WO2007125083A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln eines optimalen lenkwinkels in untersteuersituationen eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermitteln eines optimalen lenkwinkels in untersteuersituationen eines fahrzeugs Download PDF

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WO2007125083A1
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steering
steering angle
angle
vehicle
understeer
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Peter Lauer
Thomas Raste
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Continental Teves AG and Co OHG
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    • B62D7/15—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels
    • B62D7/159—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels characterised by computing methods or stabilisation processes or systems, e.g. responding to yaw rate, lateral wind, load, road condition

Definitions

  • the invention relates to a method for determining an optimum steering angle in understeer situations of a vehicle.
  • the invention also relates to a device for determining an optimal steering angle in understeer situations of a vehicle.
  • Modern vehicles use electronically controllable motors in the steering line, on the one hand, to selectively influence the steering torque to be applied by the driver (power steering) and, on the other hand, to set steering angles independently of the driver (overlay steering).
  • power steering power steering
  • overlay steering front axle of the vehicle
  • GCC Global Chassis Control
  • rear-axle steering to control the driving dynamics.
  • Stabilizing means are known from DE 10 2005 036 708 A1 which control the steering means as a function of a lateral force coefficient of at least one of the steered wheels for setting a steering angle stabilizing the vehicle, wherein the stabilizing means set a slip angle of the steered wheels such that the lateral force coefficient does not substantially exceed the range of the maximum.
  • the invention has for its object to improve a method of the type mentioned so that the driver is reliably supported during an understeering driving situation in the stabilization of the vehicle.
  • the invention provides a method for determining an optimal steering angle in understeer situations of a vehicle, in which a first component is taken into account in the determination, which reproduces the adhesion coefficient in the transverse direction, in which a second component is represented, which reflects a kinematic component and at a third one Is taken into account, which reflects the slip angle and in which the steering angle ⁇ Flim is determined by adding the coefficient of friction coefficient, the kinematics component and the slip angle.
  • the kinematics component is the proportional velocity from the vehicle rotation relative to the center of gravity velocity.
  • the system for controlling electronically controllable motors in the steering column allow the driver to advantageously set the side force maximum in understeer situations by power steering. This assistance in steering can stabilize the vehicle in critical driving situations. This all-wheel steering are considered.
  • the slip angle during understeer can be estimated according to the relationship ⁇ ⁇ 0, since the slip angle at the beginning of the understeering driving situation is approximately zero.
  • the road coefficient of friction (I 0 max ( ⁇
  • / ⁇ , ⁇ CoG , ⁇ ⁇ 4 ) becomes at least one of the relationships, with the frictional load utilization for the front axle
  • the optimum steering angle is calculated in a model in which the steering angle in terms of magnitude according to the relationship
  • the steering angle ⁇ Fhm or a steering angle ⁇ Flim multiplied by a factor k is used as a target value for a steering angle control or a steering torque control.
  • a steering torque control according to the relationship ⁇ V, lim ⁇ I ⁇ v is activated or deactivated according to the relationship ⁇ V, lim> I ⁇ v.
  • the invention also provides an advantageous apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • the device for determining an optimum steering angle in understeer situations of a vehicle is based on a determination unit for determining a stabilizing steering angle taking into account a model-based coefficient of coefficient of friction, a model-based kinematics component and a slip angle.
  • FIG. 1 is a block diagram with an overview of a control system of an electric power steering system for determining a steering torque
  • FIG. 2 shows a block diagram with an overview of a control system of a superimposed steering system for determining a steering torque
  • FIGS. 1 and 2 show an embodiment of the regulator shown in FIGS. 1 and 2 with the controller components relating to the steering
  • FIG. 4 shows an embodiment of a block of the block diagram shown in FIG. 2, which determines a steering torque
  • Fig. 5 shows a first embodiment of a block of the block diagram shown in the figure 2 for
  • 7 shows a representation of the reference variables on a vehicle with the models for determining the oblique running and the slip angle
  • 8 shows a characteristic curve of the adhesion coefficient in the transverse direction.
  • 1 shows a vehicle with a steering actuator is shown schematically.
  • a mounted on a steering column 18 steering wheel 20 is connected via a steering gear 22 with the steered wheels 24, 26 of the vehicle.
  • the steering gear 22 is preferably designed as a rack and pinion steering, which has a pinion not shown rotatably connected to the steering column.
  • a torque sensor 14 is arranged, which determines the driver's steering intention by means of a manual steering torque M H.
  • EPS Electric Power Steering
  • GCC Global Chassis Control
  • the controller 28 are thereby set by the driver steering wheel angle ⁇ L and Schuachslenkwinkel ⁇ H , which are arranged with arranged on the steering column 18 and the rear axle 12 steering angle sensors 30, 32 and provided by the torque sensor 14 manual steering torque M H as input variables available ,
  • the controller 28 receives additional sizes of vehicle dynamics controllers and / or driving assistance controllers, as described in more detail in the applications mentioned.
  • the controller 28 determines based on the information provided the additional steering torque M DSR .
  • DSR Driver Steering Recommendation
  • the invention may also be used in vehicles having other steering systems, such as steering systems with external moment interface hydraulic power steering (e.g., APS, Active Power Steering) or a separate torque controller (e.g., IPAS, Intelligent Power Assisted Steering).
