DE102004044788B4

DE102004044788B4 - Verfahren zur Reibwertbestimmung zwischen einem Reifen eines Fahrzeuges und einer Fahrbahn

Info

Publication number: DE102004044788B4
Application number: DE102004044788.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dreyer; Hans-Joachim Harting; Norbert Kendziorra; Thomas Engelke; Frank Heidenreich; Martin Kiefer; Aitor Cortabarria
Original assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Current assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: DE102004044788A1

Abstract

Verfahren zur Reibwertbestimmung zwischen einem Reifen eines Fahrzeuges und einer Fahrbahn, mit folgenden Schritten: – Messung der Radgeschwindigkeit (2) mittels eines ersten Messsystems bei dem mindestens eine Raddrehzahl und ein Radumfang eines Fahrzeugrades ausgewertet werden, – Messung einer Absolutgeschwindigkeit (1) des Fahrzeuges mit einem zweiten Messsystem, – Bestimmung des Schlupfes (S) aus der Radgeschwindigkeit (2) und der Absolutgeschwindigkeit (1) – Messung des auf das Fahrzeug einwirkenden Antriebs- oder Bremsmomentes (M) – Bestimmung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn mittels eines Algorithmus bei dem als Eingangsgrößen der Schlupf (S) und das Antriebs- oder Bremsmoment (M) berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reibwertbestimmung zwischen einem Reifen eines Fahrzeuges und einer Fahrbahn.
Bei herkömmlichen ABS-Systemen – auch bei üblichen ESP-Systemen – ist es erforderlich, einen Kraftschlußbeiwert zwischen Reifen und Fahrbahn abzuschätzen und diesen dann dem der weiteren Regelung des Bremsdrucks zu Grunde liegenden Algorithmus zunächst vorzugeben. Üblicherweise wird der zunächst angenommene Kraftschlußbeiwert bzw. der Radschlupf aus den Signalen der Raddrehzahlsensoren so ermittelt, das zum Beispiel eine Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit aus dem am schnellsten, nicht angetriebenen Rad unter Berücksichtigung von Lenkeinschlägen detektiert wird und der Schlupf eines Rades aus dem Verhältnis zwischen gemessener Raddrehzahl des jeweiligen Rades und der Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit errechnet wird. Hierbei wird innerhalb der Rechnung ein erster Kraftschlußbeiwert ermittelt bzw. abgeschätzt, der dann der weiteren Rechnung zu Grunde liegt. Dieser durch eine Rechnung abgeschätzte Kraftschlußbeiwert bzw. Schlupf stellt jedoch nur eine Näherung des tatsächlich und physikalisch vorhandenen augenblicklichen Kraftschlußbeiwertes dar und führt zu dem Nachteil, dass der Regeleingriff auf den Bremsdruck in den ersten Regelantworten teilweise zu heftig erfolgt und das Einschwingen der Regelung auf den tatsächlich bestmöglich angenäherten Schlupfwert erst nach mehreren stark überschwingenden Regelungszyklen erreicht wird.
Die DE 198 55 332 A1 schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Kraftschlusses eines Reifens eines Fahrzeuges, bei dem die Auswertung der Daten von Fahrdynamiksensoren mit einem Fahrdynamik-Simulationsmodell erfolgt und bei dem die Auswertung der Daten von Fahrbahnsensoren Reifenkennlinien berücksichtigt, die im Laufe der Betriebszeit an das aktuelle Reifenverhalten angepasst werden. Durch ein solches Verfahren werden also vorgebene Reifenkennfelder/Reifenkennlinien mit Hilfe aktueller Sensorsignale auf den vermuteten Istzustand ”gefittet” und in der dann angepassten Form der Ermittlung des Reibwertes bzw. des Kraftschlusses zugrunde gelegt. Es handelt sich hierbei also um eine modellbasierte Regelung, die lediglich anhand von erkannten Parameteränderungen ”nachgeführt” wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Reibwertbestimmung bereitzustellen, bei dem der Reibwert auf eine einfache Weise ermittelt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einem Verfahren zur Reibwertbestimmung zwischen einem Reifen eines Fahrzeuges und einer Fahrbahn, mit folgenden Schritten:

– Messung der Radgeschwindigkeit mittels eines ersten Messsystems bei dem mindestens eine Raddrehzahl und ein Radumfang eines Fahrzeugrades ausgewertet werden,
– Messung einer Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeuges mit einem zweiten Messsystem,
– Bestimmung des Schlupfes aus der Radgeschwindigkeit und der Absolutgeschwindigkeit
– Messung des auf das Fahrzeug einwirkenden Antriebs- oder Bremsmomentes
– Bestimmung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn mittels eines Algorithmus bei dem als Eingangsgrößen der Schlupf und das Antriebs- oder Bremsmoment berücksichtigt werden.

Ein Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass erfindungsgemäße Verfahren auf eine einfache Art und Weise einen Reibwert mit einer hohen Genauigkeit liefert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als weitere Eingangsgröße die durch die Fahrbahn verursachte Akustik mittels eines im Radhaus angebrachten Mikrophons berücksichtigt wird. Die Installation eines Mikrofons im Radhaus lässt sich auf einfache Weise realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Auswertung der Akustik und des Reibwertes eine Aquaplaninggefahr ermittelt wird. Insbesondere lässt sich über eine Auswertung der Akustik ein nasser Fahrbahnzustand detektieren.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Messsystem auf einem GPS-System basiert. Ein GPS-System lässt sich einfach in einem Fahrzeug installieren und liefert eine hohe Genauigkeit der Absolutgeschwindigkeit.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Algorithmus die Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche und die Haftgrenzen des Reifens berücksichtigt. Die Berücksichtigung dieser Eigenschaften ist wichtig, um eine möglichst hohe Genauigkeit des zu ermittelnden Reibwertes zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit einem Abriebbestimmungs-Algorithmus der Abriebzustand des Reifens ermittelt wird. Auf diese Weise kann der Fahrer des Fahrzeuges frühzeitig bei einem zu hohen Abriebzustand des Reifens gewarnt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abriebbestimmungs-Algorithmus den Reifendruck und die radbezogene Normalkraft berücksichtigt. Diese Eingangsgrößen sind wichtig, um eine hohe Genauigkeit des Abriebzustandes zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Steuergerät mit mindestens einer Schnittstelle die Ein- und Ausgangsdaten für die Algorithmen verarbeitet werden. Dabei kann es sich sowohl um ein separates Steuergerät handeln als auch um ein Steuergerät, welches bereits für die ABS-Regelung eingesetzt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit einem GPS-Navigationssystem der zu erwartende Fahrbahnverlauf analysiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kurvenradius des zu erwartenden Fahrbahnverlaufes ermittelt wird und bei einem zu niedrigen Reibwert ein Warnsignal ausgegeben wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem GPS-Navigationssystem die Randbedingungen bei einer Einfahrt in eine Straßenkreuzung analysiert werden und daraus der notwendige Bremspunkt ermittelt wird.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 Algorithmus zur Bestimmung des Reibbeiwertes μ
2 Algorithmus zur Bestimmung einer Aquaplaninggefahr
3 Algorithmus zur Bestimmung des Abriebzustandes
4 Warnalgorithmus bei der Einfahrt in eine Kurve
5 Warnalgorithmus bei der Einfahrt in eine Kreuzung.
