DE4232256C2 - Lenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem zur Lenkung eines Motorfahrzeugs mittels eines wenigstens ein Rad lenkenden Lenkrads, mit einer mit dem Lenkrad verbundenen Lenkbetätigungseinrichtung zum Drehen des Lenkrads und mit einer Sensoreinrichtung zur Detektierung eines durch eine auf das Motorfahrzeug wirkende Störung verursachten Verhaltens des Motorfahrzeugs.

Ein solches Lenksystem ist aus der DE 39 30 445 C2 bekannt, bei der zwar der Lenkwinkel des Lenkrads, nicht jedoch dessen Lenkwinkelgeschwindigkeit erfaßt wird. Mit Kenntnis des Lenkwinkels allein läßt sich das Lenksystem nicht derart beeinflussen, daß es etwa bei überschießender Lenkbewegung der lenkbaren Räder ein unruhiges Lenkverhalten verhindert.

Die DE 37 34 477 A1 zeigt ein ähnliches System, bei dem ebenfalls nur der Lenkwinkel des Lenkrads, nicht jedoch die Lenkwinkelgeschwindigkeit des Lenkrads erfaßt wird.

Aus der JP-Pat-OS 50-33584 ist es bekannt, den Verstärkungsgrad eines Servolenksystems in Abhängigkeit vom erfaßten Lenkraddrehmoment zu ändern.

Unterliegt ein Motorfahrzeug einer Störung beispielsweise durch Seitenwind, so wird beim vorgenannten Motorfahrzeug-Lenksystem kein Lenkdrehmoment in Sinne der Unterdrückung einer solchen Störung erzeugt. Generell erzeugen manuell betätigte Motorfahrzeug-Lenksysteme ohne Servolenkmechanismus auch keine Lenkdrehmomente, welche im Sinne der Reduzierung eines störenden Motorfahrzeugverhaltens wirken.

Ein mit einem konventionellen Lenksystem ausgerüstetes Motorfahrzeug, sei es nun manuell betätigt oder servobetätigt, wird daher durch Seitenwind oder eine andere Störung beeinflußt, so daß der Fahrer das Lenkrad in Richtung der Minimierung des störenden Motorfahrzeugverhaltens drehen muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Motorfahrzeug-Lenksystem anzugeben, das automatisch ein störendes Motorfahrzeugverhalten unterdrückt, das dann auftreten würde, wenn eine Störung, wie etwa Seitenwind, auf das Motorfahrzeug einwirkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Lenksystem der eingangs genannten Art, welches eine Einrichtung zur Erfassung der Lenkwinkelgeschwindigkeit des Lenkrads aufweist sowie eine Steueranordnung zur Festlegung eines wenigstens von der durch die Sensoreinrichtung erfaßten Verhaltens des Motorfahrzeugs abhängigen Steuersignals, das eine die Lenkwinkelgeschwindigkeit in vorgegebener Weise dämpfende Steuerkomponente enthält.

Die Sensoreinrichtung kann einen Giergeschwindigkeitssensor zur Detektierung einer Giergeschwindigkeit als Störung und/oder einen Querbeschleunigungssensor zur Detektierung einer Querbeschleunigung als Störung aufweisen.

Die Steueranordnung kann die Giergeschwindigkeit und die Querbeschleunigung gemäß vorgegebener Funktionen in entsprechende Komponenten umsetzen und die Komponenten zu einem Steuersignal addieren.

Das Lenksystem kann weiterhin einen Lenkmechanismus zur Lenkung wenigstens eines Rads in Abhängigkeit von der Lenkwirkung des Lenkrads aufweisen. Der Lenkmechanismus kann elektrisch oder mechanisch mit dem Lenkrad in Wirkverbindung stehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Mo­ torfahrzeug-Lenksystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Motor­ fahrzeug-Lenksystems nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Funktionssystemanordnung des Motorfahrzeug-Lenksystems nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Flußdiagramm einer Steuersequenz des Motorfahr­ zeug-Lenksystems nach Fig. 1;

Fig. 5(A) bis 5(E) jeweils ein Diagramm von in der Steuerse­ quenz nach Fig. 4 verwendeten Datentabellen;

Fig. 6(A) und 6(B) jeweils ein Diagramm des Wirkungsgrades des Motorfahrzeug-Lenksystems gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Motorfahrzeug-Lenk­ system;

Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Motor­ fahrzeug-Lenksystems gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Funktionssystemanordnung des Motorfahrzeug-Lenksystems gemäß Fig. 7.

Gemäß Fig. 1 ist ein Motorfahrzeug-Lenksystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in ein Motorfahrzeug, bei­ spielsweise ein Automobil, mit einem Lenkrad 11 eingebaut, das durch den Fahrer manuell gedreht werden kann. Das Lenkrad 11 ist koaxial auf einer Lenksäule 11a montiert, die drehbar auf dem Chassis des Motorfahrzeugs montiert und mit einem Reaktionsmotor 12 gekoppelt ist. Der Reaktionsmotor 12 ist elektrisch mit einer Steuerschaltung 13 verbunden, welche ihn zur Erzeugung eines Reaktions-Ausgangsdrehmomentes für das Lenkrad 11 ansteuert, wobei es sich um eine Widerstandskraft bzw. eine Lenkreaktionskraft gegen die Lenkwirkung des Lenk­ rades 11 handelt.

