DE102008046259B4 - A method and apparatus for determining a vehicle stability during braking and method and apparatus for adjusting a brake pressure for a vehicle - Google Patents
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- B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
- B60T8/172—Determining control parameters used in the regulation, e.g. by calculations involving measured or detected parameters
Abstract
Verfahren zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen, umfassend:
- Bestimmen einer Schwerpunktslage (11) des Fahrzeugs,
- Bestimmen von Seitenkraftbeiwerten von Rädern (12-15) des Fahrzeugs, und
- Bestimmen eines Wertes für die Fahrstabilität des Fahrzeugs aus einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Schwerpunktslage (11) des Fahrzeugs, den Seitenkraftbeiwerten der Räder (12-15) des Fahrzeugs, einer Fahrzeugmasse und einem Fahrzeugträgheitsmoment um eine Fahrzeughochachse.
A method for determining a driving stability of a vehicle when braking, comprising:
Determining a center of gravity position (11) of the vehicle,
Determining side force coefficients of wheels (12-15) of the vehicle, and
- Determining a value for the driving stability of the vehicle from a speed of the vehicle, the center of gravity (11) of the vehicle, the Seitenkraftbeiwerten the wheels (12-15) of the vehicle, a vehicle mass and a vehicle inertia about a vehicle's vertical axis.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug.The present invention relates to a method and apparatus for determining a running stability of a vehicle when braking, and an apparatus and a method for adjusting a brake pressure for a vehicle.
Die wichtigsten Kriterien beim Bremsen von Fahrzeugen, wie z.B. Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, sind der Bremsweg, die Lenkbarkeit und die Stabilität. Der Lenkbarkeit und der Stabilität kommt dabei wegen der höheren Sicherheit eine größere Bedeutung zu. Verliert ein Fahrzeug seine Stabilität, ist es für einen normalen Fahrer praktisch nicht möglich, eine Drehbewegung des Fahrzeugs wieder einzufangen.The most important criteria when braking vehicles, such as Passenger cars or trucks, are the braking distance, steerability and stability. Steerability and stability are more important because of the increased safety. If a vehicle loses its stability, it is virtually impossible for a normal driver to recapture a rotational movement of the vehicle.
Bremsanlagen heutiger Fahrzeuge sind meistens mit automatischen Blockierverhinderern (ABV), so genannten Antiblockiersystemen (ABS), ausgerüstet. Das ABS wirkt beim Bremsen des Fahrzeugs der Blockierneigung der Räder durch Regelung des Bremsdrucks entgegen, um die Seitenführung der Räder zu gewährleisten und in den meisten Fällen auch einen kurzen Bremsweg zu erzielen.Braking systems of today's vehicles are usually equipped with automatic anti-lock brakes (ABV), so-called anti-lock braking systems (ABS). The ABS counteracts the tendency of the wheels to lock when the vehicle is braked by regulating the brake pressure to ensure lateral support of the wheels and, in most cases, a short braking distance.
Die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs wird in der Regel durch die Blockiervermeidung der lenkbaren Räder, im Allgemeinen der Vorderräder, sichergestellt. Die Verhinderung der Blockierung von hinteren Rädern stellt im Allgemeinen eine notwendige jedoch keine ausreichende Bedingung einer Fahrstabilität dar. Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten kann das Fahrzeug unkontrollierbare Drehungen ausführen, obwohl die Hinterräder nicht blockieren. Darüber hinaus sind konzeptbedingt einige Fahrzeuge, beispielsweise Fahrzeuge mit einem höheren Schwerpunkt, bei bestimmten Bremsmanövern, beispielsweise aus hohen Geschwindigkeiten in einer Kurve oder auf einer einseitig glatten Fahrbahn, schwer zu stabilisieren. Der Grund dafür liegt in einer ungünstigen Radlastverlagerung zwischen den Rädern während des Bremsvorgangs. Eine solche Verlagerung beeinflusst die Seitenführung der Räder und führt unter bestimmten Bedingungen zur Instabilität des Fahrzeugs.The steerability of the vehicle is usually ensured by the blockage avoidance of the steerable wheels, generally the front wheels. The prevention of rear wheel lock is generally a necessary, but not sufficient, condition for driving stability. Especially at higher speeds, the vehicle may make uncontrollable turns, although the rear wheels will not stall. In addition, due to the concept some vehicles, for example vehicles with a higher center of gravity, are difficult to stabilize during certain braking maneuvers, for example from high speeds in a curve or on a one-sided smooth road. The reason for this lies in an unfavorable Radlastverlagerung between the wheels during the braking process. Such a shift affects the lateral guidance of the wheels and leads under certain conditions to the instability of the vehicle.
In diesem Zusammenhang offenbart die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen zu gewährleisten, um einen stabilen Bremsvorgang sicherzustellen.Object of the present invention is therefore to ensure the driving stability of a vehicle when braking to ensure a stable braking operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug nach Anspruch 11, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen nach Anspruch 16 und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug nach Anspruch 18 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.According to the present invention, this object is achieved by a method of determining a running stability of a vehicle when braking according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, beispielsweise mit Hilfe einer Erfassung von Geschwindigkeiten von Rädern des Fahrzeugs, ein Bestimmen einer Schwerpunktslage des Fahrzeugs und ein Bestimmen von Seitenkraftbeiwerten von Rädern des Fahrzeugs. Aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Schwerpunktslage des Fahrzeugs, den Seitenkraftbeiwerten der Räder des Fahrzeugs und einer Fahrzeugmasse und einem Fahrzeugträgheitsmoment um eine Fahrzeughochachse wird dann die Fahrstabilität des Fahrzeugs bestimmt.In the context of the present invention, a method for determining a driving stability of a vehicle during braking is provided. The method includes determining a speed of the vehicle, for example, by detecting speeds of wheels of the vehicle, determining a center of gravity position of the vehicle, and determining lateral force coefficients of wheels of the vehicle. From the speed of the vehicle, the center of gravity of the vehicle, the Seitenkraftbeiwerten the wheels of the vehicle and a vehicle mass and a vehicle moment of inertia about a vehicle's vertical axis, the driving stability of the vehicle is then determined.
