DE3929994A1

DE3929994A1 - Steuervorrichtung fuer den lenkwinkel der hinterraeder eines fahrzeugs

Info

Publication number: DE3929994A1
Application number: DE3929994A
Authority: DE
Inventors: Ken Ito; Kazutaka Adachi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1990-03-22
Also published as: JP2552342B2; JPH0274473A; US5047939A; DE3929994C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Lenkwinkel der Hinterräder eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, daß eine Verlängerung des Radstandes eines Kraftfahrzeugs Vorteile in bezug auf den Geradeauslauf, den Fahrkomfort und die Größe des Fahrgastraumes bietet.

Eine Verlängerung des Radstandes beeinträchtigt jedoch die Lenkbarkeit, so daß der Fahrer drei- oder fünfmal vor- und zurücksetzen muß, anstatt in einem einfachen Bogen zu wenden. Im übrigen ergibt sich das Problem, daß das Fahrzeug mit einer Wand oder dergleichen in Berührung kommen kann, da ein Unterschied besteht zwischen dem Wendekreis des inneren vorderen Rades und des inneren hinteren Rades. Für das Wenden des Fahrzeugs ist daher eine größere Straßenbreite erforderlich.

Aus diesen Gründen ist es im Hinblick auf die Handlichkeit und die Lenkbarkeit eines Fahrzeuges schwierig, einen relativ langen Radstand vorzusehen. In Japan weist beispielsweise ein Fahrzeug mit einem Hubraum von 3000 ccm einen Radstand von etwa 2,7 m auf, während ein Fahrzeug mit einem Hubraum von 1000 ccm einen Radstand von etwa 2,3 m besitzt. Es ist erkennbar, daß der Radstand sich nicht wesentlich unterscheidet, verglichen mit den Unterschieden in bezug auf Hubraum, Typ und Gesamtlänge.

Es sind weiterhin Fahrzeuge mit sogenannter Vierradlenkung bekannt, bei denen die Hinterräder in entgegengesetzter Richtung zu den Vorderrädern gelenkt werden und die Lenkbarkeit in bezug auf den kleinsten Wendekreis und den Unterschied der Wendekreise des inneren Vorderrades und des inneren Hinterrades verbessern.

Bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit Allradlenkung dieser Art ist der Lenkwinkel der Hinterräder jedoch auf maximal 5 Grad begrenzt, und der seitliche Abstand zwischen den Hinterrädern ist wesentlich geringer als die Gesamtbreite des Fahrzeugs, damit der Überhang des Hecks geringer ist als seitliche Vorsprünge, wie etwa Außenspiegel. Je mehr der Radstand des Fahrzeugs vergrößert wird, desto engere Grenzen ergeben sich bei der Konstruktion des Lenksystems. Beispielsweise wird der Unterschied zwischen den Wendekreisen der vorderen und hinteren Räder zunehmend größer, so daß der seitliche Überhang der Karosserie in bezug auf die Radposition vergrößert wird. Dadurch wird es für den Fahrer schwierig, den Platzbedarf des Fahrzeugs bei der Kurvenfahrt einzuschätzen, so daß es zu Unfällen kommen kann. Ein wesentliches Problem der erwähnten Allradlenkungen ist es daher, daß bei Verbesserung der Lenkbarkeit (des Wendekreises) der Überhang des rückwärtigen Endes zum Ausgleich der entgegengesetzt gerichteten Lenkrichtung der Hinterräder vergrößert werden muß. Dadurch ergeben sich Nachteile bei der Kurvenfahrt, der Handhabung und der Fahrstabilität. Ferner ergibt sich neben anderen Nachteilen in bezug auf die Gestaltung der Karosserie, daß ein Fahrzeug mit relativ langem Radstand nicht mit einer Allradlenkung mit verbesserten Lenkeigenschaften versehen werden kann.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine Steuervorrichtung für den Lenkwinkel der Hinterräder eines Fahrzeugs zu schaffen, die für Fahrzeuge mit relativ langem Radstand anwendbar ist, ohne deren Lenkeigenschaften zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Steuervorrichtung eine erste Einrichtung zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit und zur Abgabe eines entsprechenden Signals, eine zweite Einrichtung zur Ermittlung des gegenwärtigen Lenkwinkels der Vorderräder und zur Abgabe eines entsprechenden Signals, eine dritte Einrichtung, die einen ersten Ort ermittelt auf der Grundlage der Signale der ersten und zweiten Ausrichtung, welcher Ort definiert ist durch einen ersten Punkt am vorderen Ende des Fahrzeugs, eine vierte Einrichtung zur Bestimmung eines vorgegebenen Lenkwinkels eines Hinterrades in einer Weise, daß ein zweiter Ort, der definiert ist durch einen zweiten Punkt am rückwärtigen Ende des Fahrzeuges, nicht nach außen von dem ersten Ort in bezug auf den Mittelpunkt des Wendekreises abweicht, und eine fünfte Einrichtung zur Steuerung des tatsächlichen Lenkwinkels der Hinterräder auf der Grundlage des Ziel-Lenkwinkels zur Begrenzung der Größe des Überhanges des rückwärtigen Endes des Fahrzeugs bei der Kurvenfahrt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Start des Fahrzeugs die Längsmittellinie zwischen dem ersten und zweiten Punkt durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs als Teil des ersten Ortes behandelt.

