DE102005062286A1

DE102005062286A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schätzung der Schwerpunktlage bei einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102005062286A1
Application number: DE200510062286
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Brauner; Dietmar Dipl.-Ing. Breitling (FH); Daniel Dipl.-Ing. Goldbach; Sven Dipl.-Ing. Karrie (FH); Hans RÖHM; Uwe Dipl.-Ing. Stenzel; Jacek Zaranek
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-24
Filing date: 2005-12-24
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schätzung der Schwerpunktlage bei einem Fahrzeug, mit einer Recheneinrichtung (11), die eine unter Längsbeschleunigungseinfluss (a¶x¶) auftretende Nickbewegung des Fahrzeugs und/oder eine unter Querbeschleunigungseinfluss DOLLAR I1 auftretende Wankbewegung des Fahrzeugs zur Schätzung der aktuellen Schwerpunktlage auswertet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schätzung der Schwerpunktlage bei einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Vor allem geländegängige Fahrzeuge weisen aufgrund ihrer Bauform eine im Vergleich zu gewöhnlichen Straßenfahrzeugen erhöhte Schwerpunktlage auf. Dies hat Auswirkungen auf das fahrdynamische Verhalten des Fahrzeugs. So nimmt der kippende Einfluss der Querbeschleunigung, die das Fahrzeug bei einer Kurvenfahrt, einem Ausweichmanöver oder dergleichen erfährt, mit der Höhe des Schwerpunkts zu.

Hohe Querbeschleunigungsbeträge können dazu führen, dass die kurveninneren Fahrzeugräder den Kontakt zur Fahrbahnoberfläche verlieren und das Fahrzeug nur schwer oder schlimmstenfalls überhaupt nicht mehr beherrschbar ist. Der Betrag der Querbeschleunigung, bei dem dies der Fall ist, definiert die jeweilige Umkippgrenze des Fahrzeugs. Die Umkippgrenze nimmt ihrerseits mit der Höhe des Schwerpunkts ab. Um einem möglichen Kippen des Fahrzeugs vorzubeugen, werden fahrzeugstabilisierende Systeme, wie beispielsweise das Elektronische Stabilitäts-Programm (ESP), eingesetzt.

Das Elektronische Stabilitäts-Programm misst den aktuellen Istwert der Gierrate und/oder der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und vergleicht diesen mit einem jeweils vorgegebe nen Schwellenwert, der sich aus der spezifischen Umkippgrenze des Fahrzeugs ergibt. Erreicht der aktuelle Istwert den vorgegebenen Schwellenwert, so werden fahrzeugstabilisierende Bremseingriffe an einzelnen Fahrzeugrädern vorgenommen.

Die Vorgabe des Schwellenwerts erfolgt derart, dass ein Umkippen des Fahrzeugs auch im Falle ungünstiger Beladungszustände, die zu einer Erhöhung des Schwerpunkts führen, zuverlässig vermieden wird. Die tatsächliche Höhe des Schwerpunkts kann jedoch bei geringer Beladung des Fahrzeugs erheblich abweichen. In einem solchen Falle wäre es gefahrlos möglich, den Schwellenwert dementsprechend höher anzusetzen. Dadurch ließen sich unnötige Bremseingriffe von Seiten des Elektronischen Stabilitäts-Programms vermeiden und die Agilität des Fahrzeugs verbessern.

Es wird als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, die bzw. das eine möglichst einfache und dennoch genaue Schätzung der aktuellen Schwerpunktlage des Fahrzeugs erlaubt.

Zu diesem Zweck werden die von Seiten eines Elektronischen Stabilitäts-Programms sowie eines aktiven Fahrwerks bereitgestellten Sensordaten ausgewertet. Da beide Systeme meist ohnehin im Fahrzeug vorhanden sind, ist es möglich, die Schätzung der Schwerpunktlage ohne wesentlichen Mehraufwand durchzuführen. Bei dem aktiven Fahrwerk handelt es sich insbesondere um eine Luftfederung.

Die Schätzung der Schwerpunktlage erfolgt vorzugsweise derart, dass zwischen mindestens zwei Beladungsvarianten (Schwerpunktklassen) unterschieden werden kann. Zum einen sind dies Beladungszustände, die zu einer geringen Schwerpunkthöhe („niedriger Schwerpunkt") führen, und zum anderen solche, bei denen dies nicht der Fall ist („erhöhter Schwerpunkt").

Ist das Fahrzeug nur mit dem Fahrer besetzt, so nimmt die Schwerpunkthöhe ihren minimal möglichen Wert h_min an. Ihren maximal möglichen Wert h_max weist die Schwerpunkthöhe hingegen auf, wenn das Fahrzeug voll beladen ist und dieses eine entsprechende Last auf dem Dach trägt. Die Schwerpunkthöhe vermag also um den Wert (h_max – h_min) zu variieren. Die Schwerpunkthöhe wird hierbei als gering angesehen, wenn diese betragsmäßig im Intervall

liegt.

