DE102006009680A1

DE102006009680A1 - Fahrdynamik-Regelsystem eines zweispurigen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102006009680A1
Application number: DE102006009680A
Authority: DE
Inventors: Mirek GÖBEL; Martin Krenn; Philip Koehn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-06

Abstract

die Erfindung betrifft ein Fahrdynamik-Regelsystem eines zweispurigen Fahrzeugs, dessen Radkräfte gemessen und im Regelsystem geeignet berücksichtigt werden, wobei aus den Radkräften auch die aktuelle Schwerpunktlage zumindest in den wesentlichen Richtungen eines Fahrzeug-Koordinatensystems bestimmt wird. Dabei wird das Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs bestimmt, indem durch die Bildung eines aus den in den Radlagern gemessenen Radkräften abgeleiteten Momentengleichgewichts um die durch den Fahrzeug-Schwerpunkt verlaufende Fahrzeug-Hochachse das aktuelle Giermoment bestimmt und dieses durch die gemessene oder die sich aus einer zeitlichen Ableitung der gemessenen Gierrate ergebende Gierbeschleunigung geteilt wird. Angegeben ist ferner, dass eine Plausibilisierung der gemessenen Gierrate sowie der gemessenen Quer- und Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erfolgen kann. Weiterhin ist eine Schätzung des Schwimmwinkels möglich, womit die jeweilige Fahrsituation durch Beobachtung der Radkräfte analysiert und auf ein Untersteuern oder Übersteuern geschlossen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrdynamik-Regelsystem eines zweispurigen Fahrzeugs, dessen Radkräfte gemessen und im Regelsystem geeignet berücksichtigt werden, wobei aus den Radkräften auch die aktuelle Schwerpunktlage zumindest in den wesentlichen Richtungen eines Fahrzeug-Koordinatensystems bestimmt wird. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der DE 196 24 795 A1 , der DE 199 44 333 A1 , der DE 100 11 779 A1 , der DE 101 22 654 A1 und der DE 102 37 462 B4 auf die DE 196 23 595 A1 verwiesen.

Bei in Serie befindlichen Fahrdynamik-Regelsystemen für Kraftfahrzeuge (bspw. dem bekannten ESP) werden geeignete Regeleingriffe zum Stabilisieren des Fahrzeugs aus einer Fahrzustandsberechnung abgeleitet, die geeignet gemessene Fahrzustandsgrößen berücksichtigt. Insbesondere handelt es sich bei diesen gemessenen Fahrzustandsgrößen um die Fahrgeschwindigkeit in Verbindung mit den jeweiligen Raddrehzahlen, sowie um die Fahrzeug-Querbeschleunigung und die Gierrate bei Kurvenfahrt, die zum vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit in Relation gesetzt werden. Gemessen wird ferner oftmals noch die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs, wobei einige dieser Messungen aus Sicherheitsgründen redundant durchgeführt und weiterverarbeitet werden.

Weiterer bekannter Stand der Technik (vgl. hierzu die o.g. Druckschriften) ist die Ermittlung des Fahrzustands anhand der gemessenen zwischen den Rädern des Fahrzeugs und der Fahrbahn wirkenden Kräfte. Nach den meisten der genannten Schriften werden dabei die an den Reifen gemessenen Kräfte zugrunde gelegt; bspw. in der DE 102 37 462 B4 findet sich der Hinweis, dass daneben die Verwendung von Radlagersensoren denkbar ist.

