DE19645646C1 - Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels für ein Fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels für ein Fahrzeug, die ein Bedienelement bein­ haltet, durch dessen Betätigung der Lenkwinkel in Abhängigkeit von der zugehörigen Bedienelement-Betätigungsgröße, wie der Aus­ lenkung des Bedienelementes oder der auf das Bedienelement aus­ geübten Kraft, einstellbar ist.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art, die als Bedien­ element ein Lenkrad verwenden, erfolgt die Lenkwinkeleinstellung durch direkte mechanische Übertragung der Lenkraddrehbewegung auf die betreffenden Fahrzeugräder. Es ist auch bereits bekannt, ein Lenkrad oder ein anderes benutzerbetätigbares Bedienelement vorzusehen, das mechanisch von der Lenkbewegung der Räder entkoppelt ist und durch dessen Betätigung statt dessen eine Lenkwinkelstelleinheit ansteuerbar ist, die ihrerseits die entsprechende Lenkwinkeleinstellung der Räder vornimmt. Derar­ tige Anordnungen mit handbetätigbarem Bedienelement sind in dem Aufsatz H. Bubb, "Arbeitsplatz Fahrer - Eine ergonomische Studie", Automobil-Industrie 3/85, Seite 265 und in der Patent­ schrift US 3.022.850 beschrieben. In letzter wird vorgeschlagen, das zur Lenkungseinstellung gehörige Auslenkungssignal eines dort verwendeten Steuerknüppels geschwindigkeitsabhängig zu verstärken, und zwar vorzugsweise umgekehrt proportional zum Quadrat der Längsgeschwindigkeit, so daß eine bestimmte Steuer­ knüppelauslenkung unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindig­ keit zu einer im wesentlichen gleichbleibenden Querbeschleuni­ gung führt.

Aus dem Aufsatz P. Bränneby et al., "Improved Active and Passive Safety by Using Active Lateral Dynamic Control and an Unconven­ tional Steering Unit", 13th International Technical Conference on Experimental Safety Vehicles", Proceedings Vol. 1, 4. bis 7.11.1991, Seite 224 ist eine Lenkwinkelstelleinrichtung be­ schrieben, bei der eine nichtlineare Kennlinie des Lenkwinkels in Abhängigkeit von der Bedienelementauslenkung derart vorge­ geben ist, daß die Einstellung größerer Lenkwinkeländerungen mit höherer Empfindlichkeit erfolgt als die Einstellung kleinerer Lenkwinkeländerungen, d. h. eine gegebene Auslenkungsänderung des Bedienelements hat im Bereich kleiner Lenkwinkel eine geringere Lenkwinkeländerung zur Folge als im Bereich großer Lenkwinkel. Gleichzeitig wird die Empfindlichkeit der Lenkwinkeleinstellung fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig variabel gewählt, und zwar mit höherer Fahrzeuglängsgeschwindigkeit zunehmend.

In der Offenlegungsschrift DE 44 03 379 A1 ist ein Lenksystem beschrieben, bei dem durch Betätigung eines herkömmlichen Lenk­ rades die Einstellung des Lenkwinkels nach einer progressiv an­ steigenden Abhängigkeit vom Lenkradwinkel erfolgt. Mit zunehmen­ der Fahrzeuggeschwindigkeit wird dabei eine flacher werdende Kennlinie des Lenkwinkels der Fahrzeugräder als Funktion des Lenkradwinkels gewählt, so daß die Empfindlichkeit der Lenkung geringer wird.

In der nicht vorveröffentlichten DE 195 48 713 C1 wird eine Lenkwinkelsteuervorrichtung der eingangs genannten Art beschrie­ ben, bei der die Lenkwinkeleinstellung in Abhängigkeit von der zugehörigen Bedienelement-Betätigungsgröße mit einer mit sinken­ dem Kraftschlußbeiwert und/oder höherer Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit geringer werdenden Empfindlichkeit erfolgt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Lenkwinkelsteuervorrichtung der eingangs genannten Art zu­ grunde, die ein fahrdynamisch sicheres und ergonomisch vor­ teilhaftes Lenken des Fahrzeugs ermöglicht, insbesondere auch mit steuerknüppelartigen Bedienelementen anstelle herkömmlicher Lenkräder.

Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Lenkwinkeleinstellung in Abhängigkeit von der Bedienelement-Betätigungsgröße mit einer fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Lenkübersetzung, die in einem unteren Geschwindigkeitsbereich konstant ist, während sie in einem mittleren Geschwindigkeits­ bereich mit mindestens linearem Grad und in einem oberen Ge­ schwindigkeitsbereich mit höchstens linearem Grad ansteigt. Un­ ter dem Begriff Lenkübersetzung ist dabei das Verhältnis der Än­ derungsrate der Betätigungsgröße zur Änderungsrate des Lenk­ winkels zu verstehen, was dem Inversen der Empfindlichkeit der Lenkwinkeleinstellung entspricht. Vorzugsweise verläuft die Lenkübersetzung im mittleren Geschwindigkeitsbereich progressiv stärker als linear ansteigend und im oberen Geschwindigkeits­ bereich degressiv geringer als linear ansteigend.

Der konstante Verlauf der Lenkwinkelübersetzung im unteren Ge­ schwindigkeitsbereich bewirkt, daß bei diesen niedrigen Fahr­ zeuglängsgeschwindigkeiten der volle Lenkeinschlag der Fahrzeug­ räder zur Verfügung steht, z. B. zum Parkieren und Rangieren so­ wie zum Ausnutzen der physikalisch maximal möglichen Quer­ beschleunigung bei der betreffenden Längsgeschwindigkeit. Der lineare oder stärker progressive Verlauf der Lenkübersetzung im mittleren Geschwindigkeitsbereich bewirkt, daß der dem maximalen Wert des Betrags der Betätigungsgröße entsprechende, maximal mögliche Lenkeinschlag der Räder mit höherer Fahrzeuglängs­ geschwindigkeit sukzessive abnimmt. Auf diese Weise wird gewähr­ leistet, daß das Fahrzeug auf eine bestimmte Bedienelement­ betätigung hin nicht zu heftig reagiert und dadurch fahrdyna­ misch kontrollierbar bleibt. Im hohen Geschwindigkeitsbereich wird der Anteil des Schräglaufwinkels am Lenkwinkel wegen des sich vergrößernden, minimal fahrbaren Kurvenradius immer größer. Dadurch strebt der in der jeweiligen Situation zum Fahren einer Kurve mit maximaler Querbeschleunigung erforderliche Lenkwinkel für ein untersteuerndes Fahrzeug mit wachsender Längsge­ schwindigkeit ungefähr gegen den Wert in der Größe des Schräg­ laufwinkels, der den Aufbau einer maximalen Seitenkraft an den Rädern ermöglicht. Es zeigt sich, daß mit diesem Verhalten der erfindungsgemäß linear oder schwächer degressiv ansteigende Ver­ lauf der Lenkübersetzung mit höherer Fahrzeuggeschwindigkeit gut korreliert.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Vorrichtung konver­ giert die Lenkübersetzung mit zunehmender Fahrzeuggeschwin­ digkeit gegen einen Maximalwert, dessen zugehöriger maximaler Lenkwinkelbetrag dem Schräglaufwinkelbetrag entspricht, der den maximalen Seitenkraftaufbau ermöglicht. Mit dieser Maßnahme ist die Vorrichtung sehr gut an die oben erwähnte Eigenschaft ange­ paßt, daß der Lenkwinkel für ein untersteuerndes Fahrzeug mit wachsender Geschwindigkeit ungefähr gegen den die maximale Sei­ tenkraft ermöglichenden Schräglaufwinkelbetrag streben sollte, um das Durchfahren einer Kurve mit maximaler Querbeschleunigung zu ermöglichen.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Vorrichtung erfolgt die Lenkwinkeleinstellung in kleiner als quadratisch und minde­ stens linear ansteigender Abhängigkeit von der Bedienelement-Betätigungsgröße. Dieser Verlauf der Kennlinie des einzustel­ lenden Lenkwinkels in Abhängigkeit von der Bedienelement-Betäti­ gungsgröße ist günstig auf das regelungstechnische, intuitive Fahrerverhalten angepaßt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 einen Kennlinienverlauf der Lenkübersetzung in Abhängig­ keit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit für eine Vor­ richtung zur Steuerung des Lenkwinkels mit einem entspre­ chenden Bedienelement für ein Automobil und

Fig. 2 verschiedene mögliche Kennlinien des einzustellenden Lenkwinkels in Abhängigkeit von der Bedienelement-Betäti­ gungsgröße für die Vorrichtung entsprechend Fig. 1.