  • steering systems with external moment interface hydraulic power steering e.g., APS, Active Power Steering
  • a separate torque controller e.g., IPAS, Intelligent Power Assisted Steering
  • FIG. 2 shows a power steering with two steering actuators.
  • the same components or the same blocks have the same reference numerals.
  • a superposition gear 40 is arranged on the steering column 18.
  • the superposition gear is usually designed as a planetary gear and divides the steering column into two sections 18a and 18b.
  • the steering wheel angle ⁇ L measured by the steering wheel angle sensor 32 can be superposed by means of the superposition gear 40, a further steering angle.
  • the total steering angle ⁇ F is measured by the steering angle sensor 42 arranged on the section 18 b of the steering column.
  • the superposition steering system 40 is driven by a steering wheel motor 44.
  • the steering wheel motor 44 is controlled by the controller 28, the steering wheel angle of which is the correction steering wheel angle ⁇ ⁇ // .
  • the controller 28 is provided with the steering angle ⁇ r measured by the front axle steering angle sensor 42.
  • the controller 28 receives more Great from driving dynamics regulations and / or driver assistance regulations.
  • i L is the steering translation.
  • Steering ratio is constant or, in the case of superposition steering, may also depend on other variables, such as vehicle speed.
  • the wheel steering angle of the front axle is measured directly.
  • servo motors 16 is preferably provided that the servo motor in the sense of "intelligent actuator" a target steering torque from the GCC controller received and this adjusts independently.
  • the current manual steering moments M H are detected by the torque sensor 14 and feedback to the GCC controller 28.
  • the torque sensor 14 is optional, an IPAS does not include a torque sensor, the presence of a rear axle steering system is not mandatory for the method, but further implementations assume that the vehicle is equipped with a rear axle steering unit. eg ARK, Active Rear Axle Kinematics)
  • the method for calculating the maximum steering angle is also suitable for pure superimposed steering according to FIG 2, in order to regulate this value independently of the driver's specification.
  • Regulator 28 shown. Shown are only the parts that affect the steering. Not shown are controller components for other actuators, such as brake, internal combustion engine, stabilizer, etc.
  • the steering angle controller 50 and the steering torque controller 52 are either alternatively present or for steering systems as shown in FIG. 2 jointly present.
  • the steering angle controller 50 generates steering angle setpoints ⁇ ⁇ // , ⁇ ff ⁇ // for the front axle 10 and the rear axle 12.
  • the steering torque controller 52 generates the additional steering torque M DSR , the driver steering recommendation (DSR) a haptic feedback for the Driver represents.
  • DSR driver steering recommendation
  • a x longitudinal acceleration measured with a longitudinal acceleration sensor or estimated from wheel speed signals P B brake pressure measured with a pressure sensor (Ix driver) or at the wheel brakes of the respective wheel 24, 26 or estimated in a model for the four wheel brakes of the wheels 24, 26 chf Idt yaw rate a y lateral acceleration v x vehicle speed estimated from wheel speed signals ⁇ L steering wheel angle ⁇ r v / wheel steering angle front axle ⁇ H wheel steering angle rear axle.
  • the steering torque regulator 52 is still supplied with the driver's manual torque M H determined by the torque sensor 14 as an input variable. If the steering angle controller 50 is also present, the steering torque controller 52 is additionally supplied with the desired wheel steering angle change ⁇ ⁇ // as the input variable.
  • An exemplary embodiment of the steering torque controller 52 in understeer situations is shown in FIG.
  • An exemplary embodiment of the steering angle controller 50 in understeer situations is shown in FIG. 5.
  • Both regulators 50, 52 have the following basic structure of the steering column control system for determining the steering torque request M DSR or the steering angle request ⁇ ⁇ // .
  • Driving situations in which there is an understeering driving state of the vehicle are detected in blocks 60 and 62. In doing so, they resort in particular to information provided by a driving dynamics controller.
  • the driving state controller may be, for example, an ESP and / or an ABS system.
  • a recognition of critical driving situations in which the vehicle understeers is preferably carried out in block 60 by means of an ESP understeer recognition.
  • an understeer of the vehicle is alternatively detected by means of a slip angle understeer detector.
  • the model (3.1) provides a reference for the front axle steering angle in the mold
  • the second option for understeer detection is based on the oblique angle at the front axle
  • a sub-control is recognized, if applicable
  • the threshold S a is between 2 and 10 degrees, preferably at 5 degrees. If an understeer situation is detected in one of the blocks 60, 62 on the basis of the exceeding of the threshold values 5 * g or S a , the sub-control flag 64, which represents the output signal of the block 60 or 62, is set to the value 1. The understeer flag is reset from the value 1 to the value 0 when the above conditions are no longer met. Preferably, however, smaller threshold values are used as a basis, so that the control is calmed by a hysteresis.
  • the thresholds may depend on other drivers of driving dynamics, such as the vehicle speed v x or the road friction coefficient ⁇ . As the driving speed decreases, the threshold values are increased and correspondingly reduced as the road friction coefficient decreases.
  • the blocks 60, 62 are connected via an OR gate 66 to an activation logic 68 for activating the control system.
  • an activation logic 68 for activating the control system.
  • the wheel steering angle of the front axle ⁇ F the limited wheel steering angle of the front axle ⁇ V ; lun , the determination of which will be described later, and the understeer flag 64 as input signal.
  • the steering torque control 52 is activated by setting a sub-control active flag representing the output signal of the activation logic 68 to the value 1.
