DE102007003397A1

DE102007003397A1 - Reibungsschätzung für Fahrzeugsteuersysteme

Info

Publication number: DE102007003397A1
Application number: DE200710003397
Authority: DE
Inventors: Matthew Hancock; Francis Assadian
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-02-11
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2007-08-16
Also published as: GB2435102B; GB2435102A; GB0602796D0

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen eines Reibungskoeffizienten zwischen Reifen eines Fahrzeugs und einer Straßenoberfläche, wobei der Koeffizient vorteilhafterweise als eine Eingabe zu einem Fahrzeuggierstabilitätssteuersystem verwendet werden kann. Das Verfahren überwacht die Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung, wodurch eine präzisere Anzeige der Sättigung von Reifenkräften im Vergleich zu anderen Verfahren bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schätzen eines Werts für Reifen-Straße-Reibung zur Verwendung in einem Fahrzeugdynamiksteuersystem.

Der Trend für die jüngsten Kraftfahrzeugtechnologien geht in Richtung auf die Entwicklung neuer aktiver Systeme, wo elektromechanische Hochleistungsaktuatoren von Niedrigleistungssteuersignalen angesteuert werden, um bestimmte Fahrzeugcharakteristiken zu beeinflussen. Die Vorzüge dieser aktiven Systeme sind die Online-Modifikation von Fahrzeugcharakteristiken, Erhöhen der Fahrzeugleistung und -stabilität, Reduzieren der Fahrzeugabstimmungsbemühungen und Reduzieren von Fahrzeugentwicklungskosten.

Eine der Beschränkungen der gegenwärtigen aktiven Systeme besteht darin, Zugang zu dem Reifen-Straße-Reibungskoeffizienten zu haben. Ohne diese Informationen wird die Leistung des aktiven Systems beeinträchtigt.

Bei heftigen Manövern, zum Beispiel schnellem Spurwechsel, wenn die erforderlichen Aufstandsflächenkräfte, das Fahrzeug auf einer gewünschten Bahn zu halten, die verfügbaren Aufstandsflächenkräfte übersteigen, nimmt die Fahrerarbeitslast, um das Fahrzeug auf dem gewünschten Weg zu halten, drastisch zu. Unter diesen Bedingungen wären die durchschnittlichen Fahrer nicht in der Lage, die angeforderte Arbeitslast zu bewältigen. Somit weicht zu jedem Zeitpunkt der Fahrzeugweg im allgemeinen mehr von dem gewünschten weg ab. Hinsichtlich einer Dynamiksystemanalyse ist das Fahrzeug unter dieser Bedingung instabil.

Fahrzeugdynamikinstabilitäten manifestieren sich auf zweierlei Weise; die erste wird so bezeichnet, als wenn ein Fahrzeug untersteuert. Dies ist die Situation, wenn die Fahrzeugvorderreifenkräfte gesättigt sind und der Fahrer nicht in der Lage ist, das Fahrzeug in der gewünschten Richtung zu lenken. Die zweite wird als Übersteuern bezeichnet. Dazu kommt es, wenn die Fahrzeughinterreifenkräfte gesättigt sind und der Fahrer gelegentlich gegenlenken muß, um das Fahrzeug zu stabilisieren.

Für die korrekte Detektion des Übersteuerungszustands sind zwei Ansätze möglich. Der erste erfordert eine Schätzung des Fahrzeugkarosseriedriftwinkels, während das zweite Verfahren einen Schätzwert des Reifen-Straße-Reibungskoeffizienten verwendet, um ein Gierratenziel zu begrenzen.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Reibungsschätzverfahren, das auf jedes Fahrzeug mit aktiven Systemen angewendet werden kann, die den oben für die Übersteuerungsdetektion erwähnten zweiten Ansatz verwenden.

Unter einem ersten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einer Vorrichtung zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten zur Verwendung in einem Fahrzeugdynamiksteuersystem, wobei die Vorrichtung folgendes enthält:
Mittel zum Vergleichen einer gemessenen Fahrzeuggierrate mit einer ungesättigten Zielgierrate, um eine Gierratendifferenz zu erhalten, und Bestimmen, ob die Differenz zwischen voreingestellte Grenzen fällt, Mittel zum Überwachen einer Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung und Detektieren, wenn die Änderungsrate im wesentlichen null beträgt,
und Mittel zum Erzeugen eines Werts für den Reibungskoeffizienten auf der Basis eines skalierten Werts der gemessenen Seitenbeschleunigung, wenn die Differenz zwischen die voreingestellten Grenzen fällt und die Änderungsrate im wesentlichen null ist, wodurch eine seitliche Sättigung von Reifenkräften bezeichnet wird, ansonsten Erzeugen eines Standardwerts für den Reibungskoeffizienten.

