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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung eines Lenkvorganges in einem Fahrzeug mit Anhänger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Regel- bzw. Steuergerät und auf ein Lenksystem, jeweils zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Bei herkömmlichen Gespannen, bestehend aus einem Fahrzeug und einem über eine Kupplung angehängten Anhänger, gestaltet sich die Manövrierung bei Rückwärtsfahrt als schwierig, da der Knickwinkel zwischen Anhänger und Fahrzeug einen zusätzlichen, zu berücksichtigenden Freiheitsgrad darstellt. Insbesondere in rückwärts gefahrenen Kurven kann sich das Problem stellen, dass der Knickwinkel dem Lenkwinkeleinschlag entgegengerichtet ist, so dass der Anhänger sich nicht entlang der gewünschten Kurvenbahn bewegt, sondern in Gegenrichtung einknickt. Um dies zu vermeiden, muss der Kupplungspunkt bezogen auf die Solltrajektorie zunächst ein Stück nach außen verschoben werden, was voraussetzt, dass der Fahrer zunächst einen Lenkwinkel entgegen der gewünschten Kurvenrichtung einschlägt und erst danach den Lenkwinkel in die Kurvenrichtung bringt. Nachteilig hierbei ist neben der Schwierigkeit des durchzuführenden Lenkmanövers auch der verhältnismäßig große Kurvenradius.
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In der
DE 10 2004 025 252 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Gespannwinkels eines Gliederzugs beschrieben, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem über eine Deichsel gekoppelten Anhänger bzw. Aufleger. Die Bestimmung des Gespannwinkels wird einer Regelung bei Rückwärtsfahrt zugrunde gelegt, die als Fahrerassistenzsystem den Fahrer bei Rückwärtsfahrten unterstützen soll.
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Die gattungsbildende
US 6 292 094 B1 offenbart ein Verfahren zur Durchführung eines Lenkvorgangs in einem Fahrzeug mit Anhänger, wobei das Fahrzeug mit einem Vorderachslenksystem und einem Hinterachslenksystem ausgestattet ist. Zur Durchführung eines Lenkvorgangs wird der aktuelle Knickwinkel zwischen Fahrzeug und Anhänger bestimmt und der Hinterachslenkwinkel als Funktion der Differenz zwischen dem Knickwinkel und einem Soll-Knickwinkel eingestellt.
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Ein mit der
US 6 292 094 B1 vergleichbares Verfahren bei einem Fahrzeug mit Anhänger ist auch aus der
US 2005/0039972 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Durchfahren von Kurven insbesondere beim Rückwärtsfahren zu vereinfachen. Vorteilhafterweise sollen auch verhältnismäßig kleine Kurvenradien zu durchfahren sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Durchführung eines Lenkvorganges in einem Fahrzeug mit Anhänger mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Regel- bzw. Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruches 11 und durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruches 12. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Zur Durchführung des Lenkvorganges weist das Fahrzeug neben einer Vorderachslenkung zur Einstellung eines gewünschten Vorderachslenkwinkels auch eine Hinterachslenkung auf, also ein aktives Hinterachslenksystem, über das ein gewünschter Hinterachslenkwinkel einstellbar ist. Bei derartigen Fahrzeugen sind demnach nicht nur die Vorderräder, sondern auch die Hinterräder lenkbar ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Hinterachslenkung nicht kinematisch an die Vorderachslenkung gekoppelt, sondern auf kinematischer Ebene unabhängig von der Vorderachslenkung einzustellen, wobei es insbesondere möglich ist, den Hinterachslenkwinkel als Funktion diverser Fahrzeugzustands- und Betriebsgrößen einzustellen. Dem Hinterachslenksystem ist hierfür ein Aktuator zugeordnet, der über Stellsignale eines Regel- bzw. Steuergerätes zur Einstellung eines gewünschten Hinterachslenkwinkels zu beaufschlagen ist.
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Der Hinterachslenkwinkel wird beim erfindungsgemäßen Verfahren über das aktive Hinterachslenkungssystem eingestellt, um den Fahrer in Kurvenfahrten insbesondere beim Rückwärtsfahren zu unterstützen, wobei gegebenenfalls auch beim vorwärts Fahren eine aktive Hinterachslenkwinkeleinstellung in Betracht kommt. Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst der aktuelle Lenkradwinkel ermittelt, was in der Regel mit den im Fahrzeug vorhandenen Sensoren, beispielsweise aus der ESP-Sensorik (elektronisches Stabilitätsprogramm) durchgeführt werden kann. Der Lenkradwinkel wird der Bestimmung eines Soll-Knickwinkels zugrunde gelegt, der als Funktion des aktuellen Lenkradwinkels zwischen der Längsachse des Fahrzeugs und der Längsachse des Anhängers eingestellt werden soll. Danach wird der aktuelle Ist-Knickwinkels ermittelt, was entweder über eine Messung des Knickwinkels oder über eine Berechnung erfolgt. In einem nächsten Verfahrensschritt wird unter Zugrundelegung des berechneten Soll-Knickwinkels sowie des tatsächlichen Ist-Knickwinkels der Hinterachslenkwinkel gemäß eines festgelegten Zusammenhanges eingestellt.
