DE19738161A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines Gegenlenkzustands - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines GegenlenkzustandsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen
eines Gegenlenkzustands, und insbesondere auf eine Gegenlenkzustands
erfassungsvorrichtung, die dafür geeignet ist, in Kombination mit einem
Lenksteuersystem verwendet zu werden, das auf der Steuerung der Stärke
der nötigen Anstrengung des Fahrzeugfahrers (auf der Steuerung der vom
Fahrzeugfahrer aufzubringenden Kraft) zum Lenken des Fahrzeugs in
Abhängigkeit von dem Verhalten des Fahrzeugs beruht.
Elektrische Kraftlenksysteme können ein manuelles Lenksystem zum
Wandeln eines Drehwinkels eines Lenkrads in einen Lenkwinkel von
Laufrädern (Straßenrädern) sowie einen darin enthaltenen Elektromotor
zum Bereitstellen eines Hilfslenkmoments (Hilfslenkdrehmoments) an das
manuelle Lenksystem umfassen, so daß die vom Fahrzeugfahrer auf
zubringende Kraft bzw. die nötige Anstrengung zum Drehen des Lenkrads
reduziert wird. Derartige herkömmliche elektrische Kraftlenksysteme
berücksichtigten allerdings nicht Änderungen im Straßenzustand, von dem
der Widerstand gegen das Lenkbemühen abhängt, und es ist bekannt, daß
das Hilfsmoment dazu neigte, zu groß zu sein, wenn der Reibungskoeffi
zient zwischen der Straßenoberfläche und den Rädern niedrig ist, wie das
zum Beispiel dann der Fall ist, wenn die Straßenoberfläche mit Schnee
bedeckt ist. Ein übermäßiges Lenkhilfsmoment neigt dazu, übermäßige
Lenkmanöver zu verursachen und bewirkt Unbehagen und Unbequemlich
keiten für den Fahrzeugfahrer.
Um derartige Probleme zu überwinden bzw. ein derartiges übermäßiges
Lenken auf glatten Straßenoberflächen zu steuern/zu kontrollieren (ins
besondere zu vermeiden), wurde in einer am 28. August 1996 eingereich
ten US-Patentanmeldung (Nr. 08/704,968) des gleichen Anmelders vor
geschlagen, das Lenkhilfsmoment eines Kraftlenksystems in Abhängigkeit
von dem Straßenzustand, insbesondere dem Reibungskoeffizienten zwi
schen der Straßenoberfläche und den Rädern zu steuern.
Dieses zuvor vorgeschlagene System ist allerdings nur dann wirksam,
wenn der Lenkwinkel und der Seitenschlupfwinkel in der gleichen Richtung
zunehmen oder abnehmen. Diese Relation bzw. diese Bedingung ist zum
Beispiel dann nicht erfüllt, wenn das Fahrzeug in einen Gegenlenkzustand
übergegangen ist oder - in einem Extremfall - zu schleudern angefangen hat
aufgrund nicht ausreichender Seitenführungskraft der hinteren Räder und
der Fahrer des Fahrzeugs (dann) das Fahrzeug in der entgegengesetzten
Richtung zu der Kurvenfahrrichtung (Drehrichtung) des Fahrzeugs lenkt in
einem Versuch, wieder die Kontrolle über das Fahrzeug zu erlangen. Wenn
ein derartiger Gegenlenkzustand vorliegt, erzeugt das zuvor vorgeschlagene
System ein zusätzliches Lenkmoment, das dem Bemühen, das Fahrzeug
gegenzulenken, entgegensteht und deshalb den Fahrer des Fahrzeugs in
seinem Bemühen, das Gegenlenkmanöver durchzuführen, hindern kann.