Die Fig. 1 und 2 illustrieren verschiedene Kennlinien zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer entsprechend ausge­ legten Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Auto­ mobils, deren Aufbau herkömmlicher Natur ist und daher keiner zeichnerischen Darstellung bedarf. So kann z. B. ein Aufbau einer der aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannten Vor­ richtungen verwendet werden, wobei jeweils lediglich die Steuer­ einheit so auszulegen bzw. zu modifizieren ist, daß sie an die jeweilige Lenkwinkelstelleinheit Stellbefehle entsprechend der gezeigten Kennlinien abgibt. Die Vorrichtung kann als Bedien­ element ein vorzugsweise mechanisch von der Lenkbewegung der Rä­ der entkoppeltes Lenkrad oder einen Steuerknüppel beinhalten, dessen Auslenkung oder die auf ihn ausgeübte Betätigungskraft als Bedienelement-Betätigungsgröße dienen, deren Wert den einzu­ stellenden Lenkwinkel entsprechend den sich aus den gezeigten Kennlinien ergebenden Abhängigkeiten bestimmt.

Die Lenkwinkelsteuervorrichtung ist charakteristischerweise so ausgelegt, daß ihre Lenkübersetzung LÜ gemäß einer speziellen, in Fig. 1 qualitativ dargestellten Kennlinie K1 von der Fahr­ zeuglängsgeschwindigkeit v abhängt. Die Lenkübersetzung LÜ ist dabei definiert als das Verhältnis der Änderungsrate der Bedien­ element-Betätigungsgröße zu derjenigen des zugehörigen Lenkwin­ kelbetrages, d. h. als die zur Empfindlichkeit der Lenkwinkelein­ stellung inverse Größe. Es versteht sich, daß die Lenküber­ setzung LÜ zudem in Abhängigkeit von der Bedienelement-Betäti­ gungsgröße selbst variieren kann.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bleibt die Lenkübersetzung LÜ in Ab­ hängigkeit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v in einem unte­ ren Geschwindigkeitsbereich zwischen dem Geschwindigkeitswert null und einem vorgebbaren unteren Geschwindigkeitsschwellwert vu konstant auf einem vorgegebenen, minimalen Wert Lmin. Diese minimale Lenkübersetzung Lmin ist so gewählt, daß der volle Lenkeinschlag der Fahrzeugräder eingestellt wird, wenn das Be­ dienelement mit einem als maximal definierten Wert der Bedien­ element-Betätigungsgröße betätigt wird. Damit ist für diesen un­ teren Geschwindigkeitsbereich [0, vu] gewährleistet, daß sowohl zum Parkieren und Rangieren als auch zum Ausnutzen der physika­ lisch maximal möglichen Querbeschleunigung der volle Lenkein­ schlag der Räder zur Verfügung steht.

In einem angrenzenden, mittleren Geschwindigkeitsbereich zwischen dem unteren Geschwindigkeitsschwellwert vu und einem vorgegebenen oberen Geschwindigkeitsschwellwert vo steigt die Lenkübersetzung LÜ der Lenksteuervorrichtung gemäß der Kennlinie K1 progressiv, d. h. mindestens linear und vorzugsweise in einem stärker als linearen Grad mit zunehmender Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit v an. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß in diesem mittleren Geschwindigkeitsbereich [vu, vo] bei maximaler Bedienelementbetätigung nur ein geschwindigkeitsabhängig mit zunehmender Geschwindigkeit abnehmender Anteil des physikalisch maximal möglichen Lenkeinschlags der Räder als jeweils maximal erreichbarer Lenkwinkelbetrag eingestellt wird. Damit wird ver­ mieden, daß das Fahrzeug auf eine Bedienelementbetätigung bestimmter Stärke hin mit zunehmender Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit unbeabsichtigt heftig reagiert. Das Fahrzeug bleibt dadurch fahrdynamisch sicher lenkbar und kann in seiner Querdy­ namik vom Fahrer auch in diesem Geschwindigkeitsbereich gut kontrolliert werden.