Die Lenksäule 11a ist mit einem ersten Lenkwinkelsensor 14 in Form eines Analogsensors, beispielsweise eines Potentiome­ ters, einem zweiten Lenkwinkelsensor 15 in Form eines Digi­ talsensors, wie beispielsweise eines Kodierers und mit einem Lenkdrehmomentsensor 16 in Form eines Differentialtransforma­ tor oder ähnlichem versehen. Gemäß Fig. 2 ist mit dem Reak­ tionsmotor 12 ein Stromsensor 41 zur Detektierung eines durch den Reaktionsmotor 12 fließenden Stroms verbunden. Diese Sensoren 14, 15, 16, 41 sind mit der Steuerschaltung 13 ver­ bunden.

Der erste Lenkwinkelsensor 14 detektiert einen Winkel, um den die Lenksäule 11a sich aus einer vorgegebenen Stellung, bei­ spielsweise einer neutralen Stellung des Lenkrades 11 gedreht hat, d. h. er detektiert einen Steuerwinkel (θ) des Lenkra­ des 11. Der erste Lenkwinkelsensor 14 liefert ein ein Maß für den Lenkwinkel darstellendes Detektorsignal für die Steuer­ schaltung 13. Der zweite Lenkwinkelsensor 15 sendet ein aus einer Anzahl von Impulsen pro Lenkeinheitswinkel des Lenkra­ des 11 zusammengesetztes impulsförmiges Signal für die Steuerschaltung 13. Der Lenkdrehmomentsensor 16 detektiert ein auf das Lenkrad 11 wirkendes Lenkdrehmoment und liefert ein ein Maß für das detektierte Lenkdrehmoment darstellendes Detektorsignal für die Steuerschaltung 13. Der Stromsensor 41 detektiert einen durch den Reaktionsmotor 12 fließenden elek­ trischen Strom und damit ein Ausgangsdrehmoment des Reak­ tionsmotors 12 und liefert ein ein Maß für das detektierte Ausgangsdrehmoment darstellendes Detektorsignal für die Steuerschaltung 13. Die Steuerschaltung 13 berechnet den Lenkwinkel, um den sich das Lenkrad 11 gedreht hat, aus den von den beiden Lenkwinkelsensoren 14, 15 gelieferten Signa­ len. Die Steuerschaltung 13 berechnet weiterhin das auf das Lenkrad 11 ausgeübte Lenkdrehmoment aus dem vom Lenkdrehmo­ mentsensor 16 gelieferten Signal.

Das Motorfahrzeug besitzt ein Paar von seitlich beabstandeten lenkbaren Rädern 17L, 17R, welche über zugehörige Achsschen­ kel 18L, 18R mit einem Lenkmechanismus 19 in Wirkverbindung stehen. Dieser Lenkmechanismus 19 umfaßt eine Schneckenwelle 20 mit Schraubengängen auf der Außenfläche, eine auf die Schneckenwelle 20 aufgeschraubte Kugelmutter 21 mit einer Anzahl von in den Schraubengängen laufenden Kugeln sowie ein rotierend mit der Kugelmutter 21 verbundenes Übertragungs­ zahnrad 22.

Die Schneckenwelle 20 ist nicht rotierend, aber axial beweg­ lich durch ein (nichtdargestelltes) Gehäuse gelagert, wobei ihre entgegengesetzten Ende über die Achsschenkel 18L, 18R mit den Rändern 17L, 17R verbunden sind. Wenn die Kugelmutter 21 auf der Schneckenwelle 20 rotiert, wobei die Kugeln zwi­ schen der Schneckenwelle 20 und der Kugelmutter 21 in den Schraubengängen umlaufend rollen, so wird die Schneckenwelle 20 zur Lenkung der Räder 17L, 17R axial bewegt. Das Übertra­ gungszahnrad 20 kämmt mit einem Antriebszahnrad 23, das zur Drehung der Kugelmutter 21 über das Übertragungszahnrad 20 angetrieben wird.

Das Antriebszahnrad 23 ist fest auf einer parallel zur Schneckenwelle 20 montierten drehbaren Welle 24 montiert. Diese Welle 24 ist fest und konzentrisch mit den Ausgangswel­ len von zwei Lenkmotoren 25L, 25R verbunden. Diese Lenkmoto­ ren 25L, 25R sind elektrisch mit der Steuerschaltung 13 verbunden und mit Stromsensoren 40L, 40R (Fig. 2) versehen, welche durch die Lenkmotoren 25L, 25R fließende elektrische Ströme detektieren. Die Stromsensoren 40L, 40R sind weiterhin mit der Steuerschaltung 13 verbunden und liefern ein Maß für die durch die Lenkmotoren 25L, 25R fließenden Ströme dar­ stellende Detektorsignale für die Steuerschaltung 13.