Angesichts derartiger Probleme des Stands der Technik und der Erkenntnis
der Erfinder ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die einem Lenk
steuersystem ermöglicht, zu allen Zeiten ein angemessenes Ausmaß an
Hilfslenkmoment zu liefern und die Lenkstabilität zu gewährleisten.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Gegenlenk
zustandserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die nützlich ist, wenn sie
mit einem Lenksteuersystem kombiniert ist, das für die Steuerung der
Größe der vom Fahrer aufzubringen Kraft (der nötigen Anstrengung des
Fahrers) zum Lenken des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem Verhalten
des Fahrzeugs ausgelegt ist.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Gegenlenkzu
standserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die eine einfache Struktur
aufweist und deshalb im Betrieb zuverlässig ist und ökonomisch implemen
tiert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann wenigstens eine dieser und
anderer Aufgaben gelöst werden durch Bereitstellen einer Vorrichtung zum
Erfassen eines Gegenlenkzustands eines Fahrzeugs, welche Vorrichtung
umfaßt:
einen Lenkwinkelsensor zum Messen eines Lenkwinkels; ein Lenkwinkel
geschwindigkeitserfassungsmittel zum Messen einer Lenkwinkelgeschwin
digkeit; ein Speichermittel zum Speichern wenigstens der Vorzeichen von
momentanen und früheren Werten des Lenkwinkels und der Lenkwinkel
geschwindigkeit; ein Mittel zum Vergleichen der momentanen Lenkwinkel
geschwindigkeit mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und eine Steuer
einheit, die ein Signal zum Angeben eines Gegenlenkzustands erzeugt,
wenn die Vorzeichen eines momentanen und eines früheren Werts des
Lenkwinkels unterschiedlich sind, die Vorzeichen des momentanen Werts
des Lenkwinkels sowie eines momentanen und eines früheren Werts der
Lenkwinkelgeschwindigkeit übereinstimmen und der momentane Wert der
Lenkwinkelgeschwindigkeit größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Die Steuereinheit ermöglicht, einen Gegenlenkzustand (insbesondere
Übersteuerungszustand) auf äußerst einfache Art und Weise zu erfassen.
Insbesondere wenn die Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung in einem
Lenksteuersystem basierend auf der Steuerung der Stärke der zum Lenken
des Fahrzeugs durch den Fahrer aufzubringenden Kraft in Abhängigkeit von
dem Verhalten des Fahrzeugs enthalten ist, ermöglicht die Gegenlenk
zustandserfassungsvorrichtung dem Lenksteuersystem, ein angemessenes
Ausmaß an Hilfslenkmoment zu allen Zeiten bereitzustellen und zugleich
Lenkstabilität zu gewährleisten.
Um jegliche abrupten Änderungen in der von dem Fahrer zum Lenken
aufzubringenden Kraft (abrupte Änderungen der nötigen Anstrengungen
des Fahrers) zu vermeiden, werden der Lenkwinkel und die Lenkwinkel
geschwindigkeiten bevorzugt dann gemessen, wenn der absolute Wert des
Lenkwinkels gleich einem gewissen Überwachungspunktniveau ist, zum
Beispiel 10° oder weniger beträgt. Die Gegenlenkzustandserfassungsvor
richtung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn sie dazu verwendet wird, ein Lenksteuersystem außer Wirkung zu
setzen, das eine von einem Fahrer zum Lenken des Fahrzeugs aufzubrin
gende Kraft gemäß einem Verhalten des Fahrzeugs steuert. Typischerweise
ist das Verhalten des Fahrzeugs derart definiert, daß die aufzubringende
Lenkkraft (die Lenkanstrengung) zunimmt, wenn der Lenkwinkel sich einem
Grenzlenkwinkel nähert, jenseits dessen ein Seitenschlupfwinkel von
lenkbaren Laufrädern des Fahrzeugs einen vorgegebenen Grenzwert
überschreitet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zum Erfassen
eines Gegenlenkzustands, das erfindungsgemäß darauf beruht, einen
Lenkwinkel und eine Lenkwinkelgeschwindigkeit zu erfassen und bei dem
erfindungsgemäß zum Bestimmen, ob ein Gegenlenkzustands vorliegt, die
Vorzeichen des Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit ausge
wertet werden. Die erfaßte Lenkwinkelgeschwindigkeit kann mit einem
vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden, um eine hohe Zuverläs
sigkeit der Bestimmung bzw. Erfassung zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Lenksteuersystem für
ein Fahrzeug mit einer Kraftlenkeinrichtung zum Bereitstellen eines Hilfs
lenkmoments, durch das die vom Fahrer aufzubringende Lenkkraft reduziert
wird. Erfindungsgemäß weist das Lenksteuersystem eine Einrichtung zum
Bestimmen eines Gegenlenkzustands wie vorstehend beschrieben auf, und
das Hilfslenkmoment wird in Abhängigkeit von der Bestimmung, ob ein
Gegenlenkzustand vorliegt, festgesetzt.
Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Lenksystems ist, bei welchem
die vorliegende Erfindung angewendet wird;
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Lenksteuersystems ist;
Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Seitenfüh
rungskraft und dem Straßenreibungskoeffizienten zeigt;
Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, das den Aufbau des internen Modells
zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das die Reaktionen des Modells und Refe
renzzahnstangenreaktionen auf verschiedene Lenkwinkel zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm ist, das das Kennfeld für die Bestimmung des
Straßenreibungskoeffizienten zeigt;
Fig. 7 ein Blockdiagramm der Berechnungseinheit zum Berechnen
des zusätzlichen Lenkmoments ist; und
Fig. 8 ein Flußdiagramm ist, das die Funktionsweise der Vorrichtung
zum Bestimmen eines Gegenlenkzustands beschreibt.
