DE3532222A1 - System zum steuern der lenkeigenschaften von mit raedern versehenen fahrzeugen - Google Patents

System zum steuern der lenkeigenschaften von mit raedern versehenen fahrzeugen

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DE3532222A1 DE19853532222 DE3532222A DE3532222A1 DE 3532222 A1 DE3532222 A1 DE 3532222A1 DE 19853532222 DE19853532222 DE 19853532222 DE 3532222 A DE3532222 A DE 3532222A DE 3532222 A1 DE3532222 A1 DE 3532222A1
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Description

System zum Steuern der Lenkeigenschaften von
mit Rädern versehenen Fahrzeugen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für lenkbare Fahrzeuge, bei denen entweder nur die Vorderräder oder aber alle Räder lenkbar sind.
Bei herkömmlichen Fahrzeugen, die nur ein mechanisches Lenkgestänge haben, werden die Vorderräder in Abhängigkeit des Winkeleinschlags eines Lenkrads (Lenkeingabegröße) und einer dynamischen Variablen, wie der zur Lenkeingabegröße gehörenden Gierungsgeschwindigkeit einheitlich durch die mechanische Konstruktion des Fahrzeugs festgelegt. Daher ist das Lenkverhalten für alle Fahrzeuge eines bestimmten Fahrzeugtyps dasselbe. Es ist praktisch unmöglich, einer Limousine die Eigenschaften eines Sportwagens zu verleihen, ohne hierzu die Fahrzeugkonstruktion drastisch zu ändern.
Ein bei Wettkämpfen verwendetes Fahrzeug, beispielsweise ein Rally-Fahrzeug, muß höhere Beschleunigungsmöglichkeiten und gleichzeitig ein höheres Lenkansprechverhalten zeigen. Diese beiden Anforderungen sind jedoch einander gegenläufig, weil Verbesserungen der Beschleunigungsmöglichkeiten einen größeren Motor voraussetzt, was das Lenkansprechverhalten beeinträchtigt, weil dadurch das Fahrzeuggewicht steigt.
Außerdem verändert sich das Lenkverhalten eines Fahrzeugs, wenn sich die Eigenschaften der Reifen, beispielsweise durch Reifenverschleiß oder nach einem Reifenwechsel verändern. Außerdem hängt das Lenkverhalten auch von der Straßenoberfläche ab.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenk-
steuersystem zu schaffen, welches einem gesteuerten Fahrzeug gewünschte Lenkeigenschaften verleihen kann, unabhängig von Einschränkungen der tatsächlichen Konstruktion des Fahrzeugs und wobei das Lenkverhalten unabhängig von Veränderungen in der Straßenoberfläche, Reifeneigenschaften oder anderen Fahrzeugeigenschaften konstant ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach sieht die Erfindung ein Lenksteuersystem für ein gesteuertes/ein erstes und ein zweites Radpaar aufweisendes Fahrzeug vor, wobei das Lenksteuersystem
eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Lenkeingabegröße, 15
einen Geschwindigkeitsmesser zum Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Vorgabeeinrichtung für die gewünschten Eigenschaften, eine Einrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels, eine Betätigungseinrichtung,
eine Meßeinrichtung, die das momentane Verhalten mißt 20
und eine Einrichtung zum Angleichen von Parametern aufweist.
Die Meßeinrichtung zur Erfassung der Lenkeingabegröße
erfaßt einen Wert, der den Lenkbefehl des Fahrers des 25
gesteuerten Fahrzeugs widerspiegelt. Dieser Wert wird als Lenkeingabegröße festgehalten. Die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mißt die Fahrzeuggeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs und hält einen entsprechenden
Wert fest.
30
Die Vorgabeeinrichtung für die gewünschten Eigenschaften (im folgenden auch Zielvorgabeeinrichtung genannt) ist an die Meßeinrichtung zur Erfassung der
Lenkeingabegröße und den Geschwindigkeitsmesser ange-35
schlossen, und bestimmt einen Sollwert wenigstens einer dynamischen Variablen, wie etwa der Gierungsbeschleunigung und der Zentripetalbeschleunigung, welcher den gemessenen
Werten der Lenkeingabegröße und Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, indem eine Gruppe von Bewegungsgleichungen für ein Sollfahrzeug gelöst wird, wobei Fahrzeugparameter verwendet werden, die den durch das Sollfahrzeug festgelegten Sollwerten entsprechen. 5
Die Einrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels ist mit der Zielvorgabeeinrichtung verbunden und legt einen Sollwert eines ersten Einschlagwinkels der ersten Räder fest, wie er benötigt wird, um den Sollwert
der dynamischen Variablen zu erhalten. Dabei wird der Sollwert der dynamischen Variablen und Istwerte der Fahrzeugparameter, wie sie bei dem gesteuerten Fahrzeug vorliegen, verwendet.
Die Betätigungseinrichtung lenkt die ersten Räder so, daß der Istlenkwinkel der ersten Räder entsprechend dem Sollwert des Einschlagwinkels eingestellt und erhalten bleibt.
Die Einrichtung zur Erfassung des Istverhaltens mißt einen Istwert einer dynamischen Variablen des gesteuerten Fahrzeugs. Die Einrichtung zum Angleichen der Parameter gleicht den Istwert wenigstens eines Fahrzeugparameters der von der Einrichtung zur Be-
Stimmung des Lenkwinkels verwendet wird, abhängig von dem Istwert der dynamischen Variablen an, die von der Einrichtung zur Erfassung des Istverhaltens gemessen wurde.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen weiter erläutert und beschrieben.
