DE10044291A1

DE10044291A1 - Verfahren zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10044291A1
Application number: DE10044291A
Authority: DE
Inventors: Hans W Bleckmann; Marius Goslar
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2001-09-06
Also published as: DE50010472D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelschaltung zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, die als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte den voreingestellten Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer heranziehen. Um eine fehlerreduzierte Auswertung von Radkräften, insbesondere von mittels Reifensensoren erfassten Verformungen der Felge und/oder des Reifens, zu ermöglichen, wird der von dem Luftspalt abhängige Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers oder einer Signalaufbereitungseinrichtung unabhängig von dessen Voreinstellung bei vorgegebenem Fahrverhalten eingestellt (Fig. 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelschaltung zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, die als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte den voreingestellten Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer heranziehen.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Regelung des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs bekannt, die Reifensensoren zur Erfassung der an den Reifen angreifenden Kräfte und Momente verwenden. Unter einem Reifensensor (SWT-Sensor) wird hierbei der im oder am Reifen angebrachte Encoder und mindestens ein dem Encoder zugeordneter, stationär am Chassis angeordnete mindestens eine Meßwertaufnehmer verstanden. Während in der EP 04 441 09 B1 die Deformation des Reifenprofilbereichs des Reifens - der Reifenlatsch - überwacht wird, wird in der WO 96/10505 die Deformation der Seitenwand - die Torsionsdeformationen - eines Reifens über eine Zeitspannenmessung zwischen dem Passieren mindestens zweier auf unterschiedlichem Radius zur Rotationsachse angeordneter Marken am rotierenden Rad erfaßt. Ein Reifensensor, der bei einer Verformung des Reifens infolge der an dem Reifen angreifenden Kräfte eine Änderung der Phasenlage und/oder der Amplitude zwischen von Meßwertaufnehmern abgegebenen Ausgangssignalen erfaßt, ist in der WO 97/44673 beschrieben. Die Größe des Luftspalts zwischen dem Encoder bzw. den in der Reifenseitenwand eingelagerten magnetischen Arealen und den z. B. aktiven, magnetoresisten Meßwertaufnehmern bilden die Signale, die für die Zuordnung der auf den Reifen wirkenden Seiten- oder Querkräfte verwendet werden. Die Veränderungen der von dem Meßwertaufnehmer ermittelten Signale bilden folglich die Verformungen bzw. Veränderungen der Reifenseitenwand ab, die sich aufgrund der auf die Räder wirkenden Querkräfte einstellen, während die Änderung der Phasenlage zwischen den zwei auf einem äußeren und einem inneren Radius zur Rotationsachse des Rads angeordneten Meßwertaufnehmern ein Signal für die Berechnung der Längskräfte definieren.

Ein weiterer, mit einem magnetischen Encoder ausgerüsteter Luftreifen, ist in der DE 196 20 582 A1 beschrieben, auf die vollumfänglich verwiesen wird. Die an einem Rad mit einem derartigen Reifen angreifenden Kräfte, die mit den Meßwertaufnehmern oder Signalaufbereitungseinrichtungen in Form von mit Kräften korrelierten Signalen abgebildet werden, dienen in Kraftfahrzeug-Regelungssystemen zur Regelung bzw. Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere zur Bemessung und/oder Modulation des Bremsdruckes in den Radbremsen der Räder.

Bei der Ermittlung des funktionalen Zusammenhanges des Amplituden- und/oder Phasensignales zu den auf die Räder bzw. die Reifen wirkenden Kräfte werden Meßfelgen verwendet, wie sie Beispielshaft in der EP 0 352 788 A2 beschrieben sind. Dabei ist es nötig, die Meßwertaufnehmer duplizierbar an dem Chassis bzw. der Radaufhängung anzuordnen, um die vom Luftspalt abhängigen Signale reproduzierbar zu gestalten. Sich bei der Anordnung oder Fertigung der Meßwertaufnehmer ergebende Toleranzen und/oder unterschiedliche Felgensysteme, z. B. mit unterschiedlichen Einpreßtiefen, führen zu Abweichungen bei der Bestimmung der auf die Räder bzw. Reifen wirkenden Kräfte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fehlerreduzierte Auswertung von Radkräften, insbesondere von mittels Reifensensoren erfassten Verformungen der Felge und/oder des Reifens, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Vorteilhaft kann zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte der voreingestellte Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer herangezogen werden. Dadurch, daß erfindungsgemäß der von dem Luftspalt abhängige Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers oder einer z. B. dem Meßwertaufnehmer nachgeschalteten Signalaufbereitungseinrichtung unabhängig von dessen Voreinstellung eingestellt wird, läßt sich ohne Verlust an Signalqualität das Ausgangssignal fehlerreduziert verarbeiten, da es unabhängig von diesem voreingestellten Abstand zwischen Meßwertaufnehmer und Encoder ermittelt wird. Es lassen sich Felgen mit unterschiedlicher Einpreßtiefe, jedoch mit gleicher Steifigkeit, verwenden. Hinzu kommt, daß der Abstand des Meßwertaufnehmers beliebig über den Auflösungsbereich variiert werden kann, ohne daß Anpassungen der funktionalen Abbildung zwischen der Amplitude und der Querkraft erforderlich sind.

