtung 114, als ein Index verwendet, der einen relativen Drehwinkel (eine relative Drehposition) der rechten und linken Stabilisierungsstangenelemente 122, 124 anzeigt, anders gesagt als ein Index, der einen Bewegungsbetrag, nämlich einen Drehbetrag, des Stellglieds 130 anzeigt.
Wie in 8 dargestellt ist, wird der Elektromotor 170 des Stellglieds 130 von der Batterie 66 mit elektrischer Energie versorgt. Das vorliegende Stabilisatorsystem ist mit einem Konverter 64 zur Erhöhung der von der Batterie 66 gelieferten Spannung ausgestattet. Der Konverter 64 und die Batterie 66 bilden eine Stromquelle. Zwischen dem Konverter 64 und den beiden Stabilisatorvorrichtungen 114 ist eine elektronische Stabilisator-Steuereinheit 140 (nachstehend einfach als „Stabilisator-ECU 140“ bezeichnet, wenn dies geeignet erscheint) angeordnet. Obwohl dies nicht gezeigt wird, enthält die Stabilisator-ECU 140 zwei Inverter, die jeweils als Antriebsschaltungen für die jeweiligen Elektromotoren 170 wirken, sowie einen Computer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM usw. Die Stabilisator-ECU 140 arbeitet als Steuervorrichtung zur Steuerung der Stellglieder 130. Die elektrische Energie wird jedem der beiden Elektromotoren 170 der jeweiligen zwei Stabilisatorvorrichtungen 114 über einen entsprechenden der beiden Inverter der Stabilisator-ECU 140 zugeführt. Jeder Elektromotor 170 wird mit einer konstanten Spannung betrieben. Dementsprechend wird die Menge der zuzuführenden elektrischen Leistung durch Änderung einer Menge des zuzuführenden Stroms geändert, und der Elektromotor 170 erzeugt eine Kraft, die zur Menge des ihm zugeführten Stroms passt. Im Hinblick darauf wird die Menge des zugeführten Stroms so geändert, dass ein Verhältnis zwischen einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit (Tastverhältnis) in PWM (Pulsweitenmodulation) durch den Inverter geändert wird.
Wie in 8 dargestellt wird, sind mit der Stabilisator-ECU 140 der Betätigungsbetrags-Sensor 92 zum Erfassen des Betätigungsbetrags (Betätigungswinkels) δ des Lenkrads 16, das das Lenkbetätigungselement ist, und ein Querbeschleunigungs-Sensor 198 zum Erfassen der tatsächlichen Querbeschleunigung Gy_R, die die tatsächlich in der Fahrzeugkarosserie erzeugte Querbeschleunigung Gy ist, zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Motor-Drehwinkelsensor 196 angeschlossen. Mit der Stabilisator-ECU 140 sind zudem die für die jeweiligen vier Räder 12 vorgesehenen Raddrehzahlsensoren 94 zur Erfassung der jeweiligen Raddrehzahlen vw verbunden. Der Computer der Stabilisator-ECU 140 ist dazu aufgebaut, die Fahrzeuggeschwindigkeit v basierend auf den Erfassungswerten der jeweiligen Raddrehzahlsensoren 94 zu ermitteln.
(b) Steuerung des aktiven Stabilisatorsystems
Wie vorstehend erläutert wurde, umfasst das vorliegende Stabilisatorsystem die beiden Stabilisatorvorrichtungen 114, also die vorderradseitige Stabilisatorvorrichtung 114f und die hinterradseitige Stabilisatorvorrichtung 114r. Die beiden Stabilisatorvorrichtungen 114 werden einzeln von der Stabilisator-ECU 140, die als Steuervorrichtung arbeitet, basierend auf einer vorgegebenen Wanksteifigkeitsverteilung gesteuert. Die beiden Stabilisatorvorrichtungen 114 sind im Wesentlichen identisch aufgebaut. Daher wird für die beiden Stabilisatorvorrichtungen 114 im Wesentlichen die gleiche Regelung durchgeführt. In Anbetracht dessen konzentriert sich die folgende Beschreibung auf eine Stabilisatorvorrichtung 114, unabhängig davon, ob diese Stabilisatorvorrichtung 114 auf der Vorder- oder Hinterradseite angeordnet ist.
i) Grundlegende Steuerung
Die Stabilisator-ECU 140 bestimmt eine Soll-Drehposition des Stellglieds 130 basierend auf einem Indexbetrag des Wankmoments, der das Wankmoment angibt, das die Fahrzeugkarosserie aufnimmt, und die Drehposition des Stellglieds 130 wird so gesteuert, dass sie mit der Solldrehposition übereinstimmt. Der hier verwendete Ausdruck „die Drehposition des Stellglieds 130“ bedeutet den Bewegungsbetrag des Stellglieds 130. Insbesondere wird ein Zustand, in dem kein Wankmoment auf die Fahrzeugkarosserie wirkt, als Referenzzustand definiert, und die Drehposition des Stellglieds 130 im Referenzzustand wird als eine neutrale Position definiert. In diesem Fall bedeutet die Drehposition des Stellglieds 130 den Betrag der Drehung aus der neutralen Position. Anders gesagt bedeutet die Drehposition des Stellglieds 130 einen Verschiebungsbetrag der Betätigungsposition des Stellglieds 130 relativ zur neutralen Position. Außerdem besteht eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Drehposition des Stellglieds 130 und dem Motordrehwinkel des Elektromotors 170. Bei der eigentlichen Steuerung wird daher der Motordrehwinkel ψ anstelle der Drehposition des Stellglieds 130 verwendet. Darüber hinaus ist das Stellglied 130 ein elektrisches Stellglied zur Änderung der Haltung des Fahrzeugs 10, nämlich zur Änderung der Wankhaltung der Fahrzeugkarosserie, und die Stabilisator-ECU 140, die als die Steuervorrichtung arbeitet, steuert den Bewegungsbetrag des Stellglieds 130 als Steuersubjekt. Anders gesagt steuert die Stabilisator-ECU 140 den Motordrehwinkel ψ des Elektromotors 170 als das Steuersubjekt.
Die Steuerung der Stabilisatorvorrichtung 114 wird nachstehend genauer erläutert. Die Querbeschleunigung Gy, die der Indexbetrag des Wankmoments ist, ist ein Faktor, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs 10 bewirkt. Basierend auf der Querbeschleunigung Gy bestimmt die Stabilisator-ECU 140 einen Sollmotordrehwinkel ψ* der ein Sollwert des Motordrehwinkels ψ ist, um eine geeignete Stabilisatorsteifigkeit zu erhalten. Insbesondere schätzt die Stabilisator-ECU 140 die Querbeschleunigung Gy basierend auf dem Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16, der von dem Betätigungsbetragssensor 92 erfasst wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeit v, die basierend auf den Raddrehzahlen vw der jeweiligen Räder 12 geschätzt wird, die von den zugehörigen Raddrehzahlsensoren 94 erfasst werden. (Die so geschätzte Querbeschleunigung Gy wird nachstehend als „geschätzte Querbeschleunigung Gy_E“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint). Die Stabilisator-ECU 140 bestimmt gemäß der nachstehenden Gleichung die Steuerquerbeschleunigung Gy*, also die bei der Steuerung bzw. Regelung zu nutzende Querbeschleunigung Gy, basierend auf der geschätzten Querbeschleunigung Gy_E und der vom Querbeschleunigungssensor 198 erfassten tatsächlichen Querbeschleunigung Gy_R: $Gy * = K_{E} \cdot K_{R} \cdot {Gy}_{R} (K_{E}, K_{R} : Gewichtungskoeffizienten)$
Die Stabilisator-ECU 140 bestimmt den Sollmotordrehwinkel ψ* basierend auf der wie vorstehend erläutert ermittelten Steuerquerbeschleunigung Gy*. Insbesondere bestimmt die Stabilisator-ECU 140 den Sollmotordrehwinkel ψ* so, dass eine geeignete Stabilisatorsteifigkeit entsprechend der Steuerquerbeschleunigung Gy* erhalten wird. Währenddessen erfasst die Stabilisator-ECU 140 über den Drehwinkelsensor 196 einen Ist-Motordrehwinkel ψ, der ein Ist-Wert des Motordrehwinkels ψ ist. Basierend auf einer Motordrehwinkelabweichung Δψ, die eine Abweichung des Ist-Motordrehwinkels ψ vom Sollmotordrehwinkel ψ* ist, bestimmt die Stabilisierungs-ECU 140 einen dem Elektromotor 170 zugeführten Versorgungsstrom Is gemäß einem PID-Regelverfahren. Insbesondere bestimmt die Stabilisator-ECU 140 den zugeführten Strom Is gemäß der folgenden Gleichung, die der vorstehend für das Lenksystem erläuterten ähnelt: $Is = K_{P} \cdot Δψ + K_{D} \cdot d Δψ /dt + K_{I} \cdot \int Δψ dt$
Basierend auf dem wie vorstehend erläutert ermittelten zugeführten Strom Is liefert die Stabilisierungs-ECU 140 über den Inverter einen Strom an den Elektromotor 170.
