DE10330894A1 - Lenkbares Fahrzeug und Verfahren zur Beeinflussung der Fahrtrichtung - Google Patents

Lenkbares Fahrzeug und Verfahren zur Beeinflussung der Fahrtrichtung Download PDF

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Markus Dipl.-Ing. Raab
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrspuriges lenkbares Fahrzeug mit einem an einem Radträger (20) drehbeweglich gelagerten Fahrzeugrad (1). Erfindungsgemäß ist eine Fahrtrichtung (13) des Fahrzeugs über eine vorgebbare Änderung des Sturzwinkels (gamma) des Fahrzeugrades (1) veränderbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mehrspuriges, lenkbares Fahrzeug mit einem an einem Radträger drehbeweglich gelagerten Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zur Beeinflussung der Fahrtrichtung eines derartigen Fahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
  • Ein derartiges lenkbares Fahrzeug ist aus der DE 100 32 182 A1 bekannt. Das dort offenbarte Fahrzeug weist ein Lenksystem auf, das zur Durchführung eines Steer-by-wire-Betriebs ausgebildet ist. Dabei ist ein Lenkhandrad mit einem Geberzylinder verbunden, in dem ein Kolben bei Lenkbewegungen Hydraulikflüssigkeit in Kammern eines Lenkstellantriebs verdrängt. Unterstützt wird die Lenkbewegung durch eine Servopumpe in einem parallel zum ersten Hydraulikkreis betriebenen zweiten Hydraulikkreis, die Hydraulikflüssigkeit in weitere Kammern des Lenkstellantriebs pumpen kann. Über die Steuerung der Servopumpe kann die vom Fahrer aufzubringende Lenkkraft beeinflusst werden.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein lenkbares Fahrzeug und ein Verfahren zur Beeinflussung der Fahrtrichtung eines solchen anzugeben, bei dem die Fahrtrichtung des Fahrzeugs beeinflussbar ist, ohne in den Lenkstrang einzugreifen.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
  • Grundlegender Gedanke der Erfindung ist, eine Fahrtrichtung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs über eine vorgebbare Änderung des Sturzwinkels des Fahrzeugrades zu verändern. Dadurch ist es möglich, eine Fahrtrichtungsänderung ohne Eingriff in einen Lenkstrang zwischen einer Lenkhandhabe, über die eine Fahrtrichtungsänderung beispielsweise von einem Fahrer vorgegeben wird, und den gelenkten Fahrzeugrädern vorzunehmen. Prinzipiell kann die Lenkrichtungsänderung über Radsturzänderung einer Lenkrichtungsänderung durch ein Verschwenken des Rades überlagern oder ersetzen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Fahrzeug eine Lenkeinrichtung aufweist, die folgende Bauteile umfasst
    • – einen geteilten Radträger, von dem ein erster Teil mit einem Rahmen oder einem Aufbau des Fahrzeugs über Lenker gekoppelt ist und ein zweiter Teil am ersten Teil schwenkbeweglich gelagert ist,
    • – einen Aktor, durch den die beiden Radträgerteile gegeneinander verschwenkbar sind und
    • – eine Steuereinrichtung, die den Aktor steuert.
  • Anstelle des Radträgers kann auch ein unterer, mit dem Radträger gelenkig verbundener Radführungslenker mehrteilig ausgestaltet sein. In diesem Fall würde der Aktor die Teile des Radführungslenkers gegeneinander verschieben, wodurch ein Verschwenken des Radträgers und somit ein Stürzen des Fahrzeugrades erreicht werden würde.
  • Über eine Veränderung des Sturzes eines Fahrzeugrades wird die auf dieses Fahrzeugrad einwirkende Seitenkraft verändert. Die Änderung der Seitenkraft bewirkt eine Änderung einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Diese Form der Fahrtrichtungsänderung wird als "Sturzverstelllenken" bezeichnet. Hingegen wird nachfolgend die konventionelle Form des Lenkens, also wenn ein oder mehrere Fahrzeugräder durch eine Spurstange bzw. einen Spurhebel um eine überwiegend vertikal verlaufende Schwenkachse verschwenkt werden und dadurch ein Schräglaufwinkel am Fahrzeugrad auftritt, aufgrund dessen am Fahrzeugrad eine Seitenkraft angreift, mit "Schräglaufwinkellenken" bezeichnet.
