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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen Fahrzeugregler zum
Betrieb einer aktiven Lenkung eines Kraftfahrzeuges.
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Eine
aktive Lenkung eines Kraftfahrzeuges (AFS = "Active Front Steering") dient dazu, das Übersetzungsverhältnis der
Lenkung situationsabhängig
mittels Addition eines Überlagerungs-
bzw. Zusatzlenkwinkels zu dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel
zu ändern,
so dass der Lenkeinschlag der gelenkten Fahrzeugräder je nach
Fahrsituation vergrößert oder
verkleinert wird. Beispielsweise kann mittels einer aktiven Lenkung
in Situationen, in denen das Fahrzeug übersteuert, der tatsächliche
Lenkeinschlag gegenüber
dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel zwecks einer Stabilisierung
des Fahrzeugs verringert werden.
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Dabei
ist es von besonderer Bedeutung, die Lenkwinkelkorrektur durch besonders
robuste Algorithmen zu bestimmen, um im schlimmsten Falle bei Störungen des
Reglers einen Kontrollverlust über
die Fahrzeuglenkung zu vermeiden.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
robustes Verfahren sowie einen entsprechend ausgebildeten Fahrzeugregler
zum Betrieb einer aktiven Lenkung eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen,
welches bzw. welcher eine verbesserte Stabilisierbarkeit und Kontrollierbarkeit
des Kraftfahrzeuges insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten oder
großen
Lenkwinkeln ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 bzw. einen Fahrzeugregler mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
9 gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betrieb einer aktiven Lenkung eines Kraftfahrzeuges, wobei mittels
dieser aktiven Lenkung fahrtsituationsabhängig ein Len kungsübersetzungsverhältnis des
Kraftfahrzeuges mittels Überlagerung
eines Korrekturwinkels variierbar ist, weist folgende Schritte auf:
- a) Ermitteln eines Kraftanforderungswertes
für die
Seitenkraft auf die Frontachse des Kraftfahrzeugs durch Summation
eines berechneten Fahrer-Kraftanforderungswertes
und eines Korrektur-Kraftanforderungswertes, welcher durch einen
Fahrdynamikregler anhand des tatsächlichen Fahrdynamikverhaltens
bestimmt wird;
- b) Berechnen eines Lenkwinkelanforderungswertes aus dem Kraftanforderungswert,
wobei die Berechnung bis zu einem Schwellwert für den Kraftanforderungswert
durch Invertierung einer Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie der Frontfahrzeugachse
erfolgt, und bei Überschreiten
des Schwellwertes anhand einer vorgegebenen, von der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
abweichenden mathematischen Funktion erfolgt; und
- c) Transformieren des Lenkwinkelanforderungswertes in den Korrekturwinkel.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sowohl die bekannten Fahrdynamikmodelle als auch Fahrdynamikregler
jeweils Soll- bzw. Istwerte Werte für die auf die Frontachse wirkenden
Seitenkräfte
liefern. Für
die Lenkkorrektur müssen
diese jedoch in entsprechende Lenkwinkeländerungen transformiert werden.
In einem bestimmten Wertebereich ist der Zusammenhang zwischen Seitenkräften und
Schräglaufwinkel
zumindest näherungsweise
als Funktion bekannt ist, die lediglich invertiert zu werden braucht.
Jedoch ist bei Erreichen der Sättigungsgrenze
der Lenkung eine einfache Invertierung dieser Funktion nicht mehr
möglich.
Da außerdem
der Gradient der die Vorderachsenkennlinie beschreibenden Funktion
bei Annäherung
an die Sättigungsgrenze
gegen Null strebt, divergiert die Umkehrfunktion asymptotisch, was
zu numerischen Problemen führt
und ein Anstieg der entsprechenden Verstärkung des Controllers bis über die zulässigen Grenzen
hinaus bewirken kann.
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Deshalb
ist gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ab einem vorbestimmten
Seitenkraftwert – der
vorzugsweise der Lenkungs-Sättigungsgrenze
oder einem bestimmten vorgegebenen Prozentsatz davon entspricht – von der
Invertierung der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
zu einer – vorzugsweise – linearen
Interpolation des Schräglaufwinkels übergegangen
wird, wobei die für
die Interpolation gewählte
Steigung der Steigung der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie am Punkt
des Schwellwertes entspricht, so dass Unstetigkeiten vermieden werden.
