DE102006036751A1

DE102006036751A1 - Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102006036751A1
Application number: DE200610036751
Authority: DE
Inventors: Roland Greul
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2006-08-05
Filing date: 2006-08-05
Publication date: 2008-02-07
Also published as: FR2904593A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs wird die Seitenführungskraft gemäß einem vorgegebenen kinematischen Zusammenhang als Funktion der Zahnstangenkraft ermittelt, die ihrerseits als Funktion der im Lenksystem wirkenden Lenkmomente berechnet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In „ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 96", 1994, Seiten 674 bis 689, wird ein Verfahren zur Fahrdynamikregelung in Kraftfahrzeugen beschrieben, bei dem die Fahrzeuglängsdynamik und die Fahrzeugquerdynamik berücksichtigt werden. Mithilfe der Fahrdynamikregelung soll die Fahrstabilität auch in Grenzbereichen gewährleistet sein.
Ausgehend von dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel wird eine Sollgiergeschwindigkeit ermittelt, die mit einer Gierrate verglichen und einer Giergeschwindigkeitsregelung zugrunde gelegt wird. Über den Gierratenregler wird das für die Fahrzeugquerführung erforderliche Giermoment bereitgestellt, das über gezielte Bremseingriffe an einzelnen Rädern des Fahrzeuges umgesetzt wird.
Die Regelung der Giergeschwindigkeit alleine kann jedoch bei niedrigen Haftreibwerten an den Reifen zu großen Schwimmwinkeln und damit zur Instabilität des Fahrzeugs führen. Aus diesem Grund wird neben der Regelung der Giergeschwindigkeit auch eine Begrenzung des Fahrzeugschwimmwinkels im Regelkonzept eingeführt, wofür aber die Kenntnis der Seitenkräfte am Reifen erforderlich ist. Für die Ermittlung der Seitenkräfte werden aufwändige Reifenmodelle benötigt, die jedoch aufgrund der Komplexität der Reifendynamik immer mit einem Unsicherheitsfaktor behaftet sind.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit die Seitenführungskraft an einem Reifen eines Fahrzeuges für die Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung oder Steuerung einer Fahrzustandsgröße wird die Seitenführungskraft an einem Reifen des Fahrzeugs aus einem vorgegebenen, kinematischen Zusammenhang als Funktion der Zahnstangenkraft ermittelt, die in der Zahnstange des Lenksystems des Fahrzeuges wirkt. Diese Zahnstangenkraft wiederum kann als Funktion der im Lenksystem wirkenden Momente berechnet werden. Auf diese Weise wird ein Zusammenhang zwischen den Lenkmomenten im Lenksystem und der Seitenführungskraft geschaffen, die für verschiedene fahrdynamische Regelungs- oder Steuerungskonzepte benötigt wird. In dieser Ausführung kann grundsätzlich auf die Verwendung eines Reifenmodelles verzichtet werden, wodurch eine erhebliche Verfahrensvereinfachung erzielt wird. In dem Wert der ermittelten Seitenführungskraft am Reifen steckt die Information über die aktuellen Reibwerte am Reifen, die jedoch nicht wie sonst im Stand der Technik üblich aus den Reifenmodellen berechnet werden müssen, sondern implizit in den Lenkmomenten, welche im Lenksystem wirken, enthalten sind. Diese Lenkmomente können mithilfe geeigneter Sensorik ermittelt werden, es handelt sich bei den Lenkmomenten zweckmäßig um ein vom Fahrer erzeugtes Handmoment sowie ein Motormoment eines unterstützenden Servomotors.
Da die Lenkmomente mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können und ein Maß für die aktuellen Reibwerte an den Reifen sind, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einfachen Mitteln fahrdynamische Reserven ausgeschöpft werden, indem man Kenntnis erlangt von Querbeschleunigungsgrößen und damit zusammenhängenden Größen. Es können Reibwertschätzungen durchgeführt werden, um insbesondere den Reibwert der Straße zu ermitteln. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Qualitätsverbesserung im Hinblick auf das zu ermittelnde Handmoment, das der Fahrer beim Halten des Lenkrades bei einem bestimmten Lenkradwinkel verspürt und das sich beispielsweise bei einem Übergang des Fahrzeuges von einer Straßenoberfläche mit hohem Reibwert auf eine Straßenoberfläche mit geringem Reibwert ändert. Eine Verbesserung der Rückkopplung in diesen Fällen zeigt dem Fahrer den verringerten Reibwert an, so dass der Fahrer auf den geänderten Straßenzustand entsprechend reagieren kann. Im Stand der Technik wird diese unmittelbare Rückkopplung durch die Trägheit des Servomotors stark gedämpft und verzögert übertragen, was eine unmittelbare Fahrerreaktion erschwert bzw. verhindert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die unmittelbare Rückkopplung aufgrund der Kenntnis der Seitenführungskraft durch entsprechende fahrzeugseitige Einstellungen in den Aktuatoren erzeugt werden.
Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Zahnstangenkraft stationär aus einem Anteil des Handmomentes und des Motormomentes des unterstützenden Servomotors berechnet wird, wobei die Lenkübersetzungen zum einen vom Ritzel im Lenksystem auf die Zahnstange und zum anderen vom Servomotor auf die Zahnstange berücksichtig werden. Bei diesem Servomotor handelt es sich üblicherweise um einen Elektromotor, welcher zur Unterstützung und ggf. Reduzierung des vom Fahrer aufzubringenden Lenkmomentes im Lenksystem vorgesehen ist. Anstelle eines elektrischen Servomotors kann auch eine hydraulische Servo-Stelleinrichtung vorgesehen sein, die einen Hydraulikzylinder umfasst, wobei der Hydraulikdruck zweckmäßig über eine elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Zahnstangenkraft als Funktion eines Schätzfehlers berechnet, der sich aus der Differenz zwischen berechneten Zustandsgrößen in einem mathematischen Fahrzeugmodell und entsprechenden Messgrößen ergibt. Die berechneten Zustandsgrößen in dem mathematischen Modell sind als Funktion der im Lenksystem wirkenden Lenkmomente darstellbar. In dieser Ausführung wird die Zahnstangenkraft insbesondere nach Art eines geschlossenen Regelkreises unter Verwendung eines Schätzers bzw. Reglers aus dem genannten Schätzfehler ermittelt, wobei der ermittelte Wert der Zahnstangenkraft in der geschlossenen Schleife wieder dem mathematischen Modell zur Berechnung der Zustandsgrößen zugeführt wird. Auf diese Weise wird nach dem Einschwingen des Systems ein zuverlässiger Wert für die Zahnstangenkraft erzielt, der schließlich gemäß dem bekannten Zusammenhang unter Berücksichtigung der Radkinematik im Lenksystem der Berechnung der Seitenführungskraft an dem dressierenden Reifen zugrunde gelegt wird.
In einer vorteilhaften weiteren Ausführung sind die Zustandsgrößen der Lenkradwinkel und der Motorlagewinkel des unterstützenden Servomotors, die in dem mathematischen Ersatzmodell berechnet und mit entsprechenden Messgrößen verglichen werden. Auf diese Messgrößen kann üblicherweise in Fahrdynamik-Regelsystemen zurückgegriffen werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem Servomotor zur Lenkunterstützung und einem vorgeschalteten Überlagerungsgetriebe,
2 eine schematische Darstellung der kinematischen Verhältnisse an einem Rad,
3 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Seitenführungskraft, die in Querrichtung an einem Reifen wirkt, als Funktion des Handmomentes und des Motormomentes sowie der Getriebeübersetzungen im Lenksystem,
4 ein Blockschaltbild zur dynamischen Ermittlung der Zahnstangenkraft in einem mathematischen Ersatzmodell und der daraus zu ermittelnden Seitenführungskraft.
Bei dem in 1 schematisch dargestellten Lenksystem 1 wird vom Fahrer über das Lenkrad 2 ein Lenkradwinkel δ_LR vorgegeben, der über eine Lenkwelle 3 und ein Lenkgetriebe 6 sowie eine Zahnstange 7 auf die gelenkten Vorderräder 8 übertragen wird, in denen sich ein Radlenkwinkel δ_v, einstellt. Zur Lenkunterstützung – ggf. auch zur Reduzierung des vom Fahrer aufzubringenden Lenkmomentes – ist ein Servomotor 9 vorgesehen, der ein zusätzliches Lenkmoment T_EPS über das Lenkgetriebe 6 einspeist. Bei dem Servomotor 9 handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor, wobei ggf. auch eine hydraulische Lenkunterstützung in Betracht kommt.
Im Lenksystem 1 kann optional ein zusätzliches Überlagerungsgetriebe 4 vorgesehen sein, welches in die Lenkwelle 3 zwischengeschaltet ist. Diesem Überlagerungsgetriebe 4 ist ein Stellmotor 5 zugeordnet, bei dessen Betätigung ein Zusatzdrehwinkel δ_M erzeugt wird, der dem vom Fahrer generierten Lenkradwinkel δ_LR überlagert wird, so dass sich ein resultierender Lenkradwinkel δ_LR, einstellt, der dem Lenkgetriebe 6 als Lenkritzelwinkel zugeführt wird. Sofern der zusätzliche Stellmotor 5 im Überlagerungsgetriebe 4 nicht betätigt wird, wird auch kein Zusatzdrehwinkel δ_M erzeugt, so dass der resultierende Lenkwinkel δ_LR, mit dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel δ_LR identisch ist. Auf das Überlagerungsgetriebe 4 kann ggf. auch vollständig verzichtet werden.
