DE3930445C2

DE3930445C2 -

Info

Publication number: DE3930445C2
Application number: DE3930445A
Authority: DE
Inventors: Dean C. Karnopp; Yoshiyuki Davis Calif. Us Yasui
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1988-09-13
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1993-02-11
Also published as: DE3930445A1; JPH02106468A; JP3000594B2; US4941097A; FR2636288B1; FR2636288A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkeinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Während der Fahrzeugbewegung wie beispielsweise der Kurven fahrt sind die Fahrzeuglenkbewegungen durch verschiedenerlei Parameter wie durch Fahrbahnbedingungen, Reifen eigenschaften, die Gewichtsverteilung, ein Bremsen, ein Beschleunigen oder dergleichen beeinflußt, die zu einem Übersteuern oder einem Untersteuern führen können. In dem Bestreben, dieses Problem zu lösen und zu versuchen, die Fahrzeugsteuerungsdynamik konstant zu halten, wurden bisher komplizierte Aufhängungsgelenksysteme, Antriebsübertragungs anordnungen und Bremssysteme vorgeschlagen. Diese vorge schlagenen Systeme enthalten jedoch eine verhältnismäßig große Anzahl von Teilen, wodurch auf unerwünschte Weise das System komplizierter und größer wird.

Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird von einer Einrichtung zur Lenkungsüberwachung von Kraftfahrzeugen ausgegangen, wie sie in der US 48 36 319 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Einrichtung werden durch geeignete Sensoren Fahrzeugistwerte wie zum Beispiel die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Giergeschwindigkeit, der Lenkradeinschlag und die Radstellung erfaßt, aus denen eine Berechnungs- und Steuereinheit einen bestimmten Sollwert ermittelt und entsprechend eine elektrische oder hydrauli sche Stellvorrichtung, beispielsweise einen elektrischen Servomotor, zur elektronischen Nachregelung eines lenkbaren Radpaares betätigt. Diese, sowohl an Hinterrädern als auch an Vorderrädern anwendbare Stellvorrichtung ist gemäß der US 48 36 319 als eine selbständige Lenkeinrichtung ausge bildet, die extern zur eigentlichen, manuell betätigbaren Lenkeinrichtung mit einer Spurstange der lenkbaren Hinterrä der in Eingriff steht. Mit der Anordnung einer zweiten un abhängigen Lenkeinrichtung sind jedoch erhebliche Mehrko sten und ein erhöhter technischer Aufwand bei der Herstel lung derartiger Fahrzeuge verbunden.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, die Lenkeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vereinfachen, ohne daß Einbußen in ihrer verbessernden Wirkung auf das Fahrzeugverhalten hingenommen werden müs sen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Er findungsgemäß ist die Spurstange der Vorderräder zur axia len Verschiebung über eine Getriebeverbindung mit der Stellvorrichtung, beispielsweise einem elektronisch über wachten Motor verbunden, welche mit der Spurstange axial verschiebbar an dieser befestigt ist und mit dem Lenkge stänge des Kraftfahrzeugs im Eingriff steht.

Dieses Lenkungskonzept hat den Vorteil, daß durch die inte grierte Anordnung der Stelleinrichtung in die manuell betä tigbare Lenkeinrichtung der Vorderräder auf eine Lenk barkeit der Hinterräder mit dem damit verbundenen techni schen Aufwand verzichtet werden kann. Überdies übt die er findungsgemäße Stelleinrichtung keinen negativen Einfluß auf das Lenk- und Fahrgefühl für den Fahrer aus, da sich die Stellvorrichtung bei einer ungeregelten Lenkbewegung gleichförmig zur Spurstange bewegt und somit in unbetätigtem Zustand verharren kann.

Die US 48 36 319 weist zwar auf eine Möglichkeit hin, die als zweite Lenkeinrichtung ausgebil dete Stellvorrichtung an der Spurstange der lenkbaren Vor derräder anzuordnen, gibt aber keine technischen Hinweise, wie die Stellvorrichtung in den manuellen Lenkvorgang der Vorderräder eingreifen soll, ohne daß dadurch das Fahr- bzw. Lenkgefühl für den Fahrer beeinträchtigt wird. Wurde nämlich die als Servomotor ausgebildete Stellvorrichtung, wie für das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben, an den Vorderrädern angeordnet werden, müßte bei einer unjustierten Lenkbewegung der mechanische Widerstand des Servomotors überwunden werden. Überdies wäre das Problem einer Bewegungsübertragung während des Justiervorgangs vom Servomotor auf das Lenkrad nicht gelöst.