Die Schwerpunktslage des Fahrzeugs kann beispielsweise einen Abstand eines Schwerpunkts des Fahrzeugs von der Vorderachse und einen Abstand des Schwerpunkts des Fahrzeugs von der Hinterachse umfassen. Die Seitenkraftbeiwerte können für jedes einzelne Rad des Fahrzeugs, d.h. das Rad vorne links, das Rad vorne rechts, das Rad hinten links und das Rad hinten rechts, einzeln bestimmt werden. Der für die Fahrstabilität des Fahrzeugs bestimmte Wert kann einen Wertebereich aufweisen, welcher einen stabilen Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigt, und einen weiteren Wertebereich aufweisen, welcher einen instabilen Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigt. So kann beispielsweise ein negativer Wert für die Fahrstabilität des Fahrzeugs einen stabilen Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigen und ein positiver Wert einen instabilen Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigen.The center of gravity position of the vehicle may include, for example, a distance of a center of gravity of the vehicle from the front axle and a distance of the center of gravity of the vehicle from the rear axle. The lateral force coefficients may be determined for each individual wheel of the vehicle, i. the left front wheel, the right front wheel, the rear left wheel and the rear right wheel are individually determined. The value determined for the running stability of the vehicle may have a value range indicating a stable driving state of the vehicle and a further value range indicating an unstable driving state of the vehicle. For example, a negative value for the driving stability of the vehicle may indicate a stable driving state of the vehicle, and a positive value may indicate an unstable driving state of the vehicle.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Seitenkraftbeiwert für ein Rad des Fahrzeugs durch Bestimmen einer Umfangskraft des Rades, Bestimmen eines Schlupfes des Rades, beispielsweise aus der Winkelgeschwindigkeit des Rades und der Fahrzeuggeschwindigkeit, und Bestimmen des Seitenkraftbeiwertes des Rades aus der Umfangskraft, dem Schlupf und einer radspezifischen Konstante bestimmt.According to one embodiment, the lateral force coefficient for a wheel of the vehicle is determined by determining a circumferential force of the wheel, determining a slip of the wheel, for example from the angular velocity of the wheel and the vehicle speed, and determining the lateral force coefficient of the wheel from the circumferential force, the slip and a wheel-specific constant certainly.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Umfangskraft des Rades bestimmt, indem ein Bremsdruck eines Radbremszylinders einer Bremse des Rades erfasst wird, eine Winkelbeschleunigung des Rades bestimmt wird und die Umfangskraft aus dem Bremsdruck, der Winkelbeschleunigung und fahrzeugspezifischen Größen bestimmt wird. Die fahrzeugspezifischen Größen können eine Kolbenfläche des Radbremszylinders, einen mittleren Reibradius eines Bremsbelags einer Bremsscheibe der Bremse, einen Bremsenkennwert der Bremse, ein Trägheitsmoment des Rades und aller damit verbundenen Massen und einen dynamischen Reifenhalbmesser umfassen.According to another embodiment, the circumferential force of the wheel is determined by detecting a brake pressure of a wheel brake cylinder of a brake of the wheel, determining an angular acceleration of the wheel, and determining the circumferential force from the brake pressure, the angular acceleration, and vehicle-specific quantities. The vehicle-specific variables may include a piston area of the wheel brake cylinder, an average friction radius of a brake pad of a brake disk of the brake, a brake characteristic of the brake, a moment of inertia of the wheel and all masses connected thereto, and a dynamic tire radius.
Darüber hinaus kann bei dem Bestimmen der Umfangskraft zusätzlich ein Schleppmoment des Motors, welches auf das Rad wirkt, erfasst und bei der Bestimmung der Umfangskraft berücksichtigt werden. In addition, when determining the circumferential force, a drag torque of the motor acting on the wheel can be additionally detected and taken into account in the determination of the circumferential force.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Schwerpunktslage des Fahrzeugs, beispielsweise der Abstand des Schwerpunkts des Fahrzeugs von der Vorderachse und der Abstand des Schwerpunkts des Fahrzeugs von der Hinterachse, aus den Umfangskräften der Räder und dem Radstand des Fahrzeugs bestimmt werden.According to one embodiment, the center of gravity of the vehicle, for example, the distance of the center of gravity of the vehicle from the front axle and the distance of the center of gravity of the vehicle from the rear axle, the peripheral forces of the wheels and the wheelbase of the vehicle can be determined.
Mit Hilfe des zuvor beschriebenen Verfahrens kann ein Wert für die Fahrstabilität des Fahrzeugs zuverlässig aus Messwerten und fahrzeugspezifischen Größen bestimmt werden. Die Messwerte stehen bei vielen modernen Fahrzeugen bereits ohnehin zur Verfügung oder können auf einfache Art und Weise mit geeigneten Sensoren erfasst werden.With the aid of the method described above, a value for the driving stability of the vehicle can be reliably determined from measured values and vehicle-specific variables. The measured values are already available in many modern vehicles anyway or can be detected in a simple manner with suitable sensors.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen von Schräglaufwinkeln der Räder des Fahrzeugs und ein Bestimmen eines Werts für eine Fahrstabilität des Fahrzeugs beim Bremsen. Der Bremsdruck an den Rädern des Fahrzeugs wird dann in Abhängigkeit der bestimmten Schräglaufwinkel und der bestimmten Fahrstabilität derart eingestellt, dass ein vorbestimmter Schräglaufwinkel nicht überschritten wird und dass ein vorbestimmter Wertebereich für die Fahrstabilität eingehalten wird. Die Fahrstabilität kann wie zuvor beschrieben bestimmt werden. Der vorbestimmte Wertebereich für die Fahrstabilität, in dem ein Fahrzeugzustand als stabil angesehen wird, kann beispielsweise einen Bereich von -∞ bis -0,5 umfassen.According to the present invention, there is further provided a method of adjusting a brake pressure to a vehicle. The method includes determining slip angles of the wheels of the vehicle and determining a value for vehicle stability during braking. The brake pressure at the wheels of the vehicle is then set in dependence on the determined slip angle and the determined driving stability such that a predetermined slip angle is not exceeded and that a predetermined value range for driving stability is maintained. The driving stability can be determined as described above. The predetermined value range for the driving stability in which a vehicle state is considered to be stable may include, for example, a range of -∞ to -0.5.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstellen des Bremsdrucks wird die Fahrstabilität beim Bremsen sichergestellt und somit ein Ausbrechen des Fahrzeugs verhindert.With the aid of the method according to the invention for adjusting the brake pressure, the driving stability during braking is ensured, thus preventing the vehicle from breaking out.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst, und daraus und aus weiteren Größen ein Schräglaufwinkel eines Rades des Fahrzeugs bestimmt. Die weiteren Größen können die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Seitenkraftbeiwerte der Räder des Fahrzeugs, die Umfangskräfte der Räder des Fahrzeugs, die Schwerpunktslage des Fahrzeugs und die Fahrzeugmasse und das Fahrzeugträgheitsmoment um eine Fahrzeughochachse umfassen.According to one embodiment of the method, a yaw rate of the vehicle is detected, and determined therefrom and from other variables, a slip angle of a wheel of the vehicle. The further variables may include the speed of the vehicle, the lateral force coefficients of the wheels of the vehicle, the peripheral forces of the wheels of the vehicle, the center of gravity of the vehicle and the vehicle mass and the vehicle inertia about a vehicle's vertical axis.
