DE2348317A1

DE2348317A1 - Vorrichtung zum kompensieren von quer zur fahrtrichtung auf ein schnell fahrendes fahrzeug einwirkenden kraeften

Info

Publication number: DE2348317A1
Application number: DE19732348317
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Niemann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1973-09-26
Filing date: 1973-09-26
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2244659B1; FR2244659A1; US3958656A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
Stuttgart-Untertürkheim

2o. September 1973

Palm

Vorrichtung zum Kompensieren von quer zur Fahrtrichtung auf ein schnell fahrendes Fahrzeug einwirkenden Kräften

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kompensieren von quer zur Fahrtrichtung auf ein schnell fahrendes Fahrzeug einwirkenden Kräften, wie Querbeschleunxgungskräften und Gierwinkelkräften sowie gegebenenfalls Wankbewegungen, durch auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmomente.

Bei den meisten bisher ausgeführten Hilfskraftlenkungen ist das für den Fahrer am Lenkrad fühlbare Rückfühlmoment abhängig von den Momenten der Vorderachsseitenkräfte und der Umfangskräfte um die Achsschenkelbolzen und ihnen proportional. Es ist auch eine Ausführung bekannt« bei der das Lenkradmoment nur dem Lenkeinschlag proportional erzeugt wird und der Proportionalitätsfaktor mit der Fahrgeschwindigkeit geändert wird.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Moment um die Achsschenkelbolzen vom Lenkrad fernzuhalten und den Fahrer durch andere Mittel, die schneller wirken als die Rückmeldung über die HilfskraftunterStützung, von aufgetretenen Seitenkräften, Gierwinkeln oder Wankbewegungen zu unterrichten und ihn zur Gegenlenkung zu veranlassen. Bekannte Systeme veranlassen nämlich nicht den Fahrer zur Gegenlenkung, sondern sie beziehen sich auf Regelungen, die Störungen der Geradeausfahrt automatisch ganz oder teilweise korrigieren. Sie nehmen also dem Fahrer diese Tätigkeit der Korrektur ganz oder teilweise ab und sind im Regelkreis: Fahrer-Fahrzeug-Straße dem Fahrer parallel geschaltet. Derartige Regelsysteme weisen Nachteile auf, die insbesondere darin bestehen, daß bei einem Korrekturversuch u.U. das Lenkrad gedreht und die eingeschlagene Richtung der Räder bei Geradeausfahrt beibehalten wird. Zur Beseitigung derartiger Mangel sind erhebliche Mittel erforderlich, die die ganze Angelegenheit zu aufwendig machen.

Die hier gestellte Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß während der Fahrt als zeitlich zweite Ableitungen aufgenommene, fahrdynamische Meßgrößen von Freiheitegraden durch einen Informationswandler miteinander verknüpft und in ein Drehmoment umgewandelt werden, das unter Umgehung einer Servolenkung ,auf das Lenkrad übertragen wird und das durch sein Auftreten dem Fahrer Störkräfte signalisiert und das ihn zur Aufbringung von Gegenkräften veranlaßt, wobei die Servolenkung so ausgebildet ist, daß sie kein von den gelenkten Rädern ausgehendes Drehmoment auf das Lenkrad zurück überträgt. Hierdurch wird also das für den Fahrer fühlbare Lenkradmoment

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proportional zu fahrdynamisch wichtigen Größen, die miteinander in geeigneter Weise verknüpft werden müssen, erzeugt. Der Unterschied zu herkömmlichen Lenkungen besteht also darin, daß für die Zusammensetzung des Lenkradrückfühlmomentes nicht ein von der Mechanik des Fahrzeugs verursachter Zusammenhang in Kauf genommen werden muß. Vielmehr kann ein von für störende Seitenabweichung maßgeblichen Größen, nämlich die zeitlichen Ableitungen der Freiheitsgrade: Gieren, Seitenabweichung und Wanken des Fahrzeuge abhängiges Moment zur besseren und schnelleren Information des Fahrers erzeugt werden. Dieser reagiert nämlich, wie Versuche gezeigt haben, sehr empfindlich und schnell auf Informationen, die ihm durch ein Gegenmoment auf das Lenkrad übertragen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmoment aus einem dem Lenkradeinschlag (pj) und einem der Querbeschleunigung (b) sowie einem der Gierwinkelbeschleunigung (l) proportionalen Anteil nach der Gleichung Mß. = Kß.-p .b-p .1 gebildet. In dieser Gleichung bedeuten:

p. = Lenkeinschlagwinkel am Lenkrad

b 3 Querbeschleunigung

1 = Gierwinke!beschleunigung

M. β Drehmoment am Lenkrad

k, ρ und ρ = Proportionalitätsfaktoren zur Umwandlung der

Meßwerte ß^, b und 1.

Die zweiten Ableitungen b und 1 der Freiheitegrade: Querabweichung vom geraden Sollkurs und Drehung gegenüber diesem, welche Störungen der Geradeausfahrt ohne Zeitverzug signali sieren, sollen, um den Fahrer zum Gegenlenkess zn zwingen,

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Lenkradmomente erzeugen, die auch box losgelassenem Lenkrad ein Eindrehen der Lenkung in die von der Störung hervorgerufene Kursabweichungsrichtung bewirken« Deshalb das negative Vorzeichen. Damit die Lenkung zurückstellt, wenn der Fahrer nach einer gewollten Kurvenfahrt das Lenkrad losläßt, muß der vom Lenkradeinschlag abhängige Momentenanteil K.ß. ein den beiden anderen Momentenanteilen ρ .b und ρ«.1 entgegengesetztes Vorzeichen, nämlich positiv haben. Außerdem müssen die Proportionalitätsfaktoren K, ρ und p_o so abgestimmt sein, daß dieser Momentenanteil immer dann diejenigen Anteile aus der Gierwinkelbeschleunigung und der Querbeschleunigung überwiegt, wenn diese Größen Folgen des Lenkradeinschlages des Fahrers sind, d.h. wenn dieser eine Kurve fahren will. Bei Berücksichtigung der Zusammenhänge zwischen Lenkradeinschlag und Querbeschleunigung bzw. Gierwinkelbeschleunigung am Fahrzeug ist diese Abstimmung durchführbar. Damit wird außerdem erreicht, daß bei losgelassenem Lenkrad die ungestörte Geradeausfahrt ein stabiler Zustand ist.

In der Praxis wird diese Zielsetzung dadurch erreicht, daß am Heck und am Bug des Fahrzeugs je ein Meßwertgeber angeordnet ist, die bei Störungen Meßwerte abgeben, deren Summe ein Maß für die Querbeschleunigung (b) und deren Differenz ein Maß für die Gierwinkelbeschleunigung (l) abgibt. Die von den Meßwertgebern aufgenommenen Meßwerte für die Querbeschleunigung (b), die Gierwinkelbeschleunigung (l), die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs und» den Lenkradwinkel (ß.) können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung über Analogrechner und Multiplizierer einem Summierer zugeführt werden, der eine dem auf das Lenkrad aufzubringenden Drehmoment proportionale Spannung einem aus einem Elektro-

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motor oder einem Moog-r Ventil bestehenden Wandler zuführt, von dem aus das Drehmoment auf das Lenkrad gebracht wird, wobei die dem Lenkradmoment proportionale Ausgangsspannung in bekannter Weise durch Ansteuerung einer Hilfsenergiequelle in ein Lenkradmoment umsetzbar ist. Bei einer solchen Vorrichtung kann für jeden der drei Momentenanteile (K(v).fi. ; -p .(v).b und -p .(v).l) ein Multiplizierer vorgesehen sein. Weiterhin kann in den Multiplizierer für den Momentenanteil der Querbeschleunigung (-p (v)b) die Querbeschleunigung (-b) direkt und die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs über einen Analogrechner zugeführt werden, der diese mit dem Proportionalitätsfaktor (p ) verknüpft. Andererseits kann aber in den Multiplizierer für den Momentenanteil der Gierwinkelbeschleunigung (-p_o(v).l) die Gierwinkelbeschleunigung (-1) direkt und die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs über einen Analogrechner zugeführt werden, der diese mit dem Proportionalitätsfaktor (p„) verknüpft. Weiterhin kann die Fahrgeschwindigkeit dem Multiplizierer für den Momentenanteil des Lenkradeinschlages (K(v).ß-) über einen Analogrechner zugeführt werden, der die ihm zugeführte Meßgröße Geschwindigkeit (v) und den Proportionalitätsfaktor (K) miteinander verknüpft, während der Lenkradeinschlag + ß, dem Multiplizierer auch noch direkt zugeführt wird.