Aus der Druckschrift DE 36 10 461 A1 ist ebenfalls eine Lenkeinrichtung dieser Gattung bekannt, die jedoch wie die US 48 36 319 aus drücklich die Lenkbarkeit der Hinterräder zur Verbesserung des Fahrzeugverhaltens erfordert, wobei die Stellvorrich tung als externe, zusätzlich zur herkömmlichen Lenkeinrich tung, an den Hinterrädern angeordnete Lenkeinrichtung aus gebildet ist. Dabei erfolgt die Beeinflussung dem Fahrzeug verhaltens im Gegensatz zum Anspruchsgegenstand durch eine Optimierung des Lenkwinkelverhältnisses der Hinterräder re lativ zu den Vorderrädern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lenkungsme chanismus für die lenkbaren Räder eines Fahrzeugs.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zum Steuern des Lenkungsmechanismus.

Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm für das in Fig. 2 gezeigte System.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Systems zum Steuern des Lenkungsmechanismus.

Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm für das in Fig. 4 gezeigte System.

Fig. 6 zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lenkungsmecha nismus für die lenkbaren Räder.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Lenkungsmechanismus nach Fig. 6.

In der Fig. 1 ist ein Lenkungssystem 10 für ein Fahrzeug mit einem Paar lenkbarer Räder 12 gezeigt, die für das Lenken mit einem Lenkrad 14 über einen Lenkungsmechanismus verbun den sind. Der Lenkungsmechanismus ist ein Zahnstangentrieb- Mechanismus, in welchem eine Lenksäule 16 ein Ritzel 18 trägt, das mit einer hin- und herbewegbaren Zahnstange 20 kämmt. An einem Ansatz 20A der Zahnstange ist das Gehäuse eines Elektromotors 22 befestigt. Der Motor hat eine Aus gangswelle, die ein Abtriebzahnrad 24 antreibt. Das Abtrieb zahnrad kämmt mit einem Schnecken- bzw. Spiralgewinde einer Mutter 26, die an einer Spurstange 28 befestigt ist. Die Enden der Spurstange 28 sind mit einem Paar von Lenkhebeln 30 verbunden, die die Lenkungsbewegung zu den lenkbaren Rädern 12 übertragen.

Auf diese Weise wird durch die Lenksäule 16 und das Ritzel 18 eine geradlinige Bewegung der Zahnstange 20 und des Ansatzes 20A hervorgerufen und diese geradlinige Bewegung auf das Gehäuse des Motors und das Abtriebzahnrad 24 über tragen. Das letztere ruft durch die Kämmverbindung zwischen dem Abtriebzahnrad 24 und der Mutter 26 eine geradlinige Bewegung der Mutter 26 hervor. Die geradlinige Bewegung der Mutter 26 wird direkt auf die Spurstange 28 übertragen. Auf diese Weise kann durch das Drehen des Lenkrads die Ausrich tung der Räder 12 geändert werden.

Zum Verhindern eines übermäßigen Übersteuerns oder Unter steuerns wird erfindungsgemäß eine von der Stellung des Lenkrads unabhängige Einstellung der Radrichtung dadurch ermöglicht, daß der Motor 22 angetrieben wird, wodurch eine Drehung des Abtriebzahnrads 24 und eine sich daraus ergeben de lineare Bewegung der Mutter 26 und der Spurstange 28 hervorgerufen wird.

Der Motor 22 wird mittels elektrischer Signale aus der Steuereinheit 32 betrieben, in welcher von dem Lenkungswin kel und der Fahrgeschwindigkeit abhängige Signale für das Bestimmen einer Soll-Giergeschwindigkeit bzw. Soll-Geschwin digkeit der Drehung um die Fahrzeughochachse herangezogen werden und die Soll-Giergeschwindigkeit mit einer Ist-Gier geschwindigkeit verglichen wird, um den Radwinkel zu steuern.

Das Lenkungswinkel-Signal (6) wird durch einen herkömmlichen Lenkradwinkelsensor 25 erzeugt, der funktionell mit der Lenksäule 16 des Fahrzeugs verbunden ist. Das Fahrgeschwin digkeitssignal (V) wird mit herkömmlichen Radgeschwindig keitssensoren 23 erzeugt, die funktionell mit allen Boden haftungsrädern des Fahrzeugs verbunden sind. Falls die Rad geschwindigkeiten voneinander verschieden sind, bildet die Steuereinheit den Mittelwert hiervon. Die Ist-Giergeschwin digkeit wird mittels eines herkömmlichen Giergeschwindig keitssensors wie eines Kreisels 29 gemessen.

