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Die
Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein vierradgelenkes Fahrzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
sind verschiedene Lenkvorrichtungen für Fahrzeuge bekannt, beispielsweise
vom Anmelder der vorliegenden Erfindung in der
japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 7-240810 (entsprechend
japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. JP 09-58514 A ) mit dem Titel "Schätzeinheit
für den
Reifen-Straßenflächen-Reibzustand
für Fahrzeuge".
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Die
bekannte Lenkvorrichtung ändert
den Konstantzustandsfaktor einer Bezugsgierrate nach Maßgabe des
Verhältnisses
des Konstantzustandsfaktors zwischen einer tatsächlichen Gierrate und einer
geschätzten
Gierrate, die vorab rechnerisch bestimmt ist, wenn sich das Fahrzeug
auf einer trockenen Straße
in einem konstanten Fahrzustand (steady state) befindet. In einem
Zustand, in dem der Reibkoeffizient zwischen den Reifen und der
Straßenfläche gering
ist, hat die berechnete Bezugsgierrate einen kleinen Wert und steuert
somit das Querverhalten des Fahrzeugs mit hoher Stabilität.
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Da
jedoch die Anordnung den Konstantzustandsfaktor allein ändert, kann
die bekannte Lenkvorrichtung zwar mit dem Konstantzustand des Fahrzeugs
zurecht kommen, jedoch nicht mit Änderungen des Reibkoeffizienten
zwischen den Fahrzeugreifen und der Straßenfläche, was vorkommen kann, wenn sich
ein Fahrzeug in einem Übergangszustand
befindet. Somit hat die bekannte Lenkvorrichtung in der Praxis nur
einen eingeschränkten
Anwendungsbereich.
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Weil
ferner die bekannte Lenkvorrichtung den Effekt der auf das Fahrzeug
einwirkenden Querbeschleunigung nicht berücksichtigt, besteht die Neigung,
daß das
Fahrzeugverhalten unstabil wird und wegen des Effekts der Querbeschleunigung
ein schlechte Lenkgefühl
entsteht.
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Aus
der
DE 35 00 793 C2 ist
eine Lenkvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
Dort wird der Reibkoffizient zwischen den Reifen und der Straße aus dem
Lenkwinkel, der Fahrgeschwindigkeit und der Querbeschleunigung,
die alle mittels jeweiliger Sensoren erfasst werden, bestimmt. Aus
der
DE 44 10 465 A1 ist
es bekannt, den Reibkoeffizienten mittels eines gesonderten μ-Sensors
zu erfassen.
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Ziel
der Erfindung ist es daher, eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug
anzugeben, die mit geringem Bauaufwand sowohl im konstanten Fahrzustand als
auch im Übergangs-Fahrzustand
auch bei veränderlichen
Straßenbedingungen
in der Lage ist, das Querverhalten des Fahrzeugs in gewünschter
Weise zu stabilisieren.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Lenkvorrichtung für ein vierradgelenkes Fahrzeug
gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Mit
Hilfe der Korrektureinrichtung, die den Steuerbetrag der adaptiven
vorwärtskoppelnden Kompensationseinrichtung
nach Maßgabe
des Reibkoeffizienten zwischen den Fahrzeugreifen und der Straßenfläche korrigiert,
kann die Lenkvorrichtung einen minimalen Fahrzeugschlupfwinkel einstellen,
der dem Fahrzeuglenkwinkel entspricht, wobei die adaptive vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung einen Korrekturfaktor verwendet, der durch
die Korrektureinrichtung auf Basis des Reibkoeffizienten berechnet
wird, sowohl im Konstantzustand als auch im Übergangszustand, mit dem Ergebnis,
daß das Querverhalten
des Fahrzeugs mit verbesserter Stabilität gesteuert wird. Dies ergibt
ein stabiles Lenkgefühl,
unabhängig
davon, ob die Straßenoberfläche trocken
oder glatt ist. Die Korrektur des Steuerbetrags der adaptiven vorwärtskoppelnden
Kompensationseinrichtung erfolgt unter Verwendung eines Korrekturfaktors,
der durch die Korrektureinrichtung auf Basis des Reibkoeffizienten
berechnet wird.