Wie zuvor beschrieben, können die Schräglaufwinkel an der Vorderachse und an der Hinterachse des Fahrzeugs mit Hilfe einfach zu erfassender Größen des Fahrzeugs bestimmt werden. Der vorbestimmte Schräglaufwinkel, welcher bei der Einstellung des Bremsdrucks des Fahrzeugs nicht überschritten werden sollte, kann beispielsweise ein maximaler Schräglaufwinkel von 6° sein. Bis zu einem derartigen Schräglaufwinkel ist eine Stabilisierung des Fahrzeugs durch einen Lenkeingriff des Fahrers auf einfache Art und Weise möglich, so dass ein Stabilisieren des Fahrzeugs beim Bremsen auf beispielsweise stark unterschiedlich griffigen Untergründen an den rechten und linken Rädern des Fahrzeugs ermöglicht wird.As described above, the slip angles at the front axle and at the rear axle of the vehicle can be determined by means of easily detectable sizes of the vehicle. The predetermined slip angle, which should not be exceeded when setting the brake pressure of the vehicle, for example, be a maximum slip angle of 6 °. Up to such a slip angle is a stabilization of the vehicle by a steering intervention of the driver in a simple manner possible, so that a stabilization of the vehicle when braking on, for example, greatly different grip surfaces on the right and left wheels of the vehicle is possible.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Verarbeitungseinheit, welche mit Sensoren des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die Sensoren stellen Messwerte für eine Winkelgeschwindigkeit eines jeden Rades des Fahrzeugs und einen Bremsdruck an jedem Rad des Fahrzeugs bereit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs aus beispielsweise der Winkelgeschwindigkeit der Räder, einen Wert für die Fahrstabilität des Fahrzeugs aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, den Winkelgeschwindigkeiten der Räder des Fahrzeugs, den Bremsdrücken an jedem Rad des Fahrzeugs und fahrzeugspezifischen Informationen zu bestimmen. Der Wert für die Fahrstabilität kann von der Verarbeitungseinheit, wie zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen beschrieben, bestimmt werden.According to the present invention, there is further provided an apparatus for determining a running stability of a vehicle during braking. The device comprises a processing unit which is coupled to sensors of the vehicle. The sensors provide readings for an angular velocity of each wheel of the vehicle and a brake pressure on each wheel of the vehicle. The processing unit is configured to determine a speed of the vehicle from, for example, the angular velocity of the wheels, a value for the driving stability of the vehicle from the speed of the vehicle, the angular velocities of the wheels of the vehicle, the brake pressures at each wheel of the vehicle, and vehicle-specific information. The value for the driving stability may be determined by the processing unit as previously described in the context of the method for determining a driving stability of a vehicle when braking.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird schließlich eine Vorrichtung zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Verarbeitungseinheit welche mit Sensoren und einem Aktor des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die Sensoren stellen Messwerte einer Winkelgeschwindigkeit eines jeden Rades des Fahrzeugs, einer Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs und eines Bremsdrucks für jedes Rad des Fahrzeugs bereit. Der Aktor dient zum Einstellen eines von der Verarbeitungseinheit bestimmten Bremsdrucks für das Fahrzeug. Die Verarbeitungseinheit ist derart ausgestaltet, dass sie aus den Messwerten der Sensoren und weiteren fahrzeugspezifischen Informationen Schräglaufwinkel der Räder des Fahrzeugs und einen Wert für eine Fahrstabilität des Fahrzeugs beim Bremsen bestimmt. In Abhängigkeit der bestimmten Schräglaufwinkel und der bestimmten Fahrstabilität wird dann der Bremsdruck an den Rädern derart eingestellt, dass ein vorbestimmter Schräglaufwinkel an keinem der Räder überschritten wird und dass ein vorbestimmter Wertebereich für die Fahrstabilität eingehalten wird. Zur Bestimmung der Fahrstabilität kann beispielsweise die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen verwendet werden. Die Vorrichtung zum Einstellen des Bremsdrucks kann die Schräglaufwinkel der Räder und die Fahrstabilität des Fahrzeugs beispielsweise wie im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug beschrieben bestimmen und den Bremsdruck für das Fahrzeug entsprechend einstellen.Finally, in accordance with the present invention, an apparatus for adjusting a brake pressure for a vehicle is provided. The device comprises a processing unit which is coupled to sensors and an actuator of the vehicle. The sensors provide readings of an angular velocity of each wheel of the vehicle, a yaw angular velocity of the vehicle, and a brake pressure for each wheel of the vehicle. The actuator is used to set a brake pressure for the vehicle determined by the processing unit. The processing unit is configured such that it determines slip angles of the wheels of the vehicle and a value for driving stability of the vehicle during braking from the measured values of the sensors and further vehicle-specific information. Depending on the particular slip angle and the particular driving stability, the brake pressure at the wheels is then adjusted such that a predetermined slip angle is not exceeded on any of the wheels and that a predetermined range of values for the driving stability is maintained. To determine the driving stability, for example, the device described above for determining a driving stability of a vehicle during braking can be used. The brake pressure adjusting device may determine the slip angles of the wheels and the running stability of the vehicle, for example, as described in connection with the method for adjusting a brake pressure for a vehicle and adjust the brake pressure for the vehicle accordingly.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
-
1 zeigt eine schematische Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansicht eines Fahrzeugs von oben mit auf das Fahrzeug wirkenden Kräften und Momenten. -
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit auf das Fahrzeug wirkenden Kräften zur Bestimmung der Radlasten. -
4 zeigt ein Diagramm, welches die Radlasten der Räder eines Fahrzeugs über der Zeit beim Bremsen zeigt. -
5 zeigt ein Diagramm, welches die Seitenkraftbeiwerte der Räder eines Fahrzeugs über der Zeit beim Bremsen zeigt. -
6 zeigt in vier Diagrammen für jeweils ein Rad des Fahrzeugs jeweils simulierte Seitenkräfte und gemäß einer Ausführungsform bestimmte Seitenkräfte über der Zeit beim einem Bremsvorgang. -
7 stellt eine für die Fahrstabilität relevante Größe gemäß der vorliegenden Erfindung während eines Bremsvorgangs über der Zeit dar. -
8 stellt eine charakteristische Größe gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Stabilität des Fahrzeugs während eines Bremsvorgangs über der Zeit dar. -
9 stellt weitere charakteristische Größen gemäß der vorliegenden Erfindung für die Fahrstabilität während eines Bremsvorgangs über der Zeit dar. -
10 stellt eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs von oben mit auf das Fahrzeug wirkenden Kräften dar, wobei sich die rechten Räder des Fahrzeugs auf einem Untergrund befinden, welcher einen anderen Reibungskoeffizienten als der Untergrund, auf dem sich die linken Räder des Fahrzeugs befinden, aufweist. -
11 zeigt ein Diagramm, welches den Verlauf eines für die Fahrstabilität des Fahrzeugs charakteristischen Wertes gemäß der vorliegenden Erfindung während eines Bremsvorgangs über der Zeit darstellt. -
12 zeigt eine Darstellung, welche die gemäß der vorliegenden Erfindung geregelten Bremsdrücke an vier Rädern eines Fahrzeugs über der Zeit während eines Bremsvorgangs darstellt. -
13 zeigt einen Schräglaufwinkel der Hinterräder während eines Bremsvorgangs über der Zeit. -
14 zeigt einen Verlauf eines Lenkradwinkels während eines Bremsvorgangs über der Zeit.
