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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Servolenksystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Das
Geradeauslaufverhalten selbst teurer Automombile ist oft schlecht.
Insbesondere bei mittleren Fahrgeschwindigkeiten können auch
kleine, von außen
kommende Störungen,
lästige
und fahrsicherheitskritische Drehbewegungen um die Fahrzeughochachse
(Gierbewegungen) verursachen. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten sind
beispielsweise seitlich angreifende Windböen gefährlich.
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Bei
Kurvenfahrt verhalten sich viele Fahrzeugtypen ordentlich, wenn
das Steuerungsverhalten der Auslegung gemäß ist, z.B. neutral. Bekanntlich
gibt es aber viele Gründe
für ein
im praktischen Fahrbetrieb abweichendes Lenkverhalten, nämlich übersteuerndes
oder untersteuerndes Verhalten. Ein einfacher Grund hierfür ist beispielsweise
eine unterschiedliche Beladung des Fahrzeugs, die zu einer veränderten
Achslastverteilung führt
und damit zu einem anderen Steuerungsverhalten.
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In
der DE-OS 40 31 316 wird eine motorbetriebene Servolenkung beschrieben,
die zusätzlich
zu dem vom Fahrer induzierten Lenkanteil mit einem weiteren Lenkanteil
beaufschlagt wird, um die Bewegung des Fahrzeugs, insbesondere die
des Fahrzeugaufbaus derart zu beeinflussen, dass die Fahrsicherheit
und/oder der Fahrkomfort verbessert wird.
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In
der
GB 1,414,206 wird
ein Servolenksystem vorgestellt, bei dem die Lenkkraft des Fahrers
durch ein hydraulisches System unterstützt wird, und bei dem die Lenkradwinkelgeschwindigkeit
des vom Fahrer betätigten
Lenkrades mit einer Winkelgeschwindigkeit eines Elektromotors überlagert
wird. Der Elektromotor wird dabei durch ein Hilfssystem gesteuert,
das Fahrzeugbewegungen wie Seitenkräfte, die Buch Seitenwind verursacht
werden, sensiert.
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Weiterhin
sind aus dem Stand der Technik Servolenksysteme bekannt, die das
vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment verstärken. Mit zunehmender Verstärkung wird
jedoch der Straßenkontakt über das Lenkrad
schlechter.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Fahrstabilität durch
eine verbesserten Kontakt des Fahrers zur Fahrbahn zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche 1 und
4 gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Servolenksystem mit wenigstens einem Aktuator
zur Betätigung
wenigstens einer lenkbar ausgelegten Fahrzeugachse. Hierbei wird
die von dem Fahrer des Fahrzeugs am Lenkrad des Fahrzeugs aufgebrachte
Lenkkraft durch eine Servounterstützung wählbar verstärkt. Die Verstärkung wird
dabei erfindungsgemäß in Abhängigkeit
von wenigstens einer vom aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs abhängigen Lenkgröße gewählt, wobei
diese Lenkgröße abhängig ist
von wenigsten einer den Gierwinkel, die Gierwinkelgeschwindigkeit
und/oder die Gierwinkelbeschleunigung repräsentierenden Größe.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Servolenksystems
ist vorgesehen, dass die vom aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs
abhängige
Lenkgröße weiterhin
abhängig
ist von Größen, die den
Einschlagwinkel eines von dem Fahrer des Fahrzeugs betätigten Lenkrades
und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit,
die Einschlagwinkelgeschwindigkeit und/oder die Einschlagwinkelbeschleuigung
des Lenkrades repräsentieren.
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Ein
wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dem Fahrer des Fahrzeugs
durch eine solche Servolenkung eine verbesserte Übermittlung des Straßenkontakts
ermöglicht
wird. Dies wirkt sich selbstverständlich auch auf die Stabilisierung
des Fahrverhaltens positiv aus.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine hydraulische Lenkvorrichtung
zur Ansteuerung im Rahmen des erfindungsgemäßen Lenksystems mit einer hydraulischen
Servo unterstützung,
die das vom Fahrer des Fahrzeugs am Lenkrad des Fahrzeugs aufgebrachte
Drehmoment verstärkt.
Hierbei wird zur Unterstützung
des vom Fahrer aufgebrachten Lenkradmoments in einem Arbeitszylinder
ein mit der Zahnstange des Fahrzeugs verbundener erster Arbeitskolben
mit Druckmittel beaufschlagt. Hierbei ist die Zahnstange mit der
Spurstange zur Betätigung
der lenkbar ausgelegten Vorderachse wirkverbunden. Der Kern der
erfindungsgemäßen hydraulischen
Lenkvorrichtung besteht darin, dass innerhalb des ersten Arbeitskolbens
ein mit der Spurstange wirkverbundener zweiter Arbeitskolben angeordnet
ist.
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Das
erfindungsgemäße System
hat dabei folgende Vorteile:
- – Verbesserung
des Geradeauslaufs durch Ausregelung beliebiger äußerer Störungen,
- – Verstetigung
der Kurvenfahrt durch Ausregelung beliebiger äußerer Störungen,
- – Stabilisierung
der Kurvenfahrt durch Annäherung
des tatsächlichen
Steuerungsverhaltens an das auslegungsgemäße Steuerungsverhalten, nach
Einwirkung beliebiger äußerer Störungen.
