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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Straßenkraftfahrzeuge, die mit
einem Lenksystem versehen sind, bei dem der Lenkeinschlag aller
gelenkten Räder
von einem ihm eigenen Stellglied gesteuert werden. Unter den bekannten
elektrischen Lenksystemen gibt es zum Beispiel solche, die keine
mechanische Verbindung zwischen den gelenkten Rädern und dem Lenkrad haben,
und die ebenfalls keine mechanische Verbindung haben, um den Lenkeinschlag zwischen
den gelenkten Rädern
selbst zu synchronisieren.
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Es
sind elektrische Lenksysteme bekannt, die für jedes gelenktes Rad ein eigenes
elektrisches Stellglied aufweisen, wobei das Lenksystem fähig ist, wahlweise
jedes der gelenkten Räder
um einen für
es spezifischen Winkel einzuschlagen, wobei die Kohärenz der
Lenkeinschläge
durch die Steuerelektronik gewährleistet
wird. Man bezieht sich zum Beispiel auf das Patent
US 6015193 A , das dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 entspricht. Das elektrische Stellglied jedes Rads
hat die Funktion, dem betreffenden Rad den von der Steuerelektronik
gewählten
Lenkwinkel aufzuzwingen. Die dem Fahrer des Fahrzeugs zur Verfügung stehende
Lenksteuerung kann ein traditionelles Lenkrad oder ein Steuerhebel
von der Art Steuerknüppel
(Joystick) oder jede andere geeignete Vorrichtung sein. Die vom
Fahrer des Fahrzeugs seiner Steuervorrichtung erteilten Befehle
werden an die Steuerelektronik gesendet, die mit geeigneten Programmen
geladen ist, um das oder die Stellglieder in geeigneter Weise steuern
zu können.
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Es
ist einer der Vorteile dieser Technologie, dass sie sich ideal mit
der Elektronik und der Informatik verbindet, deren Fortschritte
immer anspruchsvollere Regelungen erlauben, wodurch es möglich ist, den
Lenkeinschlag der Räder
nicht nur unter die Kontrolle der manuellen Steuerung, sondern auch
unter die Kontrolle eines Sicherheitssystems zu bringen. So kann
man zum Beispiel den gelenkten Rädern
einen Winkel verleihen, der nicht nur den Befehl des Fahrers des
Fahrzeugs, sondern auch die dynamischen Parameter berücksichtigt,
die am Fahrzeug beobachtet werden.
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Durch
die elektrische Lenkung öffnet
sich ein wesentlich weiteres Feld von Möglichkeiten, um auf die Spurstabilität eines
Fahrzeugs einzuwirken. Während
zum Beispiel heute ein automatisches Spurkorrektursystem des Fahrzeugs
mittels der Bremsen eines oder mehrerer Räder korrigierende Giermomente
verleiht, würde
der Übergang
zu elektrischen Steuerungen der verschiedenen Funktionen in einem Fahrzeug
das Einwirken auf den Lenkwinkel der verschiedenen gelenkten Räder des
Fahrzeugs erlauben, um ihre Spur zu korrigieren.
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Das
Lenksystem eines Fahrzeugs ist aber eine wesentliche und sicherheitsrelevante
Funktion, wie die Bremsen. Damit es die mechanischen Lenkungen,
Servolenkungen oder nicht, die heute praktisch universal bei allen
Straßenfahrzeugen
eingesetzt werden, ersetzen kann, ist es daher wesentlich, dass
ein elektrisches Lenksystem äußerst sicher
ist. Folglich werden im Allgemeinen redundante elektrische Systeme
konzipiert, um einen permanenten Betrieb des Systems zu gewährleisten,
selbst wenn eine seiner Komponenten ausgefallen ist. Dies versteht man
unter einem fehlertoleranten System. So sind zum Beispiel die elektrischen
Teile der Rad-Stellglieder vorzugsweise redundant. In dieser Hinsicht
wird zum Beispiel auf die Patentanmeldung
US 2003/0098197 verwiesen, die
ein Beispiel eines redundanten Systems zur Steuerung einer elektrischen Lenkung
angibt.