Figur 1 zeigt in einem Blockdiagramm ein erfindungsgemäßes Lenksteuersystem,
Figur 2 zeigt in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
Figur 3 zeigt in einem Teilschnitt die Regler- und Betätigungselemente, wie sie in Figur 2 dargestellt sind, zum Lenken der Vorder- und Rückräder,
Figur 4 zeigt in einem Funktionsdiagramm den inneren Aufbau der Rechnereinheit, die in Figur dargestellt ist,
Figur 5 zeigt in einem Funktionsdiagramm den Abschnitt aus Figur 4, in dem die Parameter angeglichen werden,
Figur 6 zeigt in einem Flußdiagramm den in Figur dargestellten Abschnitt, in dem die Kurvensteif igkeit errechnet wird,
Figur 7 zeigt die Stellen, an denen die Querbeschleunigungssensoren, die in Figur 2 gezeigt sind, angeordnet sein können,
Figur 8 zeigt in einem Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Giergeschwindigkeitssensors, wie er in Figur 2 dargestellt ist und
Figur 9 zeigt in einem Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Quergeschwindigkeitssensors, wie er in Figur 2 dargestellt ist.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Lenksteuersystem zum Lenken eines gesteuerten Fahrzeugs dargestellt. Das System weist sieben Hauptgruppen 100 - 106 auf.
Die Einrichtung 100 mißt eine Lenkeingabegröße wie etwa die Winkelverdrehung Q„ des Lenkrades des gesteuerten Fahrzeugs. Die Einrichtung 101 mißt die Fahr· zeugg;eschwindigkeit V des gesteuerten Fahrzeugs. Die
^- Einrichtung 102 legt einen Sollwert M wenigstens einer dynamischen Variablen, wie etwa der Gierungsbeschleunigung und einer Zentripetalbeschleunigung/ fest,wie sie den für die Lenkeingabegröße und die Fahrzeuggeschwindigkeit gemessenen Werten entspricht, indem eine Gruppe von Bewegungsgleichungen gelöst wird, welche Parameter enthalten, die Sollwerten entsprechen, die durch ein Sollfahrzeug oder Fahrzeug mit den angestrebten Eigenschaften festgelegt sind. Das bedeutet, daß die Eirnichtung 102 theoretisch das Verhalten eines Sollfahrzeugs abhängig von der gemessenen Lenkeingabegröße und der Fahrzeuggeschwindigkeit vorhersagt. Die Einrichtung 103 legt den Sollwert oder Sollwerte für die Einschlagwinkel entweder für Vorder- und Rückräder oder nur für eines dieser Radpaare fest. Dabei wird der Sollwert M der dynamischen Variablen, wie er durch die Einrichtung 102 festgelegt ist und Parameteristwerte, die sich durch das gesteuerte Fahrzeug ergeben, verwendet. Die Einrichtung 104 lenkt die Vorderräder und/oder Hinterräder abhängig von den Sollwerten für den Lenkwinkel. Die Einrichtung 105 mißt einen Istwert für die dynamische Variable eines gesteuerten Fahrzeugs. Die Einrichtung 106 gleicht einen oder mehrere Istwerte der Parameter, die in der Einrichtung 103 verwendet werden, abhängig vom Istwert der dynamischen Variablen, die von der Einrichtung 105 erfaßt wurden, an.
Figur 2 zeigt ein Lenksteuersystem eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einrichtungen 102, 103 und 106 als eine Recheneinheit 1 zusammengefaßt, beispielsweise in der Form eines digitalen Mikrocomputers oder eines analogrechnenden Schaltkreises. Die Einrichtung 100 zum Messen der Lenkeingabegröße ist als Winkelsensor 2 verwirklicht, der den Einschlagwinkel des Lenkrads 8 des gesteuerten Fahrzeugs mißt. Die Einrichtung 101 ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser 3. Die Einrichtung 105, mit der der
Istwert der dynamischen Variablen gemessen wird, umfaßt einen vorderen Beschleunigungsmesser 13, der den Istwert gp* einer Querbeschleunigung der Vorderräder 9 und 10 des gesteuerten Fahrzeugs mißt, sowie einen hinteren Beschleunigungssensor 14, der einen Istwert gR* der Querbechleunigung der Hinterräder 11 und 12 des gesteuerten Fahrzeugs mißt, einen Giergeschwindigkeitssensor 15, der den Istwert Φ * des gesteuerten Fahrzeugs mißt und einen Quergeschwindigkeitssensor 16, der einen Istwert Y* einer Quergeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs erfaßt. Die Signale werden von den Sensoren 2, 3 und bis 16 in die Rechnereinheit eingespeist.
Die Betätigungseinrichtung 104 umfaßt einen Vorderradregler 4, einen hydraulischen Vorderradlenkbetätiger 6, mit dem die Vorderräder 9 und 10 des gesteuerten Fahrzeugs abhängig von dem Befehl des Vorderradreglers
4 eingeschlagen werden können. Weiterhin ist ein Regler
5 für die Hinterräder und ein hydraulisches Betätigungselement für die Hinterräder vorhanden, um die Hinterräder 11 und 12 des gesteuerten Fahrzeugs abhängig von den Steuerbefehlen des Hinterradreglers 5 einzuschlagen.
Figur 3 zeigt ein Vorderradlenksystem, welches aus dem Regler 4 und dem hydraulischen Betätigungselement
6 und dem Lenksystem für die Hinterräder bestehend aus dem Regler 5 und dem hydraulischen Betätigungselement 7, besteht. Beide Lenksysteme gleichen einander.
