DE102006047652A1

DE102006047652A1 - Verfahren zur Verbesserung des Kippverhaltens von Fahrzeugen durch Hinterachseingriffe

Info

Publication number: DE102006047652A1
Application number: DE102006047652A
Authority: DE
Inventors: Gero Nenninger; Matthew Nimmo; Daniel Fellke; Ernst Schermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2007-11-22
Also published as: EP2024205A1; US20090187323A1; KR20090018915A; WO2007134901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Kippverhaltens von Fahrzeugen, bei dem bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr zumindest das kurvenäußere Hinterrad gebremst wird, wobei bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr das kurvenäußere Hinterrad mit einer von der Querbeschleunigung abhängigen Bremskraft gebremst wird.

Description

Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit hohem Schwerpunkt wie z.B. SUV's oder Kleintransportern) besteht auf griffiger Fahrbahn und bei plötzlichen Lenkeingriffen mit hohen Lenkgradienten und/oder hohen Lenkwinkeln eine Umkippgefahr, die durch die hohe Querbeschleunigung verursacht wird.
Aus der US 6,605,558 ist ein Umkippverhinderungssystem bekannt, bei welchem ein Sensor in Reaktion auf eine vorbestimmte, das Fahrzeug um Umkippen drängende Kraft, ein Umkippsignal abgibt. Bei Vorliegen des Umkippsignals werden entweder beide Vorderradbremsen oder die dem Rad mit der stärksten Radlast zugeordnete Vorderradbremse betätigt.
In der Schrift DE 196 32 943 A1 wird ein umkippstabilisierender Bremseingriff an beiden kurvenäußeren Rädern vorgeschlagen. In dieser Schrift wird jedoch keine Empfehlung bezüglich der Stärke des Eingriffes, weder an der Vorder- noch an der Hinterachse, gegeben.
Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der DE 196 32 943 A1 entnommen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Kippverhaltens von Fahrzeugen, bei dem bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr zumindest das kurvenäußere Hinterrad gebremst wird, wobei bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr das kurvenäußere Hinterrad mit einer von der Querbeschleunigung abhängigen Bremskraft gebremst wird. Bei der Querbeschleunigung handelt es sich um die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung.
Dadurch werden sowohl die Umkippwahrscheinlichkeit reduziert als auch die fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs und der Komfort in dieser Situation verbessert. Der Eingriffes am kurvenäußeren Hinterrad bringt folgende Vorteile:

– Maximal mögliche Gierratenreduktion und somit eine stärkere Querbeschleunigungsreduktion.
– Der Zugewinn an Rollstabilität durch den Eingriff am äußeren hinteren Rad ermöglicht schwächere Eingriffe vorne außen, was wiederum die Lenkbarkeit des Fahrzeugs während des Eingriffes erhöhen kann und komfortabler für den Fahrer ist.
– Durch das Abbremsen von beiden kurvenäußeren Rädern wird die Fahrzeuggeschwindigkeit stärker abgesenkt als nur durch Bremseingriff vorne außen, was eine stärkere Querbeschleunigungsreduktion mit sich bringt und die kinetische Energie des Fahrzeugs verringert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– für das kurvenäußere Hinterrad das maximal erzeugbare, stabilisierende Giermoment ermittelt wird und
– das kurvenäußere Hinterrad so abgebremst wird, dass das maximale, stabilisierende Giermoment erzeugt wird.

