DE102007008342A1

DE102007008342A1 - Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugverbundes

Info

Publication number: DE102007008342A1
Application number: DE102007008342A
Authority: DE
Inventors: Christian Lundquist
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: US8010253B2; DE102007008342B4; US20080196964A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugverbundes, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem Anhänger, wird mindestens eine den Fahrzustand beschreibende Fahrzeugzustandsgröße ermittelt und aus einem Vergleich mit einem zugeordneten Sollwert eine Stellgröße erzeugt, die einem Aktuator im Fahrzeug zugeführt wird. Die Stellgröße beaufschlagt einen Lenkaktuator zur Verstellung des Radlenkwinkels.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugverbundes, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem Anhänger, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 100 30 128 A1 ist es bekannt, zur Stabilisierung von Gliederzügen, welche aus einem Zugfahrzeug und einem über eine Deichsel angehängten Anhänger bestehen, mittels einer Sensorik im Zugfahrzeug Differenzen zwischen dem Kurswunsch des Fahrers und der tatsächlichen Fahrzeugbewegung zu erfassen und daraufhin einzelne Räder der Anhängerachse abzubremsen, um hierdurch dynamische Fahrinstabilitäten zu vermeiden. Durch das Abbremsen des Anhängers streckt sich der Fahrzeugverbund, was die Gefahr des Einknickens zwischen Zugfahrzeug und Anhänger reduziert.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen einen Fahrzeugverbund, der ein Zugfahrzeug und einen Anhänger umfasst, zu stabilisieren. Dies soll grundsätzlich auch ohne Betätigung des Bremssystems im Fahrzeugverbund durchzuführen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Stabilisierung des Fahrzeugverbundes wird mindestens eine den Fahrzustand beschreibende Fahrzustandsgröße ermittelt, und zwar entweder durch Messung oder durch Berechnung, beispielsweise mithilfe eines Beobachters, und einem Vergleich mit einem zugeordneten Sollwert zugrunde gelegt. Aus diesem Vergleich wird eine Stellgröße erzeugt, die einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung der aktuellen Einstellung zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stellgröße einen Lenkaktuator beaufschlagt, wodurch der Radlenkwinkel an mindestens einem lenkbaren Fahrzeugrad verändert wird.
Auf diese Weise kann bei einer drohenden oder bereits erfolgten Instabilität des Fahrzeugverbundes eine Stabilisierung allein über eine Beeinflussung der Lenkung durchgeführt werden. Zusätzliche stabilisierende Maßnahmen können im Fahrzeug zwar vorgesehen sein, sie sind aber zur Vermeidung einer Schlingerbewegung des Fahrzeugverbundes nicht zwingend erforderlich. So kann es zwar zweckmäßig sein, zusätzlich zur Lenkbeeinflussung auch einen Bremseingriff und/oder einen Eingriff in die Motorsteuerung vorzunehmen, im Prinzip reicht aber der Lenkeingriff zur Stabilisierung aus.
Der Lenkeingriff erfolgt grundsätzlich über die lenkbaren Räder des Zugfahrzeuges. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, einen Lenkeingriff am Anhänger durchzuführen, sofern dieser über lenkbare Räder verfügt.
Als Fahrzeugzustandsgröße, die als Regelgröße beeinflusst wird, wird insbesondere die Gierrate herangezogen. Zusätzlich oder alternativ kann auch der Anhängerwinkel als Regelgröße berücksichtigt werden, der die Winkelabweichung zwischen den Längsachsen von Zugfahrzeug und Anhänger bezeichnet. Allgemein kommt jede Fahrzeugzustandsgröße als Regelgröße in Betracht, aus der sich eine Information über die Fahrzeugquerdynamik entnehmen lässt, also sämtliche Fahrzeugzustandsgrößen bzw. eine Kombination hiervon mit Bezug zur Fahrzeugquerdynamik. Dies kann ggf. auch der Lenkwinkel, die Quergeschwindigkeit bzw. Querbeschleunigung oder die Winkelgeschwindigkeitsdifferenz an den Fahrzeugrädern sein.
