Die
vorliegende Erfindung findet bei sog. aktiven Lenksystemen zweispuriger
Kraftfahrzeuge Verwendung, bei denen ein von einer Vorgabe des Fahrers
unabhängiger
Lenkwinkel an lenkbaren Rädern
des Kraftfahrzeugs eingestellt werden kann. Insbesondere kann es
sich bei einem solchen aktiven Lenksystem um eine sog. Überlagerungslenkung handeln,
so wie dies auch in der oben erstgenannten Schrift erwähnt ist.
Bei derartigen aktiven Lenksystemen kann eine Stabilisierungsfunktion
implementiert sein, die bei ABS-Bremsungen (Antiblockiersystem-Bremsungen)
auf unterschiedlichen Reibwerten der rechten und linken Fahrzeugseite
eine Kompensation des hierdurch auftretenden Stör-Giermomentes durch gezielte
Lenkeingriffe vornimmt, nämlich die
sog. Giermomentenkompensation. Daneben oder hauptsächlich jedoch
erfolgt eine Stabilisierung eines mehrspurigen Kraftfahrzeugs über ein
sog. „aktives" Lenksystem anhand
eines Vergleichs einer tatsächlichen,
gemessenen Gierbewegungsgröße des Fahrzeugs
mit einer anhand der aktuellen Randbedingungen berechneten Soll-Gierbewegungsgröße.
Unerwünschte Gierbewegungen
eines zweispurigen Kraftfahrzeugs können nicht nur aus unterschiedlichen
durch ein Fzg.-Bremssystem eingeleiteten Bremskräften an den Rädern der
linken bzw. rechten Fahrzeugseite resultieren, sondern auch aus asymmetrischem
Antriebsschlupf, d.h. falls die beidseitigen Antriebsräder das üblicherweise über ein Differential
gleichmäßig verteilte
Antriebsmoment des Fzg.-Antriebsaggregats
aufgrund unterschiedlicher Bodenhaftung (resultierend aus unterschiedlichen
Reibwerten) in unterschiedliche Vortriebskräfte auf der linken bzw. rechten
Fahrzeugseite umsetzen. Tritt also während einer Beschleunigungsphase
des Fahrzeugs asymmetrischer Schlupf der Antriebsräder auf,
so entsteht ein Giermoment, das eine Gierbeschleunigung des Fahrzeugs
bewirkt.
Um
kritische Fahrzustände,
die aus einem solchen sog. Antriebs-Giermoment entstehen könnten, zu
verhindern, wird im bekannten Stand der Technik bei Erkennen von
Antriebs-Schlupf an den Antriebsrädern zunächst das vom Fzg.-Antriebsaggregat
abgegebene Antriebsmoment um ein gewisses Maß reduziert und bei dann weiterhin
vorliegendem Antriebsschlupf erfolgt ein radindividueller Bremseingriff.
Dies ist dem Fachmann unter dem Begriff der sog. Antriebs-Schlupfregelung („ASR"), die ebenfalls
in der eingangs zweitgenannten Schrift genannt ist, bekannt.
Bei
Aktivierung dieser bekannten Antriebs-Schlupfregelung, wobei also
das vom Antriebsaggregat abgegebene Antriebsmoment reduziert und
ggf. eine Bremskraft an die Antriebsräder angelegt wird, wird zwangsläufig die
erzielbare Fahrzeugbeschleunigung herabgesetzt. Somit ergibt sich
also der Zielkonflikt, dass einerseits eine hohe Fahrstabilität (verbunden
mit hohem Fahrkomfort) erreicht werden soll, dass aber andererseits
auch bei niedrigen Reibwerten zwischen Rad und Fahrbahn (bspw. im Winter
bei Schnee und Eis) eine möglichst
hohe Fahrzeug-Beschleunigung
möglich
sein soll. Mit der herkömmlichen
Antriebs-Schlupfregung ist lediglich ein Kompromiss zwischen diesen
beiden Zielen erreichbar.
Grundsätzlich könnte bei
Auftreten von asymmetrischem Antriebsschlupf anstelle einer Reduzierung
des Antriebsmoments und ggf. eines Bremseingriffs versucht werden,
das Fahrzeug über das
aktive Lenksystem zu stabilisieren, d.h. dadurch, dass unabhängig von
der Vorgabe des Fahrers ein Lenkwinkel oder Zusatz-Lenkwinkel eingestellt
wird, mit Hilfe dessen das aus dem asymmetrischem Antriebsschlupf
resultierende sog. Stör-Giermoment kompensiert
werden kann, jedoch ist es hierfür
erforderlich, die Größe und Richtung
des benötigen
Kompensa tions-Giermoments zu kennen. Während die Richtung, d.h. der
Drehsinn noch einfach aus einem Vergleich der Drehzahlen zwischen
dem (oder den) linksseitigen und dem (oder den) rechtsseitigen Antriebsrad
(bzw. Antriebsrädern)
bestimmt werden kann, ist für
die Ermittlung des Betrags des sog. Stör-Giermoments (bzw. des dementsprechenden Kompensations-Giermoments)
ein sinnvoller Ansatz erforderlich, den aufzuzeigen sich die vorliegende
Erfindung zur Aufgabe gestellt hat.