Fig. 1 veranschaulicht ein elektrisches Kraftlenksystem, bei dem die
vorliegende Erfindung angewendet wird. Ein Lenkrad 1 ist an einem oberen
Ende einer Lenkwelle 2 angebracht, und ein unteres Ende der Lenkwelle 2
ist über eine Verbindungswelle 3 mit einem Ritzel 4 verbunden, wobei die
Verbindungswelle mit Kardangelenken 3a und 3b an ihren beiden Enden
versehen ist. Das Ritzel 4 kämmt mit einer in einer Zahnstange 8 gebildeten
Zahnstangenverzahnung 8a, welche Zahnstange 8 sich in Seitenrichtung
der Fahrzeugkarosserie erstreckt und geführt ist, um längs einer axialen
Längslinie der Zahnstange bewegbar zu sein. Die beiden Enden der Zahn
stange 8 sind über Spurstangen 5 mit Spurhebeln 7 des rechten bzw.
linken Vorderrads 6 verbunden. Dieses manuelle Lenksystem ist in Fig. 1
allgemein mit Bezugziffer 9 bezeichnet.
Um eine Lenkhilfe bei diesem Lenksystem vorzusehen, ist ein elektrischer
Motor 10 koaxial mit der Zahnstange 8 kombiniert, um diese axial zu
betätigen. Der Elektromotor 10 ist mit einem Kugelumlaufmechanismus
ausgeführt, um die Drehbewegung des Motors 10 in eine Axialkraft auf die
Zahnstange 8 zu wandeln. An angemessenen Stellen des Lenksystems, wie
etwa an der Lenkwelle 2, sind ein Lenkdrehmomentsensor 11 und ein
Lenkwinkelsensor 12 vorgesehen, um die Stärke der auf das Lenkrad 1
durch den Fahrzeugfahrer ausgeübten Lenkkraft bzw. dessen Lenkbemühen
sowie den Lenkwinkel des Lenkrads 1 zu erfassen. Der Elektromotor 10
wird durch eine Steuereinheit 13 gesteuert, die Ausgangssignale T und θs
von diesen Sensoren 11 und 12 empfängt.
Die Steuereinheit 13 besteht essentiell aus einem Hilfslenkmoment-Steuer
segment (Hilfslenkdrehmoment-Steuersegment) und einem Übermäßiges-Lenk
moment-Steuersegment (Übermäßiges-Lenkdrehmoment-Steuerseg
ment). Hierzu wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Hilfslenkmoment-Steu
ersegment umfaßt eine Hilfslenkmoment-Berechnungseinheit 21 zum
Setzen eines Zielhilfslenkmoments, das gemäß der Ausgabe T von dem
Lenkmomentsensor 11 durch den Elektromotor 10 erzeugt werden sollte,
eine Motorleistungsabgabesteuereinheit 22 zum Steuern der Leistungs
abgabe des Elektromotors 10 gemäß dem somit gesetzten Zielwert für die
Motorleistungsabgabe sowie eine Motorstromerfassungseinheit 23 zum
Erfassen und Rückkoppeln des durch den Elektromotor 10 geleiteten
Stroms. Das Übermäßige-Lenkmoment-Steuersegment umfaßt eine Stra
ßenzustandserfassungseinheit 24 zum Erfassen des Reibungskoeffizienten
µ zwischen der Straßenoberfläche und den Laufrädern (Straßenrädern) und
umfaßt ferner eine Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 zum Be
stimmen des Zusatzlenkmoments, das auf das Lenkrad 1 gemäß den
Ausgaben µ und θs von der Straßenzustandserfassungseinheit 24 und dem
Lenkwinkelsensor 12 ausgeübt werden sollte. Bei dieser Ausführungsform
wird das Ausgangssignal der Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25
von dem Ausgangssignal der Hilfslenkmoment-Berechnungseinheit 21
abgezogen.
In der Ausgangsleitung der Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 ist
ein Gatter 27 vorgesehen, um wahlweise die Ausgangsleitung der Zu
satzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 gemäß dem Zustand der Ausgabe
von einer Gegenlenkbestimmungseinheit 26 zu unterbrechen, die - wie
hiernach beschrieben - aus dem Lenkwinkel θs das Vorliegen eines Gegen
lenkzustands bestimmt.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen bzw. Abschätzen des
Straßenreibungskoeffizienten µ in der Straßenzustandserfassungseinheit 24
beschrieben. Die seitliche Führungskraft Cp eines Reifens kann derart
ausgedrückt werden, wie es im folgenden gemäß der Gleichung nach Fiala
(eine Näherung zweiter Ordnung) angegeben ist:
Cp = K(1-0,0166K/µL)
wobei K die Kurvenfahrsteifheit (cornering stiffness), µ der Straßenrei
bungskoeffizient und L die Radlast ist.
