DE102010062549A1 - Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung (40) zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Das Kraftfahrzeugs ist dabei mit einem Gierraten- und Querbeschleunigungssensor ausgestattet, wobei die Zahnstangenkraft berechnet wird und auf Grundlage der berechneten Zahnstangenkraft und unter Nutzung einer Gierbewegung und einer Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs die Masse bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, ein Lenksystem mit einer solchen Anordnung sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
• Die Ermittlung von Signalen, wie bspw. Referenzgrößen, Reibwert, Fahrzustand usw., ist Bestandteil zur Regelung des Lenkgefühls und Basis für eine Vielzahl von Fahrdynamikregelsystemen. Dazu muss für die unbekannte Größe der Fahrzeugmasse eine gewisse Robustheit vorgehalten werden bzw. Fehler durch Vernachlässigung dieser Größe in Kauf genommen werden.
• Aus der Druckschrift DE 10 2006 036 985 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrdynamikbestimmung und Fahrdynamikregelung bekannt. Bei dem Verfahren werden anhand eines Fahrzeugmodells eines Fahrzustandsbeobachters mittels einer Recheneinheit einen Fahrzustand beschreibende Zustandsgrößen schätzend ermittelt und über ein Ausgabemodul ausgegeben. Hierbei ist vorgesehen, dass Eingangssignale erfasst werden, die eine Summe von Spurstangenkräften repräsentieren.
• Es gibt Ansätze zur Schätzung der Fahrzeugmasse durch Auswertung der Fahrzeuglängsdynamik, also der Fahrzeugbeschleunigungen bzw. Verzögerungen, die sich durch die normale Fahrt und auch durch aktive Eingriffe zur Bestimmung dieser Größe ergeben. Nachteil dieser Methoden ist das Erfordernis der Kenntnis verschiedener Größen, nämlich Motormomente des Verbrennungsmotors, Getriebewirkungsgrade, Fahrbahnneigung und Luftwiderstandsbeiwert, der sich bei Beladung, bspw. bei Verwendung eines Dachträgers, stark verändern kann. Diese Art von Schätzung eignet sich daher vornehmlich für einen Hersteller von Bremssystemen bzw. Motorsteuerungen.
• Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ein Lenksystem mit einer solchen Anordnung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt vorgestellt.
• Das Verfahren dient zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Gierraten- und Querbeschleunigungssensor ausgestattet ist, was üblicherweise bei einem Fahrdynamikregelsystem vorgesehen ist, und bei dem die Zahnstangenkraft berechnet wird. Auf Grundlage der berechneten Zahnstangenkraft und unter Nutzung einer Gierbewegung und einer Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs wird dessen Masse berechnet. Es kann dabei ein erster Sensor zur Erfassung der Gierrate und ein zweiter Sensor zur Erfassung der Querbeschleunigung vorgesehen sein. Alternativ kann ein Sensor zur Erfassung beider Größen vorgesehen sein.
• Bei Kenntnis der Schwerpunktlage kann daraus eine Vorderachslast berechnet werden.
• Die Zahnstangenkraft, die die Summe der im Lenksystem wirkenden Kräfte darstellt, kann als Funktion der im Lenksystem wirkenden Momente berechnet werden. Die Seitenführungskraft an der Vorderachse kann wiederum aus einem vorgegebenen, kinematischen Zusammenhang als Funktion der Zahnstangenkraft des Lenksystems ermittelt werden. Auf diese Weise wird ein Zusammenhang zwischen den Lenkmomenten im Lenksystem und der Seitenführungskraft bzw. der Rückstellmomente geschaffen. Dieser Zusammenhang wird zur Bestimmung der Fahrzeugmasse bzw. der Vorderachslast verwendet.
• Mit dem Verfahren wird ein Zusammenhang zwischen der Seitenführungskraft an der Vorderachse und den im Lenksystem wirkenden Kräften hergestellt. Dabei erfolgt die Ermittlung der Fahrzeugmasse bzw. der Vorderachslast ohne zusätzliche Sensorik, in normalen Fahrsituationen und in Kurvenfahrten, unter Nutzung lenkungsinterner Größen und der vorhandenen Fahrzeugsensorik, auf allen Reibwerten sowie unabhängig von längsdynamischen Größen, von Getriebewirkungsgraden und Luftwiderstandsbeiwerten.