  • Das erfindungsgemäße lenkbare Fahrzeug kann eine konventionelle Lenkeinrichtung aufweisen, bei der die Fahrtrichtung von einem Fahrer über eine Lenkhandhabe vorgegebenen wird, beispielsweise über ein Lenkhandrad, das über eine mit dem Lenkhandrad verbundene Lenksäule, ein Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge mit einem oder mehreren lenkbaren Rädern des Fahrzeugs verbunden ist.
  • Ebenso kann eine Lenkeinrichtung vorhanden sein, bei der die Fahrtrichtung vom Fahrer über einen sogenannten Joystick vorgegeben wird. Dabei werden von einer Steuerung die über den Joystick eingegebenen Lenkbefehle detektiert und Stellmotoren angesteuert, die die lenkbaren Räder entsprechend verschwenken.
  • Es ist jedoch auch möglich, die Fahrtrichtung aufgrund von Informationen zu ändern, die eine Steuerung zumindest teilweise unabhängig von einem Fahrer erhält, so z.B. von Sensoren, die das Umfeld des Fahrzeugs überwachen. Ebenso können diese Informationen beispielsweise von Signalen eines Satelliten gestützten Navigationssystems stammen.
  • Das Sturzverstelllenken kann das Schräglaufwinkellenken sowohl ersetzen als auch zusätzlich zu diesem wirken und es dabei überlagern. Letzteres ist möglich, da die beiden Lenkarten des Sturzverstelllenkens und des Schräglaufwinkellenkens sich gegenseitig kaum beeinflussen.
  • So ist es möglich, dass während eines Schräglaufwinkellenkens die Steuerung einen oder mehrere die Radträgerteile verbindenden Aktoren eines oder mehrerer Fahrzeugräder ansteuert, wodurch eine Sturzverstellung des oder der Fahrzeugräder bewirkt wird. Der Fahrer bemerkt lediglich eine Lenkunterstützung, wie sie ihm von einer herkömmlichen hydraulischen Servolenkunterstützung bekannt ist.
  • Die Steuerung erfasst die Daten von verschiedenen Sensoren. Diese Sensoren können beispielsweise sein: ein einer Lenkhandhabe zugeordneter Sensor, ein Querbeschleunigungssensor, ein Gierwinkelsensor, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, Radstellungswinkelsensoren, sowie das Fahrzeugumfeld überwachende Sensoren. Auch die Daten eines Navigationssystems können von der Steuerung verwendet werden.
  • Aus diesen Daten kann die Steuerung berechnen, ob eine kritische Fahrsituation vorliegt. Beispielsweise kann der Fahrverlauf errechnet werden, der sich bei aktueller Fahrgeschwindigkeit und detektierten Radstellungswinkel der Fahrzeugräder sowie der Fahrzeug- bzw. der Gierwinkelbeschleunigung ergibt. Dieser Verlauf kann mit einem in einem Navigationssystem hinterlegten Streckenverlauf verglichen werden. Weichen die Daten des berechneten Streckenverlaufs vom hinterlegten Streckenverlauf ab, kann die Steuerung über das Stürzen eines einzelnen oder mehrerer Fahrzeugräder die Fahrtrichtung des Fahrzeugs korrigieren.
  • Ebenso wird der Sturzwinkel und somit die Seitenkraft an einem einzelnen oder an mehreren Fahrzeugrädern verändert, wenn die Steuerung eine kritische Fahrsituation dahingehend detektiert, dass das Fahrzeug über- oder untersteuert. Über das Sturzverstelllenken kann somit ein Fahrverhalten erzeugt werden, das einem zusätzlichen Einlenken oder einem Gegenlenken bei einem normalen Schräglaufwinkellenken entspricht.
  • In Ausgestaltung der Erfindung weist das Fahrzeug an mehreren Fahrzeugachsen stürzbare Fahrzeugräder auf. Somit können beispielsweise die Räder an der Vorder- und Hinterachse eines Personenkraftwagens in kritischen Fahrsituationen gestürzt werden. Dabei müssen die verschiedenen Räder nicht um das selbe Maß und auch nicht in die gleiche Richtung gestürzt werden. Vielmehr ist eine individuelle Ansteuerung jedes einzelnen Aktors und somit jedes einzelnen Rades möglich.