Unter einem zweiten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten zur Verwendung in einem Fahrzeugdynamiksteuersystem, einschließlich der folgenden Schritte:
Vergleichen einer gemessenen Fahrzeuggierrate mit einer ungesättigten Zielgierrate, um eine Gierratendifferenz zu erhalten,
Überwachen einer Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung,
wodurch, wenn die Gierratendifferenz innerhalb voreingestellter Grenzen fällt und die Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung im wesentlichen null ist, wodurch eine seitliche Sättigung von Reifenkräften bezeichnet wird,
dann Erzeugen eines Werts für den Reibungskoeffizienten auf der Basis eines skalierten Werts der gemessenen Seitenbeschleunigung,
ansonsten Erzeugen eines Standardwerts für den Reibungskoeffizienten.

Es ist möglich, lediglich den Schritt des Vergleichens der Gierraten auszuführen, um zu deduzieren, daß die Sättigungsgrenze erreicht worden ist. Dies führt jedoch normalerweise zu einer falschen Detektion der Sättigung, wodurch sie zu früh detektiert wird. Durch Ausführen des zusätzlichen Schritts des Überwachens des Beschleunigungs-"Rucks" (Änderungsrate der Beschleunigung) kann eine zuverlässigere Verifikation erfolgen.

Bei weiteren Aspekten stellt die vorliegende Erfindung auch Steuersysteme bereit zum Erleichtern der Fahrzeuggierstabilitätssteuerung durch Steuern einer Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung und Integrieren der Rei bungsschätzvorrichtung und des Reibungsschätzverfahrens des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung.

Es wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, das die Reibungsschätzvorrichtung des ersten Aspekts der Erfindung enthält.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das einen Reibungsschätzer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;

2 ein Blockdiagramm eines ersten Gierstabilitätssteuermoduls, das einen Reibungsschätzer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält,

3 ein Blockdiagramm, das die Operation eines Reibungsschätzers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, und

4 ein Blockdiagramm, das die Operation eines zweiten Gierstabilitätssteuermoduls darstellt, das einen Reibungsschätzer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.