Die
Lösung
dieser Aufgabe ist für
ein Verfahren zur Durchführung
einer aufgrund unterschiedlicher, Rad-Drehzahlen auf der linken
und der rechten Seite eines zweispurigen Kraftfahrzeugs erforderlichen
Giermomentenkompensation mittels eines Lenksystems, das die Einstellung
eines fahrerunabhängigen
Lenkwinkels an lenkbaren Fahrzeugrädern ermöglicht, dadurch gekennzeichnet,
dass das durch geeignete Ansteuerung des Lenksystems zu kompensierende
Giermoment aus den an den durch das Fahrzeug-Antriebsaggregat beschleunigten
oder allgemein abgebremsten, sich jedoch drehenden Rädern anliegenden
Kräften
unter Berücksichtigung
des Trägheitsmomentes
sowie der Winkelbeschleunigung der betroffenen Fahrzeug-Räder ermittelt
wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Grundsätzlich kann
mit den Unterschieden der an den beidseitigen Rädern anliegenden Kräfte, insbesondere
Bremskräfte
und Antriebskräfte,
ein aus diesen asymmetrischen Kräften
resultierendes Stör-Giermoment
rechnerisch bestimmt werden. Bremskräfte sind dabei bekanntlich
relativ einfach ermittelbar, nämlich
entweder aus direkt sensierten Bremsdrücken oder aus anderen geeigneten
vorliegenden Messdaten, so im Falle einer hydraulischen Bremsanlage
aus den entsprechenden Ventilöffnungszeiten,
dem hydraulischen Vordruck und den entsprechenden geometrischen
Daten, so wie dies auch in der o.g.
DE 197 51 227 A1 erwähnt ist. Zunächst komplizierter
hingegen scheint sich die Ermittlung der Antriebskräfte bzw.
des Unterschieds der Antriebskräfte
zwischen dem linksseitigen und rechtsseitigen Antriebsrad (bzw.
den jeweiligen Antriebsrädern)
darzustellen, jedoch wurde erkannt, dass hierfür die Berücksichtigung der Trägheitsmomente
sowie der Winkelbeschleunigungen der jeweiligen Räder ausreichend
sind.
Zum
Nachweis dessen diene die folgende Ableitung, die auch zur ausreichend
genauen Berechnung eines bei signifikanten Drehzahlunterschieden
vorliegenden Stör-Giermomentes
herangezogen wird bzw. werden kann. Dabei ist in der folgenden Gleichung
(1) die Momentenbilanz um die Drehachse jedes angetriebenen Rades
dargestellt: 0 =
MRad, Antrieb – FFahrbahn·rRad – FBr·rBr – ΘRad·(d2ϕ/dt2 Rad) (1)mit
- MRad,
Antrieb
- = Antriebsmoment am
Rad
- FFahrbahn
- = Kraft, die von der
Fahrbahn auf das Rad übertragen
wird
- rRad
- = dynamischer Abrollradius
des Rades
- FBr
- = Kraft durch Betätigung der Rad-Bremse
- rBr
- = Radius, an dem die
Bremskraft am Rad angreift
- MRad
- = Trägheitsmoment
des Rades
- (d2ϕ/dt2 Rad)
- = Winkelbeschleunigung
des Rades
- „·"
- verdeutlicht eine
Multiplikation, „–" steht für eine Subtraktion
Tritt
im Falle asymmetrischer Kraftverteilung zwischen dem linken und
rechten Antriebsrad des Kraftfahrzeugs ein Giermoment auf, so lässt sich
dieses durch die Momentenbilanz um den Fahrzeug-Schwerpunkt bestimmen.