Schließlich kann noch eine Abhängigkeit des Proportionalität sfaktors K vom Lenkradeinschlag eingeführt werden. Demgemäß kann der Proportionalitätsfaktor K in Abhängigkeit von der Größe des Lenkradeinschlages (ßj) veränderlich sein. Diese Abhängigkeit soll insbesondere eine Abnahme des Proportionalitätsfaktors K mit steigendem Lenkradeinschlag von einer vorgegebenen Grenze ab bewirken. Durch diese Maßnahme wird eine Begrenzung des Lenkmoments bei großen Lenkradeinschlägen, wie sie beispielsweise bein: Hangieren vorkommen,

erreicht. 509815/0107

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Um auch die Wankbewegungen zu berücksichtigen, kann zur Korrektur der durch Wankbewegungen bei fest am Aufbau montierten Meßwertgebern entstehenden Syatemfehler zur Bestimmung der wirklichen, sich aus den Meßsignalen ergebenden Querbeschleunigung eine Ilechenschaltung vorgesehen sein, die das Wankverhalten des Fahrzeugs analog beschreibt und ausfiltert.

Aus dynamischen Untersuchungen eines schnell fahrenden Fahrzeugs läßt sich nachweisen, daß das Moment um die Achsschenkelbolzen nur in Ausnahmefällen den Fahrer über den Verlauf von Störungen bei Geradeausfahrt frühzeitig und richtig informiert. Dei zeitlich schnell veränderlichen Lenkeinschlägen entstehen Phasenverschiebungen zwischen dem Moment um die Achsschenkelbolzen und der Krümmung der Fahrzeugbahn sowie dem Einschlag der Vorderräder. Dem Fahrer gibt ein Lenkradmoment, das dem Moment um die Achsschenkelbolzen proportional ist, weil es zu spät ankommt, dann keine Information mehr über den momentanen Kurvenradius, die Kraftschlußbeanspruchung und die Stellung der Vorderräder, wie er es von stationärer Kurvenfahrt her gewöhnt war. Beim erfindungsgemäßen System dagegen werden vorteilhaft insbesondere die zweiten zeitlichen Ableitungen der Freiheitsgrade: Gieren und Seitenabweichung des Fahrzeugs, nämlich die Querbeschleunigung und die Gierwinkelbeschleunigung, sowie der Lenkradeinschlag zur Bildung des Lenkradmoments benutzt. Hier sind die bei herkömmlichen Lenkungen auftretenden, geschilderten Phasenverschiebungen nicht vorhanden. Außerdem informiert ein aus den Beschleunigungen der Kursabweichung zusammengesetztes Lenkradmoment den Fahrer über den Verlauf aller Störungen der Geradeaus fahrt frühzeitig und richtig, indem an Lenkrad ein Gegendrehmoment aufge-