  • the steering torque control 52 is terminated and the output signal under control active flag of the activation logic 68 is set to 0 if the following conditions are met:
  • understeer flag 0 or after termination conditions that provide termination after a predetermined time has elapsed.
  • Each of the controllers 50, 52 includes a steering angle limit determination unit 70 that estimates the yaw rate the longitudinal acceleration a x , the lateral acceleration a y , the vehicle speed v x is supplied as input variables.
  • the steering angle limit serves to determine a limitation of the wheel steering angle at the front axle. For this purpose, the following polynomial model of lateral force is used
  • the road friction coefficient ⁇ 0 and the slip angle ⁇ can not be measured economically in the vehicle.
  • For the slip angle is approximately at understeer
  • ⁇ o max ( ⁇ ⁇ 1 , ⁇ Q) G , ⁇ 1 1 ), (3.11)
  • V 1 - 'VVAA g of the adhesion utilization in the vehicle center of gravity
  • the parameter C a0 can be dependent on the road friction coefficient and must be applied during the driving test.
  • the assumption for the calculation of the steering angle limitation was a small slip angle according to (3.10). It must be assumed that the vehicle turns increasingly and thus increases the slip angle. Therefore, the limitation may only be made for a certain time (preferably 4s). In the case of a haptic system, the increase in the steering torque must then be withdrawn. In the case of superposition steering, the additional steering angle is reduced again after this time.
  • the limited wheel steering angle ⁇ Flim calculated in accordance with 3.16 is made available to the activation logic 68, which hand the conditions described above, the steering torque control 52 is activated or terminated.
  • the current wheel steering angle ⁇ F of the front axle with reversed sign passes through a transmission element 72 with a dead zone.
  • the deadband is defined between the positive and negative values of the current wheel steering angle limit (3.16).
  • the output variable of the dead band transmission element 72 is the control deviation
  • the control deviation is zero, outside it is the value of the wheel steering angle ⁇ r, which has been reduced by the limit.
  • the control deviation e ⁇ is fed to a controller 74.
  • the controller 74 may be implemented as a simple P-controller or as a dynamic controller. If a superimposed steering (Fig.5) is present, the SoIl- Radlenkwinkela minimum ⁇ sol ⁇ can also be used as feedforward control in terms of Stor frequentlyaufScnies for the steering torque control of the steering torque controller 52, as shown in Figure 6.
  • the controller output variable u M or u A ⁇ is possibly limited in its height and its rise by a limiting member 76.
  • the parameters of the controller 74 and the limiting member 76 are to be set depending on the vehicle. A limitation taking into account the current driver's manual torque is also possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • a x longitudinal acceleration possibly estimated from wheel speed signals P B brake pressure, Ix driver, 4x wheels possibly estimated d ⁇ / dt, ⁇ yaw rate a y lateral acceleration

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs. Um einen Fahrer während einer untersteuernden Fahrsituation zuverlässig bei der Stabilisierung des Fahrzeugs zu unterstützen, wird ein modellbasierter Kraftschlussbeiwertanteil, ein modellbasierter Kinematikanteil und ein Schwimmwinkel bei der Ermittlung des Lenkwinkels berücksichtigt, wobei ein begrenzter Lenkwinkel d<SUB>V</SUB>

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines op- timalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs .
Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs.
Moderne Fahrzeuge verwenden elektronisch ansteuerbare Motoren im Lenkstrang einerseits zur gezielten Beeinflussung des vom Fahrer aufzubringenden Lenkmoments (Servolenkungen) und ande- rerseits zur gezielten Einstellung von Lenkwinkeln unabhängig vom Fahrer (Uberlagerungslenkungen) . Neben diesen Lenkungen, die auf die Vorderachse des Fahrzeugs wirken, verwenden moderne Fahrwerkregelungen wie z.B. Global Chassis Control (GCC) auch Hinterachslenkungen zur Regelung der Fahrdynamik.
Zur Beeinflussung des vom Fahrer aufzubringenden Lenkmoments sind verschiedene, jeweils auf die spezielle Fahrsituation ausgerichtete Regelungs- bzw. Steuerungsstrukturen bekannt. Es wird z.B. bei übersteuernden Fahrsituationen eine Regelung auf Basis einer Gierraten-Referenz (WO 2005/054039 Al) und bei Bremsen auf μ -Split eine Steuerung auf Basis von ABS- Radinformationen eingesetzt (WO 2005/054040 Al) . Bei untersteuernden Fahrsituationen wird der beim Erkennen der Situation vorliegende Lenkwinkel „eingefroren", d.h. durch eine Momentenregelung soll dem Fahrer die Empfehlung gegeben werden, den Lenkwinkel nicht zu vergrößern und dadurch in der Folge die Situation zu verschlimmern. Nachteilig bei diesem Konzept ist, dass dem Fahrer keine Rückmeldung über die maxi- mal mögliche Seitenkraft vermittelt wird.
Es wäre daher wünschenswert, wenn dem Fahrer dahingehend assistiert werden könnte, dass er eine maximale Seitenkraft an den Rädern einstellen kann.