Die geschätzte Schwerpunktlage bzw. -höhe dient insbesondere zur Abstimmung sicherheitsrelevanter Fahrzeugsysteme. Der Fall, dass fälschlicherweise von einer zu geringen Schwerpunkthöhe ausgegangen wird, ist deshalb auszuschließen.

Es ist daher von Vorteil, wenn eine Sicherheitstoleranz in Höhe der zweifachen Standardabweichung σ zwischen der jeweils geschätzten Schwerpunkthöhe und der unteren Intervallgrenze (h_max – h_min)/2 eingehalten wird. Ist dieses Kriterium erfüllt, so kann – unter Voraussetzung einer Gaußschen Normalverteilung – mit einer Wahrscheinlichkeit von 97,85 % davon ausgegangen werden, dass das Fahrzeug aktuell einen niedrigen Schwerpunkt aufweist.

Anteilsmäßig werden dann lediglich

der auftretenden Beladungszustände, bei denen das Fahrzeug einen niedrigen Schwerpunkt aufweist, auch als solche erkannt.

Die Standardabweichung σ kann nun aber nicht beliebig klein gewählt werden. Je kleiner diese ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fahrzustände auftreten, in denen sich die Schwerpunkthöhe überhaupt schätzen lässt. Im folgenden wird die Standardabweichung σ derart vorgegeben, dass zumindest 70 % der während des Fahrtbetriebs auftretenden Beladungszustände, die zu einem niedrigen Schwerpunkt führen, auch als solche erkannt werden.

Wird beispielsweise h_min = 69 cm, h_max = 80 cm gesetzt, so ergibt sich gemäß Gleichung (1.2) eine Standardabweichung von σ = 1,18 cm. Die prozentuale Abweichung bei der Schätzung der Schwerpunkthöhe darf dann bezogen auf den jeweiligen Wert (h_max – h_min) höchstens

