DE3905811C2 - Steuereinrichtung für eine Fahrzeug-Vierradlenkung - Google Patents

Steuereinrichtung für eine Fahrzeug-Vierradlenkung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine Fahrzeug-Vierradlenkung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Vierradlenkungen für Kraftfahrzeuge werden beispielsweise beschrieben in den US-Patentschriften 4 750 131, 4 666 013, 4 690 431, 4 679 809, 4 706 771, 4 679 808, 4 767 588 und 47 18 685 sowie in der US-Patentschrift 4 706 979, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegt.
Ein weiteres Beispiel einer vorbekannten Steuereinrichtung für Vierradlenkungen wird beschrieben in: Tanaka et al. "Mazda Shasoku Kannougata Yonrinsoda" (fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Vierradlenkung von Mazda) 4WS (Yonrinsoda) sha: Active Seigyo Gÿutsu no Saizensen, Symposium, Society of Automotive Engineers of Japan, 1987. Bei dieser herkömmlichen Steuereinrichtung ist das Verhältnis zwischen dem Hinterrad-Lenkwinkel und dem Vorderrad-Lenkwinkel konstant, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit konstant ist. Durch dieses System kann deshalb zwar die Fahrzeugstabilität bei stetiger Kurvenfahrt, also in einem stationären Kurvenfahrtzustand verbessert werden, doch sind die Verbesserungen des Ansprechverhaltens des Fahrzeugs noch nicht zufriedenstellend, insbesondere bei abrupten Lenkoperationen in Notfällen und bei dynamischen Lenkoperationen, beispielsweise bei einer Fahrt auf einem Slalomkurs.
In der US 4 947 326 wird eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, die einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Lenkeingabesensor und eine Steuereinheit aufweist, durch die ein Hinterrad-Hilfslenkwinkel δr(S) in bezug auf einen Vorderrad-Lenkwinkel δ₀(S) gemäß der folgenden Gleichung gesteuert wird:
wobei K, T 1 und T 2 Steuerkonstanten sind. Mit dieser Steuereinrichtung wird eine Verbesserung des Lenkansprechverhaltens und der Stabilität des Fahrzeuges erreicht.
Diese Steuereinrichtung ist jedoch so ausgelegt, daß nur der Hinterrad-Lenkwinkel gesteuert wird, um den Punkt, an dem der Slipwinkel des Fahrzeugs gleich Null wird, entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit zu beeinflussen. Der Giergeschwindigkeits- Ansprechfaktor im stationären Zustand wird daher einheitlich festgelegt, und die Flexibilität oder Variabilität bei der Auslegung der Fahrzeugcharakteristik ist nur begrenzt. Mit dieser Steuereinrichtung kann deshalb nicht eine gewünschte Giergeschwindigkeits-Frequenz-Ansprechcharakteristik erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für eine Fahrzeug-Vierradlenkung zu schaffen, mit der eine gewünschte Giergeschwindigkeits-Frequenz-Ansprechcharakteristik erreichbar ist und die Flexibilität bei der Auslegung des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs verbessert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung wird durch die Steuerung der Lenkwinkel sowohl der Hinterräder als auch der Vorderräder in Abhängigkeit von der Lenkeingabe und der Fahrzeuggeschwindigkeit unter Zugrundelegung der in Anspruch 1 angegebenen Transferfunktionen erreicht, daß der Punkt des Fahrzeugaufbaus, an dem der Slipwinkel gleich Null wird, nach Wunsch in Längsrichtung des Fahrzeugs verschoben werden kann (durch Änderung der Parameter Tf, Tr) und unabhängig davon die Giergeschwindigkeits-Charakteristik (Giergeschwindigkeit /Lenkradeinschlagwinkel R) nach Wunsch variiert werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Skizze eines vereinfachten Fahrzeugmodells zur Erläuterung von im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Größen;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung für eine Vierradlenkung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Vierradlenkung, das mit der Steuereinrichtung nach Fig. 2 ausgerüstet ist; und
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist zur Erläuterung des theoretischen Hintergrunds der Erfindung ein vereinfachtes Fahrzeugmodell dargestellt. Das Fahrzeugmodell weist ein Vorderrad 19, ein Hinterrad 20 und ein Lenkrad 32 auf. Der Schwerpunkt des Fahrzeugs ist mit G bezeichnet.