ii) Stromverringerungsvorgang
In dem vorliegenden Stabilisatorsystem wird ebenfalls ein Stromverringerungsvorgang durchgeführt. Insbesondere wird der Stromverringerungsvorgang für den zugeführten Strom des Stellglieds 130 in einer spezifischen Situation unter Berücksichtigung der Leistungs- und Energieeinsparung ausgeführt. Der in dem vorliegenden Stabilisatorsystem ausgeführte Stromverringerungsvorgang wird nachstehend erläutert.
Wie die Lenk-ECU 20 des vorstehend erläuterten Lenksystems erkennt die Stabilisator-ECU 140 des vorliegenden Stabilisatorsystems, dass sich das Fahrzeug 10 in der spezifischen Situation befindet, und führt den Stromverringerungsvorgang unter Berücksichtigung der Reaktion des Stellglieds 130 usw. aus, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 nicht höher als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist, z.B. 20-30 km/h, und wenn das Fahrzeug 10 automatisiert fährt.
Im Lenksystem gemäß der vorstehend dargestellten ersten Ausführungsform wird der Tiefpassfiltervorgang für den Sollbewegungsbetrag des Stellglieds als Stromverringerungsvorgang ausgeführt. Im vorliegenden Stabilisatorsystem wird eine solche Tiefpassfilterung nicht durchgeführt, sondern nur der Verstärkungsverringerungsvorgang zum Verringern der Proportionaltermverstärkung K_P und der Differentialtermverstärkung K_D, die bei der Bestimmung des zugeführten Stroms Is gemäß der Regelungstechnik verwendet wird. Im vorliegenden Stabilisatorsystem werden jedoch nur eine hohe Verstärkung K_PH und eine geringe Verstärkung K_PL für die Proportionaltermverstärkung KP und nur eine hohe Verstärkung K_DH und eine niedrige Verstärkung K_DL für die Differentialtermverstärkung K_D eingestellt. Die Stabilisierungs-ECU 140 stellt einfach die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D auf die hohe Verstärkung K_PH bzw. die hohe Verstärkung K_DH ein, wenn sich das Fahrzeug 10 nicht in der bestimmten Situation befindet, und stellt einfach die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D auf die geringe Verstärkung K_PL bzw. die geringe Verstärkung K_DL ein, wenn sich das Fahrzeug 10 in der bestimmten Situation befindet. Bei der Verstärkungsverringerung des vorliegenden Stabilisatorsystems werden die Proportionaltermverstärkung KP und die Differentialtermverstärkung K_D nicht schrittweise abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v zwischen der hohen Verstärkung K_PH und der geringen Verstärkung K_PL bzw. zwischen der hohen Verstärkung K_DH und der geringen Verstärkung K_DL verändert, im Gegensatz zum vorstehend erläuterten Verstärkungsverringerungsvorgang im Lenksystem. Der so im vorliegenden Stabilisatorsystem durchgeführte Stromverringerungsvorgang erzielt auch eine angemessene Strom- und Energieeinsparung.
Im vorliegenden Stabilisatorsystem ist der Drehwinkel des Elektromotors 170 des Stellglieds 130 das Steuerziel. Obwohl dies nicht genau erläutert wird, kann ein Tiefpassfiltervorgang ähnlich dem Tiefpassfiltervorgang, der im vorstehend erläuterten Lenksystem ausgeführt wird, als Stromverringerungsvorgang für den Solldrehwinkel ψ* des Motors ausgeführt werden, der der Sollwert des Steuersubjekts ist. Wie bei der Verstärkungsverringerung des vorstehend erläuterten Lenksystems können die Proportionaltermverstärkung KP und die Differentialtermverstärkung K_D abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v zwischen der hohen Verstärkung K_PH und der geringen Verstärkung K_PL bzw. zwischen der hohen Verstärkung K_DH und der geringen Verstärkung K_DL bei der Verstärkungsverringerung des vorliegenden Stabilisatorsystems schrittweise geändert werden.
Im Lenksystem gemäß der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform werden die Funktionen der Lenk-ECU 20, die die Steuervorrichtung ist, anhand des Blockschaubilds erläutert. Die Funktionen der Stabilisator-ECU 140 des vorliegenden Stabilisatorsystems, die die Steuervorrichtung ist, sind denen der Lenk-ECU 20 ähnlich, und eine Erläuterung der Funktionen der Stabilisator-ECU 140 anhand eines Blockschaubilds wird weggelassen.
iii) Steuerablauf
Der Computer der Stabilisator-ECU 140 führt ein durch einen Ablaufplan in 11 dargestelltes Stabilisatorsteuerprogramm in einem kurzen Zeitraster bzw. kurzen Zeitabständen von beispielsweise einigen bis -zig Millisekunden wiederholt aus, so dass die vorstehend erläuterte Steuerung der Stabilisatorvorrichtung 114 erfolgt. Der Ablauf der Verarbeitung gemäß dem Stabilisatorsteuerprogramm wird anhand des Ablaufplans kurz erläutert.
Bei der Verarbeitung gemäß dem Stabilisatorsteuerprogramm beginnt der Steuerablauf mit S21, um die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 basierend auf der Raddrehzahlen vw der jeweiligen Räder 12 zu schätzen, die von den entsprechenden Raddrehzahlsensoren 94 erfasst werden. In S22 wird der Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16 über den Betätigungsbetragssensor 92 erfasst. In S23 wird die geschätzte Querbeschleunigung Gy_E basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit v und dem Betätigungsbetrag δ ermittelt. In S24 wird die tatsächliche Querbeschleunigung Gy_R durch den Querbeschleunigungssensor 198 erfasst. In S25 wird die Steuerquerbeschleunigung Gy* wie vorstehend erläutert basierend auf der geschätzten Querbeschleunigung Gy_E und der tatsächlichen Querbeschleunigung Gy_R bestimmt.
In S26 wird der Sollmotordrehwinkel ψ* basierend auf der wie vorstehend erläutert bestimmten Steuer-Querbeschleunigung Gy* bestimmt. In S27 wird der Istmotordrehwinkel ψ durch den Drehwinkelsensor 196 erfasst.
In S28 wird bestimmt, ob das Fahrzeug 10 automatisiert fährt. Wird das Fahrzeug 10 manuell gefahren, geht der Steuerablauf zu S29 weiter, um festzustellen, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist. Wird festgestellt, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit v höher ist als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH, geht der Steuerablauf zu S30 weiter, in dem die Proportionaltermverstärkung KP und die Differentialtermverstärkung K_D auf die hohe Verstärkung K_PH bzw. die hohe Verstärkung K_DH eingestellt werden. Wird festgestellt, dass das Fahrzeug 10 automatisiert fährt, und wird bei S29 festgestellt, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist, geht der Steuerablauf zu S31 weiter, in dem die Proportionaltermverstärkung K_P und die Differentialtermverstärkung K_D jeweils auf die geringe Verstärkung K_PL und die geringe Verstärkung K_DL gesetzt werden.
