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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten Abbremsen eines angetriebenen Rades einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die gattungsgemäße
DE 199 54 131 A1 offenbart ein Verfahren zum Reduzieren eines Radschlupfes eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einer Achse, an deren Enden lenkbare Räder drehbar gelagert sind, und mit mindestens einer Achse, deren Räder über ein Differentialgetriebe angetrieben werden, wobei im Fall eines Radschlupfes an einem der Räder einer angetriebenen Achse eine zugeordnete Bremse oder Differentialsperre geregelt betätigt wird. Um mit einfachen Mitteln die Traktion und die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Drehzahlen der Räder ermittelt werden. Aus den Drehzahlen von Rädern der rechten und von Rädern der linken Fahrzeugseite einer Achse unter Verwendung von Fahrzeugparametern wird ein virtueller Kurvenradius errechnet. Der Einschlagwinkel der lenkbaren Räder einer Achse wird ermittelt, wobei ein Sollradius aus einem mittleren Einschlagwinkel der Räder oder einem entsprechenden Lenkwinkel eines Lenkgetriebes unter Verwendung von Fahrzeugparametern errechnet wird. Der virtuelle Kurvenradius wird mit dem Sollradius verglichen, wobei das Ergebnis zur Bildung einer Kenngröße dienen soll, so dass eine zugeordnete Bremse oder Differentialsperre eines Differentialgetriebes aktiviert werden können.
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In der
DE 103 38 879 A1 wird ein Verfahren zur Abschätzung einer Querbeschleunigung eines Nutzfahrzeugs vorgeschlagen. Der abgeschätzte Wert der Querbeschleunigung dient insbesondere zur Verhinderung des Umkippens des Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen. Eine zu erwartende Querbeschleunigung wird aus dem Lenkwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit mit Hilfe einer Berechnung oder einer Tabelle vorherbestimmt. Hierdurch soll sich ein Zeitvorsprung gegenüber einer gemessenen Querbeschleunigung ergeben, welcher zur frühzeitigen Abbremsung des Fahrzeugs durch eine Stabilitäts-Regelung (ESC) oder eine Umkippverhinderung (RSC) benutzt werden könne.
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In der
US 5 504 680 A ist ein Traktionssteuersystem für ein Fahrzeug offenbart. Das Traktionssteuersystem erfasst den Schlupfbetrag der Antriebsräder des Fahrzeugs und steuert das auf die Fahrbahnoberfläche übertragene Drehmoment mit einer vorbestimmten Steuervariablen, wenn der Schlupfbetrag der Antriebsräder einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, so dass der Schlupfbetrag der Antriebsräder auf einen Zielwert konvergiert. Eine Rückkehrverstärkung wird gemäß dem Wert der Steuervariablen eingestellt, wenn der Schlupf der Antriebsräder in einen vorbestimmten Konvergenzzustand gerät, und die Steuervariable wird mit der Rückkehrverstärkung derart korrigiert, dass die Steuervariable auf einen kleinen Wert gezwungen wird.
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Bei der Kurvenfahrt von Kraftfahrzeugen tritt generell ein Aufstandskraft-Transfer zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad auf. Hierbei wird das kurveninnere Rad entlastet und das kurvenäußere Rad belastet.
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Verlangt der Fahrer nun über das Gaspedal Motorantriebsmoment, wird dieses bei üblicher Fahrzeugkonstruktion über den Antriebsstrang an die Antriebsräder verteilt. Dabei sorgen das Differentialgetriebe bzw. bei einem Allradfahrzeug die Differentialgetriebe als Drehmomentwaage für eine annähernd gleiche Verteilung zwischen dem kurveninneren und kurvenäußeren Rad.
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Bei dem durch Kurvenfahrt entlasteten kurveninneren Rad kann die vom Fahrer geforderte Antriebskraft die vom Reifen übertragbare Längskraft überschreiten. Als Folge wird das überschüssige Moment das entlastete Rad auf eine nicht der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit entsprechende Drehgeschwindigkeit beschleunigen, so dass erhöhter Längsschlupf zwischen Reifen und Fahrbahn auftritt.
