DE19702313C1 - Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines KraftfahrzeugesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung
des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Bei derartigen Einrichtungen, wie sie z. B. für Automobile ver
wendet werden, wird der Lenkwinkel-Sollwert für die Lenkwinkel
stelleinrichtung sowohl abhängig von der auf das Bedienelement
ausgeübten Betätigungskraft als auch von der momentanen Fahr
zeuglängsgeschwindigkeit variabel vorgegeben. Mit solchen Ein
richtungen, die beispielsweise eine herkömmliche Lenkung mit
Lenkrad und daran mechanisch angekoppelter Lenkwinkelstellein
richtung bei Automobilen ersetzt, lassen sich vergleichsweise
kleine Stellwege und hohe Stellgeschwindigkeiten erreichen. Be
dienelemente, wie sie vorliegend Verwendung finden, bei denen
die auf sie ausgeübte Betätigungskraft die Lenkwinkel-Sollwert
vorgabe beeinflußt, werden als isometrische Bedienelemente be
zeichnet. Je nachdem, ob das Bedienelement starr oder zur Be
reitstellung einer intuitiven Rückmeldung einer oder mehrerer
fahrdynamischer Größen auslenkbar angeordnet ist, wird es als
passives oder aktives Bedienelement bezeichnet. Bekanntermaßen
sind diese bedienelementbezogenen Eigenschaften zur Erfüllung
einer zufriedenstellenden Lenkungsfunktionalität vorzugsweise
mit einer geschwindigkeitsabhängigen Lenkübersetzung kombiniert,
d. h. der Lenkwinkel-Sollwert wird zusätzlich in Abhängigkeit von
der jeweils aktuellen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bestimmt.
Da bei diesen Lenkwinkelsteuerungseinrichtungen keine direkte
mechanische Verbindung zwischen dem Bedienelement und der Lenk
winkelstelleinrichtung und damit den angesteuerten Fahrzeugrä
dern besteht, geht dem Fahrer die ihm darüber herkömmlicherweise
vermittelte Rückmeldung bezüglich des jeweiligen Lenkungszu
stands verloren.
Es wurde bereits auf verschiedene Arten ver
sucht, dies zu kompensieren. In U. Bolte, "Das aktive Stellteil
- ein ergonomisches Bedienkonzept", Fortschr.-Ber. VDI Reihe 17
Nr. 75, Düsseldorf, VDI-Verlag 1991 wird beispielsweise als
Rückmeldung die Auslenkung des Bedienelementes in Abhängigkeit
von der Giergeschwindigkeit vorgeschlagen. Da diese jedoch li
near von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit abhängt, ändert sich
die als Fahrerinformation dienende Bedienelementauslenkung beim
Bremsen oder Beschleunigen bereits in einer Kurve mit konstantem
Radius, was für den Fahrer ungewohnt ist. Bei einer in der nicht
vorveröffentlichten DE 196 00 139 C1 beschriebenen Lenkwinkel
steuerung wird auf das Bedienelement eine der Betätigungskraft
entgegenwirkende Reaktionskraft ausgeübt, die sowohl mit größer
werdendem Lenkwinkelbetrag als auch mit größer werdender Fahr
zeuglängsgeschwindigkeit ansteigt.
In der Patentschrift US 3.022.850 ist eine Einrichtung offen
bart, bei der ein Steuerknüppel unter anderem zur Lenkwinkelein
stellung dient. Dazu wird vorgeschlagen, das zugehörige Steuer
knüppelauslenkungssignal geschwindigkeitsabhängig zu verstärken,
und zwar vorzugsweise umgekehrt proportional zum Quadrat der
Längsgeschwindigkeit, so daß eine bestimmte Steuerknüppelauslen
kung unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit zu einer im
wsesentlichen gleichbleibenden Querbeschleunigung führt.
In der Offenlegungsschrift DE 44 03 379 A1 ist ein Lenksystem
offenbart, bei dem das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel eines
Lenkrades und dem damit eingestellten Lenkwinkel lenkbarer Fahr
zeugräder in Abhängigkeit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
so verändert werden kann, daß in einem niedrigen bis mittleren
Geschwindigkeitsbereich eine empfindliche Lenkreaktion und in
einem hohen Geschwindigkeitsbereich eine gute Stabilität der
Lenkung erhalten wird. Dazu wird in geeigneter Weise auf die
Übersetzung eines zugehörigen Lenkgetriebes eingewirkt.