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Man
kann das Auftreten eines Ausfalls einer Hauptkomponente jedoch nie
völlig
ausschließen. Zum
Beispiel kann ein elektrisches Rad-Stellglied in einer bestimmten
Winkelposition blockiert bleiben. Oder es kann einen Stromausfall
haben, derart, dass es eine indifferente Winkelposition einnimmt,
eine Situation, in der es unfähig
ist, Lenkkräfte
(oder Kräfte zur
Beibehaltung der Geradeausfahrt) zu übertragen.
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Es
ist also das Ziel der Erfindung, bei einem völligen Ausfall eines elektrischen
Stellglieds an einem der gelenkten Räder die Spursteuerung des Fahrzeugs
gemäß dem Wunsch
des Fahrers so weit wie möglich
aufrechtzuerhalten, zumindest um das Fahrzeug da parken zu können, wo
seine Insassen in Sicherheit sind.
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Die
Erfindung schlägt
ein Fahrzeug-Lenksystem vor, bei dem der Lenkeinschlag aller gelenkten
Räder von
einem ihm eigenen Stellglied gesteuert wird, wobei das Systems mindestens
einen dem Fahrer zur Verfügung
stehenden Lenksteuerungshebel aufweist, um auf die Spur des Fahrzeugs
einzuwirken, wobei jedes gelenkte Rad mit Messmitteln versehen ist,
die es ermöglichen,
den Lenkwinkel des gelenkten Rads zu schätzen, wobei das System aufweist:
- • ein
Steuergerät
mit mindestens einem normalen Betriebsmodus, in dem das Steuergerät für jedes gelenkte
Rad einen Sollwert des normalen Lenkwinkels zumindest in Abhängigkeit
von der Einwirkung des Fahrers auf seinen Steuerhebel bestimmt,
und mit mindestens einem Notbetriebmodus, der bei einem Ausfall
eines Rad-Stellglieds aktiviert
wird;
- • Mittel
zur Erfassung des Ausfalls eines Rad-Stellglieds, die den Notbetriebmodus
aktivieren und die Lokalisierung desjenigen Rads am Fahrzeug an
das Steuergerät übertragen,
dessen Stellglied ausgefallen ist;
dadurch gekennzeichnet,
dass im Notbetriebmodus, der bei einem Ausfall eines gegebenen Rad-Stellglieds
aktiviert wird, das Steuergerät
mindestens einen Sollwert des Ausgleichslenkeinschlags für ein anderes
gelenktes Rad bestimmt.
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Natürlich bieten
die Lenkungen mit elektrischem Stellglied, die ansonsten den im
obigen Oberbegriff erwähnten
Merkmalen entsprechen, ein bevorzugtes Anwendungsfeld der Erfindung.
Dies ist aber nicht einschränkend
zu verstehen, da hydraulische Lenksysteme ebenfalls gemäß dem Vorschlag der
Erfindung konstruiert werden können.
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Ein
Rad-Stellglied hat zur Wirkung, durch die Regelung des Lenkwinkels
des gelenkten Rads, mit dem es verbunden ist, dem Fahrzeug einen
bestimmten Giermomentpegel zu verleihen. Wenn ein Rad-Stellglied
ausfällt,
wird dieser Giermomentpegel erfindungsgemäß durch Einwirkung auf den
Lenkeinschlag eines anderen Rads, ggf. mehrerer anderer Räder, und
außerdem
ggf. auf das Antriebs- und/oder Bremsmoment des einen oder anderen
Rads verliehen, einschließlich
ggf. von mehreren Rädern,
einschließlich
ggf. auf das Rad, dessen Lenk-Stellglied ausgefallen ist. Das Steuergerät selbst,
oder in Dialog mit einem Regelmodul der Stabilität des Fahrzeugs, bestimmt einen
oder mehrere geeignete Sollwerte des Ausgleichslenkeinschlags. Zum
Beispiel betrifft der Sollwert des Ausgleichslenkeinschlags das
auf der Achse, auf der ein gelenktes Rad ausgefallen ist, gegenüberliegende
gelenkte Rad.