Es kann eine sechste Einrichtung vorgesehen sein, die einen ersten Lenkwinkel für die Hinterräder bestimmt, der erforderlich ist zum Wenden innerhalb eines vorgegebenen Ziel-Wendekreises, und zwar auf der Grundlage eines Signals der ersten und zweiten Einrichtung, und eines zweiten Lenkwinkels der Hinterräder, der es erforderlich macht, daß der hintere Punkt den ersten an einem Punkt schneidet, an dem die Linie entlang der Hinterachse senkrecht zur Längsmittellinie durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs den ersten Ort schneiden würde. Die vierte Einrichtung bestimmt, welcher der ersten und zweiten Lenkwinkel, absolut gesehen, kleiner ist, und wählt diesen als Ziel-Lenkwinkel aus, wenn die Phasen des tatsächlichen Lenkwinkels und des zweiten Lenkwinkels unterschiedlich sind, und setzt den Ziel-Lenkwinkel auf Null, wenn die Phasen des tatsächlich eingeschlagenen Lenkwinkels und des zweiten Lenkwinkels gleich sind.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine erläuternde Darstellung eines Zweirad-Fahrzeugs;

Fig. 2 veranschaulicht die Ortskurve, die durch einen Punkt B am rückwärtigen Ende des Fahrzeugs gemäß Fig. 1 definiert wird, während einer gleichmäßigen Kurve;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit relativ langem Radstand;

Fig. 4 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs mit relativ kurzem Radstand;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Systems zur Steuerung des Lenkwinkels der Hinterräder;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm zur Bestimmung des Lenkwinkels der Hinterräder;

Fig. 7 zeigt die Koordinaten von Punkten auf der Ortskurve, die durch einen Punkt A am vorderen Ende des Fahrzeugs während der Kurvenfahrt definiert wird;

Fig. 8 bis 10 sind Flußdiagramme, die die Schrittfolge der logischen Operationen bei der Bestimmung des Lenkwinkels der Hinterräder zeigen;

Fig. 11 ist ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des hinteren Lenkwinkels in bezug auf die Zeit;

Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Orte der vorderen und hinteren Punkte A und B während der Kurvenfahrt bei einem Lenkwinkel gemäß Fig. 11 veranschaulicht;

Fig. 13 ist ein Diagramm, das den rückwärtigen Lenkwinkel in bezug auf die Zeit bei einem herkömmlichen Steuersystem veranschaulicht;

Fig. 14 ist ein Diagramm, das die Orte des vorderen und hinteren Punktes A und B bei der Kurvenfahrt mit einem Lenkwinkel gemäß Fig. 13 veranschaulicht;

Fig. 15 zeigt die Orte der vorderen und hinteren Punkte A und B bei einem Fahrzeug mit relativ kurzem Radstand gemäß Fig. 4 während der Kurvenfahrt;

Fig. 16 zeigt die Orte der vorderen und hinteren Punkte A und B bei einem Fahrzeug mit relativ langem Radstand gemäß Fig. 3.

Zunächst sollen anhand von Fig. 3 die wesentlichen Formeln zur Auslegung des Hinterrad-Steuersystems der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Zur Vereinfachung beschränkt sich die folgende Darstellung auf ein Fahrzeugmodell mit zwei Rädern. Ein vorderer Punkt A und ein hinterer Punkt B werden definiert als die Mitte des vorderen und hinteren Endes des Fahrzeugs. Die Lenkbedingungen werden als gleichmäßiger Kreis angenommen. Der Kreisdurchmesser wird als feststehend und die Fahrgeschwindigkeit als konstant angesehen, da bei einer Kurvenfahrt in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen die dynamische Charakteristik eines Fahrzeugs nicht berücksichtigt werden muß.

Wenn der vordere Lenkwinkel mit R und der hintere Lenkwinkel mit δ R bezeichnet werden, ergeben sich die Gier-Rate und die Seitengeschwindigkeit des Schwerpunkts Vy aus den folgenden Gleichungen, bezogen auf einen regelmäßigen Kreis und basierend auf einer linearen Analyse mit etwa 2 Grad Abweichung, wie es an sich bekannt ist.