Vorteilhaft ist eine gattungsgemäße Regelschaltung so ausgestaltet, daß zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, die als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte den voreingestellten Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer heranziehen, sie eine Ermittlungseinheit enthält, die den von dem Luftspalt abhängigen Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers oder einer Signalaufbereitungseinrichtung unabhängig von dessen Voreinstellung einstellt.

Die Erfindung sieht vor, das Verfahren und die Regelschaltung so auszugestalten, daß eine Adaption des Ausgangssignals an die fahrzeugspezifischen Abstände zwischen dem Meßwertaufnehmer und dem Encoder erfolgt. Ein zweckmäßiges Verfahren und eine Regelschaltung zeichnen sich dadurch aus, daß das Ausgangssignal bei stationärem, längs- bzw. querkraftfreiem Fahrverhalten auf mindestens einen Nennwert normiert wird. Das stationäre, längs- bzw. querkraftfreie Fahrverhalten wird mit Hilfe von Eingangsgrößen festgestellt, die von herkömmlichen Sensoren bereitgestellt werden und die mindestens die Querbeschleunigung, die Längsbeschleunigung und die Lenkwinkelgeschwindigkeit umfassen. Geeigneterweise wirken zu diesem Zeitpunkt kleine oder nahezu keine Längs- bzw. Querkräfte auf das Rad bzw. den Reifen. Dabei können folgende Bedingungen einzeln oder in beliebiger Kombination einem stationären, längs- und querkraftfreien Fahrverhalten zugrunde gelegt sein:
|Querbeschleunigung| < 0,07 g
|Längsbeschleunigung| < 0,1 g
|Lenkwinkel| < 1°
|Lenkwinkelgeschwindigkeit| < 20 [Grad/s]
Vorwärtsfahrt
Gangabhängige Geschwindigkeit:
1. Gang <10 km/h
2. Gang <30 km/h
3. Gang <50 km/h
4. Gang <100 km/h
5. Gang <150 km/h.

Wenn vorzugsweise alle diese Bedingungen über einen Zeitraum von ca. 70 ms stabil sind, wird derjenige Wert (Nennwert) festgelegt, auf den das Ausgangssignal bezogen (normiert) werden kann.

Das von dem Meßwertaufnehmer oder einer Signalaufbereitung zur Verfügung gestellte Ausgangssignal ist ein sinusförmiges Wechselspannungs- oder -stromsignal, dessen Nennwert bei jedem Spitzenwert der Halbwelle (Amplitude) bzw. bei jedem Wechsel der Pole oder Marken des Encoders bestimmt wird, wenn die Bedingungen des stationären Fahrverhaltens erfüllt sind. Dem Nennwert wird ein Wert zugeordnet, der den Nullpunkt (Offset) der auf das Rad und/oder den Reifen wirkenden Querkraft wiedergibt.

Die Bestimmung der Querkräfte erfolgt dann während dynamischer Zustände des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den Amplitudenänderungen nach der Beziehung

mit Amp = Ausgangssignal (Amplitude), Amp_Nennwert = normiertes Ausgangssignal (Nennwert), Amp_Nutzwert = Verhältnis der Amplitude zur normierten Nennamplitude. Zusätzlich können mittels Umkehrfunktion der Abhängigkeit der Amplitude von dem Luftspalt die Amplitudenänderungen auf Abstandsänderungen nach der Beziehung

zurückgeführt werden, mit Dis_Nutzwert = Abstandsänderungen und k = negative Konstante die aus der Sensorkennlinie gemäß Fig. 4 ermittelt wird.

Die Querkräfte können dann im Wesentlichen als Funktion der Abstandsänderungen ermittelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1a, 1b eine Regelschaltung zur Erfassung und Auswertung der Verformungen des Rades unter Quer- bzw. Seitenkräften,

Fig. 2 eine Kennline des Meßwertaufnehmers eines Reifensensors,

Fig. 3 die Kennlinie gemäß Fig. 2, Gleichspannungs- und Vorzeichen bereinigt.

