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αDie
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung eines Lenksystems
in einem Fahrzeug mit Lenkkraftunterstützungseinrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
DE 103 15 965
A1 wird ein Verfahren zum Vermeiden des Umkippens des Fahrzeuges
beschrieben, bei dem zunächst eine die Kippgefahr des Fahrzeugs
beschreibende Fahrzeugzustandsgröße ermittelt
und in Abhängigkeit dieser Größe ein
fahrerunabhängiger Lenkeingriff zur Vermeidung des Umkippens
des Fahrzeugs durchgeführt wird. Um die Kippgefahr sicher
erkennen zu können, werden Sensorsignale aus Fahrdynamikregelsystemen
ausgewertet, insbesondere die Gierrate, die Raddrehzahlen, der Lenkwinkel
und die Querbeschleunigung. Wird eine Kippgefahr erkannt, werden
automatisch und fahrerunabhängig Bremsaktuatoren zum Abbremsen
des Fahrzeuges sowie Lenkaktuatoren zum selbsttätigen Ändern
des aktuellen Radlenkwinkels betätigt.
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Um
den Lenkeingriff durchführen zu können, muss das
Lenksystem mit einer Aktivlenkung versehen sein, bei der über
ein zusätzliches Lenkgetriebe dem vom Fahrer vorgegebenen
Lenkwinkel ein Zusatzlenkwinkel überlagerbar ist. Aktivlenkungen
erfordern aber einen erheblichen zusätzlichen konstruktiven
Aufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit gegen ein Umkippen
eines Fahrzeuges zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung
eines Lenksystems in einem Fahrzeug ist eine Lenkkraftunterstützungseinrichtung
vorgesehen, mit deren Hilfe der Widerstand gegen vom Fahrer erzeugte
Lenkwinkeländerungen geändert wird, sofern eine
Fahrzeugzustandsgröße, die die Kippgefahr repräsentiert,
einen Grenzwert überschreitet. In der Lenkkraftunterstützungseinrichtung
wird fahrerunabhängig ein Stellmoment erzeugt, welches
gemäß einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung die Lenkbewegung des Fahrers nicht unterstützt,
sondern vielmehr der Lenkbewegung entgegengerichtet ist, was zur
Folge hat, dass der Fahrer für weitere Lenkwinkelausschläge
einen erhöhten Kraftaufwand aufbringen muss. Die Lenkung
verhärtet, was vom Fahrer bemerkt wird und zu geringeren
weiteren Lenkwinkelausschlägen führt, günstigstenfalls
sogar zu einem Zurücklenken durch den Fahrer. Die Gefahr des
Umkippens des Fahrzeugs, also einer Kippbewegung um die Fahrzeuglängsachse,
wird dadurch erheblich reduziert. Das Stellmoment wirkt insbesondere
nur in einer Richtung, um zur Fahrzeugstabilisierung beizutragen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die
Lenkbewegung des Fahrers in die Gegenrichtung durch eine entsprechende Einstellung
des Stellmoments unterstützt, indem der Widerstand gegen
vom Fahrer erzeugte Lenkwinkeländerungen abgesenkt wird.
Dies erfolgt insbesondere für den Fall, dass der Lenkwinkel
bzw. der Betrag des Lenkwinkels kleiner wird.
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Ein
Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass das Verfahren
auch in Lenksystemen durchgeführt werden kann, die nicht
mit einer Aktivlenkung versehen sind. Das Verfahren kann bei konventionellen
Lenksystemen angewandt werden, die mit einer Lenkunterstützungseinrichtung
versehen sind. Es muss lediglich das von der Lenkunterstützungseinrichtung
bereitgestellte Moment reduziert oder ggf. in Gegenrichtung gerichtet
werden, um die gewünschte Verhärtung, also den
erhöhten Widerstand im Lenksystem gegen weitere Lenkausschläge
bzw. die Absenkung des Widerstands bei Lenkausschlägen
in Gegenrichtung zu erreichen. Konstruktive Änderungen
im Lenksystem sind aber grundsätzlich nicht erforderlich.
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Der
fahrerunabhängige Einriff in der Lenkkraftunterstützungseinrichtung
kann in der Weise erfolgen, dass lediglich weiteren Lenkwinkelausschlägen
ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt wird. Möglich
ist es aber auch, ein rückstellendes Moment zu erzeugen,
welches ohne Fahrerbetätigung zu einer Rückstellung
des Lenksystems in Richtung der Nulllage führen würde.