Mit den Achsschenkeln 18L, 18R sind Axialkraftsensoren 26L, 26R kombiniert. Die Kugelmutter 21 enthält einen Absolutstel­ lungssensor 27 (Fig. 2) in Form eines Analogsensors, wie beispielsweise eines Potentiometers. Den Lenkmotoren 25L, 25R sind Lenkwinkelsensoren 28L, 28R zugeordnet. Diese Sensoren sind elektrisch mit der Steuerschaltung 13 verbunden.

Die Axialkraftsensoren 26L, 26R detektieren Lenkreaktions­ kräfte von den steuerbaren Rädern 17L, 17R und liefern ein Maß für die detektierten Lenkreaktionskräfte darstellende Detektorsignale für die Steuerschaltung 13. Der Absolutstel­ lungssensor 27 liefert ebenso wie der erste Lenkwinkelsensor 14 ein Detektorsignal für die. Steuerschaltung 13, das ein Maß für einen Winkel ist, um den die Kugelmutter 21 sich aus der neutralen Stellung gedreht hat, d. h. das Signal ist ein Maß für einen Winkel (δ), um den die Räder 17L, 17R aus ihrer neutralen Stellung gelenkt sind. Die Lenkwinkelsensoren 28L, 28R liefern ebenso wie der zweite Lenkwinkelsensor 15 ein impulsförmiges Signal für die Steuerschaltung 13, das sich aus einer Anzahl von Impulsen pro Drehwinkeleinheit der Aus­ gangswellen der Lenkmotoren 25L, 25R zusammensetzt, d. h. es handelt sich um ein Signal pro Lenkwinkeleinheit der Räder 17L, 17R. Die Steuerschaltung 13 berechnet den Lenkwinkel der Räder 17L, 17R aus den vom Absolutstellungssensor 27 und den Lenkwinkelsensoren 28L, 28R gelieferten Detektorsignalen.

Die Steuerschaltung 13 ist weiterhin mit einem Anzeigeinstru­ ment 29, einem Zündschalter 30 sowie einer Batterie 31 elek­ trisch verbunden. Das Anzeigeinstrument 29 dient zur Anzeige einer Relativabweichung bzw. Differenz zwischen dem Lenkwin­ kel θ des Lenkrades 11 und dem Lenkwinkel der Räder 17L, 17R auf der Basis eines Ausgangssignals der Steuerschaltung 13.

Gemäß Fig. 2 enthält die Steuerschaltung 13 zwei Regler 13a, 13b, welche jeweils durch einen Mikrocomputer in Form eines integrierten Schaltkreises, einen Speicher, einen A/D-Umset­ zer, einen Taktgenerator usw. gebildet sind, wobei diese beiden Regler 13a, 13b miteinander verbunden sind. Mit den Reglern 13a, 13b sind Überwachungszeitgeber 32a, 32b verbun­ den. Die Sensoren 14, 15, 16, 26L, 26R, 27, 28L, 28R, 40L, 40R und 41 sind ebenfalls mit den Reglern 13a, 13b verbunden. Weiterhin sind mit den Reglern 13a, 13b ein Motorfahrzeug- Geschwindigkeitssensor 33, ein Giergeschwindigkeitssensor 34 und ein Querbeschleunigungssensor 88 verbunden. Schließlich sind mit den Reglern 13a, 13b ein Motortreiber 35 für den Reaktionsmotor 12 sowie Motortreiber 36L, 36R für die Lenkmo­ toren 25L, 25R verbunden.

Der Motorfahrzeug-Geschindigkeitssensor 33 detektiert die Motorfahrzeuggeschwindigkeit und liefert ein ein Maß für die Motorfahrzeuggeschwindigkeit darstellendes Detektorsignal für die Regler 13a, 13b. Der Giergeschwindigkeitssensor 34 detek­ tiert die Giergeschwindigkeit (γ) des Motorfahrzeugs und liefert ein ein Maß für die Giergeschwindigkeit darstellendes Detektorsignal für die Regler 13a, 13b. Der Querbeschleuni­ gungssensor 88 detektiert die quer auf das Motorfahrzeug wirkende Querbeschleunigung (G) und liefert ein ein Maß für die Querbeschleunigung darstellendes Detektorsignal für die Regler 13a, 13b. Der Giergeschwindigkeitssensor 34 sowie der Querbeschleunigungssensor 88 dienen als Einrichtung zur De­ tektierung eines Störverhaltens des Motorfahrzeuges.

