DE4142055A1

DE4142055A1 - Vorderrad-lenksystem

Info

Publication number: DE4142055A1
Application number: DE4142055A
Authority: DE
Inventors: Kanji Takeuchi; Yousuke Setaka
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-12-25
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1992-07-02
Anticipated expiration: 2011-12-20
Also published as: DE4142055C2; JPH04365673A; US5236335A; JP2970125B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorderrad-Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 11 bzw. 14. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Vorderrad-Lenksystem, mit dem der Lenkwinkel oder Lenkeinschlag der Vorderräder eines Fahrzeuges unter Verwendung eines Elektromotors in Ab hängigkeit von den Fahrbedingungen des Fahrzeuges steuerbar ist.

Ein Vorschlag eines elektrisch betriebenen Lenksystems zur Unterstützung eines Lenkvorganges mittels eines Elektromo tors erfolgte beispielsweise in der JP-OS 62-2 18 268. Bei diesem Lenksystem ist eine Lenkwelle mit einer Ritzelwelle verbunden und die Ritzelwelle ist in Getriebeverbindung mit einem Zahnstangenabschnitt einer Zahnstangenwelle, wodurch das Lenkrad mechanisch mit den zu lenkenden Reifen oder Rä dern verbunden ist. Weiterhin in Eingriff mit der Zahnstan genwelle ist eine Ritzelwelle, welche von einem Elektromotor betrieben wird, so daß die Lenkkraft elektrisch unterstützt werden kann. Das Antriebsmoment dieses Elektromotors wird der Ritzelwelle durch ein Untersetzungsgetriebe und einer elektromagnetischen Kupplung übertragen. Ein Verbinden und Trennen in der elektromagnetischen Kupplung erfolgt mittels einer Steuereinheit.

Bei dem bekannten Lenksystem wird die elektromagnetische Kupplung bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit oder bei einem Störfall innerhalb der Kontrolleinheit oder Steuereinheit in den Trennzustand gebracht, so daß es dem Fahrer möglich ist, das Lenksystem manuell zu betätigen. Das Verhältnis von Kraftunterstützung mittels des elektrischen Motors zu Mus kelkraft des Fahrers zum Steuern liegt typischerweise im Be reich von etwa 10 : 1, so daß also die Antriebskraft des Elek tromotors größer als die Muskelkraft des Fahrers ist. Wenn von daher der Elektromotor fehlerhaft arbeitet, wird es für den Fahrer sehr schwer oder gar unmöglich, das Lenksystem zu betätigen. Von daher ist das bekannte Lenksystem mit einer elektromagnetischen Kupplung ausgerüstet, um im Störfall, insbesondere bei einem Nichtfunktionieren des Elektromotors den Elektromotor aus dem Lenkmechanismus herauszuschalten.

Da jedoch die elektromagnetische Kupplung elektrisch von der Steuereinheit angesteuert oder betrieben wird, besteht nach wie vor ein Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit.

Da weiterhin bei dem bekannten Lenksystem das Lenkrad und die Vorderräder mechanisch miteinander verbunden sind, ist es zwingend notwendig, auf Manipulationen am Lenkrad zurück zugreifen oder sich hierauf zu verlassen, wenn der Lenkwin kel oder Lenkeinschlag der Vorderräder kontrolliert werden soll. Es ist somit unmöglich, der Forderung nachzukommen, die Fahrstabilität des Fahrzeuges durch Bestimmung des Lenk winkels oder Lenkeinschlages der Vorderräder abhängig von dem Fahrzustand des Fahrzeuges zu verbessern.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vorderrad-Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 11 bzw. 14 zu schaffen, welches in der Lage ist, den Lenkwinkel oder Lenkeinschlag der Vorderräder abhängig von dem Fahrzustand des Fahrzeuges unter Verwendung eines Elek tromotors steuern zu können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 bzw. 11 bzw. 14 angegebenen Merkmale.

Grundsätzlich werden beim Gegenstand der vorliegenden Erfin dung die Vorderräder abhängig von Manipulationen am Lenkrad gesteuert. Weiterhin wird der Lenkwinkel oder Lenkeinschlag der Vorderräder abhängig vom Fahrzustand des Fahrzeuges in nerhalb des zweiten bestimmten Winkels oder Winkelbereiches von diesem Lenkwinkel oder Lenkeinschlag bestimmt.

Wenn weiterhin der Lenkwinkel der Vorderräder den zweiten vorherbestimmten Winkel in Relation zu einem Lenkwinkel ent sprechend des Drehbetrages des Lenkrades erreicht hat wird der Lenkmechanismus von dem Elektromotor getrennt, selbst wenn der Elektromotor aufgrund beispielsweise Störrauschens oder dergleichen unsteuerbar geworden ist. Wenn danach der Lenkwinkel den ersten bestimmten Winkelbetrag erreicht hat, gerät die Lenkwelle teilweise in Kontakt mit dem Lenkmecha nismus, der wiederum durch Manipulationen am Lenkrad betrie ben wird. Von daher kann der Fahrer einen Lenkvorgang auch dann durchführen, wenn der Elektromotor fehlerhaft oder nicht arbeitet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch vereinfacht in teilweiser Blockschalt bilddarstellung den Aufbau einer Ausführungsform ei nes erfindungsgemäßen Vorderrad-Lenksystems;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Lagebeziehung zwischen ei ner Lenkwelle und einer Ritzelwelle;

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrades und dem Lenkwinkel oder Lenkeinschlag der Vorderrä der;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer mechanischen Kupplung;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der mechanischen Kupplung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Ausgestaltung des Rotors der mechanischen Kupplung;

Fig. 7 ein Flußdiagramm eines Beispiels zur Steuerung des Lenkwinkels;

Fig. 8 und 9 graphische Darstellungen zur Darstellung von Koeffizienten k₁(v) und k₂(v) zur Berechnung des Ziellenkwinkels R_t;

Fig. 10 ein Flußdiagramm eines weiteren Beispiels der Steuerung des Lenkwinkels;

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Beispiels einer Reakti ons- oder Rückstellsteuerung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm eines anderen Beispiels einer Reaktions- oder Rückstellsteuerung; und

Fig. 13 und 14 Darstellungen, wie eine Reaktions- oder Rückstellkraft auf das Lenkrad aufgebracht wird.