Aus der DE 10 2005 036 708 Al sind Stabilisierungsmittel bekannt, die die Lenkmittel in Abhängigkeit von einem Seiten- kraftbeiwert mindestens eines der gelenkten Räder zur Einstellung eines das Fahrzeug stabilisierenden Lenkwinkels an- steuern, wobei die Stabilisierungsmittel einen Schräglaufwinkel der gelenkten Räder derart einstellen, dass der Seiten- kraftbeiwert den Bereich des Maximums im wesentlichen nicht überschreitet .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass der Fahrer während einer untersteuernden Fahrsituation zuverlässig bei der Stabilisierung des Fahrzeugs unterstützt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 8 gelöst.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln eines opti- malen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs bereit, bei dem ein erster Anteil bei der Ermittlung berücksichtigt wird, der den Kraftschlussbeiwert in Querrichtung wiedergibt, bei dem ein zweiter Anteil berücksichtigt wird, der einen Kinematikanteil wiedergibt und bei dem ein dritter Anteil berücksichtigt wird, der den Schwimmwinkel wiedergibt und bei dem der Lenkwinkels δFlim durch Addition des Kraft- schlussbeiwertanteils, des Kinematikanteils und des Schwimmwinkels ermittelt wird.
Bei dem Kinematikanteil handelt es sich um die anteiligen Geschwindigkeiten aus der Fahrzeugdrehung bezogen auf die Schwerpunktgeschwindigkeit .
Das System zur Regelung von elektronisch ansteuerbaren Motoren im Lenkstrang ermöglichen dem Fahrer vorteilhaft in Untersteuersituationen durch Lenkhilfe das Seitenkraft-Maximum einzustellen. Durch diese Assistenz beim Lenken kann in kritischen Fahrsituationen eine Stabilisierung des Fahrzeugs er- zielt werden. Hierbei finden Allradlenkungen Berücksichtigung.
Vorteilhaft kann der Schwimmwinkel beim Untersteuern nach der Beziehung ß~0 geschätzt werden, da der Schwimmwinkel am Be- ginn der untersteuernden Fahrsituation näherungsweise Null ist .
Vorteilhaft wird er Fahrbahnreibwert an den Achsen und dem Fahrzeugschwerpunkt ermittelt. Der Fahrbahnreibwert (I0 =max(μ|/^,μCoG,μÄ4) wird nach mindestens einer der Beziehungen, mit der Kraftschlussausnutzung für die Vorderachse
Figure imgf000005_0001
mit der Kraftschlussausnutzung im Fahrzeugschwer-
punktμCoG=
Figure imgf000005_0002
, oder g mit der Kraftschlussausnutzung an der Hinterachse
Figure imgf000006_0001
ermittelt .
Vorteilhaft wird der optimale Lenkwinkel in einem Modell be- rechnet, in dem der Lenkwinkel betragsmäßig nach der Beziehung
/ 2
ermittelt wird.
Der Lenkwinkel δFhm oder ein mit einem Faktor k multiplizierter Lenkwinkel δFlimwird als Sollwert für eine Lenkwinkelregelung oder eine Lenkmomentregelung verwendet.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Lenkmomentregelung nach der Beziehung δ V, lim < I Ö v aktiviert wird bzw. nach der Beziehung δ V, lim > I Ö v deaktiviert wird.
Die Erfindung stellt überdies eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit.
Die Vorrichtung zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs basiert auf einer Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines stabilisierenden Lenkwinkels unter Berücksichtigung eines modellbasierten Kraft- schlussbeiwertanteils, eines modellbasierten Kinematikanteil und eines Schwimmwinkels. Weitere Vorteile und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele anhand der Figuren .
Von den Figuren zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einer Übersicht eines Regelsystems einer elektrischen Servolenkung zur Ermitt- lung eines Lenkmoments,
Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einer Übersicht über ein Regelsystem einer Uberlagerungslenkung zur Ermittlung eines Lenkmoments,
Fig. 3 eine Ausgestaltung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Reglers mit den Regleranteilen die die Lenkung betreffen,
Fig. 4 eine Ausfuhrungsform eines Blocks des in dem in der Figur 2 dargestellten Blockschaltbildes, der ein Lenkmoment ermittelt,
Fig. 5 eine erste Ausfuhrungsform eines Blocks des in dem in der Figur 2 dargestellten Blockschaltbildes zum
Ermitteln eines Zusatz-Lenkwinkels,
Fig. 6 eine Ausfuhrungsform eines Blocks zur Storgroßenauf- schaltung für den Lenkmomentregler,
Fig. 7 eine Darstellung der Bezugsgroßen an einem Fahrzeug mit den Modellen für die Ermittlung der Schraglauf- und dem Schwimmwinkel, Fig. 8 eine Kennlinie des Kraftschlussbeiwertes in Querrichtung .
Es wird von einem zweiachsigen, vierrädrigen Kraftfahrzeug mit lenkbaren Rädern mindestens an einer Vorderachse 10 und ggf. auch an einer Hinterachse 12 ausgegangen. In Figur 1 ist ein Fahrzeug mit einem Lenksteller schematisch dargestellt. Ein an eine Lenksäule 18 befestigtes Lenkrad 20 ist über ein Lenkgetriebe 22 mit den gelenkten Rädern 24, 26 des Fahrzeugs verbunden. Das Lenkgetriebe 22 ist vorzugsweise als Zahnstangenlenkung ausgeführt, die ein nicht dargestelltes drehfest mit der Lenksäule verbundenes Ritzel aufweist. An der Lenksäule ist ein Drehmomentsensor 14 angeordnet, der den Fahrer- lenkwunsch dabei anhand eines Handlenkmoments MH ermittelt. Ein elektrischer EPS Servomotor 16 (EPS = Electric Power Steering) beaufschlagt im konventionellen Betrieb den Lenkstrang mit einem zusätzlichen Lenkmoment MDSR, welches das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment MH verstärkt.