Die hydraulischen Betätigungselemente 6 und 7 besitzen zwei Kolben 32 und 33 und eine Welle 31, deren beide Enden mit entsprechenden Stangen verbunden sind. Jedes hydraulische Betätigungselement 6 oder 7 steuert die Räder, indem die Welle 31 axial abhängig von der öldruckdifferenz zwischen rechter und linker Ölkammer 34 und 35 bewegt wird.
In einer mittleren Kammer 37 jedes Betätigungselementes
6 oder 7 sind Scheiben 38 und 39 lose auf der Welle angeordnet. Zwischen den Scheiben 38 und 39 ist eine Feder 36 angeordnet, die die Scheiben auseinanderdrückt. Die Feder 36 führt die Welle 31 in ihre neutrale oder Ausgangsposition zurück, wenn in den rechten und linken Kammern 34 und 35 keine Öldruckdifferenz vorliegt. Die Vorder- und Hinterradlenkregler 4 und 5 besitzen Solenoidantriebselemente 21, ein Steuerventil 22, eine ölpumpe 26 und einen ölbehälter 27.
Das Steuerventil 22 der Regler 4 oder 5 besitzt Ölleitungen 28 und 29 j die jeweils zu den linken und rechten Kammern 34 und 35 der hydraulischen Betätigungselemente 6 oder 7 führen. Das Steuerventil 22 besitzt einen Kern 25, der die Öldurchflußrate durch die Ölleitungen 28 und 29 durch eine Axialbewegung regelt. Die linken und rechten Enden des Kerns 25 sind links und rechts mit elektromagnetischen Wicklungen 23 und 24 umgeben, so daß bei der Beaufschlagung dieser Solenoide 23 und 24 der Kern axial bewegt werden kann.
Der Solenoidantreiber 21 an jedem Regler 5 oder 6 liefert ein Stromsignal, welches die vom Rechner 1 ermittelten Sollwerte 5 ρ oder S _ für die Einschlagwinkel der Vorder- oder Hinterräder angibt, entweder an das linke oder rechte Solenoid 23 und 24, abhängig von der gewünschten Einschlagrichtung.
Die Figur 4 zeigt den Funktionsaufbau der Rechnereinheit 1. Wie zu sehen ist, besitzt die Rechnereinheit 1 einen Abschnitt 51, in dem ein Sollwert wenigstens einer dynamischen Variablen bestimmt wird, einen Abschnitt 52, mit dem die Sollwerte für Einschlagwinkel der Vorder- und Hinterräder bestimmt und einen Abschnitt 53, mit dem die Fahrzeugparameter des gesteuerten Fahrzeugs eingestellt werden.
Der Abschnitt 51 empfängt die Lenkeingabegröße
©s und die Fahrzeuggeschwindigkeit V von den Sensoren 2 und 3 und errechnet einen Sollwert φ für die Gierungsbeschleunigung und einen Sollwert Y„ für die Zentripetalbeschleunigung, indem Bewegungsgleichungen für das Fahrzeug gelöst werden. Die Fahrzeugparameter, die in den Gleichungen für die Fahrzeugewegung auftreten und wie sie im Abschnitt 51 verwendet werden, werden so eingestellt, daß sie den Sollwerten, wie sie durch das Sollfahrzeug vorgegeben sind, entsprechen.
Das Sollfahrzeug kann identisch sein wie das gesteuerte Fahrzeug. D.h., die Sollwerte der Fahpeeugparameter können gleich den Istwerten der Fahrzeugparameter des gesteuerten Fahrzeugs sein. Es ist aber auch möglich, daß das Sollfahrzeug sich von dem gesteuerten Fahrzeug im Typ unterscheidet. Z.B. kann das Sollfahrzeug ein Sportwagen sein und das gesteuerte Fahrzeug ein Limousine.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die verwendeten Fahrzeugparameter des Sollfahrzeugs die folgenden:
I21 = Trägheitsgiermoment des Sollfahrzeugs, M1 = Fahrzeugmasse des Sollfahrzeugs, L1 = Radabstand des Sollfahrzeugs, Lp1 = Abstand zwischen der Vorderachse und dem
Schwerpunkt des Sollfahrzeugs, LD1 = Abstand zwischen der Hinterachse und dem
η I
Schwerpunkt des Sollfahrzeugs,
Ij,.. = Trägheitsmoment um einen Achsschenkelbolzen des Sollfahrzeugs,
Kp1 = Lenksteifigkeit des Sollfahrzeugs, ϊ>νΛ - Zähigkeitskoeffizient des Lenksystems des
i\ I
Sollfahrzeugs,
^1 = Nachlauf des Sollfahrzeugs, N1 = Gesamtlenkübersetzungsverhältnis des Sollfahrzeugs, Kp1 = Kurvensteifigkeit an jedem Vorderrad des Sollfahrzeugs ,
Kn, = Kurvensteifigkeit an jedem Hinterrad des Sollfahrzeugs
1 Im Abschnitt 51 werden Rechenschritte durchgeführt, in denen die Sollwerte wenigstens einer dynamischen Variablen bestimmt werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden im Abschnitt 51 die Sollwerte für
5 die Gierungsbeschleunigung und die Zentripetalbeschleunigung G unter Verwendung der folgenden Gleichungen festgelegt:
10 1Ki^fI " Vsi^s-Vfi^Ki'fr^iS! (1)
M,(y, + O1V) - 2Cpi + 2CR <2>
1 J 1 1 rl λι
15 1Zl0I * 2LF1CF1 " 2LR1CR1
hi ' »ffi - (*i + lfA
Pa -(V - Ln<i)J/V ....· V·»/
Oi x Jf 1 Ri 1
Kl ■»· ΛΧ ·*■
20 (6)
/-. tr α .....10/
CR1 KR1PR1
25 .. * * 6I
dabei bedeutet
ζ~Λ = Lenkwinkel der Vorderräder des Sollfahrzeugs r ι
(in diesem Ausführungsbeispiel ist das Sollfahrzeug ein über zwei Räder gesteuertes Fahrzeug) φ. = Gierungsgeschwindigkeit des Sollfahrzeugs, φ = Gierungsbeschleunigung des Sollfahrzeugs,
Y. = Quergeschwindigkeit des Sollfahrzeugs entlang seiner
Quer- oder Y-Achse,
IQ Y1 = Seitenschubbeschleunigung,
ß„. = Schwimmwinkel des Vorderräder des Sollfahrzeugs, y3R1 = Schwimmwinkel der Hinterräder des Sollfahrzeugs, Cp1 = Seitenführungskraft für jedes Vorderrad des
Sollfahrzeugs,
jg CR1 = Seitenführungskraft für jedes Hinterrad des
Sollfahrzeugs,
= Sollwert für die Gierungsbeschleunigung
YG = Sollwert für die Zentripetalbeschleunigung und Querbeschleunigung.