Gemäß Fig. 1 ist ein Lenkrad 1 mit einer Lenkwelle oder Lenksäule 2 über einen Sensor 3 für Lenkkraft und Lenkwinkel verbunden. Der Sensor 3 erfaßt die auf das Lenkrad 1 aufge brachte Lenkkraft und den Lenk- oder Einschlagwinkel und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal aus. Auf der Lenksäule 2 ist eine Riemenscheibe 5b drehfest angeordnet. Diese Riemenscheibe 5b überträgt zusammen mit einer weiteren Riemenscheibe 5a und einem Transmissionsriemen 5c das An triebsmoment eines Motors 4 für eine Reaktionskraft auf die Lenksäule 2. Ein Antriebsmotor 6 treibt den Lenkmechanismus, der die Vorderräder 12 des Fahrzeuges steuert. Eine Ab triebswelle dieses Antriebsmotors 6 ist mit einem Unterset zungs-Endgetriebe 7 verbunden, welches in bekannter Art und Weise ausgebildet ist mit einer Schnecke und einem Schneckenrad und welches über eine mechanische Kupplung 8 mit einer Ritzelwelle 9 verbunden ist. Die Ritzelwelle 9 wird von dem Antriebsmotor 6 über das Getriebe 7 und die Kupplung 8 angetrieben. Details der mechanischen Kupplung 8 werden nachfolgend noch näher erläutert.

Ein Relativwinkelsensor 10 ist auf der Ritzelwelle 9 ange ordnet und erfaßt die relativen Winkellagen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9. Eine Zahnstange 11 ist in Eingriff mit der Ritzelwelle 9 und mit den Vorderrädern 12 gekoppelt.

Eine Steuervorrichtung 14 mit einem allgemein bekannten elektronischen Aufbau mit einem ROM, RAM, einer CPU etc. dient zur Steuerung des Lenkwinkels oder Lenkeinschlags und der Reaktions- oder Rückstellkraft auf der Grundlage der von einem Geschwindigkeitssensor 15 und einem Sensor 13 für die Gierrate erfaßten Werte. Diese Lenkwinkelsteuerung und Reak tionskraftsteuerung wird nachfolgend noch näher erläutert.

Ein Ende der Lenksäule 2, welches den Rädern 12 am nächsten ist, ist in einem nichtkontaktierenden Zustand in einer Aus nehmung der Ritzelwelle 9 des Lenkmechanismus eingesetzt, wobei die Lagebeziehung dieser Bereiche gemäß Fig. 2 ist.

Fig. 2 zeigt in einer gemeinsamen Ebene die Lagebeziehung der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9. Das Ende der Lenk säule 2, welches den Rädern 12 am nächsten ist, ist mit ei nem Vorsprung 2a versehen, der aus zwei ebenen Oberflächen besteht, welche eine bestimmte Breite zwischen sich definie ren. Die Ritzelwelle 9 ist mit einem Vorsprung 9a versehen, der als mechanischer Anschlag für den Vorsprung 2a der Lenk säule 2 dient.

Gemäß Fig. 2 ist zwischen den beiden Teilen, d. h. zwischen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9 ein Freiraum 2b. Der Lenkvorgang kann auf der Grundlage der Relativlagen von Lenksäule 2 und Ritzelwelle 9 in die nachfolgenden drei Vor gänge klassifiziert werden: Wenn die Lagebeziehung der beiden Wellen im Bereich des Win kels R1 ist, liegt keine mechanische Verbindung zwischen Lenksäule 2 und Ritzelwelle 9 vor. In diesem Zustand kann der Lenkeinschlag der Vorderräder mittels des Antriebsmotors 6 ohne mechanische Manipulationen am Lenkrad 1 gesteuert werden.

Wenn die Lagebeziehung der beiden Wellen innerhalb des Be reiches des Winkels R2 gerät, wobei die mechanische Kupplung 8 jedoch von der Lenkwelle 9 durch einen Lenkkraft von dem Lenkrad 1 getrennt ist, wie noch beschrieben werden wird, kann der Antriebsmotor 6 den Lenkeinschlag der Vorderräder 12 nicht steuern.

Wenn die Lagebeziehung der beiden Wellen den Bereich des Winkels R3 erreicht hat, gerät das untere Ende der Lenksäule 2 in Anlage mit dem Vorsprung 9a der Ritzelwelle 9, so daß die Lenksäule 2 und die Ritzelwelle 9 praktisch einstückig mechanisch gekoppelt werden, so daß die Vorderräder 12 durch Muskelkraft des Fahrers gelenkt werden können.

Demzufolge wird die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrades 1 und dem Lenkwinkel der Vorderräder 12 wie in Fig. 3 dargestellt. Dies bedeutet, daß es möglich ist, den Lenkwinkel oder Einschlagwinkel der Vorderräder 12 innerhalb des Bereiches des Winkels R1 entsprechend dem Drehwinkel des Lenkrades 1 auf jeden optimalen Wert festzusetzen.