In diesen Gleichungen ist V die Fahrzeuggeschwindigkeit, A der Stabilitäts- Faktor des Fahrzeugs, M die Masse des Fahrzeugs, L _F der Abstand zwischen dem vorderen Rad und dem Schwerpunkt, L _R der Abstand zwischen dem hinteren Rad und dem Schwerpunkt, L der Radstand (L = L _F+L _R), eK_F ein Äquivalent zu der Seitenkraft der Vorderräder und K _R ein Äquivalent zu der Seitenkraft der Hinterräder.

Fig. 2 zeigt den Ort des hinteren Punktes B während eines gleichmäßigen Kreises. Der Schlupfwinkel β _B und der Radius R _B ergeben sich aus den folgenden Gleichungen:

Die Mittelpunkts-Koordinaten des Lenkkreises in bezug auf das Fahrzeugsystem werden definiert durch die folgenden Gleichungen, in denen die Koordinaten des Schwerpunkts als Nullpunkt (O, O) definiert sind.

Im Hinblick auf Fälle, in denen nur das Hinterrad in entgegengesetzter Richtung zu dem Vorderrad gelenkt wird, wird der maximale Überhang des hinteren Punktes B gemäß Fig. 2 normalerweise definiert an der x-Koordinate (-L _R) der hinteren Achse. Die Auslegung des Steuersystems der vorliegenden Erfindung erfordert daher vorzugsweise eine Betrachtung der Größe des Überhanges des hinteren Punktes B in bezug auf die x-Koordinate der hinteren Achse, mit anderen Worten, die Y-Koordinate (Y _RW, wie später im einzelnen beschrieben werden soll) eines Punktes, der definiert wird auf dem Ort des hinteren Punktes B, wenn dessen X-Koordinate übertragen wird auf die X-Koordinate der Hinterachse.

Wenn die Koordinaten eines Punktes derart sind, daß der Punkt B die X-Koordinate der hinteren Achse nach einem Teil der Kurvenfahrt passiert, also -L _R, Y_RW, ergibt sich die folgende Gleichung unter Verwendung des in Fig. 2 gezeigten Dreiecks:

R _B² = (x ₀+L _R)²+(y ₀-Y _RW)² (7)

und erfindungsgemäßer Steuerung und eines Modellfahrzeugs als Steuerungsziel.

Das Modellfahrzeug soll ein Automobil mit einer Gesamtlänge von 4,5 m, einem Radstand von 2,5 m und einem Hubraum von 1800 ccm sein, während das gesteuerte Fahrzeug einen Radstand von 3,3 m also 0,8 m mehr als bei dem Modellfahrzeug, und eine Gesamtlänge von 4,8 m aufweist, die durch Verkürzung der vorderen und hinteren Überhänge erreicht wird.

Fig. 5 zeigt ein elektrisch geregeltes Steuersystem für den Lenkwinkel der Hinterräder gemäß der vorliegenden Erfindung, das auf ein Fahrzeug 5 mit Allradlenkung anwendbar ist. Das System umfaßt insgesamt einen Lenkwinkelsensor 1, einen Raddrehzahlsensor 2, eine Zielwinkel-Vorgabeschaltung 3 und eine Steuereinheit 4 für den hinteren Lenkwinkel. Der Lenkwinkelsensor 1 ermittelt den Lenkwinkel R der Vorderräder. Der Raddrehzahlsensor 2 liefert einen Impuls bei jedem Zyklus vorgegebener Länge Δ x zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Die Vorgabeschaltung 3 gibt einen Zielwinkel zur angemessenen Lenkung der Hinterräder ab. Die Steuereinheit 4 umfaßt ein System mit einem hydraulischen Betätigungsorgan oder dergleichen zur Änderung des Lenkwinkels δ _R der Hinterräder auf der Grundlage des Zielwinkels , den die Vorgabeschaltung 3 angibt.

Fig. 6 zeigt die Zielwinkel-Vorgabeschaltung 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung umfaßt einen Hauptrechner 10, eine Recheneinheit 20 zur Ermittlung von Gier-Rate und Seitengeschwindigkeit, eine Schaltung 21 zur annähernden Ermittlung des Gierwinkels, eine Schaltung 22 zur Koordinaten- Berechnung, einen Speicher 30 zur Speicherung des vorderen Ortes, eine Schaltung 40 zur Berechnung der Koordinaten-Transformation der X-Koordinate des hinteren Punktes, eine Schaltung 41 zur Errechnung des Grenzwinkels der Hinterradlenkung und eine Auswahlschaltung 50 für den hinteren Zielwinkel.

Der Hauptrechner 10 ermittelt mathematisch einen Lenkwinkel δ _{R 1} für die Hinterräder, der zum Bewegen eines gesteuerten Fahrzeugs einen Wendekreis erforderlich macht, der demjenigen des Modellfahrzeugs entspricht. Dieses Modellfahrzeug dient als Zielvorgabe für die Steuerung und ist in Fig. 4 gezeigt.