Von der Steuereinheit wird die Soll-Giergeschwindigkeit Rd nach der Gleichung Rd = Vδ/(L+(KV²)/g) bestimmt, wobei Rd die Soll-Giergeschwindigkeit ist, L die Radbasislänge des Fahrzeugs ist, g die Schwerkraftbeschleunigung ist, δ der Lenkungswinkel ist, V die Fahrgeschwindigkeit ist und K eine Konstante über "0" und unter "1" Winkelgrade ist, um ein neutrales oder geringfügig untersteuertes Fahrverhalten zu erreichen.

Nach dem auf die vorstehend beschriebene Weise vorgenommenen Bestimmen der Soll-Giergeschwindigkeit Rd vergleicht die Steuereinheit diese Soll-Giergeschwindigkeit mit der Ist- Giergeschwindigkeit Ra. Bei Ra = Rd ist keine Lenkungsnach stellung erforderlich, bei Ra < Rd besteht eine Untersteue rung, die eine Vergrößerung des Radausschlagwinkels erfor derlich macht, und bei Ra < Rd besteht eine Übersteuerung, die eine Verringerung des Radausschlagwinkels erforderlich macht. Die Richtung, in der das Abtriebszahnrad 24 zu drehen ist, ist davon abhängig, welcher der Werte Ra und Rd größer ist, während das Ausmaß der Drehung des Abtriebzahnrads von der Größe der Differenz zwischen den Werten Ra und Rd abhän gig ist. Die Drehung des Abtriebszahnrads 24 wird fortge setzt, bis die Steuereinheit Ra = Rd erfaßt.

In den Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Steuerung dargestellt, wobei die Ist- Giergeschwindigkeit auf andere Weise gemessen wird. D.h., anstelle eines Giergeschwindigkeitssensors werden vorne und hinten herkömmliche Querbeschleunigungssensoren 40 und 42 verwendet. Durch die Steuereinheit wird die gemessene vor dere und hintere Querbeschleunigung in einen vorderen bzw. hinteren Quergeschwindigkeitswert Vf bzw. Vr umgerechnet, aus denen die Ist-Giergeschwindigkeit Ra nach der Gleichung Ra = (Vf - Vr)/N berechnet wird, in der N der Abstand zwi schen dem vorderen und dem hinteren Querbeschleunigungssen sor 40 und 42 ist.

In den Fig. 6 und 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel als Lenkungsmechanismus gezeigt, in welchem der Elektromotor durch einen Druckflüssigkeitsmotor 50 ersetzt ist. Der Motor hat einen Fluidzylinder 52, in dem ein hin- und herbewegba rer Kolben 54 angeordnet ist. An die einander gegenüberlie genden Seiten des Kolbens 54 sind zwei Kolbenstangen 56 und 56′ angeschlossen, die aus den einander gegenübergesetzten Enden des Zylinders herausstehen. Zwei in den Zylinder an geordnete Federn 58 und 58′ spannen den Kolben 54 zu einer mittigen Lage in dem Zylinder 52 vor. Von einer Ölpumpe 60 wird Druckflüssigkeit einem Dreiwege-Solenoidventil 62 zuge führt, dessen Stellung durch ein Signal aus der Steuerein heit 32 bestimmt wird. In der Fluidleitung zwischen der Ölpumpe 60 und dem Solenoidventil 62 kann ein Druckspeicher 64 angebracht sein.

Im Betrieb werden die Räder 12 mit dem Lenkrad 14 und über den Zahnstangentrieb-Mechanismus 18 und 20 gelenkt. Die geradlinige Bewegung der Zahnstange 20 wird zu dem Zylinder 52 übertragen, der fest an dem Ansatz 20A der Zahnstange angebracht ist. Die geradlinige Bewegung des Zylinders wird zu Spurstangen 66 übertragen, die an die äußeren Enden der Kolbenstangen 56 und 56′ angeschlossen sind. Falls die Steuereinheit 32 eine Untersteuerung oder Übersteuerung erfaßt, wird das Solenoidventil 62 derart betätigt, daß der Kolben in eine der beiden Richtungen versetzt wird, um dadurch die Räder 12 unabhängig von der Stellung des Lenk rads zu schwenken, wodurch die erforderliche Korrektur des Radwinkels vorgenommen wird.

Es ist daher ein Lenkungssystem geschaf fen, mit dem auf vereinfachte Weise mit einer geringsten Anzahl von Teilen eine Übersteuerung oder Untersteuerung auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Das System ist außerordentlich vielseitig verwendbar, da seine tatsächliche Ausführung auf vielerlei Weise möglich ist.