Nachfolgend werden Aufbau und Wirkungsweise der mechanischen Kupplung 8 unter Bezug auf Fig. 4 näher erläutert.

Fig. 4 zeigt ein Getrieberad 19, welches durch den Antriebs motor 6 axial antreibbar ist, wenn es in Eingriff mit dem Untersetzungsendgetriebe 7 ist. Ein Lager 20 trägt das Ge trieberad 19 auf der Ritzelwelle 9. Da das Getrieberad 19 mit einer Armatur 23 über einen Kupplungsabschnitt 22 ver bunden ist, wird die Armatur 23 bei Drehung des Getriebera des 19 ebenfalls in Drehung versetzt. Die Armatur 23 ist über eine Keilverbindung 21 mit der Ritzelwelle 9 verbunden. Die Antriebskraft vom Motor 6 wird somit über diese Keilver bindung 21 von dem Getrieberad 19 und der Armatur 23 auf die Ritzelwelle 9 übertragen, wobei es der Ritzelwelle 9 möglich ist, in Axialrichtung der Armatur 23 Bewegungen auszuführen.

In einer Ausdehnung der Ritzelwelle 9 ist ein Bolzen 16 ein geschraubt, der eine Blattfeder 18 und eine Platte 17 zur Unterstützung der Blattfeder 18 hält. Die Feder 18 drückt die Armatur 23 in Richtung des Getrieberades 19, so daß über den Kupplungsabschnitt 22 ein Drehmoment von dem Getrieberad 19 auf die Armatur 23 übertragen werden kann. Das untere Ende der Lenksäule 2 wird von einem Rotor 24 kontaktiert, wobei der Rotor 24 in Drehung versetzt wird, wenn die Lage beziehung zwischen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9 den oben erwähnten Winkel R2 erreicht hat. An dem Rotor 24 ist drehbar eine Kugel 25 gehalten, welche bei Drehung des Ro tors 24 selber dreht und die Armatur 23 in Richtung der Blattfeder 18 schiebt. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Rotor 24.

Die Arbeitsweise der mechanischen Kupplung 8 mit dem erwähn ten Aufbau wird nun erläutert. Das untere Ende der Lenksäule 2, welches in den Rotor 24 und die Ritzelwelle 9 eingesetzt ist, weist einen Vorsprung gemäß Fig. 6 auf. Von daher ist die Lenksäule 2 für gewöhnlich außer Kontakt mit dem Rotor 24 und außer Kontakt mit der Ritzelwelle 9. Wenn jedoch die Relativlagen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9 den Win kel R2 über dem Winkelbereich R1 erreicht haben, kontaktiert die Lenksäule 2 den Rotor 24 und zu diesem Zeitpunkt beginnt der Rotor 24 mit einer Drehung zusammen mit der Drehung der Lenksäule 2, da der Bolzen 16 dann eine Oberfläche einer Langlochausnehmung 16a kontaktiert, in welcher der Bolzen 16 gehalten ist, wie in Fig. 6 dargestellt.

Die Armatur 23 ist mit abgeschrägten Oberflächen 23a verse hen, welche in den Abschnitten ausgebildet sind, in denen ein Kontakt mit der Kugel 25 am Rotor 24 erfolgt, wobei die Anordnung so gewählt ist, daß die Mitte der beiden geneigten Oberflächen und die Mitte der Kugel 25 fluchten. Bei einer Drehung des Rotors 24 erfolgt jedoch eine Versetzung der Ar matur 23 beispielsweise in Richtung des Pfeiles von Fig. 5, so daß sich der Mittelpunkt der Kugel 25 bewegt und eine Versetzung Δ R von der Mitte der beiden geneigten Oberflä chen erfolgt. Die Kugel 25 ist exakt rund und kann die Ebene nur in Tangentialrichtung kontaktieren. Wenn sich von daher die Kugel 25 dreht, wird die Armatur 23 in Fig. 5 nach oben geschoben, was in Fig. 4 einer Versetzung nach links ent spricht. Dieser Versetzungsbetrag ist Δh. Aufgrund dieser axialen Versetzung Δh der Armatur 23 gerät der Kupplungsab schnitt 22 außer Eingriff mit dem Getrieberad 19 und damit auch vom Antriebsmotor 6, so daß kein Drehmoment mehr über tragen wird.

Der Neigungswinkel der geneigten Oberflächen 23a wird so ge setzt, daß eine ausreichende axiale Versetzung Δh erhalten wird, um den Kupplungsabschnitt 22 vollständig zu trennen, bevor die Lenksäule 2 den Winkel R3 bei Kontakt mit der Rit zelwelle 9 erreicht.

Der Kupplungsmechanismus arbeitet somit unter Verwendung der Relativlagen von Lenksäule 2 und Ritzelwelle 9. Im Falle ir gendeiner abnormalen Drehung des Antriebsmotors 6 wird somit die Kupplung automatisch mechanisch von dem Antriebsmotor 6 getrennt und der Lenkvorgang des Fahrers hat Vorrang.

In der beschriebenen Ausführungsform sind die geneigten Oberflächen nur auf Seiten der Armatur 23 vorgesehen, das Bereitstellen ähnlich geneigter Oberflächen auf Seiten der Ritzelwelle 9 kann die axiale Versetzung jedoch verdoppeln (Δh·2), wenn dies gewünscht ist.

