DE102004053880A1

DE102004053880A1 - Verfahren zur Bestimmung des maximalen Reibwertes zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahnoberfläche

Info

Publication number: DE102004053880A1
Application number: DE200410053880
Authority: DE
Inventors: Konrad BÖHM
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Reibwertes zwischen mindestens einem Fahrzeugreifen und einer Fahrbahnoberfläche, wobei der maximale Reibwert dadurch bestimmt wird, dass der momentane Schlupf S und der momentane Reibwert mu bestimmt werden und in einer Auftragung von mu über S eine Ursprungsgerade durch den so ermittelten Punkt mit einer zur Ordinaten parallelen Geraden geschnitten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Reibwertes μ zwischen einem Fahrzeugreifen und einer Fahrbahnoberfläche. Die Kenntnis des maximalen Reibwertes zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahnoberfläche ist insbesondere zur Konditionierung von Fahrerassistenzsystemen wie beispielsweise Antiblockiersystemen (ABS) oder elektronischer Stabilitätsprogramme (ESP) von erheblichem Nutzen. So ermöglicht es das Wissen über den maximalen Reibwert, die Steuerparameter eines der vorgenannten Systeme in der Weise anzupassen, dass das System seine maximalen Wirkungen entfalten kann.
In der Vergangenheit sind verschiedene Ansätze bekannt geworden, Parameter, die die Art des Kontaktes zwischen einem Fahrzeugreifen und einer Fahrbahnoberfläche charakterisieren, zu bestimmen.

So wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 101 556 721 A1 eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der zur kontinuierlichen Messung der übertragenen Kraft und des Reibwertes μ eine Vielzahl von an der äußeren Umfangfläche eines Reifens angeordnete Sensoren verwendet werden. Dabei werden die Messsignale über eine Antennenanordnung einer Auswerteeinheit zugeführt. Diese Vorgehensweise erweist sich jedoch als ausgesprochen anfällig und aufwändig, da es erforderlich ist, Sensoren in einer typischerweise stark beanspruchten Umgebung anzubringen und die gemessenen Signale drahtlos einer Auswerteeinheit zuzuführen.

Ein anderer Ansatz, der in der deutschen Patentanmeldung DE 103 04 966 A1 vorgestellt wird, geht davon aus, dass aus der bekannten Rotationsgeschwindigkeit eines Rades und der ebenfalls bekannten Geschwindigkeit des Fahrzeuges selbst der momentane Schlupf bestimmt werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht jedoch nicht die zuverlässige Bestimmung des maximalen Reibwertes, der für die Einstellung der Parameter von Fahrerassistenz und Sicherheitssystemen die oben geschilderte hohe Relevanz hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Verfahren anzugeben, das es gestattet, auf einfache und zuverlässige Weise den maximalen Reibwert zwischen einem Fahrzeugreifen und einer Fahrbahnoberfläche zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Der wesentliche Gedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der maximale Reibwert dadurch bestimmt wird, dass der momentane Schlupf und der momentane Reibwert aus Sensordaten bestimmt wird. Bei der Bestimmung des maximalen Reibwertes macht man sich dabei in vorteilhafter Weise die Tatsache zu Nutze, dass bis zum maximalen Reibwert zwischen dem Reibwert μ und dem Schlupf S ein bekannter funktionaler Zusammenhang besteht.

Der Zusammenhang zwischen Schlupf S und Reibwert μ ist insbesondere näherungsweise linear, wie in 1 dargestellt. Aus der Figur geht hervor, dass die Auftragung des momentanen Reibwertes μ gegen den Schlupf S eine Ursprungsgerade ergibt. Ferner ist bekannt, dass der maximale Reibwert bei einem Schlupf von ca. 0,15 bis 0,2 erreicht wird. Hieraus ergibt sich, dass es zur Bestimmung des maximalen Reibwertes ausreicht, einen einzigen momentanen Reibwert und den zugehörigen Schlupf zu bestimmen. Die Kenntnis des zugehörigen Punktes in der beschriebenen Auftragung ermöglicht es, eine Ursprungsgerade festzulegen. Schneidet man diese Ursprungsgerade mit einer Parallelen zur Ordinate, die die Abszisse im Bereich zwischen 0,15 und 0,2 schneidet, so ergibt sich der maximale Reibwert als Ordinate des Schnittpunktes der Ursprungsgerade mit der zur Ordinaten parallelen Gerade.

Abhängig von den äußeren Umständen sind auch nicht lineare funktionale Zusammenhänge zwischen dem Schlupf S und dem Reibwert μ denkbar.

Aus dem vorstehend Geschilderten wird unmittelbar klar, dass es zur Bestimmung der Ursprungsgerade notwendig ist, an einem Punkt den Schlupf S sowie den zugehörigen Reibwert μ zu bestimmen. Der Schlupf ist definiert als der Quotient der Differenz der Radgeschwindigkeit zur wahren Geschwindigkeit des Fahrzeuges über Grund und der wahren Geschwindigkeit, wie in der nachfolgenden Formel dargestellt. Dabei entspricht die Radgeschwindigkeit der Bahngeschwindigkeit eines beliebigen Punktes auf der Lauffläche des Reifens. Die wahre Geschwindigkeit über Grund ist die Geschwindigkeit des Fahrzeuges selbst gegenüber der Fahrbahnoberfläche.

