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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen
eines Gegenlenkzustands, und insbesondere auf eine Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung,
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.
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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 aufzubringende 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 Reibungskoeffizient 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 Unbequemlichkeiten für den Fahrzeugfahrer.
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Um
derartige Probleme zu überwinden
bzw. ein derartiges übermäßiges Lenken
auf glatten Straßenoberflächen zu
steuern/zu kontrollieren (insbesondere zu vermeiden), wurde in einer
am 28. August 1996 eingereichten US-Patentanmeldung (Nr. 08/704,968)
des gleichen Anmelders (vgl.
US 5,729,107 vom
17.03.1998) vorgeschlagen, das Lenkhilfsmoment eines Kraftlenksystems
in Abhängigkeit
von dem Straßenzustand,
insbesondere dem Reibungskoeffizienten zwischen der Straßenoberfläche und
den Rädern
zu steuern.
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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.
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Die
DE 693 00 201 T2 offenbart
eine als "Gegenlenkzustandbewertungsmittel" bezeichnete Einrichtung
zum Erfassen eines Gegenlenkzustands eines Fahrzeugs, die einen
Lenkwinkelsensor zum Messen eines Lenkwinkels, ein Querbeschleunigungserfassungsmittel
zum Messen einer Querbeschleunigung des Fahrzeugs und eine Steuereinheit, welche
ein Signal zum Angeben eines Gegenlenkzustands erzeugt, aufweist.
Die Bestimmung eines Gegenlenkzustands erfolgt auf der Basis des
Lenkwinkels und der Querbeschleunigung. Die Einrichtung zum Erfassen
eines Gegenlenkzustands ist Teil eines so genannten Lenkstabilitätssteuersystems
für ein Fahrzeug,
welches ein Drehzustandsbewertungsmittel zur Bewertung eines Drehzustands
eines in einem Übersteuer-
oder Untersteuerzustand befindlichen Fahrzeugs aufweist, welches
ein Übersteuersignal bzw.
ein Untersteuersignal ausgibt, sowie ein Lenkstabilitätssteuermittel
aufweist, welches ein Ausgangsdrehmoment der Maschine des Fahrzeugs
auf Grundlage der Ausgabe des Drehzustandsbewertungsmittels steuert.
So kann im Falle einer Übersteuerung
oder Untersteuerung des Fahrzeugs das Ausgangsdrehmoment aus der
Maschine des Fahrzeugs erhöht
bzw. reduziert werden, um ein Drehen des Fahrzeugs in eine unerwünschte Richtung
zu vermeiden. Um zu verhindern, dass ein Gegenlenken fälschlich
als Untersteuerung des Fahrzeugs erkannt wird, gibt das Gegenlenkzustandbewertungsmittel
im Falle der Erfassung eines Gegenlenkzustands ein Übersteuersignal
an das Drehzustandsbewertungsmittel aus, so dass das Lenkstabilitätssteuermittel auch
in Bezug auf einen Gegenlenkzustand angemessen arbeiten kann.
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Aus
der
DE 28 34 283 C2 ist
eine elektrische Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug bekannt, umfassend
eine Vorrichtung, die direkt oder indirekt auf die Seitenbeschleunigung
des Fahrzeugs anspricht und dem Tätigwerden einer Hilfskraftantriebseinrichtung der
Hilfskraftlenkung entgegenwirkt. Die Hilfskraftantriebseinrichtung
wird nur dann wirksam, wenn das am Lenkrad angreifende Moment gleich
wie oder größer als
ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Die Hilfskraftantriebseinrichtung
umfasst einen Elektoomotor, der über
ein Reduziergetriebe an einem Abschnitt der Lenkung angreift.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung
bereitzustellen, die eine einfache Struktur aufweist und deshalb
im Betrieb zuverlässig
ist und ökonomisch
implementiert werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bereitgestellt.