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Als Folge dieses Längsschlupfes sinkt die vom Reifen übertragbare Seitenführungskraft erheblich und damit auch die gesamte Seitenführungskraft der angetriebenen Achse. Das Fahrzeug wird seinen dem Lenkwinkel und der momentanen Geschwindigkeit entsprechenden Pfad verlassen. Damit kann die Fahrzeugstabilität bzw. -sicherheit nicht mehr gewährleistet werden.
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Um die Fahrzeugsicherheit gewährleisten zu können, geht zum Beispiel die
DE 196 39 621 B4 davon aus, dass eine gesteuerte Bremskraft auf die Räder ausgeübt und gleichzeitig eine Traktionssteuerung durchgeführt wird, um eine stabile und gleichmäßige Kurvenfahrt des Fahrzeuges zu erreichen. Beide Systeme (Traktionssteuerung/Bremskraftsteuerung) können sich in ihrer Wirkung jedoch aufheben. Mittels des Traktionssteuerungssystems gemäß der
DE 196 39 621 B4 für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb soll durch den zugeführten Bremsdruck und das gleichzeitig entsprechend reduzierte Motorausgangsdrehmoment die Traktion der vier Räder so gesteuert werden können, dass die Schlupfwerte reduziert werden, weshalb übermäßiger Schlupf der Räder verhindert werden kann.
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Auch die
DE 699 35 090 T2 befasst sich mit einer Regel-/Steuervorrichtung zur Drehmomentverteilung eines Fahrzeuges mit Allradantrieb, um die Fahrzeugstabilität bei Kurvenfahrten zu steigern. Bei Anlegen der Bremskraft an das abzubremsende Rad wird gleichzeitig das Antriebsdrehmoment zu den Vorder- oder Hinterrädern reduziert.
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Aus der
DE 102 96 926 T5 ist ein Steuerungssystem für ein Fahrzeug bekannt, wobei ein Steuerungsprozessor dazu ausgestaltet ist, um eine Fahrer-Eingabe zu verarbeiten, einen aktuellen Fahrerwunsch abzuleiten und das Fahrzeug gemäß dem Fahrerwunsch über ein Steuerungsbetätigungsmittel zu steuern.
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Die
WO 2005/062 984 A2 beschäftigt sich mit einem Vorhersagesystem zur Vermeidung von Kollisionen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum gezielten Abbremsen eines angetriebenen Rades einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, bei welchem die Fahrzeugstabilität während der Kurvenfahrt eines Kraftfahrzeuges insbesondere bei Beschleunigung verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum gezielten Abbremsen eines angetriebenen Rades einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Der Erfindung liegt zum einen die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem kurveninneren Rad geführt vom Schlupf das entsprechende Antriebmoment reduziert werden kann. Damit wird aber gleichzeitig auch das Antriebsmoment des kurvenäußeren Rades reduziert, so dass dessen Kraftschlußpotential nicht ausgenutzt wird. Zum anderen liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Drehgeschwindigkeit des kurveninneren Rades mittels der Regelgröße Radschlupf über eine Einzelradabbremsung kontrolliert werden kann. Zur Radschlupfbestimmung kann in der Regel die Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit dienen, die bei einachsig angetriebenen Fahrzeugen aus der frei rollenden, nicht angetriebenen Achse gebildet wird. Bei allradgetriebenen Fahrzeugen ist die exakte Berechnung einer Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit dagegen nur eingeschränkt verläßlich, da sich alle angetriebenen Räder im Schlupfzustand befinden können. Eine weitere Regelgröße zur Einzelradabbremsung kann die Sollgierrate