DE102007007282A1

DE102007007282A1 - Verfahren zum Schätzen von Reibwerten

Info

Publication number: DE102007007282A1
Application number: DE102007007282A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Fritz; Zhenfu Dr. Chen; Matthias Muntu
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen von Reibwerten bei einem mindestens vierrädrigen Fahrzeug. Um die Genauigkeit der Reibwertermittlung zu verbessern, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass jeweils ein Kraftschluss (µy,f, µy,r) achsindividuell aus den in einem Modell ermittelten Seitenkräften (Fy,f, Fy,r) und Achslasten (Fz,f, Fy,y) und der Reibwert der Fahrbahn anhand eines Vergleichs der beiden Kraftschlüsse geschätzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen von Reibwerten.

Hohe dynamische Kurven- oder Spurwechselmanöver können zu Fahrzeuginstabilitäten führen. Ein instabiler Fahrzustand liegt im Extremfall immer dann vor, wenn das Fahrzeug den Vorgaben des Fahrers nicht mehr folgt. Um das Fahrzeug bei diesen dynamischen Kurvenmanövern zu stabilisieren, sind Fahrdynamikregelungen vorgesehen. Die Funktion einer Fahrstabilitätsregelung besteht also darin, innerhalb der physikalischen Grenzen in derartigen Situationen dem Fahrzeug das vom Fahrer gewünschte Fahrzeugverhalten zu verleihen. Unter Fahrstabilitätsregelungen versteht man eine Vielzahl von Prinzipien zur Beeinflussung des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs mittels vorgebbarer Drücke bzw. Bremskräfte in oder an einzelnen Radbremsen und mittels Eingriff in das Motormanagement des Antriebsmotors. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Giermomentenregelung (ESP), welche für stabile Fahrzustände beim Gieren um die Hochachse des Fahrzeugs sorgt. Dem ESP-Regeler ist in der Regel eine Bremsschlupfregelung (ABS) unterlagert, welche während des Bremsvorgangs ein Blockieren der Räder verhindern soll. Eine Giermomentenregelung mit unterlagerten ABS-, ASR und EBV-Reglern ist in der DE 195 15 061 A1 beschrieben, deren Inhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Wie der DE 195 15 061 A1 zu entnehmen ist, wird bei einer Giermomentenregelung die Ist-Gierrate mit einem Giergeschwindigkeits sensor gemessen, während die Soll-Gierrate in einem Fahrzeugmodell aus dem Lenkwinkel, der Querbeschleunigung und der Fahrzeuggeschwindigkeit gebildet wird. Weiterhin wird bei der Berechnung der Haftreibwert der Fahrbahn berücksichtigt, der im ESP-Regler aus der Quer- und Längsbeschleunigung geschätzt wird.

Die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Reibwertschätzung ist von großer Bedeutung für die ESP-Regelung, da sie in die Berechnung des Referenzfahrzeugmodells und in die Regelstrategie des ESP-Reglers eingeht. Das bekannte Verfahren der Reibwertschätzung basiert auf der Annahme, dass alle viere Räder gleichzeitig die Haftgrenze der Fahrbahn erreicht haben und die resultierende Beschleunigung a des Schwerpunktes dem Reibwert der Fahrbahn entspricht:
Die bisherige Schätzung des Reibwerts beruht daher auf der Beziehung

