DE3906741A1 - Verfahren zum steuern der hinterraeder von kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen Verfahren, wie es aus der DE 36 23 479 A bekannt ist, wird ein mathematisches Sollfahrzeugmodell berechnet und mit einem Istfahrzeugmodell in Beziehung gesetzt. Der Lenk­ winkel der Hinterräder wird so verändert, daß die Differenz zwischen den für das Sollfahrzeugmodell repräsentativen Sollwerten und den Schätzwerten, die das Istfahrzeugmodell charakterisieren, ver­ ringert wird.

Zwar benötigt das bekannte Verfahren lediglich einen Lenkwinkel- und einen Fahrzeuggeschwindig­ keitsfühler. Ein Fühler für die Parameter der eigentlichen Fahrzeugbewegung, wie beispielsweise die Giergeschwindigkeit, die Seitenkraft oder die Kurswinkelgeschwindigkeit ist dabei nicht erfor­ derlich. Unbedingt notwendig ist jedoch die Ver­ wendung eines Prozeßrechners, der die beiden Fahrzeugmodelle miteinander in Beziehung setzt und das eine Modell in Richtung des anderen Modells hin verändert. Die Verwendung eines Prozeßrechners wiederum bedingt einen hohen Aufwand und ermöglicht es in der Regel nicht, äußere Störungen, z. B. aufgrund von Fahrbahn-Unebenheiten oder Seitenwindeinflüssen, für die Fahrzeugbewegung zu berücksichtigen. Ferner ergeben sich aus der in der Regel sequentiellen Arbeitsweise des Prozeß­ rechners Laufzeitprobleme, die insbesondere bei raschen Lenkwinkeländerungen zu einer Destabilisierung des Gesamtfahrzeugs führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem apparativen Aufwand ein hohes Maß an Fahrstabilität zu erreichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die gesteuerte Verstellung der Hinterräder ermög­ licht eine rasche, rückkopplungsfreie Reaktion auf Änderungen des Vorderrad-Lenkwinkels. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, bei denen im Stationärfall der Lenkwinkel der Hinterräder in einem definierten Verhältnis zu dem der Vorderräder verbleibt, wird durch die nur vorübergehende Auslenkung der Hinterräder eine Annäherung an die stationäre Lenkcharakteristik eines konventionellen Fahrzeugs mit einer Lenkung erzielt, die nur auf die Vorderräder wirkt. Damit entfallen Gewöhnungsprobleme für den Fahrzeugbe­ nutzer an die vorliegende Vierrad-Lenkung. Dieser Vorteil macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Verstellung der Hinterräder zumindest näherungsweise unabhängig von der Fahrzeugge­ schwindigkeit ist. Bei Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs mit konstantem Lenkwinkel der Vorderräder verändern die Hinterräder ihren Lenkwinkel (=0) nicht bzw. nähern sich weiter ihrer Ruhelage an. Ein derartig gelenktes Fahrzeug entwickelt somit gerade bei Lastwechselreaktionen keine durch die Verstellung der Hinterräder bedingte Eigendynamik und ermöglicht es somit, Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs problemlos zu beherrschen.

Eine Verbesserung der Erfindung besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 2. Damit wird er­ reicht, daß die Fahrdynamik weiter erhöht wird, da die gleichsinnige Bewegung der Hinterräder erst dann einsetzt, wenn das Fahrzeug bereits der Lenkbewegung der Vorderräder folgt. Zusätzlich kann während der Totzeit ein gegensinniges reversibles Auslenken der Hinterräder erfolgen, um den Seiten­ kraftaufbau an den Hinterrädern zu beschleunigen. Eine derartige Lenkbewegung der Hinterräder, bei der zunächst ein gegensinniges und dann ein gleichsinniges Auslenken der Hinterräder erfolgt, ist im Prinzip aus der DE 36 23 479 A bekannt.