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Da
erfindungsgemäß ein Gegenlenkzustand auf
Grundlage einer Auswertung der Vorzeichen des Lenkwinkels und der
Lenkgeschwindigkeit, genauer auf Grundlage eines momentanen Werts
und eines diesem vorangehenden Werts des Lenkwinkels sowie auf Grundlage
eines momentanten Werts und eines diesem vorangehenden Werts der
Lenkwinkelgeschwindigkeit erfasst wird, ergibt sich eine besonders einfache
Struktur der Vorrichtung, die ohne großen Aufwand implementiert werden
kann und den Gegenlenkzustand (insbesondere einen Übersteuerungszustand)
zuverlässig
erfassen kann, ohne auf die Messung weiterer Größen, etwa einer Fahrzeugquerbeschleunigung,
angewiesen zu sein. Die Kosten für
einen entsprechenden zusätzlichen
Sensor, speziell für
einen Querbeschleunigungssensor, sind so vermeidbar.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erfassen eines Gegenlenkzustands eines Fahrzeugs (kurz "Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung") kann besonders
zweckmäßig im Zusammenhang
mit einem Fahrzeug-Lenksteuersystem
eingesetzt werden, das eine Kraftlenkeinrichtung zum Bereitstellen eines
Hilfslenkmoments umfasst. Es wird insbesondere daran gedacht, dass
die Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung in einem Lenksteuersystem
enthalten ist, das dafür
eingerichtet ist, die Stärke
der zum Lenken des Fahrzeugs durch den Fahrer aufzubringenden Kraft
in Abhängigkeit
von dem Verhalten des Fahrzeugs zu steuern. Hierbei ermöglicht es
die Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung dem Lenksteuersystem,
zu allen Zeiten ein angemessenes Ausmaß an Hilfslenkmoment bereitzustellen
und zugleich Lenkstabilität
zu gewährleisten.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich somit auch auf ein Lenksteuersystem
für ein
Fahrzeug mit einer Kraftlenkeinrichtung zum Bereitstellen eines Hilfslenkmoments,
durch das die vom Fahrer auszubringende Lenkkraft reduziert wird.
Erfindungsgemäß weist
das Lenksteuersystem eine Einrichtung zum Erfassen eines Gegenlenkzustands
auf Grundlage von Lenkwinkel und Lenkgeschwindigkeit auf, um das
Hilfslenkmoment in Abhängigkeit
von der Bestimmung, ob ein Gegenlenkzustand vorliegt, festzusetzen.
Die Einrichtung zum Erfassen eines Gegenlenkzustands ist entsprechend
der erfindungsgemäßen Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung
ausgeführt,
wie vorangehend beschrieben und in Anspruch 4 in Verbindung mit
Anspruch 1 definiert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung, die
vor allem im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Lenksteuersystem von Bedeutung
sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3. Das Lenksteuersystem
kann vorteilhaft entsprechend den Unteransprüchen 5 und 6 ausgeführt sein.
Es wird auf die folgenden Erläuterungen
verwiesen.
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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
Lenkwinkelgeschwindigkeiten bevorzugt dann gemessen, wenn der absolute
Wert des Lenkwinkels gleich einem gewissen Überwachungspunktwinkel ist,
zum Beispiel 10° oder
weniger beträgt.
Die Gegenlenkzustandserfassungsvorrichtung 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
aufzubringende 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.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum
Erfassen eines Gegenlenkzustands. Das erfindungsgemäße Verfahren
beruht darauf, einen Lenkwinkel und eine Lenkwinkelgeschwindigkeit
zu erfassen. Erfindungsgemäß werden zum
Bestimmen, ob ein Gegenlenkzustands vorliegt, die Vorzeichen des
Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit ausgewertet, wie in
Anspruch 7 definiert. Die erfaßte
Lenkwinkelgeschwindigkeit wird einem vorbestimmten Schwellenwert
verglichen, um eine hohe Zuverlässigkeit
der Bestimmung bzw. Erfassung zu erhalten.
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Im
folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 eine
schematische Ansicht des Lenksystems ist, bei welchem die vorliegende
Erfindung angewendet wird;
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2 ein
Blockdiagramm des Lenksteuersystems ist;
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3 ein
Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Seitenführungskraft
und dem Straßenreibungskoeffizienten
zeigt;
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4 ein
Flußdiagramm
ist, das den Aufbau des internen Modells zeigt;
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5 ein
Diagramm ist, das die Reaktionen des Modells und Referenzzahnstangenreaktionen auf
verschiedene Lenkwinkel zeigt;
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6 ein
Diagramm ist, das das Kennfeld für die
Bestimmung des Straßenreibungskoeffizienten zeigt;
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7 ein
Blockdiagramm der Berechnungseinheit zum Berechnen des zusätzlichen
Lenkmoments ist; und
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8 ein
Flußdiagramm
ist, das die Funktionsweise der Vorrichtung zum Bestimmen eines
Gegenlenkzustands beschreibt.