Für die Regelung, die zur Stabilisierung des Fahrzeugverbundes erforderlich ist, können sowohl lineare als auch nichtlineare Regelungsansätze verwendet werden. Da das Fahrzeug-Anhänger-Modell, welches als mathematisches Ersatzmodell der Regelung zugrunde liegt, nichtlinear ist, ist für den Einsatz eines linearen Reglers eine Linearisierung um einen definierten Arbeitspunkt erforderlich. Möglich ist aber auch der Einsatz nichtlinearer Regelungen, beispielsweise von Kompensationsreglern (auch bekannt als feed backward oder feedback linearisation), die auf dem Grundprinzip eines inversen Fahrzeugmodells basieren. Bei hinreichender Güte des Modells wird das reale Fahrzeugverhalten durch das Modell kompensiert und es entsteht ein lineares Regelungsverhältnis.
Es kann zweckmäßig sein, vor und/oder nach dem Regler eine Begrenzung vorzusehen, um einerseits Unterschiede zwischen Soll- und Istwert nur für den Fall wirksam werden zu lassen, dass der Unterschied eine relevante Schwelle überschreitet, und andererseits die Differenz zwischen Soll- und Istwert auf einen maximalen Wert zu deckeln, um übergroße Regeleingriffe zu vermeiden. Bei einem dem Regler nachgeschalteten Begrenzer wird die Höhe des Regeleingriffes auf einen Maximalwert beschränkt.
Die dem Regler zuzuführende Differenz zwischen Soll- und Istwert kann ggf. einer Integration unterzogen werden, um hierdurch die Dynamik des Fahrverhaltens zu berücksichtigen, was über eine Anpassung der Grenzen in dem Begrenzer erfolgen kann. Ist beispielsweise das Fahrzeug über einen bestimmten Zeitraum instabil, so kann die Begrenzung herabgesetzt werden, so dass der Regelungsalgorithmus häufiger durchlaufen wird und mit größerer Amplitude eingreift. Umgekehrt kann die Begrenzung hochgesetzt werden, wenn das Fahrzeug einschließlich Anhänger für einen Mindestzeitraum stabil läuft.
Die Begrenzung bezieht sich vorteilhafterweise auf die Differenz zwischen Sollwert und Istwert der betrachteten Fahrzeugzustandsgröße. Um die Größe der Begrenzung der betreffenden Fahrzeugzustandsgröße festzulegen, können weitere Fahrzeugzustandsgrößen und/oder Parameter einfließen, beispielsweise der Schwimmwinkel, die Reifenkräfte oder der maximale Reibwert in die Begrenzung einfließen.
Das Verfahren wird in einem Lenksystem realisiert, welches zumindest über eine Lenkhandhabe – üblicherweise ein Lenkrad-, ein Lenkgestänge und einen Lenkaktuator verfügt, wobei der über die Lenkhandhabe vorgegebene Lenkwinkel mithilfe des Lenkgestänges auf das lenkbare Fahrzeugrad umgesetzt wird und der Lenkaktuator ein unterstützendes Moment erzeugt. Alternativ oder zusätzlich zu einem unterstützenden Moment ist es auch möglich, bei einer Ausführung als aktives Lenksystem einen Überlagerungslenkwinkel vorzugeben, welcher dem vom Fahrer gewünschten Lenkwinkel überlagert wird. Grundsätzlich eignet sich das Verfahren zur Anwendung in EPS-Lenksystemen (electrical power steering) mit einem Elektromotor als Lenkaktuator. Es kommen aber auch sonstige Lenksysteme in Betracht, beispielsweise elektrohydraulische Lenksysteme.
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 Lenkgetriebe und einem vorgeschalteten Überlagerungsgetriebe,
2 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugverbundes, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem Anhänger, wobei im Zugfahrzeug ein Lenksystem gemäß 1 realisiert ist,
3 ein Blockschaltbild zur Durchführung eines Verfahrens zur Stabilisierung des Fahrzeugverbundes mit Zugfahrzeug und Anhänger,
4 ein Schaubild mit einer Begrenzungsfunktion, die zur Begrenzung des Reglereinganges und/oder des Reglerausganges eingesetzt werden kann.