betragen, um eine zuverlässige Aussage dahingehend treffen zu können, ob der aktuelle Schwerpunkt des Fahrzeugs niedrig ist oder nicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Diagramm, das eine beispielhafte Federkennlinie eines Luftfederbeins unter Einfluss einer Zuganschlagfeder wiedergibt,
3 ein Diagramm, das eine beispielhafte Federkennlinie eines Luftfederbeins unter Einfluss eines Puffers wiedergibt,
4 ein schematisch dargestellter Fahrzeugaufbau, der eine Wankbewegung unter Querbeschleunigungseinfluss ausführt,
5 ein Diagramm, das einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der Masse des Fahrzeugs und der Schwerpunkthöhe wiedergibt,
6 ein schematisch dargestellter Fahrzeugaufbau, der eine Nickbewegung unter Längsbeschleunigungseinfluss ausführt,
7 ein Diagramm, das eine zur Schätzung der Schwerpunkthöhe auszuwertende Geradenschar wiedergibt,
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schätzung der Schwerpunktlage eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung 10 umfasst neben einem Elektronischen Stabilitäts-Programm ferner ein aktives Fahrwerk. Bei der Schätzung der Schwerpunktlage werden Komponenten beider Systeme genutzt. Bei dem aktiven Fahrwerk handelt es sich beispielsgemäß um eine Luftfederung.
Der zur Schätzung der Schwerpunktlage verwendete Algorithmus wird von der Rechen- und Steuereinrichtung 11 des Elektronischen Stabilitäts-Programms ausgewertet. Hierbei werden die Messsignale eines Querbeschleunigungssensors 12 und/oder eines Gierratensensors 13 genutzt. Diesen liefern eine Aussage über die aktuelle Querbeschleunigung a_y bzw. Gierrate ψ . des Fahrzeugs. Der Querbeschleunigungssensor 12 und/oder der Gierratensensor 13 ist ebenfalls Bestandteil des Elektronischen Stabilitäts-Programms.
Die Luftfederung liefert Informationen über die an den Fahrzeugrädern 14_ij auftretenden Federkräfte. Diese werden aus den Messsignalen zugehöriger Drucksensoren 15_ij und/oder Fe derwegsensoren 16_ij ermittelt. Die Messsignale werden ebenfalls der Rechen- und Steuereinrichtung 11 zugeführt. Die Drucksensoren 15_ij und/oder die Federwegsensoren 16_ij sind hierbei Luftfederbeinen 20_ij zugeordnet, die sich zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Fahrzeugrädern 14_ij befinden.
Bezüglich der Indizierung ij wird die folgende Vereinbarung getroffen:
Das Elektronische Stabilitäts-Programm dient der Erhöhung der Fahrsicherheit von Fahrzeugen, indem durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen Fahrzeugrädern 14_ij ein gegebenenfalls bevorstehendes Schleudern bzw. Kippen des Fahrzeugs verhindert wird. Hierzu vergleicht das Elektronische Stabilitäts-Programm permanent den fahrerseitig vorgegebenen Soll-Fahrzustand mit dem tatsächlichen Ist-Fahrzustand des Fahrzeugs. Lenkradwinkelsensor, Vordrucksensor im Bremssystem und das Motormanagementsystem liefern Informationen über den Einschlag des Lenkrads sowie über die Position des Brems- und/oder Fahrpedals. Aus diesen Informationen und aus der geschätzten Fahrzeuggeschwindigkeit wird der Soll-Fahrzustand des Fahrzeugs ermittelt. Zur Erfassung des Ist-Fahrzustands werden Informationen des Motormanagementsystems, der Raddrehzahlen sowie des Querbeschleunigungssensor 12 und/oder des Gierratensensors 13 herangezogen. Weicht der Ist-Fahrzustand in unzulässiger Weise vom vorgegebenen Soll-Fahrzustand ab, so nimmt das Elektronische Stabilitäts-Programm fahrzeugstabilisierende Bremseingriffe an einzelnen Fahrzeugrädern 14_ij durch Ansteuerung zugehöriger Radbremsen 21_ij vor.
Der Fahrkomfort eines Fahrzeugs ist im wesentlichen durch das fahrtbedingte Auftreten vertikaler Beschleunigungen bestimmt.
Insbesondere Beschleunigungen im Frequenzbereich zwischen 4 und 8 Hertz haben merklichen Einfluss auf das Wohlbefinden der Fahrzeuginsassen. Die Eigenfrequenzen von Fahrzeugaufbau und Fahrzeugrädern 14_ij sollten deshalb außerhalb dieses Frequenzbereichs liegen. Durch geeignete Abstimmung des Fahrwerks lässt sich erreichen, dass die Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus weniger als ein Hertz beträgt. Hierzu ist eine verhältnismäßig weiche Federcharakteristik (geringe Federsteifigkeit) erforderlich, wie sie insbesondere Luftfedern zu eigen ist.
Die Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus hängt typischerweise von der Masse des Fahrzeugs, mithin also von der jeweiligen Beladung ab. Ferner ist die Federsteifigkeit der verwendeten Luftfedern zu berücksichtigen. Die Federsteifigkeit einer Luftfeder hängt wiederum – wie im folgenden gezeigt wird – von der Beladung ab. Bei geeigneter Auslegung der Luftfedern können beide Effekte – Beladungsabhängigkeit der Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus sowie der Federsteifigkeit der Luftfedern – derart miteinander verknüpft werden, dass ein nahezu beladungsunabhängiges Eigenfrequenzverhalten erzielt wird.