Die Regler 13a, 13b verarbeiten gleichzeitig die Signale von den Sensoren gemäß einem vorgegebenen Programm und liefern PWM-Treibersignale (Puls-Breiten-modulierte Signale) für die Treibermotoren 35, 36L, 36R sowie ein Ansteuersignal für das Anzeigeinstrument 29. Die Überwachungszeitgeber 32a, 32b überwachen Intervalle, in denen das Programm durch die Regler 13a, 13b abgearbeitet wird, oder Funktionsperioden von inter­ nen Zeitgebern der Regler 13a, 13b für jede mögliche Fehl­ funktion der Regler 13a, 13b. Die Regler 13a, 13b führen weiterhin einen Diagnoseprozeß für sich durch bzw. prüfen sich selber hinsichtlich eines Fehlers auf der Basis von Daten von den Überwachungszeitgebern 32a, 32b. Im Falle eines Fehlers schalten die Regler 13a, 13b einen Fehlfunktionsab­ schnitt ab und steuern das Motorfahrzeug-Lenksystem weiter.

Die Motortreiber 35, 36L, 36R umfassen jeweils eine Brücke von Feldeffekttransistoren. Der Motortreiber 35 ist mit dem Reaktionsmotor 12 verbunden, während die Motortreiber 36L, 36R mit den Lenkmotoren 25L, 25R verbunden sind. Die Motor­ treiber 35, 36L, 36R erhalten die PWM-Treibersignale von den Reglern 13a, 13b und liefern elektrische Ströme mit Impuls­ pausenverhältnissen entsprechend den zugeführten PWM-Treiber­ signalen für die Motoren 12, 25L, 25R.

Das Motorfahrzeug-Lenksystem ist ein Leitungssteuersystem, in dem das Lenkrad 11 sowie die lenkbaren Räder 17L, 17R mecha­ nisch entkoppelt, für die Lenkung der Räder 17L, 17R jedoch elektrisch miteinander verbunden sind. Das Leitungssteuer- Motorfahrzeug-Lenksystem besitzt einen funktionalen Aufbau gemäß Fig. 3. Gemäß dieser Fig. 3 werden die Lenkwirkung des Lenkrades 11 und der Lenkwinkel δ 17L, 17R über eine Rück­ kopplungssteuerung auf der Basis des Lenkwinkels δ des Lenkrades 11 gesteuert. Weiterhin werden die Giergeschwindig­ keit γ des Motorfahrzeuges, die auf das Motorfahrzeug wirken­ de Querbeschleunigung G und die Steuerreaktionskräfte F von den Rädern 17L, 17R detektiert, wobei die auf das Lenkrad 11 wirkende Lenkreaktionskraft auf der Basis der Giergeschwin­ digkeit γ, der Querbeschleunigung G, der Lenkreaktionskräfte F von den Rädern 17L, 17R und dem Lenkwinkel θ des Lenkrades 11 gesteuert wird.

Für die Steuerung der auf das Lenkrad 11 wirkenden Lenk­ reaktionskraft wird der Lenkwinkel θ über eine Funktion f1 in eine Lenkwinkelkomponente T1, eine über einen Laplace- Operator S erzeugte Lenkgeschwindigkeit dθ/dt über eine Funktion f2 in eine Dämpfungskomponente T2, die Giergeschwin­ digkeit γ über eine dritte Funktion F3 in eine erste Motor­ fahrzeugverhalten-Störunterdrückungskomponente T3, die Querbeschleunigung D über eine dritte Funktion f4 in eine zweite Motorfahrzeugverhalten-Störunterdrückungskomponente T4 umgesetzt, während die Lenkreaktionskräfte F der Räder 17L, 17R über eine Funktion f5 in eine Straßenkomponente T5 umge­ setzt werden. Diese Funktionen f1, f2, f3, f4, f5 sind linea­ re Funktionen, deren Gradienten sich in Abhängigkeit von der Motorfahrzeuggeschwindigkeit ändern, wie dies in den Fig. 5(A), 5(B), 5(C), 5(D) und 5(E) dargestellt ist. Es ist je­ doch auch möglich, lineare Funktionen zu verwenden, welche sich in Abhängigkeit von der Motorfahrzeuggeschwindigkeit nicht ändern. Darüber hinaus sind auch andere Funktionen anwendbar.

Sodann wird aus den vorgenannten Komponenten T1-T5 der auf das Lenkrad 11 wirkenden Lenkreaktionskraft eine Ziel-Lenk­ reaktionskraft Ts gemäß folgender Gleichung bestimmt:
Ts = T1 + T3 + T4+ T5 + T2.

Das Ausgangsdrehmoment des Reaktionsmotors 12, d. h. die auf das Lenkrad 11 wirkende Lenkreaktionskraft wird dabei so gesteuert, daß sie unter der Wirkung der Rückkopplungssteue­ rung die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts erreicht. In der vorste­ henden Gleichung bezeichnet das positive Vorzeichen die Richtung einer gegen die Lenkwirkung des Lenkrades 11 in einer Richtung einwirkende Widerstandskraft.