Bei S32 wird die Motordrehwinkelabweichung Δψ bestimmt, die die Abweichung des Istmotordrehwinkels ψ vom Sollmotordrehwinkel ψ* ist, und der zum Elektromotor 170 des Stellglieds 130 zugeführte Strom Is wird basierend auf der Motordrehwinkelabweichung Δψ, der Proportionaltermverstärkung K_P, der Differentialtermverstärkung K_D und der Integraltermverstärkung K_I gemäß dem PID-Regelgesetz bestimmt. In S33 wird der ermittelte zugeführte Strom Is über den Inverter an den Elektromotor 170 geliefert. Damit ist eine Ausführung des Stabilisatorsteuerprogramms beendet.
3. Aktives Federungs-bzw. Radaufhängungssystem (dritte Ausführungsform)
Nachstehend wird ein adaptives Fahrwerk bzw. aktives Aufhängungssystem (nachstehend einfach als „Aufhängungssystem“ bezeichnet) erläutert, das ein System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens gemäß einer dritten Ausführungsform ist. Das vorliegende Aufhängungssystem wird in dem Fahrzeug 10 montiert, in dem auch das vorstehend erläuterte Lenksystem und das Stabilisatorsystem vorgesehen sind.
(a) Aufbau des aktiven Aufhängungssystems
Wie in 12 dargestellt wird, umfasst das Aufhängungssystem gemäß der dritten Ausführungsform vier Aufhängungsvorrichtungen 220, die jeweils für vier Räder 12 vorgesehen sind, also für das rechte und das linke Vorderrad 12 und das rechte und das linke Hinterrad 12, sowie ein Steuersystem, das zur Steuerung der vier Aufhängungsvorrichtungen 220 aufgebaut ist. Die Aufhängungsvorrichtungen 220 für die Vorderräder, die lenkbare Räder sind, und die Aufhängungsvorrichtungen 220 für die Hinterräder, die nicht lenkbare Räder sind, können mit Ausnahme eines Mechanismus, der es ermöglicht, die Räder 12 zu lenken, als identisch aufgebaut angesehen werden. Es wird daher ein Aufbau jeder Aufhängungsvorrichtung 220 beschrieben, der sich auf eine der Aufhängungsvorrichtungen 220 für die Hinterräder konzentriert.
i) Aufbau der Aufhängungsvorrichtung
Wie in 13 dargestellt wird, handelt es sich bei der Aufhängungsvorrichtung 220 um eine Einzelradaufhängung und eine Mehrlenkeraufhängung. Die Aufhängungsvorrichtung 220 umfasst einen ersten oberen Arm 230, einen zweiten oberen Arm 232, einen ersten unteren Arm 234, einen zweiten unteren Arm 236 und einen Spurlenker 238, die jeweils Aufhängungsarme sind. Ein Ende jedes der fünf Arme 230, 232, 234, 236, 238 ist schwenkbar mit der Fahrzeugkarosserie verbunden, und das andere Ende jedes der fünf Arme 230, 232, 234, 236, 238 ist schwenkbar mit einem Achsträger 240 verbunden, der das Rad 12 drehbar hält. Die fünf Arme 230, 232, 234, 236, 238 ermöglichen eine Auf- und Abwärtsbewegung des Achsträgers 240 relativ zur Fahrzeugkarosserie entlang einer konstanten Ortskurve.
Die Aufhängungsvorrichtung 220 umfasst: zwei in Reihe angeordnete Schraubendruckfedern 246, 248; ein elektromagnetisches Stellglied 250 (nachstehend einfach als „Stellglied 250“ bezeichnet), bei dem es sich um ein elektrisches Stellglied handelt; und einen hydraulischen Dämpfer bzw. Stoßdämpfer 252. Die beiden Schraubenfedern 246, 248 wirken zusammen als Druckfeder, die einen gefederten Teil und einen ungefederten Teil elastisch miteinander verbindet. Das Stellglied 250 wirkt als ein Stoßdämpfer. Das Stellglied 250 ist zwischen einem Montageabschnitt 254, der in einem Radhaus vorgesehen ist, und dem zweiten Unterarm 236 angeordnet. Der Montageabschnitt 254 ist ein Bestandteil des gefederten Teils, während der zweite untere Arm 236 ein Bestandteil des ungefederten Teils ist.
ii) Aufbau des elektromagnetischen Stellglieds
Wie in 14 dargestellt ist, umfasst das Stellglied 250 der Aufhängungsvorrichtung 220 ein Außenrohr 260 und ein Tauch- bzw. Innenrohr 262, das im Außenrohr 260 so angeordnet ist, dass es sich von einem oberen Endabschnitt des Außenrohrs 260 nach oben erstreckt. Wie später genau erläutert wird, ist das Außenrohr 260 mit dem zweiten Unterarm 236 über einen Kopplungsmechanismus 264 gekoppelt, der die Schraubendruckfeder 248 als ein wesentliches Element enthält. Das Innenrohr 262 ist an seinem oberen Endabschnitt mit dem Befestigungsabschnitt 254 verbunden.
Das Außenrohr 260 weist ein Paar von Führungsnuten 266 auf, die an seiner Innenwandfläche so ausgebildet sind, dass sie in der axialen Richtung des Stellglieds 250 verlaufen, während das Innenrohr 262 ein Paar von Keilen 268 aufweist, die an seinem unteren Endabschnitt angebracht sind. Das Paar von Keilen 268 wird in Eingriff mit dem Paar von Führungsnuten 266 gehalten, wodurch das äußere Rohr 260 und das innere Rohr 262 relativ zueinander in Axialrichtung beweglich sind, während sie relativ zueinander unverdrehbar sind. Eine Staubdichtung 270 ist am oberen Endabschnitt des Außenrohrs 260 angebracht, um das Eindringen von Staub, Schlamm usw. von außen zu verhindern.
Das Stellglied 250 umfasst eine hohle Außengewindestange 272, eine Mutter 274, die Lagerkugeln hält und mit der Gewindestange 272 in Gewindeeingriff steht, und einen Elektromotor 276.
Der Elektromotor 276 ist fixiert in einem Motorgehäuse 278 untergebracht. Das Motorgehäuse 278 ist an seinem Flanschabschnitt an der Oberseite des Montageabschnitts 254 so befestigt, dass das Motorgehäuse 278 an dem Montageabschnitt 254 fixiert ist. Der obere Endabschnitt des Innenrohrs 262, der wie ein Flansch geformt ist, ist am Flanschabschnitt des Motorgehäuses 278 befestigt. Somit ist das Innenrohr 262 fest mit dem Montageabschnitt 254 verbunden.
Eine Motorwelle 280, die eine drehende Welle des Elektromotors 276 ist, ist eine Hohlwelle. Die Motorwelle 280 ist einstückig mit einem oberen Endabschnitt der Gewindestange 272 verbunden. Das heißt, die Gewindestange 272 ist im Innenrohr 262 so angeordnet, dass sie durchgängig von der Motorwelle 280 weg verläuft. Auf die Gewindestange 272 wirkt die Drehkraft des Elektromotors 276. Ein zylindrisches Stützelement 282 ist an einem inneren Bodenabschnitt des Außenrohrs 260 so befestigt, dass die Gewindestange 272 im zylindrischen Stützelement 282 angeordnet ist. Die Mutter 274 ist an einem oberen Endabschnitt des zylindrischen Stützelements 282 befestigt. Die Gewindestange 272 steht in Gewindeeingriff mit der Mutter 274, die am zylindrischen Stützelement 282 befestigt ist. Die Gewindestange 272 und die Mutter 274 bilden einen Schraubmechanismus 284.
