DE4206654C2

DE4206654C2 - Verfahren zum Lenken eines Straßenfahrzeugs mit Vorder- und Hinterradlenkung

Info

Publication number: DE4206654C2
Application number: DE19924206654
Authority: DE
Inventors: Juergen Prof Dr Ackermann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1990-09-06
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2012-03-04
Also published as: DE4206654A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lenken eines Stra ßenfahrzeugs mit Vorder- und Hinterradlenkung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (nach Patent 40 28 320).

Das Lenkverhalten von Straßenfahrzeugen ist wesentlich durch die Dynamik der Gierbewegung gekennzeichnet, d. h. einer Drehbewegung um die Hochachse durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs. Die Dynamik der Gierbewegung kann durch ein line ares System zweiter Ordnung modelliert werden. Hierbei hängt der Bewegungsverlauf entscheidend von der Dämpfung der Eigenwerte dieses Systems ab, was im folgenden kurz als "Gierdämpfung" bezeichnet wird. Die Gierdämpfung von Stra ßenfahrzeugen wiederum nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab. (Siehe beispielsweise M. Mitschke, Dynamik der Kraft fahrzeuge, Band C, Fahrverhalten, 2. Auflage, Springer-Verlag 1990, S. 58, Bild 12.2).

Eine zu geringe Gierdämpfung bei mittleren und höheren Ge schwindigkeiten kann die Fahrsicherheit erheblich beein trächtigen. Kritische Situationen treten beispielsweise auf, wenn das Fahrzeug von einem Seitenwind erfaßt wird, oder wenn die Lenkung durch Schlaglöcher oder Eis- und Schneere ste gestört wird. Bedingt durch seine Reaktionszeit gelingt es dem Fahrer in solchen Fällen nicht immer, die unerwartet auftretende, schwach gedämpfte Gierbewegung zu stabilisie re. Ist damit erst einmal eine größere Gierbewegung entstan den, so können rasch die physikalischen Grenzen der seitli chen Reifenführungskräfte überschritten werden.

Andererseits sollte die Gierdämpfung nicht zu groß sein, da die Fahrzeugreaktion sonst vom Fahrer als "träge" empfunden wird.

Es ist eine erste Generation allradgelenkter Fahrzeuge be kannt, welche noch ausschließlich gesteuert arbeitet; eine Struktur eines solchen allradgelenkten Fahrzeugs ist in dem Blockschaltbild der Fig. 2 dargestellt. Hierbei bedeuten in Fig. 2:

δ_v(δ_h) Lenkwinkel vorn (hinten)
δ_L Lenkrad-Kommando (Lenkradwinkel×Lenkraduntersetzung)
F_h Verstärkungsfaktor zur Ansteuerung der Hinterradlenkung
β Schwimmwinkel
r Giergeschwindigkeit
a_v Querbeschleunigung der Vorderachse.

Die mechanische Verbindung vom Lenkrad zum Lenkwinkel δ_v der Vorderräder ist unverändert. Der hintere Lenkwinkel δ_h ist im einfachsten Fall proportional zu dem Lenkwinkel δ_v ge steuert, d. h.

δ_h = F_hδ_v (1)

Üblicherweise wird der Verstärkungsfaktor F_h, das sogenannte "Lenkverhältnis", veränderlich gemacht, und zwar abhängig von am Fahrzeug gemessenen Größen, wie beispielsweise Fahr geschwindigkeit, Giergeschwindigkeit, Querbeschleunigung. Anstelle eines Verstärkungsfaktors F_h werden auch dynamische Vorfilter mit einer Übertragungsfunktion F_h(s) verwendet. Hierbei ist mit dem Symbol s die komplexe Variable der La place-Transformation bezeichnet. In einem Aufsatz von E. Don ges, R. Aufhammer, P. Fehrer und T. Seidenfuß "Funktion und Sicherheitskonzept der Aktiven Hinterachskinematik von BMW", Automobiltechnische Zeitschrift 1990, S. 580-587, ist die Übertragungsfunktion F_h(s) in der folgenden Form angegeben:

Filterparameter P_r, T_D und T_l werden aus der Bedingung be rechnet, daß ein Schwimmwinkel von null erreicht werden soll. Die vorstehend angeführten Filterparameter hängen von der Fahrgeschwindigkeit, der Fahrzeugmasse und den Schräglauf steifigkeiten ab, die sich während des Betriebs des Fahr zeugs ändern. Beispielsweise sind die Filterparameter T_D und T_l proportional zur Fahrgeschwindigkeit v. Hierbei ist es Stand der Technik im Automobilbau, die Fahrzeuggeschwindig keit v zu messen und zur Anpassung von Filterparametern wäh rend des Betriebs zu nutzen.