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Dabei
ist das erfindungsgemäße System,
gemessen an der komplexen Aufgabenstellung, relativ einfach ausgelegt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und
den im folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Anhand
der 1, 2 und 3 wird die
Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben. Die 1, und 2 zeigen
dabei Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, während die 2 eine
Schemaskizze der geregelten erfindungsgemäßen Lenkung liefert.
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Anhand
von Ausführungsbeispielen
soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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Regelkonzept
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Mit
einem geeigneten Geber (105 in der 1, 208 in
der 2 bzw. 305 in der 3) wird
die Drehbewegung alpha(t) des Fahrzeugs (103) um seine
Hochachse gemessen. Der Drehwinkel alpha(t) um eine fahrzeugfeste
Hochachse ist auch als Gierwinkel bekannt. Selbstverständlich können auch
Geber für
alpha'(t) oder alpha''(t) verwendet werden; alpha(t) wird
dann aus diesen Meßwerten
berechnet. Der hochgestellte Index "'" hinter einer Größe soll
im folgenden die zeitlich einmal differenzierte Größe repräsentieren.
Ist beispielsweise mit alpha der Gierwinkel bezeichnet, so soll
die Größe alpha' die Gierwinkelgeschwindigkeit
und alpha'' die Gierwinkelbeschleunigung
repräsentieren. Über einen
noch näher
zu beschreibenden mathematisch funktionalen Zusammenhang wird ein
schneller Steller angesteuert, der an der Lenkung den Weg x(t) überlagert. Zur
Realisierung dieses schnellen Stellers wird, wie in der 2 zu
sehen ist, der Arbeitskolben 202 mit Druckmittel beaufschlagt,
wodurch entsprechende Bewegungen der Spurstange 209 ermöglicht werden.
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Im
folgenden sollen nun zunächst
verschiedene Fahrzustände
dargestellt werden.
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Es
werden die Fälle
A, B und C unterschieden, wobei in allen Fällen zunächst lediglich von Interesse ist,
ob, wie und warum der Winkel alpha mit der fortlaufenden Zeit t
sich ändert,
das heißt,
ob alpha'(t) gleich Null
ist, oder ob alpha'(t)
ungleich Null ist, nämlich
ob alpha'(t) größer als
Null oder alpha'(t)
kleiner als Null ist.
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Die
Größe ro bezeichnet
dabei den Einschlagwinkel des vom Fahrer betätigten Lenkrades 206.
Diese Größe kann
durch einen geeigneten Geber 210 sensiert werden.
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Fall A:
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Der
Fahrer hält
das Lenkrad 206 fest in einer Stellung ro, die etwa Null
entspricht. Diese Stellung soll Geradeausfahrt erge ben, entsprechend
der Absicht des Fahrers. Beim Auftreten einer äußeren Störung (Abrollstörung, Straßenneigung,
Seitenwind usw.) ergibt sich dann ein Wert alphaA'(t) ungleich Null,
nämlich
alphaA' größer als
Null (Fahrzeug im Gegenuhrzeigersinn drehend) oder alphaA' kleiner
als Null (Fahrzeug im Uhrzeigersinn drehend).
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Fall B:
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Der
Fahrer hält
das Lenkrad 206 in seiner Stellung ro ungleich Null fest.
Diese Stellung soll eine Kurvenfahrt mit konstantem Radius ergeben,
entsprechend der Absicht des Fahrers. Es tritt dann, allein als
Folge der Kurvenfahrt, ein Wert alphaB'(t) ungleich Null
auf, nämlich
alphaB' größer als
Null oder alphaB' kleiner als Null, der einem aus etwaiger äußerer Störung sich
ergebenden Wert alphaA' überlagert
ist.
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Fall C:
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Der
Fahrer dreht das Lenkrad [ro' ungleich
Null], um eine Fahrtrichtungsänderung
aus augenblicklicher Geradeausfahrt oder Kurvenfahrt herbeizuführen. Es
sei dann alphaC'(t) ungleich Null, nämlich alphaC' größer als
Null oder alphaC' kleiner als Null. Der Wert alphaC'(t)
ist einem aus äußerer Störung sich
ergebenden Wert alphaA' überlagert.
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Gemäß dieser
Definition von alphaC'(t) wird im Vergleich zum Fall B ein
zu erwartender Einfluß schon voreilend
bewertet, nämlich
abhängig
von der Lenkraddrehgeschwindigkeit ro'. Es wird also nicht abgewartet, bis
der beschriebene Lenkvorgang sich in alphaB'(t) ausgewirkt hat.
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Ein
noch "schnellerer
Vorgriff" wird eingeführt durch
den Wert alphaC2'(t) ungleich Null, der von der Lenkraddrehbeschleunigung ro'' abhängig
gemacht wird.
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Weitere Behandlung des
Falls A (festgehaltenes Lenkrad, ro in etwa gleich Null, ro' gleich Null, Geradeausfahrt):
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Ausgehend
von alphaA'(t) wird für den Lenkeinschlag phi am
Rad, bzw. für
den Stellerweg x, ein Regeleingriff wie folgt ausgeführt: xA(t)
= CA·alphaA(t) + CA1·alphaA'(t)
+ CA2·alphaA''(t) (1)
- – xA(t) ist der Reglerausgang (Weg).
