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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Feder- und/oder Dämpferverhaltens einer Feder-Dämpfereinrichtung eines einspurigen Kraftfahrzeugs.
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Aus dem Automobilbereich sind bei Zweispurfahrzeugen heutzutage so genannte semiaktive Fahrwerke bekannt, bei denen die Stoßdämpfereinrichtungen in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern im Hinblick auf ihre Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften (Feder-/Dämpfungscharakteristik) automatisch an bestimmte Fahrsituationen angepasst werden können. Diesbezüglich sei auf die, bereits seit geraumer Zeit in den Fahrzeugen der Anmelderin verbaute, so genannte Wankstabilisierung (auch als „Elektronische Dämpfer Control (EDC) bezeichnet) verwiesen (Betriebsanleitung BMW 7-er, Modelljahr 2006, Bestellnr.: 01 40 0 012 816, Seite 87–88). Gemäß dem EDC-System wird die Dämpfung des Feder-Dämpfer-Systems in Abhängigkeit von Einflussgrößen, wie Fahrbahnqualität, oder Betriebsbedingungen, wie Lenken, Bremsen usw. an die neuen Gegebenheiten angepasst.
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Des Weiteren ist aus den aktuellen Motorrädern der Anmelderin bereits das so genannte ESA-System (Electronic Suspension Adjustment) bekannt, welches bereits eine Auswahl unterschiedlicher Feder-Dämpfer-Charkteristiken bereitstellt (
DE 199 22 745 A1 ). Aus der
DE 199 22 745 A1 ist eine Radaufhängungsvorrichtung für Motorräder bekannt, bei der über eine manuell verstellbare Auswahleinheit und/oder in Abhängigkeit von erfassten Betriebsparametern die Dämpfungskraft und/oder die Federkraft des Federbeins verstellbar ist. Dabei kann über die Auswahleinheit eine Vorauswahl (z. B. Sport, Normal, Komfort) für die Basisabstimmung eines Federelements (Feder-Dämpfereinrichtung) eingestellt werden und abhängig von dieser eingestellten Vorauswahl und erfassten vorbestimmten Betriebsparametern (insbesondere der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Fahrzeugbeladung) über eine Steuereinrichtung anhand hinterlegter Kennfelder automatisch eine entsprechende Anpassung der Feder-/Dämpfercharakteristik vorgenommen werden. Hierfür ist vorgesehen, über einen elektrischen Schrittmotor die bei einem konventionellen Federbein vorhandenen Einstellmittel (z. B. Drehschrauben zur Einstellung der Druck und/oder Zugstufe) zu betätigen. Hierdurch wird eine mühsame manuelle Abstimmungsarbeit, bei der vorher per Schraubendreher in kleinen Schritten die optimale Einstellung des Federbeins ermittelt wurde, automatisch und in Abhängigkeit von der einstellbaren Vorauswahl des Fahrers durchgeführt. Diese per Vorauswahl getroffene Abstimmung bietet im späteren Betrieb ggf. die Basis für eine automatische Anpassung an vorliegende Betriebbedingungen wie Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Fahrzeugbeladung.
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Im Motorradbereich sind ferner aus der
DE 10 2004 021 590 A1 bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Neigungswinkels eines Zweirades sowie ein Verfahren zur Niveauregulierung eines gefederten Zweirades bekannt. Hier wird vorgeschlagen, eine vorhandene Niveauregulierung in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel des Zweirades zu aktivieren oder zu deaktivieren. Durch Abschalten der Niveauregulierung bei Kurvenfahrt soll verhindert werden, dass eine aufgrund der Fliehkräfte das Zweirad stattfindende Einfederung ungewollt durch Nachregelung des Niveaus ausgeglichen wird.
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Des Weiteren ist aus der Patentschrift
US 4,568,101 A eine steuerbare Feder-Dämpfereinrichtung für ein Motorrad bekannt, die derart ausgebildet ist, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer vorbestimmten Grenzgeschwindigkeit das Motorrad abgesenkt und oberhalb dieser Geschwindigkeit wieder abgehoben wird. Hierdurch sollen eine einfachere Handhabung der Maschine im Stand sowie eine größere Bodenfreiheit und ein erhöhter Komfort während der Fahrt gewährleistet werden.
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Aus der
DE 195 48 721 C2 ist eine automatische Nachlauf-Regulierung für einspurige Kraftfahrzeuge bekannt.