Weiterhin wird in der beschriebenen Ausführungsform die Ku gel 25 verwendet, um die Reibung herabzusetzen. In einer an deren Ausführungsform ist es jedoch möglich, einen Vorsprung mit einer der geneigten Oberfläche 23a angepaßten Formgebung am Rotor 24 vorzusehen, um die Kugel 25 zu ersetzen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Vor derrad-Lenksystems näher erläutert.

Wenn der Fahrer das Lenkrad 1 dreht, wird die Lenksäule 2 in eine entsprechende Mitdrehung versetzt. Die relativen Win kellagen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9 werden mit tels des Relativwinkelsensors 10 detektiert. Die Steuervor richtung 14 berechnet auf der Grundlage der Drehung des Lenkrades 1 einen Befehlswert zur Zufuhr eines elektrischen Stromes an den Antriebsmotor 6, so daß die Relativwinkellage in einer Zwischenposition innerhalb des Bereiches des Win kels R1 sein wird. Weiterhin berechnet die Steuervorrichtung 14 einen gewünschten Vorderrad-Lenkwinkel oder Einschlagwin kel unter Berücksichtigung der Fahrbedingungen oder des Fahrzustandes des Fahrzeuges und auf der Grundlage der de tektierten Werte vom Geschwindigkeitssensor 15, dem Gierra tensensor 13 und dem Lenkwinkelsensor 3. Der Befehlswert zur Zufuhr des elektrischen Stromes an den Antriebsmotor 6 wird korrigiert, um die Ritzelwelle 9 innerhalb des Bereiches des Winkels R1 gemäß dem so berechneten Lenkwinkel zu betreiben.

Ein konkretes Beispiel der mit der Steuervorrichtung 14 durchgeführten Lenkwinkelsteuerung unter Berücksichtigung der Fahrzustände des Fahrzeuges wird nun unter Bezug auf die Fig. 7 bis 10 erläutert.

In einem Schritt 100 des Flußdiagramms gemäß Fig. 7 wird ein vom Geschwindigkeitssensor 15 detektiertes Signal als Fahr zeuggeschwindigkeit v eingegeben. Im Schritt 110 wird ein vom Lenkwinkelsensor 3 detektiertes Signal eingegeben, um den Drehwinkel R_H des Lenkrades 1 zu lesen. In einem Schritt 120 wird die Drehgeschwindigkeit dR_H auf der Grundlage von Änderungen des Drehwinkels R_H aus Schritt 110 berechnet. Im Schritt 130 wird ein Ziel-Lenkwinkel R_T auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit v, des Drehwinkels R und der Drehgeschwindigkeit dR_H gemäß der folgenden Gleichung (1) berechnet:

R_T = K₁(v)R_H + K₂(v)dR_H (1)

wobei k₁(v) und k₂(v) Variablen sind, welche abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit variieren (vgl. Fig. 8 und 9).

Im Schritt 140 wird ein vom Relativwinkelsensor 10 detek tiertes Signal eingegeben und ein aktueller Lenkwinkel Rs wird durch Addieren oder Subtrahieren des detektierten Wer tes zu oder von dem Drehwinkel R_H berechnet. Im Schritt 150 wird ein Motorstrom I_M berechnet durch Durchführen eines speziellen Rechenvorganges unter Verwendung von Rückkopplun gen auf der Grundlage des Ziellenkwinkels R_T und des aktuel len Lenkwinkels Rs, so daß der aktuelle Lenkwinkel Rs sich dem Ziellenkwinkel R_T annähert und dieser Strom wird dann dem Antriebsmotor 6 zugeführt. Im Schritt 160 wird als Er gebnis der Zufuhr des Motorstroms I_M zu dem Antriebsmotor 6 beurteilt, ob der aktuelle Lenkwinkel Rs mit dem Ziellenk winkel R_T übereinstimmt oder nicht. Wenn Übereinstimmung vorliegt, ist das Flußdiagramm gemäß Fig. 7 beendet und wenn keine Übereinstimmung vorliegt, werden die Schritte 140 bis 160 solange wiederholt, bis Übereinstimmung im Schritt 160 vorliegt.

Im Ergebnis der beschriebenen Lenkwinkelsteuerung wird die Änderungsrate des Lenkwinkels der Vorderräder 12 des Fahr zeuges in Beziehung zu Änderungen im Drehwinkel R_T des Lenkrades 1 bei einer hohen Geschwindigkeit des Fahrzeuges niedriger. Der Grund hierfür ist, daß der Wert der Vari ablen k₁(v), welche der Koeffizient des Drehwinkels R_H ist so gesetzt ist, daß er graduell bei hoher Geschwindigkeit abnimmt, wie in Fig. 8 dargestellt. Mit Abnahme der Vari ablen k₁(v) nehmen die hierdurch verursachten Änderungen im Ziellenkwinkel R_T ungeachtet der Änderungen in dem Drehwin kel R_H des Lenkrades 1 ab, und somit ist es möglich, die Fahrstabilität während hoher Geschwindigkeiten zu verbes sern.

Nachfolgend werden Änderungen im Verhalten des Fahrzeuges aufgrund von Manipulationen des Fahrers am Lenkrad näher er läutert. Wenn beispielsweise der Fahrer das Lenkrad 1 wäh rend einer Geradeausfahrt des Fahrzeuges dreht, erfolgt die Kurvenfahrt des Fahrzeuges zeitverzögert nach der Betätigung des Lenkrades 1. Der Grund hierfür liegt an den Eigenschaf ten der Vorderräder 12, welche elastische Körper sind und eine bestimmte Zeit benötigen, bevor der Einschlagwinkel der Vorderräder 12 sich ändern läßt. Es wäre jedoch ideal, wenn der Lenkwinkel oder Einschlagwinkel der Vorderräder 12 un mittelbar sofort auf eine entsprechende Drehung des Lenkra des 1 änderbar ist, da hierdurch die Lenkeigenschaften ver bessert werden.