Das federnde Element der Luftfeder wird durch die in einem Gummibalg eingeschlossene Luft gebildet. Die im Gummibalg befindliche Luftmenge kann zum Zwecke der Regulierung des Fahrzeugaufbauniveaus mit einem Ein- und Auslassventil beeinflusst werden.
Weitere Bestandteile des Luftfederbeins 20_ij sind eine Zuganschlagfeder und ein Puffer. Sie dienen als Zusatzfedern, die die Federsteifigkeit des Luftfederbeins 20_ij bei großen Auslenkungen erhöhen, um mögliche Beschädigungen – insbesondere ein „Durchschlagen" – zu vermeiden.
Im Luftfederbein 20_ij sind somit insgesamt drei Federn parallel geschaltet. Die Federkraft der Zuganschlagfeder bzw. des Puffers ergibt sich aus den zugehörigen Federkennlinien, die den Zusammenhang zwischen Federweg und Federkraft wiedergeben. Die Federkennlinien sind aus den jeweiligen Konstruktionsdaten des Puffers bzw. der Zuganschlagfeder bekannt.
Die Federkennlinie der dritten Feder – der eigentlichen Luftfeder – hängt von der Luftmenge im Gummibalg ab und ändert sich damit in Abhängigkeit einer Betätigung des Ein- und Auslassventils. Nachfolgend soll ein Ausdruck für die Federkennlinie der Luftfeder und ihre Abhängigkeit von der Luftmenge hergeleitet werden. Ausgangspunkt dieser Herleitung ist die sogenannte Polytropengleichung, pij·Vnij = const. (2.1)
In Gleichung (2.1) bezeichnet n den Polytropenexponenten, der den Charakter der Zustandsänderung beschreibt. Wird die Zustandsänderung isotrop vollzogen, so gilt n = 1, bei adiabatischen Zustandsänderungen ist hingegen n ≈ 1,4. Ferner bezeichnet V_ij das aktuelle Innenvolumen des Gummibalgs und p_ij den zugehörigen Innendruck, reduziert um den Atmosphärendruck.
Der Innendruck p_ij übt auf den Kolben der Luftfeder eine Kraft F_ij aus, Fij = Pij·Aij, (2.2)wobei A_ij die druckwirksame Querschnittsfläche des Kolbens ist. Wird Gleichung (2.1) nach p_ij aufgelöst und in Gleichung (2.2) eingesetzt, so ergibt sich
Die Abhängigkeit der Querschnittsfläche A_ij und des Innenvolumens V_ij vom Federweg s_ij ist aus den konstruktiven Daten der Luftfeder bekannt.
Für das folgende sei n = 1 angenommen. Wie bereits erwähnt, gilt dieser Wert nur für den Fall isotroper Zustandsänderungen. Isotrope Zustandsänderungen liegen dann vor, wenn der Übergang zwischen den verschiedenen Ein- bzw. Ausfederungszuständen der Luftfeder langsamer erfolgt als der Wärmeaustausch mit der Umgebung. Die Bestimmung der Federkraft F_F,ij ist damit nur in Fahrzuständen möglich, in denen die Ein- bzw. Ausfederungsgeschwindigkeit hinreichend klein ist. Während dieser Fahrzustände kann auch die Proportionalitätskonstante in Gleichung (2.3) ermittelt werden, indem Innendruck p_ij und Innenvolumen V_ij des Gummibalgs gemessen werden. Bezogen auf einen bestimmten Messzeitpunkt t^* ergibt sich für diese ein Wert von p * / ijV * / ij, wobei dieser solange Gültigkeit behält, wie die Luftmenge im Gummibalg unverändert bleibt. Damit folgt für die Federkraft F_ij in Abhängigkeit des Federwegs s_ij
Ausgehend von Gleichung (2.4) kann auch das Verhalten der Luftfeder bei beladungsbedingter Veränderung der Masse des Fahrzeugs bestimmt werden. Hierfür wird die Federsteifigkeit
betrachtet. Mit steigender Masse des Fahrzeugs muss die Luftfeder eine dementsprechend höhere Last tragen. Die Luftfederung ist derart konzipiert, dass unabhängig von der Beladung stets das gleiche Fahrzeugniveau aufrechterhalten bleibt. Die Größen A_ij und V_ij werden in diesem Fall konstant gehalten, sodass gemäß Gleichung (2.4) die Federkraft F_ij ausschließ lich durch Änderung des Produkts p * / ijV * / ij an die aktuelle Beladung des Fahrzeugs angepasst werden kann. Das Produkt p * / ijV * / ij muss folglich um den selben Faktor erhöht werden wie die von der Luftfeder zu tragende Last. Dies wirkt sich wiederum auf die Federsteifigkeit c_ij der Luftfeder aus. Da sich die Federsteifigkeit c_ij gemäß Gleichung (2.5) proportional zum Produkt p * / ijV * / ij verhält, nimmt auch diese um den gleichen Faktor zu. Insgesamt ist die Änderung der Federsteifigkeit c_ij somit proportional zur Änderung der von der Luftfeder zu tragenden Last.
Wie sich den 2 und 3 entnehmen lässt, weist der Federweg s_ij Bereiche auf, in denen die gesamte Federkraft F_ij ausschließlich von der Luftfeder aufgebracht wird, d.h. weder die Zuganschlagfeder noch der Puffer liefern hier einen Beitrag. Beispielsgemäß ist dies der Bereich zwischen 0 und 22 mm. Hier verhält sich die Federsteifigkeit c_ij des Luftfederbeins im wesentlich proportional zur zu tragenden Last.
Um die Federkraft F_F,ij berechnen zu können, muss also der aktuelle Federweg s_ij, der Innendruck p_ij bzw. das Innenvolumen V_ij während eines stationären Fahrzustands zum Messzeitpunkt t^*, das Innenvolumen V_ij als Funktion des Federwegs s_ij, die Querschnittsfläche A_ij des Kolbens der Luftfeder als Funktion des Federwegs s_ij, sowie die Federkennlinie der Zuganschlagfeder und des Puffers bekannt sein.