In dem über dem oberen Geschwindigkeitsschwellwert vo liegenden, oberen Geschwindigkeitsbereich, der sich bis zur Fahrzeughöchst­ geschwindigkeit vmax erstreckt, besitzt die Lenkübersetzung LÜ entsprechend der Kennlinie K1 einen degressiv zunehmenden Ver­ lauf, d. h. die Lenkübersetzung LÜ steigt mit zunehmender Fahr­ zeuglängsgeschwindigkeit v mit einem schwächer als linearen Grad an. Sie konvergiert dabei beim Erreichen der Fahrzeughöchstge­ schwindigkeit vmax gegen einen maximalen Lenkübersetzungswert Lmax, der durch folgende Überlegung festgelegt ist. In diesem hohen Geschwindigkeitsbereich [vo, v_max] vergrößert sich der jeweils noch fahrbare Kurvenradius mit zunehmender Fahrzeug­ längsgeschwindigkeit v, so daß der Anteil des Schräglaufwinkels am Lenkwinkel immer größer wird. Dies bedeutet, daß der Lenkwin­ kel, der zum Fahren einer Kurve mit maximaler Querbeschleunigung erforderlich ist, für ein untersteuerndes Fahrzeug mit wachsen­ der Geschwindigkeit ungefähr gegen den Wert in der Größe des Schräglaufwinkels strebt, der den Aufbau einer maximalen Seiten­ kraft an den Rädern ermöglicht. Dieser Tatsache trägt die Lenkübersetzungskennlinie K1 im hohen Geschwindigkeitsbereich [v_o, v_max] durch ihren degressiven Verlauf und dadurch Rechnung, daß der zu dem maximalen Lenkübersetzungswert L_max gehörige maxi­ male Lenkwinkelbetrag bei maximaler Bedienelementbetätigung in etwa diesen, die maximale Radseitenkraft ermöglichenden Wert des Schräglaufwinkels annimmt.

Als weitere, das regelungstechnische, intuitive Fahrerlenkver­ halten berücksichtigende Maßnahme ist bei der Lenksteuervor­ richtung vorgesehen, daß der einzustellende Lenkwinkel LW linear oder schwach progressiv mit einem Progressionsexponent kleiner als 2, d. h. schwächer als quadratisch, mit steigendem Betrag der Bedienelement-Betätigungsgröße BG zunimmt. Beispielhaft verwend­ bare Kennlinien sind in Fig. 2 qualitativ dargestellt.

Gemäß einer ersten, durchgezogen gezeichneten Kennlinie L1 ist eine lineare Abhängigkeit des Lenkwinkelbetrages LW vom Betrag der Bedienelement-Betätigungsgröße BG gewählt. Diese Kennlinie L1 ist aufgrund der oben erläuterten, geschwindigkeitsabhängigen Lenkübersetzung LÜ nur jeweils für einen bestimmten Geschwindig­ keitswert gültig. Ein in Fig. 2 dargestellter Geschwindigkeits­ pfeil v⁺ gibt an, wie sich die für einen bestimmten Geschwindig­ keitswert gültige Lenkwinkelkennlinie mit der Fahrzeuglängsge­ schwindigkeit v ändert. Wie daraus ersichtlich, verläuft die jeweilige Lenkwinkelkennlinie mit steigender Fahrzeuglängsge­ schwindigkeit entsprechend der zunehmenden Lenkübersetzung flacher. Beispielhaft ist in Fig. 2 eine lineare Kennlinie L1′ gezeigt, die aus der erwähnten linearen Kennlinie L1 hervorgeht und zu einem höheren Geschwindigkeitswert als diese gehört. Analog ist als weiteres mögliches Beispiel eine schwach progres­ siv mit einem Exponent größer als eins und kleiner als zwei ansteigende Lenkwinkelkennlinie L2 in Fig. 2 gestrichelt veran­ schaulicht und entspricht dem gleichen Geschwindigkeitswert wie die alternative lineare Kennlinie L1. Die zu dieser schwach progressiv ansteigenden Kennlinie L2 bei dem höheren Geschwin­ digkeitswert der linearen Kennlinie L1′ gehörige, wiederum schwächer ansteigende Kennlinie L2′ ist ebenfalls gestrichelt in Fig. 2 wiedergegeben.