Das in 1 in schematischer Darstellung gezeigte Lenksystem 1 in einem Kraftfahrzeug umfasst eine als Lenkrad 2 ausgeführte Lenkhandhabe, eine mit dem Lenkrad 2 verbundene Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 6 mit einem Lenkaktuator 9 und ein Lenkgestänge 7, welches mit den lenkbaren Vorderrädern 8 verbunden ist. Der vom Fahrer über das Lenkrad 2 vorgegebene Lenkwinkel δ_S wird über die Lenkwelle 3 und das Lenkgetriebe 6 in einen Zahnstangenhub des Lenkgestänges 7 übertragen, wodurch in den lenkbaren Vorderrädern 8 ein Radlenkwinkel δ_F eingestellt wird. Über den Lenkaktuator 9, der vorzugsweise als Elektromotor ausgeführt ist, kann situationsabhängig zur Lenkunterstützung ein Motorstellmoment über das Lenkgetriebe 6 in das Lenksystem eingespeist werden. Anstelle eines Elektromotors kann der Lenkaktuator 9 auch als elektrohydraulisches Stellglied ausgeführt sein.
Das Lenksystem 1 weist außerdem ein Überlagerungslenkgetriebe 4 mit einem Stellmotor 5 auf, wobei das Überlagerungsgetriebe 4 in der Lenkwelle 3 zwischengeschaltet ist. Bei Betätigung des Stellmotors 5 wird ein Überlagerungslenkwinkel δ_M erzeugt, welcher dem vom Fahrer erzeugten Lenkwinkel δ_S zum resultierenden Lenkwinkel δ'_S überlagert wird. Bei Nichtbetätigung des Stellmotors 5 wird auch kein Überlagerungslenkwinkel δ_M erzeugt; in diesem Fall wird der vom Fahrer erzeugte Lenkwinkel δ_S unmittelbar dem Lenkgetriebe 6 als Eingangsgröße zugeführt.
Auf das Überlagerungsgetriebe 4 einschließlich Stellmotor 5 kann ggf. auch verzichtet werden.
Der Lenkaktuator 9 wird mittels einer Stellgröße S verstellt, die in einem Regel- bzw. Steuergerät erzeugt wird, in welchem das Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugverbunds durchlaufen wird. Die Stellgröße S bewirkt eine Verstellung des Lenkaktuators 9 und damit die gewünschte Einstellung des Vorderradlenkwinkels δ_F.
In 2 ist ein Fahrzeugverbund 10 dargestellt, der aus einem Zugfahrzeug 11 und einem Anhänger 12 besteht, der über eine feste Deichsel 13 schwenkbar mit dem Zugfahrzeug 11 gekoppelt ist. Die Vorderräder 8 des Zugfahrzeugs 11 sind lenkbar ausgebildet. Eingetragen sind in 2 die Winkel ψ₁, ψ₂ und γ, von denen ψ₁ und ψ₂ den Gierwinkel des Zugfahrzeugs 11 bzw. des Anhängers 12 und γ den Anhängerwinkel bezeichnet, der die Winkelabweichung zwischen der Längsachse des Anhängers 12 gegenüber der Längsachse des Zugfahrzeugs 11 darstellt.
In 3 ist ein Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Der erste Block 20 repräsentiert die Kinematik des Systems. In Abhängigkeit von verschiedenen Zustandsgrößen und Parametern, insbesondere der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ν_x, dem maximalen Reibwert μ_max zwischen Rädern und Straße, dem Schwimmwinkel β und dem aktuellen Radlenkwinkel δ_F, wird auf der Grundlage der kinematischen Beziehungen im Block 20 der Sollwert ψ ._d der Gierrate bestimmt. Im darauffolgenden Block 21 wird das dynamische Fahrzeugverhalten mittels Filtern mit einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung modelliert; der dabei gewonnene Sollwert ψ ._d der Gierrate spiegelt das dynamische Fahrzeugverhalten wider.
Zur Bestimmung der Regelabweichung wird von dem Sollwert ψ ._d der Gierrate im nachfolgenden Block 22 der zugeordnete Istwert ψ ._m der Gierrate subtrahiert. Die Differenz Δψ . der Gierrate wird als Eingangswert einem nachfolgenden Block 23 zugeführt, in welchem ein Begrenzer realisiert ist, der die Aufgabe hat, die Differenz Δψ . der Gierrate mithilfe einer Totzeitfunktion in der Weise zu begrenzen, dass bei Differenzen unterhalb eines Schwellenwertes keine Lenkeingriffe durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Begrenzer 23 der Differenzwert auf einen Maximalwert gedeckelt werden. Die Begrenzungsfunktion ist in 4 beschrieben und wird dort im Detail erläutert.