In 2 ist die Radkinematik schematisch dargestellt. Die Lenkbewegung wird über das Lenkgetriebe 6 und die Zahnstange 7 auf ein Gestänge 11 übertragen, welches die Kinematik des gelenkten Vorderrades 8 darstellt. Die in der Zahnstange 7 wirkende Zahnstangenkraft F_Z hängt mit der Seitenführungskraft F_y zusammen, die in Querrichtung auf den Reifen 10 des lenkbaren Vorderrates 8 wirkt.
Betrachtet man den Aufbau an der Vorderachse, so wird erkenntlich, dass die über den Reifen in die Radaufhängung eingeleiteten Seitenführungskräfte in ein Lenkmoment transformiert werden, das sich an der Spurstange abstützt. Bei Kenntnis der Radaufhängungskinematik kann ein Zusammenhang zwischen der achsseitig eingeleiteten Seitenführungskraft F_y und der Spur- bzw. Zahnstangenkraft F_Z angegeben werden: Fy = f(Vkin)·FZ f(V_kin) bezeichnet hierin eine von der Radkinematik bestimmte Funktion, die gegebenenfalls auch als Kennfeld vorliegen kann.
Die Zahnstangenkraft F_Z wird als Funktion f(T) der im Lenksystem wirkenden Lenkmomente T berechnet: FZ = f(T),wobei als Lenkmomente T das vom Fahrer erzeugte bzw. auf diesen rückwirkende Handmoment T_H und das Motormoment T_EPS des unterstützenden Servomotors 9 berücksichtigt werden.
Die Ausführung hat den Vorteil, dass auch ohne ein aufwändiges Reifenmodell berücksichtigen zu müssen Kenntnis über die aktuelle, an einem interessierenden Reifen wirkende Seitenführungskraft F_y erlangt werden kann.
Die Seitenführungskräfte F_y können zum einen zur Plausibilisierung von Sensorgrößen eingesetzt werden. Zum andern kann der Schwimmwinkel im Fahrzeug – die Abweichung zwischen der Längsachse und dem Vektor der tatsächlichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs – berechnet werden. Außerdem können Dynamikreserven des Fahrzeuges, also Querbeschleunigungsgrößen bzw. damit zusammenhängende Größen, bestimmt werden. Schließlich ist es möglich, Reibwertschätzungen durchzuführen und insbesondere den Reibwert zwischen Reifen und Straße zu ermitteln. Da die aktuellen Seitenführungskräfte F_y für jedes gelenkte Rad separat bestimmt werden können, können auch μ-split-Situationen erfasst werden, bei denen an den Rädern links und rechts am Fahrzeug unterschiedliche Reibwerte vorliegen.
Wie 3 in Verbindung mit den 1 und 2 zu entnehmen, kann die Zahnstangenkraft F_Z aus einem Anteil am vom Fahrer erzeugten Handmoment T_H und einem Anteil am Motormoment T_EPS des unterstützenden Servomotors 9 unter Berücksichtigung der bekannten Lenkübersetzung i_R von der Lenkwelle 3 bzw. dem Ritzel im Lenksystem 1 auf die Zahnstange 7 und der ebenfalls bekannten Lenkübersetzung i_KGT/R vom Servomotor 9 auf die Zahnstange 7 berechnet werden: FZ = TH·iR + TEPS·iKGT/R
Die Seitenführungskraft F_y wird, wie oben angegeben, unter Berücksichtigung des Kinematikzusammenhangs f(V_kin) gemäß Fy = f(Vkin)·FZ aus der Zahnstangenkraft F_Z berechnet.
Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der Zahnstangenkraft F_Z ist in 4 angegeben. In einem mathematischen Ersatz- bzw. Fahrzeugmodell, das in Zustandsform vorliegt, werden Zustandsgrößen als Funktion des Handmomentes T_H, des Motormomentes T_EPS und der Zahnstangenkraft F_Z ermittelt. Dieses mathematische Modell ist in 4 im Block 12 dargestellt.
Das mathematische Modell liegt im Block 12 in der Form x . = Ax + Buvor, wobei der Zustandsvektor x den Lenkradwinkel δ_LR und den Motorlagewinkel δ_EPS enthalt und der Eingangsvektor u das Handmoment T_H, das Motormoment T_EPS und die Zahnstangenkraft F_Z.
Die berechneten Zustandsgrößen x mit
des Modells werden anschließend mit korrespondierenden Messgrößen
verglichen. Der daraus erhaltene Schätzfehler e mit e = x – xM wird einem weiteren Block 13 als Eingangsgröße zugeführt, der einen Schätzer bzw. Regler enthält, in welchem die Zahnstangenkraft F_Z als Funktion des Schätzfehlers e ermittelt wird: FZ = f(e)
Die auf diese Weise ermittelte Zahnstangenkraft F_Z wird in einer rückführenden Schleife wieder als Eingangsgröße dem Eingangsvektor im Block 12 zugeführt, wo erneut im mathematischen Fahrzeugmodell die Zustandsgrößen berechnet werden. Da eine permanente Korrektur zwischen den berechneten Größen und den gemessenen Größen erfolgt, schwingt das System auf die korrekten Werte für die Zustandsgrößen ein, zugleich wird ein korrekter Wert für die Zahnstangenkraft F_Z ermittelt.