Die Recheneinheit 20, die die Gier-Rate und die Seitenbeschleunigung ermittelt, bestimmt durch Schätzung die Gier-Rate und die Seitenbeschleunigung Vy des Schwerpunkts G auf der Basis des Lenkwinkels R, den der Sensor 1 ermittelt, dessen Signal über die Eingangsklemme 100 aufgenommen wird, der Fahrzeuggeschwindigkeit V, die der Sensor 2 ermittelt, dessen Signal über die Eingangsklemme 110 aufgenommen wird, und des Ziehwinkels der Hinterradlenkung , den die Schaltung 50 liefert. Die Schaltung 21, die den Gier-Winkel durch Schätzung ermittelt, integriert die Gier-Rate oder Gierwinkel-Änderung, die die Schaltung 20 schätzt, und ermittelt daraus einen geschätzten Gierwinkel ψ. Die Schaltung 22 bestimmt die Koordinaten (X _G, Y_G) des Schwerpunkts G und (X _A, Y_A) des vorderen Punktes A in bezug auf das Bodenkoordinatensystem auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit V, die geschätzte seitliche Geschwindigkeit Vy und den geschätzten Gierwinkel ψ. Der Speicher 30 für den Ort des vorderen Punktes A weist Speicherschaltungen zur Speicherung der Bodenkoordinaten des vorderen Punktes A bei jedem Fahrzyklus vorgegebener Länge Δ x auf und verschiebt die Daten entsprechend (siehe Fig. 7). Die Schaltung 40 zur Koordinaten-Transformation der Y-Koordinate des rückwärtigen Punktes B transformiert die Daten (Xi, Yi) des Ortes des vorderen Punktes A in bezug auf das Bodenkoordinatensystem in die Koordinaten (xi, yi) des Fahrzeugkoordinatensystems auf der Grundlage der Koordinaten (X _G, Y_G) des Schwerpunkts G im Verhältnis zum Bodensystem und dem geschätzten Gier- Winkel ψ und bestimmt sodann eine Y-Koordinate Y _RW eines Punktes auf dem Ort des vorderen Punktes A, bei dem die X-Koordinate des Punktes eines X-Koordinate (L _R) der Hinterachse ist. Die Schaltung 41 zur Berechnung des Grenzwertes des hinteren Radeinschlages bestimmt den maximalen Lenkwinkel δ _Rmax der Hinterräder aufgrund des Wertes Y _RW, des Lenkwinkels R und der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Die Auswahlschaltung 50 für den Zielwinkel der Hinterräder bestimmt den Zielwinkel der Hinterräder (d. h. den geeigneten Lenkwinkel für die tatsächliche Lenkung der Hinterräder) auf der Grundlage des hinteren Lenkwinkels w _{R 1}, der mathematisch berechnet worden ist durch den Hauptrechner 10, und des maximalen Lenkwinkels δ _Rmax der Schaltung 41. Die Schaltung 50 weist eine Auswahleinrichtung auf, die den Zielwinkel aus δ _{R 1}, δ _Rmax und Null auswählt, wie später erläutert werden soll, so daß ein Steuersignal gebildet wird, das dem Zielwinkel entspricht und der Steuereinheit 4 über die Signalleitung 220 gemäß Fig. 6 zugeleitet wird.

Anschließend soll die Arbeitsweise der Vorrichtung anhand von Fig. 8 bis 10 beschrieben werden, die die Reihenfolge der logischen Schritte veranschaulichen, die durch das erfindungsgemäße Steuersystem durchgeführt werden. Da allerdings die Flußdiagramme bereits aufgrund der verwendeten üblichen Symbole von sich aus verständlich sind, soll die Erläuterung nur in Umrissen erfolgen.

Der Hauptrechner 10 bestimmt den hinteren Lenkwinkel w _{R 1}, der notwendig ist, ein gesteuertes Fahrzeug mit einem Radstand L und einem Stabilitätsfaktor A über eine Kreisbahn zu bewegen, die mit derjenigen des Modellfahrzeugs übereinstimmt, das einen Radstand L _M und einen Stabilitätsfaktor A _M aufweist. Das gebildete Signal gelangt an die Schaltung 50.

Bei dieser Ausführungsform ist die Lenkübersetzung (N) des gesteuerten Fahrzeugs und des Modellfahrzeugs gleich. Wenn der Lenkwinkel der Vorderräder R ist und der hintere Lenkwinkel w _R beträgt (nur bei dem gesteuerten Fahrzeug), bestimmen sich die Wendekreise R und R _M des gesteuerten Fahrzeugs und des Modellfahrzeugs wie folgt:

Daher erhält man den hinteren Lenkwinkel δ _{R 1}, der zur Erfüllung der Bedingung R = R _M erforderlich ist, aus den vorangegangenen Gleichungen (8) und (9) wie folgt

Wenn A _M nicht gleich A ist, wird das Lenkwinkelverhältnis zwischen R und δ _{R 1} repräsentiert als Faktor der Fahrzeuggeschwindigkeit V. K(V) ist stets negativ (entgegengesetzte Richtung) in bezug auf den Lenkwinkel R bei niedrigen Geschwindigkeiten (z. B. bis zu 40 km/h).