Gemäß Fig. 3 dient eine Funktion L als Begrenzung des Abso­ lutwertes der Ziel-Lenkreaktionskraft Ts in einem vorgegebe­ nen Bereich. Gemäß Fig. 3 sind die Funktionen f1-f5 Transferfunktionen, welche durch lineare Funktionen reali­ siert werden können. In der Praxis können diese Funktionen in Abhängigkeit von verschiedenen Spezifikationen des Motorfahr­ zeuges eine Wichtung enthalten oder sie können unter Verwen­ dung von Tabellen oder Speicherinhalten berechnet werden. Die in Fig. 3 gestrichelt eingefaßten Teile entsprechen der Steuerschaltung nach Fig. 2.

Das Motorfahrzeug-Lenksystem steuert die auf das Lenkrad 11 wirkende Lenkreaktionskraft gemäß einer Steuersequenz nach Fig. 4, die in vorgegebenen periodischen Intervallen wieder­ holt abgearbeitet wird. Gemäß Fig. 4 werden die Ausgangssi­ gnale von den verschiedenen Sensoren in einem Schritt S1 gelesen und die Giergeschwindigkeit γ, die Querbeschleunigung G, die Motorfahrzeuggeschwindigkeit, das auf das Lenkrad 11 wirkende Lenkdrehmoment, der Lenkwinkel des Lenkrades 11 und weitere Daten in einem Schritt S2 festgelegt. Sodann werden in einem Schritt S3 die Reaktionskraftkomponenten T1-T5 gemäß den Datentabellen nach den Fig. 5(A)-5(E) festge­ legt und in einem Schritt S4 gemäß der obigen Gleichung eine Ziel-Lenkreaktionskraft Ts berechnet.

Danach wird in einem Schritt S5 bestimmt, ob die Ziel-Lenk­ reaktionskraft Ts größer als ein vorgegebener Wert T_max ist oder nicht. Ist die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts größer als der vorgegebene Wert T_max, so wird die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts in einem Schritt S6 auf den vorgegebenen Wert T_max als oberer Grenzwert gesetzt. In einem nächsten Schritt S7 wird be­ stimmt, ob die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts kleiner als ein vorgegebener Wert - T_max ist oder nicht. Ist die Ziel-Lenk­ reaktionskraft Ts kleiner als der vorgegebene Wert - T_max, so wird die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts in einem Schritt S8 auf den vorgegebenen Wert - T_max als unterer Grenzwert gesetzt. Schritte S5, S6, S7 und S8 entsprechen der Begrenzerfunktion L gemäß Fig. 3.

Danach wird in einem Schritt S9 der Reaktionsmotor 12 im Sinne der Angleichung des durch ihn erzeugten Ausgangsdrehmo­ mentes, d. h. der auf das Lenkrad 11 wirkenden Lenkreaktions­ kraft an die Ziel-Lenkreaktionskraft Ts rückkoppelnd gesteuert.

Wie oben beschrieben, enthält die durch den Reaktionsmotor 12 auf das Lenkrad 11 ausgeübte Lenkreaktionskraft die Komponen­ te T3 entsprechend der Giergeschwindigkeit γ des Motorfahr­ zeugs sowie die Komponente T4 entsprechend der Querbeschleu­ nigung G, wobei die Lenkreaktionskraft dazu tendiert, das Lenkrad 11 in eine Richtung im Sinne der Unterdrückung der Giergeschwindigkeit γ und der Querbeschleunigung G zu drehen. Dabei dient die Lenkreaktionskraft als Lenkdrehmoment zur Drehung des Lenkrades 11. Wirkt eine Störung, wie bei­ spielsweise Seitenwind, auf das Motorfahrzeug, wodurch das Motorfahrzeug gegiert bzw. sich quer bewegt, wird das Lenkrad 11 automatisch im Sinne der Stabilisierung des Motorfahrzeugs gegen ein solches Stör-Motorfahrzeugverhalten gedreht, selbst wenn der Fahrer das Lenkrad 11 nicht hält. Hält der Fahrer das Lenkrad 11, so kann er es unter dem durch den Reaktions­ motor 12 erzeugten Drehmoment laufen lassen, so daß das Mo­ torfahrzeug gegen das Stör-Motorfahrzeugverhalten stabilisiert wird.

Bei geradeaus fahrendem Motorfahrzeug hält der Treiber das Lenkrad 11 leicht in seiner neutralen Stellung. Wirkt dabei ein Seitenwind auf das Motorfahrzeug, so wird dieses in eine andere Richtung gezwungen, wobei die Richtungsänderung durch die Einrichtung zur Detektierung eines Stör-Motorfahrzeugver­ haltens detektiert wird. Der Reaktionsmotor 12 wird daher im Sinne einer Lenkreaktionskraft (Lenkdrehmoment) gesteuert, welche das Lenkrad 11 dreht, wodurch die Räder 17L, 17R so gesteuert werden, daß sie das Motorfahrzeug auf den geraden Kurs zurückführen. Bei generellen Motorfahrzeug-Fahrzuständen einschließlich der vorgenannten Geradeausfahrt kann der Fah­ rer ein Stör-Motorfahrzeugverhalten, wie beispielsweise eine Gierbewegung oder eine Querbeschleunigung, über die vom Reak­ tionsmotor 12 auf das Lenkrad 11 ausgeübte Lenkreaktionskraft bzw. über das Lenkdrehmoment fühlen. Der Fahrer kann jedoch unabhängig davon das Motorfahrzeug durch Drehen oder Halten des Lenkrades 11 gegen das Lenkdrehmoment, das der Reaktions­ motor 12 auf das Lenkrad 11 ausübt, selbst steuern.