Die Zahnstangenkraft F_Z wird schließlich im weiteren Block 14 der Berechnung der Seitenführungskraft F_y gemäß dem Zusammenhang Fy = f(Vkin)·FZ zugrunde gelegt.
Die Seitenführungskraft ist in dieser Weise für die gelenkten Vorderräder ermittelt worden. Unter Berücksichtigung der Gesamt-Querkraft am Fahrzeug kann aus der Seitenführungskraft F V / y für die Vorderachse auch die Seitenführungskraft F H / y für die Hinterachse berechnet werden: FHy = m·ay – FVy ,wobei mit m die Masse des Fahrzeugs und a_y die Querbeschleunigung des Fahrzeugs bezeichnet ist.
Die beschriebenen Verfahren werden in einem Regel- und Steuergerät im Fahrzeug durchgeführt, in welchem die Seitenführungskraft der Ermittlung von Stellsignalen zur Beaufschlagung diverser Aktuatoren und Stelleinrichtungen im Fahrzeug zugrunde gelegt wird, beispielsweise den Bremssystemen oder dem Motormanagement.

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Überlagerungsgetriebe
5: Stellmotor
6: Lenkgetriebe
7: Zahnstange
8: Vorderrad
9: Servomotor
10: Reifen
11: Gestänge
12: Block
13: Block
14: Block
δ_LR: Lenkradwinkel
δ_M: Zusatzdrehwinkel
δ_v: Radlenkwinkel
^TEPS: Motormoment
T_H: Handmoment
F_Z: Zahnstangenkraft
F_y: Seitenführungskraft

Claims

Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs, bei dem die Seitenführungskraft (F_Y) an einem Reifen (10) des Fahrzeugs für die Einstellung eines Aktuators im Fahrzeug ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenführungskraft (F_y) gemäß einem vorgegebenen kinematischen Zusammenhang als Funktion (f(V_kin)) der Zahnstangenkraft (F_Z) ermittelt wird, die in der Zahnstange (7) des Lenksystems (1) des Fahrzeug wirkt: Fy = f(Vkin)·FZ und dass die Zahnstangenkraft (F_Z) als Funktion (f(T)) der im Lenksystem (1) wirkenden Lenkmomente (T) ermittelt wird: FZ = f(T)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lenkmomente (T) ein vom Fahrer erzeugtes Handmoment (T_H) und ein Motormoment (T_EPS) eines unterstützenden Servomotors (9) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenkraft (F_Z) sich aus einem Anteil am vom Fahrer erzeugten Handmoment (T_H) und einem Anteil am Motormoment (T_EPS) eines unterstützenden Servomotors (9) unter Berücksichtigung der Lenkübersetzung (i_R) vom Ritzel im Lenksystem (1) auf die Zahnstange (7) und der Lenkübersetzung (i_KGT/R) vom Servomotor (9) auf die Zahnstange (7) gemäß dem Zusammenhang FZ = TH·iR + TEPS·iKGT/R zusammensetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus berechneten Zustandsgrößen (x) und entsprechenden Messgrößen (x^M) ein Schätzfehler (e) gemäß dem Zusammenhang e = x– xM,ermittelt wird, der der Berechnung der Zahnstangenkraft (F_Z) zugrunde gelegt wird: FZ = f(e),wobei die berechneten Zustandsgrößen (x) in einem mathematischen Modell als Funktion (f(T_H, T_EPS)) der im Lenksystem (1) wirkenden Lenkmomente (T_H, T_EPS) darstellbar sind: x . = f(TH, TEPS).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mathematischen Modell nach Art eines geschlossenen Regelkreises die aus dem Schätzfehler (e) ermittelte Zahnstangenkraft (F_Z) zurückgeführt wird und in die erneute Berechnung der Zustandsgrößen (x) einfließt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgrößen (x) der Lenkradwinkel (δ_LR) und der Motorlagewinkel (δ_EPS) des unterstützenden Servomotors (9) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der für die Vorderachse ermittelten Seitenführungskraft (F V / y) durch Berücksichtigung der Gesamt-Querkraft am Fahrzeug die Seitenführungskraft (F H / y) für die Hinterachse ermittelt wird: FHy = m·ay – FVy ,wobei m die Masse des Fahrzeugs a_y die Querbeschleunigung des Fahrzeugs bezeichnet.
Regel- und Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.