Da mit anderen Worten die Reifenseitenführungskraft (tire cornering power)
Cp mit einer Abnahme des Reibungskoeffizienten µ kleiner wird (siehe Fig.
3), nimmt die Zahnstangenrückwirkung (Zahnstangenreaktion, Zahn
stangengegenkraft), die das Zahnstangen- und Ritzelgetriebesystem von
der Straßenoberfläche für einen gegebenen Lenkwinkel empfängt, mit einer
Reduktion des Straßenreibungskoeffizienten µ ab, da die Zahnstangenrück
wirkung proportional zum Moment verursacht durch die Seitenführungs
kraft um den faktischen (virtuellen) Lenkzapfen ist. Deshalb ist es durch
tatsächliches Messen des Lenkwinkels und der Zahnstangenrückwirkung
und Vergleichen der tatsächlichen Zahnstangenrückwirkung für einen
gegebenen Lenkwinkel mit einer Referenz-Zahnstangen-Rückwirkung
möglich, den Straßenreibungskoeffizienten µ zu ermitteln.
Die tatsächlich gemessene Zahnstangenrückwirkung Frc oder die Straßen
rückwirkung kann aus dem Lenkmoment T, der Motorspannung Vm und
dem Motorstrom Im wie im folgenden beschrieben bestimmt werden. Als
erstes kann das Ausgangsmoment Tm des Elektromotors zum Liefern des
Hilfslenkmoments im elektrischen Kraftlenksystem durch die folgende
Gleichung angegeben werden:
Tm = Kt·Im-Jm·θm′′-Cm·θm′ ± Tf
wobei Kt eine Motormomentkonstante, Im der Motorstrom, Jm das Träg
heitsmoment des Rotors des Elektromotors, θm′ die Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors, θm′′ die Winkelbeschleunigung des Elektromotors, Cm
ein Dämpfkoeffizient des Elektromotors und Tf ein Reibungsmoment ist.
Der Dämpfungskoeffizient, das Trägheitsmoment und der Reibungswider
stand in Bezug auf die Bewegung der Zahnstange und der Reibungswider
stand gegen die Bewegung des Motors können vernachlässigt werden, da
sie klein sind. Das Kräftegleichgewicht für die Zahnstange kann dann durch
die folgende Gleichung approximiert werden:
Fr = Fs + Fm
= Ts/rp + N(Kt·Im-Jm·θm′′-Cm·θm′)
= Ts/rp + N(Kt·Im-Jm·θm′′-Cm·θm′)
wobei Fr die Zahnstangenrückwirkung von der Straßenoberfläche, Fs die
von dem Ritzel ausgeübte Zahnstangenaxialkraft, Fm die durch den Motor
ausgeübte Zahnstangenaxialkraft, Ts das tatsächlich auf die Lenkwelle
ausgeübte Lenkmoment, rp der Ritzelradius und N das Übersetzungs
verhältnis für die Motorleistungsabgabe ist.
Die Winkelgeschwindigkeit des Motors θm′ kann entweder durch Differen
zieren des Lenkradwinkels θs oder durch Anwenden der folgenden Glei
chung auf die durch den Motor erzeugte elektromotorische Kraft gefunden
werden:
θm′ = (Vm-Im·Rm)/Km
wobei Vm die Spannung über den Motor, Rm der elektrische Widerstand
des Motors und Km eine Induktionsspannungskonstante des Elektromotors
ist.
Präzise gesagt sind die Winkelgeschwindigkeit des Motors θm′ und die
Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads θs′ nicht identisch. Die Winkel
geschwindigkeit des Motors θm′ kann gemäß der folgenden Gleichung aus
der Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads θs′, die durch Differenzieren des
Lenkradwinkels θs erhalten wird, berechnet werden:
θm′ = θs′-T′/Ks
wobei Ks eine Federkonstante des Momentsensors und T′ der differenzierte
Wert des Lenkmoments ist.
Die Winkelbeschleunigung des Motors θm′′ kann erhalten werden durch
Differenzieren der Winkelgeschwindigkeit des Motors θm′.