Die Gleichungen 1 bis 3 sind Bewegungsgleichungen für das Sollfahrzeug. Um diese Gleichungen zu lösen, müssen im Abschnitt 51 vier Integrationsstufen bei jedem Rechenzyklus innerhalb eines Abschnittes At durchgeführt werden. Das verwendete Integrations-
2g verfahren wird entsprechend der gewünschten Genauigkeit gewählt. Ein Integrationsverfahren kann wie folgt ausgedrückt werden:
A(t + At) - A(t) + At-A(t)
Es kann aber auch das Runge-Kutta-Verfahren angewendet werden.
Auf diese Art und Weise wird im Abschnitt 51 der Sollwert Φ für die Gierungsbeschleunigung und der Sollwert YG für die Zentripetalbeschleunigung und Querbeschleunigung festgelegt. Diese Werte sind die Größen der Gierungs-
beschleunigung und Zentripetalbeschleunigung des Sollfahrzeugs, wie sie den momentanen Werten der Lenkeingabegröße 0S und Fahrzeuggeschwindigkeit V entsprechen. Das Steuersystem ist bei diesem Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß die auf diese Art und Weise festgelegten Sollwerte 4 und Y„ sich bei dem gesteuerten Fahrzeug einstellen.
In dem Abschnitt 52, in dem der Solleinschlagwinkel festgelegt wird, werden Rechenschritte durchgeführt, um die Sollwerte $ Ρ und S D für die Vorder- und Hinterradeinschlagwinkel festgelegt werden. Dabei werden sie Sollwerte Φ und Yn und die Istwerte der Fahrzeugparameter an dem gesteuerten Fahrzeug verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die für das gesteuerte Fahrzeug berücksichtigten Parameter die folgenden:
Iy1 = Trägheitsgiermoment des gesteuerten Fahrzeugs, Mp = Fahrzeugmasse des gesteuerten Fahrzeugs, Lp = Radabstand des gesteuerten Fahrzeugs, Lp« = Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt des gesteuerten Fahrzeugs, LDO = Abstand zwischen der Hinterachse und dem
Schwerpunkt des gesteuerten Fahrzeugs, Kp2 = Kurvensteifigkeit jedes Vorderrades des gesteuerten Fahrzeugs,
KRp = Kurvensteifigkeit jedes Hinterrades des gesteuerten Fahrzeugs.
In dem Abschnitt 52 werden Sollwerte Tn- der Vorder-
radeinschlagwinkel und die Sollwerte F R der Hinterradeinschlagwinkel des gesteuerten Fahrzeugs aus den Istwerten der Fahrzeugparameter des gesteuerten Fahrzeugs und dem Sollwert^ für die Gierungsbeschleunigung und dem Sollwert YG für die Zentripetalbeschleunigung unter Verwendung der folgenden Gleichungen errechnet:
PR2
<12>
5f - ßF2 ♦ <ya * lF262)/v (14)
Λ . v (16)
y2 yl
(17)
dabei bedeutet
C00 = Seitenführungskraft jedes Vorderrades des ge-
Γ C.
steuerten Fahrzeugs,
CDO = Seitenführungskraft jedes Hinterrades des ge-H^
steuerten Fahrzeugs,
/Jp2 = Schwirarawinkel für die Vorderräder des gesteuerten Fahrzeugs,
^RP = Schwimmwinkel für die Hinterräder des gesteuerten Fahrzeugs,
30
fp = Gierungsgeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs ,
Yp = Quergeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs entlang seiner Quer- oder Y-Achse.
Der Abschnitt 52 gibt ein Signal, welches dem Sollwert Sp für den Vorderradeinschlagwinkel entspricht, an den Vorderradregler 4 ab. Außerdem gibt er ein dem Sollwert SR für den Hinterradeinschlagwinkel widerspiegelndes Signal an den Hinterradregler 5 ab.
Abhängig von diesen Signalen, die der Abschnitt 52 des Rechners 1 aussendet, steuern die Vorder- und Hinterradregler 4 und 5 den Flüssigkeitsdruck in den vorderen und hinteren hydraulischen Betätigungselementen 6 und 7, so daß die Vorderräder 9 und 10 und die Hinterräder 11 und 12 entsprechend den Sollwerten S ρ und ζ R eingeschlagen werden.
Auf diese Art und Weise wird die Gierungsbeschleunigung und die Zentripetalbeschleunigung des gesteuerten Fahrzeugs entsprechend den Werten des Sollfahrzeugs eingestellt, so daß das gesteuerte Fahrzeug dieselben Lenkeigenschaften wie das Sollfahrzeug hat. Wenn das gesteuerte Fahrzeug eine Limousine und das Sollfahrzeug ein Sportwagentyp ist, können die Eigenschaften des gesteuerten Fahrzeugs ohne Veränderungen am Fahrzeugrahmen entsprechend den Eigenschaften eines Sportwagens erhalten werden.