Der bekannte Stand der Technik zeigt bereits eine Vielzahl von physikalischen Größen auf, die unter Zuhilfenahme der Radkräfte ermittelt werden können. Die Ermittlung einer weiteren für die Verarbeitung in einem Fahrdynamik-Regelsystem hilfreichen physikalischen Größe soll hiermit aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs bestimmt wird, indem durch die Bildung eines aus den insbesondere in den Radlagern gemessenen Radkräften abgeleiteten Momentengleichgewichts um die durch den Fahrzeug-Schwerpunkt verlaufende Fahrzeug-Hochachse das aktuelle Giermoment bestimmt und dieses durch die gemessene oder die sich aus einer zeitlichen Ableitung der gemessenen Gierrate ergebende Gierbeschleunigung dividiert wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Um keine Verfälschung des Ergebnisses durch die stets vorliegende Verformung des auf dem Rad befindlichen luftgefüllten Reifens zu haben bzw. berücksichtigen zu müssen, sollten vorzugsweise die Radkräfte in den jeweiligen Radlagern gemessen werden, und zwar zunächst in einem radeigenen Koordinatensystem. Alternativ ist jedoch auch eine Messung der Radkräfte bspw. am Radreifen möglich. Nach einer Signalkonditionierung können diese Kräfte unter Berücksichtigung eines ggf. vorhandenen aktuellen Radlenkwinkels in ein Koordinatensystem des Fahrzeugs transferiert werden. Dabei wird bei bekannten Sturzwinkeln vorzugsweise eine zweistufige Transformation in das Fzg.-Koordinatensystem ausgeführt. In grundsätzlich bekannter Weise kann damit die (sich mit unterschiedlicher Beladung ändernde) aktuelle Schwerpunktlage des Fahrzeugs bestimmt werden, nämlich vorzugsweise durch Bildung von Momentensummen und Kräftegleichgewichten in zwei verschiedenen Kraftsituationen des Fahrzeugs (bspw. im Stand und bei Kurvenfahrt), wodurch sich die Position des Fzg.-Schwerpunkts in allen Richtungen des Fzg.-Koordinatensystems ergibt. In vereinfachter Form kann die Schwerpunktlage in einer zur ebenen Fahrbahn parallelen Ebene ausreichen, wofür das Momenten- und Kräftegleichgewicht bezüglich der an den Rädern gemessenen Vertikalkräfte ausreichend ist. Aus diesen ist dann auch einfach die Masse des Fahrzeugs bestimmbar.
In Kenntnis der Schwerpunkt-Lage bzw. der Lage der durch den Fzg.-Schwerpunkt verlaufenden Hochachse kann sodann das Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs wie folgt bestimmt werden: In einem ersten Schritt wird durch die Bildung des Momentengleichgewichts um die Fzg.-Hochachse unter Verwendung der aktuell gemessenen Radkräfte das aktuell am Fahrzeug angreifende Giermoment ermittelt. Wird im zweiten Schritt dieses Giermoment durch die aktuelle Gierbeschleunigung dividiert, so erhält man direkt das Massenträgheitsmoment. Dabei kann die Gierbeschleunigung entweder direkt gemessen werden oder aus der gemessenen Gierrate durch zeitliche Differentiation direkt abgeleitet werden.
Zusätzlich zur soweit beschriebenen Ermittlung, die zur Erzielung eines statistischen Durchschnittswertes durchaus öfter durchgeführt werden sollte, kann zur Bestimmung des Massenträgheitsmoments noch eine Korrekturberechnung durchgeführt werden, indem mit Hilfe der bekannten Schwerpunkt-Koordinaten sowie der aus den Radkräften bestimmbaren Fahrzeug-Masse ausgehend von einem bekannten Referenz-Trägheitsmoment und einer Referenz-Schwerpunktposition des Fahrzeugs unter Berücksichtigung des Steiner-Anteils ein korrigiertes Massenträgheitsmoment berechnet wird. Im übrigen kann es empfehlenswert sein, stets ein genanntes Referenz- Trägheitsmoment zur Verfügung zu haben, insbesondere auch für den Fall eines Neustarts des Fahrzeugs.
Mit dem somit bekannten aktuellen Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs können dann weitere Berechnungen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird insbesondere für größere und/oder schnellere Änderungen der gemessenen Gierrate diese gemessene Gierrate durch eine kurzzeitige zeitliche Integration der Gierbeschleunigung gestützt, welche sich aus dem aus den Radkräften ermittelten Giermoment und dem ermittelten Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs durch Division ergibt. Da auf diese Weise jedoch grundsätzlich die gemessene Gierrate plausibilisert werden kann, ist es nicht weiter erforderlich, die Mess- und Auswertetechnik für die Gierratenbestimmung redundant zu gestalten. Letzteres gilt im übrigen auch bezüglich der gemessenen Querbeschleunigung und/oder Längsbeschleunigung des Fahrzeugs, wobei diese Beschleunigungen alternativ auch alleinig direkt aus den an den Rädern bzw. in den Radlagern gemessenen Querkräften bzw. Längskräften und der ermittelten bzw. über die in den Radlagern im Stand (auf der Ebene) gemessenen Vertikalkräfte bestimmten Fahrzeugmasse errechnet werden können. Zurückkommend auf die Gierrate kann diese im übrigen bei kleineren und/oder langsameren Änderungen durch die gemessenen Raddrehzahlen gestützt werden. Mit zusätzlicher Kenntnis der Radradien, der Radlenkwinkel und des Radstands in Fzg.-Querrichtung ist die Gierrate mittels Differenzbildung und Transformation berechenbar.
Grundsätzlich ist die Kenntnis des Massenträgheitsmoments für alle Systeme von Vorteil, die zur Berechnung ihrer Größen ein irgendwie geartetes Fahrzeugmodell verwenden. Dieses Fahrzeugmodell wird umso genauer, je genauer die zugrunde gelegten Fahrzeugparameter bekannt sind. Ebenfalls unter Verwendung des aktuell bestimmten Massenträgheitsmoments und der daraus sowie aus den Radkräften über die Gierbeschleunigung abgeleiteten Gierrate kann sodann mittels eines Beobachters der Schwimmwinkel des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der aktuellen Raddrehzahlen erheblich genauer als bislang geschätzt werden. Damit ist dann auch eine Fahrsituationsbestimmung im weitesten Sinne möglich, d.h. es ist feststellbar, ob Übersteuern oder Untersteuern vorliegt und ob Gegenschwung oder Gegenlenken durchgeführt wird. Durch Beobachtung der Reifenkräfte kann nämlich festgestellt werden, zu welchem Zeitpunkt an welchem Rad die Querkraft einbricht und wie der zeitliche Verlauf der Rad-Aufstandskraft ist. Daraus lassen sich praktisch eindeutige Rückschlüsse auf das Fahrverhalten ziehen. Im übrigen stellen die vorzugsweise an den Radlagern gemessenen Längskräfte bei konstanter Geradeausfahrt (mit konstanter Fahrgeschwindigkeit) den Rollwiderstand des Fahrzeugs dar, der in diesem Zusammenhang ebenfalls berücksichtigt werden kann.
Grundsätzlich ist mittels einer radindividuellen Information über die anliegenden Radkräfte eine Stellgrößenarbitrierung und -optimierung auf deren Basis durchführbar. Eine optimierte Stellgrößenverteilung bspw. im Fahrzeug-Bremssystem bedeutet, dass im Hinblick auf einen notwendigen Brems- oder allgemein Regeleingriff dieser Eingriff gezielt an demjenigen Rad durchgeführt wird, an welchem der größte Erfolg zu erwarten ist, d.h. dies führt zu einer größeren Ausnutzung des Bremsbereichs und hat somit eine erhöhte aktive Sicherheit zur Folge. Allgemein bringen die genaueren Informationen über den Fahrzeugzustand und die Fahrzeugparameter die Systeme der Fahrdynamikregelung und -steuerung in die Lage, effektiver einzugreifen. Verringerte Totzeiten bewirken dabei ein harmonisches, rechtzeitiges Eingreifen in ausgewählten Fahrsituationen. Dies bedeutet, dass das Funktionspotential der Regel- und Steuersysteme zu einem größeren Maß als bisher ausgeschöpft werden kann, wobei gleichzeitig Störeingriffe weitgehend vermieden werden können.