Eine zweite Generation von allradgelenkten Fahrzeugen be nutzt eine unterlagerte Regelung für die Hinterradregelung, während die Vorderradlenkung noch konventionell ausgeführt ist. Ein Beispiel hierfür ist der Toyota Soarer, welcher seit April 1991 auf den japanischen Markt gebracht wird. (Siehe Hideo Inuoue, Hiroshi Harada und Yuÿi Yokoja "All radlenkung im Toyota Soarer", Tagung "Allradlenkung bei Per sonenwagen", Haus der Technik, Essen, 3.-4.12.91). Hierbei wird die Giergeschwindigkeit r mit einem verhältnismäßig preiswerten Vibrationskreisel gemessen und auf die Hinter radlenkung über einen dynamischen Regler mit einer Übertra gungsfunktion H_h(s) zurückgeführt. Das Symbol s ist auch in diesem Fall wieder die komplexe Variable der Laplace-Trans formation. Es ergibt sich damit eine Struktur nach Fig. 3. Die Führungsgröße w_h des unterlagerten Regelkreises wird wiederum durch ein entsprechend der Geschwindigkeit angepaß tes Vorfilter F_h(s) gebildet.

Durch die Rückführung der Giergeschwindigkeit r auf die Hin terradlenkung können die Eigenwerte der Lenkdynamik verän dert werden, und der Einfluß externer Störgrößen, wie bei spielsweise Seitenwind, Eis am Straßenrand, seitliche Fahr bahnneigung, u.ä., kann vermindert werden. Die Hinterradlen kung wird nunmehr auch aufgrund von externen Störungen betätigt und nicht nur aufgrund von Lenkrad-Kommandos, wel che vom Fahrer gegeben werden. Der Kompensator H_h(s) ist fahrzeugspezifisch ausgelegt, wobei ein befriedigender Kom promiß für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten, Zuladungen und Kraftschlußverhältnisse zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche gesucht werden muß.

Die eingeführten Kompromißzwänge werden erleichtert, wenn auch für die Vorderradlenkung eine unterlagerte Regelung vorgesehen wird. Es ergibt sich dann ein Blockschaltbild nach Fig. 1. Ein Regler H_v(s) für die Vorderradlenkung muß ebenfalls fahrzeugspezifisch ausgelegt werden. Eine solche Struktur des Lenkregelungssystems wird beispielsweise von El-Deen und A. Seirig, "Mechatronics for Cars: integrating machines and electronics to prevent skidding on icy roads", Computers in Mechanical Engineering 1987, S. 10-22 beschrie ben. Ausführungsbeispiele sind in DE 39 30 445 A1 zu finden.

Durch die Verwendung von unterlagerten Regelkreisen setzt sich der Lenkwinkel eines Rades aus zwei Anteilen zusammen. Ein Anteil wird durch Lenkkommandos des Fahrers bewirkt, der andere Anteil durch äußere Störungen (Seitenwind, unebene Fahrbahn etc.). Prinzipiell können somit zwei Regelungsauf gaben unterschieden werden, nämlich

a) eine automatische Regelung der Gierbewegung und
b) eine Spurführungsregelung durch den Fahrer, bei der er die seitliche Abweichung von seiner geplanten Bahn mit der Lenkradbewegung klein hält. Für diese Spurführungsregelung ist insbesondere die "Lenk übertragungsfunktion" L(s) von Interesse, die den Zusammenhang zwischen dem Lenkkommando und der Querbeschleunigung an der Vorderachse beschreibt.

Die beiden Regelungsaufgaben sind jedoch bei dem Regelungs system nach Fig. 1 im allgemeinen stark miteinander verkop pelt. Sowohl beim Entwurf der beiden Regler H_v(s) und H_h(s) als auch bei ihrer Anpassung an die Betriebsbedingungen wäh rend der Fahrt bewirkt jede Änderung eines Regelparameters sowohl Änderungen der Lenkübertragungsfunktion als auch Änderungen der Gierdämpfung und Gierfrequenz.