In Fig. 1 sind verschiedene Fahrzeugkonstanten oder -parameter (Fahrzeugspezifikationen) und Bewegungsvariablen mit den folgenden Bezugszeichen bezeichnet:
M Masse des Fahrzeugs,
I Trägheitsmoment des Fahrzeugs bezüglich der Gierachse,
l₀ Radstand des Fahrzeugs,
a Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und der Mitte des Vorderrades 19,
b Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und der Mitte des Hinterrades 20,
l₃ Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und einem Punkt P des Fahrzeugs, an dem der Slipwinkel des Fahrzeugaufbaus den Wert Null hat (l₃ ist positiv, wenn der Punkt P vom Schwerpunkt G aus in Richtung Hinterrad liegt),
F₁ Vorderrad-Querkraft (für zwei Räder),
F₂ Hinterrad-Querkraft (für zwei Räder),
C₁ Vorderrad-Lenkvermögen (für zwei Räder),
C₂ Hinterrad-Lenkvermögen (für zwei Räder),
V Fahrzeuggeschwindigkeit,
Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs,
Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs,
N Lenkübersetzungsverhältnis,
S eine komplexe Variable oder Frequenz (Laplace-Operator),
R Lenkrad-Einschlagwinkel.
In dem in Fig. 1 gezeigten linearen Modell mit zwei Freiheitsgraden können die Bewegungsgleichungen des Fahrzeugs unter Verwendung von Laplace-Transformationen wie folgt geschrieben werden:
M (S + V = F₁ + F₂ (1)
IS = aF₁-hF₂ (2)
In diesen Bewegungsgleichungen gilt:
wobei δ₀ ein Vorderrad-Basislenkwinkel ist, der gegeben ist durch δ₀ = R/N, δf einen Vorderrad-Hilfslenkwinkel und δr einen Hinterrad-Hilfslenkwinkel bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 ist ₃ die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs am Punkt P, der gegenüber dem Schwerpunkt G um die Strecke l₃ in Richtung auf die Hinterräder des Fahrzeugs versetzt ist, und die Quergeschwindigkeit ₃ ist gegeben durch
₃ = - l₃ (5)
-
Der Slipwinkel β₃ des Fahrzeugaufbaus am Punkt P ist gegeben durch
β₃ ≅ ₃/V (6)
Somit nimmt β₃ den Wert Null an, wenn ₃ gleich Null ist. Durch Einsetzen von ₃ = 0 in Gleichung (5) erhält man
= l₃ (7)
Einsetzen der Gleichung (7) in Gleichungen (1) bis (4) liefert
Unter Verwendung von Matrizen lassen sich die Gleichungen (8) bis (11) wie folgt schreiben
Wenn man den Vektor auf der linken Seite der Gleichung (12) mit B und die Matrix auf der rechten Seite der Gleichung mit A bezeichnet, so läßt sich die Gleichung (12) schreiben als
In dieser Gleichung ist |A| die Determinante von A und à ist die Kofaktor-Matrix von A.
|A| = -bC₁C₂ - aC₁C₂ = -l₀C₁C₂ (14)
Einsetzen von Gleichungen (14) und (15) in Gleichung (13) liefert
Unter Verwendung der Definitionsgleichungen δf(S) = H(S)× δ₀(S) und δr(S) = G(S)×δ₀(S) der Transferfunktionen H(S) und G(S) erhält man aus Gleichung (16) die Transferfunktionen:
In verallgemeinerter Form lassen sich die Gleichungen (17) und (18) schreiben als
In den Gleichungen (19) und (20) sind Kf, Kr, Tf und Tr Konstanten, deren Werte durch die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrzeugparameter (Fahrzeugspezifikationen), wie beispielsweise N, I, l₀, a, b etc, bestimmt sind. Die Fahrzeugparameter werden bei der Lösung dieser Gleichungen als Konstanten behandelt.
