车辆和用于车辆转向的方法与流程
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的车辆。此外，本发明涉及一种用于车辆转向的方法。
背景技术：
车轮独立牵引驱动装置通过将驱动功率有针对性地分配给各个车轮，从而能够通过主要改变纵向动力学变量来影响车辆的横向动力。通过在车辆的转向桥上使用的车轮独立牵引驱动装置，能够通过有针对性地调节驱动功率的差异而使车轮转向。
下列专利文献因该主题而为人所熟知：在专利文献de102009025058a1中公开了一种车辆，该车辆包括具有机械可控的转向传动比的车辆转向系统以及至少一个用于按照能预先确定的分配目标值将驱动力矩分配到从动车桥的车轮的装置。还提出了一种控制器，该控制器在横向动力的线性范围(正常驾驶员通常在该范围内驾驶车辆)中根据置于车辆中的传感器和存储在该控制器中的算法来这样地确定分配目标值：将通过至少一个用于分配驱动力矩的装置产生的附加横摆力矩叠加在车辆转向系统产生的横摆力矩上。由此能够实现直接、间接或可变转向传动比。
在专利文献de102007043599a1中，在用于在车辆中执行转向过程的方法中，由驾驶员给定的转向角通过转向系统转换为车轮转向角。通过附加致动器来执行在至少一个左车轮和至少一个右车轮之间的力矩分配。通过借助附加致动器对车辆运动的转向作用而使附加转向角叠加在驾驶员给定的转向角上，从而通过这样的力矩分配实现了可变转向传动比。
在专利文献de102008001136a1中介绍了一种用于通过可调节离合器操作车辆中的转向致动器的方法，该可调节离合器能够实现驱动力矩在左车轮和右车轮之间的可变分配。根据该专利文献，根据对离合器的调整来控制转向致动器，以使由力矩分配的改变引起的、影响转向的力矩被至少部分地抵消。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提出一种实现改进的转向特性的车辆和用于车辆转向的方法。该技术问题通过具有权利要求1的特征的车辆和具有权利要求9的特征的方法来解决。本发明的优选或有利的实施方式将从从属权利要求、以下描述以及附图中得出。
本发明的一个主题是一种车辆。该车辆例如被设计为轿车、载货车、客车等。优选地，该车辆被设计为双轴式和/或双轨式。
该车辆具有优选被设计为前桥的转向桥。此外，车辆包括用于操纵转向桥的转向装置。驾驶员或转向执行器能够通过该转向装置给出方向盘转角。例如，转向装置具有驾驶员能够转动的方向盘。通过给出方向盘转角能够产生车轮围绕转向桥的偏转角，尤其是转向角。
通过转向装置来进行车辆转向使得驾驶员能够影响车辆的横向动力并因此控制车辆朝向期望的方向行驶。驾驶员的期望通过方向盘的转动或通过用于输入转向命令(方向盘转角δh形式)的人机接口传达，其中，驾驶员需施加转向力矩(mh)。
车辆可选地具有转向力装置，尤其是转向助力装置(lku)，以及可选的用于操控转向力装置的第一转向力模块。转向力模块能够被配置为软件模块、硬件模块或其组合。
在具有转向力装置的车辆中，通过执行器来降低转向力矩，以允许驾驶员轻松地进行转向。例如，设置通过转向柱来将运动传递给转向传动机构。在此，转向柱的旋转运动被转换为转向横拉杆的平移运动。转向横拉杆将运动传递到车轮托架，车轮托架围绕相应转向桥旋转(转向角δ)。
方向盘转角和车轮的偏转角之间的传动比被称为运动学上转向传动比
在下文中将探讨作用在轮胎-路面触点处的且经由车轮托架、转向横拉杆和转向传动机构得出方向盘力矩的力。这里给出了车轮上的力及其在车轮上的作用点。对轮胎接触表面处的力构建的更详细的探讨，请参考文献。
