DE3300640C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Lenken von Kraftfahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.
Lenkeinrichtungen für Kraftfahrzeuge, deren manuell betä­ tigbaren Lenkvorrichtung für die Vorderräder eine in Ab­ hängigkeit mindestens einer aus dem Fahrzustand resultie­ renden Steuergröße aktiv werdende Stellvorrichtung zum lenkenden Ansteuern der Hinterräder bei Lenkvorgängen zu­ geordnet ist, sind bekannt.
Bei der Einrichtung gemäß DE-OS 31 33 985 ist die die Hinterräder lenkende Stellvorrichtung über einen Sensor ansteuerbar, der eine seitliche Beschleunigung oder eine Gierwinkelgeschwindigkeit feststellt und in entsprechende Steuersignale umsetzt.
Zweck dieser Lenkeinrichtung ist es, Änderungen des Kur­ venverhaltens zu verringern, die normalerweise bei Be­ schleunigung und Verzögerung in der Kurve erzeugt werden.
Bei einem Lenksystem gemäß DE-OS 31 45 618 erfolgen die Lenkbewegungen der Hinterräder in Abhängigkeit von der manuellen Betätigung der den Vorderrädern zugeordneten Lenkvorrichtung über eine elektrische Steuereinheit, die von einem Fahrgeschwindigkeitssensor und von einem Lenk­ rad-Lenkwinkel-Sensor Eingangssignale erhält. Anhand die­ ser Signale erzeugt die Steuereinheit ein Lenkwinkel- Steuersignal zur Durchführung von Lenkbewegungen an den Hinterrädern.
Aufgabe dieses Lenksystems ist es, das Verhältnis zwischen Vorderrad- und Hinterrad-Lenkwinkel mit der Fahrgeschwin­ digkeit gemäß einer vorbestimmten, funktionellen Beziehung zu verändern, um dadurch den Abgleichwinkel des Fahrzeuges zu eliminieren und eine übermäßige Untersteuerung während des Bremsens zu vermeiden.
Bei der Lenkeinrichtung gemäß JP-Abstract 56-1 67 562 wird der Einschlagwinkel der Hinterräder in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit verändert, um die Manövrierbarkeit des Kraftfahrzeuges bei kleiner Geschwindigkeit zu ver­ bessern. Dies geschieht über eine Stellvorrichtung, die durch eine Kontrollvorrichtung ansteuerbar ist, der über einen Geschwindigkeitssensor entsprechende Signale zuge­ führt werden, und mit der dabei die Hinterräder gleichsinnig zu den Vorderrädern eingeschlagen werden.
Schließlich ist aus DE-OS 31 24 821 ein Verfahren zum Lenken eines Radfahrzeuges bekannt, bei dem, analog zu den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufgeführten Merk­ malen einer Lenkeinrichtung, gleichfalls geregelte Lenk­ bewegungen der Hinterräder mittels einer Stellvorrichtung bewerkstelligt werden.
Diese Hinterrad-Lenkbewegungen erfolgen bei Lenkvorgängen in Abhängigkeit von einer Steuergröße, die aus der aus dem Fahrzustand erwachsenden Querbeschleunigung resultiert.
Mit Hilfe dieses Verfahrens soll die Spurtreue des gesam­ ten Fahrzeuges bei Kurvenfahrt wesentlich verbessert und eine Seitenbewegung desselben verhindert werden. Dadurch ist sichergestellt, daß sich das Fahrzeug tangential zu einem Wendekreis bewegt.
Bei diesem Verfahren sind hierzu die Vorderräder durch eine mechanisch betätigbare und die Hinterräder durch eine hydraulisch ansteuerbare Lenkeinrichtung lenkbar und beide Lenkeinrichtungen sind ständig miteinander derart gekop­ pelt, daß der Lenkeinschlagwinkel der Hinterräder dem Lenkeinschlagwinkel der Vorderräder mit einem bestimmten Proportionalitätsverhältnis nachgebildet wird.