Die folgende Gleichung (2) gibt diese Momentenbilanz vereinfacht
für ein
Kraftfahrzeug mit Hinterradantrieb ohne Bremseingriff an den Fzg.-Vorderrädern an,
jedoch ist unabhängig
hiervon die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auch für zweispurige,
zweiachsige Kraftfahrzeuge mit Allrad-Antrieb und mit gleichzeitigen Bremseingriffen
sowohl an den Hinterrädern
als auch an den Vorderrädern
anwendbar: 0 = MGier – (FFahrbahn, rechts – FFahrbahn,
links)·s/2 (2)mit
- MGier
- = Giermoment (= sog. Stör-Giermoment)
- FFahrbahn,
rechts bzw. FFahrbahn, links
- = Kraft, die von der
Fahrbahn auf das rechte bzw. linke Rad wirkt
- s
- = Spurweite des Fahrzeugs
- „/"
- verdeutlicht eine
Division
Berücksichtigt
man nun, dass ein üblicherweise
in der Antriebsachse zwischen den angetriebenen Rädern vorgesehenes
Differential eine gleichmäßige Verteilung
des vom Fzg.-Antriebsaggregat bereitgestellten Antriebsmoments auf
die beiden Antriebsräder
vornimmt und setzt die dementsprechend modifizierten Gleichungen
(1) für
das linke bzw. rechte Antriebsrad in die Gleichung (2) ein, so entfällt der Term „MRad, Antrieb" und es ergibt sich die folgende Gleichung
(3) zur Ermittlung des Stör-Giermoments
bei asymmetrischem Antriebsschlupf für ein zweispuriges Kraftfahrzeug
mit Hinterrad-Antrieb: (3): MGier =
(s/(2·rRad))·(rBr·(FBr,li – FBr,re) + ΘRad·(d2ϕ/dt2 Rad,li – d2ϕ/dt2 Rad,re),(„+" steht dabei für eine Addition),
wobei
vorausgesetzt ist, dass die Größen „rRad", "rBr" und „ΘRad" für das linke
und rechte Rad gleich sind.
Wie
diese Gleichung (3) belegt, kann also in Kenntnis des Trägheitsmomentes
der betroffen Räder
des Fahrzeugs sowie in Kenntnis von deren einfach durch Messung
der Drehzahl ermittelbarer Winkelbeschleunigung und der – wie weiter
oben ausgeführt – ebenfalls
relativ einfach ermittelbaren Bremskräfte an diesen Rädern ein
aus asymmetrischem Antriebsschlupf resultierendes Stör-Giermoment
errechnet werden, welches dann – wie
weiterhin vorgeschlagen wird – durch
ein sog. aktives Lenksystem durch Einstellung eines entsprechenden
von der Vorgabe des Fahrers unabhängigen Lenkwinkels kompensiert
werden kann. Dann ist es nicht erforderlich, zur Stabilisierung
des Fahrzeugs das vom Fzg.-Antriebsaggregat abgegebene Antriebsmoment
zu reduzieren oder darüber
hinaus radindividuelle Bremseingriffe zu tätigen, wenngleich diese Maßnahmen unterstützend insbesondere
dann, wenn das sog. Stör-Giermoment
sehr hoch zu werden droht, weiterhin ergriffen werden können.
Klar
ersichtlich ist, dass die Bestimmungs-Gleichung (3) auch im Falle
eines „negativen" vom Fahrzeug-Antriebsaggregat
eingeleiteten Momentes Gültigkeit
hat, d.h. auch für
das sog. Motor-Schleppmoment, welches bekanntlich eine Abbremsung
des Fahrzeuges bewirkt. Somit ist auch bei aus einem Motor-Schleppmoment
resultierenden asymmetrischen Radschlupf eine Giermomentenkompensation
der beschriebenen Art möglich.
Im übrigen
kann von dieser Bestimmungs-Gleichung (3) auch ausgegangen werden,
wenn die angetriebenen Räder
lenkbar sind, jedoch muss dann zusätzlich der aktuelle Radlenkwinkel
berücksichtigt
werden. Hierzu kann bei der Berechnung des sog. Stör-Giermomentes
angenommen werden, dass der Krafteinbruch eines Rades infolge einer
verzögernden
Störkraft
(= Differenz der Radkräfte)
an dem entsprechenden Rad eingebracht wird. Das entsprechende Störgiermoment
wird dann mit einem virtuellen Hebelarm zum Schwerpunkt des Fahrzeugs
eingeleitet, wobei dieser Hebelarm vom Lenkwinkel abhängt und zur
Berechnung dieses Hebelarmes zu unterscheiden ist, ob der Krafteinbruch
am kurvenäußeren oder kurveninneren
Rad stattfindet.
Es
bezeichne
- h
- den genannten fiktiven
Hebelarm der Störkraft
- δ
- den Lenkwinkel am
jeweiligen Vorderrad
- a
- die Entfernung der
Vorderachse vom Fahrzeug-Schwerpunkt
- s
- (wieder) die Spurweite
des Fahrzeugs
- sin
- die Sinusfunkktion
und
- cos
- die Cosinusfunktion
Dann
ist der Hebelarm am kurvenäußeren Rad: hkurvenaussen = a·sin δ + (s/2)·cosδund
der Hebelarm am kurveninneren Rad: hkurveninnen =
(s/2)·cos δ – a·sin δ
Wie
ausgeführt
kann somit das zu kompensierende Giermoment mit ausreichender Genauigkeit sehr
einfach ermittelt werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass
durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.