Für die eigentliche Schätzung der Schwerpunkthöhe werden unter anderem Zusammenhänge herangezogen, die auf einer Analyse fahrtbedingter Bewegungen des Fahrzeugaufbaus unter Querbeschleunigungseinfluss (a_y, ψ . ≠ 0) und bei unbeschleunigter Fahrt (a_y, ψ . ≈ 0) beruhen.
Nachfolgend werden diese Zusammenhänge erläutert und aus ihnen Gleichungen hergeleitet, die bei der Aufstellung von Algorithmen zur Schwerpunktschätzung verwendet werden. Ziel ist es, Aussagen über die Schwerpunkthöhe auf verschiedenen, von einander unabhängigen Wegen zu treffen. Anhand des Übereinstimmungsgrads der so erzielten Ergebnisse können Aussagen über die Güte der geschätzten Schwerpunkthöhe getroffen werden. Hierzu werden Methoden der Fuzzy-Logik herangezogen.
4 zeigt in schematischer Darstellung einen Fahrzeugaufbau unter Querbeschleunigungseinfluss.
Die Querbeschleunigung a_y greift im Schwerpunkt SP des Fahrzeugs an und führt zu einer Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus um die Wankachse WA, wobei an den Luftfederbeinen 20_ij Federkräfte F_ij hervorgerufen werden, die der Wankbewegung entgegenwirken. Ist das von den Federkräften F_F,ij erzeugte Gegenmoment gleich dem Moment, das von der Querbeschleunigung a_y herrührt, so stellt sich eine Momentenbilanz der Gestalt
ein, in der m die Masse des Fahrzeugs, h den vertikalen Abstand zwischen der Wankachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs, M₀ ein stationäres Drehmoment um die Wankachse und b die Spurbreite des Fahrzeugs bezeichnet.
Obige Gleichung (2.6) wird verwendet, um das Produkt mh zu schätzen. Dieses Produkt reagiert besonders sensibel auf Veränderungen der Schwerpunkthöhe. Einerseits ist der Abstand h zwischen der Wankachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs in etwa zweimal kleiner als die Höhe des Schwerpunkts gegenüber der Fahrbahnoberfläche, andererseits sind die relativen Änderungen von h aber mit denen der Schwerpunkthöhe vergleichbar. Die relativen Änderungen von h sind damit rund doppelt so hoch wie die der Schwerpunkthöhe. Ferner korreliert die Schwerpunkthöhe mit der Masse m des Fahrzeugs.
In 5 ist beispielhaft ein empirisch ermittelter Zusammenhang zwischen der Schwerpunkthöhe h_sp und der Masse m des Fahrzeugs für verschiedene Beladungsvarianten dargestellt.
Wie zu erkennen ist, nimmt die Schwerpunkthöhe h_sp mit steigender Masse m des Fahrzeugs tendenziell zu. Der Zusammenhang zwischen der Schwerpunkthöhe h_sp und dem Produkt mh gehorcht in etwa einem Zusammenhang der Gestalt mh∝2·h 2 / sp.
Im folgenden sollen Gleichungen hergeleitet werden, mit denen sich sowohl die Masse m des Fahrzeugs als auch der Abstand h zwischen dem Schwerpunkt und der Wankachse des Fahrzeugs unabhängig voneinander schätzen lassen. Hierzu ist es erforderlich, die Federkraft F_ij in ihre Komponenten zu zerlegen. Wie in 4 bereits angedeutet ist, setzt sich die Federkraft F_ij aus einer dynamischen Komponente F_dyn,ij und einer stationären Komponente F_stat,ij zusammen, Fij = Fstat,ij + Fdyn,ij. (2.7)
Die stationäre Komponente F_stat,ij gibt die während einer im wesentlichen unbeschleunigten Fahrt (a_y,
≈ 0) auftretende Federkraft wieder. Aus ihr können Informationen über die Masse m des Fahrzeugs, m = Fstat,vl + Fstat,vr + Fstat,hl + Fstat,hr + muf, (2.8)und das stationäre Drehmoment M₀ um die Wankachse,
gewonnen werden, wobei m_uf die ungefederte Masse des Fahrzeugs darstellt. Letztere setzt sich aus der bekannten Masse der Fahrzeugräder sowie Teilen der Radaufhängung zusammen.
Mit der für die Größe M₀ geltenden Gleichung (2.9) nimmt Gleichung (2.6) die Form
an. Gleichung (2.10) stellt eine Alternative zu Gleichung (2.6) dar und erlaubt gleichfalls eine Schätzung des Produkts mh. Ausgehend von Gleichung (2.8) ist ferner eine unmittelbare Schätzung der Masse m des Fahrzeugs möglich.
Um einen Ausdruck zur Ermittlung des Abstand h zu erhalten, muss auf die vorausgehend beschriebenen Eigenschaften der Luftfeder zurückgegriffen werden. In einem bestimmten Federwegbereich – nämlich dort, wo die Zuganschlagfeder und der Puffer keine Beiträge liefern – ist die Federsteifigkeit c_ij der Luftfeder proportional zur vom Luftfederbein abgestützten Kraft F_ij. Unter der Voraussetzung, dass sich bei einer Zu- oder Abnahme der Masse m des Fahrzeugs die Federkräfte F_ij an allen vier Fahrzeugrädern in gleicher Weise ändern, gilt in dem besagten Federwegbereich ein Zusammenhang der Gestalt
wobei F N / dyn,ij die sich für den Fall einer Masse m^N des Fahrzeugs am Fahrzeugrad 14_ij ergebende dynamische Federkraft bezeichnet.
Im Falle des für Gleichung (2.12) geltenden Federwegbereich kann die Federsteifigkeit c_ij als konstant angesehen werden. Die Federkraft F_ij lässt sich dann auf Grundlage einer rechnerisch einfach auszuführenden Multiplikation des Federwegs s_ij mit der Federsteifigkeit c_ij berechnen, Fij = cij(sstat,ij + sdyn,ij), (2.13) wobei sich der Federweg s_ij aus einer stationären Komponente s_stat,ij und einer dynamischen Komponente s_dyn,ij zusammensetzt. Die stationäre Komponente s_stat,ij entspricht demjenigen Federweg s_ij, wie er im Falle einer im wesentlichen unbeschleunigten Fahrt (a_y, ψ . ≈ 0) auftritt, wohingegen die dynamische Komponente s_dyn,ij den sich unter Querbeschleunigungseinfluss (a_y, ψ . ≠ 0) einstellenden Federweg s_ij angibt. Mit Gleichung (2.13) lässt sich Gleichung (2.12) umschreiben in