sein, welche aus einem Fahrzeugreferenzmodell ermittelt wird, und welche mit der tatsächlichen, gemessenen Gierrate verglichen wird. Die Gierrate ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Kraftfahrzeug um eine durch den Schwerpunkt des Fahrzeuges verlaufende vertikale Achse dreht. Auch hierbei kann ein gezieltes Abbremsen eines angetriebenen Rades durchgeführt werden. Über ein Differentialgetriebe wird dem zum abzubremsenden Rad gegenüberliegenden Rad die Summe aus Antriebskraft und Bremskraft zugeführt. Hierdurch ergibt sich aus den unsymmetrischen Längskräften ein zusätzliches Giermoment auf den Fahrzeugschwerpunkt. Aus den oben erwähnten physikalischen Fahrdynamikzusammenhängen ergibt sich, dass dieser gezielte Bremseingriff häufig am entlasteten kurveninneren Rad auftritt. Bei diesem Regelansatz muss jedoch erst eine Differenz zwischen der Gierrate aus dem Fahrzeugreferenzmodell und dem Sensormeßwert auftreten und einen Schwellwert überschreiten. Deshalb wird diese Regelung erst mit Verzögerung aktiviert und zeigt einen Phasenverzug zwischen dem Fahrerwunsch und der Fahrzeugreaktion. Mittels der Erfindung dagegen wird ein verbessertes Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem die Regelung einer gezielten Einzelradbremsung offenbart wird, wobei eine Abhängigkeit von einer exakt bestimmten Referenzgeschwindigkeit vermieden ist, und wobei auch der Phasenverzug hinsichtlich der Gierratenregelung reduziert ist.
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Insofern wird vorteilhaft ein Verfahren zum Ermitteln von Steuergrößen für Brems- und/oder Antriebsmomenteingriffe bereitgestellt, bei dessen Anwendung der Kompromiß aus Fahrzeugkurshaltung, Stabilität und Beschleunigungsvermögen während der Kurvenfahrt des Kraftfahrzeuges gegenüber herkömmlichen Ansätzen verbessert ist.
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Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass zum gezielten Abbremsen eines angetriebenen Rades zumindest einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges folgende Schritte umfasst sind:
- a Bestimmen eines Kraftschlußkennwertes,
- b Zuführen des in Schritt a) bestimmten Kraftschlußkennwertes zusammen mit einem Lenkradwinkel als Eingangsgröße zu einem dreidimensionalen Kennfeld, so dass mittels des dreidimensionalen Kennfeldes ein quasistatischer Soll-Bahnradius bestimmbar ist,
- c Abbilden eines Untersteuergradienten des Kraftfahrzeuges über das dreidimensionale Kennfeld,
- d Ermitteln einer Soll-Differenzgeschwindigkeit der Räder der Antriebsachse,
- e Ermitteln einer tatsächlichen Differenzgeschwindigkeit der Räder der Antriebsachse, und
- f Einstellen eines Bremsmomentes zum Abbremsen des einen Rades, wenn die tatsächliche Differenzgeschwindigkeit kleiner ist als die Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit, wobei
- g das einzustellende Bremsmoment in einem geschlossenen Regelkreis ermittelt wird, und zum gezielten Abbremsen des zu schnell drehenden Rades an die betreffende Bremseinrichtung ausgegeben wird.
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Erfindungsgemäß wird zunächst der Kraftschlußkennwert gebildet, welcher angibt, wie viel des vorhandenen Querkraftniveaus durch den momentanen Fahrzustand genutzt wird. Der Kraftschlußkennwert wird aus den Eingangsdaten Querbeschleunigung und Reibkoeffizient gebildet. Dieser Kraftschlußkennwert kann auch als an die Reibverhältnisse adaptierte Querbeschleunigung beschrieben werden. Die Festlegung dieses Zusammenhangs erfolgt empirisch aus Meß- bzw. Simulationsdaten gemäß a ^y = f(ay, μ) (Gleichung 1).