In der nicht vorveröffentlichten DE 196 25 498 C1 ist neben
weiteren ein Beispiel einer Lenksteuerungseinrichtung be
schrieben, bei dem der Lenkwinkel-Sollwert allein in Abhängig
keit von der auf das Bedienelement ausgeübten Betätigungskraft
vorgegeben wird und Bedienelementauslenkungsmittel vorgesehen
sind, welche das Bedienelement entsprechend dem jeweils vorlie
genden Lenkwinkel-Istwert auslenken.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
einer Lenkwinkelsteuerungseinrichtung der eingangs genannten Art
zugrunde, mit der eine Lenkwinkelsteuerung mit hohem Bedienkom
fort und hoher Funktionszuverlässigkeit erzielt wird.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer
Lenkwinkelsteuerungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
1. Bei dieser Einrichtung wird einerseits der Lenkwinkel-Soll
wert sowohl in Abhängigkeit von der auf das Bedienelement ausge
übten Betätigungskraft als auch in Abhängigkeit von der momenta
nen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit variabel vorgegeben, während
andererseits durch geeignete Bedienelementauslenkungsmittel das
Bedienelement entsprechend dem jeweils vorliegenden Lenkwinkel-
Istwert und folglich unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwin
digkeit ausgelenkt wird. Dies hat zur Folge, daß die erwünschte
Längsgeschwindigkeitsabhängige Lenkwinkel-Sollwertvorgabe be
wirkt wird, ohne daß die Rückmeldung des Lenkungszustands auf
das Bedienelement von der Längsgeschwindigkeit beeinflußt wird.
Somit ist es unter bestimmten Voraussetzungen, wie gleichblei
benden Schräglaufwinkeln und neutraler Steuertendenz des Fahr
zeugs, möglich, daß sich vorteilhafterweise diese Rückwirkung
beim Durchfahren einer Kurve mit konstantem Radius nicht ändert,
selbst wenn sich währenddessen die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
ändert.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Einrichtung wird der
Lenkwinkel-Istwert von einer geeigneten Wegsensorik anhand der
Bewegung einer Spurstange erfaßt, die als Teil der Lenkwinkel
stelleinrichtung an die lenkbaren Fahrzeugräder gekoppelt ist.
Der Lenkwinkel-Sollwert wird von einem entsprechenden Geber vor
gegeben, dem hierzu die Informationen über die Bedienelementbe
tätigungskraft von einem zugehörigen Sensor und über die momen
tane Fahrzeuglängsgeschwindigkeit von der betreffenden Fahrzeug
längsgeschwindigkeitsensorik zugeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung dieser Einrichtung ist gemäß Anspruch
3 die Spurstangen-Wegsensorik von einem hydraulischen Wegmeßzy
linder gebildet, während die Bedienelementauslenkungsmittel ei
nen als Aktuator ausgelegten Hydraulikzylinder umfassen, der hy
draulisch mit dem Wegmeßzylinder gekoppelt ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer
Lenkwinkelsteuerungseinrichtung für ein Automobil.
Die in der Figur gezeigte Lenkwinkelsteuerungseinrichtung bein
haltet als Bedienelement einen von einer Hand des Fahrers betä
tigbaren Steuerknüppel 1, der an einem Ende eines Hebels 2 ange
bracht ist, welcher in einem zwischen seinen beiden Enden lie
genden Bereich um eine an der Fahrzeugkarosserie gelagerte
Schwenkachse 3 schwenkbeweglich gehalten ist. Am Hebel 2 ist ein
Kraftsensor 4 so angeordnet, daß er die auf den Steuerknüppel 1
ausgeübte Betätigungskraft erfaßt. Das Ausgangssignal des Kraft
sensors 4 ist einem Lenkwinkel-Sollwertgeber 5 zugeführt, dem
zusätzlich die Information über die jeweils momentane Fahrzeug
längsgeschwindigkeit von einer zugehörigen Fahrzeuglängsge
schwindigkeitsensorik 6 zugeführt wird. In Abhängigkeit von die
sen zugeführten Informationen bestimmt der Lenkwinkel-Sollwert
geber den für die Lenkungssteuerung vorzugebenden Lenkwinkel
sollwert, beispielsweise anhand eines angelegten Kennfeldes,
welches den Lenkwinkel-Sollwert in Abhängigkeit zum einen von
der Betätigungskraft auf den Steuerknüppel 1 und zum anderen von
der sensierten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit festlegt.