  • Die Fahrzeugräder können sowohl positiv als auch negativ gestürzt werden. Als negativer Sturz wird dabei eine Radstellung bezeichnet, bei der die Radmittenebene derart geneigt ist, dass der Abstand des Schnittpunkts der Radmittenebene durch die Fahrbahnebene zu einer vertikalen Fahrzeugmittenebene größer ist als der Abstand der Radmittenebene auf der der Fahrbahnebene entgegengesetzten Seite des Rades zur Fahrzeugmittenebene. Bei einem positiven Sturz sind die oben erwähnten Abstände zur Fahrzeugmittenebene gerade umgekehrt.
  • Bei Veränderung des Sturzes an einem Rad von z.B. negativem zu positivem Sturz, verringert sich die Seitenkraft erst auf Null, bevor sie in entgegengesetztem Maß wieder ansteigt. So kann beispielsweise ein unter- bzw. übersteuerndes Fahrzeug durch Veränderung der Seitenkraft an einem oder beiden Fahrzeugrädern der Hinterachse erzielt oder aber auch vermieden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Radträgerteile von mehreren Aktoren gegeneinander verstellbar. Beispielsweise kann pro Fahrzeugrad ein in drei Teile geteilter Radträger vorgesehen werden, dessen drei Radträgerteile über zwei Aktoren miteinander in Verbindung stehen.
  • Dabei ist das erste Radträgerteil fahrzeugseitig gelenkig mit Radführungslenkern verbunden. Über ein Gelenk, dessen Schwenkachse im wesentlichen horizontal verläuft, ist das erste Radträgerteil mit einem zweiten Radträgerteil verbunden. Dieses zweite Radträgerteil ist über ein weiteres Gelenk, welches eine im wesentlichen vertikal verlaufende Schwenkachse aufweist, mit einem dritten Radträgerteil verbunden, an welchem ein Radzapfen zur drehbeweglichen Lagerung eines Fahrzeugrades befestigt ist.
  • Zwischen dem ersten und zweiten sowie zweiten und dritten Radträgerteil ist je ein Aktor angeordnet, der die beiden Radträgerteile jeweils gegeneinander verschwenken kann. Durch das weitere Gelenk mit der im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkachse kann über den zwischen dem zweiten und dritten Radträgerteil wirkenden Aktor eine zusätzliches, herkömmliches Schräglaufwinkellenken an diesem Rad verwirklicht werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist den stürzbaren Fahrzeugrädern eine Radaufhängung zugeordnet, über die eine an einem Fahrzeugrad wirkende Radlast aktiv veränderbar ist. Da die Seitenkraft mit zunehmender Radlast ansteigt, kann über Verändern der Radlast eine am Fahrzeugrad angreifende Seitenkraft variiert werden. Aktiv steuerbarer Bestandteil der Radaufhängung kann dabei eine Luftfeder oder eine hydropneumatische Feder aber auch jede anderer Verstelleinrichtung sein, mittels derer ein Fahrzeugrad aktiv in der Höhe gegenüber einem Fahrzeugrahmen bzw. -aufbau verstellbar ist.
  • Durch die mögliche Entkopplung des Sturzverstelllenkens von der Lenkeingabe eines Fahrers, kann das Maß der Lenkkorrektur durch das Sturzverstelllenken abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgen. Insofern kann eine geschwindigkeitsabhängige Lenkübersetzung verwirklicht werden.
  • Über das Sturzverstelllenken kann die Steuerung bei entsprechender Sensierung äußere auf das Fahrzeug einwirkende Einflüsse wie Seitenwind, Spurrillen oder Schrägablaufen durch einseitige Straßenneigung ohne Eingreifen des Fahrers kompensieren. Ebenso sind, zumindest im unteren Querbeschleunigungsbereich, ein automatisches Spurhalten sowie Einzelradlenken möglich.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den Zeichnungen entnommen werden, die nachfolgend näher beschrieben werden. Dabei sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen versehen.
