DE102009039372A1

DE102009039372A1 - Spurkorrektureinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009039372A1
Application number: DE102009039372A
Authority: DE
Inventors: Jonas Müller; Andreas Dr. Bootz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-08-29
Filing date: 2009-08-29
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Nach der Erfindung ist eine Spurkorrektureinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mindestens mit einem Spurwinkel-Überlagerungs-System für mindestens ein Fahrzeugrad, mit Hilfe dessen ein einem vorgegebenen Spurwinkel gleichsinniger oder gegensinniger Zusatz-Spurwinkel hinzugefügt werden kann, der durch ein Steuergerät bestimmt wird, dessen Ausgangsgröße eine Eingangsgröße für einen Aktuator zur Verstellung mindestens eines Radspurwinkels bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Zusatz-Spurwinkel im Steuergerät als Funktion wenigstens einer momentanen Raderhebung und/oder eines dazu gehörigen, auf das Rad wirkenden Kraftvektors gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spurkorrektureinrichtung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Vor allem bei gelenkten Rädern, für die von einem Fahrzeug-Fahrer mittels einer Lenkhandhabe ein Lenkwinkel generiert werden kann, über ein Lenkgetriebe, das eine Übersetzung zu dem lenkbaren Fahrzeug-Rad oder den lenkbaren Fahrzeug-Rädern vornimmt, entweder über eine mechanische Verbindung in Form einer Lenkspindel oder über eine so genannte steer-by-wire Einrichtung, bei der keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe bzw. Lenkaktuatoren mehr besteht, aber auch bei ungelenkten Rädern, kann es für bestimmte Fahrsituationen sinnvoll sein, eine Spurkorrektur, abhängig von bestimmten fahrphysikalischen Parametern, vorzusehen. Außerdem können gelenkte Räder auch noch mit einer Überlagerungslenkung ausgerüstet sein. Diese ist dadurch charakterisiert, dass zu einem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel bei Bedarf ein weiterer Lenkwinkel durch einen Aktuator bzw. einen sog. Lenkwinkel-Motor überlagert werden kann, woraus ein Summen-Lenkwinkel gebildet wird. Der weitere Lenkwinkel, der gleichsinnig oder gegensinnig zum Fahrer-Lenkwinkel sein kann, wird durch einen Prozessor bzw. Lenkwinkel-Regler berechnet und kann dabei vom Fahrer-Lenkwinkel und diversen fahrdynamischen Größen des Kraftfahrzeugs abhängen. Eine elektronisch geregelte Überlagerungslenkung ermöglicht somit eine Anpassung des Radeinschlagwinkels bzw. Lenkwinkels am lenkbaren Rad an die jeweilige Fahrsituation und dient zur Erhöhung von Komfort, Agilität und Stabilität des Fahrzeugs. Störgrößen können kompensiert werden und es kann das Verhältnis zwischen dem Lenkrad-Lenkwinkel und dem Radeinschlagwinkel als Funktion der Fahrzeug Fahrgeschwindigkeit und des Lenkradwinkels dargestellt werden.
Zum allgemeinen Stand der Technik bezüglich Spurkorrektureinrichtungen für Kraftfahrzeuge sei hier auf die DE 38 03 037 C2 hingewiesen, die eine Hinterradlenkanordnung beschreibt. Hier wird ein Lenkvorgang in eine frühere und eine spätere Lenkphase aufgeteilt und ein erstes Hinterrad in der früheren Lenkphase, das zweite Hinterrad dann in der späteren Lenkphase aus einer Neutralstellung in eine Vorspurstellung verschwenkt.
Für die Bestimmung der Bahn eines Fahrzeugs, das Ausregeln von Störungen, sowie eine Stabilisierung des Fahrzeugs bei extremen Fahrzuständen wird grundsätzlich angestrebt, auf diejenigen Möglichkeiten zurückzugreifen, die die Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik und Mechatronik ermöglichen, um sowohl den Fahrer zu entlasten als auch die Leistung des Gesamtsystems Fahrer-Fahrzeug zu verbessern. Aus diesem Grund wird zunehmend Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der aktiven Beeinflussung von Fahrwerkseinstellungen, zum Beispiel über eine Spurkorrektureinrichtung, betrieben.