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Beispielsweise kann gelten:
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In der Fahrdynamik der Kraftfahrzeuge ist der quasistatische Bahnradius von einem Lenkwinkel, der Querbeschleunigung und dem Reibkoeffizient Reifen/Strasse abhängig. Die Beziehung dieser Einzelwerte zueinander wird durch die Fahrzeugauslegung bestimmt. Zur Vereinfachung der Komplexität dieser Beziehung wurde vorteilhaft der Kraftschlußkennwert gebildet.
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Der quasistatische erzielbare Bahnradius kann dann als Ergebnis der Eingangsgrößen Lenkwinkel und adaptierte Querbeschleunigung (Kraftschlußkennwert) beschrieben werden. Dafür wird erfindungsgemäß ein aus den genannten Mess- bzw. Simulationsdaten ermitteltes dreidimensionales Kennfeld genutzt.
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Mittels dieses dreidimensionalen Kennfeldes wird der Untersteuergradient des Fahrzeuges abgebildet, welcher die Nichtlinearität des realen Fahrzeuges beschreibt. Nichtlinearität im Sinne der Erfindung wird so definiert, als das reale Fahrzeug trotz konstantem Lenkwinkel bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschiedenen Bahnradien folgen wird.
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Ist der quasistatische Soll-Bahnradius bekannt, ist vorgesehen, mit der momentanen Fahrgeschwindigkeit und der für das Fahrzeug bekannten Spurweite die Soll-Differenzgeschwindigkeit der Antriebsräder für eine schlupffreie Fahrt zu ermitteln. Dies kann beispielsweise über die Gleichung 3
erfolgen, wobei immer das kurveninnere Rad aufgrund des kürzeren Abrollweges die geringere Geschwindigkeit (schlupffrei) aufweisen wird.
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Liegen nun Antriebkräfte (beispielsweise Beschleunigung) an diesen Rädern, also an den angetriebenen Rädern einer Achse an, sind die Bedingungen für eine schlupffreie Fahrt nicht mehr gegeben. Üblicherweise wird dabei das bei einer Kurvenfahrt entlastete kurveninnere Rad zuerst zu höheren Schlupfwerten übergehen. Dadurch stellt sich die wirkliche bzw. tatsächliche Differenzgeschwindigkeit der Räder einer Achse ein, die vom oben errechneten Soll-Differenzwert abweicht, und zweckmäßiger Weise ermittelt wird.
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Mittels einer gezielten Abbremsung des zu schnell drehenden Rades (bezogen auf die Soll-Geschwindigkeit des Rades), also z. B. des kurveninneren Rades, kann die Abweichung des momentanen Zustandes (Schlupf) zur schlupffreien Differenzgeschwindigkeit (Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit) ausgeglichen werden. Dies wird über ein Ansteuern der betreffenden Bremse über einen geschlossenen Regelkreis erreicht.
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Alternativ zur beschriebenen Ermittlung der Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit über das Kennfeld kann diese auch über ein einfaches Fahrzeugmodell ermittelt werden. In diesem Falle wird der Quotient vx/r (vx = Längsgeschwindigkeit Fahrzeug; r = Soll-Bahnradius) aus Gleichung 3 durch die ermittelte Referenzgierrate ersetzt. Die Nichtlinearität des Fahrzeugs, bzw. der Untersteuergradient wird dann in einer Kennlinie eines Fahrzeugparameters abhängig von einer Fahrzeugzustandsvariablen abgebildet.