μ ^ = ag

Der damit geschätzte Reibwert ist meistens zu klein, weil eine Instabilität des Fahrzeuges bereit vorliegt, wenn eine Achse des Fahrzeuges die Haftgrenze erreicht hat und die andere Achse den Reibwert noch nicht vollständig ausgenutzt hat. Es ist daher wünschenswert, den Reibwert der Fahrbahn genauer und zuverlässiger zu schätzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schätzen von Reibwerten bei einem mindestens vierrädrigen Fahrzeug zu schaffen, mit dem der Reibwert der Fahrbahn genauer und zuverlässiger geschätzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass jeweils ein Kraftschluss achsindividuell aus den in einem Modell ermittelten Seitenkräften und Achslasten, und der Reibwert der Fahrbahn anhand eines Vergleichs der beiden Kraftschlüsse geschätzt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Verbesserung der Genauigkeit, der Schnelligkeit und Zuverlässigkeit für die Reibwertabschätzung durch Einbeziehen der Fahrzeugquer- und längsdynamik in Form des vorgestellten mathematischen Modells erzielt. Hierbei wird eine Möglichkeit zur Erkennung eines Reibwert – Sprungs zur Verfügung gestellt. Das einfache und zuverlässige Abschätzungsverfahren für den Reibwert erfordert keine zusätzlichen Sensoren.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der seitliche Kraftschluss der Vorderachse und der Hinterachse des Kraftfahrzeuges getrennt berechnet wird. In kritischer Fahrsituation oder bei hoch querdynamischen Fahrmanövern wird immer eine Achse des Fahrzeugs die Haftgrenze der Fahrbahn zuerst erreichen. Die beiden Kraftschlüsse sind unterschiedlich. Der größere ist deutlich näher an dem Haftbeiwert der Fahrbahn als der Mittelwert. Durch logische Verknüpfung weiterer Bedingungen kann man einen Reibwert – Sprung erkennen. Im Bremsfall und/oder ESP-Eingriffsfall werden die Bremskräfte abgeschätzt. Unter Berücksichtigung der Bremskräfte werden die Achslasten und die Seitenkräfte der beiden Achsen berechnet. Damit werden der seitliche Kraftschluss und Bremskraftschlussbeiwert jeder Achse des Fahrzeugs getrennt berechnet. Danach wird der resultierende Kraftschlussbeiwert für jede Achse abgeleitet. Aus den beiden resultierenden Kraftschlussbeiwerten wird der größere ausgesucht, der als Reibwert der Fahrbahn geschätzt wird, wenn das Fahrfahrzeug zur Instabilität tendiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung angegeben und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen
1 die Fahrzeugbewegungsgleichungen ohne Bremseneingriff
2 die Achslasten und seitlichen Kraftschlüsse des Fahrzeugs
3 die Bedingungen für die Ermittlung des Reibwerts für eine homogene Fahrbahn
4 die Bedingungen für einen Reibwert-Sprung
5 die Fahrzeugbewegungsgleichungen bei einem Bremseneingriff
6 die Achslasten bei einem Bremseneingriff
Zuerst wird der Fall der Fahrzeugdynamik ohne Bremseingriff gemäß den 1 bis 4 betrachtet. Dabei ist die Längsbeschleunigung so klein, dass die Umfangskräfte der Reifen vernachlässigt werden können. Das entspricht den meisten Situationen für Kurvenfahrten oder Spurwechseln oder Doppelt- Spurwechseln. Danach können die Seitenkräfte anhand folgender Bewegungsgleichungen berechnet werden: m·ay = Fy,f + Fy,r Jz·ψ .. = Fy,f·lf – Fy,r·lr
Der Index f kennzeichnet dabei die Größen der Vorderachse, r die Größen der Hinterachse. M = Masse, a_y = die Querbeschleunigung, l mit Index jeweils den Abstand der Achsen zum Schwerpunkt und J_z = Trägheitsmoment des Fahrzeugs um die durch den Schwerpunkt gehende Hochachse.
Zu
Die Achslasten lassen sich wie folgt berechnen:
Der seitliche Kraftschluss der Vorderachse ergibt sich
und der seitliche Kraftschluss der Hinterachse lautet:
In der kritischen Situation wird eine der beiden Achsen die Haftgrenze zuerst erreichen. Durch Vergleich der beiden Kraftschlüsse kann der Haftbeiwert der Fahrbahn wie folgt abgeschätzt werden: μ ^ = max(μy,f, μy,r) falls der Unterschied zwischen den beiden Kraftschlüssen nicht zu groß ist. Die Bedingung lautet:
Dabei ist Thr_homogen der Schwellwert für die Differenz der Kraftschlüsse der beiden Achsen im Prozent auf einer homogenen Fahrbahn.
Wenn der Unterschied zwischen den beiden Kraftschlüssen sehr groß ist, gibt es folgende zwei Möglichkeiten:

a) Die Fahrbahn ist homogen, nur eine Achse hat die Haftgrenze erreicht und die andere hat nur sehr kleine Seitenkraft. In diesem Fall ist der größer seitliche Kraftschluss der abgeschätzte Reibwert.