- – CA1 ist eine auslegungsgemäße Konstante (definitionsgemäß positiv).
- – CA, CA2 sind auslegungsgemäße Konstanten,
deren Einfluß geringer
ist als der von CA1.
- – alphaA(t), alphaA'(t), alphaA''(t) sind Reglereingangsgrößen.
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Sie
sind gemessen beziehungsweise aus einer Messung errechnet. Zur Zählweise
der Zeit t wird noch Ergänzendes
gesagt werden.
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Ausgehend
von der Gleichung (1) und von der in der 2 gezeigten
Schemaskizze zeigt sich folgender Zusammenhang:
Bei einer äußeren Störung, die
das Fahrzeug im Gegenuhrzeigersinn gegenüber seiner Umgebung dreht,
tritt ein Wert alphaA'(t) größer als Null auf, wodurch bei
festgehaltenem Lenkrad ein Wert x(t) größer als Null sich ergibt [Gleichung
(1)]. Dies bewirkt eine Vergrößerung des
Lenkeinschlags phi. Dadurch dreht sich das Fahrzeug, zur Korrektur
der äußeren Störung, im
Uhrzeigersinn zurück.
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Es
wird davon ausgegangen, daß ein
solcher Vorgang im allgemeinen nach einer maximalen Zeit T im wesentlichen
abgeschlossen ist (z.B. T = 0,5 Sekunden). Der Regler kann so ausgeführt werden,
daß er
den jeweils nach T Sekunden gemessenen alpha-Wert als neuen Nullwert
für alpha
(nämlich
alpha0; siehe 2) definiert,
und diesen dann für
die nachfolgende Periode T festhält.
Die günstigste
Periodenlänge
T muß durch Anpassungsversuche
bestimmt werden. Möglicherweise
ist es zweckmäßig, die
auslegungsgemäße Periodenlänge T von
der Fahrzeuggeschwindigkeit V abhängig zu machen, z.B. T = T0 – [const·(V/Vmax)]. Das Nachführen des Nullpunktes ist insbesondere
dann von Bedeutung, wenn in der Gleichung (1) der Winkelanteil [CA·alphapA(t)] groß ist, im Vergleich zu den
Anteilen [CA1·alphapA'(t)] bzw. [CA2·alphaA''(t)]. Diese Periodenbetrachtung
geht natürlich
davon aus, daß der
Winkel alpha gegenüber
der Fahrzeugumgebung, im Sinne der gewünschten Fortbewegung letztlich
doch ständiger Änderung
unterworfen ist, das heißt,
daß der
Nullpunkt alpha0 für x(t), nach einem vorgegebenen
Zeitverhalten nachgeführt
werden muß.
Dieses Nachführen
muß nicht
notwendigerweise in Stufenschritten erfolgen, wie bislang beschrieben,
sondern kann auch zweckmäßigerweise "fließend", weil vergleichsweise "langsam", erfolgen (siehe
auch Beispiele aus der allgemeinen Regeltechnik).
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Damit
ist der Fall A zunächst
ausreichend beschrieben.
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Weitere Behandlung des
Falls B (festgehaltenes Lenkrad, ro ungleich Null, ro' gleich Null, stationäre Kurvenfahrt):
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Die
Größe alphaB'(t)
ist im vorhergehenden Abschnitt beschrieben worden. Es wird nun
folgender Ausdruck definiert und auslegungsgemäß festgesetzt: alphaB'(t) = –CB·V·ro(t) (2)
- – alphaB(t) ist die rechnerische Drehwinkelgeschwindigkeit
des Fahrzeuges, unter Verwendung dieses vereinfachenden Ansatzes.
- – ro(t)
ist der gemessene Lenkradeinschlagwinkel in Bezug auf die Geradeausstellung
des Lenkrades. Zur Wahl des Vorzeichens sei auf die 2 verwiesen.
- – CB ist eine auslegungsgemäße Konstante, die definitionsgemäß größer als
Null ist. Verfeinerungen sind denkbar, indem CB als
Funktion von Parametern gebildet wird, also nicht mehr konstant
ist.
- – V
ist die augenblickliche Fahrzeuglängsgeschwindigkeit. Bei großer Fahrgeschwindigkeit
ergibt sich während
der Periode T ein größerer Wert
alphaB' als
bei kleinerer Fahrgeschwindigkeit.
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Der
Ansatz nach Gleichung (2) wird zur Korrektur der gemessenen Winkelgeschwindigkeit
alphaG,A,B'(t) verwendet. (Der Index "G" besagt, daß es sich um einen gemessenen
Wert handelt.)
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Es
ist definitionsgemäß: alphaG,A,B'(t) = alphaA'(t)
+ alphaB'(t),wobei
alphaG,A,B'(t) die gemessene Gierwinkelgeschwindigkeit,
alphaA'(t)
der Anteil aus der äußeren Störung und
alphaB'(t)
der aufzuschaltende Anteil gemäß Fall B
ist.
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Daraus
ergibt sich:
alphaA'(t)
= alphaG,A,B'(t) – alphaB'(t) (3) mit Gleichung
(2) in Gleichung (3) eingesetzt
alphaA'(t) = [alphaG,A,B'(t)] + [CB·V·ro(t)] (4)und durch
Integration bzw. Differentiation aus Gleichung (4):
wobei
eine Integrationskonstante wie im Zusammenhang mit Gleichung (1)
erläutert
weggelassen wird. Die Gleichungen (4), (4a) und (4b) werden in Gleichung
(1) eingesetzt, die dadurch in eine erweiterte Reglergleichung (5) überführt wird.
