DE102009002245A1

DE102009002245A1 - Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009002245A1
Application number: DE102009002245A
Authority: DE
Inventors: Michael Sprinzl; Jörg Strecker; Thomas Werner
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: DE102009002245B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug wird ein Ist-Reifenrückstellmoment ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment verglichen, wobei aus dem Verhältnis der Momente auf den Reibwert geschlossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug.
In der DE 10 2006 036 751 A1 wird ein Verfahren zur Schätzung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug beschrieben. Hierzu wird die Seitenführungskraft an einem Reifen des Fahrzeugs aus einem vorgegebenen, kinematischen Zusammenhang als Funktion einer Zahnstangenkraft ermittelt, die in einer Zahnstange des Lenksystems wirkt und als Funktion der im Lenksystem vorhandenen Momente berechnet werden kann. Die Lenkmomente stellen ein Maß für die aktuellen Reibwerte an den Reifen dar und können mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches und mit hinreichender Genauigkeit durchzuführendes Verfahren zur Ermittlung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Reibwerte zwischen den Reifen eines Fahrzeugs und der Fahrbahn ermittelt werden, indem ein auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs wirkendes Ist-Reifenrückstellmoment ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment verglichen wird. Aus dem Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment und Referenzreifenrückstellmoment kann auf den gesuchten Reibwert geschlossen werden.
Bei dieser Vorgehensweise kann das Referenzreifenrückstellmoment aus einem mathematischen Referenzmodell berechnet werden, bei dem ein Reibwert zugrunde gelegt wird, dessen Höhe bekannt ist. Beispielsweise kann ein Hochreibwert zugrunde gelegt werden, der mindestens 0.8, beispielsweise 0.9 beträgt. Grundsätzlich können aber in dem Referenzmodell Reibwerte beliebiger Höhe verwendet werden, unter anderem auch niedrigere Reibwerte, die beispielsweise kleiner als 0.5 sind.
Aus dem Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment, welches für einen bestimmten Reibwert ermittelt wurde, kann auf den aktuellen Reibwert geschlossen werden. So wird beispielsweise im Falle eines niedrigeren, tatsächlichen Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn auch ein kleinerer Wert für das Ist-Reifenrückstellmoment auf sensorische oder rechnerische Weise ermittelt werden, wobei die Diskrepanz zwischen den Werten für das Ist-Reifenrückstellmoment und das Referenz-Reifenrückstellmoment die Berechnung des gesuchten Reibwertes erlaubt.
Zweckmäßigerweise wird das Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment gebildet, wobei die Umrechnung in den tatsächlich wirkenden Reibwert mithilfe einer Funktion durchgeführt wird, mit der der Verhältniswert der Momente multipliziert wird. Diese Funktion ist entweder, in der einfachsten Ausführungsvariante, eine Konstante, oder aber ihrerseits abhängig von weiteren Zustandsgrößen im Fahrzeug, insbesondere längs- und/oder querdynamischen Zustandsgrößen.
Alternativ zur Verhältniswertbildung von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment kann auch die Differenz dieser Momente für die Berechnung des tatsächlichen Reibwerts herangezogen werden. In diesem Fall wird der Referenzwert in einer entsprechend angepassten Funktion in den gesuchten Reibwert umgerechnet.
Möglich ist desweiteren die Berücksichtigung verschiedener Referenzmodelle mit unterschiedlich hohen Reibwerten, aus denen jeweils ein Referenzreifenrückstellmoment berechnet wird, welches über das Bilden des Verhältnisses mit dem Ist-Reifenrückstellmoment der Berechnung des tatsächlichen Reibwerts zugrunde gelegt wird. Aus der Mehrzahl der auf diese Weise ermittelten Reibwerte kann ein gemittelter tatsächlicher Reibwert berechnet werden.
Die Ermittlung des tatsächlich wirkenden Ist-Reifenrückstellmoments wird gemäß bevorzugter Ausführung aus der Zahnstangenkraft ermittelt, die aktuell in einer Zahnstange des Lenksystems wirksam ist. Die Zahnstangenkraft kann entweder sensorisch oder rechnerisch bestimmt werden. Zur Umrechnung wird die Zahnstangenkraft mit einer Funktion gewichtet, welche die Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt an einem der gelenkten Fahrzeugräder berücksichtigt und die vom Zahnstangenweg abhängt. Der Zahnstangenweg wird entweder aus dem Lenkradwinkel bestimmt, der gemessen oder rechnerisch ermittelt werden kann, oder, im Falle eines elektrischen Servomotors zur Lenkkraftunterstützung (EPS – Electric Power Steering) aus der Rotorposition des Servomotors, die berechnet oder gemessen werden kann. Die Zahnstangenkraft kann außerdem auch von der Radlast bzw. dem aktuellen Beladungszustand des Fahrzeugs abhängen, was zweckmäßigerweise über die Funktion erfasst wird, mit der die Zahnstangenkraft gewichtet wird.
Die Berechnung der Zahnstangenkraft erfolgt vorzugsweise für den Fall, dass das Lenksystem mit einem elektrischen Servomotor zur Lenkkraftunterstützung ausgestattet ist. Als Sensorik sind in diesem Fall Mittel zur Erfassung der Rotorposition des Servomotors sowie Mittel zur Erfassung des Handmoments erforderlich. Des Weiteren wird die Information über das aktuell eingespeiste Motormoment benötigt, was aus den Phasenströmen des Servomotors berechnet werden kann, welche messbar sind. Grundsätzlich kann das Motormoment auch in rechnerischer Weise ermittelt werden. Mithilfe der vorgenannten Informationen ist eine rechnerische Schätzung der Zahnstangenkraft möglich.