Das wie vorstehend erläutert aufgebaute Stellglied 250 umfasst eine gefederte Einheit 286, die das Innenrohr 262, das Motorgehäuse 278, den Elektromotor 276, die Gewindestange 272 usw. umfasst, und eine ungefederte Einheit 288, die das Außenrohr 260, das zylindrische Trägerelement 282, die Mutter 274 usw. umfasst. In dem so aufgebauten Stellglied 250 bewirkt eine Relativbewegung des gefederten Abschnitts und des ungefederten Abschnitts, dass sich die gefederte Einheit 286 und die ungefederte Einheit 288 relativ zueinander bewegen, und dass die Gewindestange 272 und der Elektromotor 276 gedreht werden. Ferner übt der Elektromotor 276 die Drehkraft auf die Gewindestange 272 aus, so dass das Stellglied 250 eine Stellgliedkraft erzeugt, die eine Kraft in Bezug auf die Relativbewegung der gefederten Einheit 286 und der ungefederten Einheit 288 ist. Die Stellgliedkraft wirkt über die Schraubendruckfeder 248 auf den gefederten Teil und den ungefederten Teil.
iii) Aufbau des Dämpfers
Der Dämpfer 252 der Aufhängungsvorrichtung 220 ist als eine Zylindervorrichtung ausgebildet. Der Dämpfer 252 ist zwischen dem Stellglied 250 und dem zweiten unteren Arm 236 angeordnet. Der Dämpfer 252 umfasst ein allgemein zylindrisches Gehäuse 290, das mit dem zweiten unteren Arm 236 an einem Verbindungsabschnitt 292 verbunden ist, der fest an einem unteren Endabschnitt des Gehäuses 290 vorgesehen ist. Das Gehäuse 290 speichert ein Arbeitsmedium in seinem Inneren. Ein Kolben 294 ist im Gehäuse 290 angeordnet, um den Innenraum des Gehäuses 290 in zwei Fluidkammern zu unterteilen, nämlich eine obere Fluidkammer 296 und eine untere Fluidkammer 298. Der Kolben 294 ist relativ zum Gehäuse 290 verschiebbar.
Der Dämpfer 252 umfasst eine Kolbenstange 300, die an ihrem unteren Ende mit dem Kolben 294 verbunden ist und durch einen Deckelabschnitt des Gehäuses 290 verläuft. Die Kolbenstange 300 erstreckt sich durch eine am Boden des Außenrohrs 260 ausgebildete Öffnung und erstreckt sich auch durch die Gewindestange 272 und die Motorwelle 280 derart, dass die Kolbenstange 300 an ihrem oberen Ende am Motorgehäuse 278 befestigt ist.
Der Dämpfer 252 weist eine Struktur auf, die der eines Stoßdämpfers vom Doppelrohrtyp ähnelt. Wie in 15 dargestellt ist, weist das Gehäuse 290 des Dämpfers 252 eine Doppelrohrstruktur auf, die aus einem äußeren zylindrischen Element 302 und einem inneren zylindrischen Element 304 besteht, zwischen denen eine Pufferkammer 306 gebildet ist. Eine Trennwand 308 ist in der Nähe eines inneren Bodenteils des Gehäuses 290 vorgesehen, um eine Hilfsfluidkammer 312 zu definieren, die mit der Pufferkammer 306 über eine Verbindungsöffnung 310 in Verbindung steht. Das heißt, dass die untere Fluidkammer 298 und die Pufferkammer 306 über die Hilfsfluidkammer 312 miteinander in Verbindung gehalten werden.
Der Kolben 294 umfasst eine Vielzahl von Verbindungskanälen 314, 316 (von denen zwei in 15 dargestellt sind), die in Dickenrichtung durch den Kolben 294 gebildet sind und in axialer Richtung verlaufen. Die obere Fluidkammer 296 und die untere Fluidkammer 298 werden durch die Verbindungskanäle 314, 316 miteinander in Verbindung gebracht. An der Unterseite bzw. der Oberseite des Kolbens 294 sind scheibenförmige Ventilelemente 318, 320 aus einem elastischen Material angebracht. Das Ventilelement 318 verschließt die Öffnungen der Verbindungskanäle 314, die näher an der unteren Fluidkammer 298 liegen, und das Ventilelement 320 verschließt die Öffnungen der Verbindungskanäle 316, die näher an der oberen Fluidkammer 296 liegen.
Wie der Kolben 294 umfasst die Trennwand 308 eine Vielzahl von Verbindungskanälen 322, 324 (von denen zwei in 15 dargestellt sind), die in Dickenrichtung durch die Trennwand 308 hindurch verlaufen. Die untere Fluidkammer 298 und die Hilfsfluidkammer 312 werden durch die Verbindungskanäle 322, 324 miteinander in Verbindung gebracht. An der Unterseite und der Oberseite der Trennwand 308 sind jeweils scheibenförmige Ventilelemente 326, 328 aus einem elastischen Material angebracht. Das Ventilelement 326 verschließt Öffnungen der Verbindungskanäle 322, die näher an der Hilfsfluidkammer 312 liegen, und das Ventilelement 328 verschließt Öffnungen der Verbindungskanäle 324, die näher an der unteren Fluidkammer 298 liegen.
Wird der Kolben 294 im Gehäuse 290 nach oben bewegt, fließt das Arbeitsfluid in der oberen Fluidkammer 296 durch die Verbindungskanäle 314 teilweise in die untere Fluidkammer 298, und das Arbeitsfluid in der Pufferkammer 306 fließt teilweise durch die Verbindungskanäle 324 in die untere Fluidkammer 298. In diesem Fall fließt das Arbeitsfluid in die untere Fluidkammer 298, während es das Ventilelement 318 und das Ventilelement 328 auslenkt, so dass gegen die Aufwärtsbewegung des Kolbens 294 ein Widerstand wirkt. Wird der Kolben 294 im Gehäuse 290 nach unten bewegt, fließt das Arbeitsfluid in der unteren Fluidkammer 298 teilweise durch die Verbindungskanäle 316 in die obere Fluidkammer 296, während es durch die Verbindungskanäle 322 in die Pufferkammer 306 fließt. In diesem Fall fließt das Arbeitsfluid aus der unteren Fluidkammer 298, während das Ventilelement 320 und das Ventilelement 326 ausgelenkt werden, so dass ein Widerstand gegen die Abwärtsbewegung des Kolbens 294 wirkt.
Der so konstruierte Dämpfer 252 ermöglicht eine Fluidverbindung zwischen der oberen Fluidkammer 296 und der unteren Fluidkammer 298 sowie zwischen der unteren Fluidkammer 298 und der Pufferkammer 306 aufgrund der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens 294 relativ zum Gehäuse 290. Der so konstruierte Dämpfer 252 umfasst einen Mechanismus zum Aufbringen eines Strömungswiderstandes, um der Fluidverbindung einen Widerstand entgegenzusetzen. Das bedeutet, dass der Dämpfer 252 dazu aufgebaut ist, eine Widerstandskraft gegen die Relativbewegung des gefederten Abschnitts und des ungefederten Abschnitts zu erzeugen, nämlich eine Dämpfungskraft gegen die Relativbewegung.
iv) Aufbauten der Aufhängungsfeder und des Kupplungsmechanismus
Ein unterer Federsitz 340 in Form eines Flansches ist an der äußeren Umfangsfläche des Gehäuses 290 angebracht. Ein mittlerer Federsitz 342, der wie ein Flansch geformt ist, ist an der Außenumfangsfläche des Außenrohrs 260 befestigt. Die Schraubendruckfeder 248 ist im zusammengedrückten Zustand so angeordnet, dass sie zwischen dem unteren Federsitz 340 und dem mittleren Federsitz 342 eingebettet ist. Ein oberer Federsitz 346 ist über ein schwingungsdämpfendes Gummi 344 an der Unterseite des Befestigungsabschnitts 254 befestigt. Die Schraubendruckfeder 246 ist in einem zusammengedrückten Zustand so eingebaut, dass sie zwischen dem mittleren Federsitz 342 und dem oberen Federsitz 346 liegt.