Die Fahrstabilität eines Fahrzeugs wird dadurch aufrecht erhalten, daß eine Ist-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs gemessen und eine Soll-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. Entsprechend dem Vergleich zwischen der Ist- und der Soll-Giergeschwindigkeit wird ein Ausgangssignal erzeugt. Entsprechend dem Ausgangssignal wird der Winkel von lenkbaren Rädern des Fahrzeugs derart eingestellt, daß im wesentlichen eine Übereinstimmung der Ist-Giergeschwindig keit mit der Soll-Giergeschwindigkeit angestrebt wird, wo durch die Fahrzeugstabilität aufrecht erhalten wird. Die lenkbaren Räder werden mit dem Lenkrad sowie unabhängig davon entsprechend dem Ausgangssignal gelenkt. Alternativ werden die lenkbaren Räder ausschließlich entsprechend dem Ausgangssignal gelenkt.

Claims

1. Lenkeinrichtung für Kraftfahrzeuge zur Optimie rung des Fahrzeugverhaltens mit einer Meßvorrichtung (23, 25, 29, 40, 42) zur Erfassung der Ist-Fahrzeugwerte in einem Bewe gungszustand, und einer Berechnungseinheit (32) zur Berechnung der Soll-Werte in dem Bewegungszustand und Steuerung einer Stellvorrichtung (22, 50, 62), die für das Nachjustieren eines lenkbaren Räderpaars (12) mit deren Spurstange (27, 28, 66) im Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (22, 50, 62) mit der Spurstange (27, 28, 66) axial verschieb bar ist, so daß die Lenkkraft von Hand über die Stellvorrich tung (22, 50, 62) ungeregelt auf die Spurstange (27, 28, 66) übertragbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (23, 25, 29, 40, 42) zum Bestimmen einer Soll-Giergeschwindigkeit (Rd) eine erste Sensorvorrichtung (25) zum Ermitteln eines Lenkungswinkels (δ) des Fahrzeugs und eine zweite Sensorvorrichtung (23) zum Ermitteln der Fahrge schwindigkeit (V) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sensorvorrichtung (23) Radgeschwindigkeitssensoren zum Ermitteln der Umlaufgeschwindigkeiten der Räder (12) des Fahrzeugs aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zum Messen der Ist-Gier geschwindigkeit (Ra) des Fahrzeugs einen Giergeschwindigkeits kreisel (29) enthält.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zum Messen der Ist-Gier geschwindigkeit (Ra) des Fahrzeugs einen vorderen und einen hinteren Querbeschleunigungssensor (40, 42) enthält.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lenkeinrichtung ferner ein Lenkrad (14), eine mechanische Verbindungsvorrichtung (16, 18, 20), die auf mechanische Weise das Lenkrad (14) mit den lenkbaren Rädern (12) verbindet, um deren Radwinkel entsprechend der Drehung des Lenkrads zu ändern, aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (22, 50, 62) die lenk baren Räder (12) in der Weise schwenkt, daß im wesentlichen Übereinstimmung der Ist-Giergeschwindigkeit (Ra) mit der Soll- Giergeschwindigkeit (Rd) angestrebt wird.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (22, 50, 62) einen me chanisch angeschlossenen Motor (22, 50) zum Übertragen der Lenkungsbewegung von dem Lenkrad (14) zu den lenkbaren Rädern (12) enthält, wobei der Motor von dem Lenkrad (14) unabhängig betreibbar ist, um die Stellvorrichtung zu bilden.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Elektromotor (22) ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Druckflüssigkeitsmotor (50) ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindungsvorrichtung (16, 18, 20) eine durch das Drehen des Lenkrads (14) drehbare Lenksäule (16), ein an der Lenksäule (16) angebrachtes Ritzel (18) und eine mit dem Ritzel zu einer geradlinigen Bewegung kämmende Zahn stange (20) aufweist, wobei der Motor (22; 50) mit einer Spur stangenvorrichtung (27, 28) zum Lenken der lenkbaren Räder (12) entsprechend der geradlinigen Bewegung der Zahnstange wirkverbunden ist und der Motor für das Lenken der lenkbaren Räder (12) unabhängig von der geradlinigen Bewegung der Zahnstange betreibbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (22) eine Ausgangswelle, ein an der Ausgangswelle angebrachtes Abtriebzahnrad (24) und eine mit einem Gewinde versehene Mutter (26) aufweist, die an der Spurstangenvorrich tung befestigt ist und mit dem Abtriebzahnrad kämmt, um die geradlinige Bewegung der Zahnstange (20) als geradlinige Bewe gung zu der Spurstangenvorrichtung zu übertragen und um unab hängig von der geradlinigen Bewegung der Zahnstange die Drehung des Abtriebzahnrads als geradlinige Bewegung zu der Spurstangenvorrichtung zu übertragen.