Claims

Fahrdynamik-Regelsystem eines zweispurigen Fahrzeugs, dessen Radkräfte gemessen und im Regelsystem geeignet berücksichtigt werden, wobei aus den Radkräften auch die aktuelle Schwerpunktlage zumindest in den wesentlichen Richtungen eines Fahrzeug-Koordinatensystems bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs bestimmt wird, indem durch die Bildung eines aus den insbesondere in den Radlagern gemessenen Radkräften abgeleiteten Momentengleichgewichts um die durch den Fahrzeug-Schwerpunkt verlaufende Fahrzeug-Hochachse das aktuelle Giermoment bestimmt und dieses durch die gemessene oder die sich aus einer zeitlichen Ableitung der gemessenen Gierrate ergebende Gierbeschleunigung dividiert wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Massenträgheitsmoments eine Korrekturberechnung durchgeführt wird, indem mit Hilfe der bekannten Schwerpunkt-Koordinaten sowie der aus den Radkräften bestimmbaren Fahrzeug-Masse ausgehend von einem bekannten Referenz-Trägheitsmoment und einer Referenz-Schwerpunktposition des Fahrzeugs unter Berücksichtigung des Steiner-Anteils ein korrigiertes Massenträgheitsmoment berechnet wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für größere und/oder schnellere Änderungen der gemessenen Gierrate diese durch eine kurzzeitige zeitliche Integration der Gierbeschleunigung gestützt wird, welche sich aus dem aus den Radkräften ermittelten Giermoment und dem ermittelten Massenträgheitsmoment des Fahrzeugs durch Division ergibt.
Fahrdynamik-Regelsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (auch) die Messung der Fahrzeug-Querbeschleunigung und/oder Längsbeschleunigung auf Berechnungswerte, die aus den gemessenen Radkräften und der Fahrzeug-Masse gewonnen werden, gestützt wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmwinkel unter Verwendung der gemessenen und in ein Fahrzeug-Koordinatensystem transformierten Radkräfte sowie der vorzugsweise unter Berücksichtigung des aktuellen Massenträgheitsmoments bestimmten Gierrate sowie der Raddrehzahlen mittels eines Beobachters geschätzt wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Fahrsituation durch Beobachtung der Radkräfte analysiert wird und vorzugsweise unter Berücksichtigung des Schwimmwinkels auf ein Untersteuern oder Übersteuern geschlossen wird.