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Die
Korrektureinrichtung kann den Steuerbetrag der adaptiven vorwärtskoppelnden
Kompensationseinrichtung ferner auf Basis der von dem Fahrzeug erfaßten Querbeschleunigung ändern oder
korrigieren. Die Korrektureinrichtung enthält bevorzugt eine Reibparametersetzeinrichtung
zum Berechnen eines Reibparameters, der dem Reibkoeffizienten entspricht,
eine Beschleunigungsparameter-Setzeinrichtung zum Berechnen eines
Beschleunigungsparameters, der der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung
entspricht, sowie eine Korrekturwertberechnungseinrichtung zum Berechnen
eines Korrekturfaktors (e) auf Basis des Reibparameters und des
Beschleunigungsparamters.
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Weil
bei der Korrektureinrichtung der Steuer/Regelbetrag der adaptiven
vorwärtskoppelnden Kompensationseinrichtung
auf Basis der von dem Fahrzeug erfaßten Querbeschleunigung geändert wird,
läßt sich
der Effekt der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung
kompensieren, und man erhält
eine verbesserte Querstabilität
des Fahrzeugs. Dies bedeutet, daß sich auch dann ein stabiles
Lenkgefühl
konstant aufrechterhalten läßt, wenn das
Fahrzeug einer starken Querbeschleunigung unterliegt.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis
auf die beigefügten
Zeichnungen beschreiben. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Hauptteils einer Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug
nach einer Ausführung
der Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm einer modifizierten Ausführung des Korrekturmittels
der in 1 gezeigten Lenkvorrichtung;
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3A und 3B Graphiken
von Gierraten-Frequenzantworten, die zu beobachten sind, wenn die
Querbeschleunigung null (0) ist; und
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4A und 4B Graphiken
von Gierraten-Frequenzantworten, die zu beobachten sind, wenn der
Reibkoeffizient auf konstante Werte fixiert ist.
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Die
Erfindung dient der minimierenden Kompensation des Konstantzustand- und Übergangsfahrzeugschlupfwinkels
trotz Änderungen
der Strassenbedingungen, um hierdurch das Querverhalten des Fahrzeugs
zu stabilisieren.
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In
der nachfolgend beschriebenen Ausführung ist die erfindungsgemässe Lenkvorrichtung
zur Verwendung mit vierradgelenkten Fahrzeugen ausgelegt.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die erfindungsgemässe Lenkvorrichtung
eine Hinterradlenkvorrichtung 1 eines Fahrzeugs 2,
das ein Steuer/Regelmittel oder eine Steuereinrichtung 3 enthält, die
im wesentlichen aus einem Mikrocomputer gebildet ist und verschiedene
Rechenmittel oder -einheiten aufweist, Speichermittel oder -einheiten,
Prozessormittel oder -einheiten und so fort. Die Steuereinrichtung 3 enthält eine
Reibkoeffizientenschätzeinheit 4,
eine adaptives vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung oder einen Kompensator 5 sowie
eine Korrektureinheit 6. Allgemein berechnet die Hinterradlenkvorrichtung 1 der
Erfindung einen Hinterradlenkwinkel δR auf
Basis eines Lenkwinkelsignals θH, der von einem Lenkwinkelsensor 10 erzeugt
wird, wenn sie einen Betätigungswinkel
eines vom Fahrer betätigten
Lenkrads (nicht gezeigt) erfasst, berechnet eine Gierrate γ auf Basis
des berechneten Hinterradlenkwinkelsignals δR und
des Lenkwinkelsignals θH und gibt die berechnete Gierrate γ aus, damit
eine weitere Steuereinheit einen geeigneten Steuer/Regelvorgang durchführen kann,
um das Querverhalten des Fahrzeugs zu stabilisieren. Die Schätzung des Hinterradlenkwinkels δR wird
auf Basis eines Reibkoeffizienten μ zwischen den Fahrzeugreifen
und einer Strassenoberfläche
korrigiert.