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Aus der
US 6,899,193 B1 ist eine seitliche Aufhängung für ein Motorrad bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Feder- und/oder Dämpferverhaltens einer Feder-/Dämpfereinrichtung eines einspurigen Kraftfahrzeugs zu schaffen, wodurch die Fahrsicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich erhöht wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Fahrwerk eines Motorrades bei Geradeausfahrt und bei Kurvenfahrt unterschiedlichen Rahmenbedingungen ausgesetzt ist und die einmal gefundene Einstellung der Feder-/Dämpfercharakteristik für alle Fahrsituationen lediglich den bestmöglichen Kompromiss darstellt. Während bei Geradeausfahrt eine im Wesentlichen stationäre Beanspruchung der Feder-Dämpferelemente vorliegt, wird bei Kurvenfahrt durch das sich dynamisch einstellende und sich verändernde Kräftegleichgewicht aus Seitenführungskraft und Zentripetalkraft das Motorrad in den Federelementen des Feder-Dämpfersystems am Vorderrad und am Hinterrad (dynamisch und) unterschiedlich stark zusammengedrückt (so dass der Negativ-Federweg des Feder-Dämpfersystems reduziert bzw. dynamisch verändert wird). Zusätzlich wird die auf das Fahrzeug wirkende Erdbeschleunigung mit der aufgrund der Kurvefahrt auftretenden Zentripetalbeschleunigung überlagert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Gemäß der Erfindung wird der bei Kurvenfahrt sich einstellende Neigungswinkel (bzw. Schräglagenwinkel) des Motorrades erfasst und in Abhängigkeit hiervon die Feder- und/oder Dämpfereinstellungen(-charakteristik) an die aufgrund der vorliegenden Schräglage vorliegenden Bedingungen automatisch und in Echtzeit angepasst. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Feder-Dämpfersystem vorgeschlagen, welches eine zwischen ungefederter und gefederter Masse des einspurigen Kraftfahrzeugs angeordnete Feder-Dämpfereinrichtung mit einer Aktuatorik zur automatischen schnellstmöglichen Verstellung der Feder-Dämpfereinrichtung und mit einer Schnittstelle zur elektrischen Anbindung an eine Steuereinrichtung umfasst, und welches eine Sensorik zur Erfassung der bei einer Kurvenfahrt sich einstellenden Schräglage des Kraftfahrzeugs sowie eine über die Schnittstelle mit der Feder-Dämpfereinrichtung koppelbare Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Feder-Dämpfereinrichtung aufweist. Dabei wird die Feder- und/oder Dämpfercharakteristik der Feder-Dämpfereinrichtung, wie bereits gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, in Abhängigkeit von einem sich während einer Kurvenfahrt einstellenden Schräglagenwinkel des Motorrades oder einer mit dem Schräglagenwinkel korrelierenden Größe eingestellt. Diese Einstellung erfolgt insbesondere durch Einstellung der Dämpfung (Druck- und/oder Zugstufe) und/oder der Federspannung (insbesondere der Einstellung der „Federvorspannung” oder der Einstellung der „Fahrlage durch Verschieben des Federfußpunkts”). Die mit der Feder-Dämpfereinrichtung (Federbein) gekoppelte Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung derselben weist Kennlinien oder Kennfelder auf, anhand der die Feder-/Dämpfungscharakteristik der Feder-Dämpfereinrichtung in Echtzeit adaptiert werden kann. Alternativ können auch vorab festgelegte schräglagenwinkelabhängige Reglereinstellungssätze die Grundlage für die Steuer- oder Regelstrategie der Vorrichtung bzw. Steuereinrichtung bilden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Einstellung der Feder- und/oder Dämpfercharakteristik zusätzlich in Abhängigkeit von der Vertikalbeschleunigung des Vorderrades und/oder des Hinterrades, insbesondere erfolgt die Einstellung vorrangig an der Feder-Dämpfereinrichtung des Hinterrades. Alternativ oder zusätzlich kann die Einstellung der Feder- und/oder Dämpfercharakteristik auch in Abhängigkeit von der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus erfolgen. Hierdurch soll insbesondere die Beschaffenheit der aktuell befahrenen Fahrbahn ermittelt und bei der automatischen Abstimmung der Feder-Dämpfercharakteristik berücksichtigt werden.