Bei der oben beschriebenen Lenkwinkelsteuerung wird zusätz lich zum Drehwinkel R_H die Drehgeschwindigkeit dR_H als Para meter zur Berechnung des Ziellenkwinkels R_T verwendet. Dem zufolge ist, je größer die Drehgeschwindigkeit dR_H des Lenkrades 1 ist, die Änderung des Ziellenkwinkels R_T eben falls größer. Somit ist es möglich, die Geschwindigkeit zu verbessern, mit der der Lenk- oder Einschlagwinkel der Vor derräder 12 auf Betätigung des Lenkrades 1 anspricht und das Ansprechverhalten bzw. die Verzögerung im Ansprechverhalten des Fahrzeuges auf Lenkbefehle kann verringert werden. Die Variable k₂(v), welche der Koeffizient der Drehgeschwindig keit dR_H ist, wird so gesetzt, daß, je höher die Fahrzeugge schwindigkeit über einen bestimmten Wert ansteigt, umso größer die Variable wird. Der Grund hierfür ist, daß umso höher die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, umso größer der Ef fekt bezüglich der Zeitverzögerung aufgrund der Drehge schwindigkeit dR_H ist, der kompensiert werden muß.

Unter Bezug auf das Flußdiagramm gemäß Fig. 10 wird nachfol gend die Verarbeitung bzw. der Prozeßablauf bei der Lenkwin kelsteuerung erläutert.

Im Schritt 200 gemäß Fig. 10 werden von dem Geschwindig keitssensor 15 und dem Lenkkraft-Winkelsensor 3 detektierte Signale empfangen, um die Fahrzeuggeschwindigkeit v und den Drehwinkel R_H des Lenkrades 1 zu ermitteln. Im Schritt 210 wird eine Ziel-Gierrate γ1 auf der Grundlage der Fahrzeug geschwindigkeit v und dem Drehwinkel R_H berechnet. Die aktu elle Gierrate γ2 wird im Schritt 220 als Detektionssignal von dem Gierratensensor 13 gelesen. Im Schritt 230 wird be stimmt, ob die Ziel-Gierrate γ1 und die aktuelle Gierrate γ2 gleich sind oder nicht. Wenn diese Gierraten gleich sind, geht das Programm zu einem Schritt 250, wo der vorlie gende Drehwinkel R_H des Lenkrades 1 als Ziellenkwinkel R_T gesetzt wird. Wenn die Gierraten nicht gleich sind, geht das Programm zum Schritt 240, wo der Ziellenkwinkel R_T auf der Grundlage von Fahrzeuggeschwindigkeit v, Drehwinkel R_H, der Ziel-Gierrate γ1 und der aktuellen Gierrate γ2 berechnet wird, so daß die aktuelle Gierrate γ2 mit der Ziel-Gierrate γ1 zusammenfällt. Im Schritt 260 wird ein detektiertes Si gnal von dem Relativwinkelsensor 10 eingegeben und der de tektierte Wert wird zu dem Drehwinkel R_H hinzuaddiert oder hiervon subtrahiert, um den aktuellen Lenkwinkel R_s zu be rechnen. Im Schritt 270 wird eine spezielle Berechnung auf der Grundlage des Ziellenkwinkels R_T und des aktuellen Lenk winkels R_s durchgeführt, um den aktuellen Lenkwinkel R_s nä her an den Ziellenkwinkel R_T zu bringen, so daß der Motor strom R_M berechenbar ist und der Motorstrom dem Antriebsmo tor 6 zugeführt werden kann. Im Schritt 280 wird bestimmt, ob der aktuelle Lenkwinkel R_s mit dem Ziellenkwinkel R_T als Ergebnis der Zufuhr des Motorstromes I_M zum Antriebsmotor 6 übereinstimmt oder nicht. Wenn die Lenkwinkel übereinstim men, wird der Ablauf des Programmes gemäß Fig. 10 beendet. Wenn umgekehrt die Winkel noch nicht übereinstimmen, werden die Schritte 260 bis 280 wiederholt durchgeführt.

Wenn eine äußere Störung, beispielsweise eine Seitenwindböe während des beschriebenen Lenkwinkel-Steuerablaufes auf das Fahrzeug einwirkt, wird der Lenkwinkel der Vorderräder 12 so geregelt, daß die Gierrate, die von der äußeren Störung her rührt aufgehoben wird. Somit ist es möglich, das Geradeaus- Fahrverhalten bzw. die Spurstabilität bei Geradeausfahrt zu verbessern.

Die Steuervorrichtung 14 steuert sowohl wie oben erläutert den Lenkwinkel als auch die Reaktions- oder Rückstellkraft, da bei dem erfindungsgemäßen System die Lenksäule 2 außer Kontakt mit der Ritzelwelle 9 ist, so daß es nötig ist, auf das Lenkrad 1 eine Reaktions- oder Rückstellkraft abhängig von Fahrbedingungen und Straßenzustand aufzubringen.