Mit diesem bekannten Lenkverfahren ist es jedoch nicht möglich, bei Kurvenfahrt im Augenblick des Erreichens der Kraftschlußgrenze das Ausbrechen des Fahrzeuges zu ver­ hindern. Dies bedeutet, daß das Fahrzeug ab diesen Moment keine Stabilitätsreserve mehr hat.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinrichtung in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so weiterzubilden, daß sich das betreffende Kraftfahrzeug bei Kurvenfahrten bei Erreichen eines quasi instabilen Fahrzustandes im Zeitpunkt des Ausbrechens selbsttätig wieder fängt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Damit schafft die Erfindung in diesem Zeitpunkt eine Sta­ bilitätsreserve, indem über die erst ab diesem Zeitpunkt unabhängig vom Lenkeinschlag der Vorderräder erfolgende, geregelte Ansteuerung der Hinterräder durch die Stellvor­ richtung die Kraftschlußgrenze in Richtung "sicher" ver­ schoben wird. Erreicht wird dies bei einer Tendenz zur Überschreitung der momentanen Kraftschlußgrenze durch ei­ nen über die Stellvorrichtung veranlaßten, von der Vor­ derachslenkung völlig unabhängigen Lenkvorgang an den Hinterrädern, wodurch augenblicklich ein gegenüber dem Radius der Fahrzeugbahnkurve größerer Radius angesteuert wird.
Hieraus resultiert zwar eine vom Fahrer ungewollte Fahrt­ richtungsänderung im Sinne einer Untersteuerung, die ihm bewußt macht, daß er nicht an, sondern bereits auf der Stabilitätsgrenze gefahren ist. Diese Information quit­ tiert dann der Fahrer instinktiv mit einer entsprechenden Lenkraddrehung zur Kurskorrektur, wobei sich in diesem Zeitpunkt das Fahrzeug bereits wieder in stabilem Fahrzu­ stand befindet.
Die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung übernimmt somit eine vom Fahrer zur Fahrzeugstabilisierung überhaupt nicht ausführbare Lenkoperation, da die Notwendigkeit ihrer Durchführung erst in dem Augenblick einer Bewegungsphase des Kraftfahrzeuges erkannt werden könnte, in welchem es für eine entsprechende Reaktion des Fahrers bereits zu spät wäre.
Der Fahrer wird somit in Grenzsituationen der Fahrstabi­ lität durch die Lenkeinrichtung gewissermaßen entmündigt, wobei ihm aber die Lenkfähigkeit der Vorderräder zur Durchführung der nach der automatisch erfolgten Hinter­ radlenkbewegung erforderlich werdenden Kurskorrektur voll erhalten bleibt.
Bei einer notwendig werdenden Kurskorrektur können dabei in die den Lenkeinschlag der Hinterräder bestimmende Steuergröße einzelne oder in Kombination mehrere Parameter eingehen.
Bevorzugt wird man dabei die Hinterräder durch die Stell­ vorrichtung bei einer von der Fahrgeschwindigkeit abwei­ chenden Radumfangsgeschwindigkeit ansteuern.
Bei einer zur Fahrgeschwindigkeit größeren Umfangsge­ schwindigkeit der Hinterräder ist es hierbei vorteilhaft, wenn durch die Stellvorrichtung eine Regelvorrichtung zur Vortriebsverminderung ansteuerbar und demgemäß mit einem gezielten Eingriff in den Antriebsstrang gekoppelt ist.
Um der Lenkeinrichtung durch Ankoppeln eines Nachläufers, beispielsweise eines Wohnwagens, die hierfür anzupassenden Funktionen automatisch aufzuprägen, ist es vorteilhaft, wenn der Ankopplungsvorgang (Schließen des Verbindungs­ steckers und ggf. Wirkung der Deichsellast) durch einen Prozeßrechner selbsttätig identifizierbar ist.
Der Erfindung kommt bei allradgetriebenen Kraftfahrzeugen besondere Bedeutung zu. Bei solchen Fahrzeugen kommt es bei Überschreiten der Kraftschlußgrenze gleichzeitig an allen Rädern zu einem unkontrollierbaren Ausbrechen des Fahr­ zeuges, d. h. es schiebt über alle vier angetriebenen Räder nach außen.
Für diesen speziellen Fall bietet die erfindungsgemäße, nur an der Kraftschlußgrenze erfolgende, geregelte Lenk­ bewegung der Hinterräder unabhängig von der Lenkbewegung der Vorderräder die einzig verbleibende Möglichkeit eines Wiederstabilisierens des Fahrzeuges.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung bei­ spielsweise das Fahrwerk eines Personenkraftwagens. Bei diesem sind sämtliche Räder mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung unabhängig von der ma­ nuell zu betätigenden Fahrzeuglenkung, beispielsweise in Abhängigkeit von fahrdynamischen Steuergrößen sowie Fahr- und Straßenzustandsgrößen zur Erzielung optimalen Fahr- und Manövrierverhaltens zu einer individuellen Änderung ihres Einschlagwinkels bzw. zu einer von der Radlenkung unabhängig durchführbaren Lenkbewegung ansteuerbar.