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Mit Vorteil erfolgt die Adaption der Feder-Dämpfereinrichtung geregelt, wobei in Abhängigkeit vom Schräglagenwinkel oder einer hiermit korrelierenden Größe die Regelung auch auf der Grundlage unterschiedlicher Regelkreisstrukturen erfolgen kann. Hierfür sind in der Steuereinrichtung bzw. im Steuergerät verschiedene Regelkreisstrukturen hinterlegt, wobei die Feder-Dämpfereinrichtung in unterschiedlichen Betriebssituationen mit unterschiedlichen Regelkreisstrukturen arbeitet – also in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebssituationen (insbesondere in Abhängigkeit vom Schräglagenwinkel) zwischen unterschiedlichen vorbestimmten und hinterlegten Regelkreisstrukturen hin- und herschaltet.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die laufende Überwachung des Schräglangenwinkels und/oder einer hiermit korrelierenden Größe daraufhin, ob dieser/diese einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. In Abhängigkeit hiervon wird auf einen bevorstehenden Sturz (bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen solchen) geschlossen, und um diesen zu vermeiden eine vorbestimmte Feder- und/oder Dämpfercharakteristik eingestellt. Diese Charakteristik gewährleistet eine erhöhte, insbesondere eine maximale Seitenführungskraft, und beugt somit dem vermeintlich bevorstehenden Sturz entgegen.
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Bei der Umsetzung der Erfindung ist diese nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei denen die Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit von dem erfassten Schräglagenwinkel des eine Kurve durchfahrenden Motorrades erfolgt. Zusätzlich können auch einer oder können auch mehrere der nachfolgenden Parameter die Basis für eine derartige Steuerung oder Regelung bilden: Beschleunigungen in Vertikal- und/oder Querrichtung, Raddrehzahlsignale (die aufgrund unterschiedlicher Reifengeometrien einen Rückschluss auf die aktuelle gefahrene Schräglage oder auf die aktuelle Beschleunigung bzw. Verzögerung ermöglichen), GPS-Signale in Verbindung mit Streckeninformationen (Navigationsdaten), usw.. Geeignete Sensoriken können auf der Basis von Magnetfeldsensoren (z. B. zur Erfassung der Gierrate des Fahrzeugs), Geschwindigkeit- oder Beschleunigungssensoren (z. B. zur Erfassung von verschiedenen Fahrsituationen wie „Beschleunigungsvorgang”, „Starkes Bremsen”, „Große Schräglage”, „Wheelie” (Vorderrad in der Luft)/„Stoppie” (Hinterrad in der Luft)), Winkelsensoren (z. B. zur Erfassung von Einfederzuständen der Federbeine oder Lenkwinkeln), Ultraschallsensoren (z. B. zur Erfassung von Schräglagenwinkel gegenüber der Fahrbahn), in der Fahrzeugstruktur verbaute Kraftsensoren (z. B. zur Erfassung von Einfederzuständen der Federbeine, Radaufstandskräften, aktuellen Dämpfer- oder Federkräften, der aktuellen Beladung des Fahrzeugs (Solo, Sozius, Gepäck), Höhenstandssensoren (zur Erfassung von Einfederzuständen der Federbeine), etc. ausgeführt sein. Die ermittelten Sensordaten müssen in geeigneten Filtereinrichtungen (wie Hoch-/Tief-/Bandpass, Kalmanfilter oder dergleichen) innerhalb oder außerhalb des Steuergerätes zu der benötigten Information umgerechnet werden.
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Durch die in Echtzeit verarbeitete Information über den aktuell gefahrenen Schräglagenwinkel zur Abstimmung der Feder-Dämpfereinrichtung eines Motorrades können Fahrsicherheit und Komfort weiter verbessert werden. Durch ein derartiges semiaktives Motorradfahrwerk wird eine erheblich höhere Performance im Hinblick auf das Handling und die aktive Sicherheit bei Kurvefahrt gewährleistet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen, in stark schematisierter Darstellung:
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1–5: eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Feder- und/oder Dämpferverhalten einer Feder-Dämpfereinrichtung eines Motorrades in unterschiedlichen Ausführungsformen.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung (im Folgenden als Steuereinrichtung bezeichnet) des Feder- und/oder Dämpferverhaltens einer Feder-Dämpfereinrichtung eines Motorrades in einer ersten Ausführungsform, wobei eine Mehrzahl unterschiedlicher Parameterdatensätze P1–Pn mit unterschiedlichen Parameterdaten p1–pn aufweist, zwischen denen in Abhängigkeit von einem während der Kurvenfahrt des Motorrades erfassten Schräglagenwinkel φ hin- und hergeschaltet wird. Der für die jeweils vorliegende Schräglage ausgewählte Parameterdatensatz Px wird zusammen mit weiteren vorbestimmten Messgrößen bzw. Betriebsparametern X (wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche, Witterungsparametern und/oder dergleichen) von der hier als regelbasierte (bzw. reglerbasierte) Einrichtung ausgebildeten Steuereinrichtung S gemäß einer hinterlegten Reglerstruktur R zu einer ausgangsseitigen Stellgröße ys verarbeitet und zur Ansteuerung bzw. Einstellung der Feder-Dämpfungscharakteristik der elektronischen Schnittstelle des Federbeins (nicht dargestellt) weitergeleitet.