-
1 shows a schematic block diagram of a device for adjusting a brake pressure for a vehicle according to an embodiment of the present invention. -
2 shows a schematic representation of a view of a vehicle from above with forces and moments acting on the vehicle. -
3 shows a schematic representation of a vehicle with forces acting on the vehicle to determine the wheel loads. -
4 shows a diagram showing the wheel loads of the wheels of a vehicle over time when braking. -
5 Figure 11 is a graph showing the lateral force coefficients of the wheels of a vehicle over time during braking. -
6 shows in four diagrams for each wheel of the vehicle respectively simulated lateral forces and according to one embodiment, certain lateral forces over time in a braking operation. -
7 represents a relevant for the driving stability size according to the present invention during a braking operation over time. -
8th represents a characteristic quantity according to the present invention for a stability of the vehicle during a braking operation over time. -
9 Figure 12 illustrates further characteristic quantities according to the present invention for the driving stability during a braking operation over time. -
10 FIG. 12 illustrates a schematic top view of a vehicle with forces acting on the vehicle with the right wheels of the vehicle on a ground having a different coefficient of friction than the ground on which the left wheels of the vehicle are located. FIG. -
11 FIG. 12 is a graph showing the progress of a value characteristic of the running stability of the vehicle according to the present invention during a braking operation over time. FIG. -
12 FIG. 10 is a diagram illustrating the braking pressures on four wheels of a vehicle over time during a braking operation regulated in accordance with the present invention. FIG. -
13 shows a slip angle of the rear wheels during a braking operation over time. -
14 shows a course of a steering wheel angle during a braking operation over time.
Die Schräglaufwinkel und der Wert für die Fahrstabilität werden von der Vorrichtung
Der an das Bremssystem
Unter Bezugnahme auf die
Im Folgenden werden eine Bedingung der Fahrstabilität eines Fahrzeugs beim Bremsen und ihre Bestimmung im realen Fahrbetrieb beschrieben. Um einen stabilen Bremsvorgang zu gewährleisten, muss diese Stabilitätsbedingung stets erfüllt werden.In the following, a condition of driving stability of a vehicle during braking and its determination in real driving will be described. To ensure a stable braking process, this stability condition must always be met.
Bewegungsgleichungen von Kraftfahrzeugen beim BremsenEquations of motion of motor vehicles when braking
Zunächst wird unter Bezugnahme auf
Mit Ψ wird der Gierwinkel des Fahrzeugs gegenüber einem raumfesten Koordinatensystem
Winkel αVL, αVR, αHL, αHR zwischen Radmittelebenen und den jeweiligen Geschwindigkeitsrichtungen der Räder
Dabei wird angenommen, dass die Räder
In der Regel sind Halbspurweiten bV und bH gegenüber einem Kursradius ρ = ν/(Ψ̇ + β̇̇) klein, d.h., es gelten bV << ρ ≈ v/Ψ̇ und bH << ρ ≈ ν/Ψ̇, also bVΨ̇ <<ν, bHΨ̇ <<ν. Die Terme bVΨ̇ und bHΨ̇ in Gleichungen (1) bis (4) können somit vernachlässigt werden. Die Schräglaufwinkel an den Rädern einer Achse sind in diesem Fall praktisch gleich und können somit aus Gleichungen (5) und (6) bestimmt werden:
Da die Winkel δV -αV, αH und β während einer normalen Fahrt klein sind, ist eine Linearisierung der Gleichungen (5) und (6) statthaft. Somit ergeben sich Gleichungen (7) und (8):
Während eines allgemeinen Bremsvorgangs wirken auf das Fahrzeug neben den Bremskräften (Umfangskräften)
Mit der Masse des Fahrzeugs m und einem Trägheitsmoment um die Fahrzeughochachse JZ werden kinetischen Gleichungen für das Fahrzeugmodell aufgestellt:With the mass of the vehicle m and a moment of inertia about the vehicle vertical axis J Z are set up kinetic equations for the vehicle model:
Aus dem Impulssatz (Kräftegleichgewicht) in Fahrzeuglängsrichtung ergibt sich Gleichung (9):
Aus dem Impulssatz (Kräftegleichgewicht) in Fahrzeugquerrichtung ergibt sich Gleichung (10):
Aus dem Drallsatz (Momentengleichgewicht) um die Fahrzeughochachse ergibt sich Gleichung (11)
Da die Winkelgrößen während eines normalen Bremsvorgangs klein sind, vereinfachen sich die Gleichungen (9) bis (11) ohne große Abweichung zu den Gleichungen (12) bis (14):
Gleichungen (13) und (14) sind für die Fahrstabilität maßgebend und werden näher betrachtet. Die Seitenkräfte
Werden diese Beziehungen sowie Gleichungen (7) und (8) in Gleichungen (13) und (14) eingesetzt, erhält man Gleichungen (19) und (20):
Dabei sind cαV = cαVL + cαVR und cαH = cαHL, + cαHR die Seitenkraftbeiwerte aller Räder der Vorder- und Hinterachse. Gleichungen (19) und (20) entsprechen somit im Wesentlichen einem Einspurmodell mit der Erweiterung um ein zusätzliches Giermoment, das bei asymmetrischen Bremskräften entstehen wird.Here, c αV = c αVL + c αVR and c αH = c αHL , + c αHR are the lateral force coefficients of all wheels of the front and rear axles. Equations (19) and (20) thus essentially correspond to a one-track model with the addition of an additional yaw moment, which will arise with asymmetric braking forces.
Eine entsprechende Zustandsraumdarstellung der Gleichungen (19) und (20) ergibt die Gleichungen (21) und (22):
Man erkennt, dass es sich hier um ein lineares zeitvariantes System handelt, da sich die Geschwindigkeit v in der System- und der Eingangsmatrix während eines Bremsvorgangs ständig ändert. Dementsprechend sind die Eigenschaften des Systems auch über der Fahrgeschwindigkeit veränderlich. Bei den folgenden Untersuchungen wird die Geschwindigkeit jedoch zunächst aus Vereinfachung „eingefroren“. Dies ist auch erlaubt, da die Längsdynamik des Fahrzeugs nach Gleichung (12) während eines normalen Bremsvorgangs praktisch als von der Querdynamik entkoppelt betrachtet werden kann. Werden solche quasi-stationären Untersuchungen auf andere Geschwindigkeiten übertragen, so erhält man ein Gesamtbild der Systemeigenschaften, wie z.B. der Steuerbarkeit und der Stabilität.It can be seen that this is a linear time-varying system because the velocity v in the system and input matrix constantly changes during braking. Accordingly, the characteristics of the system are also variable over the driving speed. In the following investigations, however, the speed is first "frozen" for simplicity. This is also allowed because the longitudinal dynamics of the vehicle according to equation (12) during a normal braking operation can be considered practically decoupled from lateral dynamics. If such quasi-stationary investigations are transferred to other speeds, one obtains an overall picture of the system properties, such as e.g. controllability and stability.
Steuerbarkeit von Kraftfahrzeugen beim BremsenControllability of motor vehicles when braking
Die Steuerbarkeitsmatrix des Systems nach Gleichung (23) lautet:
Da der Seitenkraftbeiwert cαV in der Regel deutlich höher als die Bremskräfte
Das System ist genau dann steuerbar, wenn die Matrix Q regulär ist, d.h., dass Gleichung (25) erfüllt ist
Da bei einem Pkw näherungsweise JZ ≈ mlVlH gilt, nimmt der Term in Klammern
Stabilitätsbedingung von Kraftfahrzeugen beim BremsenStability condition of motor vehicles during braking
Durch das ABS-System wird das Blockieren der Räder verhindert. Somit wird die Steuerbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet. Man kann theoretisch durch Lenken die auf das Fahrzeug wirkende Störungen kompensieren und sogar das Schleudern des Hecks korrigieren. Der Fahrer fungiert in diesem Fall als ein Zustandsregler der Form der Gleichung (26)
Dabei ist R eine 1 × 2 -Rückführmatrix.Where R is a 1 × 2 feedback matrix.