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Durch
Einführung
eines vorbestimmten Schwellwertes, oberhalb dessen die Transformationsvorschrift in
anderer Weise, nämlich
nicht mehr allein über
eine Invertierung der die Vorderachsenkennlinie beschreibenden Funktion
bestimmt wird, kann das vorstehend beschriebene Problem überwunden
werden, so dass auch bei einer Annäherung bzw. Überschreitung
der Sättigungsgrenze,
also in Situationen, in welchen das Fahrzeug untersteuert, ein geeigneter
Betrieb der aktiven Lenkung erfolgen kann.
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Dadurch,
dass eine zum Transformieren des Kraftanforderungswertes in einen
Winkelanforderungswert verwendete Transformationsvorschrift in Abhängigkeit
von einem zuvor erhaltenen Vergleichsergebnis hinsichtlich des Kraftanforderungswertes
in Bezug auf einen vorbestimmten Schwellwert ausgewählt wird,
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
im Ergebnis zugleich zwei Funktionalitäten der aktiven Lenkung implementiert
werden, nämlich
eine Übersteuerungs-Funktionalität und eine
Untersteuerungs-Funktionalität.
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Infolge
der Übersteuerungs-Funktionalität gelingt
eine Ansteuerung der aktiven Lenkung in Fahrsituationen, in denen
die Haftgrenze an der Hinterachse überschritten wird, also durch
Gegensteuern der tatsächliche
Lenkeinschlag gegenüber
dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel zur Stabilisierung des Fahrzeugs verringert
werden muß.
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Mittels
der Untersteuerungs-Funktionalität
gelingt eine Ansteuerung der aktiven Lenkung derart, dass eine zu
rasch erfolgende Sättigung
der Seitenführungskraft
an der Vorderachse verhindert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet für
den Fall, dass der Kraftanforderungswert oberhalb des vorgegebenen
Schwellwertes liegt, das Transformieren des Kraftanforderungswertes
in einen Winkelanforderungswert eine Linearisierung der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Frontfahrzeugachse.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Linearisierung der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Front-Fahrzeugachse gemäß der Gleichung:
wobei α
fR einen
Gesamt-Anforderungswert für
den Schräglaufwinkel, α
fsatX% ein
vorbestimmter Prozentsatz der Sättigungsgrenze
der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie der Front-Fahrzeugachse
und F
yfsatX% den zu α
fsatX% entsprechenden
Kraftwert der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Front-Fahrzeugachse bezeichnen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der vorbestimmte Schwellwert ein für eine Sättigungsgrenze der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Front-Fahrzeugachse
charakteristischer Wert oder ein vorgegebener Prozentsatz davon
(z. B. 90%). Vorzugsweise wird ein Wert unterhalb der tatsächlichen
Sättigungsgrenze
gewählt,
um numerische Probleme aufgrund der divergierenden Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
zu vermeiden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Ermittlung des Korrekturwinkels in Schritt c) aufgrund
der Gleichung: Δδ = αfR – ((1 – w)αfDri – wαfsat),wobei Δδ den Korrekturwinkel, αfsat eine
Sättigungsgrenze
der Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Front-Fahrzeugachse, αfDri einen vom Fahrer geforderten Anforderungswert
für den
Schräglaufwinkel, αfR einen
Gesamt-Anforderungswert für
den Schräglaufwinkel
und w einen für
die Zuverlässigkeit
des Vorderachsenmodells charakteristischen Gewichtungsfaktor bezeichnet.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugregler, welcher dahingehend
ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Zu
bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteilen wird auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung
des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betrieb einer aktiven Lenkung eines Kraftfahrzeuges;
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2 eine
Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Vorderachse ("Vorderachsenkennlinie") mit Erläuterungen
für den
Fall, dass die vom Fahrer gewünschte
Kraft unterhalb der Sättigungsgrenze
der Vorderachsenkennlinie liegt;
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3 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Implementierung eines in dem Blockdiagramm von 1 eingesetzten
Differenzblockes gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Vorderachse ("Vorderachsenkennlinie") mit Erläuterungen
für den
Fall, dass die vom Fahrer gewünschte
Kraft oberhalb der Sättigungsgrenze
der Vorderachsenkennlinie liegt; und
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5 ein
Diagramm, in welchen eine beispielhafte Abhängigkeit eines für den Untersteuerungsgrad charakteristischen
Parameters (Untersteuerungsindex, USI) von einem für den Grad
der Sättigung
der Vorderachse charakteristischen Parameter (Sättigungsindikator) auftragen
ist.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum
Betrieb einer aktiven Lenkung eines Kraftfahrzeuges.
