DE2322062A1

DE2322062A1 - Lenkeinrichtung fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE2322062A1
Application number: DE2322062A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Andreas; Hans Dr Kuehlborn; Wolfgang Dipl Ing Dr Lincke; Harald Dipl Ing Dr Schimkat; Walter Dipl Ing Dr Zimdahl
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1973-05-02
Publication date: 1974-11-21
Also published as: FR2227986A1; JPS5014028A; US3866706A; FR2227986B3

Description

TOLKSVAGEIiWERK
Aktienge Seilschaft
3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K I467
1702-Pt-Hu/Sa

30.4.73

Lenkeinrichtung für Fahrzeuge

Aus der Offenlegungsschrift 2 042 429, 63 c, 47, ist eine Lenkeinrichtung für Fahrzeuge bekannt mit einem zum Ausregeln des Einflusses von Störseitenkräften auf die Fahrtrichtung dienenden Regelkreis, enthaltend zumindest einen ersten Meßgeber, der einer auftretenden Fahrzeug-Querbeschleunigung entsprechende erste Signale für ein Verknüpfungsglied erzeugt, das eingangsseitig ferner mit einem zweiten Meßgeber zur Erzeugung von zweiten Signalen, die von dem Fahrer gegebenen Lenkbefehlen entsprechen, über eine diese Signale in Abhängigkeit von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit beeinflussende Anordnung in Verbindung steht und eine aus der Differenz der ihm zugeführten Signale gewonnene Regelgröße an einen ausgangsseitig mit einem Lenkservo in Verbindung stehenden ersten Regler abgibt. Dabei dient die Anordnung, der die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit bzw. ein dieser entsprechendes Signal zugeführt wird, zur Erzielung einer gewünschten Fahrstabilität, so daß das Fahrzeug bei beliebigen Geschwindigkeiten übersteuernd oder untersteuernd ausgelegt ist.

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Gegenüber einer aus der deutschen Patentschrift 1 04I 818, 65 c, 47» bekannten anderen Lenkeinrichtung, bei der das Verknüpfungsglied so ausgelegt ist, daß es eine der Summe der ihm zugeführten Signale entsprechende Regelgröße erzeugt, besitzt die zuerst beschriebene bekannte Einrichtung den Vorteil, daß Querbeschleunigungen des Fahrzeugs, die auf vom Fahrer gegebene Lenkbefehle zurückzuführen sind, im Prinzip keine Regelgröße und damit kein gegensteuerndes Moment im Lenkservo erzeugen. Dieses Merkmal der Differenzbildung ist also wichtig dafür, daß nur durch störende Seitenkräfte, z.B. Seitenwind, Unebenheiten der Fahrbahn oder dergleichen, erzeugte Querbeschleunigungen zu einer ihrer Wirkung entgegenwirkenden Betätigung, des Lenkservos führen.

Schwierigkeiten können nun insofern entstehen, als diese selbsttätige Bewertung von Querbeschleunigungen danach, ob es sich um durch gewollte Lenkbefehle oder durch unerwünschte Seiteneinflüsse hervorgerufene Querbeschleunigungen handelt, innerhalb eines relativ großen Bereichs der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit einwandfrei erfolgen muß. Eine diese Eigenschaft sicherstellende Ausbildung der eingangs beschriebenen bekannten Anordnung anzugeben ist Aufgabe der Erfindung. Die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus den zweiten Signalen und ihr zugeführten, der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit entsprechenden, in einem dritten Meßgeber erzeugten dritten Signalen vierte Signale erzeu- gend ausgelegt ist, die. zumindest ungefähr der unter Berücksichtigung von Fahrparametern theoretisch durch die Lenkbefehle allein hervorgerufenen Fahrzeug-Querbeschleunigung entsprechen, und daß das Regelsignal der Differenz zwischen der auftretenden und der theoretischen Fahrzeug-Querbeschleunigung entspricht.