Wird Gleichung (26) in (23) eingesetzt, ergibt sich die Differentialgleichung der Zustandsregelung (Zustandsgleichung des closed-loop Systems) nach Gleichung (27):
Die Systemmatrix, die für die Systemeigenschaften maßgebend ist, wird durch die Rückführung geändert. Das heißt, man kann durch geeignete Wahl der Rückführmatrix ein eigentlich instabiles Fahrzeug stabilisieren. Ein geübter Fahrer kann das meistens, ein Normalfahrer (und das sind die meisten) hingegen kann es häufig nicht.The system matrix, which governs the system properties, is changed by the feedback. That is, one can stabilize an actually unstable vehicle by suitable choice of the feedback matrix. A skilled driver can do that most of the time, a normal driver (and that's the majority), however, often can not.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Normalfahrer bei einer Schleuderbewegung meistens nicht richtig und schnell genug gegenlenkt. Es muss auch immer damit gerechnet werden, dass der Fahrer erst nach einer Zeitspanne, die etwa seiner Reaktionszeit entspricht, korrigierend eingreifen kann. Aus diesen Gründen wird bei der folgenden Stabilitätsuntersuchung das systemeigene Verhalten des Fahrzeugs, also ohne Fahrereingriffe, näher betrachtet. Dies wird durch die homogene Zustandsdifferentialgleichung ẋ = Ax nach Gleichung (28) ausgedrückt.
Die Lösung dieser Gleichung (28) für z.B. die Giergeschwindigkeit beschreibt Gleichung (29):
Dabei werden die Koeffizienten ζ1, ζ2 durch Anfangsbedingungen der Zustandsgrößen β(t = 0) und ψ̇(t = 0) bestimmt. λ1, λ2 sind die Eigenwerte der Systemmatrix A, also die Lösungen der charakteristischen Gleichung des Systems nach Gleichungen (30) bis (32):
Daraus folgt unmittelbar Gleichung (33)
Aus der Lösung der homogenen Gleichung (29) erkennt man, dass die Stabilitätsforderung erfüllt wird, wenn die reellen Teile der Eigenwerte λ1 und λ2 negativ sind, d.h. Gleichung (34) erfüllt ist:
Genau dann nämlich strebt das System unter einer Störung stets gegen einen stationären Zustand. Andernfalls wird keine Gleichgewichtslage (Beharrungslage) erreicht.It is then that the system always strives against a steady state under a fault. Otherwise, no equilibrium position (steady state) is achieved.
Die Eigenwerte sind nicht nur für die Stabilität ausschlaggebend sondern beeinflussen darüber hinaus das Zeitverhalten des Systems weitgehend. Je „negativer“ Re(λ1,2) ist, umso schneller klingt ein Übergangsvorgang ab. Dies merkt man als Fahrer unmittelbar daran, wie leicht sich das Fahrzeug kontrollieren lässt.The eigenvalues are not only decisive for the stability but also largely influence the time behavior of the system. The more "negative" Re (λ 1,2 ) is, the faster a transition process will sound. As a driver, you immediately notice how easily the vehicle can be controlled.
Bei realen Fahrzeugen ist σ praktisch immer eine positive Größe. ω2 kann dagegen sowohl einen positiven als auch einen negativen Wert nehmen und stellt deshalb eine charakteristische Größe für die Stabilität dar.For real vehicles, σ is almost always a positive quantity. On the other hand, ω 2 can take both a positive and a negative value and therefore represents a characteristic variable for the stability.
Für den Fall ω2 > 0 gilt stets Re(λ1,2)<0, also ist das Fahrzeug stabil. Ist dabei σ2 - ω2 > 0, sind λ1 und λ2 negativ reell. Man hat in diesem Fall einen monotonen Zeitvorgang. Bei σ2 - ω2 < 0 sind λ1 und λ2 konjugiert komplex. Zu einem solchen konjugiert komplexen Eigenwertpaar gehört ein abklingender Schwingungsvorgang.For the case ω 2 > 0, Re (λ 1,2 ) <0 always applies, so the vehicle is stable. If σ 2 - ω 2 > 0, λ 1 and λ 2 are negatively real. One has in this case a monotonous time process. For σ 2 - ω 2 <0, λ 1 and λ 2 are conjugate complex. Such a conjugate complex eigenvalue pair includes a decaying vibrational process.
Für den Fall ω2 < 0 wird einer der Eigenwerte positiv. Dadurch wird die Stabilitätsbedingung (
Da der Term lHcαH -lVcαV mit ν2 multipliziert wird, kann eine Instabilität bei höheren Geschwindigkeiten schon durch Bremsen hervorgerufen werden, denn wegen der Belastung der Vorderachse und der Entlastung der Hinterachse im Bremsmanöver nimmt der Seitenkraftbeiwert der Vorderachse zu und der Seitenkraftbeiwert der Hinterachse ab. Wirkt auf das Fahrzeug zusätzlich noch eine Querbeschleunigung, so werden sich die Radlasten zwischen links und rechts verlagern.Since the term l H c αH -l V c αV is multiplied by ν 2 , instability at higher speeds can already be caused by braking, because of the load on the front axle and the relief of the rear axle in the braking maneuver increases the Seitenkraftbeiwert the front axle and the lateral force coefficient of the rear axle. If a lateral acceleration also acts on the vehicle, the wheel loads will shift between left and right.
Radlaständerung von Kraftfahrzeugen beim BremsenWheel load change of motor vehicles during braking
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf
Nach
Dabei wird vereinfachend angenommen, dass die Spurweiten der Vorder- und der Hinterachse identisch sind, nämlich bV = bH =b. Mit ε werden die Unterschiede der Aufbaufeder- und der Stabilisatorhärte zwischen der Vorder- und der Hinterachse berücksichtigt. Durch Einstellungen der Aufbaufeder- und der Stabilisatorhärte kann die seitliche Radlastverlagerung wegen der Querbeschleunigung gezielt auf die Vorder- und die Hinterachse verteilt werden.It is assumed simplifying that the gauges of the front and rear axles are identical, namely b V = b H = b. With ε the differences of the Aufbaufeder- and the stabilizer hardness between the front and the rear axle are considered. By adjusting the Aufbaufeder- and the stabilizer hardness, the lateral Radlastverlagerung can be distributed due to the lateral acceleration targeted to the front and rear axles.
Aus Gleichungen (35) bis (38) kann man erkennen, dass die Radlasten maßgeblich durch die Schwerpunktslage lV / l, lH /l, h/l und h/2b beeinflusst werden. Diese ist in erster Linie durch das Fahrzeugkonzept bedingt und verändert sich ja nach Beladungstand. Ein höheres Verhältnis der Schwerpunktshöhe zum Radstand h/l bedingt beim Bremsen eine größere Radlastverlagerung von Hinter- auf Vorderräder. Beim Vorhandensein einer Querbeschleunigung führt ein höheres Verhältnis der Schwerpunktshöhe zur Spurweite h/2b zu einer größeren Radlastverlagerung zwischen linken 12, 15 und rechten Rädern
Neben der Radlast und dem Reibbeiwert hängen die Seitenkraftbeiwerte noch vom Umfangsschlupf der Räder ab. Im Folgenden werden die Reifeneigenschaften näher betrachtet.In addition to the wheel load and the coefficient of friction, the lateral force coefficients still depend on the circumferential slip of the wheels. The tire properties are considered in more detail below.