Die Fig. 6(A) und 6(B) zeigen den Wirkungsgrad des erfin­ dungsgemäßen Motorfahrzeug-Lenksystems im Vergleich zu einem konventionellen Motorfahrzeug-Lenksystem. In den beiden Dia­ grammen nach Fig. 6(A) und 6(B) sind für bei Geradeausfahrt des Motorfahrzeugs gemessene Daten auf der Abszisse die Fahr­ strecke X für das geradeaus fahrende Fahrzeug und auf der Ordinate die Strecke Y in Richtung senkrecht zur Fahrtrich­ tung aufgetragen.

Erfährt das Motorfahrzeug eine Störung beispielsweise durch Seitenwind, ohne daß der Fahrer das Lenkrad hält, bewegt sich das Motorfahrzeug unter Steuerung durch das erfindungsgemäße Motorfahrzeug-Lenksystem längs eines Weges A, wobei sich lediglich das Giermoment in dem auf das Lenkrad wirkenden Lenkdrehmoment niederschlägt. Bei Bewegung des Fahrzeuges längs eines Weges B unter Steuerung durch das erfindungsge­ mäße Motorfahrzeug-Lenksystem schlägt sich lediglich die Querbeschleunigung in dem auf das Lenkrad wirkenden Lenkdreh­ moment nieder. Ein durch das konventionelle Motorfahrzeugs Lenksystem gesteuerte Motorfahrzeug wird dagegen weit stärker durch Seitenwind beeinflußt, wie sich dies aus der Kurve C ergibt.

Erfährt das Motorfahrzeug eine Störung beispielsweise durch Seitenwind, während der Fahrer das Steuerrad hält, so bewegt sich das Motorfahrzeug gemäß Fig. 6(B) unter Steuerung durch das erfindungsgemäße Motorfahrzeug-Lenksystem längs einer Kurve D, bei der sich lediglich das Giermoment in dem auf das Lenkrad wirkenden Lenkdrehmoment niederschlägt. Bei Bewegung des Motorfahrzeuges längs einer Kurve E unter Steuerung durch das erfindungsgemäße Motorfahrzeug-Lenksystem schlägt sich lediglich eine Querbeschleunigung in dem auf das Lenkrad wirkenden Lenkdrehmoment nieder. Die Kurven D und E zeigen eine weit geringere Beeinflussung durch Seitenwind als eine Kurve F, längs der sich das Motorfahrzeug bei Steuerung durch das konventionelle Motorfahrzeug-Lenksystem bewegt.

Bei einer normalen Kurve erfährt das Motorfahrzeug eine Quer­ beschleunigung und ein Giermoment, so daß der Reaktionsmotor 12 im Sinne der Erzeugung eines Lenkdrehmomentes in Richtung einer Reduzierung der Querbeschleunigung und des Giermomen­ tes, d. h. in einer Richtung zur Rückführung des Motorfahrzeu­ ges in eine gerade Fahrt gesteuert wird. Für die Rückkehr in die gerade Fahrt kann der Fahrer das Lenkrad unter der Wir­ kung des Lenkdrehmomentes so lange graduell zurückdrehen, bis das Motorfahrzeug in die gerade Fahrt zurückgelenkt ist. Für den Fall einer abrupten Übersteuerung des Motorfahrzeuges übt das Motorfahrzeug-Lenksystem ein starkes Lenkdrehmoment im Sinne einer Rücklenkung des Motorfahrzeuges aus, so daß der Fahrer das Motorfahrzeug leicht gegensteuern kann. Wenn das Motorfahrzeug driftet, wenn das durch das Motorfahrzeug-Lenk­ system auf das Lenkrad ausgeübte Lenkdrehmoment klein ist, kann der Fahrer das Motorfahrzeug zusätzlich steuern.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Lenkreaktionskraft bzw. das Lenkdrehmoment auf der Basis sowohl der Giergeschwindigkeit als auch der Querbeschleuni­ gung auf das Lenkrad 11 ausgeübt. Die auf das Lenkrad 11 wirkende Lenkreaktionskraft kann jedoch auch lediglich nur auf der Giergeschwindigkeit oder der Querbeschleunigung beru­ hen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Motorfahrzeug-Lenksystems. Diejenigen Teile in Fig. 7, welche mit Teilen nach den Fig. 1 und 2 identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal im einzelnen beschrieben.