Hierdurch wird ein sich selbst stabilisierendes Lenksystem realisiert.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass
zumindest zwei unterschiedliche Fahrzeugzustandsgrößen
betrachtet und mit zugeordneten Grenzwerten verglichen werden. Die
beiden Fahrzeugzustandsgrößen werden entweder
kumulativ oder alternativ für die Auslösung des
fahrerunabhängigen Eingriffs in die Lenkkraftunterstützungseinrichtung
herangezogen. Beispielsweise ist es möglich, zusätzliche
Bedingungen zu formulieren, die erfüllt sein müssen,
damit der Widerstand gegen weitere Lenkwinkelausschläge
erhöht wird. Infrage kommt beispielsweise eine Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder vom Absolutbetrag des Lenkwinkels,
dergestalt, dass nur bei großen Lenkwinkeln eine Widerstandserhöhung
durchgeführt wird, da üblicherweise auch nur bei
diesen größeren Lenkwinkeln die Gefahr des Umkippens
relevant ist. In diesen Ausführungen werden mindestens zwei
Zustands- bzw. Betriebsgrößen kumulativ betrachtet.
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Bei
einer alternativen Berücksichtigung von mindestens zwei
Zustandsgrößen können verschiedene Fahrsituationen
differenziert behandelt werden, beispielsweise dynamische Fahrmanöver
und stationäre bzw. quasistationäre Fahrmanöver.
Bei dynamischen Fahrmanövern besteht die Gefahr, dass sich das
Fahrzeug durch schnelle Lenkbewegungen aufschaukelt, was schließlich
zum Umkippen des Fahrzeuges führen kann. Um diese Situation
rechtzeitig erkennen zu können, wird eine dynamische Fahrmanöver
repräsentierende Fahrzeugzustandsgröße
untersucht, insbesondere der Lenkwinkelgradient bzw. der Betrag
des Lenkwinkelgradienten, um sowohl Änderungen des Lenkwinkels
in Richtung größerer Lenkwinkelausschläge
als auch in Richtung kleinerer Lenkwinkelausschläge berücksichtigen
zu können.
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Um
eine stationäre Kurvenfahrt zu untersuchen, die ebenso
wie ein dynamisches Fahrmanöver grundsätzlich
zu einem Umkippen des Fahrzeuges führen kann, wird eine
charakteristische Fahrzeugzustandsgröße untersucht,
beispielsweise die Querbeschleunigung oder die Gierrate. Auch bei
stationären bzw. quasistationären Fahrmanövern
wird zweckmäßigerweise jeweils der Betrag der
betrachteten Zustandsgröße untersucht, um die
Gefahr des Umkippens und die Durchführung von Gegenmaßnahmen ungeachtet
der Kurvenrichtung durchführen zu können.
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Vorteilhafterweise
werden sowohl stationäre als auch dynamische Fahrmanöver
charakterisierende Fahrzeugzustandsgrößen fortlaufend überwacht, wobei
im Falle des Überschreitens eines zugeordneten Grenzwertes
als Gegenmaßnahme der Widerstand gegen vom Fahrer erzeugte
Lenkwinkeländerungen durch entsprechende Beaufschlagung
der Lenkkraftunterstützungseinrichtung erhöht
wird, wenn die entsprechenden Grenzwerte bei nur einem der genannten
Fahrmanöver überschritten werden.
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Die
Grenzwerte sind entweder als feste Werte abgespeichert oder werden
situationsabhängig berechnet, insbesondere als Funktion
aktueller Zustandsgrößen wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Als kumulativ zu berücksichtigende Bedingung, welche insbesondere
bei stationärer Kurvenfahrt, ggf. aber auch bei dynamischen
Fahrmanövern berücksichtigt wird, muss der aktuelle
Lenkradwinkel, welcher vom Fahrer vorgegeben wird, einen Grenzwert übersteigen,
der wie oben bereits ausgeführt als geschwindigkeitsabhängiger
Wert ermittelt wird. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen,
dass größere Lenkradwinkel zu kleineren Kurvenradien
und entsprechend höheren Fliehkräften führen
und die Fliehkräfte quadratisch mit der Geschwindigkeit
anwachsen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
zur Anwendung in Lenksystemen, die als EPS (Electric Power Steering)
ausgeführt sind und als Lenkkraftunterstützungseinrichtung
einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen. Grundsätzlich ist
aber auch eine Anwendung in hydraulischen bzw. elektrohydraulischen
Lenksystemen möglich.
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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 eine
schematische Ansicht eines Lenksystems in einem Fahrzeug, wobei
das Lenksystem zur Lenkkraftunterstützung einen Elektromotor
aufweist,
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2 ein
Ablaufdiagramm zur Durchführung des Verfahrens zur Vermeidung
des Umkippens des Fahrzeuges.