    •
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Radaufhängung eines linken vorderen Fahrzeugrades mit einer Lenkeinrichtung durch Verstellen des Radsturzes,
  • 2: eine Ansicht nach 1, jedoch bei gestürztem Rad,
  • 3: ein Diagramm mit Darstellung der Seitenkraft über dem Schräglaufwinkel bei unterschiedlich stark gestürztem Fahrzeugrad,
  • 4: eine Prinzipskizze eines Steuerungsschaltplans eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
  • In 1 ist ein linkes vorderes Fahrzeugrad 1 an einem geteilten Radträger 20 drehbeweglich gelagert. Der Reifen 3 des Fahrzeugrads 1 weist eine asymmetrischer Lauffläche 4 auf, die am Übergang 5 zur Radinnenseite einen größeren Radius aufweist, als am Übergang 6 zur Radaußenseite.
  • Der Radträger 20 weist zwei Teile 21,22 auf, die über ein Gelenk 23 gegeneinander schwenkbar miteinander verbunden sind. Das erste Radträgerteil 21 ist endseitig mit einem oberen und einem unteren Lenker 30,31 über Gelenke 32,33 verbunden. Die in 1 und 2 dargestellte Variante, dass die Gelenke 23 und 32 zusammenfallen, ist ein Sonderfall. Es ist leicht nachvollziehbar, dass die Gelenke 23 und 32 auch voneinander beabstandet angeordnet sein können.
  • Am zweiten Radträgerteil 22 ist das Fahrzeugrad 1 drehbeweglich gelagert.
  • Die beiden Lenker sind wiederum gelenkig mit einem nicht weiter dargestellten Aufbau bzw. Rahmen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs verbunden. Am unteren Lenker 31 wird eine Feder-Dämpfer-Einheit 34 gelenkig abgestützt, die an ihrem oberen Ende ebenfalls gelenkig mit dem Aufbau bzw. Rahmen des Fahrzeugs verbunden ist.
  • Über ein weiteres Gelenk 35 ist ein Aktor 25 mit dem ersten Radträgerteil 21 kraftschlüssig verbunden. Der Aktor weist eine Kolbenstange 24 auf, die an ihrem, dem Aktor 25 abgewandten Ende mit dem zweiten Radträgerteil 22 über ein Gelenk 35 verbunden ist.
  • In der 2 ist das Fahrzeugrad 1 negativ gestürzt dargestellt. Der Sturzwinkel γ wird dabei zwischen der Radmittenebene 2 und der Senkrechten 11 auf der Fahrbahn 10 gebildet. Der Sturzwinkel γ wird durch den Aktor 25 eingestellt, der beispielsweise hydraulisch oder elektrisch die Kolbenstange 24 verfährt. Die Kolbenstange 24 drückt über das Gelenk 36 das untere Ende des zweiten Radträgerteils 22 nach außen. Aufgrund des Gelenks 32, das das erste Radträgerteil 21 mit dem oberen Lenker 30 verbindet, wird somit das erste Radträgerteil 21 und das damit drehbewegliche Rad 1 gestürzt. Dadurch rollt der Reifen 3 mit der nach innen gebogenen Lauffläche 4 auf der Fahrbahn 10 ab.
  • Infolge der gelenkigen Anbindung des Aktors 25 werden dieser und die Kolbenstange 24 gegenüber dem ersten Teil 21 des Radträgers 20 verschwenkt. Durch Einziehen der Kolbenstange 24 bewirkt der Aktor 25 ein Aufrichten des Rades 1 und dadurch ein Verschwenken in die Ausgangslage gemäß 1.
  • Prinzipiell ist auch ein Einstellen eines positives Sturzes des Rades 1 möglich. Dabei wird die Kolbenstange 24 soweit in den Aktor 25 eingefahren, dass das Rad in die gegenüber 2 entgegengesetzte Richtung nach links geneigt ist.
  • In 3 ist ein Diagramm dargestellt, in dem der prinzipielle Verlauf der Seitenkraft über dem Schräglaufwinkel α bei verschieden stark gestürztem Rad 1 aufgetragen ist. Die mittlere der fünf dargestellten Kurven gibt den Verlauf eines ohne Sturz abrollenden Rades 1 wieder. Bei den beiden oberen Kurven wurde der Schräglaufwinkel α bei unterschiedlich stark negativ gestürztem Rad 1 verändert, bei den beiden unteren Kurven wurde der Schräglaufwinkel α bei unterschiedlich stark positiv gestürztem Rad 1 variiert.