Die Schraubendruckfeder 246 arbeitet als eine Kupplungsfeder, die den gefederten Abschnitt und die ungefederte Einheit 288 elastisch koppelt, und die Schraubendruckfeder 248 arbeitet als Stützfeder, durch die die ungefederte Seiteneinheit 288 durch den ungefederten Abschnitt elastisch gestützt wird. Somit wirken die Schraubendruckfeder 246 und die Schraubendruckfeder 248 zusammen, um als Federung zur elastischen Kopplung des gefederten Abschnitts und des ungefederten Abschnitts zu wirken. Ferner ist die Schraubendruckfeder 248 ein Bestandteil des Kopplungsmechanismus 264 zur elastischen Kopplung des ungefederten Abschnitts und der ungefederten Einheit 288.
In der vorliegenden Aufhängungsvorrichtung 220 ist die gefederte Einheit 286 des Stellglieds 250 fest als eine feste Einheit mit dem gefederten Abschnitt gekoppelt, der ein Einheitsbefestigungsabschnitt ist, während die ungefederte Einheit 288 des Stellglieds 250 schwimmend als eine abgestützte Einheit vom ungefederten Abschnitt gelagert wird, der ein Abschnitt zum abstützenden Lagern der Einheit ist. In der vorliegenden Aufhängungsvorrichtung 220 wird die ungefederte Einheit 288 auch durch den gefederten Abschnitt über die Schraubendruckfeder 246 schwimmend gelagert.
Der Kopplungsmechanismus 264 ermöglicht eine Bewegung der ungefederten Einheit 288 relativ zum ungefederten Abschnitt. Eine Relativverschiebung der ungefederten Einheit 288 und des ungefederten Abschnitts bei deren Relativbewegung wird durch einen Mechanismus 350 zur Begrenzung der Relativverschiebung des Kopplungsmechanismus 264 begrenzt. Der Mechanismus 350 zur Begrenzung der Relativverschiebung wird aus dem unteren Abschnitt des Außenrohrs 260, dem oberen Endabschnitt des Gehäuses 290 des Dämpfers 252, einer zylindrischen Schürze 352, die an dem unteren Abschnitt des Außenrohrs 260 befestigt ist, einem Anschlagring 354, der an dem äußeren Umfangsabschnitt des Gehäuses 290 befestigt ist, und dergleichen gebildet.
Wenn sich die ungefederte Einheit 288 in Richtung des ungefederten Abschnitts bewegt, kommt genauer gesagt der untere Abschnitt des Außenrohrs 260 über einen Dämpfungsgummi 356 mit dem oberen Endabschnitt des Gehäuses 290 des Dämpfers 252 in Kontakt, so dass die Bewegung der ungefederten Einheit 288 hin zum ungefederten Abschnitt begrenzt wird. Wenn sich die ungefederte Einheit 288 vom ungefederten Abschnitt wegbewegt, kommt der untere Endabschnitt der Schürze 352, der wie ein nach innen gerichteter Flansch geformt ist, über ein Dämpfungsgummi 358 in Kontakt mit dem Anschlagring 354, so dass die Bewegung der ungefederten Einheit 288 vom ungefederten Abschnitt weg begrenzt ist.
v) Aufbau des Steuersystems
Wie in 12 dargestellt wird, umfasst das Aufhängungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine elektronische Aufhängungs-bzw. Federungssteuereinheit 370 (nachstehend gegebenenfalls als „Federungs-ECU 370“ abgekürzt), bei der es sich um eine Steuerung handelt, die dazu aufgebaut ist, als Steuersubjekt die Bewegung jedes der vier Stellglieder 250 zu steuern, nämlich die Stellgliedkraft jedes Stellglieds 250. Die Federungs-ECU 370 umfasst hauptsächlich einen Computer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM usw. Die Federungs-ECU 370 umfasst vier Inverter, von denen jeder eine Antriebsschaltung für den Elektromotor 276 eines zugehörigen Stellglieds 250 ist. Jeder Inverter ist über den Wandler 64 mit der als Stromquelle dienenden Batterie 66 und mit dem Elektromotor 276 des entsprechenden Stellglieds 250 verbunden. Jeder Elektromotor 276 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor und wird mit einer konstanten Spannung betrieben. Das Steuern der Betätigungskraft für jedes Stellglied 250 erfolgt durch Steuern eines durch den zugehörigen Elektromotor 276 fließenden Stroms. Der durch den Elektromotor 276 fließende Strom wird durch Ändern des Verhältnisses zwischen einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit (Tastverhältnis) in PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuert. Der Drehwinkel φ eines jeden Elektromotors 276 wird von einem entsprechenden Motordrehwinkelsensor 378 erfasst. Der Inverter steuert den Betrieb des entsprechenden Elektromotors 76 basierend auf dem erfassten Motordrehwinkel φ.
Zusätzlich zu den vier Motordrehwinkelsensoren 378 sind die folgenden Sensoren mit der Federungs-ECU 370 verbunden: der Betätigungsbetragssensor 92 zum Erfassen des Betätigungsbetrags (Betätigungswinkels) δ des Lenkrads 16, das das Lenkbetätigungselement ist; der Querbeschleunigungssensor 198 zum Erfassen der tatsächlichen Querbeschleunigung Gy_R, die die tatsächlich im Fahrzeugaufbau erzeugte Querbeschleunigung Gy ist; und ein Längsbeschleunigungssensor 384 zum Erfassen der im Fahrzeugaufbau erzeugten Längsbeschleunigung Gx. Ferner sind mit der Federungs-ECU 370 verschiedene Sensoren verbunden, die so vorgesehen sind, dass sie zu den vier Aufhängungsvorrichtungen 220 passen, wie z.B. Sensoren 386 für die gefederte vertikale Beschleunigung, die jeweils die gefederte Beschleunigung Gu erfassen, die eine vertikale Beschleunigung des gefederten Abschnitts ist; Sensoren 388 für die ungefederte vertikale Beschleunigung, die jeweils die ungefederte Beschleunigung G_L erfassen, die eine vertikale Beschleunigung des ungefederten Abschnitts ist; Hubsensoren 390, die jeweils eine Hubgröße S erfassen, die einem Abstand zwischen dem gefederten Abschnitt und dem ungefederten Abschnitt entspricht. Ferner sind die vier Raddrehzahlsensoren 94, die für die jeweiligen vier Räder 12 vorgesehen sind, um die Drehzahlen der entsprechenden Räder 12 zu erfassen, mit der Federungs-ECU 370 verbunden. Die Federungs-ECU 370 ist dazu aufgebaut, dass sie die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 10 ist, basierend auf den Erfassungswerten der vier Raddrehzahlsensoren 94 erfasst.
Im Steuersystem des vorliegenden Federungssystems steuert die Federungs-ECU 370 den Strom, der dem Elektromotor 276 jedes Stellglieds 250 zugeführt wird, basierend auf Signalen, die von den vorstehend erläuterten Sensoren übertragen werden, um dadurch die Bewegung jedes Stellglieds 250, nämlich die Stellgliedkraft jedes Stellglieds 250, zu steuern.