Die auf diese Weise ermittelte Lenkwinkel-Sollwertinformation
wird vom Lenkwinkel-Sollwertgeber 5 einer nachgeschalteten Len
kungssteuereinheit 7, z. B. in Form eines Lenkungsreglers, zuge
führt. Diese steuert abhängig vom vorgegebenen Lenkwinkel-Soll
wert ein Lenkgetriebe 8 an, und zwar speziell einen nicht näher
gezeigten Lenkungsaktuator des Lenkgetriebes 8. Abhängig von
dieser Ansteuerung wirkt der Lenkungsaktuator 8 auf eine mit der
Abtriebsseite des Lenkgetriebes 8 gekoppelte Spurstange 9 ein,
die jeweils endseitig in üblicher Weise an zwei lenkbare Fahr
zeugvorderräder 10a, 10b angekoppelt ist.
Der an den lenkbaren Rädern 10a, 10b eingestellte Lenkwinkel-
Istwert wird bei der gezeigten Einrichtung über die Bewegung der
Spurstange 9 erfaßt. Hierzu ist an die Spurstange 9 eine Kolben
stange 11 einer hydraulischen Kolben-/Zylinder-Einheit 12 ange
koppelt, deren Zylinder 13 starr an der Fahrzeugkarosserie ange
bracht ist und die auf diese Weise als Wegmeßeinheit für die
Spurstangenbewegung fungiert. Der an der Kolbenstange 11 endsei
tig angeordnete Kolben dieser Wegmeßeinheit 12 unterteilt den
Zylinderraum in zwei Arbeitskammern, von denen je eine Hydrau
likleitung 14a, 14b abgeht. Die Hydraulikleitungen 14a, 14b sind
zwei entsprechenden Arbeitskammern einer weiteren hydraulischen
Kolben-/Zylinder-Einheit 15 zugeführt, welche als Aktuator zur
Auslenkung des Steuerknüppels 1 in Abhängigkeit vom über die
Spurstangenbewegung erkannten Lenkwinkel-Istwert dient. Hierzu
ist der Zylinder dieser Kolben-/Zylinder-Einheit 15 wiederum
fest an der Fahrzeugkarosserie angebracht, während eine zugehöri
ge Kolbenstange 16 mit einem Ende an dem Steuerknüppel 1 abge
wandten Ende des Hebels 2 angelenkt ist. An ihrem anderen Ende
trägt die Kolbenstange 16 wiederum einen Kolben, der den Zylin
derraum in die beiden Arbeitskammern unterteilt.
Somit bilden die beiden hydraulischen Kolben-/Zylinder-Einheiten
12, 15 zusammen mit den sie verbindenden Hydraulikleitungen 14a,
14b Steuerknüppelauslenkungsmittel, durch welche der Steuerknüp
pel 1 allein in Abhängigkeit vom Lenkwinkel-Istwert ausgelenkt
wird. Die jeweilige Stellung des Steuerknüppels 1 ist damit ein
für den Fahrer intuitiv erfaßbares Maß für den jeweils vorlie
genden Lenkeinschlag an den Rädern 10a, 10b. Denn Bewegungen der
Spurstange in der einen oder anderen Richtung und damit entspre
chende Radlenkbewegungen führen zu Verschiebungen des Kolbens
der Wegmeßeinheit 13, wodurch das eingebrachte Hydraulikfluid
über die Hydraulikleitungen 14a, 14b aus der einen Arbeitskammer
herausgedrückt und in die andere Arbeitskammer eingesaugt wird.
Dementsprechend wird das Hydraulikfluid in der als Aktuator fun
gierenden Kolben-/Zylinder-Einheit 15 in die eine Arbeitskammer
hineingedrückt und aus der anderen Arbeitskammer abgesaugt, wo
durch sich ihr Kolben und damit ihre Kolbenstange 16 verschie
ben. Diese Bewegung der Kolbenstange 16 führt über den Hebel 2
zu einer entsprechenden Verschwenkung und damit Auslenkung des
Steuerknüppels 1. Die jeweilige Steuerknüppelposition ist daher
unabhängig von der momentanen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, die
ihrerseits zusammen mit der auf den Steuerknüppel 1 ausgeübten
Betätigungskraft den Lenkeinschlag bestimmt. Dem Fahrer bleibt
daher über die fühlbare Steuerknüppelposition bei gegebenen
Lenkwinkel-Istwert, z. B. beim Befahren einer Kurve mit konstan
tem Radius, eine gleichbleibende Lenkungszustandsinformation
auch während eventueller Beschleunigungs- und Verzögerungsvor
gänge erhalten.