Dabei lässt sich beispielsweise die wahre Geschwindigkeit des Fahrzeuges über Grund durch die Verwendung eines in GPS-Systems auf einfache Weise bestimmen. Derartige Systeme sind zwischenzeitlich in einer Vielzahl von serienmäßigen Kraftfahrzeugen insbesondere zur Realisation von Navigationsfunktionalitäten integriert. In ähnlich unkomplizierter Weise lässt sich die Bestimmung der Radgeschwindigkeit durch die Verwendung eines Drehzahlsensors, wie er für konventionelle Geschwindigkeitsmessungen verwendet wird, realisieren. Die Kenntnis beider Größen ermöglicht somit eine einfache Bestimmung des momentan auftretenden Schlupfes S.

Der momentane Reibwert lässt sich insbesondere aus der Kenntnis der momentanen Vortriebskraft ableiten.

Der Zusammenhang zwischen momentaner Vortriebskraft K und Reibwert μ lautet: K = m2g cosα μmit

m₂:: Masse auf Antriebsachse
g:: Erdbeschleunigung
α:: Steigungswinkel

Dabei kann die momentane Vortriebskraft beispielsweise aus einer Bestimmung des Drehmomentes im Antriebsstrang vorgenommen werden. Hier bietet es sich zum einen an, eine Messung mit entsprechenden Sensoren vorzunehmen oder aber die Vortriebskraft aus den aktuellen Parametern der Einspritzanlage und einer Look-Up-Tabelle abzuleiten. Dabei ist die Look-Up-Tabelle beispielsweise in einer Steuereinheit zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens integriert; sie enthält die Zuordnung der Parameter der Einspritzanlage zu den entsprechenden Werten für die Vortriebskraft.

Eine Alternative hierzu besteht darin, zur Bestimmung des momentanen Reibwertes den folgenden Zusammenhang zu verwenden:
Zu jedem Zeitpunkt der Fahrt besteht ein Kräftegleichgewicht zwischen der Vortriebskraft K auf der einen Seite und der Beschleunigung, der Hangabtriebskraft sowie dem Luft- und dem Rollwiderstand. Dieser Zusammenhang ist in der nachfolgenden Gleichung veranschaulicht. m2g cosα μ = m1α + m1g sinα + KLuft + KRoll

Die Kleinwinkelnäherung unter der Annahme α < 10° liefert cosα ≈ 1 und somit ergibt sich aus einfacher Umformung:

mit.

m₁:: Gesamtmasse des Fahrzeuges
m₂:: Masse auf Antriebsachse (kann beispielsweise unter Verwendung von Federbeinsensoren bestimmt werden)
g:: Erdbeschleunigung
α:: Steigungswinkel (aus Höhenänderung oder aus GPS-Daten in Verbindung mit einer digitalen Karte; auch die Verwendung eines Neigungssensors ist denkbar)
a:: Beschleunigung des Fahrzeuges (Bspw. aus GPS-Messung)
K_Luft:: Luftwiderstand (aus Berechnung über Geschwindigkeit und evtl. Lufttemperatur)
K_Roll:: Rollreibungskraft(aus empirisch bestimmten Werten bekannt)

Aus diesen bekannten Größen lässt sich beispielsweise in einem Mikrocomputer auf einfache Weise nach dem oben dargestellten Zusammenhang der momentane Reibwert μ bestimmen. Anschließend führt die beschriebene Auftragung des so ermittelten Reibwertes in der Darstellung des Reibwertes über dem Schlupf unmittelbar zur Bestimmung des maximalen Reibwertes in der gegebenen Situation. Durch ein ständiges Update des Reibwertes wird es möglich, die Assistenzsysteme eines Fahrzeuges wie beispielsweise ABS oder ESP ständig mit den optimalen Parametern für eine möglichst wirkungsvolle Arbeitsweise zu versorgen. Dies ist insbesondere im gewerblichen Güterverkehr bspw. mit Lastkraftwagen zur Sicherung der allgemeinen Verkehrssicherheit von erheblicher Bedeutung.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Reibwertes zwischen mindestens einem Fahrzeugreifen und einer Fahrbahnoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Reibwert dadurch bestimmt wird, dass der momentane Schlupf S und der momentane Reibwert μ bestimmt werden und in einer Auftragung von μ über S der Funktionswert einer Kurve durch den so ermittelten Punkt für einen bestimmten Wert für S bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, es sich bei der Kurve um eine Ursprungsgerade handelt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Wert für S im Bereich von 0,15-0,2 liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Schlupf S unter Verwendung eines GPS-Sensors und mindestens eines Raddrehzahlsensors bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert μ aus der Vortriebskraft K bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert aus dem Zusammenhang zwischen Vortriebskraft, Hangabtriebskraft, Trägheitskraft, Rollreibungskraft und Luftwiderstand bestimmt wird.