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Gemäß 1 wird
in einem Funktionsblock 110 der Vorrichtung 100 zunächst in
an für
sich bekannter Weise das Soll- bzw. Zielverhalten des Kraftfahrzeugs
("target behaviour") auf Basis von Eingangsgrößen ermittelt,
wobei diese Eingangsgrößen den
Lenkwinkel des Lenkrades (SWA = "steering
wheel angle"), die Längsgeschwindigkeit
(vx, "body
longitudinal velocity")
und die Beschleunigung ("accel", "acceleration") umfassen. Diese
Bestimmung kann beispielsweise unter Verwendung eines Einspurmodells
("single track"-Modell) erfolgen.
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Die
Ausgangsgröße des Funktionsblockes 110 stellt
einen Seitenkraft-Anforderungswert
dar und wird in einem Funktionsblock 130 mit dem Ausgangswert
eines Blocks 120 additiv überlagert. Block 120 stellt
einen Fahrdynamik-Controller
dar, der ebenfalls in herkömmlicher
Weise, beispielsweise als Gierra tencontroller, ausgelegt ist. Dem
Controller, der z. B. über
eine proportionale Verstärkungsfunktion
des Arbeitspunktes implementiert werden kann, wird ein in Block 150 (Zustands-Abschätzer) z.
B. anhand eines Gierratensensors und anderer Sensoren in bekannter
Weise bestimmter Ist-Zustandswert der Fahrzeugdynamik zugeführt. Der Funktionsblock 120 liefert
als Ausgangsgröße einen
mit ΔFyf bezeichneten Anforderungswert für die auf
die Vorderachse wirkende Kraft an den Funktionsblock 130.
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Der
Funktionsblock 130 implementiert – als wesentliches Element
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 – basierend
auf einem Reifenmodell eine Transformation des Anforderungswertes
für die
auf die Vorderachse wirkende Kraft in einen Anforderungswert für den durch
den aktiven Lenkaktuator eingestellten Schräglaufwinkel ("Fahrbahn-Rad-Winkel") Δδ. Eine konkrete
Implementierung des Funktionsblockes 130 ist in 3 dargestellt,
und die durch den Funktionsblock 130 durchgeführte Kette
bzw. Abfolge der Berechnungsschritte ist anhand der Diagramme der 2 und 4 veranschaulicht.
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Der
Anforderungswert für
die auf die Vorderachse wirkende seitliche Gesamtkraft, im Weiteren
als FyfR bezeichnet, ergibt sich gemäß der folgenden
Gleichung (1) als Summe aus dem Arbeitspunkt (welcher durch die
vom Fahrer gewünschte
Kraft bestimmt bzw. definiert ist) gemäß dem Funktionsblock 110 und
dem Anforderungswert des Funktionsblocks 120 bzw. des Controllers: FyfR = FyfDri + ΔFyfR (1).
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Der
Anforderungswert des Schräglaufwinkels
der Vorderräder
wird im Weiteren als αfR (≅ "front slip angle
request") bezeichnet.
Dieser Anforderungswert αfR wird in einem ersten Fall gemäß der folgenden
Gleichung (2) mittels Invertierung der Funktion Fyf(.)
erhalten, wobei diese Funktion Fyf(.) die
in 2 beispielhaft dargestellte Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie
der Vorderachse, im Weiteren auch als Vorderachsenkennlinie bezeichnet,
beschreibt: αfR =
F–1yf (FyfR, Fzf, k, μ) (2)
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Diese
Invertierung wird in dem Blockdiagramm von 3 durch
den Block 310 des Funktionsblockes 130 durchgeführt, welcher
hierzu die entsprechenden Eingangsgrößen erhält.