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In 1 ist
die Lenkvorrichtung 1 dargestellt, welche ein Querbeschleunigungssignal γG,
das von dem Fahrzeug 2 zugeführt wird, der Korrektureinheit 6 der
Steuereinrichtung 3 zuführt,
parallel zu einem (geschätzten)
Reibkoeffizientensignal μE, das von dem Reibkoeffizientenschätzglied 4 zugeführt wird. Dies
dient nur zur Illustration, und in der Praxis hat die in 1 gezeigte
Korrektureinheit 6, im Gegensatz zu der in 2 gezeigten,
keine Bedeutung oder Funktion im Hinblick auf das Querbeschleunigungssignal γG.
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Das
Fahrzeug 2 weist eine elektronische Steuerschaltung mit
einem Berechnungsabschnitt auf. Insbesondere berechnet das Fahrzeug 2 eine Gierrate γ auf Basis
eines digitalen Lenkwinkelsignals θH,
erzeugt durch Analog-Digital(A/D)-Wandlung aus
einem analogen elektrischen Signal, das einem Betätigungswinkel
des Lenkrads entspricht, der von dem Lenkwinkelsensor 10 erfasst
ist, und eines Hinterradlenkwinkelsignals δR, das
durch die adaptive vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung 5 berechnet ist, und gibt ein
Gierratensignal γ aus.
Das Gierratensignal γ wird
der Reibkoeffizientenschätzeinheit 4 zugeführt, sowie
einer weiteren, nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit (ECU)
des Fahrzeugs.
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Die
adaptive vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung 5 hat einen Steuer/Regelbetragberechnungsabschnitt
und einen Parameteränderungsabschnitt
und setzt im Prinzip einen Steuerbetrag derart, dass der Fahrzeugschlupfwinkel
sowohl im Konstantzustand als auch im Übergangszustand des Fahrzeugs
auf null (0) gehalten wird. Insbesondere bestimmt die adaptive vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung 5 einen vorwärtsgekoppelten Steuerbetrag
auf Basis des Lenkwinkelsignals θH, berechnet dann ein Hinterradlenkwinkelsignal δR und gibt
dann das Hinterradlenkwinkelsignal δR an die Reibkoeffizientenschätzeinheit 4 aus.
Zusätzlich
korrigiert die adaptive vorwärtskoppelnde
Kompensationseinrichtung 5 den Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrag
durch Ändern
von Parametern auf Basis eines Korrekturwerts e, der von der Korrektureinheit 6 zugeführt wird
und der einem Reibkoeffizienten μE entspricht, und berechnet eine Hinterradlenkwinkelsignal δR,
das dem korrigierten Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrag
entspricht. Somit gibt die adaptive vorwärtskoppelnde Kompensationseinrichtung 5 ein
korrigiertes Hinterradlenkwinkelsignal δR an
das Fahrzeug 2 und die Reibkoeffizientenschätzeinheit 4 aus.
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Die
Korrektureinheit 6 weist einen Berechnungsabschnitt auf
zum Berechnen eines Korrekturfaktors e, der dem Reibkoeffizienten
entspricht. Insbesondere berechnet die Korrektureinheit 6 einen Korrekturfaktor
e auf Basis eines (geschätzten)
Reibkoeffizientensignals μE, das von dem Reibkoeffizientenschätzglied 4 zugeführt ist,
und leitet den berechneten Korrekturfaktor e zu der vorwärtskoppelnden Kompensationseinrichtung 5,
um hierdurch den Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrag
in Antwort auf Änderungen
oder Schwankungen des Reibkoeffizienten zu ändern oder zu korrigieren.