Die 1 zeigt den Algorithmus zur Bestimmung des Reibbeiwertes μ. Zunächst wird die Absolutgeschwindigkeit bzw. Referenzgeschwindigkeit 1 mit einem GPS-System gemessen, die die Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeuges ist. Parallel hierzu wird die Radgeschwindigkeit 2 an einem Fahrzeugrad gemessen, die aus der Raddrehzahl und dem Radumfang ermittelt wird. Anschließend wird aus diesen beiden Geschwindigkeiten der Schlupf 3 ermittelt. Parallel zu diesem Vorgang wird das auf das Fahrzeug einwirkende Motormoment M bestimmt. Der Schlupf S und das Moment M fließen in das Funktionsdiagramm 3 ein, in dem der Reibwert bzw. Reibbeiwert μ über dem Schlupf S aufgetragen ist. Auf der Achse 4 ist die sogenannte Griffigkeit bezogen auf die Fahrbahnoberfläche aufgetragen. Der Reibwert μ berechnet sich aus dem Quotienten aus Längskraft zu Normalkraft, wobei die Normalkraft durch die Fahrzeugmasse und die Längskraft durch den Quotienten aus Motormoment M zu Radradius festgelegt ist. Aus diesem Funktionsdiagramm 3 kann schließlich der Reibbeiwert μ zwischen Reifen und Fahrbahn bestimmt werden.
Die 2 zeigt den Algorithmus zur Bestimmung einer Aquaplaninggefahr. Das in 1 dargestellte Verfahren ist mit einer Schalldruckmessung 5 erweitert worden. Diese Schalldruckmessung erfolgt mittels eines Mikrofons, welches im Radkasten sitzt und die Fahrbahngeräusche aufnimmt. Anschließend erfolgt mittels eines Klassifikators 6 eine Bestimmung, welcher Fahrbahnzustand vorliegt. Eine nasse Fahrbahn verursacht z. B. einen charakteristischen Verlauf des Schalldruckpegels, der mit dem Klassifikator erkannt wird. Diese Information wird an den Algorithmus zur Bestimmung des Reibbeiwertes weitergegeben, wodurch schließlich eine Aquaplaninggefahr 7 detektiert werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ebenfalls eine Bestimmung der Schlupfsteifigkeit S_St eines Fahrzeugreifens durchführen.
Die Schlupfsteifigkeit S_St ergibt sich aus zumindest zwei Schlupfwerten s₁, s₂ bei unterschiedlichen Antriebs- oder Bremsmomenten M₁ und M₂. S_St = (M₁ – M₂)/(s₁ – s₂) wobei s_i = Δv/v_abs; M₁ <> M₂
Dabei werden die Schlupfwerte S₁ und S₂ wie bei dem in 1 gezeigten Verfahren ermittelt.
Mit der Messung der Absolutgeschwindigkeit mittels eines GPS-Systems lässt sich ebenfalls der Abriebszustand eines Reifens auf eine einfache Weise ermitteln.
Der Reifenradius r_i läßt sich auf Basis der absoluten Geschwindigkeit v_ref und der Radwinkelgeschwindikeit v_{rad_i} mit genügender Genauigkeit bestimmen. Da sich der Abrollradius r_i mit Reifeninnendruck p_i, radbezogener Normalkraft F_i und Geschwindigkeit v_abs systematisch verändert, sind im Auswerteblock entsprechende Korrekturen K(v_ref, p_i, F_i) nötig. Aus der Differenz eines Referenzreifenradius r_{i_neu} und dem aktuelle Reifenradius r_i ergibt sich der Abriebzustand a_i. r_i = v_abs/(ω_i·2·π)·K(v_abs, p_i, F_i) a_i = r_ineu – r_i
Der prinzipielle Algorithmus zur Bestimmung der Schlupfsteifigkeit S_St und des Abriebszustandes a_i ist schematisch in 3 dargestellt.
Die 4 zeigt einen Warnalgorithmus bei der Einfahrt in eine Kurve. Das Fahrzeug 8 befindet sich vor der Einfahrt in eine Kurve 9.
Der zu erwartende Kurvenradius r wird aus dem Kartenmaterial eines GPS-Naviagationssystems 11 ermittelt und daraus der zu erwartende notwendige Reibwert für das sichere Durchfahren der Kurve 9.
Bei einer zu erwartenden Überschreitung des verfügbaren Reibbeiwerts wird der Fahrer gewarnt (Warnfunktion) oder die Geschwindigkeit v des Fahrzeuges vor Einfahrt in die Kurve durch Reduzierung des Motormomentes oder durch einen Bremseingriff reduziert. Der Erforderliche Reibwert wird aus der Gleichung 13 bestimmt.
Die 5 zeigt einen Warnalgorithmus bei der Einfahrt eines Fahrzeuges 8 in eine Kreuzung 10, die mit dem GPS-Navigationssystem 11 ermittelt wurde.
Der zu erwartende Bremsweg bzw. Bremspunkt 12 kann dem Fahrer für ein sicheres Stoppen des Fahrzeuges vor Einfahrt in die Kreuzung in Form einer Warnung übermittelt werden. Dabei wird der geschätzte Reibwert, die aktuelle Geschwindigkeit und gegebenenfalls eine (Komfort-)Verzögerungsschwelle berücksichtigt. Die Bremspunktberechnung erfolgt mit der Bremspunktgleichung 14.
Informationen zur Verkehrszeichen (Stopschild, rote Ampel) würden die Notwendigkeit einer Warnung spezifizieren und unnötige Warnungen des Fahrers vermeiden helfen.
Bezugszeichenliste