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Denkbar ist aber auch, alternativ zur im vorigen Ansatz beschriebenen Referenzgierrate aus einem Fahrzeugmodell die Referenzgierrate eines vorhandenen Stabilitätsregelsystems zu benutzen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die ermittelten Referenzgierraten durch die tatsächliche, im Fahrzeug gemessene Gierrate zu ersetzen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das dreidimensionale Kennfeld oder die Parametrierung des Fahrzeugmodells an äußere Randbedingungen und Störgrößen, wie z. B. unterschiedliche Reifencharakteristik anpaßbar ist. Beispielsweise ist vorgesehen, dass bei Fahrbetrieb in bestimmten Fahrzuständen, wie z. B. niedrige bis mittlere Querbeschleunigungen und/oder geringen Antriebskräften die Differenz zwischen Soll- und tatsächlicher Raddifferenzgeschwindigkeit über eine Rückführung aufgenommen wird. Dies kann beispielsweise wie folgt in Beziehung zueinander gesetzt werden: n .r = (Δvist – Δvsoll)·kr (Gleichung 4).
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In Gleichung 4 bedeuten die Terme:
- Δvsoll
- Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit außen/innen
- Δvist
- tatsächliche-Differenzgeschwindigkeit der Räder außen/innen
- nr
- Kennfeld/Fahrzeugparameter Skalierungsgröße
- kr
- Faktor für Zeitableitung von nr
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Das bedeutet z. B. dass eine Multiplikation mit einem Faktor als Veränderliche von Skalierungsfaktoren für den Ausgangswert des oben genannten Kennfeldes mit aufgenommen wird.
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Mittels der Erfindung wird vorteilhaft eine kennfeld- oder fahrzeugmodellgesteuerte Differenzgeschwindigkeitsregelung der Antriebsräder von Kraftfahrzeugen zur Verbesserung der Spurhaltung bei Beschleunigung in der Kurvenfahrt zur Verfügung gestellt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass deren Einsatz in einem physikalisch sinnvollen Arbeitsbereich der Fahrdynamik vorteilhaft ist. Dieser endet an dem Punkt, wo die Durchschnittsgeschwindigkeit der Räder einer angetriebenen Achse die der anderen Achse deutlich überschreitet. Im Falle allradgetriebener Fahrzeuge soll die Durchschnittsgeschwindigkeit aller angetriebenen Räder nicht schneller ansteigen, als ein zu definierender Bruchteil des Reibwertes. Um diesen Arbeitsbereich abzugrenzen, kann notwendiger Weise zusätzlich in die Motorsteuerung eingegriffen werden, um das an die Antriebsräder abgegebene Motormoment zu begrenzen. Innerhalb des Arbeitsbereiches ist es dagegen vorteilhaft, das geforderte Bremsmoment durch Anhebung des Motormomentes auszugleichen, wodurch zum einen der Komfort hinsichtlich Beschleunigungsveränderungen verbessert und zum anderen die Kurs stabilisierende Wirkung verstärkt wird.
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Günstiger Weise kann im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, diese mit einer Gierratenregelung zu kombinieren, um einerseits ein schnelles Ansprechen der Regelung im Antriebsfall zu erzielen und andererseits die Kurshaltung in Fahrsituationen ohne erhöhten Antriebsschlupf zu verbessern.
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Das erfindungemäße Verfahren wird anhand der beigefügten Blockdiagramme erläutert. Es zeigen:
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1 ein Funktionsschema bei aktiver Bremsmomentenregelung, und
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2 ein Ablauf zur Rückführung von Meß- und Kennfeldsignalen, bei inaktiver Bremsmomentenregelung.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist vorteilhaft ein Bremssystem vorgesehen, welches selbstständig einzelne Räder gezielt mit dem skalierbaren Bremsmoment, also dem in dem geschlossenen Regelkreis generierten Einzelrad-Bremsmoment beaufschlagen kann. Weiter ist es günstig im Sinne der Erfindung wenn Fahrzeugzustände wie z. B.
- • ay als Fahrzeugquerbeschleunigung im Schwerpunkt
- • μ Reibkoeffizient Reifen/Fahrbahn
- • δ Lenkradwinkel
- • vx Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
- • Δvist tatsächliche Raddifferenzgeschwindigkeit außen/innen
bekannt sind.