Die Erfindung geht vorwiegend von einem Fahrzeug aus, bei dem der Zahnstangenweg der Lenkung aktiv geregelt werden kann. Dies ist zum Beispiel bei Steer-by-wire Fahrzeugen bzw. bei Fahrzeugen mit aktiver Lenkwinkelüberlagerung der Fall. Des Weiteren wird vorausgesetzt, dass die Radhübe sowie die Längs- und Seitenführungskraft der Vorderreifen entweder durch entsprechende Sensorik (Raderhebungssensorik) oder durch angemessene Modellierung der Nick- und Wankbewegung des Fahrzeuges mit Hilfe von anderen Sensoren, oder eine Kombination jener zur Verfügung steht.
Beim aktuellen Stand der Technik werden große Teile des fahrdynamischen Verhaltens eines Fahrzeugs durch die Geometrie und die Beschaffenheit der Lager der Vorderachse bestimmt. Diese kinematischen- und elasto-kinematischen Einflüsse auf die Spur des Fahrzeuges werden typischerweise durch Raderhebungskurven bzw. durch Vorspurkurven unter Längs- und Seitenkrafteinfluss dargestellt. Die Form dieser Kurven ist nach Wahl der Achsgeometrie bzw. der Steifigkeit der entsprechenden Lager festgelegt und für alle Manöver/Fahrsituationen gleich. Es gibt eine Vielzahl an Anforderungen an die Achseigenschaften, zum Beispiel stabiler Geradeauslauf auch in der Präsenz von Störeinflüssen, Anlenkverhalten, Eigenlenkverhalten, Stabilität bei Lastwechseln/Bremsen in der Kurve, Reifenabrieb und Bremsen auf Untergrund mit heterogenem Reibwert.
Die oben genannten Achseigenschaften stehen natürlicherweise in Zielkonflikten zueinander, die derzeit durch komplizierte Kompromissfindungsprozesse versuchstechnisch gelöst werden müssen.
Dieses zu vereinfachen und die Fahreigenschaften eines Fahrzeugs weiter zu verbessern, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nach der Erfindung ist eine Spurkorrektureinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mindestens mit einem Spurwinkel-Überlagerungs-System für mindestens ein Fahrzeugrad, mit Hilfe dessen ein einem vorgegebenen Spurwinkel ein gleichsinniger oder gegensinniger Zusatz-Spurwinkel hinzugefügt werden kann, der durch ein Steuergerät bestimmt wird, dessen Ausgangsgröße eine Eingangsgröße für einen Aktuator zur Verstellung mindestens eines Radspurwinkels bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Zusatz-Spurwinkel im Steuergerät als Funktion wenigstens einer momentanen Raderhebung und/oder eines dazu gehörigen, auf das Rad wirkenden Kraftvektors gebildet wird.
Vorteilhafterweise können so einige der oben genannten Zielkonflikte aufgelöst bzw. gemindert werden, indem die Raderhebungskurven sowie die Vorspurkurven unter Längs- und Seitenkraft durch gezielte Überlagerung des Radlenkwinkels manipuliert werden. Damit können die Spureigenschaften einer gegebene Achse (Basisachse) denen einer gewünschten Achse (Idealachse) angenähert werden. Diese Idealachse ist nicht mehr zwingend konstant sonder kann zum Beispiel fahrsituationsabhängig oder vom Fahrer frei einstellbar sein. Es besteht zwar bei einer konventionellen Achse, bei der die Reifen rechts und links mechanisch miteinander verbunden sind, keine Möglichkeit die Spur der Reifen unabhängig voneinander einzustellen, durch gezielte Gewichtung der einzelnen Reifen ist es jedoch möglich die dynamischen Eigenschaften der Achse in bestimmten Bereichen zu beeinflussen. Wenn an den Überlagerungswinkel bestimmte Symmetrieanforderungen gestellt werden, ist die Annäherung exakt. Ein ähnliches Argument kann für die elasto-kinematischen Achseigenschaften angeführt werden.
Es wird vorteilhafterweise eine differenzierte Behandlung der einzelnen Achseigenschaften und dadurch deren individuelle Verbesserung ermöglicht. Es ist mit Hilfe der Spurkompensation zum Beispiel möglich, die Basisachse eines Fahrzeugs auf stabilen Geradeauslauf hin zu optimieren und fahrdynamische Eigenschaften wie das Anlenk- und Eigenlenkverhalten, sowie Stabilitätsfunktionen für Lastwechsel und Bremsen bei Kurvenfahrt softwaretechnisch darzustellen. Es sind deutliche Einsparungen im Entwicklungsprozess der Achsauslegung zu erwarten und wenn die Achskonstruktion mit Hilfe der Spurkompensation einfacher gestaltet werden kann, sind auch Einsparungen bei Kosten und Gewicht der Achse zu erwarten.
