DE19945658A1

DE19945658A1 - Kraftfahrzeuglenkanlage

Info

Publication number: DE19945658A1
Application number: DE19945658A
Authority: DE
Inventors: Paul David Elwood
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2000-03-30
Also published as: JP2000103342A; US6272409B1

Abstract

Es wird ein Fahrzeuglenkgetriebe zum Einsatz bei Leichtlastwagen und anderen Fahrzeugen bereitgestellt, welches eine Funktionserzeugungseinrichtung zum spezifischen Einstellen der Ackerman-Geometrie durch unabhängige Steuerung der linken und rechten Spurstangenverbindungen hat. Die Erfindung kann unabhängig außerhalb der Lage des außenliegenden Kugelgelenks und an Stelle einer üblichen Zahnstangenlenkanlage eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Lenkanlagen für Kraftfahr zeuge. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Lenksteueranlage, welche die Verwirklichung einer virtuell perfekten Ackerman-Geometrie gestattet. Ein weiterer Vor teil, welcher sich aus dieser Anlagenauslegung ergibt, ist darin zu sehen, daß man eine größere Freiheit zur Anordnung der Lenkanlagenkomponente einer Anordnung von Komponenten eines Fahrzeugs erhält.

Die Ackerman-Lenkgeometrie läßt sich durch die Untersuchung der Zuordnungen der Komponenten einer typischen Zweirad lenkanlage erläutern, welche für eine Vorderachse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Falls das Fahrzeug auf einer Fahrbahn eine Kurve fahren soll, müssen sowohl das innen liegende als auch das außenliegende Rad entsprechend der Kurve verdreht werden. Hierbei legen die beiden Räder zwei gesonderte, bogenähnliche Bahnen zurück, welche in idealer Weise einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, welcher an der Schnittstelle einer Linie liegt, welche von dem Drehmittel punkt der Hinterachse des Fahrzeugs nach innen und in Rich tung auf den Mittelbereich der zu durchfahrenden Kurve verläuft und zwei ähnlich nach innen verlaufende Linien, von denen eine von dem Drehmittelpunkt des innenliegenden Rades der Vorderachse ausgeht und die andere ihren Aus gangspunkt am Drehmittelpunkt des außenliegenden Rades der Vorderachse hat. Zur genauen Lenkung und um ein unerwünsch tes Abreiben von Kautschuk von dem Laufflächenbereich des Reifens auf dem außenliegenden Rad zu vermeiden, muß der bogenähnliche Bahnverlauf, welcher von diesem Rad zurückge legt wird, den gleichen Mittelpunkt wie der bogenförmige Bahnverlauf haben, welcher von dem innenliegenden Rad durchlaufen wird. Da jedoch die innen- und außenliegenden Räder voneinander an der Vorderachse einen Abstand haben, d. h. sie haben eine sogenannte "Spurbreite", muß der Radius des gekrümmten Bahnverlaufs, welcher von dem außenliegenden Rad zurückgelegt wird, größer als der Radius des Bahnver laufs sein, welcher von dem innenliegenden Rad zurückgelegt wird. Als Folge hiervon muß das außenliegende Rad um einen Drehwinkel nach innen gedreht werden, welcher kleiner als der Drehwinkel des innenliegenden Rades ist. Wenn die Mit telpunkte der innenliegenden und außenliegenden Radbahnver läufe zusammenfallen, hat man Verhältnisse, welche als genaue Ackermanauslegung bezeichnet werden. Ein solcher Zustand ist im Hinblick auf das dynamische Verhalten des Fahrzeugs erwünscht, da jegliche Abweichung hiervon zu einer Ackerman-Fehlerverschlechterung hinsichtlich des Fahrzeugfahrverhaltens führt.

Bis heute gibt es zur Steuerung und Einhaltung der Acker man-Geometrie im allgemeinen nur die Möglichkeit, die ver schiedenen Komponenten der Lenkanlage in entsprechender Weise anzuordnen, und insbesondere bezieht sich dies auf die Positionierung der äußeren Spurstangenkugelgelenke. Eine solche Positionierung hat sich jedoch häufig als schwierig oder unmöglich erwiesen, da die Bewegung der äußeren Spurstangenkugelgelenke in Richtung nach außen in typischerweise zu physikalischen Behinderungen im Zusammen wirken mit der Radfelge führen. Die Erfindung erleichtert die Anordnungsvorgehensweisen und ermöglicht eine Abhilfe hinsichtlich der physikalischen Einschränkungen, indem eine größere Freiheit für die Anordnung der Spurstangenkugelge lenke und weiterer Komponenten im Rahmen ihrer örtlichen Lage ermöglicht wird, was im Hinblick auf eine kompakte Auslegung eines Fahrzeugs von Vorteil ist.