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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 Zahnstange 8 sind über Spurstangen 5 mit
Spurhebeln 7 des rechten bzw. linken Vorderrads 6 verbunden.
Dieses manuelle Lenksystem ist in 1 allgemein
mit Bezugziffer 9 bezeichnet.
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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.
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Die
Steuereinheit 13 besteht essentiell aus einem Hilfslenkmoment-Steuersegment (Hilfslenkdrehmoment-Steuersegment)
und einem Übermäßiges-Lenkmoment-Steuersegment
(Übermäßiges-Lenkdrehmoment-Steuersegment). Hierzu
wird auf 2 Bezug genommen. Das Hilfslenkmoment-Steuersegment
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 Leistungsabgabe 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
Straßenzustandserfassungseinheit 24 zum
Erfassen des Reibungskoeffizienten μ zwischen der Straßenoberfläche und
den Laufrädern (Straßenrädern) und
umfaßt
ferner eine Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 zum
Bestimmen 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.
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In
der Ausgangsleitung der Zusatzlenkmoment-Berechnungseinheit 25 ist
ein Gatter 27 vorgesehen, um wahlweise die Ausgangsleitung
der Zusatzlenkmomentberechnungseinheit 25 gemäß dem Zustand
der Ausgabe von einer Gegenlenkerfassungseinheit 26 zu
unterbrechen, die – wie
hiernach beschrieben – aus
dem Lenkwinkel θs
das Vorliegen eines Gegenlenkzustands bestimmt.
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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 Straßenreibungskoeffizient
und L die Radlast ist.
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Da
mit anderen Worten die Reifenseitenführungskraft (tire cornering
power) Cp mit einer Abnahme des Reibungskoeffizienten μ kleiner
wird (siehe 3), nimmt die Zahnstangenrückwirkung
(Zahnstangenreaktion, Zahnstangengegenkraft), die das Zahnstangen-
und Ritzelgetriebesystem von der Straßenoberfläche für einen gegebenen Lenkwinkel empfängt, mit
einer Reduktion des Straßenreibungskoeffizienten μ ab, da die
Zahnstangenrückwirkung proportional
zum Moment verursacht durch die Seitenführungskraft 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.
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Die
tatsächlich
gemessene Zahnstangenrückwirkung
Frc oder die Straßenrückwirkung
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' ± Tfwobei Kt eine Motormomentkonstante,
Im der Motorstrom, Jm das Trägheitsmoment
des Rotors des Elektromotors, θm' die Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors, θm'' die Winkelbeschleunigung des Elektromotors,
Cm ein Dämpfkoeffizient
des Elektromotors und Tf ein Reibungsmoment ist.
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Der
Dämpfungskoeffizient,
das Trägheitsmoment
und der Reibungswiderstand in Bezug auf die Bewegung der Zahnstange
und der Reibungswiderstand 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')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 Übersetzungsverhältnis für die Motorleistungsabgabe
ist.
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Die
Winkelgeschwindigkeit des Motors θm' kann entweder durch Differenzieren
des Lenkradwinkels θs
oder durch Anwenden der folgenden Gleichung auf die durch den Motor
erzeugte elektromotorische Kraft gefunden werden: θm' = (Vm – Im·Rm)/Kmwobei
Vm die Spannung über
den Motor, Rm der elektrische Widerstand des Motors und Km eine
Induktionsspannungskonstante des Elektromotors ist.
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Präzise gesagt
sind die Winkelgeschwindigkeit des Motors θm' und die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads θs' nicht identisch.
Die Winkelgeschwindigkeit 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'/Kswobei Ks eine Federkonstante
des Momentsensors und T' der
differenzierte Wert des Lenkmoments ist.
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Die
Winkelbeschleunigung des Motors θm'' kann erhalten werden durch Differenzieren
der Winkelgeschwindigkeit des Motors θm'.
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Das
interne Modell zum Erzeugen des Referenzwerts für die Zahnstangenrückwirkung
ist derart bestimmt, wie im folgenden beschrieben ist. Es wird auf 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 Zahnstangenverzahnung 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 bezüglich des
Hubs der Zahnstange 8 ändert
sich mit einer Änderung
in einem Stabilitätsfaktor,
die aus einer Änderung
im Straßenreibungskoeffizienten μ resultiert.