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Während also bei der mehrfach zitierten bekannten Lenkeinrichtung die Anordnung ein Regler ist, der eine von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit abhängige Steuergröße in der Weise zugeführt erhält, daß das Fahrzeug bei verschiedenen Geschwindigkeiten die gewünschte Fahrstabilität besitzt, bildet diese Anordnung bei der Erfindung gleichsam ein Fahrzeugmodell, nämlich die Nachbildung deT in diesem Zusammenhang wichtigen Fahrparameter, worunter die Eigenschaften des individuellen Fahrzeugtyps zu verstehen sind. Die erfindungsgemäß verwendete Anordnung ermittelt aus den ihr zugeführten Signalen für die jeweils aufgegebenen Lenkbefehle und die jeweils vorliegende Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit diejenige Querbeschleunigung, die bei von störenden Seitenkräften freiem Fährbetrieb dann gerade auftreten müßte. Die dieser berechneten theoretischen Beschleunigung entsprechenden Signale werden in dem Verknüpfungsglied verglichen mit den Signalen für die tatsächlich auftretende Fahrzeug-Qaerbeschleunigung, so daß, wie dies im Prinzip schon bei der aus der Offenlegungsschrift bekannten Lenkeinrichtung der Fall ist, eine Regelgröße dem Lenkservo zur Erzeugung eines den Störseitenkräften entgegenwirkenden Moments nur dann zugeführt wird, wenn tatsächlich Störseitenkräfte vorhanden sind. Die erfindungsgemäße Auslegung der Lenkeinrichtung stellt sicher, daß dieser Kompensationseffekt bezüglich durch Lenkbefehle hervorgerufener Querbeschleunigungen innerhalb eines Geschwindigkeitsbereichs auftritt, der von der Güte der Nachbildung der Fahrparameter in der Anordnung abhängt.

Es sei betont, daß grundsätzlich auch mehrere erste Meßgeber an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs vorge-

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sehen sein können. Bei geeigneter Anordnung wird man jedoch mit einem einzigen ersten Meßgeber auskommen. Damit dieser auch bei Fahrzeugdrehungen, wie sie beispielsweise durch Glatteis hervorgerufen werden, für ein Entgegenwirken des Lenkservos vorzeichenrichtige Signale liefert, wird man ihn zweckmäßigerweise vor dem Fahrzeugschwerpunkt anordnen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Anordnung ein ausgangsseitig mit dem Verknüpfungsglied in Verbindung stehendes Multiplizierglied sowie ein Zeitglied und ein Funktionsglied, von denen das Zeitglied in einer Verbindung zwischen dem zweiten Meßgeber und dem Multiplizierglied und das Funktionsglied in einer Verbindung zwischen dem dritten Meßgeber und dem Multiplizierglied liegt; ferner besitzen beide Glieder derart von der Fahrzeug - Längsgeschwindigkeit abhängige Übertragungsfunktionen, daß das Produkt ihrer Ausgangssignale zumindest ungefähr der theoretischen Fahrzeug-Querbeschleunigung entspricht. In der Regel werden nichtlineare Übertragungsfunktionen vorliegen. Weitere Fahrparameter, wie beispielsweise die Höhe des Fahrzeugschwerpunkts,können beispielsweise bei der Übertragungsfunktion des Funktionsgliedes berücksichtigt werden. Das Zeitglied enthält eine Zeitkonstante, die beispielsweise die Fahrzeugmasse beinhaltet. Die Auslegung von Zeitglied und Funktionsglied kann beispielsweise so erfolgen, daß das Funktionsglied eine Übertragungsfunktion =7—ν und das Zeitglied eine Übertragungsfunktion I 1 + ^7—\ I i> (,vj L ^Fl^vi J

besitzen, worin F (v) eine für das Fahrzeug experimentell bestimmte Funktion der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit ν, Τ eine Fahrzeugdaten enthaltende Zeitkonstante und s die betrachtete komplexe Frequenz in den zweiten Signalen bedeuten.

Nimmt man an, daß die Übertragungsfunktion:*! von Zeitglied

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und Punktionsglied über der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit näherungsweise durch Geraden, allerdings mit unterschiedlicher Steigung, wiedergegeben werden können, wobei der Verlauf dieser Geraden für das jeweilige Fahrzeug gemessen wird, so erhält man eine hinreichend genaue Nachbildung des Fahrzeugs durch die Anordnung, wenn diese durch einen die Integrationszeitkonstante T besitzenden Integrator mit einer die Funktion F (v) beinhaltenden Rückführung gebildet ist. Bei einer ausgeführten Lenkeinrichtung gemäß der Erfindung ist die Rückführung durch einen Schalter gebildet, der mit einem von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit abhängigen Tastverhältnis betätigt wird.