Zum Einstellen einer Zusatzlenkmomentanforderung MDSR (DSR = Driver Steering Recommendation) zur Fahrerunterstützung wird die elektrische Servolenkung genutzt, die dabei von einem z.B. GCC-Regler 28 (GCC= Global Chassis Control) beispielswei- se über eine Schnittstelle zum CAN-Bus des Fahrzeugs angesteuert wird. Dem Regler 28 werden dabei der vom Fahrer eingestellte Lenkradwinkel δL und der Hinterachslenkwinkel δH , die mit an der Lenksäule 18 und an der Hinterachse 12 angeordneten Lenkwinkelsensoren 30, 32 gemessen werden und das vom Drehmomentsensor 14 ermittelte Handlenkmoment MH als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt. Weiterhin erhält der Regler 28 zusätzliche Größen von Fahrdynamikreglern und/oder Fahrassistenzreglern, wie in den Eingangs genannten Anmeldungen näher beschrieben ist. Der Regler 28 ermittelt anhand der zur Verfugung gestellten Informationen das Zusatzlenkmoment MDSR. Der EPS-Servomotor 16 dient dabei als Aktuator, der das Lenkmoment MDSR (DSR = Driver Steering Recommendation) in Korrelation mit dem Handlenkmoment MH über das Getriebe 34 in den Lenkstrang einbringt. Weiterhin berechnet der Regler 28 einen Hinterachslenkwinkel 8Hsoll , der über eine Hinterachs- lenkeinheit 36 auf die Hinterachse übertragen wird.
In ahnlicher Weise kann die Erfindung jedoch auch in Fahrzeu- gen mit anderen Lenksystemen, wie beispielsweise Lenksystemen mit einer hydraulischen Servolenkung mit externer Momentenschnittstelle (z.B. APS, Active Power Steering) oder einem separaten Momentensteller (z.B. IPAS, Intelligent Power Assisted Steering) eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt eine Servolenkung mit zwei Lenkstellern . Gleiche Bauteile bzw. gleiche Blocke haben dabei die gleichen Bezugszeichen. An der Lenksäule 18 ist zusatzlich gegenüber der Ausbildung nach der Figur 1 ein Uberlagerungsgetriebe 40 an- geordnet. Das Uberlagerungsgetriebe ist in der Regel als Planetengetriebe ausgeführt und teilt die Lenksäule in zwei Abschnitte 18a und 18b. Dem vom Lenkradwinkelsensor 32 gemessen Lenkradwinkel δL kann mittels des Uberlagerungsgetriebes 40 ein weiterer Lenkwinkel überlagert werden. Der Summenlenkwin- kel δF wird von dem an dem Abschnitt 18b der Lenksäule angeordneten Lenkwinkelsensor 42 gemessen. Angetrieben wird die Uberlagerungslenkung 40 von einem Lenkradmotor 44. Geregelt wird der Lenkradmotor 44 von dem Regler 28, dessen Fuhrungs- große der Korrektur-Lenkradwinkel Δδ∞// ist. Hierzu wird dem Regler 28 der von dem Vorderachs-Lenkwinkelsensor 42 gemessene Lenkwinkel δr zur Verfugung gestellt. Ebenso wie das in Figur 1 beschriebene Regelsystem erhalt der Regler 28 weitere Großen aus Fahrdynamikregelungen und/oder Fahrassistenzregelungen .
In das zusatzliche Lenkmoment MDSR geht der Radlenkwinkel der Vorderachse δF nach der Beziehung
(2.1)
Ir
ein, wobei iL die Lenkubersetzung ist. Die Lenkubersetzung ist konstant oder kann im Falle einer Uberlagerungslenkung auch von weiteren Großen, wie z.B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, abhangen. Im Falle einer Lenkwinkelregelung wird der Radlenkwinkel der Vorderachse direkt gemessen.
Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Servomotoren 16 wird vorzugsweise vorausgesetzt, dass der Servomotor im Sinne eines „intelligenten Aktors" ein Soll-Lenkmoment vom GCC- Regler empfangen und dieses selbständig einregelt. Die aktuellen Handlenkmomente MH werden von dem Drehmomentsensor 14 erfasst und an den GCC-Regler 28 zurückmeldet. Der Drehmomentsensor 14 ist optional, ein IPAS enthalt keinen Drehmomentsensor. Das Vorhandensein einer Hinterachslenkung ist für das Verfahren nicht zwingend erforderlich. Die weiteren Ausfuhrungen gehen jedoch davon aus, dass das Fahrzeug mit einer Hinterachslenkeinheit ausgestattet ist (z.B. ARK, Active Rear AxIe Kinematics) . Das Verfahren zur Berechnung des maximalen Lenkwinkels eignet sich auch für eine reine Uberlagerungslenkung gemäß Figur 2, um diesen Wert unabhängig von der Fahrervorgabe einzuregeln.