Zusätzlich können in die Begrenzungsfunktion im Block 23 die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ν_x, der maximale Reibwert μ_max, der Schwimmwinkel β, der Radlenkwinkel δ_F sowie die Differenz zwischen Sollwert γ_d und Istwert γ_m des Anhängerwinkels als Eingangsgröße einfließen. Diese Zustandsgrößen bzw. Parameter können in einem vorgelagerten Block 24 generiert werden, in dem ein Beobachtermodell realisiert ist. In dem Beobachter werden auf der Grundlage eines mathematischen Modells die gesuchten Größen errechnet, und zwar in Abhängigkeit von gemessenen Zustandsgrößen bzw. Parametern, insbesondere den Raddrehzahlen ω_ij, dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel δ_S sowie dem Istwert γ_m des Anhängerwinkels.
Die im Block 23 begrenzte Differenz ψ . der Gierrate wird nachfolgend dem Block 25 zugeführt, welcher einen Regler repräsentiert. In dem Regler wird eine Regelgröße generiert, die allgemein als Zustandsgröße x bezeichnet ist und am Ausgang des Reglers anliegt. Bei dieser Zustandsgröße handelt es sich insbesondere um eine die Querdynamik des Fahrzeugverbunds charakterisierende Größe, beispielsweise die Gierbeschleunigung.
Die Regel- bzw. Zustandsgröße x wird im weiteren Verlauf dem Block 26 als Eingangsgröße zugeführt, in welchem ein so genanntes inverses mathematisches Fahrzeugmodell realisiert ist. Gemeinsam mit dem Regler im Block 25 kann ein nichtlinearer Regelungsansatz durchgeführt werden, in dem der Regler als Kompensationsregler ausgeführt wird, wobei bei hinreichender Güte des inversen Fahrzeugmodells im Block 26 das reale Fahrzeug – in 3 im Block 29 abgebildet – kompensiert wird und ein lineares Regelungsverhältnis entsteht. Zusätzliche Eingangsgrößen in den Block 26 sind die vom Beobachtermodell aus dem Block 24 generierten Zustandsgrößen und Parameter. Außerdem wird in einer rückführenden Schleife der Radlenkwinkel δ_F dem inversen Fahrzeugmodell als Eingangsgröße zugeführt.
Als Ausgangsgröße liefert das inverse Fahrzeugmodell aus dem Block 26 den Überlagerungslenkwinkel δ_M. Dieser wird in einem nachfolgenden Schritt 27, der das Überlagerungslenkgetriebe des Überlagerungslenksystems repräsentiert und beispielsweise als Planetengetriebe ausgeführt ist, zum Lenkwinkel δ_S hinzuaddiert, der vom Fahrer vorgegeben wird und in einem Block 28, der ein Lenkgetriebe repräsentiert, umgesetzt wird. Sofern keine Überlagerungslenkung im Lenksystem vorgesehen ist, kann der Block 27 auch eine Momentenüberlagerung einer elektrischen Servolenkung (EPS) darstellen.
Der Lenkwinkel δ_S des Fahrers und der Überlagerungslenkwinkel δ_M führt zu einem Radlenkwinkel δ_F bzw. einer entsprechenden Stellgröße (in 1 mit S bezeichnet), die als Eingangsgröße einem Aktuator im realen Fahrzeug zugeführt wird, das im Block 29 repräsentiert ist. Daraufhin stellt sich ein gewünschter Istwert ψ ._m der Gierrate ein. Sofern ein Überlagerungslenkgetriebe vorgesehen ist, ist die Stellgröße S der Sollwert des Überlagerungslenkwinkel δ_M.
Bei dem in 3 betrachteten Gierwinkel ψ handelt es sich insbesondere um den Gierwinkel des Zugfahrzeugs. Gegebenenfalls kommt aber auch der Gierwinkel des Anhängers oder eine sonstige Zustandsgröße in Betracht, insbesondere eine die Querdynamik des Systems repräsentierende Zustandsgröße.