Im folgenden wird- die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Dabei stellt Figur 1 die erfindungsgemäße Lenkein- . richtung im Prinzip dar, während sich Figur 2 auf das Blockschaltbild einer ausgeführten Einrichtung bezieht. Figur 3 zeigt die bevorzugte Ausbildung der Anordnung im Prinzip, während Figur 4 die schaltungsmäßige Ausführung der Anordnung nach Figur 3 zeigt.

Betrachtet man zunächst Figur 1, so bilden die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung, die hier für ein Kraftfahrzeug gedacht ist, jedoch auch bei anderen schienenlosen Fahrzeugen Einsatz finden kann, der hier durch ein Lenkrad I gebildete Lenkbefehlgeber, das eigentliche Fahrzeug II, die als Fahrzeugmodell oder Fahrzeugnachbildung anzusprechende und ausgelegte Anordnung III sowie der Regler IY, der einen Lenkservo und andere Elemente enthält.

In diesem Ausführungsbeispiel enthält das eigentliche Fahrzeug II zwei Meßgeber 1 und 2, von denen der erste Meßge-

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ber 1 der jeweils auftretenden Querbeschleunigung b entsprechende Signale an das Verknüpfungsglied 3 liefert, während der Meßgeber 2 der jeweiligen Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit ν entsprechende Signale an die Anordnung III abgibt. Dieser Anordnung werden ferner von dem zweiten Meßgeber 4 den jeweiligen Lenkbefehlen 1 des Fahrers entsprechende Signale zugeführt^ und die Anordnung ist so ausgelegt, daß sie diese Lenkbefehle 1 entsprechend der jeweiligen Geschwindigkeit ν bewertet und ebenfalls an das Verknüpfungsglied 3 Signale abgibt, .die der bei .idealem Fahrzustand theoretisch zu erwartenden Querbeschleunigung b, des Fahrzeugs infolge dieser Lenkbefehle entsprechen. Das Verknüpfungsglied 3 ist nun so ausgebildet, daß es ein Regelsignal r abgibt, dessen Phase und Amplitude bestimmt ist durch Phase und Größe der Differenz aus den beiden Beschleunigung'ssignalen b und b,. Sind der erste Beschleunigungsgeber 1 und die Anordnung III so ausgebildet, daß die von ihnen abgegebenen Signale einander entgegengerichtet sind, so bildet das Verknüpfungsglied 3 die Summe, andernfalls bildet es die Differenz aus den ihm zugeführten Signalen. Infolge der in der Anordnung III vorgenommenen geschwindigkeitsabhängigen Bewertung der Lenkbefehle 1 bzw. aus ihnen abgeleiteter Signale ist sichergestellt, daß über einen großen Geschwindigkeitsbereich, gegebenenfalls den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs, durch gewollte Lenkbewegungen des Fahrzeugs hervorgerufene Querbeschleunigungen, die ja ebenso wie durch Störseitenkräfte hervorgerufene Querbeschleunigungen in dem ersten Meßgeber 1 erfaßt werden, in dem Verknüpfungsglied 3 kompensiert werden, so daß das Regelsignal r tatsächlich nur eine Minderung oder im Idealfall eine Aufhebung der Wirkung von Störkräften auf das Fahrzeug hervorruft.

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In Figur 2 sind die bereits in Figur 1 vorkommenden Baugruppen und Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Die vom Lenkrad I gegebenen Lenkbefehle 1 gelangen in das Lenkgetriebe 5» das ihnen entsprechende Signale 1 an den Umsetzer 6 abgibt, der diese Signale in Spannungssignale 1_ umformt. Auf der anderen Seite gelangen die den Lenkbefehlen entsprechenden Winkelsignale 1 zu dem zweiten Verknüpfungsglied 7» das zu ihnen die von dem Regler erzeugten Lenksignale I¹ addiert und die Summe 1" von beiden auf die lenkenden Glieder des Fahrzeugs II leitet.

Auch die vom ersten Meßgeber erzeugten, der jeweiligen Querbeschleunigung entsprechenden Signale b werden in einen Umsetzer 8 in Spannungssignale b„ umgesetzt; diese Signale werden ebenso wie die der theoretischen Beschleunigung entsprechenden Signale b, in beschriebener Weise dem erstgenannten Verknüpfungsglied 3 zugeführt.