(b) Steuerung des elektromagnetischen Stellglieds
Die Federungs-ECU 370 des vorliegenden Aufhängungssystems steuert die Stellglieder 250 der jeweiligen vier Aufhängungsvorrichtungen 220, um dadurch die folgenden zwei Steuerungen bzw. Regelungen auszuführen. Insbesondere führt die Federungs-ECU 370 eine Federschwingungsdämpfungssteuerung zur Dämpfung einer Schwingung des gefederten Abschnitts und eine Steuerung zum Unterdrücken einer Karosseriestellungsänderung aus, um Nicken und Rollen der Fahrzeugkarosserie zu unterdrücken. In Anbetracht der Bedeutung der Steuerung zum Unterdrücken der Karosseriestellung kann das Stellglied 250 als ein elektrisches Stellglied zur Änderung der Fahrzeugstellung betrachtet werden. Die vier Stellglieder 250 sind in Aufbau und Funktion im Wesentlichen identisch. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die Steuerung der vier Stellglieder 250 jeweils vergleichbar ist. Dementsprechend konzentriert sich die folgende Beschreibung auf die Steuerung des Stellglieds 250 einer Aufhängungsvorrichtung 220.
i) Regelung der Feder-Schwingungsdämpfung
16A veranschaulicht ein Schwingungsmodell, das auf einem realen Vorrichtungsaufbau der Aufhängungsvorrichtung 220 basiert (nachstehend als „reales Vorrichtungsmodell“ bezeichnet, wenn dies geeignet erscheint). Das Schwingungsmodell umfasst eine gefederte Masse Mu, bei der es sich um eine träge Masse des gefederten Teils handelt, eine ungefederte Masse M_L, bei der es sich um eine träge Masse des ungefederten Teils handelt, und eine Zwischenmasse M_I, bei der es sich um eine träge Masse hinsichtlich der Bewegung der ungefederten Einheit 288 des Stellglieds 250 handelt, die später erläutert wird. In diesem Modell ist zwischen der gefederten Masse Mu und der ungefederten Masse M_L ein Dämpfer angeordnet, der dem Dämpfer 252 entspricht, also ein Dämpfer C₁, dessen Dämpfungskoeffizient C₁ ist. Ferner sind zwischen der gefederten Masse Mu und der Zwischenmasse M_I eine Feder, die der Schraubendruckfeder 246 entspricht, also eine Feder K₁, deren Federkonstante K₁ ist, und ein Stellglied A angeordnet, das zum Stellglied 250 passt, so dass die Feder K₁ und das Stellglied A parallel zueinander angeordnet sind. Zudem ist zwischen der Zwischenmasse M_I und der ungefederten Masse M_L eine Feder angeordnet, die der Schraubendruckfeder 248 entspricht, also eine Feder K₂, deren Federkonstante K₂ ist. Ferner ist zwischen der ungefederten Masse ML und der Fahrbahnoberfläche eine Feder angeordnet, die dem Reifen entspricht, also eine Feder K₃, deren Federkonstante K₃ ist.
16B zeigt ein Steuermodell, das ein theoretisches Modell zur Steuerung des Stellglieds 250 darstellt. In diesem Steuermodell ist die gefederte Masse Mu an einem Skyhook-Dämpfer Cs aufgehängt, dessen Dämpfungskoeffizient Cs ist. Das heißt, das Steuermodell basiert auf einer Skyhook-Dämpfer-Theorie.
Bei der Steuerung der Schwingungsdämpfung für die gefederte Masse wird das Stellglied 250 gemäß dem Steuermodell mit dem Skyhook-Dämpfer Cs so gesteuert, dass die vom Stellglied A im realen Vorrichtungsmodell erzeugte Stellgliedkraft gleich der vom Skyhook-Dämpfer Cs im Steuermodell erzeugten Dämpfungskraft wird. Genauer gesagt wird eine Geschwindigkeit vu der gefederten Masse, die eine Bewegungsgeschwindigkeit (Absolutgeschwindigkeit) des gefederten Abschnitts ist, basierend auf der (nachstehend, wenn dies geeignet erscheint, als „Federbeschleunigung Gu“ bezeichneten) vertikalen Beschleunigung Gu des gefederten Abschnitts berechnet, die vom Sensor 386 für die gefederte vertikale Beschleunigung erfasst wird, und der Betrieb des Elektromotors 276 wird so gesteuert, dass das Stellglied 250 als eine Komponente Fu zur Dämpfung der Federschwingung die Stellgliedkraft basierend auf der nachstehenden Gleichung erzeugt, nämlich die Stellgliedkraft mit einer Größe, die zur Geschwindigkeit vu der gefederten Masse passt. $F_{U} = C_{S} \cdot v_{U}$
Der Dämpfungskoeffizient Cs kann als eine Regelverstärkung betrachtet werden. Der Dämpfungskoeffizient Cs wird auf einen Wert eingestellt, der dazu geeignet ist, Schwingungen bei der und um die Resonanzfrequenz der gefederten Masse wirksam zu dämpfen. Im vorliegenden Aufhängungssystem behandelt der Dämpfer 252 ein Resonanzphänomen des ungefederten Abschnitts. Das bedeutet, dass der Dämpfungskoeffizient C₁ des Dämpfers C₁ im realen Vorrichtungsmodell und im vorstehend erläuterten Steuermodell, nämlich der Dämpfungskoeffizient des Dämpfers 252, auf einen Wert eingestellt wird, der geeignet ist, Schwingungen bei der und um die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse wirksam zu dämpfen.
ii) Steuerung zur Unterdrückung von Änderungen der Karosseriestellung
Im vorliegenden Aufhängungssystem wird die Steuerung zur Unterdrückung von Änderungen der Karosseriestellung zusätzlich zur Steuerung der Dämpfung der Federschwingung ausgeführt, um das Wanken der Fahrzeugkarosserie, das beim Kurvenfahren des Fahrzeugs auftritt, und das Nicken der Fahrzeugkarosserie, das beim Beschleunigen und Abbremsen des Fahrzeugs auftritt, zu verringern. Bei der Steuerung zur Unterdrückung von Änderungen der Karosseriestellung erzeugt das Stellglied 250 eine Kraft gegen das Wankmoment, das auf die Fahrzeugkarosserie als Ursache für das Wanken der Fahrzeugkarosserie wirkt, und eine Kraft gegen das Nickmoment, das auf die Fahrzeugkarosserie als Ursache für das Nicken der Fahrzeugkarosserie wirkt.
Zur Abschwächung des Wankens der Fahrzeugkarosserie wird die Steuerung zur Unterdrückung von Änderungen der Karosseriestellung wie folgt ausgeführt. Jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen zwei Aufhängungsvorrichtungen 220, die sich auf der Innenseite der Kurve des Fahrzeugs befinden, wird so gesteuert, dass es passend zum Wankmoment die Stellglied kraft in einer Richtung erzeugt, in der sich der gefederte Abschnitt und der ungefederte Abschnitt aufeinander zu bewegen (nachstehend als „Einfederrichtung“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint), und jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen beiden Aufhängungsvorrichtungen 220, die sich auf der Außenseite der Kurve des Fahrzeugs befinden, wird gesteuert, um passend zum Wankmoment die Stellgliedkraft in einer Richtung zu erzeugen, in der sich der gefederte Abschnitt und der ungefederte Abschnitt voneinander weg bewegen (nachstehend als „Ausfederrichtung“ bezeichnet, wo dies geeignet erscheint). Jede Stellgliedkraft wird als eine Wankunterdrückungskomponente F_R erzeugt, die eine Art einer Komponente zur Unterdrückung von Änderungen der Stellung ist.
Genauer gesagt wird die Steuerquerbeschleunigung Gy* gemäß der nachstehenden Gleichung basierend auf i) der geschätzten Querbeschleunigung Gy_E, die basierend auf dem Betätigungsbetrag δ des Lenkrads 16 und der Fahrzeuggeschwindigkeit v erhalten wird, und ii) der tatsächlichen Querbeschleunigung Gy_R, die durch den Querbeschleunigungssensor 198 erfasst wird, durch eine Technik bestimmt, die derjenigen für das vorstehend erläuterte Stabilisatorsystem ähnelt. $Gy * = K_{E} \cdot {Gy}_{E} + KR \cdot {Gy}_{R} (K_{E}, K_{R} : Gewichtungskoeffizienten)$
Die so ermittelte Steuerquerbeschleunigung Gy* ist ein Indexbetrag für das Wankmoment, der das auf die Fahrzeugkarosserie wirkende Wankmoment angibt. Ausgehend von der Steuerquerbeschleunigung Gy_* wird die Wankunterdrückungskomponente F_R gemäß der nachstehenden Gleichung bestimmt: $F_{R} = K_{Y} \cdot Gy * (K_{Y} : Wankunterdr \ddot{u} ckungsverst \ddot{a} rkung)$
Die Wankunterdrückungskomponente F_R ist eine Komponente der Stellgliedkraft. Die Wankunterdrückungskomponente F_R ist das Steuersubjekt des Stellglieds 250. Zudem ist die Querbeschleunigung Gy ein Faktor, der eine Änderung der Stellung bzw. Haltung des Fahrzeugs 10 bewirkt. Die Federungs-ECU 370 bestimmt die Wankunterdrückungskomponente F_R als den Sollwert des Steuersubjektes basierend auf der Querbeschleunigung Gy, die ein Faktor ist, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs 10 bewirkt.