  • Der 3 kann der Effekt des Sturzverstelllenkens entnommen werden, indem bei konstantem Schräglaufwinkel α der Wert der Seitenkraft bei verändertem Radsturz ermittelt wird.
  • Insbesondere kann der 3 entnommen werden, dass bei kleinen bis mittleren Schräglaufwinkeln α der Effekt des Sturzverstelllenkens am größten ist. Bei Überlagerung von Schräglaufwinkellenken und Sturzverstelllenken ist die Seitenkraftänderung daher im unteren bis mittleren Schräglaufwinkelbereich am größten.
  • In 4 ist ein Fahrzeug mit vier Rädern 1 dargestellt, die jeweils an einem Radträger 20 drehbeweglich gelagert sind. Alle vier Radträger 20 sind geteilt ausgeführt, wobei die Radträgerhälften 21,22 über jeweils einen Aktor 25 miteinander verbunden sind. Die Aktoren 25 sind über Steuerleitungen 44 mit Ausgängen 42 der Steuerung 40 verbunden. An den Eingängen 41 der Steuerung 40 sind Steuerleitungen 43 angeschlossen, die mit nicht dargestellten Sensoren bzw. einem Navigationsgerät verbunden sind.
  • Selbstverständlich kann auch nur eine Fahrzeugachse, beispielsweise die Vorderachse des Fahrzeugs mit stürzbaren Rädern 1 ausgestattet sein.

Claims (10)

  1. Mehrspuriges lenkbares Fahrzeug mit einem an einem Radträger drehbeweglich gelagerten Fahrzeugrad, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahrtrichtung (F) des Fahrzeugs über eine vorgebbare Änderung des Sturzwinkels γ des Fahrzeugrades (1) veränderbar ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine folgende Bauteile umfassende Lenkeinrichtung: – einen geteilten Radträger (20), von dem ein erster Teil (21) mit einem Rahmen oder einem Aufbau des Fahrzeugs über Lenker (30,31) gekoppelt ist und ein zweiter Teil (22) am ersten Teil (21) schwenkbeweglich (32) gelagert ist, – einen Aktor (25), durch den das erste (21) und zweite Radträgerteil (22) gegeneinander verschwenkbar sind und – eine Steuerung (40) zum Ansteuern des Aktors (25).
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine folgende Bauteile umfassende Lenkeinrichtung: – einen geteilten Radführungslenker (31), von dem ein erster Teil mit einem Rahmen oder einem Aufbau des Fahrzeugs gelenkig verbunden ist und ein zweiter Teil an dem Radträger schwenkbeweglich gelagert ist, – einen Aktor (25), durch den das erste und zweite Radträgerteil gegeneinander verschiebbar sind und dadurch die Länge des Radführungslenkers (31) variierbar ist und – eine Steuerung (40) zum Ansteuern des Aktors (25).
  4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzwinkel γ des Fahrzeugrades (1) in Abhängigkeit von fahrdynamischen Parametern regelbar ist.
  5. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fahrzeugräder (1) mehrerer Fahrzeugachsen aktiv stürzbar sind.
  6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Fahrzeugrad (1) sowohl negativer, als auch positiver Sturz γ einstellbar ist.
  7. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Radträgerteile (21,22) oder mehrere Radführungslenkerteile von mehreren Aktoren (25) gegeneinander verstellbar sind.
  8. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem stürzbaren Fahrzeugrad (1) eine Radaufhängung (34) zugeordnet ist, über die eine Radlast dieses Fahrzeugrades (1) aktiv veränderbar ist.
  9. Verfahren zur Beeinflussung der Fahrtrichtung eines mehrspurigen, lenkbaren Fahrzeugs, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Steuerung (40) ein oder mehrere Parameter auswertet werden und daraufhin die Steuerung (40) den Aktor (25) am Fahrzeugradträger (20) so ansteuert, dass das Fahrzeugrad (1) auf einen bestimmten Sturz γ verstellt wird und die an diesem Fahrzeugrad (1) angreifende Seitenkraft S einen veränderten Wert annimmt, wodurch die Fahrtrichtung (F) des Fahrzeugs beeinflusst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuerung die Radlast aktiv verändert wird und die dadurch geänderte Seitenkraft S die Fahrtrichtung (F) des Fahrzeugs beeinflusst.
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