Die beiden Regelungsaufgaben können durch eine unterlagerte Regelung der Vorderradlenkung mit

H_v(s) = 1/s (3)

voneinander entkoppelt werden, wie in der deutschen Patent anmeldung P 40 28 320.8-21 ausführlich dargelegt ist. Diese Entkopplung bewirkt, daß der Fahrer nur einen - an der Vor derachse gedachten - Massepunkt durch eine seitliche Be schleunigung a_v der Vorderachse auf seiner geplanten Bahn halten muß. Die Gierbewegung wird hierbei automatisch gere gelt und hat keinen Einfluß auf die Spurführungsaufgabe des Fahrers. Das entkoppelnde Regelgesetz braucht somit im Gegensatz zu allen vorher bekannten Reglern nicht fahrzeugspezifisch ausgelegt zu werden; vielmehr ist es durch Gl.(3) eindeutig bestimmt. Diese Entkopplung ist die Grundlage für eine ge zielte Veränderung der Gierdynamik ohne gleichzeitigen Ein fluß auf die Lenkübertragungsfunktion.

Nachteilig bei allen vorstehend angeführten Lenk-Regelungs systemen ist, daß sich die Gierdämpfung mit der Fahrge schwindigkeit ändert. Da jedoch eine geringe Dämpfung die Fahrsicherheit beeinträchtigt, ist es besonders kritisch, daß die Gierdämpfung mit zunehmender Geschwindigkeit ab nimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Lenken eines Straßenfahrzeugs mit Vorderrad- und Hinterradlenkung zu schaffen, bei welchem die Gierdämpfung von der Fahrge schwindigkeit unabhängig gemacht wird und damit die Möglich keit geschaffen wird, daß ein günstiger Wert der Gierdämp fung im gesamten Geschwindigkeitsbereich erreicht wird.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zum Lenken eines Straßenfahrzeugs mit Vorder- und Hinterradlenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Durch die Entkopplung in der Vorderradlenkung nach Gl.(3) kann das Teilsystem zweiter Ordnung, aus welchem sich die Gierdämpfung D_G ergibt, für sich analysiert werden. Diese Analyse führt auf eine spezielle Struktur für den Regler H_h(s) mit einer Verstärkungsanpassung durch die Fahrge schwindigkeit v. Der Regler H_h(s) enthält zunächst einen einzigen freien Parameter, nämlich den Dämpfungsparameter k_D. (Er wird zunächst, solange k_D noch nicht bestimmt ist, als "struktureller Regleransatz" bezeichnet). Diese Regler struktur hat die nachstehend angeführten Eigenschaften:

a) Die Gierdämpfung D_G wird unabhängig von der Fahrge schwindigkeit und
b) der Zahlenwert der Gierdämpfung D_G läßt sich durch die Wahl des Dämpfungsparameters k_D derart einstel len, daß eine Verstellung des Dämpfungsparameters k_D keinen Einfluß auf andere Eigenschaften der Lenkdy namik hat, so beispielsweise auf die natürliche Fre quenz der Gierbewegung oder auf die Lenkübertragungs funktion vom Lenkrad zur seitlichen Beschleunigung der Vorderachse.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die an liegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Hierbei zei gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Struktur einer All rad-Lenkung mit einer unterlagerten Rückführung der Giergeschwindigkeit auf Vorderrad- und Hinterradlenkung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer herkömmlich gesteu erten Allrad-Lenkung, welche noch ausschließ lich gesteuert arbeitet, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen All rad-Lenkung mit unterlagerter Rückführung der Giergeschwindigkeit nur auf die Hinterradlen kung.

Ein System zur Durchführung und Realisierung des erfindungs gemäßen Verfahrens kann weitgehend aus handelsüblichen Kom ponenten aufgebaut werden, indem insbesondere zur Messung von Fahrgeschwindigkeit, Giergeschwindigkeit und Lenkradwin kel handelsübliche Sensoren verwendet werden. Als Stellglie der für die Lenkung der Vorder- und Hinterräder können hy draulische oder elektrische Antriebe verwendet werden, wie sie serienmäßig in den allradgelenkten Fahrzeugen der Firmen Nissan, Toyota, Mitsubishi, Mazda, Honda, Daihatsu und BMW eingesetzt werden. In Deutschland gibt es konkurrierende Entwicklungslinien der Firmen Siemens/Rexroth, Bosch und Zahnradfabrik Friedrichshafen (siehe hierzu die Vorträge bei der Tagung Allradlenksysteme bei Personenwagen, Haus der Technik, Essen 3.-4.12.1991). Das neue Verfahren zur ge schwindigkeitsunabhängigen Gierdämpfung wird durch Verbin dung bekannter Komponenten mit Hilfe einer neuartigen Reg lerstruktur realisiert. Die hierbei erforderlichen Rechen operationen des Reglers werden in einem Mikroprozessor aus geführt.