Der Regler IV enthält in diesem Ausführungsbeispiel den eigentlichen Regler 9 vor dem dritten Verknüpfungsglied 10, dem der Verstärker 11 und der Servomotor 12 nachgeschaltet sind. Der Servomotor 12, der also ein der Regelgröße r entsprechendes LeriKkorrektursignal I¹ erzeugt, arbeitet nicht direkt auf das zweite Verknüpfungsglied 7t sondern unter Zwischenschaltung des Schneckengetriebes 13 und der Drehwinkelbegrenzung 14· Das Schneckengetriebe 13 verhindert ein Einlaufen von Befehlen aus dem Fahrzeug in die Regelstrecke, und die Drehwinkelbegrenzung 14 dient zur Begrenzung von Lenkkorrekturbefehlen 1', die bei Fehlern im Regelkreis z.B. irrtümlich entstehen können.

Das Schneckengetriebe ist zugleich insofern als vierte

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Verknüpfung ausgenutzt, als von ihm die Rückführung 15 für den Regler abgeht. Die Rückführungssignale werden in dem Umsetzer 16 von Winkelsignalen in Spannungssignale umgesetzt, in dem Verstärker 17 verstärkt und in dem Funktionsglied 18 mit einer Zeitkonstante versehen, die den Verhältnissen des Servomotors 12 Rechnung trägt.

Von besonderem Interesse ist der Aufbau der Anordnung III. Sie besteht aus dem Multiplizierglied 19, dem den Lenkbefehlen entsprechende Signale nach Bewertung durch das Zeitglied 20 in Gestalt der Signale ζ und der Geschwindigkeit ν des Fahrzeugs entsprechende Signale entsprechend einer in das Funktionsglied 21 eingebauten Übertragungsfunktion in Gestalt der Signale f zugeführt werden, ζ und f sind infolge entsprechender Ausbildung des Zeitgliedes und des Funktionsgliedes 21 so beschaffen, daß das Produkt von ζ und f und damit das Ausgangssignal b. über einen großen Bereich der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit der bei dem betreffenden Fahrzeug bei alleinigem Vorhandensein der·jeweiligen Lenkbefehle 1 auftretenden Querbeschleunigung entspricht. Wie sich bei einer ausgeführten Ausbildung der Erfindung gezeigt hat, können die Übertragungsfunktionen des Zeitgliedes 20 und des Funktionsgliedes 21 als Geraden ausgeführt werden, deren Steigung empirisch zu bestimmen ist, damit man einen mit den tatsächlichen Verhältnissen genügend genau übereinstimmenden Beschleunigungswert b, erhält. Die Übertragungsfunktion des Funktionsgliedes wählt man dann zu , worin F (v) eine zu bestimmende Geschwindigkeitsfunktion ist, während man die Übertragungsfunktion des Zeitgliedes 20 zu pt + If^K ~l wählt, worin F die bereits erläuterte Funktion, T eine beispielsweise die Masse des Fahrzeuges berücksichtigende Zeitkonstante und s die

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komplexe Frequenz der Lenksignale sind.

Die gesamte Anordnung III läßt sich, wie Figur 5 zeigt, relativ einfach als Integrator mit- Rückführung aufbauen. Der eigentliche Integrator ist mit V, seine Rückführung mit VI "bezeichnet. Die Integrationszeitkonstante ist gleich der eben erläuterten Zeitkonstante T, und der In-r tegrator arbeitet gemäß der Beziehung 7=—, während die Rückführung VI ein Glied mit der Funktion F (v) enthält. Dieses Glied kann durch einen vorzugsweise elektronisch ausgeführten Schalter gebildet sein, wie dies Figur 4 zeigt. Der Schalter wird mit einem Tastverhältnis gesteuert, das von der jeweiligen Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit ν gesteuert wird. Zur Gewinnung eines geschwindigkeitsabhängigen Signals■dient hier die Einrichtung VII, die als wesentliche Bestandteile die strahlungsemittierende Diode 22, die sich entsprechend der jeweiligen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit drehende Lochscheibe 23 und den Fototransistor 24 enthält. Die hinter der monostabilen Kippstufe 25 vorliegenden Impulse werden mittels des Tiefpasses 26 in eine der Geschwindigkeit ν entsprechende analoge Spannung umgewandelt. Der rechts der Linie 27 liegende Schaltungsteil ist individuell für das jeweilige Fahrzeug bzw. den jeweiligen Fahrzeugtyp aufgebaut und liefert an den Klemmen 28 und 29 den Schalter VI mit einem Tastverhältnis ansteuernde Signale, das durch die der jeweiligen Geschwindigkeit entsprechende analoge Spannung und die Fahrparameter bestimmt ist.