1: Absolutgeschwindigkeit v_abs/Referenzgeschwindigkeit v_ref
2: Radgeschwindigkeit
3: Funktionsdiagramm
4: Achse, auf der die Griffigkeit der Fahrbahn aufgetragen ist
5: Schalldruckmessung
6: Klassifikator
7: Aquaplaninggefahr
8: Fahrzeug
9: Kurve
10: Kreuzung
11: GPS-Navigationssystem
12: Bremspunkt
13: Reibwertgleichung
14: Bremspunktgleichung
M: Antriebs- oder Bremsmoment
S: Schlupf
r: Kurvenradius
v: Fahrzeug- bzw. Absolutgeschwindigkeit
g: Erdbeschleunigung
μ: Reibwert bzw. Reibbeiwert
S_St: Schlupfsteifigkeit

Claims

Verfahren zur Reibwertbestimmung zwischen einem Reifen eines Fahrzeuges und einer Fahrbahn, mit folgenden Schritten: – Messung der Radgeschwindigkeit (2) mittels eines ersten Messsystems bei dem mindestens eine Raddrehzahl und ein Radumfang eines Fahrzeugrades ausgewertet werden, – Messung einer Absolutgeschwindigkeit (1) des Fahrzeuges mit einem zweiten Messsystem, – Bestimmung des Schlupfes (S) aus der Radgeschwindigkeit (2) und der Absolutgeschwindigkeit (1) – Messung des auf das Fahrzeug einwirkenden Antriebs- oder Bremsmomentes (M) – Bestimmung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn mittels eines Algorithmus bei dem als Eingangsgrößen der Schlupf (S) und das Antriebs- oder Bremsmoment (M) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Eingangsgröße die durch die Fahrbahn verursachte Akustik mittels eines im Radhaus angebrachten Mikrophons berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswertung der Akustik und des Reibwertes eine Aquaplaninggefahr ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messsystem auf einem GPS-System basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus die Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche und die Haftgrenzen des Reifens berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Abriebbestimmungs-Algorithmus der Abriebzustand des Reifens ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abriebbestimmungs-Algorithmus den Reifendruck und die radbezogene Normalkraft berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Steuergerät mit mindestens einer Schnittstelle die Ein- und Ausgangsdaten für die Algorithmen verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem GPS-Navigationssystem (11) der zu erwartende Fahrbahnverlauf analysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenradius (r) des zu erwartenden Fahrbahnverlaufes ermittelt wird und bei einem zu niedrigen Reibwert ein Warnsignal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem GPS-Navigationssystem (11) die Randbedingungen bei einer Einfahrt in eine Straßenkreuzung (10) analysiert werden und daraus der notwendige Bremspunkt (12) ermittelt wird.