DE3917386C2

DE3917386C2 -

Info

Publication number: DE3917386C2
Application number: DE3917386A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Nakashinden Ebina Jp Mori; Fukashi Isogo Yokohama Jp Sugasawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1993-03-25
Also published as: US5003480A; DE3917386A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenksteuerung für ein Fahrzeug zum Steuern des Lenkeinschlagwinkels der Hinterräder desselben nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die japanische Patentanmeldung JP 59-1 86 773 A zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Lenksteuerung der genannten Art. In diesem Beispiel gehören zu einer Lenksteuerung für ein vierradgelenktes Fahrzeug ein Fahrtgeschwindigkeitssensor, ein Sensor zum Ermitteln des Lenkeinschlags der Vorderräder und eine Steuereinheit zum Steuern des Lenkeinschlags der Hinterräder in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit und vom Lenkeinschlag der Vorderräder. Bei mittleren und hohen Fahrtgeschwindigkeiten bewirkt die Steuereinheit für eine vorbestimmte Zeitspanne vom Beginn eines Lenkeinschlags der Vorderräder an zunächst einen Lenkeinschlag der Hinterräder in der dem Lenkeinschlag der Vorderräder entgegengesetzten Richtung und nach Ablauf dieser Zeitspanne einen Lenkeinschlag der Hinterräder in derselben Richtung wie der Lenkeinschlag der Vorderräder.

Bei dieser herkömmlichen Lenksteuerung wird jedoch der Lenkeinschlag der Hinterräder in Abhängigkeit allein von der Fahrtgeschwindigkeit und vom Lenkeinschlag der Vorderräder bestimmt, so daß es nicht möglich ist, ein erwünschtes und vorbestimmtes Lenkverhalten des Fahrzeugs zu erzielen und damit die Übergangs-Lenkcharakteristik und die Stabilität des Fahrzeugs in ausreichendem Maße zu verbessern. Insbesondere in bezug auf das Gierverhalten ist es schwierig, den schnellen Wechsel der Gierbewegungen zu beherrschen oder die Phasenverzögerung zu verringern. Darüber hinaus ist es schwierig, bei schnellen Lenkbetätigungen, z. B. bei einem Fahrspurwechsel, ein Übersteuern zu vermeiden.

Eine Lenksteuerung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist mit der DE 38 16 484 A1 bekannt geworden. Die bekannte Lenksteuerung verwendet als Eingangsgrößen den Lenkwinkel eines Lenkrades, welcher mit einem Lenkwinkelsensor aufgenommen wird, sowie einen Hilfs-Lenkwinkel eines Vorderrades und einen Hilfs-Lenkwinkel eines Hinterrades. Aus diesen Größen wird durch eine Steuereinheit der Lenkwinkel für die Vorder- und Hinterräder unter Berücksichtigung der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Die von der Steuereinheit ermittelten Lenkwinkel werden vorderen und hinteren Steuerventilen zugeführt, bis die gemessenen Hilfs-Lenkwinkel der Vorder- und Hinterräder gleich den von der Steuereinheit bestimmten Winkeln werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lenksteuerung zu schaffen, mit welcher ein erwünschtes und vorbestimmtes Lenkverhalten des Fahrzeuges auf einfache Weise sicher zu erzielen ist, wodurch die Lenkcharakteristik und damit die Stabilität des Fahrzeuges verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.

Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines vierradgelenkten Fahrzeugs mit einer Lenksteuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Lenksteuerung gemäß dieser Ausführungsform,

Fig. 3 eine vereinfacht und schematisierte Modelldarstellung eines Fahrzeugs zur Erläuterung der gemäß der Erfindung verwendeten physikalischen Größen,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Erhöhung der Giergeschwindigkeit in bezug auf die Lenkgeschwindigkeit,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Phasenverzögerung der Giergeschwindigkeit in bezug auf die Lenkgeschwindigkeit,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Giergeschwindigkeit unter dem Einfluß eines schnellen Lenkeinschlags,

Fig. 7 eine grafische Darstellung einer Charakteristik des Lenkradeinschlagwinkels bei einer schnellen Betätigung der Lenkung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung einer Reaktion der Lenksteuerung dieser Ausführungsform zur Vermeidung des in Fig. 6 dargestellten Übersteuerns und

Fig. 9 ein Blockschaltbild für die schematisierte Darstellung der einer Lenksteuerung gemäß der Erfindung zugrunde liegenden Anordnung.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Fahrzeug hat ein linkes und ein rechtes Vorderrad 1L bzw. 1R, ein linkes und ein rechtes Hinterrad 2L bzw. 2R und ein Lenkrad 3.

Die Vorderräder 1L und 1R sind in herkömmlicher Weise über ein Lenkgetriebe 4 mit dem Lenkrad 3 verbunden. Bei diesem Vorderrad-Lenkgestänge ist der Lenkeinschlagwinkel f durch die Beziehung f = R/N gegeben, worin R der Einschlagwinkel des Lenkrads und N das Übertragungsverhältnis des Lenkgetriebes ist.

Eine die Hinterräder 2L und 2B mit einem hinteren Rahmenteil 7 des Fahrzeugs verbindende Hinterradaufhängung umfaßt Querlenker 5L und 5R sowie obere Lenkerarme 6L und 6R. Zwischen Lenkhebeln 8L und 8R der Hinterräder 2L bzw. 2R ist ein Hinterrad-Lenkantrieb 9 angeordnet. Die beiden Enden einer Kolbenstange des Lenkantriebs 9 sind über eine linke und eine rechte Lenkstange 10L bzw. 10R mit den Lenkhebeln 8L bzw. 8R verbunden.

Der Lenkantrieb 9 dieser Ausführungsform ist ein durch Federkraft in seine Mittelstellung belasteter doppeltwirkender hydraulischer Zylinder. Eine linke und eine rechte Druckkammer des Antriebs 9 sind über eine linke und eine rechte Druckleitung 11L bzw. 11R mit einem elektromagnetisch betätigten Proportional-Drucksteuerschieber 12 verbunden. Der Steuerschieber 12 ist außerdem über eine Druckleitung 15 und eine Rücklaufleitung 16 mit einer eine Pumpe 13 aufweisenden Druckmittelquelle bzw. mit einem Vorratsbehälter 14 verbunden. Außerdem ist noch ein Steuerventil für eine Servolenkung vorgesehen.

Der Steuerschieber 12 ist in der gezeigten Ausführungsform ein durch Federkraft in seine Mittelstellung belasteter Dreistellungsschieber mit einer linken und einer rechten Magnetspule 12L bzw. 12R. Solange beide Magneten 12L und 12R stromlos sind, hält der Steuerschieber 12 die linke sowie die rechte Druckleitung 11L bzw. 11R in einem drucklosen Zustand. Bei Erregung der linken Magnetspule 12L gibt der Steuerschieber einen dem Erregerstrom proportionalen Fluiddruck über die linke Druckleitung 11L an die linke Druckkammer des Antriebs 9 ab. Bei Erregung der rechten Magnetspule 12R gibt der Steuerschieber 12 dementsprechend einen dem Erregerstrom proportionalen Fluiddruck über die rechte Druckleitung 11R an die rechte Druckkammer des Antriebs 9 ab.

Eine Steuereinheit 17 dient der elektronischen Steuerung der Erregung der Magnetspulen 12L und 12R des Steuerschiebers 12 und über diese des Lenkeinschlagwinkels der Hinterräder. Insbesondere dient die Steuereinheit 17 der Steuerung der Erregung und Abschaltung der Magnetspulen 12L und 12R sowie der Stärke des ihnen zugeleiteten Erregerstroms. Wie in Fig. 2 dargestellt, umfaßt die Steuereinheit in dieser Ausführungsform einen Digitalprozessor 17a, eine Digital-Eingangsstufe 17b, einen Speicher 17c, einen Digital/Analogwandler 17d und eine Treiberschaltung 17e.