Unter Bezugnahme auf 1 weist ein Fahrzeug 1 vier Räder, 2, 3, 4, 5 und einen Antriebsstrang 6 zum Bereitstellen eines Antriebs für die Hinterräder 4 und 5 auf. Der Antriebsstrang 6 umfaßt einen Motor 7 und ein Getriebe 8 zum Übertragen eines Antriebs auf ein hinteres aktives Differential 9, das wiederum Antriebsdrehmoment auf die Hinterräder 4 und 5 überträgt.
Das Differential 9 ist ein aktives Differential mit begrenztem Schlupf, dessen Sperrgrad von einem Kupplungspaket 10 eingestellt werden kann, das zwischen den beiden Abtriebsseiten des Differentials 9 wirkt.
Die Operation des Kupplungspakets 10 wird von einem Elektromotor 11 gesteuert. Der Elektromotor 11 wird von einem Ausgangssignal von einem Bordsteuermodul 12 angesteuert, das eine optimale Drehmomenttransferanforderung berechnet, wodurch das Differential dem Fahrzeug 1 Gierstabilität verleihen kann.
Das Fahrzeug enthält weiterhin einen Vorderraddrehzahlsensor 13 zum Messen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Ein Ausgang von dem Raddrehzahlsensor 13 ist mit dem Steuermodul 12 verbunden.
Ein Seitenbeschleunigungsmesser 14 und ein Gierratensensor 15 sind ebenfalls an dem Fahrzeug vorgesehen, und ein Ausgang von jedem dieser Sensoren ist an das Steuermodul 12 angeschlossen.
Das Fahrzeug enthält weiterhin ein Lenkrad 16 zum Lenken der Vorderräder 2, 3. Ein Lenkwinkelsensor 17 liefert ein Lenkwinkelsignal, das mit der Lenkeingabe von dem Fahrer variiert. Der Lenkwinkelsensor 17 weist einen Ausgang auf, der an das Steuermodul 12 angeschlossen ist.
Das Steuermodul 12 enthält einen Reibungsschätzer 18, einen Zielgierratengenerator 19 und einen Rückkopplungscontroller 20 (siehe 2).
Der Reibungsschätzer 18 wird nun unter Bezugnahme auf 3 ausführlicher beschrieben.
Der Reibungsschätzer 18 umfaßt zwei Module: ein Sättigungsprüfmodul 21 und ein Reibungsberechnungsmodul 22.
Der Zweck des Sättigungsprüfmoduls 21 besteht darin, zu verifizieren, daß die Reifenkräfte seitlich gesättigt sind, d.h. dabei sind, Haftung zu verlieren. Dies geschieht in einem zweistufigen Prozeß. Zuerst wird ein Vergleich vorgenommen zwischen der gemessenen Gierrate (wie von dem Bordgierratensensor 15 geliefert) und einem im voraus berechneten Wert einer ungesättigten Zielgierrate. Wenn die Differenz zwischen diesen beiden verglichenen Gierraten innerhalb voreingestellter Grenzen fällt, dann wird die zweite Stufe des Prozesses eingeleitet. In dieser zweiten Stufe wird die Seitenbeschleunigung des Fahrzeugs überwacht (unter Verwendung des Eingangssignals von dem Bordseitenbeschleunigungsmesser 14). Wenn sich herausstellt, daß die Änderungsrate der Seitenbeschleunigung im wesentlichen null ist, d.h., die Seitenbeschleunigung ist mehr oder weniger konstant, dann wird auf einer Ausgangsleitung 23 des Sättigungsprüfmoduls 22 ein Flag gesetzt, da dieses bezeichnet, daß die Sättigungsgrenze der Reifenkräfte erreicht worden ist.
Das Reibungsberechnungsmodul 22 empfängt das Flagsignal auf Leitung 23 und schätzt als Reaktion einen Wert für die Reibung durch Anwenden des entsprechenden Skalierfaktors auf den gemessenen Wert der Seitenbeschleunigung (wie von dem Bordseitenbeschleunigungsmesser 14 geliefert). Das Reibungsberechnungsmodul 20 stellt diesen geschätzten Wert für die Reibung auf seiner Ausgangsleitung zur Verwendung durch den Zielgierratengenerator 19 zur Verfügung.
In Fällen, wo bestimmt wird, daß keine Sättigung eintritt, d.h. daß die Differenz zwischen verglichenen Gierraten außerhalb der eingestellten Grenzen liegt oder daß die Seitenbeschleunigung nicht konstant ist, dann setzt das Reibungsberechnungsmodul 20 seinen Ausgang auf einen Standardwert für die Reibung, in diesem spezifischen Beispiel 1,1.
Die Verwendung des geschätzten Reibungskoeffizienten in einem Fahrzeuggierstabilitätssteuersystem wird nun unter Bezugnahme auf die 2 und 4 beschrieben.
Der Reibungsschätzer 18 berechnet einen Schätzwert der Reibung zwischen den Reifen des Fahrzeugs und dem Boden, über den das Fahrzeug fährt, gemäß dem oben beschriebenen verfahren.
Der Reibungsschätzer 18 weist einen Ausgang auf, der an den Eingang des Zielgierratengenerators 19 angeschlossen ist.
Anhand von Informationen, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 13, dem Lenkwinkelsensor 17 und dem Reibungsschätzer 13 geliefert werden, berechnet der Zielgierratengenerator 19 eine (gewünschte) Zielgierrate für das Fahrzeug.
Die berechnete Gierrate wird in den Rückkopplungscontroller 20 gespeist, wo sie mit der tatsächlichen Fahrzeuggierrate nach Messung durch den Gierratensensor 15 verglichen wird.
Der Rückkopplungscontroller detektiert beim Vergleichen der beiden Gierratenwerte an seinen Eingängen, ob ein Übersteuerungszustand vorliegt. wenn dies der Fall ist, wird von dem Rückkopplungscontroller 20 ein Fehlersignal erzeugt. Das Signal wird an den Elektromotor 11 zur Steuerung der Operation des Differentials 9 angelegt. Je nach der Größe der Differenz zwischen der Ziel- und tatsächlichen Gierrate kann der Rückkopplungscontroller 20 das entsprechende Steuersignal für das Differential 9 für eine optimale Drehmomentverteilung zwischen den angetriebenen Rädern 4, 5 erzeugen.
Die Operation eines zweiten Gierstabilitätssteuermoduls wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Das Steuermodul 21 von 4 enthält den gleichen Reibungsschätzer 18, Zielgierratengenerator 19 und Rück kopplungscontroller 20 von 2 und zusätzlich einen Vorwärtskopplungscontroller 24 und einen Summierer 25.
Die zusätzlichen Komponenten, die den Vorwärtskopplungscontroller 24 und den Summierer 25 umfassen, gestatten eine Kompensation einer etwaigen Langsamkeit bei der Reaktion des Differentials 9, seines Kupplungspakets 10 oder des Motors 11. Der Vorwärtskopplungscontroller 25 weist einen an den Ausgang des Zielgierratengenerators angeschlossenen Eingang auf.
Unter Verwendung des berechneten Zielgierratenwerts und Informationen von einem gespeicherten Modell von Fahrzeugparametern berechnet der Vorwärtskopplungscontroller ein Korrektursignal, das in dem Summierer mit dem ausgegebenen Fehlersignal von dem Rückkopplungscontroller 20 summiert wird. Der resultierende summierte wert wird dann an den Elektromotor 11 zur Steuerung der Operation des Differentials 9 angelegt (siehe 1).