Wird vereinfachend angenommen, dass c_vr = c_vl = c_v sowie ferner c_vl = c_hl = c_h gilt, so ergibt sich aus Gleichung (2.14)
Gleichung (2.15) ermöglicht es, den Abstand h unmittelbar durch Erfassung der beiden Federwegdifferenzen (s_dyn,vr – s_dyn,vl) und (s_dyn,hr – s_dyn,hl) zu bestimmen.
Aus den Gleichungen (2.6), (2.8), (2.10) und (2.12) bzw. (2.15) lässt sich der Abstand h zwischen Schwerpunkt und Wankachse des Fahrzeugaufbaus, die Masse m des Fahrzeugs sowie das Produkt mh herleiten. Die berechneten Größen sind jedoch naturgemäß mit Fehlern behaftet. Einerseits geben die Gleichungen nicht alle denkbaren Effekte wieder, andererseits sind die zur Berechnung der Gleichungen herangezogenen Messsignale nicht frei von Störungen.
Um mögliche Fehler zu minimieren, ist es daher von Vorteil, wenn die Auswertung der Gleichungen ausschließlich in solchen Fahrzuständen erfolgt, in denen die nicht modellierten Effekte weitgehend ohne Einfluss bleiben.
Aufgrund von Vereinfachungen, die bei der Herleitung der Gleichungen (2.6), (2.8), (2.10) und (2.12) bzw. (2.15) getroffen worden sind, gelten diese Formeln nicht in allen Fahrzuständen.
Bei der Aufstellung der Gleichung (2.10) wird das von den dynamischen Federkräften F_dyn,ij erzeugte Gegenmoment mit dem von der Querbeschleunigung a_y hervorgerufenen Moment gleichgesetzt. Gleichung (2.10) gilt nur dann exakt, wenn dieses Moment ausschließlich zum Aufbau von Federkräften führt. Bei nichtstationären Zuständen werden nun aber außer den Federkräften noch Dämpferkräfte aufgebaut. Gleichzeitig erfährt der Fahrzeugaufbau eine durch die Wankbewegung verursachte Wankbeschleunigung. Wie präzise Gleichung (2.10) erfüllt ist, kann abgeschätzt werden, indem die dynamischen Federkräfte F_dyn,ij mit der Dämpferkraft und der zur Wankbeschleunigung führenden Kraft verglichen werden.
Im Sinne von Gleichung (1.3) kann Gleichung (2.10) als ausreichend genug angesehen werden, wenn die beiden Kräfte einzeln nicht größer als 10 % der dynamischen Federkraft F_dyn,ij sind.
Unter Verwendung der Gleichungen (2.6), (2.8), (2.10) und (2.12) bzw. (2.15) lassen sich die Größen m, h und mh jeweils nun auf unterschiedliche Weise berechnen.
Das Produkt mh kann hierbei auf zweierlei Weise berechnet werden. Zum einen durch Verwendung von Gleichung (2.6),
und zum anderen von Gleichung (2.10),
Gleichung (2.10) ermöglicht eine Schätzung der Schwerpunkthöhe auch dann, wenn lediglich ein einzelnes Wertepaar für a_y und (F_dyn,vr – F_dyn,vl + F_dyn,hr – F_dyn,hl) vorliegt. So definiert Gleichung (2.10) eine durch den Koordinatenursprung verlaufende Gerade, deren Steigung unmittelbar das Produkt mh liefert. Um Gleichung (2.10) auswerten zu können, müssen jedoch die dynamischen Federkräfte F_dyn,ij bekannt sein. Eine Bestimmung des Produkts mh auf Grundlage von Gleichung (2.10) kann daher nicht unmittelbar zu Fahrtbeginn erfolgen. Hier findet stattdessen Gleichung (2.6) Verwendung.
Die stationären Federwege s_stat,ij, aus denen wiederum die stationären Federkräfte F_stat,ij berechnet werden, können ihrerseits auf zweierlei unterschiedliche Weise bestimmt werden.
Einerseits lassen sich die stationären Federwege s_stat,ij unmittelbar aus den bei unbeschleunigter Fahrt (a_y, ψ . ≈ 0) auftretenden Federwegen s_ij ermitteln. Andererseits besteht die Möglichkeit, dass das zum Ein- und Ausfedern zu überwindende Losbrechmoment des Luftfederbeins 20_ij dazu führt, dass eine exakte Bestimmung der stationären Federwege s_stat,ij auf unmittelbarem Wege nicht möglich ist. Der Einfluss des Losbrechmoments lässt sich reduzieren, indem das Fahrzeug während der Fahrt zu Wankbewegungen angeregt und die dabei auftretenden Federwege s_ij sowie die zugehörigen Querbeschleunigungen a_y ermittelt werden. Die so erhaltenen Wertepaare werden mittels einer Geradengleichung approximiert, wobei der Wert der Geradengleichung für a_y = 0 dann die gesuchten stationären Federwege s_stat,ij wiedergibt. Die Genauigkeit dieser Methode hängt von dem gewählten Querbeschleunigungsbereich ab, in dem die Approximation vorgenommen wird.
Somit stehen zwei Möglichkeiten zur Bestimmung der statischen Federwege s_stat,ij Zur Verfügung – zum einen durch unmittelbare Erfassung der sich bei unbeschleunigtem Fahrzeug (a_y,
≈ 0) ergebenden Federwege s_ij und zum anderen durch approximative Auswertung der unter Querbeschleunigungseinfluss (a_y,
≠ 0) während des Fahrtverlaufs auftretenden Federwege s_ij.