Ein Vorteil der Erfindung ist daher darin zu sehen, eine Kraftfahrzeuglenkanlage bereitzustellen, welche bei Leicht lastfahrzeugen und anderen Fahrzeugen eingesetzt werden kann und welche eine Einrichtung zum spezifischen Steuern der Ackerman-Geometrie unabhängig von der Lage der Außen seite des Spurstangenkugelgelenks hat und eine unabhängige Steuerung der linken und rechten Spurstangenverbindungen gestattet. Hierzu wird eine Kraftfahrzeuglenkanlage bereit gestellt, welche folgendes aufweist: eine Funktionserzeu gungseinrichtung; eine erste Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Funktionserzeugungseinrichtung mit einer Lenksäule und einem Lenkrad in der Fahrzeuglenkanlage; eine zweite Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Funktions erzeugungseinrichtung mit einer ersten Spurstange einer Verbindungseinrichtung der Lenkanlage; eine dritte Verbin dungseinrichtung zum Verbinden der Funktionserzeugungsein richtung mit einer zweiten Spurstange der Verbindungsein richtung; und eine Einrichtung zum Ermitteln eines Drehwin kels des Lenkrads der Lenkanlage, wenn das Fahrzeug eine Kurve durchfährt, und zum Übertragen des Winkels an die Funktionserzeugungseinrichtung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefüg te Zeichnung. In der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. In der Zeich nung gilt:

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht eines Kraftfahr zeugs mit vier Rädern und zwei Achsen, wobei die Vorderräder nach links zur Verdeutlichung der Ackerman-Geometrie gestellt sind;

Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht einer Lenkanlage nach der Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht eines Kraftfahr zeugs und einer Lenkanlage nach der Erfindung, wobei übliche Abmessungsangaben eingetragen sind;

Fig. 4 ist ein Positionsvektordiagramm in zwei Dimensio nen für die Konfiguration aus Fahrzeug und Lenk anlage nach Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Diagramm, in welchem die Längenänderungen der inneren Spurstangenkomponenten der Lenkanlage nach Fig. 3 eingetragen sind, welche erforder lich sind, um die Verhältnisse für eine perfekte Ackerman-Geometrie zu erzielen;

Fig. 6 ist ein Diagramm, in welchem zusätzlich zu den Längenänderungen der inneren Spurstange nach Fig. 5 noch Längenänderungen eingetragen sind, die sich durch den Einsatz einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ergeben; und

Fig. 7 ist eine Diagramm, in welchem zusätzlich zu den Längenänderungen der inneren Spurstange nach Fig. 5 noch die Längenänderungen eingetragen sind, die man bei Einsatz einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung erhält.