Die lineare bzw. nur geringfügig stärker als lineare Abhängig­ keit des Lenkwinkels LW von der Bedienelement-Betätigungsgröße BG entspricht günstigerweise den linearen Modellen, mit denen Bedienpersonen von Steuer- und Regelvorrichtungen vorwiegend bei der Bewältigung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben arbeiten, und sind daher gut an die intuitive Fahrererwartung angepaßt.

Vorzugsweise beinhaltet die Lenksteuervorrichtung des weiteren ein herkömmliches und daher nicht näher gezeigtes Stabilisie­ rungssystem, das in der Lage ist, im fahrdynamischen Grenz­ bereich stabilisierende Fahrzeugmomente zu erzeugen. Dies berücksichtigt, daß die oben erläuterte, geschwindigkeitsab­ hängig variable Lenkübersetzung im fahrdynamischen Grenzbereich bei Sollwertvorgabe durch Weg dazu führen kann, daß aufgrund des limitierten Radeinschlagwinkels der momentan maximal einstell­ bare Radeinschlag nicht in jedem Fall allein zur Fahrzeugsta­ bilisierung ausreicht. Beispielsweise kann mit dem Stabilisie­ rungssystem bei drohendem Ausbrechen des Fahrzeughecks ein stabilisierendes Moment um die Fahrzeughochachse aufgebaut werden, welches den Effekt kompensiert, daß bei der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung im Gegensatz zu konventionellen Lenksteuer­ vorrichtungen mit fester Lenkübersetzung der maximal einstell­ bare Lenkwinkel mit wachsender Geschwindigkeit immer kleiner wird. Als ein mögliches Stabilisierungssystem kann ein solches dienen, welches stabilisierende Momente mit Bremseingriffen an einzelnen Rädern aufbaut, z. B. das unter der Abkürzung ESP(Electronical Stability Control) bekannte System.

Alternativ oder zusätzlich zu einem derartigen Stabilisierungs­ system kann vorgesehen werden, den Wertebereich für die Bedienelement-Betätigungsgröße mit steigender Fahrzeuglängs­ geschwindigkeit größer zu machen, so daß unabhängig von der jeweiligen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit stets in etwa der physi­ kalisch maximal mögliche Lenkwinkel eingestellt werden kann.

Dies kann beispielsweise im Fall eines isometrischen Bedien­ elementes, bei dem die auf das Bedienelement ausgeübte Kraft als die den einzustellenden Lenkwinkel bestimmende Betätigungsgröße dient, dadurch erreicht werden, daß geschwindigkeitsabhängig größere maximale Betätigungskräfte zugelassen werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Fahrzeuges, mit

• - einem Bedienelement, durch dessen Betätigung der Lenkwinkel (LW) in Abhängigkeit von der zugehörigen Bedienelement-Betäti­ gungsgröße (BG) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Lenkwinkeleinstellung in Abhängigkeit von der Bedien­ element-Betätigungsgröße (BG) mit einer fahrzeuggeschwindig­ keitsabhängigen Lenkübersetzung (LÜ) erfolgt, die in einem unteren Geschwindigkeitsbereich ([O, v_u]) konstant ist, in einem mittleren Geschwindigkeitsbereich ([v_u, v_o]) mit mindestens linearem Grad und in einem oberen Geschwindigkeits­ bereich ([v_o, v_max]) mit höchstens linearem Grad ansteigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkübersetzung LÜ mit zunehmender Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit (v) gegen einen Maximalwert (L_max) konvergiert, dessen zugehöriger maximaler Lenkwinkelbetrag dem Schräglaufwinkel­ betrag entspricht, der den maximalen Seitenkraftaufbau an den Fahrzeugrädern ermöglicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwinkeleinstellung nach einer kleiner als quadratisch und mindestens linear ansteigenden Abhängigkeit von der Bedien­ element-Betätigungsgröße BG erfolgt.