图1中示意性地示出了具有底盘的选定的悬挂点和部件的左前轮以及作用在轮胎纵面(轮胎印迹)上的力。力能够分解为分量fw，x(驱动力或制动力)、fw，y(侧向力)和fw，z(车轮载荷)。通过围绕转向桥(点e和g之间的轴线)产生的杠杆力臂，可以得到针对各个力矢量的力矩。这些力矩(两个车轮的力矩)的总和得到转向力矩。
在两个车轮上的驱动力矩大小相同的传统的驱动方案中，根据例如佩珀&哈雷尔(pepper&harrer)，2013，侧向力fw，y对转向力矩的影响最大。相比之下，车轮载荷fw，z带来的回正效果尤其是在高速转弯时很弱，在此将不再进一步考虑。对于目前实现的转向助力方案而言，驱动力或制动力fw，x对转向力矩的影响占主导。因此，以下将探讨如何根据两个分量fw，y和fw，x通过计算来确定转向力矩。
如图1中所示，力fw，x作用于点w并垂直于yz平面。为了确定其对围绕转向桥的力矩的影响，假定该驱动力矩被支承在车身(而非车轮托架)中并通过万向轴被传递至车轮的车轴。优选使用的内置的驱动总成正属于这种情况，其中包括传统的驱动系和轮边驱动器。由于车轮仅在车轮轴承中将力传递到车轮托架，因此力fw，x被移至车轮的中心以计算力矩。因此，与转向桥垂直的干扰力杠杆力臂ra表示有效杠杆力臂，通过该有效杠杆力臂使力fw，x产生围绕转向桥的力矩。
在这种情况下，下面以主销内倾角和主销后倾角均较小为前提建立模型。由此得出驱动力或制动力fw，x与转向力矩ma，a/b的相应分量之间的以下关系：
ma，a≈fw，x·ra
横向力fw，y不作用于点w，而是作用于偏移了轮胎后倾距离rτ，t的点。由此得出侧向力与由侧向力引起的转向力矩ms的分量以下关系：
ms≈fw，y·(rτ，k+rτ，t)
在借助于车轮独立驱动装置的转向助力的方案中，通过将驱动力矩以合适的方式分配到转向桥的两个车轮上来减小方向盘力矩。为了更清楚地描述，在下面的推导中假设主销内倾角和主销后倾角均为0°，后倾拖距rτ及转向传动比is是常数且两个车轮的转向角相等。
在左转行驶时得出图2中左半部分示出的转向系统上的力。驱动力矩均匀地分配在两个车轮上，从而在每个车轮上均施加有驱动力fa，l＝fa，r。在转弯时，产生侧向力fs，l和fs，r。方向盘力矩由下述条件获得：
在驱动力矩均匀分配的情况下
两个侧向力均对总力矩提供相同的矢量方向，而驱动力则分别提供正分量和负分量。在均匀分配的情况下驱动力的作用相互抵消。在此建立与通过车轮独立驱动装置来辅助转向力的方案的关系。通过将驱动力矩移至外侧轨道的车轮(图2，右侧)，使得这两个驱动力产生了围绕转向桥的力矩，该力矩抵抗侧向力的力矩。
在驱动力矩被移至右车轮的情况下
此外，驱动力矩的重新分配还会影响车辆横向动力，这是因为这两个力矢量fa，l和fa，r对横摆力矩(围绕车辆的z轴的力矩)有贡献(见扭矩矢量控制)。
扭矩矢量控制(torquevectoring)指的是这样一种方法，其中提出，能够向每个车轮或者例如向前桥上的两个车轮可变地分配驱动力矩，以便根据行驶状况来优化车辆特性。这在具有内燃机的传统驱动装置中通过两个可控制的离合器或通过叠加传动装置(差速器)来实现。
在根据本发明的具有车轮独立驱动装置，尤其是具有车轮独立电驱动装置的车辆中，能够通过控制单独的车轮驱动装置来实现扭矩矢量控制。通过扭矩矢量控制来影响行驶动力，尤其是横摆力矩，从而可选地提供以下用途：
·提升敏捷度(附加横摆力矩用于改善转向特性)