Veränderungen in Reifeneigenschaften oder Öberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn führen zu einigen Veränderungen der Istwerte der Fahrzeugparameter an dem gesteuerten Fahrzeug. Wenn der Abschnitt 52 zur Bestimmung des Solleinschlagwinkels Fahrzeugparameter des gesteuerten Fahrzeugs verwendet, würden sich die Lenkeigenschaften des gesteuerten Fahrzeugs verändern. Der Abschnitt 53, in dem die Parameter angeglichen werden, dient nun dazu, einige der Istwerte der Fahrzeugparameter des gesteuerten Fahrzeugs, die im Abschnitt 52 verwendet werden, abhängig von den Istwerten der dynamischen Variablen des gesteuerten Fahrzeugs einzustellen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel verändert der Abschnitt
53 die Kurvensteifigkeit Κρ2 der Vorderräder und die Kurvensteifigkeit KR2 der Hinterräder. Diese Größen nehmen Veränderungen der Radeigenschaften oder Oberflächenbeschaffenheiten auf Straßen auf.
Wie aus dem Funktionsdiagramm in Figur 5 erkannt werden kann, umfaßt der Abschnitt 53 vier Unterabschnitte
54 bis 57. Der Unterabschnitt 54 mißt die Seitenführungskräfte an Vorder- und Hinterrädern. Im Unterabschnitt
55 werden die Schwimmwinkel für Vorder- und Hinterräder erfaßt. Im Unterabschnitt 56 wird ein momentaner Wert der Kurvensteifigkeit der Vorder- und Hinterräder errechnet. Im Unterabschnitt 57 werden gerichtete Mittelwerte der momentanen Kurvensteifigkeitswerte für Vorder- und Hinterräder festgelegt.
Der Unterabschnitt 54, in dem die Seitenführungskraft zu Vorder- und Hinterräder ermittelt wird, nimmt Istwerte gp* der Querbeschleunigung der Vorderräder und Istwerte gR* der Querbeschleunigung der Hinterräder mit den an Vorder- und Hinterrädern angeordneten Beschleunigungssensoren 13 und 14 auf und legt einen IstwertCp* der Seitenführungskraft für das Vorderrad und einen Istwert CR* für die Seitenführungskraft für das Hinterrad unter Ausnutzung der folgenden Gleichungen fest:
- IZ2)gR*)/2(/f + /r)2 (16)
V = K'Vf'r - IZ2)V + (M2<f2
+ IZ2)V}/2(/f + <r)2 (17)
Wie in Figur 7 dargestellt ist, sind die Beschleunigungssensjbren 13 und 14 an den Vorder- und Hinterrädern je-
weils am Mittelpunkt einer Axiallinie der Vorderachse zwischen rechten und linken Vorderrädern 9 und 10 und am Mittelpunkt einer Axiallinie der Hinterachse zwischen rechten und linken Rädern angeordnet. In
den Gleichungen 16 und 17 bedeutet lf der Abstand zwischen dem vorderen Beschleunigungsmesser 13 und dem Schwerpunkt 61 des Fahrzeugkörpers 40 des gesteuerten Fahrzeugs. 1 steht für den Abstand zwischen dem hinteren Beschleunigungsmesser 14 und dem Schwerpunkt 61. Demnach ist 1~ = L170 und 1 = L00.
ι cc' r nd
Der Unterabschnitt 55, der die Schwimmwinkel für Vorder- und Hinterräder erfaßt, empfängt einen Istwert Φ * der Gierungsgeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs von dem Giergeschwindigkeitsmesser 15, sowie einen Istwert Y der Quergeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs von dem Quergeschwindigkeitsmesser 16. Desweiteren erhält dieser Abschnitt die Sollwerte S f undi für die Einschlagwinkel von
Vorder- und Hinterrädern aus dem Abschnitt 52 und die Fahrzeuggeschwindigkeit V von dem Geschwindigkeitssensor 3· Aus diesen Eingangsdaten ermittelt der Unterabschnitt 55 einen Istwert /3„* des Vorderrad-
Schwimmwinkels und einen Istwert /3 * des Hinterrad-
Schwimmwinkels, wobei folgende Gleichungen zugrundegelegt werden:
ßF* « 5f - (y· + tf6*)/V (18)
ßR* = Sr - (y* + lt
(19)
Der Unterabschnitt 56, der die momentane Kurvensteifigkeit errechnet, erhält die Istwerte Cp· und CR* für die Seitenführungskräfte von Vorder- und Rückrad von dem Unterabschnitt 54, sowie aus dem Unterabschnitt 55 die Istwerte ß* und /3„*
Γ Π
für die Schwimmwinkel der Vorder- und Hinterräder. Aus diesen Eingangsdaten wird im Unterabschnitt der momentane Wert Kp* für die Kurvensteifigkeit des Vorderrades und der momentane Wert KR* für die Kurvensteifigkeit des Hinterrades unter Zugrundelegung der folgenden Gleichungen ermittelt:
V-W
2Q Es ist möglich, die momentanen Werte Kp* und KR* als angeglichene Werte in dem Abschnitt 52, indem die Solleinschlagwinkel festgelegt werden, zu verwenden. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt jedoch der Abschnitt 53, in dem die Parameter angeglichen werden, den Unterabschnitt 52, in dem eine gemittelte Kurvensteifigkeit ermittelt wird. Dieser Abschnitt ist vorgesehen, um gewichtete Mittelwerte K* (t) und KR* (t) der Momentanwerte Kp* und K * als angeglichene Werte zu errechnen, um den Einfluß von
QQ Streuungen der Meßwerte an jedem Sensor herabzusetzen (z.B. führen Schwingungen des Fahrzeugkörpers zu Schwingungen in den Sensorausgangssignalen). Außerdem werden dadurch Fehler in der Rechneinheit 1 ausgemittelt.