Gemäß Fig. 7 ist eine Lenksäule 11a eines Lenkrades 11 mecha­ nisch über Gelenke 91 mit einem Lenkmechanismus 19 verbunden, so daß das Steuerrad 11 mechanisch mit steuerbaren Rädern 17L, 17R verbunden ist. Der Steuermechanismus 19 umfaßt einen Zahnstangenantriebsmechanismus mit einem einen Sensor 94 zur Detektierung eines Lenkdrehmomentes und eines Lenkwinkels aufweisenden Antriebsritzel sowie eine mit einem Kugelschrau­ benmechanismus 90 in Wirkverbindung stehende Zahnstange, wobei der Mechanismus 90 seinerseits durch einen Motor 95 betätigt wird. Wird der Motor erregt, so prägt er dem Kugel­ schraubenmechanismus 90 ein unterstützendes Lenkdrehmoment auf, wodurch die Zahnstange axial bewegt wird, um die Räder 17L, 17R über die Achsschenkel 18L, 18R zu lenken. Der Motor 95 ist elektrisch mit einem Motortreiber 96 verbunden, wel­ cher den Motor 95 zur Erzeugung des unterstützenden Lenkdreh­ momentes erregt.

Der Motortreiber 96 ist mit einem Regler 13 verbunden, der seinerseits mit einem Giergeschwindigkeitssensor 34 und einem Querbeschleunigungssensor 88 gekoppelt ist. Ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dient der Giergeschwindig­ keitssensor 34 zur Detektierung einer Giergeschwindigkeit des Motorfahrzeugs und der Querbeschleunigungssensor 88 zur De­ tektierung einer auf das Motorfahrzeug wirkenden Querbe­ schleunigung. Die Fahrtgeschwindigkeit des Motorfahrzeuges wird durch einen Motorfahrzeugsensor 33 detektiert. Die De­ tektorsignale von den Sensoren 94, 34, 88, 33 werden in den Regler 13 eingespeist. Auf der Basis der von den Sensoren eingespeisten Signale liefert der Sensor 13 ein Steuersignal für den Motortreiber 96 zur Steuerung des Motors 95.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist das Lenkrad 11 mecha­ nisch mit den Rädern 17L, 17R gekoppelt. Während die Räder 17L, 17R mittels des Lenkrades 11 direkt gesteuert werden können, wird der Motor 95 erregt, um sein Ausgangs-Lenkdreh­ moment über den Kugelschraubenmechanismus 90 auf die Zahn­ stange zu übertragen, wodurch die Lenkung der Räder 17L, 17R unterstützt wird. Der Motor 95 legt das unterstützende Lenk­ drehmoment sowie die auf das Lenkrad 11 ausgeübte Lenkreak­ tionskraft fest. Gemäß Fig. 8 werden ein Lenkdrehmoment Ts, eine Giergeschwindigkeit sowie eine Querbeschleunigung detek­ tiert, wobei das Ausgangsdrehmoment des Motors M (entspre­ chend dem Motor 95 nach Fig. 7) auf der Basis der genannten detektierten Größen gesteuert wird. Speziell wird ein Ziel­ drehmoment als Summe von zwei aus dem Lenkdrehmoment festge­ legten Komponenten, einer über eine Transferfunktion aus der Giergeschwindigkeit festgelegten Komponente und einer über eine Transferfunktion aus der Querbeschleunigung festgelegten Komponente definiert, wobei das Ausgangsdrehmoment des Motors M auf das Zieldrehmoment hin gesteuert wird. Ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel werden daher die Räder 17L, 17R in einer Richtung im Sinne einer Unterdrückung des Giermomentes und der Querbeschleunigung gesteuert, wenn ein Giermoment und eine Querbeschleunigung auf das Motorfahrzeug wirkt, und zwar unabhängig davon, ob das Lenkrad 11 durch den Fahrer wirklich gedreht wird oder nicht. Das Lenkrad 11 wird also automatisch im Sinne einer Stabilisierung des Motorfahrzeugs gegen ein Stör-Motorfahrzeugverhalten gedreht.

Gemäß Fig. 8 besitzt der Lenkradmechanismus eine Lenksäulen- Transferfunktion A, wobei J₁ das Trägheitsmoment des Lenkra­ des 11, S ein Laplace-Operator, D₁ eine Lenksäulendämpfung und K₁ eine Drehmomentsensor-Torsionsfederkonstante bedeuten. Der Lenkmechanismus besitzt eine Getriebetransferfunktion B, worin J die Summe des Trägheitsmomentes I₂ der Räder 17L, 17R, J₃ das Trägheitsmoment des Rotors des Motors M, D₂ die Motorwellendämpfung, K₁ eine Drehmomentsensor-Torsionsfeder­ konstante und K₂ eine Reifen-Torsionsfederkonstante bedeuten. Die Reifen besitzen eine Charakteristik C, worin D₃ die Rei­ fendämpfung ist. Der Motor M besitzt eine elektrische Charak­ teristik, worin KT eine Drehmomentkonstante, L eine Indukti­ vität, R einen elektrischen Widerstand und Ke eine elektromo­ torische Gegenkraftkonstante bedeuten. Weiterhin bedeuten in Fig. 8 a die Lenkgeschwindigkeitsverstärkung des Lenkrades 11, b die Drehmomentverstärkung, Kγ einen Giergeschwindig­ keits-Reaktionskoeffizienten und K_G einen Querbeschleuni­ gungs-Reaktionskoeffizienten. Die in Fig. 8 gestrichelt eingefaßten Komponenten entsprechen dem Regler 13 nach Fig. 7.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ist die sich auf die Komponente der Lenkreaktionskraft beziehende Trans­ ferfunktion, welche dem Lenkwinkel entspricht, für die Gier­ geschwindigkeit und die Querbeschleunigung unterschiedlich, so daß das Fahrzeug besser stabilisiert werden kann. Sind darüber hinaus die Transferfunktionen lineare Funktionen, so können die Lenkdrehmomentkomponenten durch Änderung der Gra­ dienten der linearen Funktionen eingestellt werden, wodurch sich ein großer wählbarer Bereich von Charakteristiken für eine große Motorfahrzeugstabilität ergibt.