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Die
Reibkoeffizientenschätzeinheit 4 weist einen
Schätzabschnitt
auf, um einen Reibkoeffizienten zwischen dem Fahrzeugreifen und
der Strassenoberfläche
zu schätzen.
Insbesondere schätzt
die Reibkoeffizientenschätzeinheit 4,
unter Verwendung der folgenden Gleichung (1), einen (geschätzten) Reibkoeffizienten μE,
wo Effekte der Querbeschleunigung γG und
der Fahrzeuggeschwindigkeit V geeignet kompensiert werden, auf Basis
des Hinterradlenkwinkelsignals δR und des Gierratensignals γ, das von
der adaptiven vorwärtskoppelnden
Kompensationseinrichtung 5 bzw. dem Fahrzeug 2 zugeführt wird.
Somit gibt die Reibkoeffizientenschätzeinheit 4 ein (geschätztes) Reibkoeffizientensignal
mu E an die Korrektureinheit 6 aus. μE ={eE + √(eE 2 + 4kE·γG)/2 (1) wobei kE eine Konstante ist.
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In
Gleichung (1) kann der Schätzwert
eE durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden: eE = (A + 1 – B)/(λE –1·A + 1 – B) (2)wobei A =
KSPO·V2 und B = CBO·V/L; wobei
KSPO: die Konstante betreffend die Fahrzeugmasse
M, den Abstand L von der Vorderachse/Hinterachse zum Schwerpunkt,
und die Seitenführungskraft
K; und CBO: Konstantzustand-Rückkopplungsfaktor.
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Aufgrund
der Korrektureinheit 6, die den Steuer/Regelbetrag der
adaptiven vorwärtskoppelnden
Kompensationseinrichtung 5 entsprechend dem Reibkoeffizienten
zwischen den Fahrzeugreifen und der Strasse korrigiert, kann die
Lenkvorrichtung 1 der Erfindung einen minimalen Fahrzeugschlupfwinkel (entsprechend
dem Fahrzeuglenkwinkel) sowohl im Konstantzustand als auch im Übergangszustand
des Fahrzeugs einstellen, um hierdurch das Fahrzeugquerverhalten
in sicherer Weise stabil steuern zu können.
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Die
weitere Beschreibung betrifft eine Modifikation der Korrektureinheit,
in der der Effekt der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung γG kompensiert
wird.
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2 zeigt
im Blockdiagramm einen Hauptabschnitt einer weiteren Ausführung des
Korrekturmittels.
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In 2 enthält die Korrektureinheit 11 ein Reibparametersetzeinheit 7,
eine Beschleunigungsparametersetzmitteleinheit 8 sowie
eine Korrekturwertberechnungseinheit 9. Insbesondere berechnet die
Korrektureinheit 11 einen Korrekturfaktor e auf der Basis
des (geschätzten)
Reibkoeffizientensignals μE und des Querbeschleunigungs signals γG (indiziert die
auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs wirkende Querbeschleunigung) und
liefert den berechneten Korrekturfaktor e zur adaptiv vorwärtskoppelnden Kompensationseinrichtung 5 zur
Steuerung des Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrags
derart, um den Fahrzeugschlupfwinkel zu kompensieren, durch geeignete
Kompensation von Effekten des Reibkoeffizienten zwischen den Fahrzeugreifen
und der Strassenfläche
und der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung.
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Die
Reibparametersetzeinheit 7 hat einen Berechnungsabschnitt,
in dem das (geschätzte) Reibkoeffizientensignal μE als
ein Parameter verwendet wird. Insbesondere berechnet die Reibparametersetzeinheit 7 einen
Reibparameter pA entsprechend dem (geschätzten) Reibkoeffizientensignal μE, das
von dem in 1 gezeigten Reibkoeffizientenschätzglied 4 zugeführt wird,
und gibt an die Korrekturwertberechnungseinheit 9 ein Reibparametersignal
pA aus.