Fig. 1a und 1b zeigen eine Regelschaltung 10, die mit zwei in radialem Abstand von der Rotationsachse 11 des Rades 12 am Chassis eines Kraftfahrzeugs angeordneten magnetfeldempfindlichen Meßwertaufnehmern 13, 14 verbunden ist. Die Regelschaltung kann Bestandteil der Meßwertaufnehmer oder eine separate Einheit bzw. Bestandteil von ABS (Antiblockierregelsystem), von ASR (Antriebsschlupfregelung), von ESP (Elektronisches Fahrstabilitätsregelungssystem), von EHB (Elektrohydraulisches Bremsregelungssystem), eines Fahrwerksregelungssystems und/oder eines EMB (Elektomechanisches Brems-)-Regelungssystems sein. Der Fahrzeugreifen 15 weist einen Encoder 17 mit permanentmagnetischen Arealen mit wechselnder Polarität N, S auf. Die permanentmagnetischen Areale N, S sind in der Reifenwandung 18 des Rades 12 eingelagert. Zwischen dem Encoder 17 und den Meßwertaufnehmern 13, 14 ist ein Abstand voreingestellt (ein Luftspalt 20). Die Meßwertaufnehmer 13, 14 erfassen bei einer Verformung des Rades (= Felge 16 mit dem Reifen 15) infolge der am Reifen angreifenden Längskräfte eine Änderung der Phasenlage 18 die zwischen den von den Meßwertaufnehmern 13, 14 abgegebenen Meßsignalen auftritt. Weiterhin erfasst mindestens der eine Meßwertaufnehmer 13 bei einer Verformung des Rades 12 infolge der am Reifen 15 angreifenden Querkräfte eine Änderung der Amplitude 19 des Meßsignales. Das Meßsignal wird durch einen sensorintegrierten elektronischen Schaltkreis verstärkt und in ein Ausgangssignal gewandelt. In einer Ermittlungseinheit 21 wird der von dem Luftspalt 20 abhängige Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers 13 unabhängig von der Voreinstellung einstellt. Hierzu wird das Ausgangssignal bei stationärem Fahrverhalten des Fahrzeugs auf einen Nennwert normiert und über Mittel 21 der Nennwert mit dem Querkraft-Nullpunkt korreliert. Danach besteht ein reproduzierbarer Zusammenhang zwischen der Veränderung des Amplitudensignals und der Veränderung der Querkraft.

Das sinusförmige Ausgangssignal, das durch die Wirkung des Encoders 17 am magnetfeldempfindlichen Meßwertaufnehmer 13 entsteht und dessen Spitzenwert mit dem Luftspalt 20 variiert, kann ein Wechselspannungssignal oder ein Wechselstromsignal sein. Das Wechselstromsignal kann in einer dem Meßwertaufnehmer 13 zugeordneten Signalaufbereitungseinrichtung in ein Wechselspannungssignal transformiert werden. Fig. 3 und 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luftspalt 20 und dem Amplitudensignal des Meßwertaufnehmers 13, und zwar in nicht linearer, nahezu exponentieller Form. In Fig. 2 ist die Spannung des Ausgangssignals (Sensor-Spannung) über dem Luftspalt 20 aufgetragen, während Fig. 3 das Ausgangssignal, Gleichspannungs- und Vorzeichen bereinigt, über dem Luftspalt aufgetragen ist.

Das Verfahren nach der Erfindung arbeitet wie folgt:
Nach dem Start des Kraftfahrzeugs wird das Fahrverhalten mit Signalen von konventionellen Sensoren, wie Querbeschleunigungs- und Längsbeschleunigungssensoren, Gierratensensoren, Lenkwinkelsensoren u. dgl., ermittelt, da die Adaptation des Amplitudensignals an den Luftspalt 20 nur bei stationären Bedingungen erfolgen soll. Um ein stationäres, längs- bzw. querkraftfreies Fahrverhalten festzustellen, sollen vorzugsweise folgende Bedingungen erfüllt sein:
|Querbeschleunigung| < 0,07 g
|Längsbeschleunigung| < 0,1 g
|Lenkwinkel| < 1°
|Lenkwinkelgeschwindigkeit| < 20 [Grad/s]
Vorwärtsfahrt
Gangabhängige Geschwindigkeit:
1. Gang <10 km/h
2. Gang <30 km/h
3. Gang <50 km/h
4. Gang <100 km/h
5. Gang <150 km/h.