Fig. 1 stellt eine schematische Darstellung zur Verdeutli chung der Ackerman-Geometrie eines Kraftfahrzeugs mit vier Rädern und zwei Achsen dar, wobei die Vorderräder des Fahr zeugs in Richtung nach links gedreht sind. (Die Drehrich tung der Räder, d. h. nach links oder nach rechts, ist für die Erfindung nicht wesentlich. Die Erfindung könnte auch genauso gut bei einem Fahrzeug erläutert werden, bei dem die Räder nach rechts gestellt sind.) Das Fahrzeug, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, ist derart ausgelegt, daß es eine Vorderachse 12, eine Hinterachse 14 und ein Fahrgestell oder ein Chassis 16 hat, welches zwi schen der Vorderachse 12 und der Hinterachse 14 verläuft und diese beiden untereinander verbindet. Die Vorderachse 12 ist an gegenüberliegendenden Enden mit zwei im wesentli chen üblichen, lenkbaren Reifen/Radanordnungen 11 und 13 versehen, und in ähnlicher Weise sind an der Hinterachse 14 zwei übliche Reifen/Radanordnungen 15 und 17 vorgesehen, welche beide aber nicht lenkbar sind. Wie durch die Aus richtung der Anordnungen 11 und 13 in. Fig. 1 verdeutlicht ist, soll das Fahrzeug 10 eine Linkskurve fahren und im wesentlichen etwa in Gegenuhrzeigerrichtung fahren, wie dies mit dem Pfeil M verdeutlicht ist. Bei dieser Kurven einstellung ist zu erkennen, daß die Vorderräder 11 und 13 zwei gesonderte bogenähnliche Bahnverläufe P_i und P_o zurück legen, welche in idealer Weise einen gemeinsamen Mittel punkt C haben, welcher an der Schnittstelle einer Linie L₁, welche von dem Drehmittelpunkt c_r der Hinterachse 14 des Fahrzeugs 10 nach innen und in Richtung zu dem Mittelbe reich der zu durchfahrenden Kurve verläuft, und zwei ähn lichen, nach innen verlaufenden Linien l₂ und l₃ liegt, welche von dem Drehmittelpunkt c_i des innenliegenden Rads 11 der Vorderachse 12 und in etwa von dem Drehmittelpunkt c_o des außenliegenden Rades 13 der Vorderachse 12 ausgehen. Um eine entsprechend leichtgängige Lenkung und um ein uner wünschtes Abtragen von Kautschuk von dem Laufflächenbereich des Reifens auf dem außenliegenden Rad 13 zu vermeiden, muß der bogenförmige Bahnverlauf P_o, welcher von dem außenlie genden Rad 13 zurückgelegt wird, den gleichen Mittelpunkt C wie der bogenförmige Bahnverlauf P_i haben, welcher von dem innenliegenden Rad 11 zurückgelegt wird. Da jedoch die innenliegenden und außenliegenden Räder 11 und 13 vonein ander an der Vorderachse einen Abstand haben, welcher im allgemeinen als Spurbreite T_W bezeichnet wird, muß der Radius R_o des kurvenförmigen Bahnverlaufs P_o, welcher von dem außenliegenden Rad 13 zurückgelegt wird, größer als der Radius R_i des Bahnverlaufs sein, welcher von dem innenlie genden Rad 11 zurückgelegt wird. Als Folge hiervon muß das außenliegende Rad 13 zu einem Drehwinkel α_o nach innen ge dreht werden, welcher kleiner als der Drehwinkel α_i an dem innenliegenden Rad ist. Wenn die Mittelpunkte der innenlie genden und außenliegenden Radbahnverläufe mit dem Funkt C nach Fig. 1 zusammenfallen, hat man Verhältnisse einer perfekten Ackerman-Auslegung. Ein solcher Zustand ist im Hinblick auf die Fahrzeugdynamik erwünscht, da jegliche Abweichung von dieser Position zu einer Ackerman-Fehler verschlechterung hinsichtlich des Fahrzeugfahrverhaltens führt. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, stellt die Erfindung eine Einrichtung bereit, mittels welcher man virtuell perfekt die Ackerman-Geometrie einhalten kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei jeder gegebenen Lenkanlagenauslegungsform einschließlich der inneren und äußeren Spurstangenlagen ein vorgegebener Ab stand vorhanden ist, so daß die inneren Spurstangen der Anlage sich so bewegen müssen, daß man einen gewünschten Radwinkel erhält, und daß man daher die übliche Zahnstan genlenkanlage eines Fahrzeugs nur durch eine Funktionser zeugungseinrichtung ersetzen zu braucht, welche die genauen Längen an den inneren Spurstangen vorgibt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Fahrzeuglenkanlage, welche nach der Erfindung ausgelegt ist. Die Lenkanlage ist all gemein mit der Bezugsziffer 20 versehen und umfaßt die Vorderachse 12, die Vorderräder 11 und 13, eine mechanische Funktionserzeugungseinrichtung 21, linke und rechte, innere Spurstangen 22 und 23, linke und rechte, äußere Spurstangen 24 und 25, linke und rechte äußere Spurstangenkugelgelenke 26 und 27, und linke und rechte innere Spurstangenkugelge lenke 28 und 29. Die Lenkanlage 20 umfaßt auch linke und rechte Lenkhebel 31 und 32 und einen Achsschenkelbolzen 33. Wie ebenfalls aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird die Länge der linken, inneren Spurstange 22 mit der Abmessung L₁ und die Länge der rechten, inneren Spurstange 23 mit der Ab messung L₂ angegeben.

Bei jedem gegebenen Satz von Fahrzeugparametern, welche jene bezüglich der Radauslegungsform, der Spurbreite, der Lenkhebellagen und der Spurstangenlagen umfassen, hat sich gezeigt, daß die Länge L₁ der linken, inneren Spurstange 22, die man infolge von perfekten Ackerman-Geometrieverhält nissen erhält, mathematisch den Winkel θ zugeordnet ist, um den das Lenkrad des Fahrzeugs 10 gedreht wird. Der Zusam menhang kann allgemein mit L₁(θ) bezeichnet werden. Auch hat sich gezeigt, daß die Länge L₂ der rechten, inneren Spur stange 23 für eine perfekte Ackerman-Geometrie in ähnlicher Weise mathematisch dem Winkel θ zugeordnet ist, wobei aber eine andere mathematische Funktion gegeben ist, welche allgemein durch L₂(θ) ausgedrückt werden kann. Die mathema tischen Zusammenhänge L₁(θ) und L₂(θ) lassen sich unter Zuhilfenahme der folgenden Gleichungen mathematisch zuord nen:

wobei folgendes gilt:
θ ist der Winkel, um den das Lenkrad des Fahrzeugs 10 gedreht wird;
L₁ die Länge der linken, inneren Spurstange 22;
L₂ die Länge der rechten, inneren Spurstange 23;
α_i der Drehwinkel des innenliegenden Rads 11;
α_o der Drehwinkel des außenliegenden Rads 13;
[G] eine Übertragungsfunktion, welche lediglich durch die Auslegung der Lenkanlage bestimmt ist und den Zusammenhang der Länge der Fahrzeugzahnstangen lenkanlage zu dem Lenkradwinkel A aufzeigt; und
[T] eine Übertragungsfunktion, welche die genauen innenseitigen und außenseitigen Verbindungslän gen, Link₁ und Link₂ bei einem gegebenen Drehein gangswert (Winkel θ) des Lenkrads.

Die vorstehend genannten Formeln werden bei der Bereitstel lung einer Funktionserzeugungseinrichtung 21 eingesetzt, welche an Stelle einer üblichen Zahnstangenlenkeinrichtung eingesetzt wird, und hierdurch werden die Verbindungslängen Link₁ und Link₂ generiert, welcher einer virtuell perfekten Ackerman-Geometrie für den Drehwinkel θ als Eingangsgröße von dem Lenkrad des Fahrzeugs 10 führt. Eine Anzahl von physikalischen Einrichtungen können eingesetzt werden, um den Funktionsgenerator bereitzustellen, welche das Vermögen haben, eine Drehbewegung des Lenkrads in eine erforderliche lineare Bewegung der inneren Spurstangen 22 und 23 umzuwan deln. Derartige Einrichtungen umfassen beispielsweise fol gendes: Eine Kreisübersetzung, eine elliptische Überset zung, Nocken, mit Schlitzen versehene Nocken, eine versetz te Gleitkurbel, eine viergliedrige Verbindung und eine fünfgliedrige Verbindung entweder einzeln oder in Kombina tion miteinander und weitere Einrichtungen. Da eine belie bige Anzahl von Funktionen unter dem Einsatz dieser Ein richtungen erzeugt werden können, wird die physikalische Anordnung der äußeren Spurstangen 24 und 25 und der Funk tionserzeugungseinrichtung unter den weiteren Fahrzeugkom ponenten, welche im vorderen Bereich des Fahrzeuges 10 anzuordnen sind, nicht mehr wesentlich und man erhält eine zusätzliche Freiheit hinsichtlich der Bestimmung der Anord nungsstellen.

Die Fig. 3 und 4 dienen zur Erläuterung des der Erfin dung zugrundeliegenden Prinzips. Fig. 3 ist ein schemati sches Diagramm des Fahrzeugs 10 und der Lenkanlage 20, wobei Dimensionsgrößen für das Fahrzeuggrundgestell W (101, inch = 2,5 m), die Spurbreite T_W (58 inch = 1,47 m), der Drehwinkel α₁ (9,090° = θ1) für das innenliegende Fad 11, der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des linken, äußeren Spurstangenkugelgelenks 26 und dem Mittelpunkt des linken, inneren Spurstangenkugelgelenks 28 (17,205 inch = 0,44 m), der Abstand zwischen der Mittellinie der Funktionserzeu gungseinrichtung 21 und dem Mittelpunkt des linken, inneren Spurstangenkugelgelenks 28 (8,779 inch = 0,23 m), der Ab stand zwischen dem Mittelpunkt des äußeren Spurstangenku gelgelenks 26 und des Mittelpunkt des Achsschenkelbolzens 33 (6.020 inch = 0,15 m) und der Abstand zwischen der Mit tellinie der Funktionserzeugungseinrichtung 21 und dem linken, äußeren Spurstangenkugelgelenk 26 (25,033 inch = 0,83 m) eingetragen sind. Die Lenkanlage 20 hat eine aus legungsbedingte Übersetzung von 14.