Die Gleichung (5) deckt sowohl den Fall A als auch den Fall B ab:
xA,B(t)
= CA·[alphaG,A,B(t) + CB·V·ro(t)·t]
+
CA1·[alphaG,A,B'(t)
+ CB·V·ro(t)]
+
CA2·alphaG,A,B''(t) (5) -
Zur
Probe erkennt man, daß die
Gleichung (5) für
ro(t) gleich Null in die Gleichung (1) übergeht. Ferner ist, zur Probe,
für alphaA gleich Null in Gleichung (4) alphaG,A,B = –[CB·V·ro(t)],
sowie alphaA = 0 in Gleichung (4a) und alphaG,A,B = –[CB·V·ro·t] und
dieses eingesetzt in Gleichung (5): 0 = CA·[–CB·V·ro(t)
+ CB·V·ro(t)·t] + CA1[–CB·V·ro(t)
+ CB·V·ro(t)]
+ 0 q.e.d.
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Das
bedeutet, daß auch
im Fall B, das heißt
bei stationärer Kurvenfahrt,
lediglich die äußere Störung auf
den Regler einwirkt. Die vom Fahrer gewollte Kurvenfahrt hat also
im wesentlichen keinen Einfluß auf
den Regelvorgang. Dies entspricht in etwa der Absicht des Regelkonzeptes.
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Auf
die Einschränkung "im wesentlichen" und "in etwa" wird in der weiteren
Beschreibung noch eingegangen.
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Weitere Behandlung des
Falles C und zusammenfassende Reglergleichung (sich drehendes Lenkrad,
ro' ungleich Null, Änderung
der Fahrtrichtung)
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Die
Größe alphaC'(t)
ist schon zu Beginn dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben worden. Es wird nun folgender Ausdruck definiert und
auslegungsgemäß festgesetzt: alphaC'(t) = –V·[CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)] (6)
- – alphaC'(t)
ist die rechnerische Drehwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges, unter
Verwendung dieses vereinfachenden Ansatzes, soweit er im Zusammenhang
mit ro'(t) und ro''(t) steht (siehe hierzu die vorstehenden
Ausführungen
zu dem Fall C).
- – ro'(t) ist die aus einer
Messung ermittelte Drehgeschwindigkeit des Lenkrades.
- – ro''(t) ist die aus einer Messung ermittelte
Drehbeschleunigung des Lenkrades.
- – CC1 und CC2 sind auslegungsgemäße Faktoren,
in der Regel Konstante. Sie sind definitionsgemäß größer als Null.
- – V
ist die augenblickliche Fahrgeschwindigkeit (siehe auch Gleichung
(2)].
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Der
Ansatz nach Gleichung (6) wird zur Korrektur des gemessenen Winkels
alphaG(t) verwendet.
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Es
ist definitionsgemäß: alphaG'(t) = alphaG,A,B'(t)
+ alphaC'(t),wobei
- – alphaG'(t)
die gemessene Gierwinkelgeschwindigkeit,
- – alphaG,A,B'(t)
der in der Gleichung (5) schon verarbeitete Winkelgeschwindigkeitsanteil
und
- – alphaC'(t)
der zusätzlich
aufzuschaltende Anteil gemäß Fall C
ist.
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Daraus
ergibt sich: alphaG,A,B'(t)
= alphaG'(t) – alphaC'(t) (7)mit Gleichung
(6) in Gleichung (7) eingesetzt alphaG,A,B'(t) = alphaG'(t)
+ V[CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)] (8)und
durch Integration bzw. Differentiation aus Gleichung (8): alphaG,A,B(t)
= alphaG(t) + V·[CC1·ro(t)
+ CC2·ro'(t)] (8a) alphaG,A,B''(t) = alphaG''(t) + V·CC1·ro''(t) (8b),wobei
ro''(t) hier vereinfachend
als Konstante behandelt wird.
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Die
Gleichungen (8), (8a) und (8b) werden in die Gleichung (5) eingesetzt,
die dadurch in eine nochmals erweiterte Reglergleichung (9) überführt wird:
dabei
ist der Term C
B·V·ro·t aus Gleichung (5) durch
ersetzt, da ro(t) jetzt nicht
mehr als konstant betrachtet wird.
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Daraus
folgt die Reglergleichung:
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In
dieser Reglergleichung (9) sind alle angesprochenen Fälle, nämlich A,
B und C, abgedeckt, wobei bei richtiger Wahl der Konstanten im wesentlichen äußere Störungen ausgeregelt
werden, das heißt
beabsichtigte Fahrzeugbewegungen eliminiert sind.
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Über- bzw. Untersteuerungsverhalten
des Fahrzeugs:
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In
den vorangehenden Abschnitten wurden schon einige Reglerauswirkungen
besprochen, wobei im Fall B (stationäre Kurvenfahrt) darauf hingewiesen
wurde, daß eine
Neutralisierung des Reglers durch die Korrektur CB·V·ro(t)
nur "in etwa" beabsichtigt ist
und auch nur "im
wesentlichen" erfolgt.