Die gesteuerte Auslenkung der Hinterräder macht es möglich, die Kurswinkelgeschwindigkeit, die Gier­ geschwindigkeit und den Schwimmwinkel überschwingungsfrei zu gestalten. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Maximalwert des Hin­ terrad-Lenkwinkels beim gleichsinnigen Verstellen und die Veränderung des Hinterrad-Lenkwinkels entsprechend der jeweiligen physikalischen Parame­ ter des Fahrzeugs geeignet einzustellen. In diesem Fall kommt die gesteuerte Auslenkung der Hinterräder voll zum Tragen, da nur dadurch ein schnelles Ansprechen des Hinterrad-Lenkwinkels auf Änderungen des Lenkwinkels der Vorderräder ermög­ licht wird.

Diese geeignete Einstellung des Hinterrad-Lenkwin­ kels sowohl hinsichtlich seines Maximalwerts als auch hinsichtlich seiner Veränderungen läßt sich mit besonders geringem Aufwand mit Hilfe eines PD2T2-Übertragungsglieds für die Steuerung der Hinterräder in Abhängigkeit von der der Vorderräder erzielen. Dabei ist der Hinterrad-Lenkwinkel nur von zeitlichen Ableitungen des Vorderrad-Lenkwin­ kels abhängig. Der stationäre Schwimmwinkel ent­ spricht dann genau dem des konventionell gelenkten Fahrzeugs und ist dynamisch verringert. Durch das auch hier vorliegende reversible Auslenken der Hinterräder im Stationärfall ergibt sich ein Schwimmwinkel, der dem eines konventionell nur an der Vorderachse gelenkten Fahrzeugs entspricht und der sich ohne Überschwinger einstellt. Der Lenk­ winkelbedarf für die Vorderräder ist dann ebenfalls gleich dem des konventionellen Fahrzeugs.

Wesentlich ist ferner der sicherheitstechnische Aspekt. Sofern es zu einem Notfall kommt, bei dem die Lenkung der Hinterräder bzw. das Steuergerät hierfür ausfällt, so ist dies dann besonders unkritisch, wenn die Hinterräder auch bei stationär ausgelenkten Vorderrädern wieder den Linkwinkel 0 erreicht haben. Der Lenkwinkel der Hinterräder wird im Notfall meist eingefroren, d. h. hier auf den Wert 0 festgehalten. Das Fahrzeug verhält sich dann weiter wie ein konventionelles Fahrzeug.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung besteht darin, daß der PD2T2-Steuerung eine PDT1-Steuerung überlagert ist. Letztere ist im Prinzip aus der DE 36 24 457 A1 bekannt. Aus dieser Druckschrift, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird, gehen die besonderen Vorteile einer derartigen Steuerung hervor. Die Überlagerung der beiden Steuerungen ermöglicht es, die Vorteile beider Steuerungen auszunützen ohne gleichzeitig unter deren Nach­ teilen zu leiden.

Hierzu ist es lediglich erforderlich, das Maß, mit dem beide Steuerungen Einfluß auf das Lenkverhalten der Hinterräder nehmen, entsprechend den jeweiligen fahrdynamischen Erfordernissen variabel zu wählen. Aus grundsätzlichen Überlegungen ergibt sich, daß im unteren und mittleren Geschwindigkeitsbereich, d. h. etwa zwischen 50 und 120 km/h der Einfluß der PDT1-Steuerung überwiegt, während für höhere Geschwindigkeiten die PD2T2-Steuerung zunehmend dominieren dürfte.

Damit ergibt sich im ersteren Geschwindigkeitsbe­ reich eine im Idealfall vollständige Kompensation des Schwimmwinkels mit dem Vorteil einer hohen Fahrstabilität und im höheren Geschwindigkeitsbe­ reich eine deutliche Verbesserung der Fahrzeugdy­ namik, bei einem Lenkwinkelbedarf der Vorderräder, der gleich dem des konventionellen Fahrzeugs ist.