Die Schaltung 20 zur Berechnung der Gier-Rate und Seitengeschwindigkeit schätzt die Gier-Rate und Seitengeschwindigkeit Vy auf der Grundlage der oben erwähnten Formeln (1) und (2), die erhalten wurden durch angenäherte Linearanalyse, und gibt entsprechende Signale an die Schaltungen 21 und 22 ab. Die Berechnung der Gier-Rate und Seitengeschwindigkeit Vy unter Berücksichtigung der geometrischen Nicht-Linearität des Fahrzeugs führt zu einer sehr genauen Schätzung.

Die Schaltung 21 zur Schätzung des Gierwinkels integriert die Gier-Rate oder Gierwinkel-Änderung und ermittelt einen Gierwinkel ψ aus folgender Gleichung:

Die Schaltung 22 zur Koordinatenberechnung bestimmt die Koordinaten (X _G, Y_G) des Schwerpunkts in bezug auf das Bodenkoordinatensystem auf der Basis der Signale der Schaltung 20 unter Verwendung folgender Gleichungen:

X _G = ∫ (Vx cos ψ - Vy sin ψ) dt (11)

Y _G = ∫ (Vx sin ψ + Vy cos ψ) dt (12)

Im übrigen werden auf der Basis der Koordinaten (X _G, Y_G) die Koordinaten (X _A, Y_A) des vorderen Punktes A in bezug auf die Bodenkoordinaten wie folgt erhalten:

X _A = acos ψ + Y _G (13)

Y _A = asin ψ + Y _G (14)

Die Schaltung 22 zur Koordinatenberechnung liefert Signale, die repräsentativ sind für die Erdkoordinaten des vorderen Punktes A (X _A, Y_A) an die Schaltung 30 bei jedem Zyklus Δ x (siehe Fig. 9).

Wenn die obigen Integrale berechnet worden sind, beispielsweise durch einen Digital-Rechner, kann die Berechnung nach der folgenden Formel (Euler-Methode) vereinfacht werden:

Z(t) = Z(t- Δ t)+Δ tZ(t- Δ t)

In dieser Gleichung ist Δ t die Teilung der Zeit.

Der Speicher 30 für den Ort des vorderen Punktes speichert die vorderen Erdkoordinaten (X _A, Y_A), die die Schaltung 22 liefert, bei jedem gefahrenen Abschnitt Δ x, und verschiebt die Daten nacheinander, wie aus Fig. 9 hervorgeht.

Die Schaltung 40 zur Berechnung der Koordinaten-Transformation der Y-Koordinate des hinteren Punkts B transformiert, wie oben beschrieben wurde, die Ortskoordinaten (Xi Yi) des vorderen Punktes A in bezug auf das Erdkoordinatensystem in Ortskoordinaten (xi, yi) in bezug auf das Fahrzeugkoordinatensystem auf der Grundlage der Signale der Schaltung 22 und der Schaltung 21, und bestimmt sodann eine Y-Koordinate Y _RW eines Punktes auf der Ortskurve des vorderen Punktes A, an dem die X-Koordinate (L _R) der Hinterachse ist, und liefert ein Signal an die Schaltung 41.

Wenn das gesteuerte Fahrzeug anfährt, existiert eine Ortskurve des vorderen Punktes A nicht zwischen dem vorderen Punkt A und dem hinteren Punkt B. Folglich wird gemäß Fig. 8 die Längsmittellinie durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs als Teil der Ortskurve des Punktes A angenommen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 soll anschließend die Berechnung des Wertes Y _RW beschrieben werden. Die Achsen, die mit X und Y bezeichnet sind, definieren das Bodenkoordinatensystem, während die Achsen x und y das Fahrzeugkoordinatensystem definieren, dessen Nullpunkt der Schwerpunkt des Fahrzeugs ist.

Jeder Punkt, der durch einen schwarzen Kreis gekennzeichnet ist, zeigt die Position des vorderen Punktes A in den Abständen Δ x. Die Koordinaten (Xi, Yi) in bezug auf das Bodenkoordinatensystem werden in dem Speicher 30 festgehalten. Diese Daten werden transformiert in Daten des Fahrzeugkoordinatensystems nach folgenden Formeln:

xi = (Xi-X _G) cos ψ+(Yi-Y _G) sin ψ (15)

yi = (Yi-Y _G) cos ψ-(Xi-X _G) sin ψ (16)

Anschließend wird der Wert Y _RW ermittelt auf der Grundlage der transformierten Daten des vorderen Punktes (xi, yi) in bezug auf das Fahrzeugkoordinatensystem. Durch lineare Interpretation unter Verwendung der Koordinaten- Daten (x _n, y_n) und (x _n-1, y _n-1) der beiden Punkte der Ortskurve des vorderen Punktes, die die Beziehung x _n (-L _R) < x _n-1 erfüllen, wird der Wert Y _RW wie folgt erhalten:

Die Schaltung 41 zur Begrenzung des hinteren Lenkwinkels bestimmten den erlaubten Maximalwinkel δ _Rmax auf das Basis des Lenkwinkel R, der Fahrzeuggeschwindigkeit V und des Wertes Y _RW in der folgenden Weise und liefert ein entsprechendes Signal an die Schaltung 50.