Wenn diese Bedingungen erfüllt und ca. 70 ms stabil sind, liegt ein stationäres, längs- bzw. querkraftfreies Fahrverhalten vor. Das Amplitudensignal wird dann bei jedem Spitzenwert der Halbwelle bzw. bei jedem Wechsel der magnetischen Areale N, S bzw. Pole oder Marken des Encoders 17 auf einen Nennwert normiert. Dieser Nennwert wird mit einem Querkraft-Nullpunkt bzw. Kraft-Offset korreliert, der nahezu zeitgleich mit einem Kraftmeßelement, vorzugsweise einer Meßfelge, unter dem Einfluß der an dem Rad 12 auftretenden Kräfte einmal bestimmt wurde. Der Querkraftwert ist bei dem stationären Fahrverhalten idealerweise 0 N.

Ausgehend von dem mit dem Kraft-Offset korrelierten normierten Nennwert des Amplitudensignals werden die Querkräfte bei dynamischen Zuständen des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den Amplitudenänderungen Amp_Nutzwert nach der Beziehung

bestimmt, mit Amp = Ausgangssignal (Amplitude), Amp_Nennwert = normiertes Ausgangssignal (Nennwert), Amp_Nutzwert = Verhältnis der Amplitude zur normierten Nennamplitude. Zusätzlich können mittels Umkehrfunktion der Abhängigkeit der Amplitude von dem Luftspalt die Amplitudenänderungen auf Abstandsänderungen nach der Beziehung

zurückgeführt werden, mit Dis_Nutzwert = Abstandsänderungen und k = negative Konstante, die aus der Sensorkennlinie gemäß Fig. 4 ermittelt wird.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, die als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte den voreingestellten Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer heranziehen, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Luftspalt abhängige Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers oder einer Signalaufbereitungseinrichtung unabhängig von dessen Voreinstellung bei vorgegebenem Fahrverhalten eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal bei stationärem Fahrverhalten auf mindestens einen Nennwert normiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal ein sinusförmiges Wechselspannungs- oder -stromsignal ist und der Nennwert bei jedem Spitzenwert der Halbwelle (Amplitude) bzw. bei jedem Wechsel der Pole oder Marken des Encoders bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nennwert ein Wert zugeordnet wird, der den Nullpunkt (Offset) der auf das Rad oder den Reifen wirkenden Querkraft wiedergibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkräfte in Abhängigkeit von den Amplitudenänderungen nach der Beziehung
bestimmt werden, mit Amp = Ausgangssignal (Amplitude), Amp_Nennwert = normiertes Ausgangssignal (Nennwert), Amp_Nutzwert = Verhältnis der Amplitude zur normierten Nennamplitude.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenänderungen durch eine Umkehrfunktion auf Abstandsänderungen nach der Beziehung
zurückgeführt werden, mit Dis_Nutzwert = Abstandsänderungen und k = negative Konstante.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkräfte im Wesentlichen als Funktion der Abstandsänderungen ermittelt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nennwert bis zum Erfassen des vorgegebenen Fahrverhaltens festgehalten wird.

9. Regelschaltung zur Erfassung und Auswertung von fahrdynamischen Zuständen eines Kraftfahrzeugs mittels Radkraftsensoren, vorzugsweise mit Reifensensoren, die als Maß für die auf das Rad bzw. den Reifen wirkenden Querkräfte den voreingestellten Luftspalt zwischen mindestens einem rotierenden Encoder und mindestens einem Meßwertaufnehmer heranziehen, gekennzeichnet durch eine Ermittlungseinheit, die den von dem Luftspalt abhängigen Betriebspunkt des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers oder einer Signalaufbereitungseinrichtung unabhängig von dessen Voreinstellung bei vorgegebenem Fahrverhalten einstellt.

10. Regelschaltung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Normierung des Ausgangssignals bei stationärer Fahrzeugbewegung auf mindestens einen Nennwert.

11. Regelschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers oder der Signal-Auswerteeinrichtung ein sinusförmiges Wechselspannungs- oder -stromsignal ist und die Ermittlungseinheit den Nennwert bei jedem Spitzenwert der Halbwelle (Amplitude) bzw. bei jedem Wechsel der Pole oder Marken des Encoders bestimmt.

12. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die dem Nennwert einen Wert zuordnen, der den Nullpunkt (Offset) der Querkraft wiedergibt, und daß die Ermittlungseinheit die Querkräfte in Abhängigkeit von den Amplitudenänderungen nach der Beziehung
bestimmt, mit Amp = Ausgangssignal (Amplitude), Amp_Nennwert = normiertes Ausgangssignal (Nennwert), Amp_Nutzwert = Verhältnis der Amplitude zur normierten Nennamplitude.

13. Regelschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinheit die Amplitudenänderungen durch eine Umkehrfunktion auf Abstandsänderungen nach der Beziehung
zurückgeführt, mit Dis_Nutzwert = Abstandsänderungen und k = negative Konstante.