Reifeneigenschaften und Bestimmung der Seitenkraftbeiwerte Tire properties and determination of lateral force coefficients
Zur Beschreibung der Reifeneigenschaften wird das HSRI-Reifenmodell herangezogen, weil dieses auf fahrzeugtechnischen Grundlagen beruhende Modell einen Einblick in die Zusammenhänge und Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Größen (Kräften, Schräglaufwinkel, Umfangsschlupf usw.) ermöglicht.To describe the tire properties, the HSRI tire model is used, because this based on vehicle-technical basics model provides insight into the relationships and dependencies between the different sizes (forces, slip angle, circumferential slip, etc.).
Der Berechnung liegen die Verformungen der Reifenprofilteilchen und die dadurch hervorgerufenen Schubspannungen im Latsch zugrunde. Ob die Profilteilchen im Latsch schon teilweise die Kraftschlussgrenze erreichen, wird durch eine Hilfsgröße
Dabei bezeichnet S den Umfangsschlupf, α den Schräglaufwinkel und µ den Reibbeiwert eines Rades. Ferner ist
Im Fall
- Eine Umfangskraft wird durch Gleichung (42) beschrieben
- A circumferential force is described by Equation (42)
Eine Seitenkraft wird durch Gleichung (43) beschrieben
Im Fall > 0,5 gleiten die Profilteilchen im Latsch teilweise oder gar komplett. Durch Integration der Spannungen im Haft- und Gleitbereich über den Latsch ergeben sich die Kräfte wie folgt:
- Die Umfangskraft ergibt sich zu Gleichung (44).
- The circumferential force is given by equation (44).
Die Seitenkraft ergibt sich zu Gleichung (45).
Es ist anzumerken, dass nach Gleichungen (42) und (43) bzw. (44) und (45) ein einfacher Zusammenhang zwischen der Umfangs- und der Seitenkraft nach Gleichungen (46) und (47) besteht:
Diese Beziehung besagt, dass der Seitenkraftbeiwert cα sich beim Bremsen durch die Umfangskraft FU und den entsprechenden Umfangsschlupf bestimmen lässt. Nach Gleichungen (40) und (41) hängt der Koeffizient
Wenn die Radlast FZ nicht sehr stark von ihrem Nennwert
Der Koeffizient κ muss vorab durch Messungen bestimmt werden.The coefficient κ must be determined beforehand by measurements.
Die Umfangskraft (in diesem Fall Bremskraft) FU wird im realen Fahrzeug nicht direkt gemessen und muss über den Bremsdruck nach Gleichung (51) berechnet werden:
Hierbei ist pB der Bremsdruck, A die Kolbenfläche des Radbremszylinders, r der mittlere Reibradius des Bremsbelags auf der Bremsscheibe und CB der Bremsenkennwert. Mit ω̇ wird die Winkelbeschleunigung des Rades bezeichnet. Ferner ist JRad das Trägheitsmoment des Rades und aller damit verbundenen Drehmassen, Rdyn der dynamische Reifenhalbmesser.Here, p B is the brake pressure, A the piston surface of the wheel brake cylinder, r the mean friction radius of the brake pad on the brake disc and C B the brake characteristic. With ω̇ the angular acceleration of the wheel is called. Further, J Rad is the moment of inertia of the wheel and all associated rotational masses, R dyn the dynamic tire radius.
Wird beim Bremsen nicht ausgekuppelt, wird der erforderliche Bremsdruck eines Antriebsrades wegen des darauf wirkenden Motorschleppmoments MMotor beim gleichen Schlupf kleiner. Je höher die Fahrgeschwindigkeit und je niedriger des eingelegten Gangs ist, desto stärker ist die Wirkung des Motorbremsmoments.If not disengaged during braking, the required brake pressure of a drive wheel because of the acting thereon motor drag torque M motor at the same slip is smaller. The higher the vehicle speed and the lower the engaged gear, the stronger the effect of the engine braking torque.
Der oben vorgestellte Ansatz zur Berechnung des Seitenkraftbeiwerts berücksichtigt Reibbeiwert- sowie Radlaständerungen automatisch und funktioniert auch bei kombinierten Manövern, z.B. bei gleichzeitigem Auftreten des Umfangsschlupfs und des Schräglaufwinkels. Er ist jedoch empfindlich bei sehr kleinen Umfangsschlupfwerten. Diese Einschränkung ist aber für den realen Einsatz nicht gravierend, da die Bremsstabilität erst bei größeren Umfangsschlupfwerten ein Thema wird.The approach to calculating the lateral force coefficient presented above automatically considers friction coefficient and wheel load changes and also works in combined maneuvers, e.g. with simultaneous occurrence of the circumferential slip and the skew angle. However, it is sensitive to very small circumferential slip values. However, this limitation is not serious for real use, since the braking stability only becomes an issue with larger circumferential slip values.
Bestimmung der Stabilitätsbedingung im realen Fahrbetrieb Determination of the stability condition in real driving
Mit dem oben vorgestellten Ansatz können Seitenkraftbeiwerte der Räder beim Bremsen bestimmt werden. Darauf basierend lassen sich die für die Stabilität charakteristische Größe ω2 bzw. die Eigenwerte des Systems λ1,2 berechnen. Im Folgenden wird ein konkretes Beispiel dargestellt. Dabei handelt es sich um die Geradeausbremsung eines Fahrzeugs auf einer einseitig glatten Fahrbahn (Eis auf der linken Seite und Beton auf der rechten Seite) mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 85 Km/h. Das Fahrzeug hat eine hohe Schwerpunktslage und ist mit einem nicht angepassten ABS ausgerüstet. Ein menschlicher Fahrer muss dabei versuchen, das Fahrzeug geradeaus zu fahren.With the approach presented above, lateral force coefficients of the wheels during braking can be determined. Based on this, the quantity ω 2 characteristic of the stability or the eigenvalues of the system λ 1,2 can be calculated. The following is a concrete example. This is the straight braking of a vehicle on a one-sided smooth road (ice on the left side and concrete on the right side) with an initial speed of 85 km / h. The vehicle has a high center of gravity and is equipped with an unmatched ABS. A human driver must try to drive the vehicle straight ahead.
Das Fahrzeug verhält sich während dieses Bremsvorgangs unruhig und lässt sich nur schwer vom Fahrer beherrschen. Dieses Manöver wird im Rechner mit Hilfe eines Mehrkörper-Gesamtfahrzeugmodells rekonstruiert, damit messtechnisch aufwändige Größen wie Radlasten, Schräglaufwinkel und Seitenkräfte für weitere Untersuchungen bzw. für die Validierung des vorgestellten Verfahrens zur Bestimmung der Fahrstabilität zugänglich gemacht werden.The vehicle behaves restless during this braking process and is difficult to control by the driver. This maneuver is reconstructed in the computer with the aid of a multi-body overall vehicle model, so that metrologically complex parameters such as wheel loads, slip angles and lateral forces are made available for further investigations or for the validation of the presented method for determining the driving stability.