Aus den Formeln (4), (5), (6) und (7) folgt

Durch Multiplizieren beider Seiten der Gleichung mit und Umformung ergibt sich die folgende Gleichung:

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) für die Gleichung (19) und Multiplizieren beider Seiten mit (1+AV²)L/V ergibt sich folgende Gleichung:

In dieser Gleichung ist P = ML _F/2K _RL, q = ML _R/2eK _FL und Vx = V (Näherungswert). Wenn daher R, V und Y _RW bekannt sind, ergibt sich δ _Rmax aus folgender Formel:

In dieser Gleichung ist

m ₁ = 2(b-L _R)q = ML_R(b-L_R)/eK_FL,
m ₂ = 2(b-L _R)L_F+b²-L _R²,
n ₁ = 2(b-L _R)p = ML_F(b-L_R)/K_RL,
n ₂ = {2(b-L _R)L_R+L _R²-b²} = (b-L _R)².

Es ist erkennbar, daß δ _Rmax ein Lenkwinkel für die Hinterräder ist, so daß der Punkt C, der in Fig. 2 angegeben ist und definiert wird durch die Ortskurve des hinteren Punktes B, die Ortskurve des vorderen Punktes A trifft, wie Fig. 7 zeigt.

Wenn das Vorzeichen des Lenkwinkels R und des Wertes Y _RW gleich ist, hat der hintere Punkt B das Bestreben, nach außen über die Ortskurve des Punktes A hinauszugehen. Es wird daher Y _RW = 0 eingesetzt in die Gleichung (21), so daß sich δ _Rmax ergibt (wie es in dem Flußdiagramm gemäß Fig. 10 gezeigt ist).

Die Auswahlschaltung 50 zur Auswahl des Zielwinkels der Hinterradlenkung bestimmt den Zielwinkel auf der Grundlage des hinteren Lenkwinkels δ _{R 1}, den der Hauptrechner 10 ermittelt hat, und des maximalen hinteren Lenkwinkels δ _Rmax, den die Schaltung 41 geliefert hat, wie folgt.

Wenn die Vorzeichen des Lenkwinkels R und des maximal erlaubten Lenkwinkels δ _Rmax gleich sind (d. h. wenn die Vorzeichen von δ _{R 1} und δ _Rmax entgegengesetzt zueinander sind, da δ _{R 1} und R, wie oben angegeben, entgegengesetzt gerichtet sind), mit anderen Worten, wenn eine Lenkung der Hinterräder in dieselbe Winkelrichtung, die die Vorderräder einnehmen, erforderlich ist (siehe rechter Teil in Fig. 10), wird definiert als Null, da das Steuersystem der vorliegenden Erfindung angewendet wird auf die entgegengesetzte Lenkrichtung bei niedrigen Geschwindigkeiten.

Wenn andererseits die Vorzeichen des Lenkwinkel R und des maximal zulässigen Lenkwinkels δ _Rmax unterschiedlich sind (d. h., wenn die Vorzeichen von w _{R 1} und δ _Rmax gleich sind), wird der absolute Wert von δ _{R 1} verglichen mit demjenigen von w _Rmax, und der kleinere absolute Wert wird auf den hinteren Zielwinkel übertragen. Diese Auswahl erfolgt durch eine Schalteinrichtung in der Schaltung 50.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann die Fahrzeuggeschwindigkeit V erhalten werden durch Abtastung von Impulsen, die sich jeweils nach einer Fahrstrecke Δ x ergeben. Alternativ kann ein Geschwindigkeitsmesser, etwa ein optischer Geschwindigkeitsmesser verwendet werden, der die Geschwindigkeit direkt gegenüber dem Boden abtastet.