Hinzu kommt in diesem Fall, daß ein Fahrzeug mit PD2T2-Steuerung der Hinterräder als gut beherrsch­ bar gilt und eine gute Lenkwilligkeit besitzt. So muß beispielsweise zum Erreichen eines stationären Kreisbogens derselbe Lenkwinkel an der Vorderachse wie bei einem konventionellen Fahrzeug aufgebracht werden. Subjektiv macht sich das stabile, überschwingungsfreie Einstellen der stationären Fahrzustandsgrößen des Fahrzeugs mit PD2T2-Steuerung der Hinterräder in dem Gefühl hoher Sicherheit bemerkbar. In Grenzbereichen bei hohen Querbeschleunigungen oder schlechten Reibverhält­ nissen ergibt sich eine besonders gute Beherrsch­ barkeit des Fahrzeugs.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 anhand von fünf Diagrammen a bis c die Sprungantworten eines konventionell gelenkten Fahrzeugs bei einem Lenkwin­ kelsprung an der Vorderachse,

Fig. 2 die Sprungantworten eines Fahrzeugs mit PD2T2-Struktur der Hinterrad-Lenkung anhand entsprechender Diagramme und unter den gleichen Voraussetzungen wie Fig. 1,

Fig. 3 Diagramme entsprechend Fig. 1 und 2 für ein Fahrzeug mit einer Überlagerung von PD2T2- und PDT1-Steuerung,

Fig. 4 Diagramme für die Faktoren, die die PD2T2-Steuerung von Fig. 2 bestimmen.

Die Diagramme von Fig. 1 zeigen, aufgetragen über der Zeit s die Sprungantworten eines konventionell gelenkten Fahrzeugs für Geschwindigkeiten von 60 bis 240 km/h, betrachtet in Sprüngen von 30 km/h. In jedem dieser Fälle soll zu einer Zeit von 0,5 sec nach dem Ausgangspunkt ein Lenkwinkelsprung von 1° an der Vorderachse erfolgen und der Lenkwinkel von 1° dann stationär beibehalten werden. Diese Annahme ist im Diagramm a gezeigt. Dabei symbolisiert die willkürlich herausgegrif­ fene, mit III bezeichnete Kurve einen Lenkwinkel­ sprung in der genannten Weise, der bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h durchgeführt ist.

Der Lenkwinkel der Hinterräder ist für das konven­ tionell gelenkte Fahrzeug bleibend gleich Null. Dies ist durch parallele Linien (Diagramm b) symbolisiert.

Die sich daraus ergebende Gierwinkelgeschwindigkeit ist im Diagramm c dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß dieser Fahrzeugparameter gerade bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen Überschwinger mit anschließendem Unterschwinger aufweist und sich asymptotisch auf einen stationären Wert einpendelt.

Entsprechendes gilt für die im Diagramm d darge­ stellte Kurswinkelgeschwindigkeit sowie für den im Diagramm e gezeigten Schwimmwinkel. Letzterer besitzt gerade bei relativ hohen Geschwindigkeiten von 150 bis 180 km/h ein überschwingendes Verhalten. Damit ergibt sich zwangsläufig eine äußerst problematische Beherrschbarkeit des gesam­ ten Fahrzeugs.

Das Diagramm von Fig. 2 zeigt die typischen Sprungantworten eines Fahrzeugs mit Hinterachslen­ kung mit PD2T2-Struktur und geeignet gewählten fahrgeschwindigkeitsabhängigen Parametern hierzu. Näheres ist in Fig. 4 gezeigt.