In
Anhand dieser Figur sieht man deutlich, dass die Verzögerung zur Radlastverlagerung von der Hinter- auf die Vorderachse führt, während die durch das Gieren hervorgerufene Querbeschleunigung zur Radlastverlagerung zwischen den linken und den rechten Rädern führt. Die Radlastverlagerungen sind in diesem Fall wegen der hohen Schwerpunktslage des Fahrzeugs ausgeprägt. Besonders stark entlastet wird das Hinterrad auf der griffigeren Fahrbahnseite, wenn die ungleichen Bremskräfte das Fahrzeug zu dieser Seite drehen und der Fahrer keine entsprechende Korrektur durch Lenken einleitet (z.B. um die zweite oder die vierte Sekunde in
In diesem Fall ist auch zu erwarten, dass die hintere Achse stark an ihrer Seitenführungsfähigkeit verliert. Dies erkennt man auch tatsächlich aus den Seitenkraftbeiwerten, die mit dem zuvor beschriebenen Verfahren berechnet sind.
Zur Validierung der berechneten Seitenkraftbeiwerte werden sie mit den durch Simulation rekonstruierten Schräglaufwinkeln der Räder multipliziert.
Nach Gleichungen (31), (32) und (33) werden die Größen σ und ω2 sowie die Eigenwerte (Pole) λ1,2 berechnet. Die Ergebnisse sind in
Während die Größe σ in diesem Bremsvorgang stets positiv bleibt, wird die Größe ω2 um die zweite Sekunde nach
In
Wie zuvor beschrieben, wurde ein Verfahren zum Bestimmen einer Stabilitätsbedingung beim Bremsen hergeleitet. Dabei stellt ω2 eine charakteristische Größe dar und korreliert gut mit der subjektiven Wahrnehmung des Fahrers von der Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs.As described above, a method for determining a stability condition in braking has been derived. Here, ω 2 represents a characteristic quantity and correlates well with the subjective perception of the driver of the controllability of the vehicle.
Darüber hinaus ist das Verfahren geeignet die Bestimmung der Stabilitätsbedingung beim Bremsen unterschiedlicher Art zu ermöglichen, z.B. Geradausbremsen auf homogener und heterogener Fahrbahn, Bremsen in der Kurve usw. In addition, the method is suitable to allow the determination of the stability condition during braking of different types, for example, straight braking on a homogeneous and heterogeneous road, braking in the curve, etc.
Es ist anzumerken, dass die dabei benötigten Größen
Auf der anderen Seite sind die Variationsbereiche der Größen
Mit Nutzung wird hier gemeint, dass man die Stabilitätsbedingung nicht nur bestimmt, sondern auch bei der Regelung von Bremsdrücken gezielt einsetzt, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Das Ziel ist, die Haftung der Räder auf der Fahrbahn bei Erfüllung der Stabilitätsbedingung optimal auszunutzen.By use is meant here that one not only determines the stability condition, but also uses it selectively in the regulation of brake pressures, as will be described below. The aim is to make the best possible use of the grip of the wheels on the roadway when the stability condition is met.
Verfahren zum Einstellen eines Bremsdrucks für ein FahrzeugMethod for setting a brake pressure for a vehicle
Beim Bremsen verändern sich die Fahrzeugparameter, welche für das Fahrverhalten maßgebend sind. Bei einer zu starken Veränderung dieser Parameter kann ein unerwünschtes Fahrverhalten, im Extermfall sogar Instabilität auftreten. Ein normaler Fahrer wird in solchen Situationen meist überrascht und überfordert. Um dies zu vermeiden, müssen bestimmte Bedingungen beim Bremsen erfüllt werden. Die Erfüllung dieser Bedingungen kann durch eine gezielte Regelung der Bremsdrücke erreicht werden. Das Ziel der Regelung ist neben der Beherrschbarkeit des Fahrzeugs auch ein möglichst kurzer Bremsweg. Im Folgenden werden die zu erfüllenden Bedingungen und die entsprechenden Regelstrategien vorgestellt.When braking, the vehicle parameters which are decisive for the driving behavior change. If the parameters are changed too much, unwanted drivability, even extreme instability, can occur. A normal driver is usually surprised and overwhelmed in such situations. To avoid this, certain conditions must be met during braking. The fulfillment of these conditions can be achieved by a targeted regulation of the brake pressures. The aim of the regulation is in addition to the controllability of the vehicle also the shortest possible braking distance. In the following, the conditions to be fulfilled and the corresponding control strategies are presented.
Stabilitätsbedingung des GesamtfahrzeugsStability condition of the whole vehicle
Die Stabilität von Fahrzeugen beim Bremsen wurde zuvor anhand der Differentialgleichungen (23) untersucht.The stability of vehicles during braking was previously examined using differential equations (23).
Die Stabilität des Fahrzeugs wird maßgebend durch die Eigenwerte der Systemmatrix A aus Gleichungen (52) bis (54) bestimmt:
Um die Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten, soll der Realteil des ersten Eigenwerts einen negativen Wert annehmen (der Realteil des zweiten Eigenwerts ist stets negativ), nämlich
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Stabilität eines Fahrzeugs können die Größen ω2 bzw. λ1 im realen Fahrbetrieb bestimmt werden. Daher wird Bedingung (
Beim Bremsen (z.B. auf heterogener Fahrbahn, in der Kurve oder unter anderen Störungen) ist häufig eine Korrektur durch Lenken erforderlich, da sonst das Fahrzeug schnell die richtige Spur verlassen wird. Ein durchschnittlicher Fahrer ist meistens nur mit dem Fahrverhalten in normalen Fahrsituationen vertraut. Eine zu starke Veränderung des Fahrverhaltens beim Bremsen könnte den Fahrer überraschen und evtl. zu einer falschen Fahrerreaktion führen. Zur Charakterisierung des Fahrverhaltens können Frequenzgänge herangezogen werden.Braking (e.g., on a heterogeneous road, cornering or other disturbances) often requires steering correction, otherwise the vehicle will quickly leave the correct lane. An average driver is usually familiar only with the driving behavior in normal driving situations. Too much change in driving behavior during braking might surprise the driver and possibly lead to a wrong driver reaction. Frequency responses can be used to characterize the driving behavior.
Beurteilung des Fahrverhaltens mittels des GierfrequenzgangsAssessment of the driving behavior by means of the yaw frequency response
Der Gierfrequenzgang stellt ein wertvolles Hilfsmittel zur Beurteilung des Fahrverhaltens dar. Aus Differentialgleichungen (
Dabei ist / = lV + lH.Where / = 1 V + 1 H.
Wird für s in der Gierübertragungsfunktion (
Der Frequenzgang stellt also einen Ausschnitt aus der Übertragungsfunktion dar, nämlich die Gesamtheit ihrer Funktionswerte auf der imaginären Achse.The frequency response thus represents a section of the transfer function, namely the entirety of its functional values on the imaginary axis.
Aus dem Gierfrequenzgang (
Der Gierfrequenzgang soll sich während des Bremsvorgangs möglichst nicht zu stark ändern, damit der Fahrer nicht überfordert wird.The yaw frequency response should not change too much during the braking process, so that the driver is not overwhelmed.