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Das
in 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem
Kraftfahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 verbunden
ist, über die ein vom Fahrer vorgegebener Lenkradwinkel δLW auf ein Lenkgestänge 5 zur
Einstellung eines Radlenkwinkels δV an den
lenkbaren Vorderrädern 6 umgesetzt wird. Zwischen
der Lenkwelle 3 und dem Lenkgestänge 5 ist ein
Lenkgetriebe 4 zwischengeschaltet, in welchem eine gewünschte Übersetzung
zwischen dem Lenkradwinkel δLW und
dem Radlenkwinkel δV durchgeführt
wird. Dem Lenkgetriebe 4 ist ein Servo- bzw. Stellmotor 7 zugeordnet,
der als elektrischer Antriebsmotor ausgeführt ist. Der
Motor 7 hat die Funktion einer Lenkkraftunterstützungseinrichtung, über die
ein zusätzliches Stellmoment zur Unterstützung des
vom Fahrer aufgebrachten Handlenkmoments in das Lenksystem eingespeist
werden kann.
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Anstelle
einer Ausführung als elektrischer Antriebsmotor kann die
Lenkkraftunterstützungseinrichtung auch als hydraulischer
Aktuator oder als elektrohydraulisches System ausgebildet sein.
In der in 1 dargestellten Ausführung
mit elektrischem Antriebsmotor als Lenkkraftunterstützungseinrichtung
ist das Lenksystem als EPS (Electric Power Steering) ausgebildet.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, das Lenksystem als aktives Lenksystem
(AFS – Active Front Steering) auszuführen, das
es erlaubt, situationsabhängig dem vom Fahrer vorgegebenen
Lenkradwinkel δLW einen Zusatzlenkwinkel
zu überlagern, wodurch Einfluss auf das Lenkverhalten genommen werden
kann, unter anderem auf die Fahrstabilität.
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In 2 ist
ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zur Einstellung
eines Lenksystems zur Vermeidung des Umkippens des Fahrzeugs dargestellt.
Dies erfolgt grundsätzlich in der Weise, dass eine die
Kippgefahr charakterisierende Fahrzeugzustandsgröße
sensorisch oder rechnerisch ermittelt oder mit einem zugeordneten
Grenzwert verglichen wird, wobei im Falle des Überschreitens
des Grenzwertes ein fahrerunabhängiger Eingriff in das
Lenksystem durchgeführt wird, indem über die Lenkkraftunterstützungseinrichtung
der Widerstand gegen die Lenkwinkeländerungen erhöht wird,
welche vom Fahrer vorgegeben werden. Zweckmäßig
ist die Erhöhung des Widerstandes auf Fälle beschränkt,
in denen der Fahrer das Lenkrad in Richtung größerer
Lenkausschläge verstellen möchte; bei Auslenkungen
in Richtung der Nulllage ist dagegen der Widerstand im Lenksystem
nicht erhöht, sondern wird ggf. sogar reduziert.
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Wie
in 2 dargestellt, wird im Verfahrensblock V1 das
Verfahren zur Vermeidung des Umkippens gestartet. Im Verfahrensschritt
V2 wird zunächst überprüft, ob die grundsätzlichen
Bedingungen für die Aktivierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens vorliegen. Hierzu gehört die Abfrage, ob das Fahrzeug
mit einer Mindestgeschwindigkeit vF fährt, die
beispielsweise bei 10 km/h liegen kann. Unterhalb dieser Mindestgeschwindigkeit
ist selbst bei abrupten Lenkbetätigungen die Gefahr des
Umkippens des Fahrzeuges gering, so dass keine Maßnahmen zur
Vermeidung des Umkippens ergriffen werden müssen. Sofern
die Voraussetzungen gemäß dem Verfahrensschritt
V2 nicht bzw. noch nicht erfüllt sind, wird der nein-Verzweigung
folgend wieder zum Beginn des Verfahrensblockes 2 zurückgekehrt
und in zyklischen Abständen eine erneute Überprüfung durchgeführt.
Sind dagegen Voraussetzungen für die Durchführung
des Verfahrens erfüllt, wird der ja-Verzweigung folgend
zum nächsten Verfahrensschritt V3 fortgefahren.
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Im
Verfahrensschritt V3 werden die Bedingungen für eine stationäre
bzw. quasistationäre Kurvenfahrt abgeprüft, bei
der das Fahrzeug ohne bzw. mit lediglich geringen dynamischen Änderungen
eine Kurve durchfährt. Als zu überprüfende
Fahrzeugzustandsgröße, die als Maßstab
herangezogen wird, ob die Gefahr eines Umkippens besteht, wird die
Querbeschleunigung ay mit einem zugeordneten
Grenzwert Schwelle1 verglichen. Sofern der Betrag der Querbeschleunigung
ay den Grenzwert Schwelle1 überschreitet,
muss von einer Gefahr des Umkippens ausgegangen werden; in diesem
Fall wird der ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt
V4 fortgefahren, in welchem Gegenmaßnahmen zur Reduzierung
der Kippgefahr getroffen werden. Es handelt sich bei diesen Gegenmaßnahmen
um Erzeugung eines Stellmoments über den elektrischen Motor
als Systembestandteil des EPS (Electric Power Steering), wobei das
vom Motor erzeugte Stellmoment das Lenksystem in Richtung kleinerer
Lenkwinkel, also in Richtung der Nulllage beaufschlagt. Dies bedeutet,
dass ohne weiteren Eingriff des Fahrers das Lenksystem selbsttätig
in Richtung der Nulllage zurückkehrt. Dieses Stellmoment
wird dem vom Fahrer erzeugten Handlenkmoment überlagert,
so dass Lenkbewegungen des Fahrers zurück in Richtung der
Nulllage leichter und entgegen gesetzte Lenkbewegungen mit höherem
Widerstand durchzuführen sind.