Der Fall a) kommt vor, wenn der Fahrer sehr schnell einlenkt oder zurücklenkt. Durch die Auswertung der Lenkradwinkelgeschwindigkeit δ ._Lenk und die Korrelation zwischen der Lenkradwinkelgeschwindigkeit δ ._Lenk und der Fahrzeuggierbeschleunigung ψ .. kann man eine solche Situation feststellen.
Also wenn folgende Bedingungen

• |δ ._Lenk| > K1 für schnell Lenkbewegung, (k1 ist ein Schwellwert)
• δ ._Lenk und ψ .. haben das gleiche Vorzeichen
• δ ._Lenk hat einen Phasenvorzug gegenüber ψ .. gleichzeitig erfüllt sind, kann man vom Fall a) ausgehen.
b) Die Fahrbahn ist nichthomogen. Die Vorder- und Hinterachse haben unterschiedliche Reibwerte. Beiden Achsen haben ihre Haftgrenzen erreicht. Es handelt sich um einen Reibwert (μ) – Sprung. Dabei gibt es zwei unterschiedliche geschätzte Reibwerte:

Der Fall b) ist gekennzeichnet durch das nicht vorhersehbare Fahrzeugverhalten beim Übertritt der Vorderachse durch den μ – Sprung. Die große Fahrzeuggierbeschleunigung ψ .. ist nicht durch die gezielte Lenkbewegung verursacht. Deswegen gibt es am Anfang keine schnelle Lenkbewegung. Der Fahrer wird meistens auf das nicht erwartete Fahrzeugverhalten reagieren. Um das Fahrzeug zu stabilisieren, wird der Fahrer so reagieren, dass er eine Gegenlenkung ausführt.
Wenn eine der folgenden Bedingungen

• |δ ._Lenk| < K2 keine schnelle Lenkbewegung, (k2 ist ein Schwellwert) oder
• δ ._Lenk und ψ .. haben unterschiedliche Vorzeichen und δ ._Lenk hat einen Phasennachzug gegenüber ψ ..

Wenn ein fahrerunabhängiger ESP – Eingriff oder/und ein fahrerabhängiger Bremseneingriff vorkommt, werden die Achslasten, die Bremskräfte der Eingriffsräder und die Seitenkräfte der beiden Fahrzeugachsen wie folgt berechnet. Die Bremskraft der einzelnen Räder wird mit B_f,l, B_f,r, B_r,l und B_r,r für vorn links, vorn rechts, hinten links und hinten rechts bezeichnet. Die Summe B der Bremskräfte lässt sich aus der Fahrzeuglängsdynamik berechnen: m·ax = B = Bf,l + Bf,r + Br,l + Br,r
Hier ist a_x die Fahrzeugverzögerung, die entweder mit einem Beschleunigungssensor gemessen oder anhand der Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit abgeleitet werden kann. Um die einzelnen Bremskräfte zu schätzen, kann man den Bremskennwert B_f* der Vorderräder und den Bremskennwert B_r* der Hinterräder sowie die Bremsdrücke p_f,l, p_f,r, p_r,l, P_r,r der einzelnen Räder benutzen:
Die Bremsdrücke können direkt mit Drucksensoren gemessen oder mit einem an sich bekannten Druckmodell geschätzt werden. Bei einem ESP – Bremseneingriff muss zuerst festgestellt werden, an welchen Rad der ESP – Eingriff stattfinden soll. In der Regel gibt es nur ein einziges Rad, das kurvenäußere Vorderrad, für den ESP – Eingriff in einer vorgegebenen Fahrsituation. In diesem Fall ist die Bremskraft am ESP-Eingriffsrad gleich der Gesamtbremskraft des Fahrzeuges. Die restlichen drei Räder haben keine Bremskraft.
Die Achslasten F_z,f und F_z,r lassen sich wie folgt berechnen:
Die Seitenkräfte der beiden Achsen können anhand folgender Bewegungsgleichungen berechnet werden: m·ay = Fy,f + Fy,r Jz·ψ .. = Fy,f·lf – Fy,r·lr + (Bf,l – Bf,r + Br,l – Br,r)·s/2
Zu
Der seitliche Kraftschluss der Vorderachse ergibt sich
und der seitliche Kraftschluss der Hinterachse lautet:
Der Bremskraftschlussbeiwert der Vorderachse wird nach der Definition wie folgt berechnet:
Auf der gleichen Weise ergibt sich der Bremskraftschlussbeiwert für die Hinterachse:
Der resultierende Kraftschlussbeiwert μ_f der Vorderachse lässt sich aus dem seitlichen Kraftschluss und den Bremskraftschlussbeiwert der Vorderachse zusammensetzen:
Analog dazu ergibt sich der resultierende Kraftschlussbeiwert μ_r für die Hinterachse:
Wenn sich das Fahrzeug im stabilen Zustand befindet, sind die beiden Kraftschlussbeiwerte kleiner als der Reibwert der Fahrbahn. Falls das Fahrzeugverhalten instabil wird, dann geht man davon aus, dass eine Achse die Reibwertgrenze der Fahrbahn erreicht hat, dann vergleicht man die beiden Kraftschlussbeiwerte miteinander. Der größere wird als der Reibwert der Fahrbahn angesehen werden: μ ^ = max(μf, μr)
Die Instabilität des Fahrzeugs kann erkannt werden durch folgende Merkmale:

• Die Abweichung zwischen der Referenzgierrate und der gemessenen Gierrate hat einen bestimmten Schwellwert überschritten oder
• Die ESP-Regelung ist aktiv oder
• Ein oder mehrere Räder haben bestimmten Schwellwert für den Bremsschlupf überschritten oder
• Das ABS ist aktiv

Claims

Verfahren zum Schätzen von Reibwerten bei einem mindestens vierrädrigen Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kraftschluss (μ_y,f, μ_y,r)achsindividuell aus den in einem Modell ermittelten Seitenkräften (F_y,f, F_y,r) und Achslasten (F_z,f, F_y,y) und der Reibwert der Fahrbahn anhand eines Vergleichs der beiden Kraftschlüsse geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modellbasierten Seitenkräfte im ungebremsten Fall nach den Beziehungen
berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modellbasierten Achslasten im ungebremsten Fall nach den Beziehungen
berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Kraftschluss an der Vorderachse nach der Beziehung
und der seitliche Kraftschluss an der Hinterachse nach der Beziehung
ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert der Fahrbahn nach der Beziehung μ ^ = max(μ_y,f, μ_y,r) ermittelt wird, wenn die Bedingung
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert der Fahrbahn nach der Beziehung μ ^ = max(μ_y,f, μ_y,r) ermittelt wird, wenn die Bedingungen |δ ._Lenk| > K1 für schnell Lenkbewegung, (k1 ist ein Schwellwert), δ ._Lenk und ψ .. haben das gleiche Vorzeichen, δ ._Lenk hat einen Phasenvorzug gegenüber ψ .., erfüllt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert der Fahrbahn nach der Beziehung μ ^_y,f = μ_y,f und μ ^ = μ_y,r ermittelt werden, wenn die Bedingungen |δ ._Lenk| < K2 keine schnelle Lenkbewegung, (k2 ist ein Schwellwert) oder δ ._Lenk und ψ .. haben unterschiedliche Vorzeichen und δ ._Lenk hat einen Phasennachzug gegenüber ψ .. erfüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modellbasierten Seitenkräfte im gebremsten Fall nach den Beziehungen
berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modellbasierten Achslasten im gebremsten Fall nach den Beziehungen
berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des seitlichen Kraftschlusses (μ_y,f, μ_y,r) Größen berücksichtigt werden, die die Fahrzeugverzögerung a_x und die Bremskräfte B wiedergeben.
Verfahren nach Anspruch 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass er seitliche Kraftschluss für die Vorderachse nach der Beziehung
und für die Hinterachse nach der Beziehung
ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende seitliche Kraftschluss für die Vorderachse nach der Beziehung
und für die Hinterachse nach der Beziehung
ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert der Fahrbahn nach der Beziehung μ ^ = max(μ_f, μ_r) ermittelt wird.