Das interne Modell zum Erzeugen des Referenzwerts für die Zahnstan
genrückwirkung ist derart bestimmt, wie im folgenden beschrieben ist. Es
wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Der Lenkwinkel θs, der durch das
Lenkrad 1 gegeben ist, wird in einen gewissen Hub der Zahnstange 8
gemäß eines Übersetzungsverhältnisses zwischen der Zahnstangenverzah
nung 8a und dem Ritzel 4 umgewandelt. In Antwort auf den Hub der
Zahnstange 8 wird ein Seitenschlupfwinkel der Vorderräder Φs erzeugt. Die
Übertragungsfunktion Gβ(s) des Vorderrad-Seitenschlupfwinkels Φs be
züglich des Hubs der Zahnstange 8 ändert sich mit einer Änderung in
einem Stabilitätsfaktor, die aus einer Änderung im Straßenreibungskoeffi
zienten µ resultiert.
Bei einer Multiplikation des Vorderrad-Seitenschlupfwinkels Φs mit der
Seitenführungskraft Tp und dem Nachlauf ξ (Caster-Nachlauf + Pneuma
tiknachlauf) erhält man ein Moment um den Lenkzapfen (Achsschenkelbol
zen). Die Seitenführungskraft Cp und der Nachlauf ξ hängen von dem
Straßenreibungskoeffizienten µ und der Radkontaktlast L ab. Eine Division
des Moments um den Lenkzapfen durch den Abstand zwischen dem
Schwenkzentrum des Rads und dem Zentrum der Zahnstange oder durch
die Spurhebellänge rk ergibt eine Modell-Zahnstangenrückwirkung Frm.
Aus der obigen Beschreibung kann ersehen werden, daß die Reaktion bzw.
Antwort der Modell-Zahnstangenrückwirkung Frm auf den Lenkradwinkel
θs durch eine einzige Übertragungsfunktion Gf(s) repräsentiert werden
kann, die entweder aus verschiedenen Spezifikationen des Fahrzeugs
berechnet werden kann oder durch eine Messung des tatsächlichen Verhal
tens des Fahrzeugs identifiziert werden kann.
Die Zunahmen der tatsächlichen und der Modell-Zahnstangenrückwirkung
Frc und Frm für eine gegebene Zunahme des Lenkradwinkels θs werden
gemäß der tatsächlichen Zahnstangenrückwirkung Frc und der wie oben
beschrieben (siehe Fig. 5) erhaltenen Modell-Zahnstangenrückwirkung
Frm erhalten, und der Straßenreibungskoeffizient µ kann ermittelt werden
durch Entnahme aus einem vordefinierten Kennfeld zum Bestimmen der
Straßenreibung gemäß dem Verhältnis ΔFrc/ΔFrm des tatsächlichen Zahn
stangenzunahmeverhältnisses ΔFrc/Δθs zum Modellzahnstangenzunahme
verhältnis ΔFrm/Δθs in einem Lenkwinkelbereich, in dem die Fahrzeugre
aktion durch eine lineare Gleichung (siehe Fig. 6) approximiert werden
kann. Die tatsächliche Zahnstangenrückwirkung kann auch direkt gemes
sen werden, indem ein Kraftsensor wie etwa eine Lastzelle an einer ge
eigneten Stelle des Spurhebels (knuckle arm) 7, der Spurstange (tie rod) 5
oder der Zahnstange 8 (rack shaft) vorgesehen wird.
Die Funktionsweise dieser Ausführungsform wird nun im folgenden mit
Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Als erstes wird der Straßenreibungs
koeffizient µ durch die Straßenzustandserfassungseinheit 24 gemessen,
und es wird ein maximal zulässiger Lenkwinkel θmax für den momentanen
Straßenreibungskoeffizienten µ aus einem Kennfeld 31 bestimmt, das die
Beziehung zwischen diesen definiert. Das Verhältnis des momentanen oder
tatsächlichen Lenkwinkels θs, der durch den Lenkwinkelsensor 12 gemes
sen wird, zum maximal zulässigen Lenkwinkel θmax wird durch eine
Arithmetikeinheit 32 berechnet, und ein entsprechendes Zusatzlenkmoment
(Zusatzlenkdrehmoment) C wird aus einem Zusatzlenkmomentkennfeld 34
entnommen, das das Zusatzlenkmoment bzw. die Zusatzreaktion für jedes
Lenkwinkelverhältnis θs/θmax angibt, wobei die Lenkwinkelgeschwindigkeit
θs′ berücksichtigt wird, die durch Verarbeitung des Ausgangssignals θs
vom Lenkwinkelsensor 12 mit einem Differentiator 33 erhalten wird. Dieses
Zusatzmoment wird durch die Hilfslenkmoment-Berechnungseinheit 21 des
Hilfslenkmomentsteuersegments des Systems aus dem Zielhilfslenkmoment
abgeleitet. Wenn das Hilfslenkmoment auf diese Art und Weise reduziert
wird, kann der Fahrzeugfahrer eine Zunahme in der zum Drehen des
Lenkrads 1 benötigten Kraft merken und wird darin gehindert, übermäßig
zu lenken, so daß das Fahrzeug richtig gesteuert werden kann, selbst auf
rutschigen Straßenoberflächen.