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Für die folgende
Betrachtung wird unterstellt, daß ein Fahrzeug im Vergleich
zu seiner neutralen Auslegung bei Kurvenfahrt übersteuert, z.B. infolge einer übermäßigen Hinterachsbelastung
oder eines hohen Antriebsmoments an der Hinterachse oder infolge
anderer Einflüsse.
Hierzu sind sehr viele Möglichkeiten
denkbar.
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im
folgenden Beispiel soll es sich um eine Linkskurve handeln. Der
im gemessenen Wert + (alphaG) enthaltene
Anteil + (alphaB) ist dann größer als
der durch die Korrektur CB·V·ro(t)
abgezogene Wert ("abgezogen" vor Reglereingang).
Daraus folgt, daß der
Regler den verbleibenden positiven "alpha-Überschuß" als "Störung
von außen" verarbeitet und
vorzeichenrichtig gegensteuert [siehe Reglergleichung (9)]. Es handelt sich
auch tatsächlich
um eine "äußere Störung", weil es eine störende Abweichung
vom auslegungsgemäßen.
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Steuerungsverhalten
ist. Durch den Regeleingriff verhält sich im Beispiel das Fahrzeug
wieder eher neutral. Die Größenordnung
des Effekts ist durch die Auslegung der Korrekturgröße CB·V·ro(t)
gestaltbar; verfeinernd können
auch weitere Parameter in diesem Ausdruck (in diesem Zusammenhang)
Niederschlag finden.
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Auch
bei untersteuerndem Verhalten des gleichen Fahrzeugs bei Kurvenfahrt,
im Vergleich zu seiner neutralen Auslegung, z.B. infolge eines Wasserfilmes
bei beginnendem Aquaplaning, steuert der Regler vorzeichenrichtig
dagegen [siehe Reglergleichung (9)], unter Annäherung an das auslegungsgemäße neutrale Verhalten.
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Zusammenfassend
läßt sich
zur Reglerwirkung [Reglergleichung (9)] folgendes sagen:
- 1. Verbesserung des Geradeauslaufs durch Ausregelung
beliebiger äußerer Störungen,
- 2. Verstetigung der Kurvenfahrt durch Ausregelung beliebiger äußerer Störungen,
- 3. Stabilisierung der Kurvenfahrt durch Annäherung des tatsächlichen
Steuerungsverhaltens an das auslegungsgemäße Steuerungsverhalten, nach
Einwirken beliebiger äußerer Störungen.
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Gemessen
an dieser komplexen Aufgabenstellung ist der Regler einfach [siehe
Reglergleichung (9)].
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Eine
mögliche
hydraulische Ausgestaltung eines überlagerten Lenkeingriffs nach
Gleichung (1), (5) oder (9) ist der in der 2 dargestellten
Skizze zu entnehmen. Hierzu ist vorgesehen, daß das vom Fahrer des Fahrzeugs
am Lenkrad (206) des Fahrzeugs aufgebrachte Lenkradmoment
(ML) durch eine hydraulische Servounterstützung verstärkt wird.
Dabei wird zur Unterstützung
des vom Fahrer aufgebrachten Lenkradmoments (ML)
in einem Arbeitszylinder ein mit der Zahnstange des Fahrzeugs verbundener
erster Arbeitskolben (201) mit Druckmittel beaufschlagt,
wobei die Zahnstange mit der Spurstange (209) zur Betätigung der
lenkbar ausgelegten Vorderachse (203) wirkverbunden ist.
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Der
Kern der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des überlagerten
Lenkeingriffs besteht nun darin, daß innerhalb des ersten Arbeitskolbens
(201) ein mit der Spurstange (209) wirkverbundener
zweiter Arbeitskolben (202) angeordnet ist.
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Wie
in der Schemaskizze der 2 zu sehen ist, ist der Lenkanteil
x(t) durch +/–(xmax) konstruktionsmäßig begrenzt. Wegen dieses
begrenzten Eingriffsweges [+/–(xmax)] sind also Sicherheitsaufwendungen zum Schutz
vor Fehlfunktionen begrenzt.
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Neben
der beschriebenen hydraulischen Augestaltung ist natürlich auch
ein elektromotorischer Servounterstützung und/oder eine elektromotorisch
induzierter überlagerter
Lenkeingriff denkbar.
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Kombination
des Reglers mit einer Servolenkung
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In
der in der 2 gezeigten Schemaskizze ist
eine Kombination des durch die Gleichung (9) beschriebenen Reglers
mit einer die Lenkkraft des Fahrers unterstützenden Servolenkung angedeutet.
Diese Kombination ist zur erfindungsgemäßen Fahrstabilisierung nicht
erforderlich; sie hat aber den Vorteil, daß durch die Servoverstärkung keine
Rückwirkungen
aus der Reglerfunktion am Lenkrad spürbar sind.
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Zur
Vervollständigung
werden die allgemeinen Beziehungen für eine Servolenkung definiert,
wobei kein Unterschied besteht, ob ein Regler nach Gleichung (9)
vorhanden ist oder nicht: MR = PA·rC (10) PA =
[PR – PL] + [ML/ra] (11) ML =
[P2 – P1]·rb (12)
- – MR ist das Rückstellmoment der gelenkten
Räder.
- – PA ist die Spurstangenkraft.
- – rC ist der Hebelarm.