In Fig. 3 sind die Komponenten und Schnittstellen des GCC-
Reglers 28 abgebildet. Dargestellt sind nur die Anteile, die die Lenkung betreffen. Nicht dargestellt sind Regleranteile für andere Aktoren, wie z.B. Bremse, Verbrennungsmotor, Stabilisator etc. Der Lenkwinkelregler 50 und der Lenkmomentregler 52 sind entweder alternativ vorhanden oder für Lenksysteme wie in Fig. 2 dargestellt gemeinsam vorhanden. Der Lenk- winkelregler 50 erzeugt Lenkwinkelsollwerte Δδ∞// , δff∞// für die Vorderachse 10 und die Hinterachse 12. Der Lenkmomentregler 52 erzeugt das Zusatzlenkmoment MDSR, das als Fahrerlenkempfehlung (DSR, Driver Steering Recommendation) eine haptische Rückmeldung für den Fahrer darstellt. Als Eingangs- großen werden dem Lenkwinkelregler 50 und dem Lenkmomentregler 52 die folgenden Größen zur Verfügung gestellt: ax Längsbeschleunigung, gemessen mit einem Längsbeschleunigungssensor oder geschätzt aus Raddrehzahlsignalen PB Bremsdruck, gemessen mit einem Drucksensor (Ix Fahrer) oder an den Radbremsen der jeweiligen Rad 24, 26 oder in einem Modell für die vier Radbremsen der Räder 24,26 geschätzt chf Idt Gierrate ay Querbeschleunigung vx Fahrzeuggeschwindigkeit, geschätzt aus Raddrehzahlsignalen δL Lenkradwinkel δrv/ Radlenkwinkel Vorderachse δH Radlenkwinkel Hinterachse.
Zusätzlich wird dem Lenkmomentregler 52 noch das von dem Drehmomentsensor 14 ermittelte Fahrerhandmoment MH als Eingangsgröße zugeführt. Falls auch der Lenkwinkelregler 50 vor- handen ist, dann wird dem Lenkmomentregler 52 zusätzlich die Soll-Radlenkwinkeländerung Δδ∞// als Eingangsgröße zugeführt. Ein Ausführungsbeispiel für den Lenkmomentregler 52 in Untersteuersituationen ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Ausführungsbeispiel für den Lenkwinkelregler 50 in Untersteuersituationen zeigt Fig. 5.
Beide Regler 50, 52 weisen folgenden prinzipielle Aufbau des Lenkstrang-Regelsystems zum Ermitteln der Lenkmomentanforderung MDSR oder der Lenkwinkelanforderung Δδ∞// auf. Fahrsituationen in denen ein untersteuernder Fahrzustand des Fahr- zeugs vorliegt, werden in den Blöcken 60 und 62 erkannt. Diese greifen dabei insbesondere auf Informationen zurück, die durch einen Fahrdynamikregler bereitgestellt werden. Bei dem Fahrzustandsregler kann es sich beispielsweise um ein ESP- und/oder ein ABS-System handeln. Eine Erkennung von kriti- sehen Fahrsituationen, in denen das Fahrzeug untersteuert, wird anhand einer ESP Untersteuererkennung vorzugsweise in dem Block 60 durchgeführt. In dem Block 62 wird alternativ ein Untersteuern des Fahrzeugs anhand einer Schräglaufwinkel- Untersteuerkennung erkannt.
Die Erkennung einer Untersteuersituation erfolgt bei beiden Reglern 50, 52 hier nach zwei Alternativen. Eine um den Hin- terachslenkanteil erweiterte im ESP bestehende Untersteuerer- kennung verwendet das lineare stationäre Einspurmodell
Figure imgf000012_0001
Das Modell (3.1) liefert eine Referenz für den Vorderachs- lenkwinkel in der Form
δ(W = — V + EGay +δH . (3.2)
Ein Untersteuern wird festgestellt, wenn die Differenz W-δFref >s, (3.3)
einen vorgegebenen Schwellenwert Sδ überschreitet. Die zweite Möglichkeit zur Untersteuererkennung basiert auf dem Schraglaufwinkel an der Vorderachse
QLy =-δF+ß+^ψ. (3.4)
Vx und dem Schraglaufwinkel an der Hinterachse, vgl. Fig. 7
aH=-δH + $-^ψ. (3.5) vx Für die Erkennung werden nicht die einzelnen Schraglaufwinkel benotigt, sondern nur die Differenz
Δα =av -aH = δH -δv+—ψ . (3.6)
In Abhangig von einem Schwellenwert für die Schraglaufwinkel- differenz (3.6) und dem Vorzeichen der Gierrate wird ein Un- tersteuern erkannt, wenn gilt
ώif/dt > 0 und Δα < - Sa oder ώif/dt < 0 und Δα > Sa
Der Schwellenwert Sa liegt zwischen 2 und 10 Grad, vorzugsweise bei 5 Grad. Wird in einem der Blocke 60, 62 eine Untersteuersituation anhand des Überschreitens der Schwellenwerte 5*g oder Sa erkannt, wird das Untersteuerflag 64, wel- ches das Ausgangssignal des Blocks 60 oder 62 darstellt, auf den Wert 1 gesetzt. Das Untersteuerflag wird von dem Wert 1 auf den Wert 0 zurückgesetzt, wenn die genannten Bedingungen nicht mehr erfüllt sind. Vorzugsweise werden dabei jedoch kleinere Schwellenwerte zugrunde gelegt, so dass die Regelung durch eine Hysterese beruhigt wird. Die Schwellenwerte können abhangig sein von weiteren Großen der Fahrdynamik, wie z.B. der Fahrgeschwindigkeit vx oder dem Fahrbahnreibwert μ . Mit abnehmender Fahrgeschwindigkeit werden die Schwellenwerte vergrößert, mit abnehmendem Fahrbahnreibwert entsprechend verringert .