Damit wird eine optimal stabilisierende Wirkung durch die Hinterradbremsung erreicht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass aus einer Reifenkennlinie ein Schräglaufwinkel bestimmt wird, bei welchem die übertragbare Seitenkraft maximal ist,
– aus diesem Schräglaufwinkel sowie von der Fahrzeuggeometrie abhängigen Parametern ein Sollwert für den Bremsschlupf ermittelt wird, bei dem das durch die Bremsung des kurvenäußeren Hinterrades erzeugte Giermoment maximal ist,
– das kurvenäußere Hinterrad so abgebremst wird, dass dieser Bremsschlupf sich einstellt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung als Eingangsparameter in die Reifenkennlinie eingeht. Bei der Reifenkennlinie kann es sich um eine generische Reifenkennlinie handeln.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr zusätzlich das kurvenäußere Vorderrad gebremst wird.
Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, enthaltend Mittel zur Durchführung der vorhergehend geschilderten Verfahren.
Bei der im Folgenden beschriebenen Erfindung findet der stabilisierende Bremseingriff an beiden kurvenäußeren Rädern statt und es wird dabei eine Definition für fahrdynamisch günstige Eingriffsstärken an der Hinterachse beschrieben. Durch die spezifische Wahl der Eingriffsstärke, die für das Vorder- und Hinterrad einzeln berechnet wird, werden sowohl die Umkippwahrscheinlichkeit reduziert als auch die fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs und der Komfort in dieser umkippgefährdeten Situation verbessert.
Der Grundgedanke dieser Erfindung ist die Erkenntnis, dass es in einer kippkritischen Situation nützlich ist, sowohl das kurvenäußere Vorderrad als auch das kurvenäußere Hinterrad durch möglichst optimale Bremseingriffe zu verzögern. Das im Vordergrund stehende Ziel dabei ist es, durch die höhere Bremswirkung und eine bessere Verteilung der Bremskräfte an beiden kurvenäußeren Rädern einen schnelleren Querbeschleunigungsabbau zu erreichen und somit die Kippgefahr schnell zu beseitigen und das Fahrzeug schnell zu stabilisieren.
Die zum Kippen führende Querbeschleunigung ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und des momentanen Krümmungsradius der Bahnkurve, die das Fahrzeug durchfährt. Die zugehörige Formel lautet:
wobei a_Q die Querbeschleunigung, v die Fahrzeuggeschwindigkeit, ρ der Krümmungsradius der Bahnkurve, β der Schwimmwinkel und ψ der Gierwinkel des Fahrzeugs sind. Somit hängt die Querbeschleunigung letztlich von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Summe der zeitlichen Änderungen des Schwimm- und Gierwinkels ab. Um die Querbeschleunigung möglichst effektiv und schnell zu reduzieren, müssen also in einer kippkritischen Situation die Fahrzeuggeschwindigkeit und vor allem die zeitlichen Änderungen des Schwimm- und Gierwinkels (Gierrate) schnell abgebaut werden.
Durch die so genannte dynamische Radlastverteilung wird in der Kurve der hauptsächliche Anteil der Fahrzeugmasse von den kurvenäußeren Rädern abgestützt. Damit übertragen diese Räder im wesentlichen die absetzbaren Brems- und Seitenkräfte. Für die maximal mögliche Reduktion der Seitenkraft und damit der Querbeschleunigung müssten daher die kurvenäußeren Räder möglichst stark (d.h. bis hin zu blockierenden Rädern) abgebremst werden. Dies ist in 1 dargestellt. Dort ist in Ordinatenrichtung der Verlauf der Reibbeiwerte in Längsrichtung über dem in Abszissenrichtung aufgetragenen Bremsschlupf λB dargestellt. Die Darstellung erfolgt dabei für verschiedene Schräglaufwinkel, welche jeweils in der Maßeinheit Grad über den verschiedenen Kennlinien eingetragen sind. μb kennzeichnet in Ordinatenrichtung den Reibbeiwert in Längsrichtung, μs kennzeichnet in Ordinatenrichtung den Reibbeiwert in Querrichtung
Die jeweils vorliegenden Schräglaufwinkel in Grad (1°, 2°, 4°, 7°, 10°, 15°) sind als Parameter neben die zugehörigen Kurven eingetragen.
Der Verlauf des vom Rad hinten außen ausgehenden Giermomentes M_Gi,HAA um den Schwerpunkt ist in 2 qualitativ dargestellt. Dazu ist in Abszissenrichtung der Bremsschlupf λB aufgetragen, in Ordinatenrichtung das durch diesen Bremsschlupf bewirkte Giermoment M_Gi,HAA. λ_MA,MAX kennzeichnet denjenigen Bremsschlupf, bei welchem das Giermoment M_Gi,HAA den maximalen Wert annimmt.
Das hintere äußere Rad soll in einer kippkritischen Situation so abgebremst werden, dass ein von diesem Rad ausgehendes Maximum an stabilisierendem (d.h. aus der Kurve ausdrehendem) Giermoment erzielt wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Vektor der am Rad angreifenden Kräfte (Summe aus Seitenkraft und Bremskraft) senkrecht zur Verbindung zwischen dem Radaufstandspunkt und Schwerpunkt des Fahrzeugs steht. Durch das stabilisierende Giermoment wird die Gierrate reduziert bzw. der Kurvenradius erhöht und dadurch die Querbeschleunigung reduziert.
Das Giermomentmaximum in Abhängigkeit des Bremsschlupfes ergibt sich, wenn der Hebelarm um den Fahrzeugschwerpunkt und Kraftresultierende maximal wird. Dies ist in 3 dargestellt. Dort kennzeichnet 300 die Trajektorie des Fahrzeugs, SP kennzeichnet den Schwerpunkt und 301 kennzeichnet die Verbindungslinie zwischen dem Radaufstandspunkt und Schwerpunkt des Fahrzeugs. F_b kennzeichnet die Bremskraft, F_Q die Seitenkraft und F_re die Summe dieser beiden Kräfte. Der Vektor F_re steht senkrecht auf der Verbindungslinie 301.
Der Bremsschlupf, der diese maximale Kraftresultierende verursacht, kann wie folgt berechnet werden:
wobei λ_HA,max der notwendige Bremsschlupf, sr die Spurhalbweite, Ih der zur Fahrzeugachse parallele Abstand zwischen Fahrzeugschwerpunkt und Radaufstandspunkt des hinteren Rades und α_HA,max der dazu notwendige Schräglaufwinkel sind. Der Schräglaufwinkel wird aus der Reifenkennlinie bestimmt. Bei einem derart eingestellten Bremsschlupf ist das stabilisierende Giermoment maximal. Damit wird die Gierrate verkleinert (bzw. der Bahnradius vergrößert) und somit die Querbeschleunigung und damit die Umkippwahrscheinlichkeit reduziert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der schnellere Geschwindigkeitsabbau, was durch Fahrversuche nachgewiesen wurde. Dies ist in 5 dargestellt. Dort ist in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit aufgetragen.
Dadurch wird ebenfalls die Querbeschleunigung reduziert. Außerdem wird das Untersteuern minimiert, indem die Geschwindigkeit schneller auf einen Wert reduziert wird, bei dem das Fahrzeug wieder der Lenkvorgabe folgt. Kommt es trotz Ausweichmanövers dennoch zu einem Unfall, hat eine reduzierte Geschwindigkeit schließlich den Vorteil, dass durch die reduzierte kinematische Energie wiederum die Verletzungsgefahr der Insassen reduziert wird.
Vorteilhaft ist auch das Einstellen des Bremsschlupfes in einem gut regelbaren (da linearen) Schlupfbereich. Dieses ermöglicht einen schnellen Abbau der Fahrzeuggeschwindigkeit, die wiederum die Querbeschleunigung reduziert.
Es ist auch möglich, über die Maximierung des Hebelarmes hinaus einen Bremsschlupf einzustellen. Zwar wird das stabilisierende Giermoment wieder gegenüber dem Giermomentenmaximum reduziert, jedoch wird über den Kamm'schen Kreis die Seitenkraft und damit die Querbeschleunigung noch stärker abgesenkt.
In einer speziellen Ausführungsform wird der Sollschlupf am Rad hinten außen durch einen Faktor P_RMFRearAxleBoost multipliziert mit dem obengenannten maximalen Schlupf λ_HA,max vorgegeben und der Radschlupf durch einen unterlagerten Schlupfregler eingestellt. In einer Untersuchung im Fahrzeug wurden die Auswirkungen der Einstellungen P_RMFRearAxleBoost = [0, 1, 4] auf zeitlichen Verlauf von Querbeschleunigung und Fahrzeugverzögerung miteinander verglichen (s. 4 und 5). Aus den Messungen geht hervor, dass sowohl die Querbeschleunigung (siehe 4) als auch Fahrzeuggeschwindigkeit (siehe 5) für P_RMFRearAxleBoost-Werte von 1 und 4 gegenüber Wert von Null (kein Eingriff hinten außen) deutlich reduziert werden. Dadurch werden Umkippgefahr, Unfall- sowie Verletzungsrisiko reduziert.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 6 dargestellt. Nach dem Start in Block 600 wird in Block 601 dass aus einer Reifenkennlinie ein Schräglaufwinkel bestimmt wird, bei welchem die übertragbare Seitenkraft maximal ist. In Block 602 wird aus diesem Schräglaufwinkel sowie von der Fahrzeuggeometrie abhängigen Parametern ein Sollwert für den Bremsschlupf ermittelt wird, bei dem das durch die Bremsung des kurvenäußeren Hinterrades erzeugte Giermoment maximal ist. Anschließend wird in Block 603 das kurvenäußere Hinterrad so abgebremst wird, dass dieser Bremsschlupf sich einstellt. In Block 604 endet das erfindungsgemäße Verfahren.