- – PR ist die nach rechts wirkende Servokraft.
- – PL ist die nach links wirkende Servokraft.
- – ML ist das Drehmoment am Lenkrad.
- – ra ist der erste Hebelarm (siehe Schemaskizze 2).
- – P2 ist die vom Fahrer induzierte rechtsdrehende
Kraft, das heißt
die bei dem in der 2 skizzierten Lenkkraftgeber 207 von
der "Gabel" auf die "Kurbel" rechtsdrehende Stützkraft.
- – P1 ist die vom Fahrer induzierte linksdrehende
Kraft, das heißt
die bei dem in der 2 skizzierten Lenkkraftgeber 207 von
der "Gabel" auf die "Kurbel" linksdrehende Stützkraft.
- – rb ist der zweite Hebelarm (siehe Schemaskizze 2).
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Die
Servogleichung per Definition beziehungsweise per Stellerauslegung
lautet: (PR – PL)·ra = p·(P2 – P1)·rb (13),wobei
- – p
der auslegungsgemäße Verstärkungsfaktor
der Servolenkung ist. Je größer p ist,
um so geringer ist die Rückwirkung
der Reifenmomente auf das Lenkrad.
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Aus
der Gleichung (13) ergibt sich (P2 – P1)
= [(PR – PL)/p]·[ra/rb] (13a)
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Zur
Bestätigung
kann Gleichung (13a) in Gleichung (12) eingesetzt werden. Daraus
ergibt sich: ML = [(PR – PL)/p]·ra (14) ML·(p/ra) = (PR – PL) (14a)
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Gleichung
(11) in Gleichung (10) eingesetzt liefert: MR = rc·[(PR – PL) + (ML/ra)] (15)
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Gleichung
(14a) in Gleichung (15) eingesetzt: MR = rc[ML·(p/ra) + (ML/ra)] MR =
[rc/ra)·[ML·(p
+ 1)]
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Daraus
ergibt sich die Servounterstützung: [MR/ML] = (rc/ra)·(p
+ 1) (16)
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Zur
Verdeutlichung seien hierzu realistische Zahlenwerte angegeben:
(rc/ra) = 16, (MR/ML) = 56, p = 2,5
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Straßenkontakt über das Lenkrad, Erzeugung
eines haptischen Signals
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Das
Lenkradmoment ML vermittelt dem Fahrer einen
Kontakt mit der Straße.
Dieser Kontakt geht mit zunehmender Verstärkung p [Gleichung (16)] mehr
und mehr verloren. Eingangssignal für ML ist
das Rückstellmoment
MR an den gelenkten Rädern. Dieses Rückstellmoment
MR ist aber ein "unsicheres" Signal, da es von vielen Parametern
abhängig
ist (Reifenzustand, Straßenzustand,
Fahrzustand usw.). Ein aus der gemessenen Winkelabweichung alpha
(und/oder alpha' und/oder
alpha'') abgeleitetes Signal
kann für
die Übermittlung
des Straßenkontaktes
an den Fahrer besser geeignet sein, da alpha(t) physikalisch eindeutig
bestimmt ist und zum Fahrzustand um die Fahrzeughochachse eine unmittelbare
Aus sage macht.
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Da
die Signalübertragung
haptisch sein muß,
das heißt
vom Fahrer spürbar,
kann sie beispielsweise über
einen variablen Verstärkungsfaktor
p einer Servolenkung erfolgen, in Abhängigkeit von alpha (alpha' und/oder alpha''). Es sind dabei die verschiedensten
Funktionszusammenhänge
denkbar. Einige einfache Auslegungen werden im folgenden beispielsweise
definiert: p(alpha') = pm – CD·alphaG'(t) (17),wobei p(alpha') definitionsgemäß größer oder
gleich Null gelten soll.
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Gleichung
(17) zeigt beispielhaft ein haptisches Signal für den Fahrzustand. Hierbei
gilt:
- – p(alpha') ist der Verstärkungsfaktor
einer Servolenkung. In diesem Beispiel wird der Verstärkungsfaktor vom
Betrag alphaG'(t) der gemessenen Gierwinkelgeschwindigkeit
abhängig
gemacht. Das Vorzeichen von alphaG' darf also nicht
berücksichtigt
werden.
- – CD ist eine Konstante, die auslegungsgemäß größer Null
ist.
- – pm ist der Auslegungspunkt für die Mittellage
von p (Basis-Servoverstärkung).
Der Wert p(alpha') schwankt
nach "Minus" um diese Mittellage.
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Unabhängig von
der Drehrichtung des Fahrzeugs tritt ein Betrag alphaG'(t) auf, der nach
Gleichung (17) die Verstärkung
p(alpha') abschwächt [p(alpha') < pm].
Bei abnehmender Verstärkung
wird das Rückstellmoment
ML größer (Gleichung
(16)].
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Diese
Veränderung
ist das erfindungsgemäße haptische
Signal.
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Zur Bestätigung dieses
Zusammenhangs:
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Aus
Gleichung (16) folgt: ML m = (MR/pm + 1)]·(ra/rc) (18) ML alpha' =
[MR/(p(alpha') + 1)]·(ra/rc) (19),wobei
- – ML m das Lenkradmoment
bei der mittleren Verstärkung
pm ist und
- – ML alpha' das Lenkradmoment bei Beeinflussung
durch die Gier Winkelgeschwindigkeit alpha' ist.