Die Blöcke 60, 62 sind über ein Oder-Glied 66 mit einer Aktivierungslogik 68 zum Aktivieren des Regelsystems verbunden. In die Aktivierungslogik 68 gehen der Radlenkwinkel der Vorderachse δF, der begrenzte Radlenkwinkel der Vorderachse <V;lun , dessen Ermittlung später noch beschrieben wird und das Untersteuer-Flag 64 als Eingangssignal ein.
Bei der Erfüllung der Bedingungen
δ„hm < |δF| und Untersteuer-Flag = 1 wird die Lenkmomentregelung 52 aktiviert, indem ein Unter- steuer-Aktiv-Flag, welches das Ausgangssignal der Aktivierungslogik 68 darstellt, auf den Wert 1 gesetzt.
Die Lenkmomentregelung 52 wird beendet und das Ausgabesignal Untersteuer-Aktiv-Flag der Aktivierungslogik 68 auf 0 gesetzt, wenn die folgenden Bedingungen zutreffen:
Figure imgf000014_0001
oder Untersteuer-Flag = 0 oder nach Beendigungsbedingungen, die eine Beendigung nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit vorsehen.
Jeder der Regler 50, 52 enthält eine Ermittlungseinheit 70 zur Lenkwinkelbegrenzung, der die Gierrate
Figure imgf000014_0002
die Längsbeschleunigung ax, die Querbeschleunigung ay , die Fahrzeuggeschwindigkeit vx als Eingangsgrößen zugeführt wird. Die Lenkwinkelbegrenzung dient dazu, eine Begrenzung des Radlenkwinkels an der Vorderachse zu bestimmen. Hierzu wird das folgende Polynommodell der Seitenkraft verwendet
Figure imgf000015_0001
Bezieht man die Seitenkraft F auf die Aufstandskraft Fz , dann erhält man aus dem Modell (3.7) die in Fig. 8 dargestellte Kennlinie des Kraftschlussbeiwerts in Querrichtung. Der Kraftschlussbeiwert erreicht bei dem Schräglaufwinkel
Figure imgf000015_0002
sein Maximum. Mit (3.8) kann aus (3.4) der zum maximalen Kraftschlussbeiwert korrespondierende Lenkwinkel bestimmt werden als
δ F|αΛ =—ψ-sign(αF)μ0—+ß . (3.9)
Der Fahrbahnreibwert μ0 und der Schwimmwinkel ß ist im Fahrzeug messtechnisch nicht wirtschaftlich zu erfassen. Für den Schwimmwinkel gilt bei Untersteuern näherungsweise
ß-0. (3.10)
Eine Abschätzung des Fahrbahnreibwerts auf Basis der Beschleunigungen des Fahrzeugschwerpunkts (CoG Center of Gravi- ty) bzw. der Vorder- und Hinterachse ergibt
μo=max(μκl,μQ)G,μÄ1), (3.11)
mit der Kraftschlussausnutzung für die Vorderachse i(<*χ - lvψ 2 f + (<*y + lvψY (3.12)
V 1- 'VVAA = g der Kraftschlussausnutzung im Fahrzeugschwerpunkt
Figure imgf000016_0001
und der Kraftschlussausnutzung an der Hinterachse
_Vk+/gψ2)2+k-/gψ)2 (314)
Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs der Vorzeichen von Schräglaufwinkel und Querbeschleunigung
Figure imgf000016_0002
ergibt sich die gesuchte Begrenzung für den Radlenkwinkel an der Vorderachse betragsmäßig zu
Figure imgf000016_0003
Der Parameter Ca0 kann abhängig sein vom Fahrbahnreibwert und muss im Fahrversuch appliziert werden.
Die Annahme für die Berechnung der Lenkwinkelbegrenzung war nach (3.10) ein kleiner Schwimmwinkel. Es muss angenommen werden, dass sich das Fahrzeug zunehmend eindreht und sich damit der Schwimmwinkel vergrößert. Daher darf die Begrenzung nur für eine gewisse Zeit (vorzugsweise 4s) vorgenommen werden. Bei einem haptischen System muss danach die Anhebung des Lenkmoments zurückgenommen werden. Bei einer Überlagerungslenkung wird nach dieser Zeit der Zusatzlenkwinkel wieder re- duziert.
Der entsprechend 3.16 berechnete begrenzte Radlenkwinkel δFlim wird der Aktivierungslogik 68 zur Verfügung gestellt, die an- hand der zuvor beschriebenen Bedingungen die Lenkmomentregelung 52 aktiviert oder beendet.