In der Patentanmeldung P 40 28 320.8-21 ist für ein Fahrzeug mit einer entkoppelnden Lenkregelung entsprechend Gl.(3) folgende, dort als Gl.(23) bezeichnete Zustandsdarstellung angegeben:

(Die Führungsgröße w_v in der Zustandsdarstellung Gl.(4) ist in der älteren Patentanmeldung als r_soll bezeichnet.) Im übrigen bedeuten die vorstehend angeführten Zustandsgrößen:

a_v Querbeschleunigung der Vorderachse
r Giergeschwindigkeit
δ_v Lenkwinkel vorn.

Die einzelnen Koeffizienten des Modells sind

c = c_vl/ml_h
d₁₁ = -c/v
d₂₁ = (c_hl_h-c_vl_v)/ml_vl_h
d₂₂ = -c_hl/mvl_v
d₂₃ = c_h/ml_v

in welchen wiederum bedeuten:

c_y(c_h) Schräglaufsteifigkeit vorn (hinten)
ℓ_v(ℓ_h) Schwerpunktabstand von der Vorder-(Hinter-) Achse
ℓ Radstand (ℓ = ℓ_v + ℓ_h)
m Fahrzeugmasse (durch Kraftschlußkoeffizienten µ normiert)
v Fahrgeschwindigkeit

Durch Entkopplung zerfällt das Modell gemäß Gl.(4) in zwei Teilmodelle:

_v = d₁₁a_v + cw_v (5)

und

Durch Gl.(6) ist die Gierbewegung beschrieben; das charakteristische Polynom hierfür ist:

Durch Vergleich mit der Formel

P_e(s) = ω²_e + 2D_eω_es + s² (8)

werden die natürliche Frequenz ω_e und die Dämpfung D_e erhalten:

Durch die entkoppelnde Regelung der Vorderräder nimmt die Gierdämpfung den Wert D_G = D_e an.

Mit wachsender Fahrgeschwindigkeit v nimmt somit die Gier dämpfung D_G ab. Dieser Effekt kann jedoch nur in sehr engen Grenzen durch einen langen Radstand ℓ ausgeglichen werden.

Durch Verwendung der Hinterradlenkung wird nunmehr die Gier dämpfung D_G unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit v gemacht. Hierzu muß zunächst das Teilmodell gemäß Gl.(6) durch die zusätzliche Stellgröße Hinterrad-Lenkwinkel δ_h erweitert werden:

Wie in der älteren Patentanmeldung durch Gl.(23) angegeben, ist der Koeffizient b₂₂:

b₂₂ = -c_h/ml_v (12)

Den Kerngedanken bezüglich einer Dämpfung der Gierbewegung stellt der folgende, strukturelle Regleransatz dar:

δ_h = (ℓ/v - k_D) (w_h - r) (13)

w_h ist hierbei die Führungsgröße des unterlagerten Regel kreises für die Hinterradlenkung, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist. Die Größen Radstand ℓ, Fahrgeschwindigkeit v und Gier geschwindigkeit r wurden bereits eingeführt, k_D ist der ein zige noch zu bestimmende Regelparameter. Im weiteren wird gezeigt daß

a) der Reglerparameter k_D in einem einfachen Zusammen hang mit der Gierdämpfung D_G steht und
b) die Gierfrequenz aufgrund des Ansatzes (13) nicht von k_D abhängt,
c) die Gierdämpfung D_G von der Fahrgeschwindigkeit un abhängig geworden ist.