Claims

Vorrichtung zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten zur Verwendung in einem Fahrzeugdynamiksteuersystem, wobei die Vorrichtung folgendes enthält: Mittel zum Vergleichen einer gemessenen Fahrzeuggierrate mit einer ungesättigten Zielgierrate, um eine Gierratendifferenz zu erhalten, und Bestimmen, ob die Differenz zwischen voreingestellte Grenzen fällt, Mittel zum Überwachen einer Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung und Detektieren, wenn die Änderungsrate im wesentlichen null beträgt, und Mittel zum Erzeugen eines Werts für den Reibungskoeffizienten auf der Basis eines skalierten Werts der gemessenen Seitenbeschleunigung, wenn die Differenz zwischen die voreingestellten Grenzen fällt und die Änderungsrate im wesentlichen null ist, wodurch eine seitliche Sättigung von Reifenkräften bezeichnet wird, und ansonsten Erzeugen eines Standardwerts für den Reibungskoeffizienten.
Verfahren zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten zur Verwendung in einem Fahrzeugdynamiksteuersystem, einschließlich der folgenden Schritte: Vergleichen einer gemessenen Fahrzeuggierrate mit einer ungesättigten Zielgierrate, um eine Gierratendifferenz zu erhalten, Überwachen einer Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung, wodurch, wenn die Gierratendifferenz innerhalb voreingestellter Grenzen fällt und die Änderungsrate der Fahrzeugseitenbeschleunigung im wesentlichen null ist, wodurch eine seitliche Sättigung von Reifenkräften bezeichnet wird, dann Erzeugen eines Werts für den Reibungskoeffizienten auf der Basis eines skalierten Werts der gemessenen Seitenbeschleunigung, ansonsten Erzeugen eines Standardwerts für den Reibungskoeffizienten.
Steuersystem zum Steuern einer Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung, die ausgelegt ist, Drehmoment auf mehrere angetriebene Räder eines Fahrzeugs zu verteilen, wobei das Steuersystem folgendes enthält: die Vorrichtung zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten nach Anspruch 1, Mittel zum Berechnen einer Zielgierrate unter Verwendung des geschätzten Reibungswerts und Mittel zum Vergleichen der berechneten Zielgierrate mit einer gemessenen Gierrate zum Erzeugen eines Antriebsdrehmomenttransferanforderungssignals zum Steuern der Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung.
Steuersystem nach Anspruch 3, bei dem die Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung ein eine Reibungskupplung enthaltendes Differential ist.
Steuersystem nach Anspruch 3, bei dem die Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung weiterhin einen Elektromotor zum Betätigen der Reibungskupplung enthält.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Mittel zum Berechnen der Zielgierrate weiterhin dafür ausgelegt ist, die Rate unter Verwendung von Informationen von einem Lenkwinkelsensor und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zu berechnen, wobei sich beide der Sensoren an Bord des Fahrzeugs befinden.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, weiterhin mit Mitteln zum Anlegen eines Korrektursignals an das Antriebsdrehmomenttransferanforderungs signal zum Kompensieren für eine finite Reaktionszeit der Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung.
Fahrzeug, das die Vorrichtung zum Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten gemäß Anspruch 1 enthält.
Fahrzeug, das ein Steuersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7 enthält.
Verfahren zum Steuern einer Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie Drehmoment auf mehrere angetriebene Räder eines Fahrzeugs verteilt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Schätzen eines Straße-Reifen-Reibungskoeffizienten gemäß dem Verfahren nach Anspruch 2, Berechnen einer Zielgierrate unter Verwendung des Schätzwerts des Reibungskoeffizienten und Vergleichen der berechneten Zielgierrate mit einer gemessenen Gierrate zum Produzieren eines Antriebsdrehmomenttransferanforderungssignals zum Steuern der Antriebsdrehmomenttransfereinrichtung.