·横摆阻尼(稳定与横摆角速度相反的横摆力矩)
·提高驾驶安全性
·改善舒适度
扭矩矢量控制的另一个作用是：能够根据横向加速度来降低对转向角的需求。除了扭矩矢量控制，“电子稳定程序”(esp)是实现车辆动力控制的另一种选择。然而，在esp的情况下，仅能够通过制动单个车轮来影响横摆力矩。因此，扭矩矢量控制可视为针对驱动状态的行驶动力控制的扩展方案。
在通过车轮独立驱动装置来辅助转向力的情况下，在转向桥上进行扭矩矢量控制，其中，重要的是降低方向盘力矩。在这种情况下，还客观存在横摆力矩的影响，使得上述的效果同样能够实现。
转向力装置用于将由驾驶员施加的方向盘力矩减小至期望的大小。优选区分能够替代使用的两种基本类型：液压助力转向系统(hps,hydraulicpowersteering)和电动助力转向系统(eps,electricpowersteering)，它们是现有轿车的标准方案。在机电式转向系统中，转向力装置的辅助力矩由电动机提供，并且根据结构设计被直接引入到转向柱上或转向传动机构中。方向盘力矩由扭矩传感器测得并被报告给控制器。该控制器由此计算出将由电动机产生并通过传动机构导入转向系统的必要的辅助力矩。此外，利用eps系统，还能够通过控制器实现现代的驾驶员辅助系统(例如，停车辅助系统、车道偏离警告系统)所需的多种附加功能。
可选地，补充地设置叠加转向装置。除了由驾驶员设定的方向盘转角外，叠加转向装置还将调整角度引入叠加传动机构中，从而在不需要改变方向盘转角的情况下改变转向传动比。由此根据行驶状态直接调整转向。因此，在较高速度时能够实现稳定、间接的转向(较大的转向传动比)，并且在市内行驶和停车时能够实现直接、灵活的转向(较小的转向传动比)。此外，还能够在不向驾驶员做出干扰的提示的情况下实现辅助系统的稳定的转向干预。优选地，利用之前描述的部件来实现叠加转向装置。在一些设计方案中，车辆并不具有叠加转向装置。
车辆具有第一驱动装置，其中，第一驱动装置允许第一驱动力矩车轮独立地分配到转向桥的车轮上。因此，转向桥的其中一个车轮能够分配有比另一个车轮更大的驱动力矩。这样的分配能够可选地通过车轮的加速或减速来进行。
此外，车辆包括配备有第二驱动装置的驱动桥。优选地，驱动桥被设计为后桥。第二驱动装置允许第二驱动力矩车轮独立地分配到驱动桥的车轮上。这样的分配能够可选地通过车轮的加速或减速来进行。
在本发明的范围内提出，驱动系具有控制设备，该控制设备获取输入量。例如，控制设备具有用于接收输入量的相应信息技术的和/或信号技术的接口。
输入量被配置为车辆的行驶动力学变量。行驶动力学变量使得能够确定转向传动比的改变，例如通过扭矩矢量控制等方法引起的改变。控制设备提供作为输出量的调节信息。为此，控制设备例如具有信息技术的和/或信号技术的接口。输出信息是用于将第二驱动装置的驱动力矩分配到驱动桥的两个车轮的调节信息。控制设备被设计为可编程型和/或电路型控制设备。输出量，尤其是调节信息被这样确定，使得转向传动比的改变被减小或甚至被完全抵消掉。
在此，本发明基于如下考虑：通过改变驱动力矩在驱动桥上的分配来抵消由扭矩矢量控制引起的和/或在转向装置中的弹性变形。因此能够减弱或完全避免转向传动比的改变。
原则上，转向桥和/或驱动桥的车轮独立驱动装置能够被构造成例如两个独立的轮边驱动装置。它们还能被构造成发动机，其中，通过传动机构来进行所述车轮独立分配。在本发明的一个优选设计方案中，转向桥和/或驱动桥的车轮独立驱动装置被构造成两个电动机，其中，每个从动车轮都配备有一个电动机。具体地，电动机被构造为轮边电机，尤其是轮毂电机。在该设计方案中，无需任何构造上的补充便能够使用根据本发明的车轮独立驱动装置。