Wenn die Lenkwinkelgeschwindigkeit θs′ hoch ist, wird die Lenkenergie
aufgrund der Trägheit des Lenksystems so groß, daß die normale Zu
satzlenkmomentsteuerung im Hinblick auf ein übermäßiges Lenken (bzw.
für die Kontrolle/Steuerung übermäßigen Lenkens) nicht angemessen sein
mag. Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Größe des
Zusatzlenkmoments für ein gegebenes Lenkwinkelverhältnis θs/θmax
abhängig von der Lenkwinkelgeschwindigkeit θs′ gemacht. Im allgemeinen
wird das Zusatzlenkmoment vergrößert, wenn die Lenkwinkelgeschwindig
keit θs′ zunimmt, um den Widerstand gegen die Lenkbemühung zu ver
größern. Somit wird die zum Drehen des Lenkrads benötigte Kraft (die
erforderliche Anstrengung) richtig durch das Zusatzlenkmoment gesteuert,
so daß die Lenkstabilität des Fahrzeugs ungeachtet der Drehgeschwindig
keit des Lenkrads gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten kann
der Fahrzeugfahrer ungeachtet der Lenkgeschwindigkeit den Lenkwider
stand, den er erfährt, merken und hierdurch richtig geleitet werden, da das
Lenkhilfsmoment gesteuert wird, wobei sowohl der Straßenoberflächen
zustand als auch die Lenkgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
Wenn ein Fahrzeug eine Kurve auf einer schlüpfrigen (glatten) Straßen
oberfläche mit einer übermäßigen Geschwindigkeit fährt, neigen die
Hinterräder dazu, zur Seite zu rutschen (zu schlupfen), was zur Folge hat,
daß das Fahrzeug stärker als durch den Fahrzeugfahrer beabsichtigt dreht
(wendet). Unter einer derartigen Bedingung ist es notwendig, daß der
Fahrzeugfahrer das Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung oder nach
außen in bezug auf den Wendekreis lenkt, bis sich das Rutschen der
Hinterräder legt. Dies wird ein Gegenlenkmanöver genannt. Wenn der
Gegenlenkzustand eintritt, entsteht eine gewisse Diskrepanz zwischen dem
Lenkwinkel und dem Seitenschlupfwinkel der Vorderräder, so daß die
Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 ein Ausgangssignal erzeugen
mag, das den Fahrzeugfahrer in seinem Versuch, die Gegenlenkaktion
durchzuführen, beträchtlich hindert. Deshalb bestimmt bei dieser Aus
führungsform die Gegenlenkzustandsbestimmungseinheit 26 gemäß der
Beziehung zwischen dem Lenkwinkel und der Lenkwinkelgeschwindigkeit,
ob ein Gegenlenkzustand hervorgerufen wurde oder nicht und verhindert,
daß das Zusatzlenkmoment auf das Lenkhilfsmoment angewendet wird,
wenn ein Gegenlenkzustand erfaßt wird.
Der Steuerungsprozeß für die Bestimmung eines Gegenlenkzustands wird
im folgenden mit Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 8 beschrie
ben. Der momentane Lenkwinkel θs und die momentane Lenkwinkel
geschwindigkeit θs′ werden gelesen (Schritt 1), und der Absolutwert des
Lenkwinkels wird mit einem Überwachungspunktwinkel θm (der zum
Beispiel ± 10° weg von der Neutralposition entfernt sein kann) verglichen,
an welchem eine Überprüfung, ob ein Gegenlenkzustand vorliegt, durch
geführt werden sollte (Schritt 2). Dieser Winkel θm wird ausreichend klein
gewählt, so daß die Unterbrechung des Zusatzlenkmoments nur dann
auftreten kann, wenn der Lenkwinkel ausreichend klein und damit das
Zusatzlenkmoment klein ist. Dieser Winkel wird ferner derart gewählt, daß
er ausreichend groß ist, so daß eine leichte Hin- und Zurückdrehbewegung
des Lenkrads nicht mit einer tatsächlichen Gegenlenkaktion verwechselt
werden kann. Wenn der Lenkwinkel den Überwachungspunktwinkel
passiert, werden somit die Werte (Vorzeichen) des vorangehenden Lenk
winkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit aktualisiert (Schritt 3) und
werden ferner die Werte des momentanen Lenkwinkels und der Lenkwin
kelgeschwindigkeit aktualisiert (Schritt 4). Diese Werte werden in zu
geordneten Speicherbereichen gespeichert (Schritt 5). Falls der Lenkwinkel
nicht den Überwachungspunktwinkel in Schritt 2 passiert, schreitet der
Programmfluß zu Schritt 9 weiter.