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Es
ist nun zu beachten, dass die die Vorderachsenkennlinie beschreibende
Funktion Fyf(.) oberhalb der Sättigungsgrenze
nicht invertierbar ist, so dass die Berechnung des Anforderungswertes αfR mittels
Gleichung (2) nur bis zur Sättigungsgrenze αfsat durchführbar ist.
Ferner ist zu beachten, dass der Gradient der Funktion Fyf(.) bei Annäherung an die Sättigungsgrenze
gegen Null strebt, so dass die Umkehrfunktion asymptotisch divergiert,
was zu numerischen Problemen führt
und ein Ansteigen der entsprechenden Verstärkung ("gain")
des Controllers bis über
die zulässigen
Grenzen hinaus bewirkt.
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Eine
durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Lösung besteht
nun darin, dass:
- a) eine Invertierung der nichtlinearen
Vorderachsenkennlinie (Kraft-Schräglaufwinkel-Kennlinie der Vorderachse)
durchgeführt
wird, solange die auf die Vorderachse wirkende Kraft unterhalb eines
vorgegebenen Prozentsatzes des Sättigungswertes
der auf die Vorderachse wirkenden Kraft liegt; und
- b) anderenfalls die Kennlinie gemäß nachfolgender Gleichung (3)
linearisiert extrapoliert wird:
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Im
Wesentlichen treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die beiden folgenden
Situationen auf:
- I. Der Arbeitspunkt (d. h.
die vom Fahrer gewünschte
Kraft) liegt unterhalb der Sättigungsgrenze
der Vorderachsenkennlinie (siehe 2, in welcher
die Sättigungsgrenze
durch den Pfeil P bezeichnet ist). In diesem Falle bleibt das Vorzeichen
der von dem Funktionsblock 120 bzw. dem Controller angeforderten
Kraft bzw. des angeforderten Schräglaufwinkels immer gleich,
und ein Fehler in der Reifencharakteristik kann nur zu einem Fehler
in der Verstärkung
("gain") führen. Der
Funktionsblock 310 implementiert somit exakt die obige
Gleichung (2);
oder
- II. Der Arbeitspunkt (die vom Fahrer gewünschte Kraft) liegt oberhalb
der Sättigungsgrenze
der Vorderachsenkennlinie (siehe 4). In diesem
Falle bleibt das Vorzeichen der angeforderten Kraft dann nicht gleich, wenn
die vom Controller gelieferte, gewünschte Kraft oberhalb der Sättigungsgrenze
liegt. Aus einer unangemessenen Implementierung des Controllers
können
gravierende Fehler resultieren, was beispielsweise zu einem Verlust
der Kontrolle über
das Fahrzeug führen
kann, wenn nämlich
eine fehlerhafte Ermittlung der Sättigungsgrenze der Vorderachse
erfolgt.
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Die
Transformation des Kraftanforderungswertes in den Winkelanforderungswert
für den
durch die aktive Lenkung bereitzustellenden Korrekturwinkel ist
für die
Situation gemäß Ziffer
I. in 2 anhand der durch Ziffern 1 bis 4 veranschaulichten
Berechnungsschritte dargestellt, wobei zunächst in einem Schritt 1 die
Ermittlung des Kraftanforderungswertes F aus dem Arbeitspunkt FyfDri erfolgt (vgl. Gleichung (1)), dann
anhand der Vorderachsenkennlinie mittels Invertierung der zugehörigen Funktion
Fyf(.) der Anforderungswert αfR für den Schräglaufwinkel
ermittelt wird (Schritte 2, 3, vgl. Gleichung (2)) und schließlich aus
einer Differenzbildung der Korrekturwinkel Δδ ermittelt wird. Der durch die
aktive Lenkung eingeführte
Korrekturwinkel entspricht näherungsweise
der Differenz zwischen dem Gesamt-Anforderungswert für den Schräglaufwinkel der Vorderräder αfR und
dem Arbeitspunkt für
den Schräglaufwinkel
der Vorderräder
(d. h. dem vom Fahrer gewünschten Schräglaufwinkel αfDri)
gemäß folgender
Gleichung (4): Δδ = αfR – αfDri (4).