Mit der Steuereinheit 17 verbunden sind ein Einschlagwinkelsensor 18 und ein Geschwindigkeitsgeber 19. In der gezeigten Ausführungsform dient der Einschlagwinkelsensor 18 der Messung des Einschlag- oder Drehwinkels R des Lenkrads 3. Der Geschwindigkeitsgeber 19 mißt die Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Vom Einschlagwinkelsensor 18 und vom Geschwindigkeitsgeber 19 erzeugte Signale werden über die Eingangsstufe 17b dem Prozessor 17a zugeführt.

Aus der Fahrtgeschwindigkeit V und in einem ROM des Speichers 17c gespeicherten Konstanten berechnet der Prozessor 17a der Steuereinheit 17 die vorstehend genannten sechs Parameter a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ und speichert diese in einem RAM des Speichers 17c. Anschließend löst der Prozessor 17a die vorstehend angegebene Gleichung (1) für den Einschlagwinkel δ_r der Hinterräder unter Verwendung des Einschlagwinkels R und der vorläufig gespeicherten Werte der Parameter a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅. Der Digital/Analogwandler 17d wandelt ein dem so ermittelten Einschlagwinkel δ_r für die Hinterräder entsprechendes digitales Signal in ein analoges Signal um. Die Treiberschaltung 17e wandelt das derart erhaltene Analogsignal in einen dem Einschlagwinkel δ_r der Hinterräder entsprechenden Strom i um und führt diesem dem Steuerschieber 12 zu. Anhand des Einschlagwinkels R bestimmt die Steuereinheit 17, welche der beiden Magnetspulen 12L und 12R erregt werden soll, und steuert die Speisung der betreffenden Magnetspule mit dem Erregerstrom i, so daß der Steuerschieber 12 einen dem Erregerstrom i entsprechenden Druck durchläßt. Dadurch wird der Antrieb 9 betätigt, um die Hinterräder 2L und 2R über die Lenkstangen 10L bzw. 10R entsprechend einzuschlagen. Auf diese Weise wird die Richtung und Größe des Lenkeinschlags der Hinterräder 2L und 2R über die Steuereinheit 17 gesteuert.

Die Steuer-Transferfunktion (1) wird gemäß der Erfindung in der folgenden Weise erhalten:

Die folgenden Gleichungen (a) und (b) sind Gleichungen für die Bewegung des Fahrzeugs (vgl. Fig. 3).

M( + V · ) = F₁ + F₂ (a)

I · = a · F₁ - b · F₂ (b)

In diesen Gleichungen ist M die Masse eines Fahrzeugs, eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs, V die Fahrtgeschwindigkeit, eine Giergeschwindigkeit, F₁ eine auf die Vorderräder einwirkende Querkraft, F₂ eine auf die Hinterräder wirkende Querkraft, I ein Trägheits-Giermoment des Fahrzeugs, eine Gierbeschleunigung, "a" ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und dessen Vorderachse, und "b" der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und dessen Hinterachse. Die Querkräfte F₁ und F₂ ergeben sich aus:

Darin ist C₁ ein den Lenkkräften an den Vorderrädern entsprechender Wert, C₂ ein den Lenkkräften an den Hinterrädern entsprechender Wert, δ_f der Einschlagwinkel der Vorderräder, δ_r der Einschlagwinkel der Hinterräder und eine Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs.

In dieser Ausführungsform ist eine erwünschte Charakteristik des Fahrzeugs durch die folgende Gleichung (2) definiert. Bei dieser erwünschten Charakteristik handelt es sich um eine Giergeschwindigkeitscharakteristik, welche auf den Einschlagwinkel der Vorderräder oder des Lenkrads bezogen ist.