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Analog zu der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Steuereinrichtung S ist in 2 ebenfalls eine reglerbasierte Steuereinrichtung S dargestellt, bei der erfasste Schräglagenwinkel φ anhand einer als Kennlinie KL oder Kennfeld KF hinterlegten Funktion P = f(φ) zugeordnet und ein entsprechender Verarbeitungswert der Reglerstruktur R der Steuereinrichtung S zugeführt wird.
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Die 3–5 zeigen jeweils mögliche Weiterbildungen der Steuereinrichtung S, wobei gemäß 3 unterschiedliche Reglerstrukturen R1–R3 für unterschiedliche Fahrzustände hinterlegt sind. Eine erste Reglerstruktur (Regelkreisstruktur) R1 ist dabei besonders auf die Anforderungen einer Geradeausfahrt, eine zweite Reglerstruktur R2 auf die Bedingungen bei kleiner Schräglage (φ1 < φ < φ2; mit φ2 > φ1 > 0°) und eine dritte Reglerstruktur R3 auf die Bedingungen bei großer Schräglage (φ > φ2) abgestimmt. In Abhängigkeit vom erfassten Schräglagenwinkel erfolgt hierbei eine Auswahl einer zugehörigen Reglerstruktur R1–R3. Die Steuereinrichtung S gemäß 4 ist derart ausgebildet, dass neben dem aktuellen Schräglagenwinkel φ auch dessen Ableitungen in Form der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung ermittelt werden (hier: φ in Form eines Spannungssignals). Hierdurch kann ein möglicherweise bevorstehender Sturz frühzeitig erkannt und diesem entgegengewirkt werden. Wird durch Auswertung des Schräglagenwinkels und seiner Ableitungen eine gewisse Sturzwahrscheinlichkeit ermittelt, kann durch Umschaltung auf ein vordefiniertes Assistenzprogramm ein drohender Sturz ggf. noch abgefangen werden. Durch das Assistenzprogramm können neben der schnellstmöglichen ggf. echtzeitfähigen Einstellung der Feder-/Dämpfungscharakteristik, derart, dass eine maximale Seitenführungskraft gewährleistet wird, auch andere vorbestimmte Betriebsparameter (wie Parameter zur Einstellung des Luft-/Kraftstoffgemischs, Parameter zur Einstellung von Antiblockier- oder Antriebsschlupfsystemen (ABS und ASC), um Einfluss nehmen zu können um auf eine maximale Ausnutzung des Kammschen Kreises vorbereitet zu sein) zur Erhöhung der Seitenführungskraft eingestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Assistenzprogramm durch Umschaltung von einem Standardregler R1 auf einen speziell ausgelegten „Anti-lowside-Regler” RAL realisiert. 5 veranschaulicht eine Steuereinrichtungsstruktur analog zur der Steuereinrichtungsstruktur gemäß 3. Im Unterschied zu der Steuereinrichtung gemäß 3 wird bei der vorliegenden Struktur nicht unmittelbar der Schräglagenwinkel φ ausgewertet. Alternativ zum Schräglagenwinkel φ werden hier andere vorbestimmte Sensorsignale (so genannte Stellvertreter-Sensorsignale, insbesondere: Raddrehzahl v/h, Einfederzustände, Bremsdruck, Drosselklappenwinkel) erfasst und ausgewertet. Diese Signale werden vorliegend über ein Kalmanfilter zu einem den Schräglagenwinkel φ abbildenden Signal φ' verarbeitet, wobei analog zu 3 in Abhängigkeit von diesem Signal φ' eine vorbestimmte Reglerstruktur R1–R3 ausgewählt und gemäß dieser Struktur ein Steuersignal zur Einstellung der Feder-Dämpfungseinrichtung generiert wird.