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Es
ist bekannt, dass der Driftschub eines Reifens in erster Ordnung
vom Driftwinkel dieses Reifens abhängt. Im Kontext der vorliegenden
Erfindung wird durch den Ausdruck "Reifen" beliebig ein aufgepumpter Reifen oder
ein elastisches, nicht bereiftes Rad oder jeder hybride Gegenstand
dieser beiden Konzepte bezeichnet. Es ist auch bekannt, dass die
Spurstabilität
eines Fahrzeugs hauptsächlich
von den Querschüben
abhängt,
die sich auf jeder seiner Achsen entwickeln. Bei einem vierrädrigen Personenfahrzeug,
d.h. mit zwei Achsen, nimmt das Fahrzeug je nachdem, ob der Querschub
einer der Achsen sich bezüglich
des Querschubs der anderen Achse ändert, einen Gierwinkel an.
Sei es, um das Fahrzeug in Geradeausfahrt zu halten, oder um es
in eine Kurve zu führen,
sei es, um es trotz äußerer Störungen,
wie einem Seitenwind, durch das Einschlagen der Räder in seiner
Spur zu halten, geht es im Endeffekt immer darum, auf jeder der
Vorder- und Hinterachsen dieses Fahrzeugs Querschübe zu entwickeln,
die den Aktionen des Fahrers entsprechen, um dem Fahrzeug einen
bestimmten Giermomentpegel zu verleihen.
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Auf
jeder Achse ist der Gesamtquerschub die Addition der von jedem der
Reifen entwickelten Querschübe.
Wenn eines des elektrischen Stellglieder ausfällt, kann man nicht mehr mit
dem Reifen des betreffenden gelenkten Rads rechnen, um einen gewählten Querschub
zu entwickeln. Und das dynamische Gleichgewicht des Fahrzeugs ist
umso wichtiger für
die Sicherheit, je höher
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Es ist anzumerken, dass bei
einer Fortbewegung mit gehaltenen Geschwindigkeiten die Lenkwinkel
der Räder
immer relativ gering sind.
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Bei
einem Ausfall an einem der Stellglieder des gelenkten Rads einer
Achse schlägt
die Erfindung den Ausgleich durch Ändern des Lenkwinkels an einem
anderen gelenkten Rad, zum Beispiel dem gegenüber liegenden gelenkten Rad
der gleichen Achse, in die richtige Richtung vor. Zusätzlich schlägt die Erfindung
auch vor, bei einem Ausfall, der an einem der Stellglieder von gelenkten
Rädern
auftritt, auf die Gierbewegung einzuwirken, indem den Rädern mindestens
einer Achse andere Radmomente verliehen werden, wie es bei den unter
der Bezeichnung ESP bekannten Stabilitätskontrollsystemen der Fahrzeuge
geläufig
ist.
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Selbstverständlich bietet
der obige Vorschlag nur einen Notbetriebmodus, der nur als letztes Mittel
anzuwenden ist, wenn das System, das vorzugsweise Redundanzen in seinen
Steuerkanälen aufweist,
unfähig
geworden ist, an eines der gelenkten Räder Lenkwinkel entsprechend
entweder dem Willen des Fahrers oder entsprechend dem zu übertragen,
was ein elektronisches Spurverwaltungssystem des Fahrzeugs berechnet.
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Die
von der Erfindung vorgeschlagene Notbetrieb-Verwaltung bringt eine Lösung, die
es ermöglicht,
das dynamische Gleichgewicht des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten, natürlich nur
in den für
dieses Fahrzeug physikalisch möglichen
Grenzen. So lange man nicht die Sättigung des Driftschubs des
Reifens des gelenkten Rads erreicht hat, dessen elektrisches Stellglied
nicht ausgefallen ist, kann man den Lenkwinkel dieses gelenkten
Rads so ändern,
dass der Querschub, den das gelenkte Rad entwickelt, die Tendenz
hat, einen globalen Querschub der betrachteten Achse zu liefern,
der dem entspricht, was notwendig ist, um das Gleichgewicht des
Fahrzeugs zu gewährleisten,
d.h. die Summe der Querschübe,
die die zwei gelenkten Räder
der Achse im normalen Betriebsmodus entwickelt hätten.