Selbst wenn das Lenkrad schnell gedreht wird, braucht die Funktion des
Übermäßiges-Lenken-Steuerungssegments des Systems nicht unterbrochen
werden, solange die Drehbewegung des Lenkrads in der Nähe der Neutral
position startete, da die normale Beziehung zwischen dem Lenkwinkel und
dem Seitenschlupfwinkel der Vorderräder gilt. Aus diesem Grund ist es
notwendig, ein schnelles, von der Neutralposition ausgehendes Lenken von
einer tatsächlichen Gegenlenkaktion zu unterscheiden. Dies kann bewerk
stelligt werden, indem die Vorzeichen der momentanen und vorangehenden
Werte des Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit verglichen
werden (Schritt 6).
Wenn eine Gegenlenkaktion durchgeführt wird, ändert sich die Lenk
richtung oder das Vorzeichen des Lenkwinkels vom vorangehenden zum
momentanen Wert, oder es gilt:
Vorzeichen (θn) ± Vorzeichen (θn-1).
Ferner stimmen alle Vorzeichen der Werte des momentanen Lenkwinkels,
der momentanen Lenkwinkelgeschwindigkeit und der vorangehenden
Lenkwinkelgeschwindigkeit miteinander überein, oder es gilt
Vorzeichen (θn) = Vorzeichen (θn′) = Vorzeichen (θ′n-1).
Es kann somit ein Gegenlenkzustand von einem schnellen Lenken aus der
Neutralposition unterschieden werden, indem bestimmt wird, ob diese
Bedingungen erfüllt sind. Falls diese Bedingungen erfüllt sind, schreitet der
Programmfluß zu Schritt 7 fort. Andernfalls wird der Programmfluß erneut
durchlaufen.
Da die Lenkgeschwindigkeit während einer Gegenlenkaktion beträchtlich
höher als die Lenkgeschwindigkeit während einer normalen Lenkaktion ist,
wird der absolute Wert der momentanen Lenkwinkelgeschwindigkeit θn′
mit einem Schwellenwert der Lenkwinkelgeschwindigkeit θth′ verglichen
(Schritt 7). Falls die momentane Lenkwinkelgeschwindigkeit den Schwel
lenwert überschreitet, wird bestimmt, daß ein Gegenlenkzustand vorliegt
und wird durch das Gatter 27 das Ausgangssignal von der Zusatzlenkmo
ment-Berechnungseinheit 25 unterbrochen (Schritt 8). Falls die momentane
Lenkwinkelgeschwindigkeit unter den Schwellenwert in Schritt 7 fällt, wird
der Programmfluß erneut durchlaufen.
Es ist im allgemeinen schwierig zu bestimmen, wann eine Gegenlenkaktion
endet. Da allerdings das Übermäßiges-Lenken-Steuerungssegment des
Systems für seine Funktion auf dem Lenkwinkel beruht, reicht es aus,
wenn die Steuerungsaktion jedesmal erneut ausgewertet wird, wenn der
Lenkwinkel die Neutralposition überfährt. Wenn das Überfahren des
Nullpunkts durch den Lenkwinkel in Schritt 9 erfaßt wird, wird somit in
Schritt 10 der Prozeß des Erfassens eines Gegenlenkzustands zurückge
setzt oder erneuert. Der nachfolgende Prozeß der Erfassung eines Gegen
lenkzustands wird wiederaufgenommen, wenn der momentane Lenkwinkel
wieder den Überwachungspunkt überfährt. Alternativ kann das Rücksetzen
des Prozesses des Erfassens eines Gegenlenkzustands auch stattfinden,
sobald der Lenkwinkel unter das Niveau des Überwachungspunkts oder
eines zwischen dem Überwachungspunktniveau und Null definierten Werts
fällt.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich einer speziellen Ausführungs
form der Erfindung beschrieben wurde, ist es möglich, Einzelheiten davon
zu modifizieren und zu ändern, ohne von dem Geist der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
Es wird eine Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung bereitgestellt, die
geeignet ist, in Kombination mit Lenksteuersystemen beruhend auf der
Steuerung der Größe der durch den Fahrzeugfahrer aufzubringenden
Anstrengung, das Fahrzeug in Abhängigkeit vom Verhalten des Fahrzeugs
zu lenken, verwendet werden kann. Ein Gegenlenkzustand (bzw. ein
Übersteuerungszustand) kann erfaßt werden, indem die Vorzeichen der
momentanen und vorangehenden Werte des Lenkwinkels und der Lenkwin
kelgeschwindigkeit sowie die Größe der Lenkwinkelgeschwindigkeit ausge
wertet werden, wenn der Lenkwinkel ein gewisses Überwachungsniveau