Im Unterabschnitt 57 wird bei diesem Ausführungsbeispiel; ein Programm durchlaufen, wie es in Figur 6 dargestellt ist. In den Schritten 111 und 112 wird im
t Programm festgelegt, ob die Fahrzeuggeschwindi^keit V über einer vorbestimmten Schwellwertgeschwindigkeit Vrpu liegt und ob der Lenkeingabewinkel θς über einem vorbestimmten Schwellwertwinkel ΘΤΗ liegt. Wenn entweder die Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Lenkeingabewinkel gleich oder kleiner als der Schwellwert ist, zweigt das Programm in dem Schritt 114 ab. In diesem Schritt werden frühere gewichtete Mittelwerte K * (t- Ή) und K * (t-dt) der Kurvensteifigkeiten F R
für Vorder- und Rückräder eingelesen, die in zuvor durchgeführten Programmzyklen vor der erneuten Hinzufügung eines Zeitabschnitts &t festgelegt wurden. (Das Programm 56 wird mit gleichmäßigen Zeltabständen ^t wiederholt). Wenn der Lenkeingabewinkel 0Q ö
oder die Fahrzeuggeschwindigkeit V klein ist, werden die Istwerte C„* und CR* der Seitenführungskräfte des gesteuerten Fahrzeugs und die Istwerte ß „* und$R* der Schwimmwinkel des gesteuerten Fahrzeugs beide so
klein, daß sich Fehler im Rechner 1 zu stark bemerkbar 20
machen würden. Durch das Durchlaufen der Stufe 114 wird dies aber ausgeschlossen.
Wenn sowohl der Lenkeingabewinkel Q~ und die Fahrzeuggeschwindigkeit V größer als die jeweiligen Schwellwerte 25
sind, geht das Programm in den Schritt 113 über, in welchem neue gewichtete Mittelwerte K * (t) und KR* (t) mit Hilfe der folgenden Gleichungen errechnet werden :
KF*(t) - aKF*<t-At) + (l-a)Kp* (22)
KRMt) » aKRMt-At) + (l-a)KR* (23)
wobei
35
O < α < 1.
9ti ■'■■'■■' '··' · "
Die gewichteten Mittelwerte Kp* (t) und KR* (t) der Kurvensteifigkeit für Vorder- und Hinterräder, die auf diese Art und Weise errechnet wurden, werden in
_ den Abschnitt 52 eingelesen, in dem die Solleinschlagb
Winkel festgelegt werden und zwar immer dann, wenn ein Zeitintervall At vorbei ist. Unter Verwendung dieser Eingangsdaten K„* (t) und KR* (t) errechnet der Abschnitt 52 die Solleinschlagwinkel £p und irR. Auf diese Art und Weise werden die Lenkeigenschaften des gesteuerten Fahrzeugs, die man bei diesem Ausführungsbeispiel erhält, immer gleich gehalten, und zwar unabhängig von Änderungen in den Reifeneigenschaften oder in den Oberflächenbeschaffenheiten
der zu befahrenden Straße.
15
Der Gierungsgeschwindigkeitsmesser 15, der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet ist, kann ein Gyroskop sein, welches die Giergeschwindigkeit direkt erfassen kann oder kann, wie in Figur 8 dargestellt, angeordnet sein. Der in Figur ο dargestellte Sensor umfaßt einen Gierungsbeschleunigungsrechenabschnitt 71 und einen integrierenden Abschnitt oder Integrator 72. Der Abschnitt 71, in dem die Gierungsbeschleunigung errechnet wird, nimmt die Ausgangssignale gp* und gR* der Be-" "
schleunigungssensoren 13 und 14 auf und errechnet die Istwerte 4 * der Gierungsbeschleunigung nach der folgenden Gleichung:
ύ· - (gF· - gR*>/uf + <r> (24)
Die Abschnitte 71 und 72 können analogrechnende Schaltkreise oder auch ein Mikrocomputer sein.
Der Quergeschwindigkeitsmesser 16 kann ein optisch über dem Boden messendes Geschwindigkeitsmeßgerät sein, welches die Quergeschwindigkeit direkt messen kann oder kann auch, wie in Figur 9 dargestellt, angeordnet sein. Der Sensor gemäß Figur 9 weist einen
Q Abschnitt 73 auf, in dem die Zentripetalbeschleunigung errechnet wird. Außerdem weist der Sensor einen Abschnitt 74 auf, in dem die Querbeschleunigung errechnet wird sowie einen Integrator. Der Abschnitt 73 empfängt die Ausgangssignale gp* und gR* der Be-
g schleunigungssensoren 13 und 14 und legt den Istwert Yp* für die Zentripetalbeschleunigung unter Zugrundelegung der folgenden Gleichung fest:
(/fV + *rV)/(Jtf + /r) (25)
Der Abschnitt 74 nimmt die Ausgangssignale $* des Gierungsgeschwindigkeitssensor 15 auf, das Ausgangssignal V des Geschwindigkeitssensors 3 sowie den «κ Istwert Yp*, der im Abschnitt 73 ermittelt wurde und legt den Istwert Y* für die Seitenschubbeschleunigung unter Zugrundelegung der folgenden Gleichung fest:
y* - YG· - 6·ν (26)
Der Sensor gemäß Figur 9 kann als analogrechnender Schaltkreis oder als Mikrocomputer verwirklicht sein.