Die Steuerung beruht auf den Transferfunktionen (17) und (18) oder auf den verallgemeinerten Formeln (19) und (20). Die Steuereinrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels ist so ausgelegt, daß sie die Vorderrad- und Hinterrad-Hilfslenkwinkel δf und δr anhand dieser Transferfunktionen bestimmt unter Verwendung der gewünschten Entfernung l₃ des Punktes P vom Schwerpunkt G und unter Verwendung der gewünschten Giergeschwindigkeitscharakteristik (S)/R(S), wobei die Entfernung l₃ und die Giergeschwindigkeitscharakteristik zuvor so bestimmt werden, daß eine gewünschte Eigenschaft erreicht wird. Mit Hilfe der Steuereinrichtung ist es daher möglich, den Punkt mit dem 0°-Slipwinkel in eine beliebige gewünschte Position zu verlegen und eine gewünschte Giergeschwindigkeits-Frequenz- Ansprechcharakteristik zu erhalten. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Steuereinrichtung ein ideales dynamisches Verhalten des Fahrzeugs und eine ideale Lenkstabilität erreicht werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Steuereinrichtung umfaßt eine Steuereinheit mit einer Steuereinheit oder Steuerschaltung 10 für den Vorderrad-Lenkwinkel und einer Steuereinheit oder Steuerschaltung 11 für den Hinterrad-Lenkwinkel. Jede dieser Steuerschaltungen ist mit einem Lenkeingabesensor zur Erfassung einer Lenkeingabe R und mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 13 zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit V verbunden. Der Lenkeingabesensor 12 ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Lenkradsensor zur Erfassung des Einschlagwinkels des Lenkrads. Die Lenkeingabe ist somit durch den Einschlagwinkel R des Lenkrads gegeben. Die Steuereinheiten oder -schaltungen 10 und 11 bestimmen jeweils einen Sollwert für den Vorderrad-Lenkwinkel δf bzw. den Hinterrad- Lenkwinkel δr in Übereinstimmung mit den Transferfunktionen (17) und (18), unter Verwendung des Lenkrad-Einschlagwinkels R und der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Vorderrad- und Hinterrad- Steuersignale, die die so bestimmten Sollwerte für die Lenkwinkel repräsentieren, werden von den Steuerschaltungen 10 und 11 an Verstärker 14 und 15 übermittelt und durch diese verstärkt. Die verstärkten Vorderrad- und Hinterrad-Steuersignale werden Vorderrad- und Hinterrad-Lenkstellgliedern 16 und 17 zugeführt, die anhand der Steuersignale den Lenkwinkel der Vorderräder bzw. der Hinterräder auf den jeweiligen Sollwert δf bzw. δr einstellen.
Die Lenkstellglieder 16 und 17 sind in Fig. 3 gezeigt. Die linken und rechten Vorderräder 19L und 19R des Fahrzeugs sind mit linken und rechten vorderen Lenkgestängen 21L und 21R verbunden, und das vordere Lenkstellglied 16 ist zwischen den linken und rechten Lenkgestängen 21L und 21R eingefügt. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Lenkstellglied 16 um einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder, dessen Hub durch ein Servoventil 22 gesteuert wird.
Das Fahrzeug weist einen Motor 23 und ein Getriebe 24 auf. Eine Pumpe 25 wird durch den Motor 23 angetrieben, so daß sie Hydrauliköl aus einem Speicher 26 ansaugt und zu einem Druckregelventil 27 fördert, das den hydraulischen Druck auf einen vorgegebenen Wert regelt und an einen Druckspeicher 28 weiterleitet. Das Hydrauliköl wird von dem Druckspeicher 28 über eine Druckleitung 29 zu dem Servoventil 22 weitergeleitet. Über eine Rückleitung 30 wird nicht benötigtes Hydrauliköl von dem Servoventil 22 zu dem Druckregelventil 27 zurückgeführt.
Das Servoventil 22 wird durch das Vorderrad-Steuersignal angesteuert, das über den Verstärker 14 von der Steuerschaltung 10 übermittelt wird, und betätigt in Abhängigkeit von diesem Steuersignal das Lenkstellglied 16. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 13 tastet bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 24 ab.