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Natürlich kann
es bei dem ausgefallenen gelenkten Rad vorkommen, dass der Querschub
entsprechend dem Lenkwinkel dieses Rads dem entgegengesetzt ist,
was man als Querschub auf der betrachteten Achse wünscht. Natürlich kann
die Einführung
eines wie oben erläuterten
Ausgleichs auf dem funktionierenden Rad von einer Längsbremskraft
begleitet werden. Ziel dieses Notbetriebsmodus ist es aber nicht,
dem Fahrzeug die gleichen Fortbewegungsfähigkeiten zu verleihen, sondern
nur, es selbst im Fall eines schwerwiegenden Ausfalls eines wichtigen
Elements weiter führen
zu können,
um es unter den bestmöglichen
Sicherheitsbedingungen unter Berücksichtigung
der Situation des Fahrzeugs verlangsamen oder anhalten zu können.
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Die
Erfindung wird mit Hilfe der zwei beiliegenden Figuren veranschaulicht.
Es zeigen:
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1 ein
Schema des Einbaus eines elektrischen Lenksystems in ein vierrädriges Fahrzeug,
bei dem nur die Vorderachse eine Lenkachse ist;
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2 die
Situation dieses Fahrzeugs im Notbetriebsmodus.
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In 1 ist
schematisch ein Fahrzeug mit vier Rädern 1AvG , 1AvD , 1ArG und 1ArD dargerstellt, dessen Vorderachse
zwei gelenkte Räder
aufweist. Die Räder
sind mit 1AvG für das linke Vorderrad, 1AvD für das rechte Vorderrad, 1ArG für das linke Hinterrad und 1ArD für das rechte Hinterrad bezeichnet.
Die gelenkten Räder
sind auf einen Radhalter 11 montiert und schlagen um die
Achse 12 ein. Ein Steuerhebel 10 des Lenkeinschlags
ist fest mit dem Radhalter 11 verbunden montiert. Um die
Zeichnung zu vereinfachen, sind zwei gelenkte Räder und zwei mit Bremsen versehene
Räder dargestellt,
aber selbstverständlich können alle
Räder gelenkte
Räder sein,
sind alle Räder
natürlich
mit Bremsen versehen, und sind mindestens zwei, wenn nicht alle
vier Räder
Antriebsräder.
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Jedes
gelenkte Rad wird von einem elektrischen Stellglied 3 gelenkt,
das einerseits mit dem Aufbau oder Fahrgestell 33 des Fahrzeugs
und andererseits mit dem Hebel 10 verbunden ist, um den Lenkwinkel
des betrachteten Rads 1 zu steuern. Jedes Stellglied weist
zum Beispiel einen drehenden Elektromotor 30, eine Schraube/Mutter-Vorrichtung (nicht
dargestellt) und eine Gleitstange 32 auf, die selbst mit
dem Lenkeinschlag-Steuerhebel 10 verbunden ist. Jedes Stellglied
weist weiter einen Positionssensor 31 der Stange 32 auf,
der von dem Elektromotor des Stellglieds unabhängig ist. Er ermöglicht die
Messung der genauen Position der Gleitstange und durch geometrische
Konstruktion die Kenntnis des genauen Winkelposition des betrachteten
gelenkten Rads.
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Man
sieht auch ein Lenkrad 2, das mit einer Rückstellvorrichtung 20 in
Geradeausfahrt und mit einer Messvorrichtung des Lenkradwinkels 21 verbunden
ist.
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Ein
Steuergerät 6 ermöglicht es,
den Lenkeinschlag der gelenkten Räder in Abhängigkeit von verschiedenen
Parametern zu steuern, darunter natürlich der Lenkradwinkel (oder
die Position eines äquivalenten
Organs) und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Das Steuergerät 6 ist
mit geeigneten Programmen geladen, um in jedem Moment die Berechnung
eines geeigneten Lenkwinkels für
jedes der gelenkten Räder
durchzuführen,
und steuert das elektrische Stellglied 3 jedes der gelenkten
Räder.