Das Sollfahrzeug, welches bei der vorliegenden Erfindung gg zur Anwendung kommt, kann beliebiger Art sein. Das Sollfahrzeug kann z.B. identisch mit dem gesteuerten Fahrzeug sein. Angenommen, das Sollfahrzeug ist vom selben Typ wie das gesteuerte Fahrzeug, bis auf den
Unterschied, daß das Lenksystem ein herkömmliches mechanisches Lenkgestänge ist, dann kann das mit dem elektronischen Steuersystem gemäß der beschriebenen Erfindung ausgestattete gesteuerte Fahrzeug sich so verhalten, als ob es ebenfalls nur mit einem herkömmlichen mechanischen Lenksystem ausgestattet wäre. Das Sollfahrzeug kann auch ein imaginäres Fahrzeug sein, welches ideale Lenkeigenschaften hat. Es ist somit z.B. möglich, auf einem Rally-Fahrzeug einen starken oder großen Motor anzuordnen und gleichzeitig dessen Lenkansprecheigenschaften zu verbessern.
Das Sollfahrzeug kann auch von der Art eines Mittelmotorfahrzeugs sein. In diesem Falle ist es möglich, einem Frontmotor-oder Heckmotorfahrzeug dieselben Lenkeigenschaften zu verleihen, wie sie das Mittelmotorfahrzeug besitzt.
Das Lenksteuersystem nach der vorliegenden Erfindung kann auch so ausgestaltet sein, daß Datensätze von zwei oder mehreren Sollfahrzeugen eingelesen werden, .so daß der Fahrer je nach Wunsch zwischen verschiedenen Sollfahrzeugen wählen kann.
Für die vorliegende Erfindung kann der Lenkwinkel der Hinterräder fest, d.h. unverändert sein. In diesem Fall muß die Rechnereinheit 1 nicht die Sollwerte für den Hinterradeinschlagwinkel errechnen. Außerdem wird der Hinterradlenkregler 5 und das Betätigungselement 7, wie sie in Figur 2 dargestellt sind, nicht benötigt.
Das gesteuerte Fahrzeug gemäß der Erfindung kann ein herkömmliches mechanisches Lenkgestänge zum Lenken der Vorderräder haben. In diesem Falle werden die Vorderräder über dieses mechanische Lenkgestänge gelenkt. Die Hanterräder werden dann über das beschriebene, er-
1 findungsgemäße elektronische Steuersystem gelenkt.
Λ-
- Leerseite

Claims (15)

Patentansprüche
1. Lenksteuersystem für ein gesteuertes Fahrzeug, welches ein erstes Radpaar und ein zweites Radpaar aufweist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (100) zum Messen und Bestimmen eines Meßwertes einer Lenkeingangsgröße, die den Lenkbefehl des Fahrers des gesteuerten Fahrzeugs wiedergibt,
eine Einrichtung (101) mit der die Fahrzeuggeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs gemessen und ein entsprechender Meßwert festgehalten wird, eine Einrichtung (102) zur Vorgabe gewünschter Eigenschaften, die mit der Meßeinrichtung zur Erfassung der Lenkeingangsgröße und der Fahrzeuggeschwindigkeit verbunden ist, um einen Sollwert wenigstens einer dynamischen Variablen festzulegen, welcher dem Meßwert der Lenkeingangsgröße und Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, wobei hierzu eine Gruppe von Bewegungsgleichungen eines Sollfahrzeugs gelöst wird, die man erhält, indem Fahrzeugparameter entsprechend den Sollwerten, wie sie durch das Sollfahrzeug bestimmt sind, eingestellt werden.
eine Einrichtung (103) zur Bestimmung des Lenkeinschlagwinkels, die mit der Vorgabeeinrichtung verbunden ist, um einen Sollwert für einen Einschlagwinkel
der ersten Räder so festzulegen, daß sich der Sollwert der dynamischen Variablen einstellt, indem der Sollwert der dynamischen Variablen und Istwerte der Fahrzeugparameter, wie sie durch das gesteuerte Fahrzeug festgelegt sind, verwendet werden und
eine Betätigungseinrichtung (104) um die ersten Räder so zu lenken, daß der Istwert des Einschlagwinkels des ersten Radpaares auf dem Einschlagwinkelsollwert gehalten wird,
durch eine Einrichtung (105) zum Erfassen des Istverhaltens, mit der ein Istwert der dynamischen Variablen des gesteuerten Fahrzeugs gemessen wird und eine Einrichtung (106) zum Angleichen der Parameter, die den Istwert wenigstens eines Fahrzeugparameters, der in der Einrichtung zur Bestimmung des Lenkeinschlagwinkeis verwendet wird, abhängig von dem Istwert der dynamischen Variablen, die durch die Einrichtung zum Messen des Istverhaltens gemessen wird, festlegt.
2. Lenksteuersystem nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Fahrzeugparameter das Trägheitsgiermoment I„ eines Fahrzeugs, eine Fahrzeugmasse M, einen Abstand Lp zwischen Vorderachse und Schwerpunkt des Fahrzeugs, einen Abstand LR zwischen Hinterachse und Schwerpunkt des Fahrzeugs, ein Gesamtlenkübersetzungsverhältnis N, eine Kurvensteifigkeit K„ für jedes Vorderrad und eine Kurvensteif igkeit KR für jedes Hinterrad umfaßt.
3· Lenksteuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Bew/gungsgleichungen eine Gleichung für die Querbewegung und eine Gleichung für das Gieren umfaßt, die jeweils wie folgt ausgedrückt werden:
M (y + 6V) » 2Cp + 2CR 1Z * " 2LFCF * 2LRCR
wobei V die Fahrzeuggeschwindigkeit, φ die Gierungsge-
schwindigkeit, Φ die Gierungsbeschleunigung, Y die Seitenschubbeschleunigung, Cp die Seitenführungskraft für jedes Vorderrad und Cn die Seitenführungskraft
für jedes Hinterrad bedeuten.
4. Lenksteuersystem nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (103) zur Bestimmung der Einschlagwinkel diese Bewegungsgleichung und diese Gleichung für das Gieren verwendet.
5. Lenksteuersystem nach Anspruch 1J, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamischen Variablen die Gierungsgeschwindigkeit, die Gierungsbeschleunigung, die Querbeschleunigung und die Zentripetalbeschleunigung umfassen.
6. Lenksteuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugparameter weiterhin das Trägheitsmoment I„ um einen Achsschenkelbolzen, die Lenkungssteifigkeit Kg, einen Zähigkeitskoeffizienten D1, des Lenksystems und einen Nachlauf umfassen und daß die Gruppe von Bewegungsgleichungen weiterhin eine Gleichung für das Lenksystem umfaßt, die wie folgt ausgedrückt werden kann:
Vf β ^S (0s * N5f)
wobei ε „ der Lenkwinkel der Vorderräder und die Lenkeingabegröße bedeutet.
7. Lenksteuersystem nach Anspruch 6, dadurch g e c kennzeichnet, daß die Vorgabeeinrichtung
(102) die Sollwerte für die Gierungsbeschleunigung und die Zentripetalbeschleunigung festlegt.
8. Lenksteuersystem nach Anspruch 7, dadurch g e ,Q kennzeichnet, daß die Einrichtung (103)
zur Bestimmung des Lenkwinkels weiterhin einen Sollwert für einen zweiten Lenkwinkel für das zweite Radpaar festlegt.
1C-
9. Lenksteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (106) zum Angleichen der Parameter die Istwerte der Fahrzeugparameter entsprechend in angeglichene Werte umwandelt, welche die Kurvensteifigkeit für die ersten
on und zweiten Radpaare wiedergeben und die von der Einrichtung zur Bestimmung des Lenkeinschlagwinkels verwendet werden.
10. Lenksteuersystem nach Anspruch 9, dadurch g e oc kennzeichnet, daß die Einrichtung (5),
die das Istverhalten mißt, einen Istwert für die Seitenführungskraft eines ersten Rades, eine Seitenführungskraft für ein zweites Rad, einen Schwimmwinkel für ein erstes Rad und einen Schwimmwinkel für ein Qn zweites Rad mißt.
11. Lenksteuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (106) zum Angleichen der Parameter einen momentanen Wert
oc für die Kurvensteifigkeit des ersten Rades ermittelt, ob
indem der Istwert der Seitenführungskraft des ersten Rades durch den Istwert des Schwimmwinkels des ersten Rades dividiert wird und daß die Einrichtung einen
Momentanwert für die Seitenführungskraft des zweiten Rades durch Division des Istwertes der Seitenführungskraft des zweiten Rades durch den Istwert des Schwimmwinkels des zweiten Rades ermittelt.
12. Lenksteuersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Angleichung der Parameter einen gewiehteten Mittelwert für die Kurvensteifigkeit des ersten Rades und einen gewiehteten Mittelwert für die Kurvensteifigkeit des zweiten Rades festlegt.
13· Lenksteuersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur An- gleichung der Parameter die gewichtete Mittelwertbildung der Kurvensteifigkeit für das erste und zweite Radpaar periodisch so wiederholt, daß der gewichtete Mittelwert für jede Kurvensteifigkeit, die in einem Durchlauf ermittelt wird, aus der Summe von gewiehteten Mittelwerten in einem vorausgegangenen Zyklus multipliziert mit einem vorbestimmten Faktor, der größer als Null und kleiner als Eins ist,errechnet wird und daß der momentane Wert mit dem Differenzwert, den man erhält, wenn man den vorbestimmten Faktor von Eins abzieht, multipliziert wird.
14. Lenksteuersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (106) zur Angleichung der Parameter, die angeglichenen Werte für die Kurvensteifigkeit der ersten und zweiten Räder jeweils gleich den gewiehteten Mittelwerten für die Kurvensteifigkeiten der ersten und zweiten Räder in einem Durchlauf festlegt, wenn der für die Fahrzeuggeschwindigkeit gemessene Wert größer als ein vorbestimmter Geschwindigkeitsschwellwert ist und wenn der gemessene Wert der Lenkeingabegröße größer als eine vorbestimmte Schwellwertgröße ist und daß die angepaßten Werte gleich den gewiehteten Werten gesetzt werden,
die in dem vorausgegangenen Zyklus festgestellt wurden, wenn der gemessene Wert der für die Lenkeingabegröße gemessene Wert kleiner als der Schwellwert oder wenn der für die Geschwindigkeit gemessene Wert kleiner als der Schwellwert der Geschwindigkeit ist.
15. Lenksteuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Feststellung des Istverhaltens im ersten Beschleunigungssensor (13) zum Messen der Querbeschleunigung der ersten Räder, einen zweiten Beschleunigungssensor (14) zum Messen der Querbeschleunigung der zweiten Räder, einen Giergeschwindigkeitssensor (15) zur Messung der Giergeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs und einen Quergeschwindigkeitssensor (16) zum Messen der Quergeschwindigkeit des gesteuerten Fahrzeugs umfaßt.
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