在本发明的一个特别优选的设计方案中，配置控制设备这样地确定输出量，使得转向传动比恒定不变。具体地，曲线图中的描述方向盘转角与偏转角的关系的线为直线。
在本发明的一个替代设计方案中，配置控制设备这样地确定输出量，使得转向传动比被调整为所需的目标值。在这种情况下，目标值可能例如根据车辆的速度而改变。
特别优选的是，配置控制设备用于补偿转向系统中的弹性运动学效应。如果产生导致转向系统，尤其是转向桥和/或转向装置的变形的效应，这种效应继而又导致转向传动比的改变，则这样配置控制设备，使得转向系统中的弹性运动学效应降低或被完全抵消掉。
在本发明的替代方案或补充方案中提出：输入量包括转向桥的车轮上的扭矩分配的变化。转向桥的车轮的驱动力矩分配的这种变化例如是由于前述扭矩矢量控制导致的。提出了控制设备基于转向桥的驱动力矩分配的变化来改变输出量，以减小或完全抵消掉转向传动比的改变。
在本发明的优选的构造设计方案中，驱动系具有扭矩矢量控制设备，其中，该扭矩矢量控制设备控制转向桥中的扭矩分配的改变。
特别优选的是，驱动桥中的驱动力矩分配与转向桥中的驱动力矩分配相反。这种相反的分配使得转向传动比的改变的减小或完全抵消。相反的分配是指，在其中一个车桥的车辆一侧上施加较高的驱动力矩，而在另一个车桥的车辆另一侧上施加较高的驱动力矩。
本发明的另外的主题涉及一种用于如前面所述或根据所附权利要求中任一项所述车辆的转向的方法。提出了控制设备接收作为输入量的车辆行驶动力学变量。控制设备基于输入量来确定作为输出量的用于分配第二驱动装置的驱动力矩的调节信息。控制设备确定输出量，使得车辆的转向传动比的改变减小或被完全抵消掉或被调整到目标值。
优选的是，转向传动比的改变的时长相当于第二驱动装置的驱动力矩的非对称分配的时长。替代地或补充地，第二驱动装置的驱动力矩的非对称分配的时长等于改变的时长。具体地，控制设备是因果系统，其中，输入量构成输入信号，输出量构成因果系统响应。
附图说明
本发明的其他特征、优点和效果将从以下对本发明优选实施例和附图的描述中得出。附图中：
图1示出了在例如左前车轮上的轮胎-路面触点处作用的力(根据pepper,p.,&harrer,m.(hrsg.).(2013年)；转向器手册：转向系统，转向操纵感，机动车行驶动力学；出版社：威斯巴登：springervieweg)；
图2示出了借助车轮独立驱动装置的转向力辅助的功能原理；其中，对右侧进行转向力辅助，而左侧并没有；转向几何被简化(主销内倾角0°，主销后倾角0°)；
图3示出了稳态的转弯行驶，转向的线性单轨模型；
图4示出了用于表示扭矩矢量控制和弹性运动学对转向角与方向盘转角之间的关系的影响的曲线图；
图5示出了用于实施该方法的车辆的示意图。
具体实施方式
为了以确定的半径r进行转弯(根据单轨模型，图3)，需要在轴距为l的车辆中的、由阿克曼转向角和偏转角av与ah之差组成的转向角δ：
在方向盘转角和转向角(也被称为偏转角)之间由于转向系统中的动力学上的关系/联系而产生确定的相关性。若系统被视作是刚性的并且没有弹性效应的出现，则这种关系被称为转向传动比。然而，由于转向系统(包括车轮托架)的弹性变形(归因于车轮悬架上的力)，方向盘转角和转向角之间的比值在行驶期间通常不是恒定的。弹性变形与转向运动相反地作用，使得转向系统被“推”向正前方。影响转向力矩的力越大，弹性变形越大，因此驾驶员的转向消耗越大。也就是说，转弯行驶时所需的转向角由此增大。为实现车轮上的转向角所需的方向盘转角在下文中被称为方向盘转角需要量。