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Bei einer rechnerischen Ermittlung ist der Ist-Knickwinkel als Funktion des bekannten Lenkradwinkels sowie des Hinterachslenkwinkels darstellbar. Die Einstellung des Hinterachslenkwinkels und die Berechnung des Ist-Knickwinkels erfolgt in der Regel in impliziter Weise aus einem mathematischen Gleichungssystem, in welchem beide Größen als Variable enthalten sind.
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Dieses Verfahren erlaubt allein auf der Grundlage eines vorgegebenen Lenkradwinkels ein stabiles rückwärts Fahren in Geradeausrichtung sowie ein Durchfahren von Kurven in Rückwärtsrichtung mit Fahrzeugen mit Anhänger, ohne dass der Fahrer zur Vermeidung eines unerwünschten Einknickens des Anhängers das Lenkrad entgegen dem Kurverlauf einschlagen muss. Der Fahrer kann vielmehr intuitiv in gleicher Weise die Kurve durchfahren, wie dies bei Fahrzeugen ohne Anhänger möglich ist. Ein Einknicken des Anhängers wird durch die selbsttätige Einstellung des Hinterachslenkwinkels im Hinterachslenksystem vermieden.
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Das System benötigt grundsätzlich über den Lenkradwinkel und gegebenenfalls den Knickwinkel hinausgehend keine zusätzlichen sensorischen Eingangsdaten. Gleichwohl kann es zweckmäßig sein, den Ist-Knickwinkel aus einer Messung zu bestimmen und der Einstellung des Hinterachslenkwinkels zugrunde zu legen. Wird der Ist-Knickwinkel berechnet, handelt es sich dem Grunde nach um ein gesteuertes System; bei einer Messung des Ist-Knickwinkels handelt es sich um eine Regelung mit rückführender Schleife. Die sensorische Ermittlung des Ist-Knickwinkels kann grundsätzlich auf verschiedene Arten durchgeführt werden, beispielsweise über Winkelgeber in der Anhängerkupplung oder Sensoren im Fahrzeugheck oder im Anhänger, beispielsweise zur Messung von Abständen von Fahrzeug zu Anhänger links und rechts des Kupplungspunktes und Berechnung des Knickwinkels aus den gemessenen Abständen, wobei die Abstandsmessung mechanisch oder berührungslos ausgeführt werden kann.
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Dieses Verfahren kann als Assistenzsystem zusammengefasst werden, das im Fahrzeug realisiert ist und insbesondere beim rückwärts Fahren aktiviert wird. Neben der Vermeidung eines unerwünschten Einknickens des Anhängers können auch kleinere Kurvenradien realisiert werden, als dies im Stand der Technik der Fall ist.
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Die Erfindung lässt sich zwar in besonders vorteilhafter Weise auf das rückwärts Fahren anwenden, so dass es zweckmäßig sein kann, das Fahrerassistenzsystem auch nur bei Rückwärtsfahrt zu aktivieren. Dennoch kann es auch zweckmäßig sein, das Assistenzsystem auch bei Vorwärtsfahrt zu aktivieren, beispielsweise um durch eine entsprechende Einstellung des Hinterachslenkwinkels während des Durchfahrens einer Kurve einen verhältnismäßig kleinen Kurvenradius im Anhänger zu realisieren. Für die Ermittlung und Einstellung des Hinterachslenkwinkels als Funktion von Ist-Knickwinkel und Soll-Knickwinkel können bei Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt unterschiedliche Beziehungen gelten, was zweckmäßigerweise bei der jeweiligen Fahrtrichtung aktiviert wird. Daneben ist es aber auch möglich, dass bei Vorwärtsfahrt das Assistenzsystem abgeschaltet ist, so dass bei Vorwärtsfahrt die Hinterachslenkung insbesondere keinen geregelten Eingriffswinkel zur Beeinflussung des Knickwinkels stellt. Schließlich kann es zweckmäßig sein, bei Vorwärtsfahrt den Ist-Knickwinkel zu berechnen und das Verfahren als Steuerung durchzuführen und bei Rückwärtsfahrt den Ist-Knickwinkel zu messen und das Verfahren als Regelung zu konzipieren.