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bracht wird, das den Fahrer unmittelbar nach dem Auftreten der Störung von dieser unterrichtet und zum Gegenlenken veranlaßt. Die erfindungsgemnße Vorrichtung ist demgemäß kein Hegler, win er bei bekannten Ausführungen zum Ausschalten der Störungen durch Gegenlenkung verwendet wird, sondern ein Informationswandler, der die Informationen Querbeschleunigung und Gierwinkelbeschleunigung, welche der Fahrer schlechter wahrnehmen kann als das gut fühlbare Lenkradtnoment, die aber durch die crfindungsgemaße Vorrichtung früher gemeldet werden können als das Moment um die Achsschenkelbolzen, in ein sozusagen künstliches Lenkradmomoiit umsetzt.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand einer Skizze und anhand von Systemschaubildern in der folgenden Beschreibung naher erliiutort, der auch weitere Einzelheiten der Erfindung entnommen werden können« L·s zeigen

Fig. 1 in Kcheniatischer Darstellung die Draufsicht

auf ein Kraitfahrzeug mit in jeweils vorbestimmten! Abstand vom Schwerpunkt S eingebauten Meßwertgebern zur Aufnahme der Querbeschleunigung und der Gierwinlcelbeschleuni gung_t

Fig. 2 den Informationsfluß im herkömmlichen Lenksy

stem,

Fig. 3 den Informationsfluß im erfindungsgemaßen Lenk

system,

Fi_xC. k ein Systemschaubild zur schematisehen Darstel

lung der Erzeugung eines Lenkradmomentes aus Gierwinkel- und Querbeschleunigung.

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In einem Kraftfahrzeug 1 werden am Bug und am Heck des Fahrzeugs je ein Meßwertgeber 2, 3 angeordnet, die bei Störungen der Geradeausfahrt von Seitenkräften herrührende Meßwerte angeben. Diese Meßwerte ergeben summiert die Querbeschleunigung (-b) und als Differenz ein Maß für die Gierwinkelbeschleunigung (-1).

In Fig. 4 ist nun dargestellt, wie von den beiden Meßwertgebern 2 und 3 bei störend auftretenden Seitenkräften die Spannungen -u und -u ermittelt werden, aus denen mit Hilfe von analogen Summierern 4 und 5 die Querbeschleunigung b und die Gierwinkelbeschleunigung 1 ermittelt worden. Dabei summiert der Analogsunmierer 4 die gemessene Spannung, während der analoge Summierer 5 eine Differenz aus den gemessenen Spannungen u und u ermittelt. Das Ergebnis des analogen Summierers 4 ergibt die Querbeschleunigung -b, während das Ergebnis des analogen Summierers 5 die Gierwinkelbeschleunigung -1 ergibt. Weiterhin werden am Fahrzeug mit üblichen bekannten Mitteln die Geschwindigkeit ν und der Lenkradwinkel ß. gemessen. Im System sind nun drei Multiplizierer 6, 7 und 8 und ein Summierer 9 vorgesehen. Dem Multiplizierer 6 wird die Querbeschleunigung -b direkt und die Geschwindigkeit ν über einen analogen Rechner 11 zugeführt, der die Geschwindigkeit ν mit dem Proportionalitätsfaktor ρ verknüpft. In ähnlicher Weise arbeitet der Analogrechner 12, der die Geschwindigkeit ν mit dem Proportionalitätsfaktor ρ verknüpft und das Ergebnis dem Multiplizierer 7 zuführt, der im übrigen die Gierwinkelbeschleunigung -1 direkt aufnimmt. Schließlich geht in den Analogrechner 13 auch die Geschwindigkeit ν ein und wird dort mit dem außerdem in ihn eingeführten Lenkradeinschlag ß, verknüpft, wonach das Ergebnis den Multiplizierer 8 zugeführt wird, der im übrigen den Lenkradeinschlag ß, auch direkt erhält. Die Multiplizierer 6, 7

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und 8 bringen ihre Ergebnisse, die den Momentenanteilen -P₁(v).b bzw. -p₂(v).l bzw. +Κ(β-,ν).β. entsprechen, in den Summierer 9 ein, der die drei eingespeicherten Momentenanteile zu einer Spannung zusammenfaßt, die der e.rfindungsgemäßen Gleichung M-äs-u = Kß.-p .b-p .1 als dem Lenkrad aufzubringendes Drehmoment entspricht. Diese Spannung wird in den Umwandler l4 gegeben, der als Elektromotor oder als Moog-Ventil ein Drehmoment im Sinne der Erfindung direkt auf das Lenkrad 15 aufbringt.