Claims

Verfahren zur Verbesserung des Kippverhaltens von Fahrzeugen, bei dem bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr zumindest das kurvenäußere Hinterrad gebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr das kurvenäußere Hinterrad mit einer von der Querbeschleunigung (aQ) abhängigen Bremskraft gebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – für das kurvenäußere Hinterrad das maximal erzeugbare, stabilisierende Giermoment (M_Gi,HAA) ermittelt wird und – das kurvenäußere Hinterrad so abgebremst wird, dass das maximale, stabilisierende Giermoment (M_Gi,HAA) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass aus einer Reifenkennlinie ein Schräglaufwinkel bestimmt wird, bei welchem die übertragbare Seitenkraft maximal ist (601), – aus diesem Schräglaufwinkel sowie von der Fahrzeuggeometrie abhängigen Parametern ein Sollwert für den Bremsschlupf ermittelt wird, bei dem das durch die Bremsung des kurvenäußeren Hinterrades erzeugte Giermoment maximal ist (602), – das kurvenäußere Hinterrad so abgebremst wird, dass dieser Bremsschlupf sich einstellt (603).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung (aQ) als Eingangsparameter in die Reifenkennlinie eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reifenkennlinie um eine generische Reifenkennlinie handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer drohenden oder absehbar zu erwartenden Umkippgefahr zusätzlich das kurvenäußere Vorderrad gebremst wird.
Vorrichtung, enthaltend Mittel zur Durchführung der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.