In 4 ist eine Begrenzungsfunktion dargestellt, die zur Begrenzung des Reglereinganges, also im Block 23 in 3, oder des Reglerausganges, d. h. im Block 26 in 3, verwendet werden kann. Eingang und Ausgang des Begrenzers in 4 ist eine allgemein mit x bezeichnete Zustandsgröße, die entsprechend der Begrenzungsfunktion moduliert wird. Zum einen kann die Zustandsgröße x einer Totzeit unterzogen werden, indem unterhalb eines Schwellenwertes b der Ausgang der Zustandsgröße auf 0 oder zumindest einen reduzierten Wert gesetzt wird. Der Begriff „Totzeit" ist hierbei nicht zeitabhängig, sondern allgemein als verzögert einsetzende Reaktion zu verstehen.
Zum andern ist eine Begrenzung der Zustandsgröße auf einen Maximalwert c möglich. Der Anstieg auf den Maximalwert c erfolgt nach Ablauf der Totzeit im Punkt b linear zwischen b und einem weiteren Ordinatenwert a.
Die Werte a, b und c im Begrenzer können entweder fest vorgegeben sein oder aus Fahrzeugzustandsgrößen und/oder Parametern des Fahrzeugs berechnet werden.

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Überlagerungslenkgetriebe
5: Stellmotor
6: Lenkgetriebe
7: Lenkgestänge
8: Vorderrad
9: Lenkaktuator
10: Fahrzeugverbund
11: Zugfahrzeug
12: Anhänger
13: Deichsel
ψ ._m: Istwert Gierrate
ψ ._d: Sollwert Gierrate
Δψ .: Differenz Gierrate
ψ₁: Gierwinkel Anhänger
ψ₂: Gierwinkel Zugfahrzeug
γ: Anhängerwinkel
γ_m: Istwert Anhängerwinkel
γ_d: Sollwert Anhängerwinkel
ν_x: Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
β: Schwimmwinkel
μ: Reibwert
μ_max: maximaler Reibwert
δ_F: Radlenkwinkel
δ_S: Lenkwinkel
δ ._S: resultierender Lenkwinkel
δ_M: Überlagerungslenkwinkel
ω_ij: Raddrehzahlen
S: Stellgröße

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10030128 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugverbunds, bestehend aus einem Zugfahrzeug (11) und einem Anhänger (12), bei dem mindestens eine den Fahrzustand beschreibende Fahrzeugzustandsgröße (ψ ._m, γ_m) ermittelt und aus einem Vergleich mit einem zugeordneten Sollwert (ψ ._d, γ_d) eine Stellgröße (S) erzeugt wird, die einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung der aktuellen Einstellung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (S) einen Lenkaktuator (5, 9) beaufschlagt zur Verstellung des Radlenkwinkels (δ_F) an mindestens einem lenkbaren Fahrzeugrad (8).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeugzustandsgröße die Gierrate (ψ .) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeugzustandsgröße der Anhängerwinkel (7) berücksichtigt wird, der die Winkelabweichung zwischen den Längsachsen des Zugfahrzeugs und des Anhängers bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert (ψ ._m, γ_m) der Fahrzeugzustandsgröße durch Messung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert (ψ ._m, γ_m) der Fahrzeugzustandsgröße in einem Beobachtermodell berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensationsregelung unter Verwendung eines inversen Fahrzeugmodells eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerparameter in Abhängigkeit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (ν_x), dem Schwimmwinkel (β) und/oder dem Reibwert (μ) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Istwert (ψ ._m, γ_m) und Sollwert (ψ ._d, γ_d) der Fahrzeugzustandsgröße mithilfe einer Totzeitfunktion in der Weise begrenzt wird, dass bei Differenzen unterhalb eines Schwellenwerts (b) keine Lenkeingriffe durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Istwert (ψ ._m, γ_m) und Sollwert (ψ ._d, γ_d) der Fahrzeugzustandsgröße mithilfe einer Begrenzungsfunktion auf einen Maximalwert (c) begrenzt wird.
Lenksystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Lenkhandhabe (2), einem Lenkgestänge (7) und einem Lenkaktuator (9).
Lenksystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Ausführung als EPS-Lenksystem (electrical power steering) mit einem Elektromotor (9) als Lenkaktuator.
Lenksystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Ausführung als AFS-Lenksystem (active front steering) zur Einstellung eines Überlagerungslenkwinkels (δ_M), der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel (δ_S) überlagert wird.