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Die Signale der o. g. Fahrzeugzustände werden in dem Block 1 (Fahrzeug) generiert. Über den funktionalen Zusammenhang (beispielsweise gemäß Gleichung 2) werden die Signale ay und μ in einem Wert, bzw. in den Kraftschlußkennwert (adaptierte Querbeschleunigung) überführt. Der Kraftschlußkennwert wird mit dem Lenkradwinkelsignal δ einem dreidimensionalen Kennfeld (Block 3) zugeführt. Zusammen mit dem Lenkradwinkel δ kann in dem dreidimensionalen Kennfeld (Block 3) der (quasistatisch erzielbare) Soll-Bahnradius r bestimmt werden. Mit der Fahrgeschwindigkeit vx und der Spurweite s, vorzugsweise der angetriebenen Achse ergibt sich aus Gleichung 3 die Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit Δvsoll an dieser Achse. Die Fahrgeschwindigkeit vx wird in dem Block 1 (Fahrzeug) generiert. Die (bekannte) Spurweite für die Vorderachse erhält das tiefgestellte Kürzel v. Entsprechend erhält die (bekannte) Spurweite für die Hinterachse das tiefgestellte Kürzel h (siehe Gleichung 3).
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In dem Block 1 (Fahrzeug) wird das Signal tatsächliche Raddifferenzgeschwindigkeit Δvist generiert, und zusammen mit dem ermittelten Signal der Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit Δvsoll einem geschlossenen Regelkreis (Block 4) zugeführt. Wird festgestellt, dass die tatsächlich Raddifferenzgeschwindigkeit kleiner ist als die Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit, kann auf einen übermäßigen Schlupf am kurveninneren Rad geschlossen werden. In diesem Fall ist vorgesehen, ein einzustellendes bzw. skalierbares Bremsmoment (Signal 5) über den geschlossenen Regelkreis (Block 4) zu generieren bzw. auszugeben. Dieses wird der betreffenden Bremse zugeführt, welche ein gezieltes Abbremsen des betreffenden, bzw. des kurveninneren Rades der angetriebenen Achse über die Bremseinrichtung bewirkt.
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In 2 ist ein beispielhafter Ablauf einer Anpassung des Kennfeldes (Block 3) beispielsweise an äußere Randbedingungen und Störgrößen, wie z. B. unterschiedliche Reifencharakteristik dargestellt. Beispielsweise bei niedrigen bis mittleren Querbeschleunigungen und/oder geringen Antriebskräften wird die Differenz zwischen der Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit und der tatsächlichen Raddifferenzgeschwindigkeit über eine Rückführung (Block 6) aufgenommen. Wie zuvor werden die Fahrzeugkenngrößen Querbeschleunigung, Reibkoeffizient und Lenkradwinkel dem Block 3 (Kennfeld) zugeführt, wobei die Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit wie zuvor beschrieben ermittelt wird. Vorteilhaft ist eine Verknüpfung 7 vorgesehen, wobei der Betrag der Soll-Raddifferenzgeschwindigkeit von der tatsächlichen Raddifferenzgeschwindigkeit abgezogen wird. Dieser Wert (Differenz) wird der Rückführung (Block 6) zugeführt, in welcher eine Multiplikation gemäß Gleichung 4 durchgeführt wird, so dass eine Skalierungsgröße für das Kennfeld ermittelt wird. 2 beschreibt also eine Vorgehensweise bei inaktiver Bremsmomentenregelung. Dies ist vorgesehen in bestimmten Fahrzuständen, wie z. B. niedrige bis mittlere Querbeschleunigung und/oder geringen Antriebskräften (siehe oben). In diesem Fall fordert Block 4 aus 1 kein Bremsmoment. Nur in diesem Falle wird entsprechend 2 vorgegangen. Die Differenz zwischen Soll- und tatsächlicher Raddifferenzgeschwindigkeit wird dabei über die Rückführung (Block 6) aufgenommen, was beispielsweise wie zu Gleichung 4 beschrieben in Beziehung zueinander gesetzt werden kann.