Diese Steuerung der Reaktions- oder Rückstellkraft wird im wesentlichen dadurch durchgeführt, daß ein Strom I_R dem Mo tor 4 parallel mit dem Steuerstrom I_M des Antriebsmotors 6 zugeführt wird. Der Strom I_R ergibt sich aus der nachfolgen den Gleichung

I_R = K × I_M (2)

Das Lenkgefühl kann ohne weiteres geändert werden, indem der Strom des momentanen Korrekturkoeffizienten, was der Koeffi zient des Steuerstromes I_M ist abhängig von Fahrzeugge schwindigkeit v und Drehwinkel R_H des Lenkrades 1 geändert wird.

Hierzu werden gemäß Fig. 11 die Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Drehwinkel R_H des Lenkrades 1 in einem Schritt 300 eingegeben und der Wert des momentanen Korrekturkoeffizien ten K wird im Schritt 310 aus diesen erfaßten Werten be stimmt. Im Schritt 320 wird der Steuerstrom I_M des Antriebs motors 6 eingegeben und in einem Schritt 330 wird der dem Motor 4 zuzuführende Strom I_M für die Reaktions- oder Rück stellkraft auf der Grundlage des momentanen Korrekturkoeffi zienten K und des Steuerstroms I_M berechnet.

Hier ist es im Schritt 310 möglich, die Steifigkeit oder den Drehwiderstand des Lenkrades 1 zu erhöhen und/oder die Hand habungscharakteristiken anderweitig zu ändern oder zu ver bessern.

Wenn gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 12 eine Differenz zwi schen der Ziel-Gierrate γ1 und der momentanen Gierrate γ2 vorliegt, kann der dem Motor 4 zuzuführende Strom I_R für die Rückstellkraft erhöht werden.

Hierbei wird bestimmt, ob die Ziel-Gierrate γ1 und die ak tuelle Gierrate γ2 übereinstimmen oder nicht, indem in den Schritten 400 bis 430 ähnliche Prozeßabläufe durchgeführt werden wie in dem Flußdiagramm von Fig. 10. Wenn die Gierra ten nicht übereinstimmen, wird im Schritt 440 die Ziellenk kraft T₁ berechnet und die aktuelle Lenkkraft T₂ wird im Schritt 450 eingegeben. Im Schritt 460 wird der Wert des dem Motor 4 für die Rückstellkraft zuzuführenden Stromes I_R be stimmt, um die momentane Lenkkraft T₂ näher an die Ziellenk kraft T₁ heranzubringen. Im Schritt 470 wird überprüft, ob die beiden Werte übereinstimmen. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Ablauf der Schritte 450 bis 470 wiederholt. Durch Steuerung der Rückstellkraft gemäß der obigen Be schreibung kann ein Übersteuern durch den Fahrer verhindert werden, so daß die Fahrstabilität des Fahrzeuges verbessert wird. Weiterhin kann durch Anheben der Rückstellkraft ein Warnsignal an den Fahrer gegeben werden.

Der Betrag dieser Lenkrad-Rückstellkraft bei einem üblichen Kraftunterstützungsverhältnis von ungefähr 1 : 10 ist ausrei chend, wenn er ungefähr ein Zehntel der Größe des Ausgangs drehmoments des Antriebsmotors 6 beträgt. Der Motor 4 für die Rückstellkraft kann ein Motor geringer Kapazität sein mit einer Ausgangsleistung, welche ungefähr ein Zehntel der jenigen des Antriebsmotors 6 beträgt. Da das Ausgangsdrehmo ment des Motors 4 für die Rückstellkraft geringer ist als die maximale Lenkkraft des Fahrers, ist die Lenkkraft des Fahrers immer überwiegend, so daß das Fahrzeug zu allen Zei ten lenkbar bleibt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform erlaubt es das Lenksy stem dem Fahrer, einen Lenkvorgang auch dann durchzuführen, wenn der Motor 4 für die Rückstellkraft fehlerhaft oder gar nicht arbeitet.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform die mechanische Kupplung 8 zwischen dem Untersetzungsgetriebe 7 und der Ritzelwelle 9 angeordnet. Genausogut kann die Kupp lung 8 zwischen dem Antriebsmotor 6 und dem Untersetzungsge triebe 7 angeordnet sein, wodurch das Übertragungsmoment der mechanischen Kupplung 8 verringert werden kann.

Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Motor 4 für die Rückstellkraft dazu verwendet, eine Reaktions- oder Rückstellkraft auf das Lenkrad 1 aufzubringen. Genausogut kann jedoch auf diesen Motor 4 verzichtet werden, um den Aufbau des gesamten Systems zu vereinfachen. Diese alterna tive Ausführungsform würde gemäß Fig. 13 elastische Bauteile 9b und 9c zwischen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9 benötigen. Fig. 14 zeigt das System mit einem Relativwinkel von ½R₁+R₂ zwischen der Lenksäule 2 und der Ritzelwelle 9. In diesem Falle wird eine Rückstellkraft auf das Lenkrad 1 aufgrund des elastischen Bauteils 9b in Ausdehnungsrichtung und einer Rückstellkraft des elastischen Bauteiles 9c in Kontraktionsrichtung ausgeübt. Infolgedessen ist es möglich, eine Rückstellkraft auf das Lenkrad 1 ohne Verwendung des Motors 4 aufzubringen.