Wie oben angegeben wurde, ist das erfindungsgemäße Steuersystem vorgesehen für die Lenkung der Hinterräder in entgegengesetzter Richtung in bezug auf die Lenkrichtung der Vorderräder. Ist die Richtung nicht entgegengesetzt, wird der Zielwinkel auf Null gesetzt. Diese Art der Steuerung bewirkt, daß der hintere Punkt leicht in einem Maße, wie es bei einem Wagen mit Zweiradlenkung der Fall ist, ausschert, wenn die Lenkung mit Hilfe des Lenkrades eingeschlagen wird, da die Längsmittellinie durch den Schwerpunkt als Ortskurve des vorderen Punktes A definiert wird, wie zuvor erwähnt wurde, und der Zielwinkel auf Null gesetzt wird, wenn das Fahrzeug startet. Es ist jedoch zusätzlich zu dem System für die Steuerung bei entgegengesetztem Lenkwinkel ein System zur Steuerung bei gleicher Lenkrichtung vorgesehen. Weiterhin wird dadurch, daß der Wert δ _Rmax auf den Zielwinkel übertragen wird, wenn die Vorzeichen von R und δ _Rmax gleich sind, das Ausmaß des Ausscherens des Hecks weiter reduziert.

Fig. 11 und 12 zeigen die schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das durch das erfindungsgemäße System gesteuert wird, beim Umrunden eines Kreisbogens von 180° bei maximalem Einschlagwinkel der Vorderräder. Fig. 13 und 14 zeigen entsprechende Darstellungen für ein herkömmliches Fahrzeug mit Vierradlenkung und Steuersystem zur Steuerung der Hinterräder entsprechend einem Winkel δ _{R 1}, der beispielsweise durch einen Hauptrechner 10 berechnet wird. Bei diesen beiden Darstellungen sind das gesteuerte Fahrzeug und das Modellfahrzeug die in Fig. 5 und 6 gezeigten Fahrzeuge. Der Stabilitätsfaktor der Steuerung des Modellfahrzeugs ergibt sich wie folgt:

A = 1,123 × 10^-3 (s²/m²)
A _M = 1,401 × 10^-3 (s²/m²)

Die Lenkgetriebeverhältnisse N sind in beiden Fällen gleich 17. Der vordere Lenkwinkel R soll voll eingeschlagen werden (R = 540°). Die Fahrzeuggeschwindigkeit V ist konstant (1 km/h).

Fig. 15 zeigt die Ortskurven des vorderen und hinteren Punkts A und B des Modellfahrzeugs gemäß Fig. 4, die definiert werden durch Einschlagen der Vorderräder, während der hintere Lenkwinkel w _R = 0 ist. Entsprechend zeigt Fig. 16 die Ortskurven der vorderen und hinteren Punkte A und B des Fahrzeugs gemäß Fig. 3, bei dem nur die vorderen Räder gelenkt werden.

Die Größe des Überhanges des hinteren Punktes B und die für einen U-förmigen Bogen erforderliche Straßenbreite für die Fahrzeuge gemäß Fig. 12, 14, 15 und 16 bei einem Bogen von 180° sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Tabelle

Die Tabelle verdeutlicht, daß ein U-Bogen eines Fahrzeugs mit langem Radstand und Vorderradlenkung eine größere Straßenbreite erfordert, als das Modellfahrzeug mit kurzem Radstand. Das Fahrzeug mit langem Radstand, das eine herkömmliche Allradlenkung aufweist, bei der die hinteren Räder in entgegengesetzter Richtung proportional gesteuert werden, erfordert eine Straßenbreite, die im wesentlichen derjenigen des Modellfahrzeugs entspricht. Der Überhang nimmt jedoch stark zu, so daß die Gefahr einer Berührung des Hecks mit einer Wand, einer Leitplanke oder dergleichen beim Fahren im städtischen Verkehr besteht. Andererseits ist die Straßenbreite, die für einen U-Bogen durch ein erfindungsgemäß gesteuertes Fahrzeug benötigt wird, im wesentlichen gleich derjenigen des Modellfahrzeugs oder des herkömmlich gesteuerten Fahrzeugs mit Vierradlenkung, während der Überhang des Hecks nur demjenigen des Fahrzeugs mit Zweiradlenkung entspricht.

Der Grund für die Reduktion des seitlichen Heck-Überhangs bei dem erfindungsgemäß gesteuerten Fahrzeug und dem Fahrzeug mit Vorderradlenkung im Vergleich zu dem Modellfahrzeug mit Zweiradlenkung besteht darin, daß der Radstand des gesteuerten Fahrzeuges vergrößert und der Heckübergang verringert ist auf 0,7 m in bezug auf einen Überhang von 1 m bei dem Modellfahrzeug.