Fig. 4 zeigt schematisch die Darstellung eines Positions vektors in zwei Dimensionen für die Konfiguration der Lenk anlage 20 nach Fig. 3. Die Skalarwerte für die Vektoren R₁ bis R₅ entsprechen mit einer einzigen Ausnahme direkt den Abmessungen in der Fig. 3 für die linke Seite der Lenk anlage 20. Der Skalarwert für den Vektor R₁ beträgt bei spielsweise 6,020 inch (0,15 m), der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Achsschenkelbolzens 33 und dem Mittelpunkt des äußeren Spurstangenkugelgelenks 26. Der Skalarwert für den Vektor R₂ beträgt 0,44 m (17,205 inch), der Abstand zwischen dem linken äußeren Spurstangenkugelgelenk 26 und dem linken inneren Spurstangenkugelgelenk 28, usw. Der Skalarwert des Vektors R₄, welcher eine Ausnahme darstellt, wird durch die trigonometrischen Verhältnisse bestimmt, indem gilt cos(9,090°) mal 6,020, dem Abstand zwischen dem Achsschenkelbolzen 33 und dem Mittelpunkt des linken, äuße ren Spurstangenkugelgelenks 26.

In Fig. 4 sind zwei Vektorschleifen für die Lenkanlage 20 gezeigt. Die erste Schleife weist die Vektoren R₁, R₂, R₃, R₄ und R₅ auf, und die zweite Schleife umfaßt R₆, R₇, R₈, R₉ und R₄. Unter Anwendung der Vektoranalyse auf diese beiden Vek torengruppen ergibt sich etwa folgendes:

₁ + ₂ + ₃ + ₄ + ₅ = 0 (Gl. (1)) ₆ + ₇ + ₈ + ₉ + ₄ = 0 (Gl. (2))
R₃ + R₉ = K (K = _Konstant) (Gl. (3))
R₁ cos(θ₁) + R₂ cos(θ₂) + R₃ cos(θ₃) + R₄ cos(θ₄) + R₅ cos(θ₅) = 0 (Gl. (4))
R₁ sin(θ₁) + R₂ sin(θ₂) + R₃ sin(θ₃) + R₄ sin(θ₄) + R₅ sin(θ₅) = 0 (Gl. (5))
R₆ cos(θ₆) + R₇ cos(θ₇) + R₈ cos(θ₈) + R₉ cos(θ₉) + R₄ cos(θ₄) = (Gl. (6))
R₆ sin(θ₆) + R₇ sin(θ₇) + R₈ sin(θ₈) + R₉ sin(θ₉) + R₄ sin(θ₄) = 0 (Gl. (7))

wobei folgendes gilt:
R₁ ist die Länge von dem linken Achsschenkelbolzenrnittel punkt zu dem linken, äußeren Spurstangenkugelgelenk; θ₁ ist der Winkel von der Horizontalen zum Vektor gebildet durch den linken Achsschenkelbolzenmittelpunkt zu dem linken, äußeren Spurstangenkugelgelenk;
R₂ ist die Länge von dem linken, äußeren Spurstangenkugelge lenk zu dem linken, inneren Spurstangenkugelgelenk; θ₂ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch das linke, äußere Spurstangenkugelgelenk zu dem lin ken, inneren Spurstangenkugelgelenk;
R₃ ist die Länge von dem linken, inneren Spurstangenkugelge lenk zu dem Mittelpunkt der Funktionserzeugungseinrichtung; θ₃ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebil det durch das linke, innere Spurstangenkugelgelenk zu dem Mittelpunkt der Funktionserzeugungseinrichtung;
R₄ ist die Länge von dem Mittelpunkt der Funktionserzeu gungseinrichtung zu dem Drehmittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkte; θ₄ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch den Mit telpunkt der Funktionserzeugungseinrichtung zu dem Quer mittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmit telpunkte;
R₅ ist die Länge von dem Quermittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkte zu dem linken Achs schenkelmittelpunkt; θ₅ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch den Quermittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkte und dem linken Achsschenkelbolzenmittelpunkt;
R₆ ist die Länge von dem Quermittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkte zu dem rechten Achs schenkelbolzenmittelpunkt; θ₆ ist der Winkel von der Hori zontalen zu dem Vektor gebildet durch den Quermittelpunkt der linken und rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkte und dem rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkt;
R₇ ist die Länge von dem rechten Achsschenkelbolzenmittel punkt zu dem rechten äußeren Spurstangenkugelgelenk; θ₇ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch den rechten Achsschenkelbolzenmittelpunkt zu dem rechten, äußeren Spurstangenkugelgelenk; und
R₈ ist die Länge von dem rechten, äußeren Spurstangenkugel gelenk zu dem rechten inneren Spurstangenkugelgelenk; θ₈ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch das rechte, äußere Spurstangenkugelgelenk zu dem rechten, inneren Spurstangenkugelgelenk; und
R₉ ist die Länge von dem rechten, inneren Spurstangenkugel gelenk zu dem Mittelpunkt der Funktionserzeugungseinrich tung; θ₉ ist der Winkel von der Horizontalen zu dem Vektor gebildet durch das rechte, innere Spurstangenkugelgelenk zu dem Mittelpunkt der Funktionserzeugungseinrichtung.