Claims

1. Lenksystem zum Steuern des Lenk- oder Einschlagwinkels der Räder eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch:
eine Lenksäule, welche mit einem Lenkrad verbunden ist und zusammen mit dem Lenkrad dreht;
Detektionsvorrichtungen zum Detektieren des Betäti gungsgrades des Lenkrades;
ein Lenksystem, welches außer Kontakt mit der Lenksäule ist, wenn die Vorderräder um einen Winkelbetrag ausge lenkt werden, der innerhalb eines ersten vorherbestimm ten Winkelunterschiedes zwischen einem Lenkwinkel ent sprechend dem Betätigungsgrad des Lenkrades und einem Winkel der Räder liegt und in Kontakt mit der Lenkwelle ist und mechanisch abhängig vom Betätigungsgrad des Lenkrades betrieben wird, wenn der Lenkwinkel der Vor derräder bei oder außerhalb der ersten vorherbestimmten Winkeldifferenz ist;
einen Elektromotor zum elektrischen Betreiben des Lenk mechanismus wenn der Lenkwinkel kleiner als die erste Winkeldifferenz ist;
Trennvorrichtungen zum mechanischen Trennen des Elek tromotors von dem Lenkmechanismus kurz bevor der Lenk winkel der Vorderräder die erste vorherbestimmte Win keldifferenz erreicht; und
Steuervorrichtungen zur Erzeugung eines Treibersignals an den Elektromotor abhängig vom Betätigungsgrad des Lenkrades, um den Lenkwinkel der Vorderräder innerhalb der ersten vorherbestimmten Winkeldifferenz zu steuern.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule an einem Ende einen Vorsprung aufweist, wobei der Vorsprung in eine Ausnehmung des Lenkmecha nismus einführbar ist, wobei ein Vorsprung als mechani scher Anschlag in einer Ausnehmung des Lenkmechanismus in einer Position so angeordnet ist, daß ein Freiraum entsprechend der ersten vorherbestimmten Winkeldiffe renz zwischen den beiden Vorsprüngen vorliegt, so daß, wenn der Lenkwinkel der Räder die erste vorherbestimmte Winkeldifferenz erreicht, die beiden Vorsprünge mitein ander in Anlage geraten, so daß der Lenkmechanismus me chanisch durch Betätigung des Lenkrades betrieben wird.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Aufbringen einer Lenk-Rück stellkraft auf das Lenkrad, wobei die Rückstellkraft bestimmt wird auf der Grundlage des Betätigungsgrades des Lenkrades.

4. Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Aufbringen der Rückstellkraft einen Elektromotor zur Abgabe eines Drehmomentes ent sprechend einem eingegebenen Steuersignal, Übertra gungsvorrichtungen zum Übertragen des Drehmomentes des Elektromotors auf die Lenksäule und Ausgabevorrichtun gen aufweisen zum Ausgeben des Steuersignals an den Elektromotor, wobei das Steuersignal auf der Grundlage des Betätigungsgrades des Lenkrades bestimmt wird.

5. Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule an einem Ende einen Vorsprung aufweist, der in eine Ausnehmung des Lenkmechanismus eingesetzt ist, wobei ein Vorsprung als mechanischer Anschlag in der Ausnehmung des Lenkmechanismus angeordnet ist in einer Position mit einem Freiraum entsprechend der er sten vorherbestimmten Winkeldifferenz zwischen beiden Vorsprüngen, wobei die Aufbringvorrichtungen für die Rückstellkraft ein elastisches Bauteil aufweisen, wel ches in dem Freiraum zwischen den beiden Vorsprüngen angeordnet ist, um eine Rückstellkraft auf das Lenkrad auszuüben.

6. Lenksystem nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch Detektionsvorrichtungen zum Erfassen eines Fahr zustandes des Fahrzeuges, wobei die Steuervorrichtung den Lenkwinkel der Räder abhängig vom Fahrzustand des Fahrzeuges steuert.

7. Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzustand die Fahrzeuggeschwindigkeit ist und die Detektionsvorrichtungen einen Geschwindigkeitssensor zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit aufweisen, wobei die Steuervorrichtung einen Änderungsbetrag des Lenkwinkels der Räder gegenüber dem Betätigungsgrad des Lenkrades reduziert, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht wird.

8. Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzustand die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades ist, wobei die Detektionsvorrichtungen einen Sensor zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Lenkrades aufwei sen, wobei weiterhin die Steuervorrichtung den Lenkwin kel der Räder gegenüber dem Betätigungsgrad des Lenkra des erhöht, wenn die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades schneller wird.

9. Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzustand Fahrzeuggeschwindigkeit und Drehge schwindigkeit des Lenkrades ist, wobei die Detektions vorrichtungen einen Geschwindigkeitssensor für die Fahrzeuggeschwindigkeit und einen Sensor für die Dreh geschwindigkeit des Lenkrades aufweisen, wobei weiter hin die Steuervorrichtung den Lenkwinkel der Räder ge genüber dem Betätigungsgrad des Lenkrades erhöht, wenn die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades schneller wird und wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über einer be stimmten Geschwindigkeit liegt.

10. Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzustand des Fahrzeuges Geschwindigkeit und Gierrate des Fahrzeuges ist, wobei die Detektionsvor richtungen einen Geschwindigkeitssensor für die Fahr zeuggeschwindigkeit und einen Sensor zur Detektion der Gierrate des Fahrzeuges aufweisen, wobei die Steuervor richtung eine Ziel-Gierrate auf der Grundlage von Fahr zeuggeschwindigkeit und Betätigungsgrad des Lenkrades berechnet und den Lenkwinkel der Räder so steuert, daß die Gierrate des Fahrzeuges sich der Ziel-Gierrate an nähert.