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Die
Beschleunigungsparametersetzeinheit 8 hat einen Berechnungsabschnitt,
in dem das Querbeschieunigungssignal γG als
ein Parameter verwendet wird. Insbesondere berechnet die Beschleunigungsparametersetzeinheit 8 einen
Beschleunigungsparameter pE entsprechend
dem auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigungssignal γG (der
Beschleunigungsparameter pB ist ein Digitalwert, erzeugt
durch A/D-Wandlung in gleicher Weise wie beim Lenkwinkelsignal theta
H gemäss 1)
und gibt an die Korrekturwertberechnungseinheit 9 ein Beschleunigungsparametersignal
pB aus.
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Die
Korrekturwertberechnungseinheit 9 berechnet einen Korrekturfaktor
e auf der Basis des Reibparametersignals pA und
des Beschleunigungsparametersignals pB,
das von der Reibparametersetzeinheit 7 bzw. der Beschleunigungsparametersetzeinheit 8 zugeführt ist,
und gibt ein Korrekturfaktorsignal e an die zur adaptiv vorwärtskoppelnden Kompensationseinrichtung 5 aus,
um hierdurch in Antwort auf Änderungen
oder Schwankungen des (geschätzten)
Reibkoeffi zientensignals μE und des Querbeschleunigungssignals yG den Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrag
zu korrigieren.
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Weil
die Korrektureinheit 11 dieser Ausführung den Steuer/Regelbetrag
des vorwärtskoppelnden
Kompensationsglieds auf Basis der von dem Fahrzeug erfaßten Querbeschleunigung
korrigiert oder ändert,
ist es möglich,
das Fahrzeugquerverhalten mit verbesserter Stabilität zu steuern,
um den Effekt der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung
zu kompensieren.
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Der
Vorwärtskopplungs-Steuer/Regelbetrag Cf e(s) läßt sich
unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) auf Basis des (geschätzten) Reibkoeffizienten μE und
der Querbeschleunigung yG bestimmen. Cf e(s)
= –K{c1(s) + C0(s)}/{c1(s) + 1} (3)wobei
c0(s) und c1(s)
Gleichungen oder Ausdrücke sind,
in denen der Korrekturfaktor e, betreffend die Fahrzeugmasse M,
die Seitenführungskraft
K, den Abstand von der Vorderachse/Hinterachse zum Schwerpunkt sowie
die Fahrzeuggeschwindigkeit V, als ein Parameter verwendet wird,
und s ist der Laplace-Operator.
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Der
Korrekturfaktor e läßt sich
durch die folgende Gleichung (4) in Verbindung mit dem geschätzten Reibkoeffizienten μE und
der Querbeschleunigung yG ausdrücken. e = e(yG/μE)
= μE{1 – kE(yG/μE)2} (4)wobei
kE eine Konstante ist.
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In
den 3A und 3B und 4A und 4B werden
die Gierratenfrequenzantworten der Erfindung unter Verwendung des
Vorwärtskopplungs-Steuer/Re gelbetrags
cf e(s) mit jenen
vom Stand der Technik unter verschiedenen Bedingungen verglichen.
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3A und 3B zeigen
die Gierraten-Frequenzantwortkurven, die zu beobachten sind, wenn
die Querbeschleunigung null (0) ist, d. h. yG = 0.
Insbesondere zeigen die 3A und 3B die Frequenzcharakteristiken
des Gierraten(verstärkungs)faktors
bzw. die Frequenzcharakteristiken der Gierratenphase, die zu beobachten
sind, wenn das Fahrzeug keiner Querbeschleunigung unterliegt (yG = 0), die Fahrgeschwindigkeit bei 30 m/s
fixiert ist (V = 30 m/s), und der Reibkoeffizient μE auf
einen Wert von 0,2 oder 0,4 als Parameter gesetzt ist (μE =
0,2 oder 0,4).