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Die
Transformation des Kraftanforderungswertes in den Winkelanforderungswert
für den
durch die aktive Lenkung bereitzustellenden Korrekturwinkel ist
für die
Situation gemäß Ziffer
II. in 4 ebenfalls anhand von durch Ziffern 1 bis 4 veranschaulichten
Berechnungsschritten dargestellt, wobei zunächst in einem Schritt 1 die
Ermittlung des Kraftanforderungswertes FyfR aus
dem Arbeitspunkt FyfDri erfolgt (wiederum
gemäß Gleichung
(1)), dann der Anforderungswert αfR für
den Schräglaufwinkel
ermittelt wird, was nicht unmittelbar aufgrund Invertierung der
zugehörigen
Funktion Fyf(.), sondern anhand einer Linearisierung
der Vorderachsenkennlinie (Schritte 2, 3, vgl. Gleichung (3)) erfolgt,
und schließlich
wiederum aus dem vom Fahrer geforderten Wert für den Schräglaufwinkel αfDri der
Korrekturwinkel Δδ ermittelt
wird.
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Die
Differenzbildung gemäß der o.
g. Gleichung (4) zur Ermittlung der Differenz zwischen dem gesamten
Anforderungswert für
den Schräglaufwinkel
der Vorderräder αfR und
dem vom Fahrer gewünschten
Schräglaufwinkel αfDri wird
in dem Blockdiagramm von 3 durch einen Differenzblock 330 des
Funktionsblockes 130 in einer modifizierten Art durchgeführt. Eine
mögliche
Implementierung des Differenzblocks 330 zur Überwindung
des vorstehend unter Ziffer II. beschriebenen Problems kann gemäß der Gleichung Δδ = αfR – ((1 – w)αfDri – wαfsat) (5) erfolgen,
wobei w einen Gewichtungsfaktor bezeichnet, mit dem die Vertrauenswürdigkeit
bzw. Zuverlässigkeit des
Vorderachsenmodells berücksichtigt
wird.
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Der
Differenzblock 330 gemäß 3 beinhaltet
somit zum einen eine logische Implementierung von Gleichung (4),
berücksichtigt
jedoch zum anderen durch die Modifikation gemäß Gleichung (5) darüber hinaus, dass
die Reifencharakteristik bzw. die Vorderachsenkennlinie als solche
nicht exakt bzw. eindeutig sind.
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Gemäß 3 liefert
Block 310 (= "mu_norm
Front tires inversion")
ferner noch folgende Ausgangssignale:
- – einen
Sättigungsindikatorwert
("sat indicator"), welcher als Differenzwert
zwischen dem Anforderungswert für
die auf die Vorderachse wirkende Kraft und der Sättigungskraft der Vorderachse
definiert ist;
- – die
Sättigungskraft
der Vorderachse (abs_Fyf_sat); und
- – der
Sättigungs-Schräglaufwinkel
an der Vorderachse (abs_alphaf_sat).
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Diese
Ausgangsgrößen können dazu
verwendet werden, das verbleibende, zu fordernde Restdrehmoment
zu berechnen, welches über
das Vorderradlenksystem nicht bereitgestellt werden kann und welches
somit von anderen Aktuatoren angefordert wird. Eine typische Fahrsituation
liegt z. B. vor, wenn das Fahrzeug untersteuert, der Vorderreifen
sich in Sättigung
befindet und eine Gierbewegung des Fahrzeugs nicht mit den Erwartungen
(d. h. mit der Soll-Gierrate) übereinstimmt.
Das Restdrehmoment dieser Untersteuerung wird basierend auf der
Differenz zwischen der angeforderten Kraft und der Vorderachs-Sättigungskraft
berechnet. Dieses Restdrehmoment kann dann über die Hinterachse (mittels
aktiver Bremsen, aktiver Differentiale oder einer aktiven Hinterradlenkung)
bereitgestellt werden.
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Eine
weitere, aus den Ausgangssignalen des Funktionsblockes 330 ableitbare
Ausgangsgröße bildet der
Untersteuerungsindex (USI = "understeer
index"), des sen
Abhängigkeit
von dem Sättigungsindikator
("sat indicator") in 5 dargestellt
ist. Der Untersteuerungsindex USI nimmt Werte im Intervall von 0
bis 1 an, wobei bei einem Wert USI = 0 keine Untersteuerung und
bei einem Wert USI starke bzw. maximale Untersteuerung vorliegt.