11. Lenksystem zum Steuern des Lenk- oder Einschlagwinkels der Räder eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch:
eine Lenksäule, welche mit einem Lenkrad verbunden ist und zusammen mit dem Lenkrad dreht;
Detektionsvorrichtungen zum Detektieren des Betäti gungsgrades des Lenkrades;
einen Lenkmechanismus, welcher außer Kontakt mit der Lenksäule ist, wenn die Räder um einen Winkelbetrag ausgelenkt werden, der innerhalb eines ersten vorherbe stimmten Winkelunterschiedes zwischen einem Lenkwinkel entsprechend dem Betätigungsgrad des Lenkrades und ei nem Winkel der Räder liegt und in Kontakt mit der Lenk welle ist und mechanisch abhängig vom Betätigungsgrad des Lenkrades betrieben wird, wenn der Lenkwinkel der Vorderräder bei oder außerhalb der ersten vorherbe stimmten Winkeldifferenz ist;
einen Elektromotor zum elektrischen Betreiben des Lenk mechanismus wenn der Lenkwinkel kleiner als die erste Winkeldifferenz ist;
Trennvorrichtungen, welche von einer Lenkkraft am Lenkrad betrieben werden, wenn die Vorderräder um einen Winkelbetrag bei einer zweiten vorherbestimmten Winkel differenz ausgelenkt werden, welche kleiner ist als die erste vorherbestimmte Winkeldifferenz zum mechanischen Trennen des Elektromotors von dem Lenkmechanismus; und
Steuervorrichtungen zur Erzeugung eines Treibersignals an den Elektromotor abhängig vom Betätigungsgrad des Lenkrades, um den Lenkwinkel der Vorderräder innerhalb der zweiten vorherbestimmten Winkeldifferenz zu steu ern.

12. Lenksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtungen eine Armatur aufweisen, wel che mit dem Elektromotor verbunden ist, um ein Aus gangsdrehmoment des Elektromotors auf den Lenkmechanis mus zu übertragen, wobei die Lenksäule die Armatur ohne Kontakt hiermit durchtritt und wobei Federvorrichtungen vorgesehen sind, um die Armatur in Richtung des Lenkme chanismus zu drücken, wobei weiterhin vorgesehen sind: ein Rotor zwischen der Armatur und dem Lenkmechanismus für eine Drehung zusammen mit dem Lenkmechanismus, wo bei der Rotor eine Bohrung aufweist, durch welche die Lenksäule verläuft und der in Kontakt mit der Lenksäule ist, wenn der Lenkwinkel der Räder eine zweite vorher bestimmte Winkeldifferenz erreicht und wobei der Rotor ein kugelförmiges Bauteil drehbar lagert, wobei die Ar matur eine Ausnehmung aufweist in einer Position inner halb der sie dem kugelförmigen Bauteil des Rotors ge genüberliegt derart, daß wenn das kugelförmige Bauteil in der Ausnehmung ist die Armatur von dem Rotor um einen bestimmten Betrag beabstandet ist, wobei das ku gelförmige Bauteil aus der Ausnehmung der Armatur her aus vorgespannt ist, so daß die Armatur gegen einen Druck der Federeinrichtung geschoben und von dem Rotor um einen Betrag größer als der vorherbestimmte Betrag getrennt wird, so daß eine Verbindung zwischen der Ar matur und dem Elektromotor hierdurch aufgehoben wird, wenn die Bohrung des Rotors in Kontakt mit der Lenk säule ist und der Rotor zusammen mit der Lenksäule dreht.

13. Lenksystem nach Anspruch 11, worin die Trennvorrichtun gen eine mechanische Kupplung aufweisen, welche eine Drehung des Elektromotors auf den Lenkmechanismus über trägt und Trennvorrichtungen aufweisen zum Trennen der mechanischen Kupplung unter Verwendung einer Drehkraft der Lenksäule.

14. Lenksystem zum Steuern des Lenk- oder Einschlagwinkels der Räder eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch:
eine Lenksäule, welche mit einem Lenkrad verbunden ist und zusammen mit dem Lenkrad dreht;
Detektionsvorrichtungen zum Detektieren des Betäti gungsgrades des Lenkrades;
einen Lenkmechanismus, welcher außer Kontakt mit der Lenksäule und mit den Rädern gekoppelt ist, um den Lenkwinkel der Räder zu bestimmen;
einen Elektromotor zum elektrischen Betreiben des Lenk mechanismus wenn der Lenkwinkel kleiner als die erste Winkeldifferenz ist;
Steuervorrichtungen zur Erzeugung eines Treibersignals an den Elektromotor abhängig vom Betätigungsgrad des Lenkrades; und
Umschaltvorrichtungen zum Bestimmen eines Lenkzustandes und zum Steuern des Elektromotors, um den Lenkmechanis mus in einem Zustand zu betreiben und eine Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Lenkmechanismus auf zuheben und die Lenksäule mechanisch mit dem Lenkmecha nismus zu verbinden, so daß der Lenkmechanismus von Hand in einen anderen Zustand gesteuert werden kann.

15. Lenksystem nach Anspruch 14, worin der Zustand eine Winkeldifferenz zwischen einem Lenkwinkel entsprechend dem Betätigungsgrad des Lenkrades und einem Einschlag winkel der Räder bestimmt durch den Lenkmechanismus ist, wobei die Umschaltvorrichtungen erste Vorrichtun gen zum Steuern des Elektromotors aufweisen, um den Lenkmechanismus zu betreiben, wenn die Winkeldifferenz kleiner als eine vorherbestimmte Winkeldifferenz ist und zweite Vorrichtungen aufweisen zum Aufheben einer Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Lenkmecha nismus und zum mechanischen Verbinden der Lenksäule mit dem Lenkmechanismus, so daß der Lenkmechanismus von Hand gelenkt werden kann, wenn die Winkeldifferenz größer als die vorherbestimmte Winkeldifferenz ist.