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Die
Gierratencharakteristiken (Gierratenfrequenzantworten) der Erfindung
(in den 3A und 3B mit
durchgehenden Linien dargestellt) zeigen eine viel höhere Stabilität als jene
vom Stand der Technik (in diesen Figuren mit unterbrochenen Linien gezeigt),
weil der (Verstärkungs-)Faktor
und die Phase sehr geringe Änderungen
im Hinblick auf die Frequenzänderungen
zeigen.
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Wie
aus den 3A und 3B ersichtlich, ist
die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung
in der Lage, Schwankungen der Gierrate trotz Änderungen des Reibkoeffizienten
auszusteuern oder wesentlich zu begrenzen. Das bedeutet, daß der Effekt
einer Reibung zwischen den Fahrzeugreifen und der Straßenfläche kompensiert
werden kann, was zu einer verbesserten Stabilität des Fahrzeugquerverhaltens führt.
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Die 4A und 4B zeigen
Gierratenfrequenzantwortkurven, die bei einem konstanten Reibkoeffizienten
zu beobachten sind. Insbesondere zeigen die 4A und 4B die
Frequenzcharakteristiken des Gierraten(verstärkungs)faktors bzw. die Frequenzcharakteristiken
der Gierratenphase, die zu beobachten sind, wenn der Reibkoeffizient μE und
die Fahrzeugeschwindigkeit V bei 0,8 bzw. 30 m/s fixiert sind (d.
h. μE = 0,8 und V = 30 m/s) und die Querbeschleunigung γG auf
0,6 G oder 0,8 G als ein Parameter gesetzt ist.
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Die
Gierratencharakteristiken (Gierratenfrequenzantworten) der Erfindung
(in den 4A und 4B mit
durchgehenden Linien gezeigt) zeigen eine überragende Stabilität im Vergleich
zum Stand der Technik (in diesen Figuren mit unterbrochenen Linien
gezeigt), weil der (Verstärkungs-)Faktor
und die Phase nur geringe Schwankungen im Hinblick auf Frequenzschwankungen
zeigen, wenn die Querbeschleunigung γG zunimmt.
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Wie
aus den 4A und 4B ersichtlich, kann
die erfindungsgemässe
Lenkvorrichtung Schwankungen der Gierrate auch dann aussteuern oder
wesentlich begrenzen, wenn die Querbeschleunigung zunimmt. Demzufolge
kann der Effekt der auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung kompensiert
werden, und daher wird die Querbeschleunigung des Fahrzeugs mit
verbesserter Stabilität
gesteuert.
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Obwohl
die Querbeschleunigung γG in den oben beschriebenen Ausführungen
von dem Querbeschleunigungssensor erfasst wird, kann er auch durch
Annäherung
unter Verwendung des Produkts der Fahrzeuggeschwindigkeit V und
der Gierrate γ bestimmt
werden.
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Eine
Lenkvorrichtung für
ein Fahrzeug enthält
eine Korrektureinheit 6 zum Korrigieren eines Steuer/Regelbetrags
eines adaptiven vorwärtskoppelnden
Kompensationseinrichtung 5 nach Massgabe eines Reibkoeffizienten μE zwischen
den Fahrzeugreifen und einer Strassenoberfläche. Mit dieser Anordnung wird
der Fahrzeugschlupfwinkel entsprechend dem Konstantzustand und dem Übergangszustand
des Fahrzeuglenkwinkels minimiert, und somit wird das Fahrzeugquerverhalten
mit verbesserter Stabilität
gesteuert. Infolgedessen läßt sich
auf trockener Straße
oder/und glatter Straße
ein stabiles Lenkgefühl
erreichen.
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Unter
vorwärtskoppelnder
Kompensation (feedforward compensation) bzw. vorwärtskoppelnder
Steuerung/Regelung (feedforward control) kann in diesem Zusammenhang
auch eine Kompensation bzw. Steuerung/Regelung mit Störgrößenaufschaltung
(DIN 19226 Teil 4) verstanden werden.