Die Vorderräder des Pkws sind mit 10 und 12, die Hinter­ räder mit 14 und 16 bezeichnet.
Jede Radaufhängung beider Achsen ist mit einem Radstell­ mechanismus 18 einer Stellvorrichtung 19 zur durch die oben erwähnten Steuergrößen veranlaßten Änderung des Rad­ einschlagwinkels ausgestattet. Diesem Radstellmechanismus 18 sind von einem an Bord des Pkws gegebenenfalls ohnehin vorhandenen Prozeßrechner 20 erzeugte Steuersignale zur zusätzlichen Verstellung der Räder 10, 12, 14 und 16 um ihre Lenkachse zuführbar.
Um diese Steuersignale zu erhalten, werden im Prozeßrech­ ner 20 diesem hauptsächlich während der Fahrt zugeführte Eingangsinformationen verarbeitet, die von einer Vielzahl von am Fahrzeug installierten Meßfühlern 22 erfaßt werden. Dabei werden analoge oder digitale Eingangsinformationen vorzugsweise gleichzeitig über eine Vielzahl von Parame­ tern zugeführt, von denen sich eine Auswahl bezieht auf Fahrgeschwindigkeit v; Gierwinkelgeschwindigkeit v g ; Querbeschleunigung b q ; Längsbeschleunigung b l ; Lenkrad­ drehwinkel α; Lenkradwinkelgeschwindigkeit v L ; Einschlag­ winkel der Lenkung δ L ; Reifenzustand Rz; Beladungszustand Zl, Drosselklappenstellung des Motorvergasers, Bremsdruck, Raddifferenzdrehzahl, Anhängelasten.
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, werden Vorder- und Hinterräder 10, 12, 14 und 16 während des Fahrens durch die Lenkeinrichtung willkürlich und unbeeinflußt von der Handlenkung zusätzlich zu dem vom Fahrer über die Lenkung veranlaßten Einschlagwinkel δ L₁, δ L₂ je Rad um unter­ schiedlich große zusätzliche Einschlagwinkel δ₁, δ₂ bzw. δ₃ und δ₄ verstellt, um zur Aufrechterhaltung eines opti­ malen Fahrzustandes beispielsweise wirksam werdenden Störkräften entgegenzuwirken und zwar bereits in einem Zeitpunkt, in welchem der Fahrer bei solchen Fahrsituati­ onen die ihm zugehenden, den sich ändernden Fahrzustand signalisierenden Informationen wegen zu kurzer Reaktions­ zeit noch gar nicht verarbeiten, geschweige denn entspre­ chende Gegenmaßnahmen einleiten konnte.
Bei allen möglichen Fahrmanövern läßt sich dabei über die Meßfühler 22 ein vom Beladungszustand unabhängiges Fahr­ verhalten erzielen, indem durch die durch diese Meßfühler 22 dem Prozeßrechner 20 zugeführten Steuergrößen ein von der Lenkung unabhängiges, zusätzliches Mitlenken der Räder und somit aktive Sicherheit bei maximaler Ausnutzung des Reibschlusses zwischen Reifen und Fahrbahndecke erreicht wird.
Durch die Lenkeinrichtung wird ein Gewinn an aktiver Si­ cherheit erreicht, indem sie es ermöglicht, einen in die kritische Phase wechselnden Fahrzustand (Verlust der Seitenführung) zu identifizieren und diesen instabilen Fahrzustand durch entsprechende Beeinflussung der Hinter­ radlenkung selbsttätig zu beseitigen.
Ist beispielsweise die momentane Raddrehzahl deutlich größer als es der zugeordneten Fahrgeschwindigkeit ent­ spricht, wird der Fahrzustand instabil, weil an den An­ triebsrädern, infolge des starken Antriebsschlupfes, keine ausreichende Seitenkraft übertragen werden kann. In diesem Falle werden unabhängig von der Gaspedalstellung der Win­ kel der Vergaserdrosselklappe des Fahrzeugmotors reduziert und gleichzeitig die Kennlinienparameter der Hinterrad­ lenkung so geändert, daß eine beginnende Schleuderbewe­ gung, ohne daß der Fahrer hierzu eingreifen muß, abgefan­ gen wird.