• Das beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für den Einsatz in Lenksystemen, insbesondere für EPS-Systeme (EPS: Electric Power Steering). EPS-Systeme weisen regelmäßig Mittel zur Einleitung eines Zusatzmoments, bspw. einen Elektromotor, Mittel zur Ansteuerung des Elektromotors, Mittel zur Erfassung der Phasenströme bzw. des Motormoments, Mittel zur Erfassung der Rotorposition, Mittel zur Erfassung des Handmoments und Mittel zur Abschätzung der Zahnstangenkraft auf.
• Das Verfahren kann jedoch in jedem beliebigen Lenksystem umgesetzt werden. Dies erfolgt in der Regel unter Verwendung von Sensoren zur Ermittlung der Zahnstangenkraft und Sensoren zur Ermittlung des Ritzelwinkels (indirekt auch über den Lenkradwinkel).
• Es wird weiterhin eine Anordnung zum Bestimmen der Fahrzeugmasse eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Gierraten- und Querbeschleunigungssensor ausgestattet ist, vorgestellt. Die Anordnung ist dazu ausgebildet, die Zahnstangenkraft zu berechnen und unter Nutzung einer Gierbewegung und einer Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs die Masse zu bestimmen.
• Typischerweise werden die Gierbewegung und die Querbeschleunigung mit der Anordnung zugeordneten Sensoren oder alternativ mit einem Sensor gemessen.
• Es wird zudem ein Lenksystem beschrieben, das eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art aufweist.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren zum Einstellen des Zustands des Kraftfahrzeugs der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers ausgeführt wird.
• Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger, wie beispielsweise Diskette, CD, DVD, Festplatte, USB Memory Stick oder einem Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und von dort aus in das Speicherelement eines Steuergeräts übertragen werden.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des beschriebenen Lenksystems.
• In 1 ist eine Ausführungsform eines Lenksystems, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen, schematisch dargestellt. Dieses umfasst eine Lenkhandhabe 12, eine Lenkstange 14 und eine Zahnstange 16, über die zwei dargestellte Vorderräder 18 angelenkt werden.
• Das Lenksystem 10 umfasst zusätzlich eine Einrichtung 20 zur Bereitstellung einer Aktivlenkung (AFS) und eine Einrichtung 22 zur Bereitstellung einer Hilfskraftlenkung (EPS). Die Aktivlenkung bewirkt eine Winkelüberlagerung, die Hilfskraftlenkung verursacht eine Momentenüberlagerung.
• Die Einrichtung 20 für die Aktivlenkung umfasst ein Getriebe 24 und einen Motor 26 zur Bereitstellung eines Überlagerungswinkels δ_M (Pfeil 28), der mit Hilfe des Getriebes 24 einem an der Lenkhandhabe 12 eingestellten Lenkradwinkel δ_S (Pfeil 30) überlagert wird. Hieraus ergibt sich der Ritzelwinkel δ_G (Pfeil 32), der an die Zahnstange 16 gegeben wird.
• Es gilt: δ_G = 1/i₁·δ_S + 1/i₂·δ_M (Gleichung 1) i stellt ein Maß für die Getriebeübersetzung dar.
• Die Einrichtung 22 für die EPS bringt je nach Bedarf ein Zusatzmoment auf, so dass eine Kraft FG (Pfeil 34) auf die Zahnstange 16 übertragen wird.
• Die Einrichtung 20 und die Einrichtung 22 sind über ein Bussystem 36 miteinander verbunden, so dass Informationen ausgetauscht werden können, um flexibel auf unterschiedliche Fahrbedingungen reagieren zu können.
• Weiterhin ist eine Anordnung 40 zur Ermittlung bzw. Berechnung der Zahnstangenkraft vorgesehen. Hierzu verfügt die Anordnung 40 über eine Recheneinrichtung 42. Weiterhin kann die Anordnung 40 auf einen Sensor 44, der querdynamische Größen, bspw. eine Gierbewegung bzw. Gierrate und eine Querbeschleunigung, aufnimmt, zugreifen. Vorzugsweise kann als Recheneinrichtung 42 eine Recheneinheit der Einrichtung 20 für die Aktivlenkung oder eine Recheneinheit der Einrichtung 22 für die EPS verwendet werden.
• Größen für die nachfolgenden Gleichungen sind:

F_SH

Seitenkraft an der Hinterachse

F_SV

Seitenkraft an der Vorderachse

F_Hub

Kraftkomponente, die eine einseitige Anhebung des Fahrzeugs bewirkt (Achskinematik)

F_RackSV

ahnstangenkraft an der Vorderachse

F_RackSH

Zahbnstangenkraft an der Hinterachse

δ_v

Lenkwinkel an der Vorderachse

a_YMess

gemessene Querbeschleunigung

J_z

Massenträgheitsmoment des Fahrzeugaufbaus um die z-Achse

l_v

horizontaler Abstand des Schwerpunkts von der Vorderachse

l_h

horizontaler Abstand des Schwerpunkts von der Hinterachse

Ψ ..

Gierbeschleunigung

J_z

Massenträgheitsmoment um die Fahrzeughochachse

m_VA

Masse auf der Vorderachse

m

Fahrzeugmasse

l

Radstand des Fahrzeugs

F_Rack2SV

Seitenkraft an der Vorderachse, welche durch die Zahnstangenkraft berechnet wird

F_Rack2SH

Seitenkraft an der Hinterachsee, welche durch die Zahnstangenkraft berechnet wird

• Nunmehr wird die Berechnung einer Sensorgröße aus den im Lenksystem wirkenden Momenten gezeigt.
• Im folgenden wird die Kräfte- und Momentenbilanz aufgestellt. Nach dem linearen Einspurmodell nach Rieckert Schunck gilt: –F_SH·l_h + F_SV·cosδ_v·l_v – J_z·Ψ .. = 0 (Gleichung 2) F_SH + F_SV·cosδ_v – m·a_YMess = 0 (Gleichung 3)
• Gleichung 3 nach F_SH aufgelöst und in Gleichung 2 eingesetzt ergibt:

  
• Diese Gleichung umgestellt ergibt:

  
• Im statischen Kräftegleichgewicht gilt: F_RackSV = f(k1)·f(k2)·F_Rack2SV + f(k3)F_HUB (Gleichung 6)
• f(k1) bezeichnet hier eine Funktion, welche die Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt der gelenkten Räder berücksichtigt, die ggf. als Kennlinie vorliegen kann. Die Funktion f(k1) ist abhängig vom Zahnstangenweg. Dieser kann aus dem Ritzelwinkel bestimmt werden, der durch Messung des Lenkradwinkels oder der Rotorposition des EPS-Motors berechnet werden kann oder direkt gemessen wird.
• f(k2) bezeichnet hier eine Funktion, die den physikalischen Nachlauf darstellt und als Kennlinie oder als Ergebnis eines Schätzalgorithmus vorliegt.
• f(k3) bezeichnet hier eine Funktion, die den Anteil der Kraft zur einseitigen Anhebung des Fahrzeugs auf Grund der Achseigenschaften beschreibt.
• Gleichung 6 nach F_SV umgestellt ergibt:

  
• Da die Aufbaubewegung des Fahrzeugs verzögert erfolgt, muss die aus der Zahnstangenkraft berechnete Seitenkraft gefiltert werden bzw. in der Phase korrigiert werden, um den Zusammenhang nutzen zu können. F_SV(t) = F_Rack2SV(t – T₁) (Gleichung 8)
• Gleichung 8 in Gleichung 5 eingesetzt ergibt unter der Annahme kleiner Lenkwinkel (cosδ_v~1):
• 
• Damit erhält man die Fahrzeugmasse unter Nutzung der geschätzten Zahnstangenkraft, der Gierbewegung und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs. Die Gierrate und Querbeschleunigung kann bei Fahrzeugen mit ESP-Ausstattung direkt durch Sensoren gemessen werden.
• Bei Kenntnis der Schwerpunktlage und Vernachlässigung der Verschiebung der Schwerpunktlage durch die Beladung ergibt sich die Vorderachslast zu:

  
• Aufgrund der Division durch die Querbeschleunigung kann diese Beziehung nicht in Geradeausfahrt (a_y = 0) ausgewertet werden. Nur unter Erfüllung folgender Bedingungen sollte eine Bestimmung der Masse erfolgen:
• – auf Fahrbahnen ohne nennenswerten Spurrinnen-/Schlechtweganteil, beim Lenken gegen Widerstände, wie bspw. Randsteine, Spurrinnen usw., wird zur Kompensation dieser Einflüsse ein höheres Motormoment eingeregelt, das eine höher berechnete Zahnstangenkraft bewirkt, die zu einer fehlerhaften (zu hohen) Massebestimmung führt
• – keine Betätigung der Bremse, Nickbewegungen verändern die Aufstandskräfte an den Rädern, beim Bremsen würden die Aufstandskräfte an der Vorderachse steigen und im statischen Kräftegleichgewicht die Zahnstangenkraft, die zu einer fehlerhaften (zu hohen) Massebestimmung führt, um dies auszuschließen, sollte während eines Bremsmanövers keine Bestimmung der Masse durchgeführt werden
• – nur bei Lenkbewegung in Richtung Lenkanschlag,
• – nur bei Lenkgeschwindigkeiten unterhalb einer parametrierbaren Schwelle, Basis für die Gültigkeit des Verfahrens ist ein statisches Kräftegleichgewicht zwischen der Seitenführungskraft und der Zahnstangenkraft, dies ist im ausgelenkten Zustand nur bei kleinen Lenkgeschwindigkeiten gegeben
• – nur bei Zahnstangenkräften oberhalb einer parametrierbaren Schwelle, Basis für die Gültigkeit des Verfahrens ist zudem das Durchfahren einer Kurve, dies wird sichergestellt, indem ein gewisser Betrag der Zahnstangenkraft vorhanden sein sollte
• – Fahrzeuggeschwindigkeit oberhalb einer parametrierbaren Schwelle, Basis für die Gültigkeit des Verfahrens ist ein statisches Kräftegleichgewicht zwischen der Seitenführungskraft und der Zahnstangenkraft, im Niedergeschwindigkeitsbereich kommen Einflüsse wie das Anheben des Fahrzeugs aufgrund der Achsgeometrie und die Verformung des Reifens hinzu, diese Einflüsse führen zu einer fehlerhaften (zu hohen) Bestimmung der Fahrzeugmasse
• – linearer Fahrzustand (kein Unter- oder Übersteuern), Basis für die Gültigkeit des Verfahrens ist ein statisches Kräftegleichgewicht zwischen der Seitenführungskraft und der Zahnstangenkraft, dies ist nur im linearen Bereich gegeben
• – bei Reifenlängsschlüpfen unterhalb einer parametrierbaren Schwelle, der Aufbau der Seitenkraft durch die Reifen ist unter Längsschlupf deutlich komplexer, deshalb sollten diese Fälle ausgeschlossen werden
• – Betrag der Querbeschleunigungen innerhalb eines parametrierbaren Bereichs, Basis für die Gültigkeit des Verfahrens ist das Durchfahren einer Kurve, dies wird sichergestellt, indem ein gewisser Betrag der Querbeschleunigung vorhanden sein sollte, weiterhin sollte der lineare Bereich erfüllt sein, weshalb ein bestimmter Betrag der Querbeschleunigung nicht überschritten werden sollte
• – Längsbeschleunigungen unterhalb einer parametrierbaren Schwelle. Nickbewegungen verändern die Aufstandskräfte an den Rädern, beim Beschleunigen würden die Aufstandskräfte an der Vorderachse sinken und im statischen Kräftegleichgewicht somit die Zahnstangenkraft, die zu einer fehlerhaften (zu niedrigen) Massebestimmung führt, beim Bremsen entsprechend umgekehrt, um dies auszuschließen, sollte der Betrag der Längsbeschleunigung niedrig sein
• Das Verfahren wird somit in Ausgestaltung unter Berücksichtigung mindestens einer der vorstehend genannten Bedingungen durchgeführt.
• Zudem ist eine Filterung des Signals sinnvoll. Da eine Beladungsänderung während der Fahrt unwahrscheinlich ist, bietet es sich an, die Filterung durch Gewichtung von zurückliegendem und aktuellem Messwert vorzunehmen.
• Durch Verwendung eines Reifenluftdrucksensors kann der Einfluss des Reifendrucks vom Einfluss der Fahrzeugbeladung unterschieden werden, da ansonsten die Masseschätzung bei zu geringem Luftdruck fehlerbehaftet ist. Durch Vernetzung mit Masseschätzungen anderer Verfahren, z. B. durch Auswertung längsdynamischer Zusammenhänge, ist es in einer weiteren Ausführung möglich, geringe Reifenluftdrücke an der Vorderachse auch ohne Reifenluftdrucksensorik zu erkennen.
• Analog zu Gleichung (6) kann auch die Seitenkraft an der Hinterachse berechnet werden, wenn das Fahrzeug zusätzlich mit einer Hinterachslenkung ausgestattet ist. Gleichung (6) umgestellt lautet: F_RackSH = f(k1)·f(k2)·F_Rack2SH + f(k3)F_HUB (Gleichung 11)
• In diesem Fall kann sogar die Schwerpunktslage in Fahrzeuglängsrichtung berechnet werden. F_Fzg = m_Fzg·α_YMess = F_SV + F_SH (Gleichung 12)