Die in Fig. k als schematisches Schaubild dargestellte Meßeinrichtung und Meßwertverarbeitung entspricht im wesentlichen der in Fig. 3 dargestellten Meßeinrichtung l6. Lediglich die Meßwertaufnehmer für die Querbeschleunigung, die Geschwindigkeit, die Gierwinkelbeschleunigung und den Lenkradwinkel ß. sind am Fahrzeug selbst angebracht und der Umwandler lk ist auch in Fig. 3 gesondert dargestellt.

Aus Fig. 3 ergibt sich nun, daß die vom Fahrer des Fahrzeugs ausgeführten Lenkbewegungen des Lenkrades 15 direkt über den Umwandler lk und die Servolenkung 17 an die lenkbaren Räder des Fahrzeugs 1 gebracht werden. Die in üblicher Weise vom Fahrzeug, d.h. seinen Achsschenkelbolzen der gelenkten Räder beispielsweise bei Störungen durch Seitenwind zur Servolenkung zurückgemeldeten Momente werden von der Servolenkung 17 nicht an das Lenkrad zurück weitergegeben, da die Servolenkung 17 erfindungsgemäß so ausgebildet ist,daß eine Rückmeldung von Störmomenten nicht stattfinden kann. Schneller als die üblicherweise wie in Fig. 2 dargestellt von den Achsschenkelbolzen am Fahrzeug la über die Servolenkung 17a an das Lenkrad 15a zurückgemeldeten Störmomente können die durch die erfinduiiga-

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gemäße Ausführung gemessenen Momente über die Meßeinrichtung l6 unter Umgehung der Servolenkung 17 dem Umwandler l4 zugeführt werden, der von einer Hilfeenergiequelle l8 angesteuert wird. Durch den Umwandler wird dem Fahrer über das Lenkrad 15 das Lenkradmoment 19 übermittelt, das seiner Lenkbewegung entgegengesetzt ist und ihn dadurch veranlaßt, eine Gegenlenkung auszuführen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung handelt es sich im Gegensatz zu den bisher bekannten Systemen um eine Lenkung, die dem Fahrer keine Tätigkeit abnimmt, ihn im Gegensatz zu den üblichen Lenkungen lediglich Informationen und Rückmeldungen über das Lenkrad durch ein Drehmoment erteilt, das aus den Meßgrößen Querbeschleunigung und Gierwinkelbeschleunigung zusammengesetzt ist. Im Gegensatz dazu sind die bekannten Systeme Regelungen, die Störungen der Geradeausfahrt automatisch ganz oder teilweise korrigieren. Diese nehmen dem Fahrer seine Tätigkeit ganz oder teilweise ab, können aber, wenn nicht ein großer Aufwand getrieben wird, große Nachteile beim Fahren hervorrufen, wenn die vorgenommenen Regelungen vom Fahrer nicht wahrgenommen werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Informationsfluß für ein herkömmliches Lenksystem zeigt ein Lenkrad 15a, eine Servolenkung 17a und ein Fahrzeug la. Vom Lenkrad 15a gehen Lenkradeinschläge auf die Servolenkung 17a, die den Lenkradeinschlag des Fahrzeugs la bewirkt. Von den Achsschenkelbolzen werden bei seitlich auftretenden Störungen Achsschenkelbolzenmomente vom Fahrzeug la auf die Servolenkung 17a zurückübertragen und von dieser als Lenkradmoment an das Lenkrad 15a zurückgemeldet (untere Pfeile der Darstellung).