In der Gleichung (2) ist ₀ eine stetige Gierbeschleunigung des Fahrzeugs, K und τ sind Konstante und s ist ein Laplace- Operator. Die stetige Gierbeschleunigung ₀ ergibt sich aus:

In dieser Gleichung ist l der sich aus a + b ergebende Radstand. Durch Verwendung der Gleichung (2) und Laplacescher Transformationen der Gleichungen (a) bis (d) erhält man die folgende, der Gleichung (1) entsprechende Gleichung, sowie sechs weitere Gleichungen zum Bestimmen der in der Gleichung (1) erscheinenden Parameter.

In dieser Ausführungsform ist die gewünschte Fahrzeugcharakteristik die charakteristische Giergeschwindigkeit (s)/δ_f(s) in Form einer Verzögerung der ersten Ordnung. Im Hinblick auf die vorbestimmte erwünschte charakteristische Giergeschwindigkeit ermittelt die Steuereinheit 17 den jeweils augenblicklichen Wert jedes Parameters (oder Koeffizienten) a₁ (wobei i eine ganze Zahl zwischen 0 und 5 und 0 ≦ i ≦ 5 ist), und steuert den Einschlagwinkel der Hinterräder entsprechend der durch die Werte der Parameter a_i gegebenen Transferfunktion. Auf diese Weise ist mit der Lenksteuerung dieser Ausführungsform die erwünschte und vorbestimmte Fahrzeugcharakteristik erzielbar. Der Zähler sowie der Nenner der erfindungsgemäßen Transferfunktion enthalten jeweils einen Ausdruck einer zweiten Ordnung (einschließlich s²), einen Ausdruck einer ersten Ordnung (einschließlich s) und einen Ausdruck einer Konstante. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Lenksteuerung in der Lage, die erwünschte und vorbestimmte Fahrzeugcharakteristik verläßlich zu erzielen, indem sie den Einschlagwinkel der Hinterräder in Abhängigkeit nicht nur vom Einschlagwinkel der Vorderräder, sondern auch von der Winkelgeschwindigkeit und der Querbeschleunigung der Vorderräder steuert.

In Fig. 4 bis 8 sind Einzelheiten der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lenksteuerung dargestellt. Wie man in Fig. 4 erkennt, werden Schwankungen der Giergeschwindigkeit in einem weiten Bereich weitgehend abgeflacht. Darüber hinaus wird eine Phasenverzögerung der Gierbewegungen weitgehend verringert, wie in Fig. 5 dargestellt.

Bei einer sehr schnellen Drehung des Lenkrads bzw. einem schnellen Lenkeinschlag der Vorderräder, wie in Fig. 7 dargestellt, kann das Fahrzeug zu starken Gierbewegungen neigen, so daß es zum Übersteuern kommt, wie in Fig. 6 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Lenksteuerung kann ein solches Übersteuern, wie in Fig. 6 durch die ausgezogene Linie dargestellt, vermeiden, indem sie den Einschlag der Hinterräder bei einer schnellen Betätigung der Lenkung in der in Fig. 8 dargestellten Weise steuert. Wie man in Fig. 8 erkennt, werden die Hinterräder 2L und 2R zunächst über eine begrenzte Zeitspanne in der dem Lenkeinschlag der Vorderräder 1L und 1R entgegengesetzten Richtung und anschließend in der gleichen Richtung wie die Vorderräder eingeschlagen. Anschließend verringert sich dann der Einschlagwinkel mit einer vorbestimmten Zeitkonstante auf Null.

In der beschriebenen Ausführungsform findet zwar die durch die Gleichung (2) gegebene Giergeschwindigkeit als die erwünschte Fahrzeugcharakteristik Anwendung, möglich ist jedoch auch die Anwendung einer Fahrzeugcharakteristik, welche sich in der Form "erste Ordnung/zweite Ordnung" oder in Form einer höheren Ordnung ausdrücken läßt.