Um die Neigung der Fahrzeugkarosserie zu verringern, wird die Steuerung zur Unterdrückung von Stellungsänderungen der Karosserie wie folgt ausgeführt. Für das Abtauchen der Vorderseite der Fahrzeugkarosserie, das beim Abbremsen der Fahrzeugkarosserie erzeugt wird, wird jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen zwei vorderradseitigen Aufhängungsvorrichtungen 220 gesteuert, um passend zum Nickmoment die Stellgliedkraft in der Ausfederrichtung zu erzeugen, und jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen zwei hinterradseitigen Aufhängungsvorrichtungen 220 wird gesteuert, um passend zum Nickmoment die Stellgliedkraft in der Ausfederrichtung zu erzeugen. Jede Stellgliedkraft wird als eine Nickunterdrückungskomponente F_P erzeugt. Für eine bei der Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie erzeugte Schräglage der Fahrzeugkarosserie wird jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen beiden hinterradseitigen Aufhängungsvorrichtungen 220 so gesteuert, dass es passend zum Nickmoment die Stellgliedkraft in der Ausfederrichtung erzeugt, und jedes der Stellglieder 250 der jeweiligen beiden vorderradseitigen Aufhängungsvorrichtungen 220 wird so gesteuert, dass es passend zum Nickmoment die Stellgliedkraft in der Ausfederrichtung erzeugt. Jede Stellgliedkraft wird als die Nickunterdrückungskomponente F_P erzeugt, die eine Art der Komponente zur Unterdrückung von Änderungen der Stellung ist.
Insbesondere wird die tatsächliche Längsbeschleunigung Gx, die vom Längsbeschleunigungssensor 384 erfasst wird, als der Indexbetrag für das Nickmoment genutzt, der das Nickmoment anzeigt, und die Nickunterdrückungskomponente F_P wird basierend auf der tatsächlichen Längsbeschleunigung Gx gemäß der nachstehenden Gleichung bestimmt: $F_{P} = K_{X} \cdot G_{X} (K_{X} : Nickunterdr \ddot{u} ckungsverst \ddot{a} rkung)$
Die Nickunterdrückungskomponente F_P ist ebenfalls eine Komponente der Stellgliedkraft. Die Nickunterdrückungskomponente F_P ist das Steuersubjekt des Stellglieds 250. Zudem ist auch die Längsbeschleunigung Gx ein Faktor, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs 10 bewirkt. Die Federungs-ECU 370 bestimmt die Nickunterdrückungskomponente F_P als Sollwert des Steuersubjektes basierend auf der Längsbeschleunigung Gx, die ein Faktor ist, der die Änderung der Haltung des Fahrzeugs 10 bewirkt.
iii) Synthese von zwei Steuerungen
Die vorstehend erläuterte Schwingungsdämpfungssteuerung der gefederten Masse und die Unterdrückungssteuerung der Karosseriestellungsänderung werden gemeinsam ausgeführt, und die Federschwingungsdämpfungskomponente Fu, die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_P in den Steuerungen werden einheitlich behandelt. Insbesondere werden diese Komponenten Fu, F_R, F_P gemäß der nachstehenden Gleichung summiert, um eine Synthesestellgliedkraft F zu bestimmen, die durch das Stellglied 250 erzeugt wird. $F = F_{U} + F_{R} + F_{P}$
Die Stellgliedkraft F, in der diese Komponenten Fu, F_R, F_P zusammengefasst werden, ist die Stellgliedkraft, die von jedem der Stellglieder 250 der jeweiligen vier Aufhängungsvorrichtungen 220 erzeugt wird. Der Betrieb des Elektromotors 276 jedes Stellglieds 250 wird gesteuert, um die Stellgliedkraft zu erzeugen. Genauer gesagt sind die erzeugte Stellgliedkraft F und der dem Elektromotor 276 des Stellglieds 250 zugeführte Strom im Allgemeinen proportional zueinander. Die Federungs-ECU 370 bestimmt den zugeführten Strom Is, der dem Elektromotor 276 jedes Stellglieds 250 zuzuführen ist, basierend auf der Stellgliedkraft F, die vom Stellglied 250 zu erzeugen ist, und liefert den auf dem bestimmten zugeführten Strom Is basierenden Strom über den Inverter an den Elektromotor 276.
iv) Stromverringerungsvorgang
Der Stromverringerungsvorgang wird auch im vorliegenden Federungssystem durchgeführt. Genauer gesagt wird der Stromverringerungsvorgang in der spezifischen Situation für den dem Stellglied 250 zugeführten Strom, nämlich den zugeführten Strom des Elektromotors 276, unter Berücksichtigung der Leistungs- und Energieeinsparung durchgeführt. Der im vorliegenden Aufhängungssystem ausgeführte Stromverringerungsvorgang wird nachstehend beschrieben.
Wie die Lenk-ECU 20 des Lenksystems und die Stabilisator-ECU 140 des Stabilisatorsystems, die vorstehend erläutert wurden, erkennt die Federungs-ECU 370 des vorliegenden Aufhängungssystems, dass sich das Fahrzeug 10 in der spezifischen Situation befindet und führt den Stromverringerungsvorgang aus, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 nicht höher als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist, z.B. 20-30 km/h, und wenn das Fahrzeug 10 automatisiertes Fahren durchführt, wobei die Reaktion des Stellglieds 250, usw. berücksichtigt wird.
Im vorliegenden Aufhängungssystem wird der Stromverringerungsvorgang nicht für die Komponente Fu zur Dämpfung der Federschwingung, sondern nur für die Komponenten zur Unterdrückung von Änderungen der Karosseriestellung ausgeführt, also für die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_R. Darüber hinaus wird der Vorgang zum Verringern der Verstärkung, der im vorstehend erläuterten Lenksystem ausgeführt wird, im vorliegenden Aufhängungssystem nicht ausgeführt, sondern nur der Tiefpassfiltervorgang wird für den Sollbetätigungsbetrag des Stellglieds ausgeführt. Das heißt, der Tiefpassfiltervorgang wird nur für die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_P ausgeführt. Man bemerke jedoch, dass der Tiefpassfiltervorgang nur in der spezifischen Situation ausgeführt wird und nicht ausgeführt wird, wenn sich das Fahrzeug 10 nicht in der spezifischen Situation befindet. Zudem wird im vorliegenden Aufhängungssystem die Grenzfrequenz fc im Tiefpassfiltervorgang weder basierend auf dem Fahrmodus geändert noch allmählich abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v geändert. Das heißt, der Tiefpassfiltervorgang, in dem die Grenzfrequenz fc auf die niedrige Frequenz f_CL1 festgelegt ist, wird nur in der spezifischen Situation für die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_P ausgeführt. Der Stromverringerungsvorgang, der im vorliegenden Aufhängungssystem ausgeführt wird, führt zu einer geeigneten Leistungs- und Energieeinsparung.