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Gemäß zweckmäßiger Ausführung wird der Soll-Knickwinkel als Funktion des Vorderachslenkwinkels und geometrischer Fahrzeuggrößen, insbesondere der Achsabstände im Fahrzeug und im Anhänger berechnet, wobei der Vorderachslenkwinkel über einen feststehenden kinematischen Zusammenhang aus dem Lenkradwinkel zu ermitteln ist. Bei schlupffreier Fahrt bestimmt sich der Vorderachslenkwinkel aus dem Übersetzungsverhältnis, welches über das Lenkgetriebe zwischen der Lenkwelle und dem Lenkgestänge festgelegt ist. Der Ist-Knickwinkel kann dagegen im Falle einer rechnerischen Ermittlung aus einer Differentialgleichung erster Ordnung in Abhängigkeit des Vorderachslenkwinkels und des Hinterachslenkwinkels berechnet werden, wobei der Vorderachslenkwinkel wiederum aus dem kinematischen Zusammenhang aus dem Lenkradwinkel zu ermitteln ist. Die Winkel werden in der Weise eingestellt, dass die Differenz von Vorderachselenkwinkel und Hinterachslenkwinkel einer vorgegebenen Funktion folgt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einem über eine Kupplung angehängten Anhänger, wobei das Fahrzeug zusätzlich zum Vorderachslenksystem auch ein Hinterachslenksystem aufweist, bei dessen Betätigung die Hinterräder mit einem Lenkwinkel beaufschlagt sind, mit dargestelltem Knickwinkel zwischen Fahrzeug und Anhänger,
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2 das Fahrzeug einschließlich Anhänger beim Durchfahren einer Kurve während einer Rückwärtsfahrt mit einer Darstellung in zwei unterschiedlichen Positionen.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Fahrzeug 1 handelt es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen, an den über eine Kupplung 3 ein Anhänger 2 angehängt ist. Grundsätzlich kommt im Rahmen der Erfindung aber auch eine Anwendung auf Lastkraftwagen in Betracht, an die über eine entsprechende Kupplung ein Anhänger angehängt ist.
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Das Fahrzeug 1 weist ein Vorderachslenksystem 4 auf, das in an sich bekannter Weise ausgeführt ist und eine als Lenkrad 10 ausgeführte Lenkhandhabe aufweist, über die vom Fahrer eine Fahrerlenkvorgabe einstellbar ist – bei einem Lenkrad ein Lenkradwinkel δL – welcher über eine Lenkwelle, ein Lenkgetriebe und das Lenkgestänge auf die lenkbaren Vorderräder 5 übertragbar ist, in denen sich ein Vorderachslenkwinkel δF einstellt. Gegebenenfalls ist das Vorderachslenksystem 4 noch mit einem zusätzlichen Überlagerungslenkgetriebe versehen, mittels dem dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel δL ein Überlagerungslenkwinkel überlagert werden kann.
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Des Weiteren ist das Fahrzeug 1 mit einem Hinterachslenksystem 6 ausgestattet, das als aktives Lenksystem ausgebildet ist und lenkbare Hinterräder 7 umfasst, denen ein Hinterachslenkwinkel δR aufgegeben werden kann. Das Hinterachslenksystem 6 ist insbesondere kinematisch unabhängig vom Vorderachslenksystem 4 ausgebildet, so dass es keine zwangsweise Kopplung zwischen dem Vorderachslenkwinkel δF und dem Hinterachslenkwinkel δR gibt. Zur Einstellung des Hinterachslenkwinkels δR ist dem Hinterachslenksystem 6 ein Aktuator zugeordnet, der über Stellsignale einer Regel- bzw. Steuereinheit einzustellen ist. Die Einstellung des Hinterachslenksystems 6 erfolgt als Funktion aktueller Fahrzeugzustands- und Betriebsgroßen.
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Der Anhänger 2 ist einachsig ausgeführt und weist eine als Starrachse ausgebildete Anhängerachse 8 mit Anhängerrädern 9 auf oder zwei als Starrachsen ausgebildete Anhängerachsen, mit gegebenenfalls doppelter Anzahl von Anhängerrädern, wobei die Starrachsen zweckmäßig in Längsrichtung einen Abstand aufweisen, der einen zugelassenen Maximalabstand nicht übersteigt. Die Fahrzeuggeometrien werden durch den Achsabstand L1 zwischen Vorderachse und Hinterachse im Fahrzeug, durch den Abstand L2 zwischen Kupplung 3 und Anhängerachse 8 sowie durch den Abstand L3 zwischen der Hinterachse und der Kupplung 3 bestimmt. In Kurvenfahrt besteht zwischen dem Fahrzeug 1 und dem Anhänger 2 ein Knickwinkel α, der als Winkel zwischen den Längsachsen 11 und 12 des Fahrzeugs 1 bzw. des Anhängers 2 definiert ist.