Insgesamt werden die Größen m und h jeweils auf zwei unterschiedlichen Wegen – entsprechend den beiden möglichen Vorgehensweisen bei der Bestimmung der stationären Federwege s_stat,ij – unter Verwendung der Gleichungen (2.8) und (2.12) berechnet. Daneben wird das Produkt mh auf drei unterschiedlichen Wegen – zum einen ausgehend von Gleichung (2.6) und zum anderen ausgehend von Gleichung (2.10) – berechnet, wobei ebenfalls die beiden möglichen Vorgehensweisen bei der Bestimmung der stationären Federwege s_stat,ij herangezogen werden.
Zusätzlich oder alternativ erfolgt eine Schätzung der Schwerpunkthöhe durch Auswertung einer in Bezug auf eine Nickbewegung des Fahrzeugaufbaus geltenden Momentenbilanz
wobei N_v bzw. N_h eine an der Vorder- bzw. Hinterachse des Fahrzeugs wirkende Normalkraft, g die Gravitationsbeschleunigung, l_x den Radstand in Fahrzeuglängsrichtung, x den horizontalen Abstand zwischen Schwerpunkt und Nickachse des Fahrzeugs, h_sp die Schwerpunkthöhe und a_x die zum Auftreten der Nickbewegung führende Längsbeschleunigung des Fahrzeugs bezeichnet.
Der durch Gleichung (3.1) wiedergegebene Sachverhalt ist in 6 veranschaulicht.
Die Längsbeschleunigung a_x wird hierbei aus den Messsignalen eines Längsbeschleunigungssensors 22 abgeleitet, der gleichfalls Bestandteil des Elektronischen Stabilitätsprogramms ist.
Gleichung (3.1) ermöglicht eine Schätzung der Schwerpunkthöhe in solchen Fahrzuständen, in denen der Fahrzeugaufbau aufgrund fahrtbedingt auftretender Längsbeschleunigungseinflusses zu einer Nickbewegung angeregt wird. Hierzu gehören insbesondere Anfahr- bzw. Abbremsvorgänge. Durch Umformung von Gleichung (3.1) ergibt sich
wobei ΔN_N die Differenz der Normalkräfte zwischen der Vorderachse und der Hinterachse des Fahrzeugs wiedergibt. Durch Einführung eines für die Vorderachse des Fahrzeugs geltenden Zusammenhangs der Gestalt (F_vr = F_vl = F_v) Nv = Fv + kvm·ax·tan(εv), (3.3)bzw. eines für die Hinterachse des Fahrzeugs geltenden Zusammenhangs der Gestalt (F_hr = F_hl = F_h) Nh = Fh + khm·ax·tan(εh), (3.4)lässt sich in Gleichung (3.1) die zum Auftreten der Nickbewegung des Fahrzeugaufbaus führende Anfahr- bzw. Abbremsdynamik des Fahrzeugs berücksichtigen,
wobei k_v die Antriebs- bzw. Bremsmomentenverteilung an der Vorderachse, k_h die Antriebs- bzw. Bremsmomentenverteilung an der Hinterachse, tan(ε_v) den Anfahr- bzw. Bremsstützwinkel an der Vorderachse und tan(ε_v) den Anfahr- bzw. Bremsstützwinkel an der Hinterachse des Fahrzeugs bezeichnet. m^* stellt hierbei eine fiktive, von der jeweiligen Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs abhängige Masse dar.
7 zeigt beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Federkraftdifferenz ΔF und der Längsbeschleunigung a_x des Fahrzeugs für unterschiedliche Beladungen des Fahrzeugs. Hierbei repräsentiert die punktierte Linie ein unbeladenes Fahrzeug, die durchgezogene Linie das Vorhandensein einer Ladung im Gepäckraum des Fahrzeugs und die strichpunktierte Linie das Vorhandensein einer Ladung sowohl im Gepäckraum als auch auf dem Dach des Fahrzeugs.
Die in 7 dargestellte Geradenschar ist in der Rechen- und Steuereinrichtung 11 des Elektronischen Stabilitätsprogramms abgelegt, wobei die Auswahl der jeweils geltenden Geraden auf Basis der ermittelten Federwegdifferenz ΔF sowie der zugehörigen Längsbeschleunigung a_x des Fahrzeugs erfolgt. Aus der Steigung der ausgewählten Geraden ergibt sich dann ausgehend von Gleichung (3.5) unmittelbar die fiktive Masse m^*.
Wie zu erkennen ist, weisen die Geraden bei a_x = 0 einen Knick auf, der seinen Ursprung darin hat, dass die Größen k_v, k_h, tan(ε_v) und tan(ε_h) für den Fall eines Anfahrvorgangs andere Werte aufweisen als im Falle eines Abbremsvorgangs.
Zur Absicherung der auf Basis der fiktiven Masse m^* geschätzten Schwerpunkthöhe wird zusätzlich die bei unbeschleunigter Fahrt (a_x ≈ 0) zwischen der Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs auftretende Federwegdifferenz ΔF_ax≈0 ausgewertet. Weist die Federwegdifferenz ΔF_ax≈0 einen hohen Betrag auf, so kann auf eine entsprechende Beladung des Fahrzeugs (beispielsweise im Gepäckraum), mithin also auf einen erhöhten Schwerpunkt geschlossen werden.
Die eigentliche Schätzung der Schwerpunkthöhe erfolgt, indem den für m, h, mh und m^* ermittelten Werten entsprechende Fuzzy-Wahrscheinlichkeiten w(m), w(h), w(mh) und w(m^*) für das Vorliegen eines niedrigen Schwerpunkts zugeordnet werden. Die so gewonnenen Fuzzy-Wahrscheinlichkeiten w(m), w(h), w(mh) und w(m^*) werden anschließend multiplikativ zu einer Gesamtwahrscheinlichkeit w_ges verknüpft.
Hierdurch ist eine besonders sichere Aussage hinsichtlich der aktuellen Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs möglich. Ist die Gesamtwahrscheinlichkeit w_ges größer als ein vorgegebener Schwellenwert, so wird darauf geschlossen, dass das Fahrzeug aktuell einen niedrigen Schwerpunkt aufweist.
Diese Information wird dann insbesondere zur geeigneten Anpassung der Auslöseschwelle des Elektronischen Stabilitäts-Programms herangezogen.