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Aus
Gleichung (18) und (19) folgt: [ML m/ML alpha'] = [p(alpha') + 1]/[pm +
1] (20)
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Das
an den gelekten Rädern
wirkende Rückstellmoment
MR sei in beiden Fällen als gleich angenommen.
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Mit
Gleichung (17) in (20) folgt: (ML m/ML alpha'] = [pm – CD·alphaG'(t)
+ 1]/[pm + 1] = 1 – [(CD·alphaG'(t)]/(pm + 1]] (21)
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Diskussion der Gleichung
(21):
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Fall 1:
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- alphaG'(t) = 0, das heißt, daß keine zeitliche Änderung
des Gierwinkels vorliegt
→ ML m = ML alpha''
das heißt, daß der Fahrer
keinen gierbewegungsabhängigen
Ver stärkungsanteil
spürt.
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Fall 2:
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- pm geht gegen "Unendlich", das heißt, daß die mittlere Verstärkung sehr
hoch gewählt
wird
→ ML m = ML alpha' =
0,
das heißt,
daß das
durch die Gierbewegung beeinflußte
Lenkradmoment mit dem Lenkradmoment bei der mittleren Verstärkung übereinstimmt.
-
Fall 3:
-
- pm = 2,5 und [CD·alphaG'(t))
= –1,75
oder
[CD·alphaG'(t)] = 1,75
→ [ML m/ML alpha')
= 0,5
→ ML alpha' = 2·ML m, das heißt, daß gegenüber alphaG'(t) = 0 (Fall 1)
eine Verdopplung des Lenkradrückstellmomentes
eintritt.
-
Bei
genauerer Betrachtung erkennt man, daß durch ein derartiges Kontaktsignal
ein Regeleffekt entsteht, nämlich
unter Einbezug des Fahrers. Der Fahrer wird bei stärker werdendem
Lenkradgegenmoment erfahrungsgemäß einen
kleineren Lenkradwinkel ro erreichen, wodurch "haptisch" der gemessenen Fahrzeugdrehung alpha
entgegengewirkt wird. Bei dieser Schilderung ist zunächst unterstellt,
daß die
Drehung alpha im wesentlichen aus einer äußeren Störung kommt, also weniger aus
einem vom Fahrer beabsichtigten Drehvorgang am Lenkrad [ro(t), ro'(t), ro''(t), siehe Definitionen für ro, ro', ro'' in der Gleichung (6)). Zur Neutralisierung
oder teilweisen Neutralisierung letzteren Anteils am haptischen
Signal können
Korrekturen vorgesehen werden, wie sie auch beim schon beschriebenen
Regler zum überlagerten
Lenkeingriff einge führt
wurden [beispielsweise Gleichung (9)]. Bei Verwendung gleicher Ansätze wie
in Gleichung (9) wird die Gleichung (17) in eine erweiterte Signalgleichung
(22) übergeführt: p(alpha') = pm – CD·[alphaG'(t) – V·[CB·ro(t)
+ CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)]] (22)mit
der 1. Bedingung, daß p(alpha') größer Null
ist und
mit der 2. Bedingung, daß
alphaG'(t) – V·[CB·ro(t)
+ CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)] größer oder gleich Null ist.
-
In
einer dritten Version der erfindungsgemäßen Erzeugung des haptischen
Effektes wird auslegungsgemäß der Verstärkungsfaktor
der Servolenkung p von alpha von dem Gierwinkel alpha (also nicht
von der Gierwinkelgeschwindigkeit alpha') abhängig gemacht, anstelle der
Gleichung (17) tritt dann: p(alpha) = pm – CD·alphaG(t) (23),mit
der Randbedingung, daß p(alpha)
größer als
Null ist. Die Zählweise
für t ist
wie die zur Gleichung (24) zu wählen.
-
Mit
den Korrekturen für
den vom Fahrer gewollten Anteil wird aus Gleichung (23) die Gleichung p(alpha) = pm – CD·[alphaG(t) – V·[CB·ro(t)
+ CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)]] (24)mit
der 1. Bedingung, daß p(alpha)
größer als
Null ist und
mit der 2. Bedingung, daß
alphaG(t)
- V·[CB·ro(t)
+ CC1·ro'(t) + CC2·ro''(t)] größer oder gleich Null ist.
-
Bei
den Gleichungen (23) und (24) ist die im Zusammenhang mit der Gleichung
(1) beschriebene Zählweise
für t anzuwenden.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Verstärkungen p sowie die auslegungsgemäßen Konstanten
CD, CB, CC1 und CC2 in den
Gleichungen (17), (22), (23) und (24) selbstverständlich je
nach Ausführungsform
der Erfindung unterschiedlich gewählt sein können.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Straßenkontakt über das
Lenkrad durch die Erzeugung eines haptischen Signals werden also
teilweise gleiche Ansätze
wie beim beschriebenen Regler zum überlagerten Lenkradeingriff
verwendet [Gleichung (9)]. Der Steller für x(t) entfällt jedoch bei dieser Ausführungsform,
und die Regelfunktion [Gleichung (9)] ist explizit nicht vorhanden;
sie ergibt sich aus der Reaktion des Fahrers. Hierdurch ist eine
Erhöhung
der Fahrstabilität
des Fahrzeugs zu erreichen. Bei einem Fahrzeug mit Servolenkung
ist also der zusätzliche
Aufwand für
ein solches die Fahrstabilität
erhöhendes
System gering. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Erzeugung des
haptischen Signals ist zu berücksichtigen,
daß verschiedene
Fahrer unterschiedlich reagieren. Hierzu muß untersucht werden, wie stark
der Signalfluß für eine spürbare Reaktion
des Fahrers sein muß und
ob dieser Einfluß dann
noch verträglich
ist. Im allgemeinen wird bei dem Fahrer eines Fahrzeugs mit einer
solchen fahrstabilisierenden Servolenkung ein Lernprozeß erforderlich
sein, um die Vorteile nutzen zu können.