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Das Durchfahren einer Kurve bei Rückwärtsfahrt ist in 2 dargestellt. Der Fahrer gibt über die Lenkhandhabe 10 den Lenkradwinkel δL vor, woraufhin sich im Vorderachslenksystem 4 der Vorderachslenkwinkel δF an den Vorderrädern 5 einstellt. Gemäß des nachfolgend noch zu beschreibenden Verfahrens wird über ein Fahrerassistenzsystem automatisch im Hinterachslenksystem 6 durch Betätigung des dem Hinterachslenksystem 6 zugeordneten Aktuators ein Hinterachslenkwinkel δR als Funktion des Lenkradwinkels δL eingestellt, um ein unerwünschtes Einknicken des Anhängers 2 gegenüber dem Fahrzeug 1 zu verhindern.
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Mit gestrichelter Linie ist das Fahrzeug 1 einschließlich Anhänger 2 zu Beginn der Kurvenfahrt dargestellt, mit durchgezogener Linie sind dagegen Fahrzeug 1 und Anhänger 2 in einem weiter fortgeschrittenen Zustand während des Durchfahrens der Kurve in Rückwärtsrichtung dargestellt. Durch eine entsprechende Einstellung des Hinterachslenkwinkels δR mittels des dem Hinterachslenksystems 6 zugeordneten Aktuators durchfahren Fahrzeug 1 und Anhänger 2 die Kurve, die den Radius R und den Mittelpunkt M aufweist, in optimaler Weise. Gegenüber Fahrzeugen einschließlich Anhängern ohne Fahrerassistenzsystem kann ein kleinerer Radius R erzielt werden, außerdem wird ein Einknicken zwischen Fahrzeug 1 und Anhänger 2 vermieden.
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Bei dem Verfahren zur Durchführung des Lenkvorganges wird zunächst der aktuelle Lenkradwinkel δL ermittelt, was insbesondere mit der im Fahrzeug regelmäßig vorhandenen Sensorik durchgeführt wird, so dass hierfür keine zusätzlichen Sensoreinrichtungen erforderlich sind. Der aktuelle Vorderachslenkwinkel δF steht mit dem Lenkradwinkel δL aufgrund der Kopplung der Lenkhandhabe 10 über die Lenkwelle und das Lenkgetriebe in einem bekannten kinematischen Zusammenhang, der durch das Übersetzungsverhältnis des Lenkgetriebes bestimmt wird. Dann wird der Knickwinkel α zwischen Fahrzeug 1 und Anhänger 2 ermittelt, wofür eine Sensoreinrichtung erforderlich ist, die entweder als Winkelgeber in der Anhängerkupplung 3 ausgeführt sein kann oder als mechanische oder berührungslose Messeinrichtung an mindestens zwei Stellen den Abstand zwischen Fahrzeug 1 und Anhänger 2 ermittelt, um daraus den Knickwinkel α zu berechnen, wobei hierzu die genaue Lage der Bezugspunkte der Abstandsmessung auf dem Fahrzeug 1 und auf dem Anhänger 2 bekannt sein müssen.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird der Soll-Knickwinkel α
soll als Funktion des Vorderachslenkwinkels δ
F und der Achsabstände L
1, L
2 und L
3 gemäß der Beziehung
bestimmt, wobei der Vorderachslenkwinkel δ
F wie vorbeschrieben aus dem bekannten kinematischen Zusammenhang aus dem Lenkradwinkel δ
L ermittelt wird.
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Zur Einstellung des Hinterachslenkwinkel δ
R durch Betätigung des Aktuators im Hinterachslenksystem
6 wird die Differenz von Vorderachslenkwinkel δ
F und Hinterachslenkwinkel δ
R zugrunde gelegt, die in Abhängigkeit des Soll-Knickwinkels α
soll und des Ist-Knickwinkels α
ist folgender Funktion folgen soll:
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Der Ist-Knickwinkel α
ist kann auch – zusätzlich oder alternativ zur Messung – als Funktion der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v, des Vorderachslenkwinkel δ
F, des Hinterachslenkwinkel δ
R und der Achsabstände L
1, L
2 und L
3 gemäß der Differentialgleichung
1. Ordnung
berechnet werden.
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Mit den beiden vorgenannten Funktionen stehen zwei Beziehungen zur Ermittlung des Ist-Knickwinkels αist und des Hinterachslenkwinkels δR zur Verfügung.
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Gegebenenfalls wird mithilfe eine Tiefpassfilters die Dynamik des Einlenkvorganges an das Verhalten bei Vorwärtsfahrt angepasst.