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Bei
einer Multiplikation des Vorderrad-Seitenschlupfwinkels Φs mit der
Seitenführungskraft
Cp und dem Nachlauf ξ (Caster-Nachlauf
+ Pneumatiknachlauf) erhält
man ein Moment um den Lenkzapfen (Achsschenkelbolzen). 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.
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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
Verhaltens des Fahrzeugs identifiziert werden kann.
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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 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 Zahnstangenzunahmeverhältnisses ΔFrc/Δθs zum Modellzahnstangenzunahmeverhältnis ΔFrm/Δθs in einem
Lenkwinkelbereich, in dem die Fahrzeugreaktion durch eine lineare
Gleichung (siehe 6) approximiert werden kann.
Die tatsächliche
Zahnstangenrückwirkung
kann auch direkt gemessen werden, indem ein Kraftsensor wie etwa
eine Lastzelle an einer geeigneten Stelle des Spurhebels (knuckle
arm) 7, der Spurstange (tie rod) 5 oder der Zahnstange 8 (rack
shaft) vorgesehen wird.
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Die
Funktionsweise dieser Ausführungsform wird
nun im folgenden mit Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Als erstes wird der Straßenreibungskoeffizient 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 gemessen 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 Hilfslenkmomentberechnungseinheit 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.
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Wenn
die Lenkwinkelgeschwindigkeit θs' hoch ist, wird die
Lenkenergie aufgrund der Trägheit des
Lenksystems so groß,
daß die
normale Zusatzlenkmomentsteuerung 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 Lenkwinkelgeschwindigkeit θs' zunimmt, um den
Widerstand gegen die Lenkbemühung
zu vergrößern. 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 Drehgeschwindigkeit des Lenkrads gewährleistet
werden kann. Mit anderen Worten kann der Fahrzeugfahrer ungeachtet
der Lenkgeschwindigkeit den Lenkwiderstand, den er erfährt, merken
und hierdurch richtig geleitet werden, da das Lenkhilfsmoment gesteuert wird,
wobei sowohl der Straßenoberflächenzustand als
auch die Lenkgeschwindigkeit berücksichtigt
werden.
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Wenn
ein Fahrzeug eine Kurve auf einer schlüpfrigen (glatten) Straßenoberfläche 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
Zusatzlenkmomentberechnungseinheit 25 ein Ausgangssignal
erzeugen mag, das den Fahrzeugfahrer in seinem Versuch, die Gegenlenkaktion durchzuführen, beträchtlich
hindert. Deshalb bestimmt bei dieser Ausführungsform 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.
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Der
Steuerungsprozeß für die Bestimmung eines
Gegenlenkzustands wird im folgenden mit Bezugnahme auf das Flußdiagramm
der 8 beschrieben. Der momentane Lenkwinkel θs und die momentane
Lenkwinkelgeschwindigkeit 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, durchgeführt 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 Lenkwinkels und der
Lenkwinkelgeschwindigkeit aktualisiert (Schritt 3) und werden ferner
die Werte des momentanen Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit
aktualisiert (Schritt 4). Diese Werte werden in zugeordneten Speicherbereichen gespeichert
(Schritt 5). Falls der Lenkwinkel nicht den Überwachungspunktwinkel in Schritt
2 passiert, schreitet der Programmfluß zu Schritt 9 weiter.
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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 Neutralposition 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 bewerkstelligt werden, indem die Vorzeichen
der momentanen und vorangehenden Werte des Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit verglichen
werden (Schritt 6).
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Wenn
eine Gegenlenkaktion durchgeführt wird, ändert sich
die Lenkrichtung oder das Vorzeichen des Lenkwinkels vom vorangehenden
zum momentanen Wert, oder es gilt: Vorzeichen
(θn) ≠ Vorzeichen
(θn – 1).
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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).
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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.
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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 Schwellenwert überschreitet,
wird bestimmt, daß ein
Gegenlenkzustand vorliegt und wird durch das Gatter 27 das
Ausgangssignal von der Zusatzlenkmomentberechnungseinheit 25 unterbrochen
(Schritt 8). Falls die momentane Lenkwinkelgeschwindigkeit unter
den Schwellenwert in Schritt 7 fällt,
wird der Programmfluß erneut
durchlaufen.
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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
zurückgesetzt
oder erneuert. Der nachfolgende Prozeß der Erfassung eines Gegenlenkzustands
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.