An der Vorderachse soll wiederum ein Lenkwinkel­ sprung von 1° zum Zeitpunkt 0,5 sec für die verschiedenen Geschwindigkeiten angenommen sein (Diagramm a). Der Lenkwinkel an der Hinterachse (Diagramm b) zeigt zunächst ein gegensinniges Verhalten während eines Zeitraums, der insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten annähernd fahrzeuggeschwindigkeitsunabhängig ist. Daran schließt sich eine gleichsinnige Auslenkung der Hinterräder an, die bis hin zu einem Maximalwert reicht und anschließend wiederum auf den Wert 0 zurückgeht. Bei geeigneter Wahl der Parameter der PD2T2-Struktur (vgl. Fig. 4) lassen sich damit Gierwinkelgeschwindigkeit (Diagramm c), Kurswin­ kelgeschwindigkeit (Diagramm d) und Schwimmwinkel (Diagramm e) überschwingungsfrei einstellen. Insbesondere aus dem Diagramm e ergibt sich ohne weiteres die Aussage, daß ein derartiges Fahrzeug eine hohe Fahrstabilität besitzt, da der Schwimm­ winkel gleichmäßig auf einen von Null verschiedenen Endwert ansteigt. Dieser Endwert wiederum ist fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig und entspricht dem des konventionellen Fahrzeugs, wie sich durch Vergleich mit dem Diagramm e von Fig. 1 ohne weiteres ergibt. Gegenüber dem konventionellen Fahrzeug fehlt jedoch der Überschwinger nicht nur beim jeweiligen Schwimmwinkel, sondern auch bei Gierwinkelgeschwindigkeit und Kurswinkelgeschwin­ digkeit.

Die in Fig. 3 gezeigte Überlagerung einer PD2T2-Steuerung mit einer PDT1-Steuerung, schema­ tisch dargestellt durch die Gleichung

mit s=La Place-Operator und k=Wichtungsfaktor zwischen 0 und 1 ermöglicht es, die Vorteile beider Steuerungsstrategien zu kombinieren. Aus dieser Gleichung ergibt sich als wesentliches Merkmal, daß die Übertragungsfunktion der Gierwinkelgeschwin­ digkeit gleich der durch die PDT₁-Struktur gege­ benen Übertragungsfunktion mit entsprechend dem konventionellen Fahrzeug abgeändertem Stationäran­ teil ist.

Der Faktor k gibt den Grad der stationären Schwimmwinkelkompensation an. Besitzt k den Wert 0, so liegt eine vollständige Schwimmwinkelkompensa­ tion vor. Es handelt sich dann um eine reine PDT1-Übertragung. Entsprechend gilt für den Wert k =1, daß dann eine stationäre Schwimmwinkelkompen­ sation nicht vorgenommen wird und es sich um eine PD2T2-Übertragung handelt.

Das Verhalten einer derartigen Überlagerung der beiden Steuerungen läßt sich aus den Diagrammen c bis i von Fig. 3 ohne weiteres ableiten. Dabei ist der Wert des Faktors k fahrgeschwindigkeitsabhängig linear von k=0 bei v=60 km/h auf k=1 bei v= 240 km/h eingesetzt worden.

Bemerkenswert ist hier der kleinere Schwimmwinkel und die etwas geringere Gierwinkel- und Kurswin­ kelgeschwindigkeit gegenüber der PD₂T₂-Steuerung von Fig. 2. Ursache hierfür ist der bleibende Lenkwinkel an den Hinterrädern, der aus der PDT₁-Struktur für den Stationärfall folgt. Durch Anpassung des Faktors k kann die stationäre Cha­ rakteristik des Fahrzeugs beeinflußt werden, ohne das stabile, überschwingungsfreie Übergangsver­ halten zu verschlechtern.

Die Abhängigkeit der Parameter für die PD2T2-Steuerung von der Fahrzeuggeschwindigkeit ergibt sich aus Fig. 4. In den Diagrammen a bis e sind diese Parameter für ein untersuchtes Fahr­ zeugmodell aufgetragen. Dabei ist die Übertra­ gungsfunktion zwischen dem Lenkwinkel δ _v der Vorderachse und dem Lenkwinkel δ _h der Hinterachse durch die Differentialgleichung

beschrieben. Diese Differentialgleichung weist vier fahrzeugspezifische Parameter auf:

• - die Verzögerungszeiten T 1 und T 2
• - den Verstärkungsfaktor D 2 für die Lenkwinkel­ geschwindigkeit und
• - den Verstärkungsfaktor D 3 für die Lenkwinkel­ beschleunigung.

Diese Parameter hängen in der Weise mit der Fahr­ zeuggeschwindigkeit zusammen, wie es in den Dia­ grammen von Fig. 4a bis 4e dargestellt ist.