  

  mit l = l_v + l_h kann nach l_v bzw. l_h aufgelöst werden. Die Größe l ist dabei der Radstand des Fahrzeugs.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102006036985 A1 [0003]

Claims (11)

1. Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Gierraten- und Querbeschleunigungssensor ausgestattet ist, bei dem die Zahnstangenkraft berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der berechneten Zahnstangenkraft und unter Nutzung einer Gierbewegung und einer Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs die Masse bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei Kenntnis der Schwerpunktlage eine Vorderachslast berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Masse nach folgender Gleichung berechnet wird:

   
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mindestens eine einer Reihe von Bedingungen berücksichtigt wird.
5. Anordnung zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Gierraten- und Querbeschleunigungssensor ausgestattet ist, wobei die Anordnung (40) dazu ausgebildet ist, die Zahnstangenkraft zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (40) weiterhin dazu ausgebildet ist, unter Nutzung einer Gierbewegung und einer Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs die Masse zu bestimmen.
6. Anordnung nach Anspruch 5, die über eine Recheneinrichtung (42) verfügt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der als Recheneinrichtung (42) eine Recheneinheit einer Einrichtung (20) für eine Aktivlenkung verwendet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6, bei der als Recheneinrichtung (42) eine Recheneinheit einer Einrichtung (22) für ein EPS verwendet ist.
9. Lenksystem mit einer Anordnung zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers, insbesondere in einer Anordnung (40) nach Anspruch 5, ausgeführt wird.
11. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers, insbesondere in einer Anordnung (40) nach Anspruch 5, ausgeführt wird.

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