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In
den 1 und 2 sind auch (nur hinten, um
die Zeichnung nicht zu überladen)
eine Bremsscheibe 40 und eine Bremsbacke 41 dargestellt,
die jedem der Räder
zugeordnet sind. Hier interessiert man sich für die Bremsen nur in dem Maße, indem
sie im Notbetrieb intervenieren können.
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Ein
Regelmodul 7 der Spurstabilität ermöglicht es in an sich bekannter
Weise, ein beliebiges Rad des Fahrzeugs wahlweise und unabhängig zu bremsen.
Dieses Modul analysiert die vom Steuergerät 6 und von Sensoren
wie einem Geschwindigkeitssensor 71 des Fahrzeugs, einem
Querbeschleunigungssensor 72 und einem Giersensor 73 kommenden
Signale, wobei diese Liste weder zwingend noch erschöpfend ist.
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2 veranschaulicht
eine Situation, in der das Fahrzeug nach rechts drehen soll, während das Stellglied
des rechten Vorderrads (in der Kurve innen liegendes Rad) ausgefallen
ist: Es ist in der Position der Geradeausfahrt blockiert. Das Steuergerät berechnet
für jedes
der gelenkten Räder
einen normalen Lenkwinkel α1AvG und α1AvD. Die Winkelpositionen, die die Räder hätten, wenn
sie die normalen Lenkwinkel α1AvG und α1AvD beachten würden, sind gestrichelt dargestellt.
Man sieht in durchgezogenen Linien das rechte Vorderrad, das in
der Position der Geradeausfahrt bleibt. Das Steuergerät 6 bestimmt für das linke
Vorderrad einen derartigen Sollwert des Ausgleichslenkeinschlags,
dass das linke Vorderrad so eingeschlagen wird, wie es in durchgezogenen
Linien dargestellt ist. In dieser Situation entwickelt das linke
Vorderrad einen starken Driftschub. Dieser Querschub ist zur rechten
Seite des Fahrzeugs gerichtet.
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Da
bei dieser Hypothese vom rechten Vorderrad angenommen wird, dass
es in der Position in Geradeausfahrt bleibt, wird dies von einem
Driftschub begleitet, der vom rechten Vorderrad entwickelt wird
und antagonistisch ausgerichtet ist, d.h. zur linken Seite des Fahrzeugs.
Die algebraische Addition der zwei antagonistischen Querschübe führt zu einem
resultierenden Querschub, der trotzdem nach rechts ausgerichtet
ist. Das Auftreten dieses Querschubs bewirkt einen Lenkeinschlag
des Fahrzeugs nach rechts.
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In
diesem Beispiel ist der Quertransfer der Lasten umso größer, wenn
das Fahrzeug sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Dann wird der
Beitrag zum globalen Querschub der Vorderachse in jedem Fall hauptsächlich vom
Querschub des linken Vorderrads bestimmt, dem am meisten belasteten
Rad der Achse, das in der Kurve außen liegt. Es ist eine ziemlich
günstige
Situation, in der der Notbetriebsmodus es ermöglicht, ein gutes dynamisches
Gleichgewicht des Fahrzeugs beizubehalten.
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Bei
der gegenteiligen Hypothese, bei der das ausgefallene elektrische
Stellglied dem in der Kurve außen
liegenden Rad entspricht, muss unter Berücksichtigung des oben erläuterten
Lasttransfers der Ausgleichswinkel-Sollwert für das gegenüber liegende gelenkte Rad um
so größer sein.
Unter Berücksichtigung
der Entlastung des betrachteten Luftreifens erreicht man aber sehr
viel schneller die Sättigung
des Querschubs, dessen der betrachtete Luftreifen fähig ist.
Trotzdem ermöglicht
die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verwaltung des Notmodus, das Fahrzeug unter wesentlich besseren
Sicherheitsbedingungen zu halten als sie bei Abwesenheit eines Ausgleichs
entstehen würden.