Die Erfindung schließt nicht aus, daß, wie bei der bekannten Einrichtung nach der Offenlegungsschrift 2 042 429» einzelnen Baugruppen des Regelkreises weitere geschwindigkeitsabhängige Signale zur Erzielung bestimmter Effekte auf ge schaltet werden.

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Bildet man die Anordnung so aus, daß die von ihr erzeugten Signale für die theoretische Querbeschleunigung bewußt etwas von den entsprechenden Fahrzeugdaten abweichen, kann man dadurch ein "gewünscht verändertes Lenkverhalten des Fahrzeugs erreichen. Auch hierauf erstreckt sich die Erfindung.

Vie schon aus dem Hinweis, man könne den ersten Meßgeber vor dem Fahrzeugschwerpunkt anordnen, um Fahrzeugdrehungen zu erfassen, folgt, sind unter Querbeschleunigungen im Sinne der Erfindung nicht nur bei einer Translationsbewegung des Fahrzeugs auftretende Beschleunigungen zu verstehen. Es handelt sich vielmehr um alle am Ort des ersten Meßgebers auftretenden Beschleunigungen, die dieser erfaßt.

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Claims

1. ^ Lenkeinrichtung für Fahrzeuge mit einem zum" Ausregeln ^y des Einflusses von Störseitenkräften auf die Fahrtrrichtung dienenden Regelkreis, enthaltend zumindest einen ersten Meßgeber, der einer auftretenden Fahrzeug-Querbeschleunigung entsprechende erste Signale für ein Verknüpfungsglied erzeugt, das eingangsseitig ferner mit einem zweiten Meßgeber zur Erzeugung von zweiten Signalen,die von dem Fahrer gegebenen Lenkbefehlen entsprechen, über eine diese Signale in Abhängigkeit von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit beeinflussende Anordnung in Verbindung steht und eine aus der Differenz der ihm zugeführten Signale gewonnene Regelgröße an einen ausgangsseitig mit einem Lenkservo in Verbindung,stehenden ersten Regler abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (ill) aus den zweiten Signalen (l ) und ihr zugeführten, der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit (v) entsprechenden, in einem dritten Meßgeber (2) erzeugten dritten Signalen (v) vierte Signale (b.) erzeugend ausgelegt ist, die zumindest ungefähr der unter Berücksichtigung von Fahrparametern theoretisch durch die Lenkbefehle (l) allein hervorgerufenen Fahrzeug-Querbeschleunigung entsprechen, und daß das Regelsignal (r) der Differenz zwischen der auftretenden (b) und der theoretischen (b.) Fahrzeug-Querbeschleunigung entspricht .

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (ill) ein ausgangsseitig mit dem Verknüpfungsglied (3) in Verbindung stehendes Multiplizierglied (19) sowie ein Zeitglied (20) und ein Funktionsglied (21) enthält, von denen das Zeitglied (20) in einer Verbindung zwischen dsm zweiten Meßge-

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ber (5) und dem Multiplizierglied (19) und das Funktionsglied (21) in einer Verbindung zwischen dem dritten Meßgeber (2) und dem Multiplizierglied (I9) liegt, und daß beide Glieder (20, 21) derart .von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit (v) abhängige Übertragungsfunktionen besitzen, daß das Produkt, ihrer AuGgs,ngssignale (z, f)zumindest ungefähr der theoretischen Fahrzeug-Querbeschleunigung (b.) entspricht.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied (21) eine Übertragungsfunktion ™7-~\ und das Zeitglied (20) eine Übertragungsfunktion

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J 1 + ~ψτ~\Π besitzen, worin F (v) eine für das Fahrzeug experimentell bestimmte Funktion der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit v, T eine Fahrzeugdaten enthaltende Zeitkonstante und s die betrachtete Frequenz in den zweiten Signalen bedeuten.

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (ill) durch einen die Integrations-Zeitkonstante T besitzenden Integrator (v) mit einer die Funktion F (v) beinhaltenden Bückführung (Vl) gebildet ist.

5. Lenkeinrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung einen Schalter (YI) enthält, der mit einem von der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit abhängigen Tastverhältnis betätigt wird.

6. Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß dem Lenkservo (12) eine Drehwinkelbegrenzung (14) nachgeschaltet ist.

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7. Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßgeber (1) vor dem Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet ist.

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