Das erfindungsgemäße Steuersystem für die gelenkten Hinterräder verringert daher die Größe des Lenkwinkels der Hinterräder in dem Falle, daß ein bestimmter hinterer Punkt, der definiert wird im Mittelpunkt des hinteren Endes, das Bestreben hat, in bezug auf eine Ortskurve auszuwandern, die durch einen bestimmten vorderen Punkt während der Kurvenfahrt definiert wird. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Wendekreis erheblich zu reduzieren, ohne den Überhang des rückwärtigen Endes, beispielsweise einer hinteren Ecke des Fahrzeugs zu vergrößern. Es kann ein langer Radstand vorgesehen werden, der trotzdem optimale Manövrierbarkeit und Lenkbarkeit mit dem kleinsten möglichen Wendekreis gestattet. Die Vorteile des langen Radstandes, nämlich eine vergrößerte Fahrgastkabine, verbesserter Geradeauslauf und verbesserter Komfort, können genutzt werden. Das Fahrzeug kann gefahren werden wie ein Fahrzeug mit Vorderradlenkung, und zwar auch bei niedrigen Geschwindigkeiten, ohne daß auf einen übermäßigen Überhang des Hecks geachtet werden muß. In bezug auf die Gestaltung der Karosserie besteht vollständige Freiheit.

Claims

1. Steuervorrichtung für den Lenkwinkel der Hinterräder eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch
eine erste Einrichtung (2) zur Abtastung der Fahrzeuggeschwindigkeit und zur Abgabe eines entsprechenden Signals,
eine zweite Einrichtung (1) zur Abtastung des tatsächlichen Lenkwinkels der Vorderräder und zur Abgabe eines entsprechenden Signals,
eine dritte Einrichtung (20, 21, 22) zur Ermittlung eines ersten Ortes, der definiert ist durch einen bestimmten Punkt (A) am vorderen Ende des Fahrzeugs, auf der Grundlage der Signale der ersten und zweiten Einrichtung (2, 1),
eine vierte Einrichtung (50) zur Bestimmung eines Ziel-Lenkwinkels der Hinterräder zur Begrenzung der seitlichen Ausweichbewegung eines zweiten Ortes, der definiert ist durch einen zweiten bestimmten Punkt (B) am rückwärtigen Ende des Fahrzeugs, in bezug auf den ersten Ort und das Zentrum des Wendekreises des Fahrzeugs und
eine fünfte Einrichtung (4) zur Steuerung des tatsächlichen Lenkwinkels der Hinterräder auf der Grundlage des Ziel-Lenkwinkels zur Begrenzung des Überhanges des hinteren Endes des Fahrzeugs in der Kurve.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start des Fahrzeugs die Längsmittellinie zwischen dem ersten und zweiten Punkt (A, B) durch den Schwerpunkt (G) des Fahrzeugs als Teil des ersten Ortes behandelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine sechste Einrichtung zur Bestimmung eines ersten Lenkwinkels der Hinterräder, der erforderlich ist zum Wenden auf einem vorgegebenen Ziel-Wendekreis auf der Grundlage der Signale der ersten und zweiten Einrichtung (2, 1), und eines zweiten Lenkwinkels der Hinterräder, der erfordert, daß der hintere Punkt (B) den ersten Ort in einem Punkt (C) schneidet, in dem eine Linie entlang der Hinterachse senkrecht zur Längsmittellinie durch den Schwerpunkt (G) des Fahrzeugs den ersten Ort schneidet, welche vierte Einrichtung bestimmt, welcher der ersten und zweiten Lenkwinkel, absolut gesehen, geringer ist und diesen geringeren Winkel als Zielwinkel auswählt, wenn die Phasen des tatsächlichen Lenkwinkels und des zweiten Lenkwinkels unterschiedlich voneinander sind, und den Zielwinkel auf Null stellt, wenn die Phasen des tatsächlichen Lenkwinkels und des zweiten Lenkwinkels gleich sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (20, 21, 22) zur Schätzung der Gier-Rate und Seitengeschwindigkeit des Schwerpunktes (G) des Fahrzeugs auf der Grundlage der Signale der ersten und zweiten Einrichtung (2, 1) und des Ziel-Lenkwinkels einen Gier-Winkel auf der Grundlage der geschätzten Gier-Rate schätzt, die Koordinaten des Schwerpunktes (G) in bezug auf das Bodenkoordinatensystem auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit, der geschätzten Seitengeschwindigkeit und des geschätzten Gierwinkels bestimmt und die Koordinaten des ersten Punktes (A) auf der Grundlage des geschätzten Gierwinkels und der Koordinaten des Schwerpunktes (G) zur Ableitung des ersten Ortes ermittelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung einen Speicher (30) zur Speicherung der Koordinaten des ersten Punktes (A) beim Zurücklegen jeweils einer vorgegebenen Strecke aufweist und den ersten Ort aufgrund der gespeicherten Koordinaten ermittelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung die Koordinaten des Schwerpunktes (G) in bezug auf das Bodenkoordinatensystem bestimmt, die Koordinaten des ersten Punktes (A) in bezug auf das Bodenkoordinatensystem auf der Grundlage der Koordinaten des Schwerpunktes ermittelt, und die Koordinaten des ersten Punktes (A) in bezug auf die Fahrzeugkoordinaten aufgrund der vorliegenden Koordinaten in bezug auf das Bodenkoordinatensystem bestimmt und den ersten Ort ermittelt.