Claims

Vorrichtung zur Schätzung der Schwerpunktlage bei einem Fahrzeug, mit einer Recheneinrichtung (11), die eine unter Längsbeschleunigungseinfluss (a_x) auftretende Nickbewegung des Fahrzeugs und/oder eine unter Querbeschleunigungseinfluss (a_y, ψ .) auftretende Wankbewegung des Fahrzeugs zur Schätzung der Schwerpunktlage auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) in Abhängigkeit von Zustandsgrößen (a_y, ψ ., a_x, p_ij, s_ij), die die am Fahrzeug auftretende Wankbewegung und/oder Nickbewegung wiedergeben, mehrere die Schwerpunktlage des Fahrzeugs repräsentierende Schwerpunktlagengrößen (m, h, mh, m^*) berechnet, wobei die Recheneinrichtung (11) durch gegenseitigen Vergleich der berechneten Schwerpunktlagengrößen (m, h, mh, m^*) auf das Vorliegen einer bestimmten Schwerpunkthöhe und/oder Schwerpunktklasse schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) in einem ersten Schritt jeder der berechneten Schwerpunktlagengrößen (m, h, mh, m^*) in Abhängigkeit ihres Betrags eine Einzelwahrscheinlichkeit (w(m), w(h), w(mh), w(m^*)) für das Vorliegen einer bestimmten Schwerpunkthöhe und/oder Schwerpunktklasse zuordnet und in einem zweiten Schritt die Einzelwahrschein lichkeiten (w(m), w(h), w(mh), w(m^*)) zu einer Gesamtwahrscheinlichkeit (w_ges) für das Vorliegen einer bestimmten Schwerpunkthöhe und/oder Schwerpunktklasse verknüpft.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) zur Schätzung der Schwerpunktlage des Fahrzeugs einen ersten Satz von Schwerpunktlagengrößen (m, h, mh, m^*) in Fahrzuständen ermittelt, in denen das Fahrzeug eine im wesentlichen unbeschleunigte Fahrt aufweist, und einen zweiten Satz von Schwerpunktlagengrößen in Fahrzuständen ermittelt, in denen sich das Fahrzeug durch eine beschleunigte Fahrt auszeichnet.
Verfahren zur Schätzung der Schwerpunktlage bei einem Fahrzeug, bei dem eine unter Längsbeschleunigungseinfluss (a_x) auftretende Nickbewegung des Fahrzeugs und/oder eine unter Querbeschleunigungseinfluss (a_y, ψ .) auftretende Wankbewegung des Fahrzeugs zur Schätzung der Schwerpunktlage ausgewertet wird.