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Im
Verfahrensschritt gemäß V3 wird der Betrag der
Querbeschleunigung abgefragt und mit dem Grenzwert Schwelle1 verglichen,
wobei die Berücksichtigung des Betragswertes den Vorteil
hat, das Unabhängigkeit gegenüber der aktuellen
Lenkwinkelauslenkung nach links bzw. rechts gegeben ist. Anstelle
der Querbeschleunigung kann auch eine sonstige Fahrzeugzustandsgröße
betrachtet werden, die die Kippgefahr bei stationärer Kurvenfahrt
repräsentiert, beispielsweise die Gierrate ψ ..
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Nach
der Erzeugung des Stellmomentes im Verfahrensschritt V4 wird wieder
zum Verfahrensschritt V3 zurückgekehrt und in zyklischen
Abständen erneut überprüft, ob die Bedingungen
für erhöhte Kippgefahr bei stationärer
Kurvenfahrt noch vorliegen.
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Ergibt
die Abfrage im Verfahrensschritt V3, dass die Bedingungen für
erhöhte Kippgefahr bei stationärer Kurvenfahrt
nicht vorliegen, wird der nein-Verzweigung folgend zum Verfahrensschritt
V5 fortgefahren, in welchem eine Überprüfung auf
die Gefahr des Umkippens unter instationären bzw. dynamischen
Verhältnissen stattfindet. Als Zustandsgröße,
welche die Kippgefahr unter dynamischen Verhältnissen charakterisiert,
wird der Lenkradwinkelgradient δ .LW herangezogen,
dessen Betrag auf Überschreitung eines zugeordneten Grenzwertes Schwelle2 überprüft
wird. Kumulativ zu dieser ersten Bedingung wird die Abfrage durchgeführt,
ob der Betrag des Lenkradwinkels δLW zunimmt,
ob also der Lenkwinkelausschlag in Richtung größerer
Lenkwinkel erfolgt. Hierdurch wird der Richtungsänderung Rechnung
getragen, da zur Vermeidung des Umkippens lediglich noch größere
Lenkwinkelausschläge vermieden werden sollen, wohingegen
eine Reduzierung des Lenkradwinkelausschlags zu stabileren Verhältnissen
führt.
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Bei
den dynamischen Fahrmanövern können zur Situationserkennung
nicht nur der Lenkradwinkelgradient und der Lenkradwinkel, sondern
auch die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Querbeschleunigung, die Gierrate
oder der Einfederweg herangezogen werden.
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Ist
zumindest eine der in Verfahrensschritt V5 formulierten Bedingungen
nicht erfüllt, wird der nein-Verzweigung folgend wieder
zum Beginn des Verfahrensschrittes V2 zurückgekehrt und
das gesamte Verfahren in zyklischen Abständen erneut durchlaufen.
Sind dagegen die Bedingungen im Verfahrensschritt V5 kumulativ erfüllt,
so ist davon auszugehen, dass unter den aktuellen, dynamischen Fahrverhältnissen
eine Kippgefahr besteht; in diesem Fall wird der ja-Verzweigung
folgend zum nächsten Verfahrensschritt V6 fortgefahren,
in dem fahrerunabhängig ein Eingriff in das Lenksystem
durchgeführt wird. Dies erfolgt durch Erzeugung eines Stellmoments
im elektrischen Motor, welcher Bestandteil des EPS ist, in der Weise,
dass das erzeugte Stellmoment einer Lenkwinkeländerung
entgegenwirkt. Das Stellmoment erhöht den Widerstand gegen
vom Fahrer erzeugte Lenkwinkeländerungen. Da bereits zuvor
im Verfahrensschritt V5 festgestellt wurde, dass der aktuelle Lenkradwinkel δLW zunimmt, wirkt das im elektrischen Stellmotor
erzeugte Moment auch nur zunehmenden Lenkradwinkeln entgegen, nicht
jedoch abnehmenden Lenkradwinkeln.
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Nach
der Erzeugung des Stellmoments im Verfahrensschritt V6 wird wieder
zum Verfahrensschritt V5 zurückgekehrt und in zyklischen Abständen
eine erneute Überprüfung durchgeführt,
ob die in V5 formulierten Bedingungen vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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