Es versteht sich, daß die Rückmeldung des Lenkwinkel-Istwertes
zum Steuerknüppel 1 in Form einer Auslenkung desselben nicht nur
durch ein hydraulisches System, wie das in der Figur gezeigte,
sondern z. B. auch durch eine mechanische Kopplung bewirkt werden
kann. In beiden Fällen ergibt sich als weiterer Vorteil die Ei
genschaft, daß das Fahrzeug in einem Notbetrieb, bei dem der
normale Lenksteuerungspfad vom Kraftsensor 4 bis zum Lenkgetrie
be 8 ausgefallen ist, aufrechterhalten werden kann, indem der
Lenkwinkel-Istwert dann direkt mittels einer entsprechenden Aus
lenkung des Steuerknüppels 1 eingestellt wird. Hierzu braucht
lediglich ein entsprechender Freilauf im Lenkgetriebe 8 vorgese
hen werden. Dann führt eine vom Fahrer veranlaßte Schwenkbewe
gung des Steuerknüppels 1 über die hydraulische oder mechanische
Kopplung zu einer entsprechenden Bewegung der Spurstange 9 und
damit zu der gewünschten Lenkbewegung für die Räder 10a, 10b.
Je nach Anwendungsfall kann eine Rückmeldung weiterer fahrdyna
mischer Größen zum Steuerknüppel 1 vorgesehen sein. Dies ist
insbesondere dann zweckmäßig, wenn das zu lenkende Fahrzeug
nicht über eine selbsttätig querdynamisch stabilisierende Ein
richtung verfügt, sondern diese Stabilisierungsaufgabe vom Fah
rer übernommen werden muß. Als weiteres Beispiel einer erfin
dungsgemäßen Einrichtung kann die funktionale Abhängigkeit des
Lenkwinkel-Sollwertes von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit auch
dadurch realisiert werden, daß die Längsgeschwindigkeitsinforma
tion direkt auf das Lenkgetriebe gegeben und dort herkömmliche
Mittel vorgesehen werden, welche die Lenkübersetzung des Getrie
bes in Abhängigkeit von der zugeführten Geschwindigkeitsinforma
tion verändern. In diesem Fall überlagern sich die Einflüsse der
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit einerseits und der auf den Steuer
knüppel 1 ausgeübten Betätigungskraft andererseits nicht schon
wie gezeigt im Lenkwinkel-Sollwertgeber, sondern erst im Lenkge
triebe selbst. Des weiteren versteht es sich, daß für die erfin
dungsgemäße Einrichtung neben dem gezeigten Steuerknüppel auch
andersartige Bedienelemente verwendbar sind, z. B. ein Lenkrad,
das nicht mechanisch starr mit den zu lenkenden Fahrzeugrädern
gekoppelt ist.
Claims (3)
1. Einrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines
Kraftfahrzeuges, mit
- - einem benutzerbetätigbaren Bedienelement (1),
- - einer Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik (6) und
- - einer Lenkwinkelstelleinrichtung (4, 5, 7, 8, 9), die derart
mit der Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik und dem
Bedienelement gekoppelt ist, daß der Lenkwinkel-Sollwert in
Abhängigkeit von der auf das Bedienelement ausgeübten
Betätigungskraft und der sensierten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vorgegeben wird,
gekennzeichnet durch - - Bedienelementauslenkungsmittel (11 bis 16), welche das Bedienelement (1) entsprechend dem jeweils vorliegenden Lenkwinkel-Istwert auslenken.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Lenkwinkelstelleinrichtung (4, 5, 7, 8, 9) einen an das Bedienelement (1) angekoppelten Kraftsensor (4), einen vom Ausgangssignal des Kraftsensors und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeitssensorik (6) beaufschlagten Lenkwinkel-Sollwertgeber (5), eine dem Lenkwinkel-Sollwertgeber nachgeschaltete Lenkungssteuereinheit (7) und eine von letzterer angesteuerte Lenkgetriebeeinheit mit aktuatorbetätigtem Getriebe (8) und an die lenkbaren Fahrzeugräder (10a, 10b) angekoppelter Spurstange (9) umfaßt und
- - die Bedienelementauslenkungsmittel (11 bis 16) eine die Bewegung der Spurstange (9) erfassende Spurstangen-Wegsensorik (12) und eine Bedienelement-Auslenkeinheit (15) umfassen, wobei letztere das Bedienelement (1) entsprechend der von der Spurstangen-Wegsensorik erfaßten Spurstangenbewegung auslenkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Spurstangen-Wegsensorik von einer hydraulischen Kolben-/Zy
linder-Wegmeßeinheit (11 bis 13) und die Bedienelement-Auslenk
einheit von einer hydraulischen Kolben-/Zylinder-Aktuatoreinheit
(15, 16) gebildet sind, die untereinander über zugehörige Hy
draulikleitungen (14a, 14b) gekoppelt sind.
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