Die weiteren Einzelheiten des Motorfahrzeug-Lenksystems nach den Fig. 7 und 8 entsprechen denjenigen des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels. Das Motorfahrzeug-Lenksystem gemäß den Fig. 7 und 8 ist generell einfacher als das Motorfahrzeug- Lenksystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

Hinsichtlich der vorstehenden Ausführungsbeispiele wurde lediglich die Steuerung des auf das Lenkrad wirkenden Lenk­ drehmomentes erläutert. Zusammen mit der Lenkdrehmomentsteue­ rung kann jedoch auch eine Lenkwinkelsteuerung durchgeführt werden. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind nicht nur bei durch einen Motor betriebenen, sondern auch bei hydraulisch betriebenen Motorfahrzeug-Lenksystemen anwendbar.

Claims (8)

1. Lenksystem zur Lenkung eines Motorfahrzeugs mittels eines wenigstens ein Rad (17L, 17R) lenkenden Lenkrads (11), mit einer mit dem Lenkrad (11) verbundenen Lenkbetätigungseinrichtung (12) zum Drehen des Lenkrads (11) und mit einer Sensoreinrichtung (34, 88) zur Detektierung eines durch eine auf das Motorfahrzeug wirkende Störung verursachten Verhaltens des Motorfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14, 15, S) zur Erfassung der Lenkwinkelgeschwindigkeit (dθ/_dt) des Lenkrads (11), durch eine Steueranordnung (13) zur Festlegung eines wenigstens von der durch die Sensoreinrichtung (34, 88) erfaßten Verhaltens des Motorfahrzeugs abhängigen Steuersignals (Ts), das eine die Lenkwinkelgeschwindigkeit (dθ/_dt) in vorgegebener Weise dämpfende Steuerkomponente (T2) enthält.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (34, 88) einen Giergeschwin­ digkeitssensor (34) zur Detektierung einer Gierge­ schwindigkeit als Störung aufweist.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (34, 88) einen Querbeschleu­ nigungssensor (88) zur Detektierung einer Querbe­ schleunigung als Störung aufweist.

4. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (34, 88) sowohl einen Gier­ geschwindigkeitssensor (34) zur Detektierung einer Giergeschwindigkeit als Störung als auch einen Querbe­ schleunigungssensor (88) zur Detektierung einer Quer­ beschleunigung als Störung aufweist.

5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (13) die Giergeschwindigkeit und die Querbeschleunigung gemäß vorgegebenen Funktionen in entsprechende Komponenten umsetzt und die Komponenten zum Steuersignal (T_s) addiert.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Lenkmechanismus (19) zur Lenkung des wenigstens einen Rads (17L, 17R) in Abhängigkeit von der Lenkwirkung des Lenkrads (11).

7. Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkmechanismus (19) elektrisch mit dem Lenk­ rad (11) verbunden ist.

8. Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch
eine Sensoreinrichtung (16; 94) zur Detektierung eines von dem Lenkrad (11) auf das Rad (17L, 17R) ausgeübten Lenk­ drehmoments,
eine Sensoreinrichtung (33) zur Detektierung der Fahrge­ schwindigkeit des Motorfahrzeugs,
eine von den Sensoreinrichtungen (16; 94-33-34 und/oder 88) gesteuerte Motoranordnung (25L, 25R; 95) zur von dem Lenkrad (11) gesteuerten Lenkung oder zusätzlich zur Lenkung durch das Lenkrad (11) gesonderten Lenkung des wenigstens einen Rads (17L, 17R),
eine von den Sensoreinrichtungen (16; 94-33-34 und/oder 88) gesteuerte Steuerschaltung (in 13) zur Berechnung des auf das wenigstens eine Rad (17L, 17R) in seiner Lenkrichtung tatsächlich einwirkende Drehmoments (T_s) und
eine von der Steuerschaltung (in 13) gesteuerte Begren­ zungsschaltung (L), die dieses Drehmoment (T_s) in vorge­ gebenen Grenzen (-T_max . . . +T_max) hält bzw. in vorgegebene Grenzen (-T_max . . . + T_max) rückführt.