Durch Streichung der nicht erforderlichen trigonometrischen Funktionen, ergeben sich folgende vereinfachte Gleichungen:

R₁ cos(θ₁) + R₂cos(θ₂) + R₃ - R₅ = 0 (Gl. (8))
R₁ sin(θ₁) + R₂ sin(θ₂) - R₄ = 0 (Gl. (9))
R₆+R₇ cos(θ₇) + R₈ cos(θ₈) - R₉ = 0 (Gl. (10))
R₇ sin(θ₇) + R₈ sin(θ₈) - R₄ = 0 (Gl. (11))

Unter Umformung der Vektorgruppen läßt sich die Auflösung nach θ₂ und R₃ algebraisch wie folgt vornehmen:

R₃ = R₅ - R₁cos(θ₁) - R₅cos(θ₂) (Gl. (13))

Zur Lösung für θ₇ und θ₈ wird entweder die Newton Raphson Methode oder eine direkte Auflösung vorgenommen. Bei einer direkten Auflösung ergibt sich folgendes:

R₇ cos(θ₇) + R₈ cos(θ₈) = (K - R₃) - R₆ (Gl. (14))
R₇ sin(θ₇) + R₈ sin(θ₈) = R₄ (Gl. (15))

Aus der vorstehenden mathematischen Analyse ergibt sich der Drehwinkel α_o des außenliegenden Rads 13, welcher für die Stellung der perfekten Ackerman-Geometrie erforderlich ist, als bekannt, da θ₇ = α_o und die Änderungen der Länge für die linke, innere Spurstange 22 und die rechte, innere Spur stange 23 ebenfalls als bekannt, welche für die perfekte Einstellung der Ackerman-Geometrie erforderlich ist, indem man die Werte R₃ und R₉ vergleicht, welche man durch die Analyse der Längen der inneren Spurstangen 22 und 23 er hält, wenn das Fahrzeug 10 einen geraden Weg zurücklegt und die Räder 11 und 13 in einer unverdrehten Position sind. In dem Fall, wenn α₁ = 9,090°, α_o = 8,263° ist, ergibt sich für die Änderung der Länge der linken, inneren Spurstange 22 eine Vergrößerung von etwa 22,8 m (0,920 inch) und bei der Längenänderung der rechten, inneren Spurstange 23 eine Verkleinerung von etwa 21,9 m (0,864 inch).

Aus dem vorstehenden ergibt sich somit, daß der Drehwinkel α_o des Rads 13 und die Änderung der Länge für die linke, innere Spurstange 22 und die rechte, innere Spurstange 23 für eine perfekte Ackerman-Geometrie sich für jeden belie bigen Drehwinkel θ des Lenkrads des Fahrzeugs 10 und des Winkels α_i für das innenliegende Rad 11 ermitteln lassen. Nachstehend ist dies in der Tabelle 1 angegeben.

TABELLE 1

Fig. 5 stellt ein Diagramm dar, bei dem die Werte für ΔL₁ und ΔL₂ unter Zuordnung zu den Werten für α_i nach Tabelle 1 aufgetragen sind. Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, er gibt sich bei dem dort dargestellten Beispiel, d. h. für den Fall, daß das Fahrzeug 10 eine Linkskurve fährt, die Ände rung der Länge ΔL₁ der linken, inneren Spurstange 22 mit einer Vergrößerung in einer nicht linearen Form bei Zunahme von α_i, und die Änderung der Länge ΔL₂ der rechten, inneren Spurstange 23 ergibt sich als eine Verkleinerung auf eine nicht lineare Weise bei Zunahme von α_i. Ferner ist zu erken nen, daß bei jedem von Null abweichenden Wert für α_i der Absolutwert der Änderung der Länge ΔL₁ der linken, inneren Spurstange 22 größer als der Absolutwert der Änderung der Länge ΔL₂ der rechten, inneren Spurstange 23 ist. Somit muß die linke, innere Spurstange 22 eine größere Längenänderung als die rechte, innere Spurstange 23 erfahren, um die Ver hältnisse einer perfekten Ackerman-Geometrie zu erhalten.