Des Weiteren ergibt sich durch die Abstrahierung der Achsparameter in eine Softwareebene die Möglichkeit, das Achsverhalten in Abhängigkeit von Fahrsituation, Fahrerwunsch, Reifenparametern und anderen Einflüssen anzupassen, auch zum Beispiel unter Verwendung eines Fahrdynamikschalters. Dies erhöht die Fahrfreude.
Des Weiteren ermöglicht die Behandlung der Vorspurkurven in Softwareebene, Fahrzeugen verschiedener Baureihen ein frei definierbares, identisches Fahrgefühl zu geben, das vom Fahrer als Markentypisch erkannt werden kann und eine Differenzierung zu Wettbewerbsfahrzeugen mit Wiedererkennungswert für den Fahrer darstellt. Die Eingewöhnungszeit für einen Fahrer sinkt somit, ist er in einem Fahrzeug der Marke zuhause, ist er in allen Fahrzeugen der Marke zuhause.
Für Fahrzeuge mit mechanischer Kopplung zwischen Lenkrad und Zahnstange bietet die Spurkompensation zwar keine freie Einstellbarkeit der Achsparameter mehr, erfüllt aber trotzdem oben genannte Merkmale, da gezielt Achszustände überlagert und für den Fahrer als Rückmeldung eingespeist werden können. Dies kann analog einer Grenzbereichsrückmeldung als Fahrerassistenzfunktion verstanden werden.
Deshalb ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät bei Rädern, deren Freiheitsgrad zur Spurkorrektur gegenseitig durch ein Lenkgetriebe eingeschränkt ist, über einen Priorisier-Algorithmus das Rad ermittelt, dessen Spur bevorzugt korrigiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass das Spurwinkel-Überlagerungs-System auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, ohne mechanische Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkaktuator für jedes Rad oder einem Lenkgetriebe, das von einem Aktuator beaufschlagt wird, wobei die Aktuatoren mit Ausgangssignalen aus der Lenkradbetätigung angesteuert werden.
Solche steer-by-wire Lenkungen lassen es vorteilhafterweise zu, von einander unabhängige Spurkorrekturen an jedem Rad durchzuführen.
Wenn das Spurwinkel-Überlagerungs-System auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, mit mechanischer Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe, ist es vorteilhaft, über einen Priorisier-Algorithmus das Rad zu ermitteln, dessen Spur bevorzugt korrigiert werden soll.
Weiter vorteilhaft für die Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs ist es, wenn die Spurkorrektureinrichtung zusätzlich auf die Hinterräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, ohne mechanische Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkaktuator für jedes Rad oder einem Lenkgetriebe, das von einem Aktuator beaufschlagt wird, wobei die Aktuatoren mit Ausgangssignalen aus der Lenkradbetätigung angesteuert werden.
Lediglich prinzipiell sind in den im Weiteren erläuterten, beigefügten 1 und 2 steuergerätseitige Eigenschaften eines Ausführungsbeispiels einer Spurkorrektureinrichtung dargestellt. 1 zeigt anhand von Symmetriebedingungen bei der Spurkompensation, wie, abhängig von einer jeweiligen Raderhebung, der tatsächliche Spurwinkel eines Rades einer gebauten Achse, der Basisachse, durch Spurkompensation an einen Spurwinkel einer Idealachse angenähert werden kann. 2 zeigt eine Funktionsübersicht einer Spurkompensation. In sämtlichen Figuren sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
In 1 ist Δh eine Hubbewegung eines Rades relativ zum unbeladenen Zustand im Stillstand und δ die Spur (positiv, wenn sie zu positiver Veränderung führt). Zudem ist b die Spurweite, θ der Nickwinkel und φ der Wankwinkel. Für eine exakte Spurkompensation, bei der die Idealachse exakt dargestellt werden kann, gilt dann folgende Beziehung: δ_sk(L_vθ + 1 / 2bφ) = –δ_sk(L_vθ – 1 / 2bφ) wobei L_v der Längsabstand der Vorderachse zum Schwerpunkt ist.