Durch Einsetzen von Gl.(13) in Gl.(11) wird erhalten:

Das charakteristische Polynom ist nun

Die Dämpfung D_g ist

Die Gierdämpfung D_G nimmt jetzt den Wert D_g an und ist von der Fahrgeschwindigkeit v unabhängig. Die Gierfrequenz ω_g ist unverändert, d. h. ω_g = ω_e. Sie wird durch eine Veränderung des Parameters k_D nicht beeinflußt. Nach Gl.(16) ergibt sich der Dämpfungsparameter k_D des Reglers zu

Der Dämpfungsparameter k_D kann aus der gewünschten Dämpfung D_G bestimmt werden. Als günstig wird beispielsweise eine Dämpfung D_G = 1/√ angesehen. Hieraus ergibt sich dann für den Dämpfungsparameter k_D:

Wird der Dämpfungsparameter k_D von dem Fahrer während der Fahrt verändert, so ändert sich damit weder die Gierfrequenz ω_g noch die Lenkübertragungsfunktion vom Lenkrad zur seitli chen Beschleunigung der Vorderachse, wie sich aus dem durch entkoppelnde Regelung der Vorderradlenkung entstandenen Teil system gemäß Gl.(5) ergibt. Diese Aussagen gelten unter der Annahme einer Massenverteilung, welche konzentrierten Massen an Vorder- und Hinterachse entsprechen. Bei abweichender Massenverteilung ergeben sich Abweichungen vom dargestell ten Idealfall.

Nach einer entsprechenden Wahl des Dämpfungsparameters k_D kann der Regleransatz gemäß Gl.(13) mit üblichen technischen Mitteln in einem Mikroprozessor verwirklicht werden. Hierbei ist der Radstand ℓ bekannt; die Messung der Fahrgeschwin digkeit v und deren Verwendung zur Anpassung von Filterpara metern wird im Automobilbau bereits angewendet, beispiels weise beim BMW 850i mit Allradlenkung; die Giergeschwindig keit r kann, wie beispielsweise im Toyota Soarer, mit einem Vibrationskreisel gemessen werden, so daß vom Mikroprozessor nur noch die vier Grundrechenoperationen entsprechend Gl.(13) durchzuführen sind.

Da sich der Dämpfungsparameter k_D gezielt nur auf die Gier dämpfung auswirkt und insbesondere nicht auf die Lenküber tragungsfunktion, ist es ohne Sicherheitsrisiko, k_D während der Fahrt zu verstellen. Dieses kann entweder durch den Fah rer geschehen, z. B. durch einen "Komfortabel-Sportlich- Schalter", oder automatisch in Abhängigkeit vom Lenkradwin kel, von der Giergeschwindigkeit oder anderen im Fahrzeug gemessenen Größen.

Claims

1. Verfahren zum Lenken eines Straßenfahrzeugs mit Vorder- und Hinterradlenkung, das einen Radstand ℓ (in m), eine hin tere Schräglaufsteifigkeit c_h (in N/rad), einen Schwerpunkt abstand ℓ_v (in m) von der Vorderachse und eine Masse m (in kg) hat, und und bei welchem Verfahren durch eine integrierende Rückführung eines gemessenen Giergeschwindigkeitssignals auf die Vorderradlenkung die Gierbewegung von der Seitenbewegung der Vorderachse entkoppelt wird, wodurch das Problem bei der Lenkung in zwei separat zu lösende Teilprobleme, nämlich in eine seitliche Spurführung der Vorderachse durch ein Signal, das ein Fahrer mit dem Lenkrad erzeugt, sowie in eine automatische Regelung der Gierbewegung aufgeteilt wird, und die Eigenwerte der Gierbewegung durch Rückführung des gemessenen Giergeschwindigkeitssignals auf die Hinterradlenkung nach Wunsch so verschiebbar sind, daß die Wahl der Giereigenwerte keinen Einfluß auf die Lenkübertragungsfunktion vom Lenkrad zur Seitenbewegung der Vorderachse hat (nach Patent 40 28 320), dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Gierdämpfung D_G mittels eines Dämpfungsparameters über die Lenkung der Hinterräder um einen Winkel δ_h (in rad) erreicht wird, wobei die Giergeschwindigkeit r (in rad/s), Fahrgeschwindigkeit v (in m/s) und Lenkradwinkel δ_L (in rad) gemessen werden undδ_h = (ℓ/v - k_D) (w_h - r)mittels eines Mikroprozessors berechnet wird, und w_h als Führungsgröße aus dem gemessenen Lenkradwinkel (δ_L) durch ein der Hinterradlenkung zugeordnetes Vorfilter (F_h) gebil det wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Dämpfungsparameter (k_D) während der Fahrt von Hand durch den Fahrer oder automatisch in Abhän gigkeit von im Fahrzeug gemessenen Größen verstellbar ist.