Zur Lenkmoment- bzw. Lenkwinkelregelung durchlauft der aktu- eile Radlenkwinkel δF der Vorderachse mit umgekehrtem Vorzeichen ein Übertragungsglied 72 mit Totzone. Die Totzone ist definiert zwischen dem positiven und dem negativen Wert der aktuellen Begrenzung für den Radlenkwinkel (3.16) . Ausgangsgroße des Totzonen-Ubertragungsglieds 72 ist die Regelabwei- chung
-δ, hm ffir -δ, ≥ δ, hm
eδ = ■ 0 ffir -δ, > -δ, r hm (3.17)
-δ, + δF lim sonst
Innerhalb der Totzone ist die Regelabweichung Null, außerhalb ist sie der um die Begrenzung verminderte Wert des Radlenk- winkeis δr . Die Regelabweichung eδ wird einem Regler 74 zugeführt. Der Regler 74 kann als einfacher P-Regler oder als dynamischer Regler ausgeführt sein. Falls eine Uberlagerungs- lenkung (Fig.5) vorhanden ist, kann die SoIl- Radlenkwinkelanderung Δδsolι auch als Vorsteuerung im Sinne einer StorgroßenaufSchaltung für die Lenkmomentregelung des Lenkmomentenreglers 52 genutzt werden, entsprechend der Darstellung in Figur 6. Die Reglerausgangsgroße uM bzw. uAδ wird ggfs. in seiner Hohe und seinem Anstieg durch ein Begrenzungsglied 76 eingeschränkt. Die Parameter des Reglers 74 und des Begrenzungsglieds 76 sind in Abhängigkeit von dem Fahrzeug einzustellen. Eine Begrenzung unter Berücksichtigung des aktuellen Fahrerhandmoments ist ebenfalls möglich. Bezugszeichenliste
ax Längsbeschleunigung, ggfs geschätzt aus Raddrehzahlsignalen PB Bremsdruck, Ix Fahrer, 4x Räder ggfs geschätzt dψ/dt,ψ Gierrate ay Querbeschleunigung
Vx Fahrzeuggeschwindigkeit, geschätzt aus Raddrehzahl¬ signalen 5L Lenkradwinkel δy Radlenkwinkel Vorderachse δv,hm Begrenzung Radlenkwinkel Vorderachse δv,ref Referenzwert Radlenkwinkel Vorderachse Δδsoii Soll-Radlenkwinkeländerung Vorderachse δπ Radlenkwinkel Hinterachse
ÖH.SOII Soll-Radlenkwinkel Hinterachse MH Fahrerhandmoment am Lenkrad MDSR Soll-Lenkmoment ß Schwimmwinkel CC Schräglaufwinkel αiim Schräglaufwinkel beim Seitenkraftmaximum bzw. Kraft- schlussbeiwertmaximum Δα Schräglaufwinkeldifferenz Vorderachse - Hinterachse
CCV-CCH Fy Seitenkraft
Fz Aufstandskraft μo Fahrbahnreibwert μy Kraftschlussbeiwert in Querrichtung μy,max Kraftschlussbeiwertmaximum Cαo Anfangssteigung Kraftschlussbeiwert-Schräglaufwinkel- Kurve

Claims

EG Eigenlenkgradient1 RadstandIv Abstand Fahrzeugschwerpunkt - VorderachseIH Abstand Fahrzeugschwerpunkt - Hinterachse eδ Regelabweichung10 Vorderachse12 Hinterachse14 Drehmomentsensor16 Servomotor18 Lenksäule20 Lenkrad22 Lenkgetriebe24 Rader26 Rader28 Gcc Regler30 Lenkwinkelsensor32 Lenkwinkelsensor34 Getriebe36 Hinterachslenkeinheit40 Überlagerungsgetriebe42 Lenkwinkelsensor44 Lenkradmotor50 Lenkwinkelregier52 Lenkmomentregier60 Block62 Block64 Untersteuer-Flag66 Oder-Glied68 Aktivierungslogik70 Ermittlungseinheit72 Übertragungsglied74 Regler76 Begrenzungsglied Patentansprüche :
1. Verfahren zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs, da du r c h ge k e nn z e i c hn e t dass ein erster Anteil bei der Ermittlung berücksichtigt wird, der den Kraftschlussbeiwert in Querrichtung wiedergibt, dass ein zweiter Anteil berücksichtigt wird, der einen Kinematikanteil wiedergibt und dass ein dritter Anteil berücksichtigt wird, der den Schwimmwinkel wiedergibt und dass der Lenkwinkel δFlim durch Addition des
Kraftschlussbeiwertanteils, des Kinematikanteils und des Schwimmwinkels ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Schwimmwinkel beim Untersteuern nach der Beziehung ß~0 geschätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Anteil einen Fahrbahnreibwert
(I0 =max(μ^,μCoG,μÄ4) nach mindestens einer der folgenden
Beziehungen berücksichtigt, mit der Kraftschlussausnutzung für die Vorderachse
Figure imgf000020_0001
mit der Kraftschlussausnutzung im Fahrzeugschwer-
/ 2 2 punkt μCoG = 4a*+ay , od ,er g mit der Kraftschlussausnutzung an der Hinterachse
Figure imgf000021_0001
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Lenkwinkel betragsmäßig nach der Beziehung
Figure imgf000021_0002
ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Lenkwinkel δFlim oder ein mit einem Faktor k multiplizierter Lenkwinkel δFlimals Sollwert für eine Lenkwinkelregelung oder eine Lenkmomentregelung verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Lenkmomentregelung nach der Beziehung
Ov, lim < I Öv aktiviert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Lenkmomentregelung nach der Beziehung
Ov, lim > I Oy deaktiviert wird..
8. Vorrichtung zum Ermitteln eines optimalen Lenkwinkels in Untersteuersituationen eines Fahrzeugs, ge k e nn z e i c hn e t durch, eines Ermittlungseinheit (70) zum Ermitteln eines stabi- lisierenden Lenkwinkels unter Berücksichtigung eines modellbasierten Kraftschlussbeiwertanteils, eines modellbasierten Kinematikanteil und eines Schwimmwinkels.
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