Ist hingegen die momentane Drehzahl mit Bezug auf die au­ genblickliche Fahrgeschwindigkeit kleiner, deutet sich an den freirollenden Rädern gleichfalls Verlust an Seiten­ führungskraft an, was sich besonders an den kurveninneren Rädern infolge der Radlastreduzierung zeigen wird. In diesem Falle wird das Ausbrechen des Fahrzeuges durch ei­ nen unabhängig von Lenkbewegungen des Fahrers über die Stellvorrichtung 19 veranlaßten gleichsinnigen Hinterradeinschlag verhindert. Zwar resultiert hieraus eine Kursabweichung; diese kann jedoch vom Fahrer innerhalb der üblichen Reaktionszeit leicht wieder ausgeregelt werden, weil er in diesem Falle das zum Untersteuern tendierende Fahrzeug lediglich in die Kurve hineinzulenken hat.
Das Erfassen und Ausschalten eines kritischen Fahrzu­ standes läßt sich mit Hilfe der die zu überlagernden Steuerbewegungen erzeugenden Komponenten der Lenkeinrich­ tung beispielsweise folgendermaßen realisieren:
  • 1. Berechnung des momentanen Drehpols der Fahrzeug­ bahnkurve aus den momentanen mittleren Einschlägen der Vorder- und Hinterräder.
  • 2. Bestimmung der theoretischen Raddrehzahlen aus dem berechneten momentanen Kurvenradius und der momen­ tanen Fahrgeschwindigkeit.
  • 3. Vergleich der wirklichen mit den theoretischen Raddrehzahlen.
Des weiteren bietet die Lenkeinrichtung die Möglichkeit einer Beeinflussung der Fahrdynamik von Gespannen.
In Abhängigkeit von den durch die Bewegungsgrößen des Fahrzeuges und durch die Lenkbewegungen des Fahrers be­ stimmten Erfordernissen beim Gespannbetrieb wird der Lenkeinrichtung die entsprechende Lenkcharakteristik zu­ geordnet. Dabei sind speziell für das aerodynamische Ver­ halten von Wohnwagen-Gespannen und das Bremsen in der Kurve durch die mögliche aktive Ansteuerung der Hinterradlenkung deutliche Verbesserungen der Fahrdynamik gewährleistet.
Die Radmechanismen 18 der Stellvorrichtung 19 zur zusätz­ lichen Radverstellung können beispielsweise hydraulische Stellglieder, Stellzylinder oder Hydraulikmotoren bilden.
Dabei kann für die Räder 10 und 12, bzw. 14 und 16 jeder Achse auch nur ein einziger Stellmechanismus vorgesehen sein. In diesem Falle sind die Räder, wie üblich, über Spurstangen und Lenker miteinander zu koppeln.
Des weiteren können die Radstellmechanismen 18 zur zu­ sätzlichen Verstellung der Einschlagwinkel als Servomechanismen ausgelegt sein, die die Geometrie der Radaufhängung verändern. So können beispielsweise Drei­ eckslenker mit verstellbaren Schenkellängen vorgesehen sein.
Es können schließlich auch elektromotorisch betriebene Stellglieder Einsatz finden.
Dabei ist klar, daß die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung gleich vorteilhaft sowohl in Personenkraftwagen als auch bei Lastkraftwagen, Omnibussen und Spezialfahrzeugen An­ wendung finden kann.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Lenken von Kraftfahrzeugen mit minde­ stens zwei Fahrzeugachsen, mit einer manuell betätigbaren Lenkvorrichtung zum Lenken der Vorderräder und mit einer Stellvorrichtung zur Durchführung geregelter, bei Lenk­ vorgängen erfolgender Lenkbewegungen an den Hinterrädern in Abhängigkeit von einer zumindest aus der vom Fahrzu­ stand erwachsenden Querbeschleunigung resultierenden Steuergröße, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterräder (14, 16) bei Erreichen der Kraft­ schlußgrenze durch die Stellvorrichtung (19), unabhängig von Lenkbewegungen der Vorderrad-Lenkvorrichtung, ansteu­ erbar sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterräder (14, 16) durch die Stellvorrichtung (19) bei einer von der Fahrgeschwindigkeit abweichenden Radumfangsgeschwindigkeit ansteuerbar sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Stellvorrichtung (19) bei einer zur Fahrge­ schwindigkeit größeren Umfangsgeschwindigkeit der Hinter­ räder (14, 16) eine Regelvorrichtung zur Vortriebsvermin­ derung ansteuerbar ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankoppeln eines Anhängers an das Kraftfahrzeug zur Anpassung der die Stellvorrichtung (19) ansteuernden Steuergröße an die veränderten Lastbedingungen durch einen Prozeßrechner (20) selbsttätig identifizierbar ist.
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