Wie vorstehend erläutert, ermöglicht die erfindungsgemäße Lenksteuerung die verläßliche Erzielung der erwünschten Fahrzeugcharakteristik und ermöglicht somit die Abstimmung eines Fahrzeugs auf die gewünschte Charakteristik.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung die Erzielung eines günstigen Gierverhaltens mit flachem Kurvenverlauf und geringer Phasenverzögerung, sowie die Vermeidung des unerwünschten Übersteuerns.

Claims

1. Lenksteuerung für ein Fahrzeug mit einer Einrichtung, um den Lenkeinschlagwinkel der Hinterräder (2L, 2R) in Abhängigkeit von einem Steuersignal einzustellen, welches den gewünschten Lenkeinschlag der Hinterräder vorgibt, einer Sensoreinrichtung (18, 19), welche eine Lenksteuergröße der Vorderräder (1L, 1R) und die Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt, sowie einer Steuereinrichtung (17), welche mit dieser Sensoreinrichtung verbunden ist, um ein Steuersignal gemäß einer vorgegebenen Übertragungsfunktion zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuereinrichtung (17) eine Signalerzeugungseinrichtung beinhaltet, welches ein Eingangssignal erhält, das proportional zum Lenkeinschlagwinkel der Vorderräder (1L, 1R) ist, und daß diese Steuereinrichtung (17) ein Ausgangssignal erzeugt, das den Lenkeinschlagwinkel der Hinterräder in Übereinstimmung mit einer Übertragungsfunktion vorgibt, welche lautet: wobei δ_f ^(s) eine Laplacesche Transformation des Einschlagwinkels der Vorderräder darstellt, der durch dieses Eingangssignal vorgegeben wird, δ_r ^(s) eine Laplacesche Übertragungsfunktion des Lenkeinschlagwinkels der Hinterräder, der durch dieses Ausgangssignal vorgegeben ist, s ein Laplace-Transformator und a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Parameter sind, die in Übereinstimmung mit der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit, mit Kenngrößen des Fahrzeuges und einer gewünschten Fahrzeug- Lenkcharakteristik bestimmt werden.

2. Lenksteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer dieser Parameter unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist.

3. Lenkeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter a₃ unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist.

4. Lenksteuerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Lenkrad (3) und den Vorderrädern (1L, 1R) des Fahrzeugs angeordnetes Lenkgestänge (4) so ausgebildet ist, daß der Einschlagwinkel der Vorderräder stets im wesentlichen gleich dem Produkt aus dem Einschlagwinkel des Lenkrads und dem Übertragungsverhältnis des Lenkgestänges ist.

5. Lenksteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) einen Parameterprozessor aufweist, der eine erste, eine zweite, eine dritte, eine vierte, eine fünfte und eine sechste Rechnereinheit zum Berechnen des ersten, des zweiten, des dritten, des vierten, des fünften und des sechsten Parameters (a₀, a₁, a₂, a₃, a₄, a₅) nach den folgenden ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Gleichungen enthält: Darin ist V die Fahrtgeschwindigkeit, M eine der Masse des Fahrzeugs entsprechende Konstante, I eine dem Trägheits- Giermoment des Fahrzeugs entsprechende Konstante, C₁ eine der Lenkkraft eines Vorderrads des Fahrzeugs entsprechende Konstante, C₂ eine einer Lenkkraft eines Hinterrads entsprechende Konstante, a eine dem Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und seiner Vorderachse entsprechende Konstante, b eine dem Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und seiner Hinterachse entsprechende Konstante, l der sich aus a+b ergebende Radstand des des Fahrzeugs, und K und τ jeweils eine einem vorbestimmten, erwünschten Gierverhalten des Fahrzeugs entsprechende Konstante.

6. Lenksteuerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (17) ferner wenigstens einen Speicher zum Speichern der von dem Parameterprozessor zu verwendenden Konstanten enthält.