Wiederum Bezug nehmend auf die Tabelle 1 ist zu ersehen, daß in der rechten Spalte mit der Überschrift ΔL₂ zwei zu sätzliche Spalten mit den Überschriften ΔL_2' und ΔL_2' angege ben sind. Die in den zusätzlichen Spalten angegebenen Zah lenwerte erhält man durch die Approximation nach der Metho de der kleinsten Quadrate. Bei der Spalte mit der Über schrift
ΔL₂, wurde die lineare Gleichung

y = 0,0816x

mit R² = 0,9848 eingesetzt. Diese Gleichung ergibt eine lineare Approximation des Zusammenhangs, welcher zu den ΔL₂- Werten nach Tabelle 1 führt, und hierbei wird angenommen, daß die mechanische Funktionserzeugungseinrichtung 21 der Lenkanlage 20 von einer einfach ausgelegten Getriebeein richtung gebildet wird. Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in welchem nicht nur die Werte für ΔL₁ und ΔL₂ gemäß Fig. 5 eingetragen sind, sondern auch die Werte für ΔL_2' nach Ta belle 1. Bei einer Untersuchung von Fig. 6 ergibt sich, daß für Werte von α_i kleiner als etwa 30° die Abnahme in der Länge ΔL₂, und der äußeren Spurstange 23 kleiner als die ideale oder erforderliche Abnahme der Länge ΔL₂ ist, und daß für Werte von α_i größer als 30° die Abnahme der Länge ΔL_2' ideal wird oder mehr den erforderlichen Verhältnissen ent spricht bei einer Abnahme der Länge ΔL₂. Mit Hilfe der me chanischen Funktionserzeugungseinrichtung 21, welche eine relativ einfache Getriebeeinrichtung umfassen kann, lassen sich diese Verhältnisse annähern, um eine perfekte Acker man-Geometrie zu erzielen. Eine prozentuale Fehleranalyse, durchgeführt bei den Werten von ΔL₂ und ΔL_2' nach Fig. 6 zeigt, daß bei Abnahme von α_i innerhalb eines Bereiches von etwa 30° auf 1° der prozentuale Fehler zunehmend positiver wird, und in einem Bereich von 0% bis etwa +26% liegt, und daß bei einer Zunahme von α_i innerhalb eines Bereiches von etwa 30° auf 40° der prozentuale Fehler zunehmend nega tiv wird und innerhalb eines Bereiches von 0% bis etwa -6,5% liegt.

Wiederum Bezug nehmend auf die mit ΔL_2" in Tabelle 1 be zeichnete Spalte kann man somit folgende Gleichung ablei ten:

y = - 6e - 6x³+ 0, 0009x² - 0,1037x

wobei R² = 1 angenommen wird. Die zweite mathematische Funk tion stellt eine nichtlineare Approximation des Zusammen hangs zur Erzielung der ΔL₂-Werte nach Tabelle 1 dar, und hierbei kommt eine mechanische Funktionserzeugungseinrich tung 21 in Betracht, welche eine relativ komplizierte me chanische Auslegung hat. Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung die Werte von ΔL_2' nach der Tabelle zusammen mit den Werten von ΔL₁ und ΔL₂ nach Fig. 5. Bei einer Unter suchung von Fig. 7 ergibt sich somit, daß die für ΔL₂ und ΔL_2' aufgetragenen Kurven sich virtuell für alle angegebenen Werte von α_i nicht unterscheiden. Somit erhält man Verhält nisse einer nahezu vollständigen Ackerman-Geometrie, er zeugt durch die mechanische Funktionserzeugungseinrichtung 21, wenn man komplexere mechanische Auslegungsformen hier für vorsieht, welche eine Änderung der Länge der rechten, inneren Spurstange 23 nach Maßgabe der vorstehend angegebe nen nichtlinearen Funktion erzeugen. Eine prozentuale Feh leranalyse dient zur weiteren Verdeutlichung des Ausmaßes, mit dem man die nahezu perfekte Ackerman-Geometrie errei chen kann. Die Analyse der unterschiedlichen Werte für ΔL₂ und ΔL_2' nach Tabelle 1 zeigen, daß für Werte von α_i inner halb eines Bereiches von 2° bis 5° der prozentuale Fehler praktisch vernachlässigbar ist und in einem Bereich von +0,01% bis -0,01% liegt. Für Werte von α_i, welche in den Bereich von 6° bis 40° fallen, ändert sich der prozentuale Fehler von -0,03% bei α_i = 6° auf -1,27% bei α_i = 40°. Bei α_i = 1° beläuft sich der prozentuale Fehler auf -0,03%.

Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung erläutert worden sind, ist die Erfindung natür lich nicht auf die dort beschriebenen Einzelheiten be schränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modi fikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

1. Kraftfahrzeuglenkanlage zum Einsatz bei einer Lenk anlage eines Fahrzeugs zur Steuerung der Ackerman- Geometrie, welche folgendes aufweist:
eine Funktionserzeugungseinrichtung (21);
eine erste Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Funktionserzeugungseinrichtung (21) mit einer Lenksäule und einem Lenkrad der Lenkanlage (20);
eine zweite Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Funktionserzeugungseinrichtung (21) mit einer ersten Spurstange (22) einer Verbindungseinrichtung der Lenkanlage (20);
eine dritte Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Funktionserzeugungseinrichtung (21) mit einer zweiten Spurstange (23) der Verbindungseinrichtung; und
eine Einrichtung zur Ermittlung eines Drehwin kels (θ) des Lenkrads der Lenkanlage (20), wenn das Fahrzeug (10) eine Kurve fährt, und zum Übertragen des Winkels zu der Funktionserzeugungseinrichtung (21).

2. Kraftfahrzeuglenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spurstange eine linke, innere Spurstange (22) und die zweite Spurstange eine rechte, innere Spurstange (23) ist, und daß die linke innere Spurstange (22) und die rechte innere Spur stange (23) in Querrichtung durch die Funktions erzeugungseinrichtung (21) nach Maßgabe der Drehbewe gung des Lenkrads bewegbar sind.

3. Kraftfahrzeuglenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die linke, innere Spurstange (22) ein linkes, inneres Spurstangenkugelgelenk (28) zum beweglichen Verbinden der linken, inneren Spurstange (22) mit der linken, äußeren Spurstange (24) hat, die linke, äußere Spurstange (24) ein linkes, äußeres Spurstangenkugelgelenk (26) zum beweglichen Verbinden der linken, äußeren Spurstange (24) mit einem dreh baren, linken Vorderrad (11) hat, daß die rechte, innere Spurstange (22) ein rechtes, inneres Spur stangenkugelgelenk (29) zum beweglichen Verbinden der rechten, inneren Spurstange (22) mit einer rechten, äußeren Spurstange (25) hat, und daß die rechte, äußere Spurstange (25) ein rechtes, äußeres Spur stangenkugelgelenk (27) zum beweglichen Verbinden der rechten, äußeren Spurstange (25) mit einem drehbaren, rechten Vorderrad (13) hat.

4. Kraftfahrzeuglenkanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionserzeugungseinrich tung (21) eine Spurstangenbewegungseinrichtung umfaßt, welche aus der Gruppe gewählt ist, welche eine mechanische Einrichtung, eine hydraulische Einrichtung und eine elektrische Einrichtung umfaßt, um die linke, innere Spurstange (22) und die rechte, innere Spurstange (23) nach Maßgabe der Drehbewegung des Lenkrads zu bewegen.

5. Kraftfahrzeuglenkanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung die linke, innere Spurstange (22) um einen ersten Quer abstand bewegt, welcher bewirkt, daß die linke, äußere Spurstange (24) das drehbare, linke Vorderrad (11) um einen linken Vorderraddrehwinkel dreht, und daß die Bewegungseinrichtung die rechte, innere Spurstange (23) um einen zweiten Querabstand bewegt, welcher bewirkt, daß die rechte, äußere Spurstange (25) das drehbare, rechte Vorderrad (13) mit einem rechten Vorderraddrehwinkel verdreht.

6. Kraftfahrzeuglenkanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Querabstand und der zweite Querabstand und der linke Vorderraddrehwinkel und der rechte Vorderraddrehwinkel durch die mechani sche Einrichtung nach Maßgabe der folgenden mathema tischen Ausdrücke erzeugt werden:
θ ist der Winkel, um den das Lenkrad des Fahrzeugs (10) gedreht wird;
L₁ die Länge der linken, inneren Spurstange (22);
L₂ die Länge der rechten, inneren Spurstange (23);
α_i der Drehwinkel des innenliegenden Rads (11);
α_o der Drehwinkel des außenliegenden Rads (13);
[G] eine Übertragungsfunktion, welche lediglich durch die Auslegung der Lenkanlage bestimmt ist und den Zusammenhang der Länge der Fahrzeugzahn stangenlenkanlage zu dem Lenkradwinkel θ auf zeigt; und
[T] eine Übertragungsfunktion, welche die genauen innenseitigen und außenseitigen Verbindungslän gen, Link₁ und Link₂ bei einem gegebenen Drehein gangswert (Winkel θ) des Lenkrads,
und wobei der linke Vorderraddrehwinkel und der rechte Vorderraddrehwinkel jene sind, die man bei dem Fahrzeug für Verhältnisse gemäß der perfekten Acker man-Geometrie benötigt.

7. Fahrzeuglenkanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Ein richtung Komponenten hat, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche eine Kreisübersetzung, eine elliptische Übersetzung, eine Nockeneinrichtung, eine geschützte Nockeneinrichtung, eine versetzte Gleit kurbel, eine viergliedrige Verbindung und eine fünfgliedrige Verbindung hat.