Die Differentialgleichung besitzt keinen Statio­ näranteil, d.h. der Hinterachseinschlag geht nach einem dynamischen Manöver bei festgehaltenem Lenkrad immer wieder in Mittelstellung zurück.

Die Verzögerungszeiten T ₁ und T ₂ bewirken, daß die von der Lenkwinkelgeschwindigkeit und der Lenkwinkelbeschleunigung abhängige Stellbe­ wegung verzögert und geglättet ausgeführt wird. Die verzögernde Wirkung nimmt mit wachsender Fahrge­ schwindigkeit zu, da die Summe und das Produkt der beiden Parameter T ₁ und T ₂ zunimmt.

Der Parameter D 2, der die Abhängigkeit des Hinter­ achslenkwinkels von der Lenkwinkelgeschwindigkeit angibt, ist im interessanten Fahrgeschwindigkeits­ bereich oberhalb von etwa 100 km/h zunehmend positiv, so daß bei schnellen Lenkwinkelvorgängen im wesentlichen ein gleichsinniger Hinterachseinschlag bewirkt wird.

Dem überlagert ist die Abhängigkeit von der Lenk­ winkelbeschleunigung, gegeben durch den Parameter D 3. Dieser Parameter hat im ganzen Fahrgeschwindigkeitsbereich ein negatives Vorzei­ chen. Dieses Vorzeichen bewirkt, daß bei sehr schnellen Lenkwinkeländerungen im Anfangsbereich eine Gegenlenkbewegung an der Hinterachse statt­ findet, da hier relativ große Lenkwinkelbeschleu­ nigungen auftreten. Dieser kurze, gegensinnige Ausschlag nimmt mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit ab, da dann die verzögernde und glättende Wirkung der Zeitkonstanten T 2 überwiegt.

Durch das Fehlen eines Proportionalanteils ergibt sich bei stationären, von Null verschiedenem Lenkwinkel der Vorderräder eine asymptotische Annäherung des Hinterrad-Lenkwinkels an den Wert 0 und damit an das Lenkverhalten eines konventio­ nellen Fahrzeugs mit der beschriebenen Erhöhung der Fahrsicherheit bei einem Ausfall der Hinterrad- Lenkung.

Claims (6)

1. Verfahren zum Steuern der Hinterräder von Kraft­ fahrzeugen in Abhängigkeit von einer Auslenkung der Vorderräder, mit mechanisch entkoppelten Lenkmitteln für Vorder- und Hinterräder und einem Übertragungsglied für die Verstellung des Lenk­ mittels der Hinterräder in Abhängigkeit von der Auslenkung der Vorderräder, bei dem die Hinterrä­ der kurzzeitig reversibel entgegen der Richtung der Vorderräder ausgelenkt werden und anschließend daran eine Auslenkung in Richtung der Vorderräder erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ stellung der Hinterräder rückkopplungsfrei erfolgt und bei stationärem, von Null verschiedenem Lenkwinkel der Vorderräder nach Erreichen eines Maximalwertes auf den Wert Null reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichsinnige Verstellung der Hinterräder, gemessen vom Beginn der Lenkbewegung der Vorder­ räder an, nach einer fahrzeuggeschwindigkeitsab­ hängigen Totzeit erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Maximalwert des Hinterrad-Lenkwinkels beim gleichsinnigen Ver­ stellen der Hinterräder und die Veränderungen des Hinterrad-Lenkwinkels vor und nach Erreichen dieses Maximalwerts derart beschaffen sind, daß die Kurswinkelgeschwindigkeit, die Giergeschwin­ digkeit und der Schwimmwinkel stets ein überschwingungsfreies Verhalten aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein PD2T2-Übertragungsglied für die Steuerung der Hinterräder in Abhängigkeit von der der Vorderräder.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PD2T2-Steuerung eine PDT1-Steuerung überlagert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigeren Fahrzeug-Geschwindigkeiten die PDT1-Steuerung, bei höheren Fahrzeug-Geschwindig­ keiten die PD2T2-Steuerung dominiert.