passiert.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Erfassen eines Gegenlenkzustands eines Fahrzeugs,
umfassend:
einen Lenkwinkelsensor (12) zum Messen eines Lenkwinkels (θs);
ein Lenkwinkelgeschwindigkeitserfassungsmittel zum Messen einer Lenkwinkelgeschwindigkeit (θs′);
ein Speichermittel zum Speichern wenigstens der Vorzeichen von momentanen und früheren Werten des Lenkwinkels und der Lenk winkelgeschwindigkeit;
ein Mittel zum Vergleichen der momentanen Lenkwinkelgeschwindig keit mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und
eine Steuereinheit (26), die ein Signal zum Angeben eines Gegen lenkzustands erzeugt, wenn die Vorzeichen eines momentanen und eines früheren Werts des Lenkwinkels unterschiedlich sind, die Vorzeichen des momentanen Werts des Lenkwinkels sowie eines momentanen und eines früheren Werts der Lenkwinkelgeschwindig keit übereinstimmen und der momentane Wert der Lenkwinkel geschwindigkeit größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
einen Lenkwinkelsensor (12) zum Messen eines Lenkwinkels (θs);
ein Lenkwinkelgeschwindigkeitserfassungsmittel zum Messen einer Lenkwinkelgeschwindigkeit (θs′);
ein Speichermittel zum Speichern wenigstens der Vorzeichen von momentanen und früheren Werten des Lenkwinkels und der Lenk winkelgeschwindigkeit;
ein Mittel zum Vergleichen der momentanen Lenkwinkelgeschwindig keit mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und
eine Steuereinheit (26), die ein Signal zum Angeben eines Gegen lenkzustands erzeugt, wenn die Vorzeichen eines momentanen und eines früheren Werts des Lenkwinkels unterschiedlich sind, die Vorzeichen des momentanen Werts des Lenkwinkels sowie eines momentanen und eines früheren Werts der Lenkwinkelgeschwindig keit übereinstimmen und der momentane Wert der Lenkwinkel geschwindigkeit größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lenkwinkel und die Lenkwinkelgeschwindigkeit gemessen werden,
wenn der absolute Wert des Lenkwinkels gleich einem gewissen
Überwachungspunktniveau ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Überwachungspunktniveau auf einen beträchtlich kleinen Wert
gesetzt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Überwachungspunktniveau 10° oder kleiner beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Außerfunktionsetzen eines
Lenksteuersystems (13) verwendet wird, das eine erforderliche
Anstrengung durch einen Fahrzeugfahrer zum Lenken des Fahrzeugs
gemäß einem Verhalten des Fahrzeugs steuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhalten des Fahrzeugs derart definiert ist, daß die Lenkanstren
gung zunimmt, wenn sich der Lenkwinkel einem Grenzlenkwinkel
nähert, jenseits dessen ein Seitenschlupfwinkel von lenkbaren
Straßenrädern des Fahrzeugs einen vorgegebenen Grenzwert über
schreitet.
7. Lenksteuersystem für ein Fahrzeug, umfassend eine Kraftlenkein
richtung zum Bereitstellen eines Hilfslenkmoments, durch das eine
durch einen Fahrer aufzubringende Lenkkraft reduziert wird, sowie
eine Einrichtung zum Bestimmen eine Gegenlenkzustands auf
Grundlage von Lenkwinkel und Lenkwinkelgeschwindigkeit, um das
Hilfslenkmoment in Abhängigkeit von der Bestimmung, ob ein Ge
genlenkzustand vorliegt, festzusetzen, die Einrichtung zum Bestim
men eine Gegenlenkzustands insbesondere mit den Merkmalen
wenigstens eines der vorangehenden Ansprüche.
8. Verfahren zum Erfassen eines Gegenlenkzustands eines Fahrzeugs,
bei dem ein Lenkwinkel und eine Lenkwinkelgeschwindigkeit erfaßt
werden (Fig. 8; Schritt 1) und bei dem zum Bestimmen, ob ein
Gegenlenkzustands vorliegt, die Vorzeichen des Lenkwinkels und der
Lenkwinkelgeschwindigkeit ausgewertet werden (Schritt 6).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
erfaßte Lenkwinkelgeschwindigkeit mit einem vorbestimmten
Schwellenwert verglichen wird (Schritt 7).
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