Außerdem
und vorzugsweise betätigt
in diesem Beispielsfall (Ausfall des Stellglieds des in der Kurve
außen
liegenden Vorderrads) das System über das Regelmodul 7 der Spurstabilität die Bremse
mindestens eines Rads des Fahrzeugs auf der Seite des Fahrzeugs,
zu der der Fahrer entsprechend seiner Einwirkung auf den Steuerhebel
die Gierbewegung richten möchte.
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Es
sei noch angemerkt, dass es wünschenswert
ist, dass durch die Gestaltung des Fahrzeugs und/oder seine Regelung
im Fall eines Stromausfalls eines Stellglieds ohne dessen mechanische
Blockierung das gelenkte Rad ziemlich frei einschlagen kann, um
nicht Gefahr zu laufen, dass sich Querschübe entwickeln, die sich den
Querschüben
widersetzen, die von dem gelenkten Rad entwickelt werden, dessen
Stellglied betriebsbereit ist. Insbesondere zu diesem Zweck ist
das elektrische Stellglied vorzugsweise umkehrbar. Außerdem ist
das Aufhängungsdiagramm
derart, dass ein Moment am Rad (Antrieb oder Bremse) keinen oder
nur wenig Lenkeinschlag induziert (zum Beispiel aufgrund des Drehpunkts
in der Achse oder eines Nachlaufwinkels und/oder einer Verlagerung,
die gering oder Null sind).
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Schließlich sei
angemerkt, dass es in dem Fall, in dem man auf das Moment an den
Rädern
einwirkt, vorteilhaft sein kann, ein Antriebsmoment an das eine
und/oder das andere der in der Kurve außen liegenden Räder anzuwenden,
sei es auch vorübergehend.
Schließlich
ist es im Fall einer Fehlfunktion eines Rad-Stellglieds vorzugsweise
angebracht, eine globale Verlangsamung des Fahrzeugs zu bewirken und
seine Geschwindigkeit zu begrenzen.
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In
einem besonderen Beispiel hängt
die Größe des Sollwerts
des Ausgleichslenkeinschlags von der Abweichung in Amplitude und
Vorzeichen zwischen dem normalen berechneten Lenkwinkel und dem
an dem gelenkten Rad gemessenen Lenkwinkel ab, dessen Stellglied
ausgefallen ist.
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In
einem anderen besonderen Beispiel hängt der Sollwert des Ausgleichslenkeinschlags
von der Lokalisierung des Rads, dessen Stellglied ausgefallen ist,
wobei die Lokalisierung entweder auf der linken Seite des Fahrzeugs
oder auf der rechten Seite des Fahrzeugs ist, bezüglich der
Gierbewegung des Fahrzeugs ab, die entweder nach links oder nach rechts
gerichtet ist.
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In
einem anderen besonderen Beispiel gibt es im Notbetriebsmodus, der
nach einem Ausfall eines einzigen Rad-Stellglieds einer gegebenen
Achse aktiviert wird, außerdem
einen Bremssollwert mindestens eines Rads des Fahrzeugs auf der
Seite des Fahrzeugs, in die der Fahrer gemäß seiner Einwirkung auf den
Steuerhebel das Fahrzeug ausrichten möchte.
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In
einem anderen besonderen Beispiel ist im Fall eines Ausfalls des
Stellglieds des Vorderrads auf der Innenseite der Kurve der Sollwert
des Ausgleichslenkeinschlags ein Lenkwinkel, der einem Bruchteil
mit gleichem Vorzeichen des berechneten normalen Lenkwinkels für das gelenkte
Rad entspricht, dessen Stellglied nicht ausgefallen ist.
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In
einem anderen besonderen Beispiel ist im Fall des Ausfalls des Stellglieds
des Vorderrads auf der Außenseite
der Kurve der Sollwert des Ausgleichslenkeinschlags ein Lenkwinkel,
der im Wesentlichen dem berechneten normalen Lenkwinkel für das gelenkte
Rad entspricht, dessen Stellglied nicht ausgefallen ist, wobei das
System außerdem die
Bremse mindestens eines Rads des Fahrzeugs auf der Seite des Fahrzeugs
aktiviert, zu der der Fahrer das Fahrzeug gemäß seiner Einwirkung auf den Steuerhebel
ausrichten möchte.