In Abhängigkeit von dem Vorderrad-Steuersignal der Steuerschaltung 10 leitet das Servoventil 22 das Hydrauliköl aus der Druckleitung 29 in eine der beiden Arbeitskammern des Lenkstellglieds 16, während die jeweils andere Kammer mit der Rückleitung 30 verbunden wird, so daß sich der Kolben des Lenkstellglieds 16 bewegt und die Vorderräder 19L und 19R eingeschlagen werden. Der durch das Lenkstellglied 16 erzeugte Lenkeinschlag wird durch einen Vorderrad-Lenkwinkelsensor 33 abgetastet. Das Ausgangssignal des Lenkwinkelsensors 33 wird mit dem Vorderrad-Steuersignal der Steuerschaltung 10 verglichen, und das Servoventil 22 bricht den Steuervorgang ab, wenn die Differenz zwischen den beiden Signalen auf Null zurückgeregelt ist. In diesem Zustand trennt das Servoventil 22 beide Arbeitskammern des Lenkstellglieds 16 sowohl von der Druckleitung 29 als auch von der Rückleitung 30, so daß der gewünschte und eingestellte Vorderrad-Lenkwinkel beibehalten wird.
Die Hinterräder 20L und 20R sind mit linken und rechten Lenkgestängen 40L und 40R verbunden, und das Hinterrad-Lenkstellglied 17 ist zwischen den linken und rechten Lenkgestängen 40L und 40R eingefügt. Mit Hilfe des Lenkstellgliedes 17 können daher die Hinterräder 20L und 20R gelenkt werden.
Das Lenkstellglied 17 wird durch ein Hinterrad-Servoventil 41 betätigt, das mit dem durch die Bauelemente 25-30 gebildeten Hydraulikkreis verbunden ist. In Abhängigkeit von dem Hinterrad- Steuersignal der Hinterrad-Steuerschaltung 11 bewirken das Servoventil 41 und das Hinterrad-Lenkstellglied 17 eine Lenkung der Hinterräder 20L und 20R in ähnlicher Weise wie durch das Servoventil 22 und das Vorderrad-Lenkstellglied 16 die Lenkung der Vorderräder bewirkt wird. Die Lenkrichtung und die Größe des Lenkeinschlags der Hinterräder wird durch das Hinterrad-Steuersignal der Steuerschaltung 11 bestimmt. Ein Hinterrad-Lenkwinkelsensor 42 tastet den Hinterrad-Lenkwinkel ab, und das Servoventil 41 stellt seinen Betrieb ein, wenn der mit Hilfe des Lenkwinkelsensors 42 abgetastete Hinterrad- Lenkwinkel mit dem durch das Hinterrad-Steuersignal repräsentierten Lenkwinkel übereinstimmt.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 überein, doch werden hier die Vorderräder 19 primär durch ein mechanisches Lenkgetriebe 51 und sekundär durch ein Vorderrad-Hilfslenkstellglied 56 gelenkt. Verschiedene Beispiele für die Art und Weise der Verbindung des Hilfslenkstellglieds 56 mit dem Lenkgetriebe 51 sind in dem US-Patent 47 05 131 (insbesondere Fig. 7 und 8 und Fig. 11) dargestellt. Der Vorderrad-Basislenkwinkel δ₀ wird bei diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe des Lenkgetriebes 51 eingestellt. Dieser Basislenkwinkel δ₀ ist gleich R/N, wobei N das Lenkübersetzungsverhältnis ist. Der Vorderrad-Hilfslenkwinkel δf wird durch das Hilfslenkstellglied 56 erzeugt. Der endgültige Vorderrad-Lenkwinkel ist gleich der Summe aus dem Basislenkwinkel δ₀ und dem Hilfslenkwinkel δf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der gesteuerte Vorderrad-Lenkwinkel der Hilfslenkwinkel.
In der Steuereinheit kann zusätzlich eine Einstelleinrichtung zum Variieren des Abstands l₃ des 0°-Slipwinkel-Punktes P in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Parameter Fahrzeuggeschwindigkeit V, Lenkrad-Einschlagwinkel R und zeitliche Änderung des Lenkrad-Einschlagwinkels vorgesehen sein. Die Einstelleinrichtung ist dementsprechend mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, dem Lenkradsensor oder einem Differenzierglied zur Bestimmung der Ableitung des Lenkrad-Einschlagwinkels verbunden. Der Ausgang der Einstelleinrichtung ist mit den Vorderrad- und Hinterrad-Steuerschaltungen verbunden.