Die 2 zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm zur Spurkompensation. Sei Δh die Raderhebung, F der Kraftvektor, der auf ein gegebenes Rad wirkt, als Eingangsgrößen für das Steuergerät, jeweils für linkes und rechtes Rad getrennt Δh_VL, Δh_vR, F_vL, F_VR, so ergibt sich daraus z_sk, die Überlagerungsposition der Spurkompensation zurückgerechnet aus dem Reifenspurwinkel δ_sk als Ausgangsgröße. Diese ergibt zusammen mit z_f, der vom Fahrer geforderten Zahnstangen- oder Aktuatorposition in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel, die Referenzgröße des Zahnstangenaktuators z_Soll.
Es wird grundsätzlich, wie in der Achsauslegung, zwischen kinematischen und elasto-kinematischen Einflüssen unterschieden. In den Blöcken Kinematik 10 und Elasto-Kinematik 11 wird anhand des hinterlegten Überlagerungsverhaltens für jedes Rad individuell ein Soll-Überlagerungszahnstangenweg berechnet. Wenn die Einschränkung in 1 exakt erfüllt ist, sind diese gleich und es muss keine weitere Gewichtung vorgenommen werden. Wenn die Symmetriebedingung aus 1 nur annähernd oder kaum erfüllt ist, wird in dem Block Priorisierung/Verteilung 12 eine Gewichtung vorgenommen, die den Überlagerungswunsch des kurvenäußeren Rades priorisiert.
Die volle Funktionalität der Spurkompensation ist aufgrund der Achszugehörigkeit nur bei Fahrzeugen gegeben, die keine mechanische Kopplung zwischen Zahnstange und Lenkrad haben, also bei Steer-by-wire Fahrzeugen. Es ist jedoch möglich, eine eingeschränkte Funktionalität auch in Systemen mit mechanischer Kopplung (z. B. Fahrzeuge mit Aktivlenkung) darzustellen, in denen die Spurkompensation eine Fahrerassistenzfunktion erfüllt und durch gezielte Lenkwinkelüberlagerung dem Fahrer in bestimmten Fahrsituationen zusätzliche Rückmeldung über den Zustand der Achse gibt indem zum Beispiel ein stabilisierender Lenkwinkelüberlagerungseingriff stattfindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3803037 C2 [0003]

Claims

Spurkorrektureinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mindestens mit einem Spurwinkel-Überlagerungs-System für mindestens ein Fahrzeugrad, mit Hilfe dessen ein einem vorgegebenen Spurwinkel (δ) ein gleichsinniger oder gegensinniger Zusatz-Spurwinkel (δ_sk) hinzugefügt werden kann, der durch ein Steuergerät bestimmt wird, dessen Ausgangsgröße (z_Soll) eine Eingangsgröße für einen Aktuator zur Verstellung mindestens eines Radspurwinkels bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Zusatz-Spurwinkel (δ_sk) im Steuergerät als Funktion wenigstens einer momentanen Raderhebung (Δh) und/oder eines dazu gehörigen, auf das Rad wirkenden Kraftvektors (F) gebildet wird.
Spurkorrektureinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spurwinkel-Überlagerungs-System auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, ohne mechanische Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkaktuator für jedes Rad oder einem Lenkgetriebe, das von einem Aktuator beaufschlagt wird, wobei die Aktuatoren mit Ausgangssignalen aus der Lenkradbetätigung angesteuert werden.
Spurkorrektureinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spurwinkel-Überlagerungs-System auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, mit mechanischer Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe.
Spurkorrektureinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spurwinkel-Überlagerungs-System auf die Hinterräder eines Kraftfahrzeugs wirkt, die eine Lenkeinrichtung besitzen, ohne mechanische Triebverbindung zwischen einem Lenkrad und einem Lenkaktuator für jedes Rad oder einem Lenkgetriebe, das von einem Aktuator beaufschlagt wird, wobei die Aktuatoren mit Ausgangssignalen aus der Lenkradbetätigung angesteuert werden.
Spurkorrektureinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät bei Rädern, deren Freiheitsgrad zur Spurkorrektur gegenseitig durch ein Lenkgetriebe eingeschränkt ist, über einen Priorisier-Algorithmus das Rad ermittelt, dessen Spur bevorzugt korrigiert wird.