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Claims

Ansprüche

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orrichtung zum Kompensieren von quer zur Fahrtrich-.-' tung auf ein schnell fahrendes Fahrzeug einwirkenden Kräften, wie Querbeschleunigungskräften und Gierwinkelkräften sowie gegebenenfalls Wankbewegungen, durch auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmomente, dadurch gekennzeichnet , daß während der Fahrt als zeitlich zweite Ableitungen aufgenommene, fahrdynamische Meßgrößen (-b, -l) von Freiheitsgraden durch einen Informationswandler (16) miteinander verknüpft und in ein Drehmoment umgewandelt (l4) werden, das unter Umgehung einer Servolenkung (17) auf das Lenkrad (I5) übertragen wird und das durch sein Auftreten dem Fahrer Störkräfte signalisiert und das ihn zum Aufbringen von Gegenkräften veranlaßt, wobei die Servolenkung (17) so ausgebildet ist, daß sie kein von den gelenkten Rädern ausgehendes Drehmoment auf das Lenkrad (15) überträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das auf das Lenkrad (15) aufgebrachte Drehmoment aus einem dem Lenkradeinschlag (ß. ) und einem der Querbeschleunigung (b) sowie einem der Gierwinkelbeschleunigung (l) proportionalen Anteil nach der Gleichung

M_ s K · β. — ρ . b — p_ . 1

gebildet wird.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß am Heck und am Bug des Fahrzeugs (l) je ein Meßwertgeber (2, 3) angeordnet ist, die bei Störungen Meßwerte abgeben, deren Summe ein Maß für die Querbeschleunigung (b) und deren Differenz ein Maß für die Gierwinkelbeachleunigung (l) abgeben.

k. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3f dadurch gekennze ichne t , daß die von Meßwertgebern (2, 3) aufgenommenen Meßwerte für die Querbeschleunigung (b), die Gierwinkelbeachleunigung (l), die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs und den Lenkradwinkel (ß. ) über Analogrechner (II-13) und Multiplizierer (6-8) einem Summierer (9) zugeführt werden, der eine dem auf das Lenkrad (15) aufzubringenden Drehmoment proportionale Spannung einem aus· einem Elektromotor oder einem Moog-Ventil bestehenden Wandler (lk) zuführt, von dem aus das Drehmoment auf das Lenkrad (I5) gebracht wird, wobei die dem Lenkradmoment proportionale Ausgangsspannung in bekannter Weise durch Ansteuerung einer Hilfsenergiequelle (l8) in ein Lenkradmoment umsetzbar ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennz ei c h η e t , daß für jeden Momentenanteil (K(ß..v)ß_L, und -p (v)l) ein Multiplizierer (6-8) vorgesehen

ist.

Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in den Multiplizierer (6) für den Momentenanteil der Querbeschleunigung (-p (v)b) die Querbeschleunigung (-b) direkt und die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs über einen Analogrechner (ll) zugeführt wird, der diese mit dem Proportionalitätsfaktor (P₁) verknüpft.

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7« Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß in den Multiplizierer (7) für den Momentenanteil der Gierwinkelbeschleunigung (-p„(v)l) die Gierwinkelbeschleunigung (-1) direkt und die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs über einen Analogrechner (12) zugeführt wird, der diese mit dem Proportionalitätsfaktor (p„) verknüpft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet , daß der Lenkradeinschlag (+ßr) in den Multiplizierer (8) für den Momentenanteil des Lenkradeinschlags (K.ß_) einerseits direkt und andererseits über einen Analogrechner (13) zugeführt wird, der die ihm zugeführten Meßgrößen Geschwindigkeit (v) und Lenkradeinschlag (ß. ) und den Proportionalitätsfaktor K miteinander verknüpft.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktor (K) in Abhängigkeit von der Größe des Lenkradeinschlages (ß~) veränderlich ist.

Io. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß zur Korrektur des durch Wankbewegungen bei fest am Aufbau (l) montierten Meßwertgebern (2, 3) entstehenden Systemfehlers zur DeStimmung der wirklichen, sich aus den Meßsignalen ergebenden Querbeschleunigung eine Rechenschaltung vorgesehen ist,,die das Wankverhalten des Fahrzeugs (l). analog beschreibt und ausfiltert.

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