该方向盘转角需要量还受到借助车轮独立驱动装置产生的扭矩矢量控制的影响。由于扭矩矢量控制引起(并且利于转弯)的横摆力矩一方面减小了前轮偏转角并在另一方面增大了后轮偏转角。如在发明内容部分明确提及的关系，用于实现相同的转向半径的转向角要小于在常规系统的情况中的转向角。此外，通过减小前轮偏转角使得前轮的侧向力减小。这导致回正力的减小并因此进一步影响转向力矩/方向盘力矩。弹性运动学效应也会受到影响，这导致方向盘转角需求量的进一步降低。在图4中，示意性地示出了这两种效应。在保持相同的方向盘转角的情况下，通过扭矩矢量控制来增大有效转向角，或者在相同转向半径的情况下通过扭矩矢量控制减小所需的方向盘转角。通过弹性运动学效应实现相反的效果。在弹性运动学效应的情况下，在保持相同的方向盘转角的情况下，有效转向角减小或者行驶相同转向半径所需的方向盘转角增大。
图5示出了用于实施根据本发明的方法的车辆1的示意图。车辆1具有转向桥2和驱动桥3。从动车轮4a、4b布置在转向桥2上，其中，所述从动车轮4a、4b通过由两个电动机5a、5b实现的第一车轮独立驱动装置6来驱动。电动机5a、5b直接布置在从动车轮4a、4b上。电动机5a、5b例如被设计为轮毂电机。每个从动车轮4a、4b单独配备有电动机5a、5b。车辆1具有转向装置7，该转向装置具有用于输入方向盘转角的方向盘8。通过转向装置7使转向力矩传递至车轮4a、4b，从而使车轮偏转。
驱动桥3具有第二驱动装置9，第二驱动装置通过被设计为轮毂电机的两个电动机10a、10b实现。因此，能够车轮独立地向驱动桥3，特别向车轮14a、14b施加第二驱动力矩。电动机5a、5b，10a、10b或者说第一驱动装置6和第二驱动装置9与控制设备11信号连接。控制设备11控制车轮独立驱动装置6、9中的驱动力矩的分配。
控制设备11具有输入接口12，用于获取作为输入量的车辆1的行驶动力学变量。根据不同的操作模式，行驶动力学变量可以是车辆的速度或者是通过车轮独立的驱动装置6进行的转向桥2上的驱动力矩分配。
此外，控制设备11具有输出接口13，输出接口输出作为输出量的、用于分配第二驱动装置9的驱动力矩的调节信息，并且调节信息被传递至电动机10a、10b。
控制设备11可以是可编程型和/或电路型控制设备，这样地基于输入量来计算或确定输出量，使得转向传动比的、因行驶动力学变量的改变不会而发生、转向传动比的改变被抵消掉或至少被减小。
抵消转向传动比的改变的一个典型应用情形是在转向装置7或者整个转向系统中存在弹性运动学变形的情形。弹性运动学变形是由于被引入至转向装置7的横向力矩导致的，其中，横向力矩带来的影响在图4中示出。通过驱动桥3中的非对称的驱动力矩分配能够减小或甚至完全抵消掉这种影响。
另一个应用情形是使用扭矩矢量控制的情形，其中，两个电动机5a、5b的驱动力矩非对称地分配在转向桥2上。这种非对称分配导致转向传动比的改变。通过在驱动桥3中相反地、非对称地分配驱动力矩，能够减小或甚至完全抵消掉转向传动比的改变所带来的影响。
附图标记列表
1车辆
2转向桥
3驱动桥
4a、4b转向桥的车轮
5a、5b电动机
6第一驱动装置
7转向装置
8方向盘
9第二驱动装置
10a、10b电动机
11控制设备
12输入接口
13输出接口
14a、14b驱动桥的车轮
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