-
Die
Ausführungsbeispiele
zur Verbesserung des Straßenkontaktes über das
Lenkrad durch die Erzeugung eines haptischen Signals soll anhand
des in der 3 dargestellten Blockschaltbildes im
Zusammenhang mit dem schon Erklärten
dargestellt werden.
-
Die
vom Fahrer durch Betätigung
des Lenkrades 301 ausgehende Lenkkraft P1 bzw.
P2 (links- bzw. rechtsdrehende Stützkraft)
wird durch die Servoverstärkung 302 gemäß der Gleichung
(13) zu der nach rechts bzw. nach links wirkenden Servokraft PR bzw. PL zur Einstellung
der lenkbar ausgelegtne Räder
des Fahrzeugs 303 verstärkt.
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Durch
die gestrichelte Linie zwischen den Blöcken 303, 302 und 301 soll
die Rückwirkung
von den lenkbar ausgelegten Rädern
des Fahrzeugs 303 (Rückstellmoment
MR) auf das Lenkrad 301 (Lenkradmoment ML) angedeutet werden. Durch diese Rückwirkung
kommt der schon erwähnte
Straßenkontakt
bei herkömmlichen
Servolenksystemen zustande.
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Erfindungsgemäß wird nun
die Verstärkung
p der Servounterstützung 302 wenigstens
abhängig
von der Gierbewegung des Fahrzeugs 303 gewählt. Hierzu
werden der Berechnungseinheit 304 die Signale des Gebers 305 zugeführt. Der
Geber 305 ermittelt, je nach Ausführungsform der Erfindung den
Gierwinkel alphaG und/oder die Gierwinkelgeschwindigkeit
alphaG' und/oder
die Gierwinkelbeschleunigung alphaG'' entweder direkt oder aus gemessenen
Werten. Je nach Ausführungsform
der Erfindung kann der Berechnungseinheit 304 der durch
den Geber 306 direkt oder indirekt erfaßte Lenkradwinkel ro, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit
ro' und/oder die
Lenkradwinkelbeschleunigung ro'' zugeführt werden.
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Die
Berechnungseinheit 304 verknüpft die Eingangssignale in
der schon beschriebenen ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildung
des haptischen Signals gemäß der Gleichung
(17), in der zweiten Ausführungsform
gemäß der Gleichung
(22) und in der dritten Ausführungsform
gemäß der Gleichung
(23) bzw. Gleichung (24). Die Grundverstärkung pm und
die in den Gleichungen aufgeführten
Konstanten sind im Block 304 als auslegungsgemäße Festwerte
gespeichert oder können
je nach Betriebszustand geladen werden.
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Kombination
des haptischen Signals mit dem Lenkungsregler
-
Eine
solche Kombination ist durchaus von Interesse, da selbst bei geregelter
Lenkung ein verbessertes Signal für den Straßenkontakt erwünscht ist.
Es kommen dann die Gleichungen (9) und (24) zur Anwendung. Deren
Struktur ist ähnlich,
obgleich, wie erwähnt,
CB, CC1 und CC2 in Gleichung (9) nicht notwendigerweise
gleich CB, CC1 und
CC2 in Gleichung (24) ist.
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Geht
man von einem System (Servolenkung mit haptischen Signal oder Lenkungsregler)
aus und ergänzt
es durch das andere, dann ist der Mehraufwand für Software und Gerätetechnik
minimal.
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Lenkungsregler zum überlagerten,
fahrstabilisierenden Lenkeingriff, jedoch an einer gelenkten Hinterachse eingreifend
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Bei
einem Fahrzeug mit Hinterachslenkung kann alternativ zu der in 2 gezeigten
Schemaskizze selbstverständlich
auch an der Hinterachse mit dem Stellweg x(t) nach der Gleichung
(9) eingegriffen werden. Es muß lediglich
das Vorzeichen für
x(t) geändert
werden. Der schnelle Steller für
x(t) ist in diesem Falle schon vorhanden. Die Vorderarchse kann
dabei serienmäßig ausgelegt
sein. Zusätzlich
gebraucht werden lediglich die Winkelgeber 210 für den Lenkradwinkel
ro(t), ein Fahrgeschwindigkeitssignal V(t) und ein Geber 208 für den Gierwinkel
alpha(t) bzw. für
die Gierwinkelgeschwindigkeit alpha'(t) bzw. für die Gierwinkelbeschleunigung alpha''(t)). Das Steuergerät der Hinterachslenkung muß zur Bearbeitung
der Gleichung (9) ergänzt
werden.
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Der
Zusatzaufwand ist somit gering.