Claims (4)

1. Steuereinrichtung für eine Fahrzeug-Vierradlenkung, mit
einer Hinterrad-Lenkeinrichtung (41, 17) zum Lenken der Hinterräder (20L, 20R) des Fahrzeugs entsprechend einem Hinterrad-Steuersignal, das einen gesteuerten Hinterrad-Lenkwinkel (δr) repräsentiert,
einem Lenkeingabesensor (12) zum Erfassen einer Lenkeingabe (Lenkrad-Einschlagwinkel R),
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (13) zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit (V),
einer mit dem Lenkeingabesensor (12) und dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (13) verbundenen Steuereinheit (10, 11) zur Erzeugung eines Hinterrad-Steuersignals entsprechend einer Hinterrad-Transferfunktion, die den gesteuerten Hinterrad-Lenkwinkel im Verhältnis zu einem zu der Lenkeingabe proportionalen Vorderrad-Basislenkwinkel (δ₀) angibt, und
einer Vorderrad-Lenkeinrichtung (16, 22; 56), durch die die Vorderräder (19L, 19R) des Fahrzeugs entsprechend einem Vorderrad-Steuersignal gelenkt werden, das einen gesteuerten Vorderrad-Lenkwinkel (δf) repräsentiert,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinheit (10, 11) ein Vorderrad-Steuersignal entsprechend einer Vorderrad-Transferfunktion erzeugt, die den gesteuerten Vorderrad-Lenkwinkel (δf) im Verhältnis zu dem Vorderrad-Basislenkwinkel (δ₀) angibt,
und die Vorderrad- und Hinterrad-Transferfunktionen gegeben sind durch die Gleichungen in denen δf(S) eine Laplace-Transformation des gesteuerten Vorderrad-Lenkwinkels, δr(S) eine Laplace-Transformation des gesteuerten Hinterrad-Lenkwinkels R(S) eine Laplace-Transformation der Lenkeingabe und S ein Operator in den Laplace-Transformationen ist und Kf, Kr, Tf und Tr Parameter sind, deren Werte durch die Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt sind, und (S)/R(S) eine vorgegebene Giergeschwindigkeitscharakteristik ist.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Vorderrad-Steuereinrichtung (10) zur Bestimmung des gesteuerten Vorderrad-Lenkwinkels entsprechend der Vorderrad-Transferfunktion und eine Hinterrad-Steuereinheit (11) zur Bestimmung des gesteuerten Hinterrad-Lenkwinkels entsprechend der Hinterrad-Transferfunktion aufweist, wobei die Vorderrad- und Hinterrad-Transferfunktionen gegeben sind durch die Gleichungen in denenM die Masse des Fahrzeugs,
I das Trägheitsmoment des Fahrzeugs bezüglich der Gierachse,
l₀ den Radstand des Fahrzeugs,
a den Abstand zwischen dem Schwerpunkt (G) des Fahrzeugs und den Vorderrädern,
b den Abstand zwischen dem Schwerpunkt (G) und den Hinterrädern,
l₃ die Entfernung eines Punktes (P), an dem der Slipwinkel des Fahrzeugs gleich Null ist, vom Schwerpunkt (G),
C₁ das Lenkvermögen der Vorderräder,
C₂ das Lenkvermögen der Hinterräder,
V die Fahrzeuggeschwindigkeit und
N das Lenkübersetzungsverhältnis
bezeichnet.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderrad-Lenkeinrichtung (56) derart mit einem ein Lenkgetriebe (51) aufweisenden Lenkgestänge (21L, 21R) verbunden ist, daß der Vorderrad-Lenkwinkel, um den die Vorderräder tatsächlich eingeschlagen werden, gleich der Summe ist aus dem durch das Lenkgetriebe (51) bestimmten Vorderrad-Basislenkwinkel (δ₀) und dem durch die Vorderrad-Lenkeinrichtung (56) bestimmten gesteuerten Vorderrad-Lenkwinkel (δf).
4. Steuereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine mit den Vorderrad- und Hinterrad-Steuereinheiten (10, 11) verbundene Einstelleinrichtung zum Einstellen der gewünschten Giergeschwindigkeitscharakteristik aufweist.
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