Wie in dem vorstehend erläuterten Lenksystem ausgeführt wird, kann der Tiefpassfiltervorgang mit der Grenzfrequenz fc ausgeführt werden, die auf eine hohe Frequenz eingestellt ist, selbst wenn sich das Fahrzeug 10 nicht in der spezifischen Situation befindet. Ferner kann der Tiefpassfiltervorgang, wie im vorstehend erläuterten Lenksystem erläutert wird, so ausgeführt werden, dass die Grenzfrequenz fc abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit v und vom Fahrmodus geändert wird.
Im vorstehend erläuterten Lenksystem werden die Funktionen der Lenk-ECU 20, die die Steuervorrichtung ist, anhand des Blockschaubilds erläutert. Die Funktionen der Federungs-ECU 370 des vorliegenden Aufhängungssystems, die die Steuervorrichtung ist, können basierend auf den Funktionen der Lenk-ECU 20 leicht abgeschätzt werden, und eine Erläuterung der Funktionen der Federungs-ECU 370, die sich auf ein Blockschaubild bezieht, wird weggelassen.
v) Steuerablauf
Der Computer der Federungs-ECU 370 führt ein durch einen Ablaufplan in 17 dargestelltes Federungssteuerprogramm in einem kurzen Zeitabstand von beispielsweise einigen bis einige -zig Millisekunden wiederholt aus, so dass die vorstehend erläuterte Steuerung des Stellglieds 250 ausgeführt wird. Der Ablauf der Verarbeitung gemäß des Federungssteuerprogramms wird anhand des Ablaufplans kurz erläutert.
Die Verarbeitung gemäß dem Aufhängungssteuerprogramm beginnt mit S41, bei dem die gefederte Beschleunigung Gu durch den Sensor 386 für die vertikale Beschleunigung der gefederten Masse erfasst wird. In S42 wird die Geschwindigkeit vu der gefederten Masse basierend auf der Beschleunigung Gu der gefederten Masse berechnet. Bei S43 wird die Dämpfungskomponente Fu der gefederten Schwingung basierend auf der Federungsgeschwindigkeit vu und dem Dämpfungskoeffizienten Cs des Skyhook-Dämpfers bestimmt.
In S44 wird die Steuerquerbeschleunigung Gy* bestimmt. Die Steuerquerbeschleunigung Gy* wird nach einem Verfahren bestimmt, das dem Verfahren von S21-S25 im Stabilisator-Steuerprogramm ähnlich ist. In S45 wird die Wankunterdrückungskomponente F_R basierend auf der Steuerquerbeschleunigung Gy* bestimmt. In S46 wird die Längsbeschleunigung Gx durch den Längsbeschleunigungssensor 384 erfasst. In S47 wird die Nickunterdrückungskomponente F_P basierend auf der erfassten Längsbeschleunigung Gx bestimmt.
Bei S48 wird dann bestimmt, ob das Fahrzeug 10 automatisiert fährt. Wird das Fahrzeug 10 manuell gefahren, wird bei S49 bestimmt, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH ist. Wenn in S48 festgestellt wird, dass das Fahrzeug 10 automatisiert fährt, oder wenn in S49 festgestellt wird, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit v nicht höher ist als die Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit v_TH, geht der Steuerablauf zu S50 weiter, um für die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_P den Tiefpassfiltervorgang durchzuführen, bei dem die Grenzfrequenz fc auf die niedrige Frequenz f_CL1s eingestellt ist.
Der Steuerablauf geht dann zu S51 weiter, um i) die Federschwingungsdämpfungskomponente Fu und ii) die Wankunterdrückungskomponente F_R und die Nickunterdrückungskomponente F_R, für die der Tiefpassfiltervorgang ausgeführt wurde oder nicht ausgeführt wurde, zu addieren, um eine zu erzeugende Gesamtstellgliedkraft F zu bestimmen. Bei S52 wird der zuzuführende Strom Is, der ein Strom ist, der dem Elektromotor 276 des Stellglieds 250 zugeführt werden soll, basierend auf der Stellgliedkraft F bestimmt. Bei S53 wird der zuzuführende Strom Is dem Elektromotor 276 über den Inverter zugeführt. Damit ist ein Durchlauf des Federungssteuerprogramms beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012218553 [0002]
JP 2012218553 A [0002]

Claims

System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens, mit: einem elektrischen Stellglied (28; 130; 250), das in einem Fahrzeug montiert ist, um eine Haltung des Fahrzeugs zu ändern; und einer Steuervorrichtung (20; 140; 370), die dazu aufgebaut ist, als ein Steuersubjekt entweder einen Bewegungsbetrag des elektrischen Stellglieds (28; 130; 250) oder eine durch das elektrische Stellglied (28; 130; 250) erzeugte Kraft zu steuern, wobei die Steuervorrichtung (20; 140; 370) dazu aufgebaut ist, Folgendes zu tun: einen Sollwert des Steuersubjekts basierend auf i) der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, ii) einem Faktor, der eine Änderung der Haltung des Fahrzeugs bewirkt, oder iii) sowohl der Haltung, die das Fahrzeug einnehmen sollte, als auch dem Faktor, der die Änderung der Haltung des Fahrzeugs bewirkt, zu bestimmen; einen Strom zum elektrischen Stellglied (28; 130; 250) basierend auf dem Sollwert zuzuführen; und in einer spezifischen Situation einen Stromverringerungsvorgang auszuführen, um den dem elektrischen Stellglied (28; 130; 250) zuzuführenden Strom zu verringern.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach Anspruch 1, wobei die spezifische Situation eine Situation ist, in der eine starke Reaktion für eine Bewegung des elektrischen Stellglieds (28; 130; 250) nicht erforderlich ist.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spezifische Situation eine Situation ist, in der eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs nicht höher als eine festgelegte Geschwindigkeit ist.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fahrzeug in der Lage ist, sowohl manuelles Fahren durch einen Fahrer als auch automatisiertes Fahren durchzuführen, und wobei die spezifische Situation eine Situation ist, in der das Fahrzeug das automatisierte Fahren durchführt.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuervorrichtung (20; 140; 370) den Stromverringerungsvorgang so ausführt, dass die Steuervorrichtung (20; 140; 370) einen Tiefpassfiltervorgang für den Sollwert nur in der spezifischen Situation oder so ausführt, dass die Steuervorrichtung (20; 140; 370) eine Grenzfrequenz in dem Tiefpassfiltervorgang, der für den Sollwert ausgeführt wird, in der spezifischen Situation stärker absenkt als außerhalb der spezifischen Situation.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (20; 140; 370) dazu aufgebaut ist, Folgendes zu tun: Zuführen des Stroms zum elektrischen Stellglied (28; 130; 250) durch eine Rückkopplungsregelung basierend auf einer Abweichung eines Istwerts des Steuersubjekts vom Sollwert des Steuersubjekts; und Ausführen des Stromverringerungsvorganges derart, dass die Steuervorrichtung (20; 140; 370) eine Verstärkung in der Rückkopplungssteuerung in der spezifischen Situation stärker reduziert als außerhalb der spezifischen Situation.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Stellglied ein Lenkstellglied (28) ist, das zum Lenken eines Rades (12) aufgebaut ist, und wobei das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens ein Lenksystem ist.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fahrzeug mit einem Stabilisatorstab (120) ausgestattet ist, der an seinen gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem rechten Rad (12) und einem linken Rad (12) verbunden ist, um ein Wanken einer Karosserie des Fahrzeugs zu unterdrücken, wobei das elektrische Stellglied ein Stellglied (130) ist, das dazu aufgebaut ist, eine vom Stabilisatorstab (120) erzeugte Wankunterdrückungskraft zu ändern, und wobei das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens ein aktives Stabilisatorsystem ist.
System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Stellglied ein Stellglied (250) ist, um eine Kraft auf eine Relativbewegung zwischen dem Rad (12) und einer Fahrzeugkarosserie in einer Höhenrichtung auszuüben, und wobei das System zur Steuerung des Fahrzeugverhaltens ein aktives Aufhängungssystem ist.