Sowohl der Amplitudengang als auch der Phasengang des Gierfrequenzgangs fallen, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, sehr früh und sehr steil ab (was auf eine starke Veränderung des Fahrverhaltens hindeutet), wenn die Größe Re(λ1) zwar negativ aber nicht klein genug ist. Es ist deshalb sinnvoll, Re(λ1) wie folgt zu begrenzen:
Die Grenzwerte τ bzw. ξ sind zweckmäßig durch Applikationen festzulegen, damit die Ungenauigkeiten in den Schätzwerten und vor allem die Wahrnehmung des Fahrverhaltens vom Fahrer berücksichtigt werden können.The limit values τ and ξ are expediently to be determined by means of applications, so that the inaccuracies in the estimated values and above all the perception of the driving behavior by the driver can be taken into account.
Die Grenzwerte sollen nicht zu großzügig gewählt werden, damit ein normaler Fahrer mit der Veränderung des Fahrverhaltens beim Bremsen noch zurechtkommen kann. Auf der anderen Seite führen zu konservativ gewählte Werte zur Verminderung der Bremsdrücke und demzufolge einem längeren Bremsweg.The limits should not be too generous, so that a normal driver can still cope with the change in driving behavior when braking. On the other hand, too conservative values lead to a reduction in brake pressures and consequently a longer braking distance.
Die Größe Re(λ1) wird mit abnehmender Fahrgeschwindigkeit schnell kleiner. Die Bremsdrücke können entsprechend erhöht werden, ohne die Stabilitätsbedingung zu verletzen. Die Bremsdrücke müssen jedoch wegen der Reifeneigenschaften begrenzt werden, damit die Stabilität der Räder sowohl in der Umfangsrichtung (also nicht blockieren) als auch in der Seitenrichtung gewährleistet wird.The quantity Re (λ 1 ) decreases rapidly as the vehicle speed decreases. The brake pressures can be increased accordingly without violating the stability condition. However, the braking pressures must be limited because of the tire characteristics, so that the stability of the wheels is ensured both in the circumferential direction (not blocked) and in the lateral direction.
Begrenzung der SchräglaufwinkelLimiting the slip angle
Ähnlich wie die Umfangskraft über dem Umfangsschlupf kann die Seitenkraft nur bis zu einer bestimmten Grenze mit dem Schräglaufwinkel ansteigen. Wird diese Grenze überschritten, wird die Seitenkraft nicht mehr größer oder gar abfallen, obwohl der Schräglaufwinkel sich weiter vergrößert. In diesem Fall gerät das Fahrzeug in einen instabilen Bereich, d.h. es wird kein stationärer Zustand erreicht. Diese Situation kann besonders beim Bremsen auf einseitig glatter Fahrbahn auftreten. In
Das durch die asymmetrischen Bremskräfte
Im quasi-stationären Zustand gilt
Differentialgleichungen (
Daraus können der quasi-stationäre Schwimmwinkel und der erforderliche Lenkeinschlagwinkel bei einer gemessenen Gierwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden:
Aufgrund folgender Zusammenhänge
Regelstrategiecontrol strategy
Ein stabiler und beherrschbarer Bremsvorgang setzt demzufolge drei Bedingungen voraus:
- 1. Die Stabilitätsbedingung des Gesamtfahrzeugs nach (
61 ) bzw. (62 ) muss erfüllt werden; - 2. Die Schräglaufwinkel der Räder dürfen eine bestimmte Grenze nicht überschreiten;
- 3. Die Räder dürfen nicht blockieren.
- 1. The stability condition of the whole vehicle according to (
61 ) respectively. (62 ) must be fulfilled; - 2. The slip angles of the wheels must not exceed a certain limit;
- 3. The wheels must not lock.
Unter diesen Bedingungen soll die Haftung der Räder auf der Fahrbahn optimal ausgenutzt werden, um einen möglichst kurzen Bremsweg zu erzielen. Dies kann durch eine gezielte Regelung der Bremsdrücke bzw. der Schlupfwerte erreicht werden.Under these conditions, the adhesion of the wheels on the road should be optimally utilized to achieve the shortest possible braking distance. This can be achieved by a targeted regulation of the brake pressures or the slip values.
Im Prinzip sind viele Regelstrategien denkbar. Eine Ausführungsform ist in
Diese Regelstrategie wird nun mit Hilfe eines Mehrkörper-Gesamtfahrzeugmodells untersucht. Als Regelgröße wird dabei Re(λ1) verwendet. Alternativ kann auch die Größe ω2 herangezogen werden.This control strategy is now being investigated with the help of a multi-body complete vehicle model. As a controlled variable, Re (λ 1 ) is used. Alternatively, the size ω 2 can be used.
Die vorgestellte Regelstrategie funktioniert beim Bremsen unterschiedlicher Art, z.B. Geradausbremsen auf homogener und heterogener Fahrbahn, Bremsen in der Kurve usw. Exemplarisch werden im Folgenden lediglich einige Simulationsergebnisse beim Geradausbremsen auf einer einseitig (links in diesem Fall) glatten Fahrbahn gezeigt.The presented control strategy works in braking of different types, e.g. Straight braking on homogeneous and heterogeneous road surfaces, braking in the curve, etc. As an example, only a few simulation results during straight braking on a one-sided (left in this case) smooth roadway are shown below.
Wie
Da Re(λ1) zu Beginn des Bremsvorgangs deutlich kleiner als die Vorgabe ist, wird der Bremsdruck im Hauptzylinder schnell aufgebaut. Die Drehgeschwindigkeit der Räder auf der glatten Fahrbahnseite nimmt rasch ab. In diesem Fall spricht der Blockierverhinderer an, damit der Bremsdruck in den entsprechenden Radzylindern nicht weiter steigt und das Blockieren verhindert wird, wie in
Da die Räder auf der griffigen Fahrbahnseite (rechts) noch mehr Bremskräfte übertragen können, wird der Bremsdruck unter den Stabilitätsbedingungen
Das Fahrverhalten in höheren Geschwindigkeitsbereichen, also zu Beginn der Bremsung, ändert sich relativ stark. Um dies zu verbessern, ist statt einer konstanten eine mit der Fahrgeschwindigkeit variable Grenze τ denkbar.The driving behavior in higher speed ranges, ie at the beginning of the braking, changes relatively strongly. In order to improve this, a variable limit τ that is variable with the driving speed is conceivable instead of a constant one.
Der erforderliche Lenkradwinkel während des Bremsvorgangs ist in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 21, 2
- Vorrichtungcontraption
- 33
- Verarbeitungseinheitprocessing unit
- 44
- Sensorensensors
- 5, 65, 6
- Verarbeitungseinheitprocessing unit
- 77
- Bremsdruckbrake pressure
- 88th
- Bremssystem, BlockierverhindererBrake system, anti-lock device
- 99
- Reglerregulator
- 1010
- Fahrzeuglängsachsevehicle longitudinal axis
- 1111
- FahrzeugschwerpunktCenter of gravity
- 12-1512-15
- Radwheel
- 1616
- Hinterachserear axle
- 1717
- VorderachseFront
- 18-3718-37
- Graphgraph
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R082 | Change of representative | ||
R020 | Patent grant now final |