Grundsätzlich kann aber, wie vorbeschrieben, die Zahnstangenkraft auch sensorisch ermittelt werden, was auch in Lenksystemen durchgeführt werden kann, die als Lenkkraftunterstützungseinrichtung keinen elektrischen Servomotor, sondern eine sonstige Antriebseinheit wie beispielsweise ein hydraulisches Stellglied aufweisen.
Gegebenenfalls wird der Zahnstangenweg aus dem Ritzelwinkel bestimmt, der in einem Lenkgetriebe zur Umsetzung der Lenkbewegung der Lenkwelle auf ein Lenkgestänge wirkt und der aus dem gemessenen Lenkradwinkel bestimmt oder unmittelbar gemessen wird. Bei Vorhandensein eines elektrischen Servomotors kann der Ritzelwinkel auch aus der Rotorposition bestimmt werden.
Das Referenzreifenrückstellmoment wird bevorzugt aus einem mathematischen Referenzmodell in Abhängigkeit der Seitenführungskraft an den gelenkten Rädern berechnet. Die Umrechnung der Seitenführungskraft in das Referenzreifenrückstellmoment erfolgt über eine Funktion, die den Nachlauf des Reifens am gelenkten Fahrzeugrad berücksichtigt. Diese Funktion hängt des Weiteren von einer oder mehreren Zustandsgrößen ab, beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Gierrate, dem Radlenkwinkel und/oder dem Schwimmwinkel ab, wobei diese Zustandsgrößen entweder direkt gemessen oder aus Messgrößen abgeleitet werden. Die Seitenführungskraft wird bevorzugt aus einem Reifenmodell als Funktion des Schräglaufwinkels am gelenkten Fahrzeugrad berechnet, wobei die Umrechnung zwischen Schräglaufwinkel und Seitenführungskraft mithilfe einer weiteren Funktion erfolgt, welche die Reifeneigenschaften beschreibt und von einer oder mehreren Zustandsgrößen abhängt, beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Gierrate, der Querbeschleunigung, dem Radlenkwinkel, dem Schwimmwinkel und/oder der Lenkgeschwindigkeit. In dem Reifenmodell wird ein Reibwert angesetzt, dessen Höhe vorgegeben wird und der insbesondere als Hochreibwert in der Größenordnung von mindestens 0.8 vorliegt. Auf Grund dieses hoch angesetzten Reibwerts wird in dem mathematischen Referenzmodell ein verhältnismäßig hoher Wert des Referenzreifenrückstellmoments ermittelt, was für den Fall, dass der tatsächliche Reibwert niedriger liegt, zu einem entsprechend geringeren Ist-Reifenrückstellmoment führt.
Zur Ermittlung des Reibwerts können anstelle von Ist-Reifenrückstellmoment und Referenz-Reifenrückstellmoment auch damit korrelierende Größen betrachtet werden, insbesondere die mit diesen Momenten korrespondierenden Kräfte, zum Beispiel bei dem Ist-Reifenrückstellmoment die Zahnstangenkraft und bei dem Referenz-Reifenrückstellmoment die Seitenführungskraft. Der Ermittlung des Reibwerts wird in diesem Fall das Verhältnis von Zahnstangenkraft zu Seitenführungskraft zugrunde gelegt.
Die Schätzung des Reibwerts kann auch in Fahrzuständen ausgeführt werden, in denen sich das Fahrzeug nicht in einem fahrdynamischen Grenzbereich befindet, sondern in einer Normalsituation. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Ereignisse, in denen der Reibwert ermittelt werden kann, erheblich größer ist und dass die Reibwertschätzung genauer durchgeführt werden kann. Bei Kenntnis des Reibwerts können insbesondere Fahrerassistenzfunktionen im Fahrzeug an die aktuelle Fahrsituation angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, für den Fall eines plötzlich kleiner werdenden Reibwerts, beispielsweise auf Schnee oder Eis, einen Eingriff eines Fahrerassistenzsystems bereits in einem frühen Stadium durchzuführen und hierdurch die Fahrsicherheit zu erhöhen.
Als Fahrerassistenzsystem kommt beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) in Betracht, darüber hinaus aber auch Antiblockiersysteme (ABS), Antriebsschlupfregelsysteme (ASR) oder ggf. auch aktive Fahrwerkssysteme (Active Body Control – ABC).
Des Weiteren ist es möglich, das Lenkgefühl in Abhängigkeit des Reibwertes einzustellen, um dem Fahrer auf haptische Weise Informationen im Hinblick auf den Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn in einer für den Fahrer deutlicheren, besser verständlichen Weise zu vermitteln.
In Fahrzeugen, die über ein ESP-System sowie zusätzlich über einen elektrischen Servomotor (EPS-System) verfügen, ist die in diesen Systemen vorhandene Sensorik grundsätzlich ausreichend, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Reibwertschätzung durchzuführen. Darüber hinaus ist keine weitergehende Sensorik erforderlich.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Servomotor zur Bereitstellung eines Unterstützungsmoments im Lenksystem,
2 ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zur Durchführung des Verfahrens.
Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem Kraftfahrzeug umfasst als Lenkhandhabe ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 4, ein Lenkgestänge 5 sowie lenkbare Vorderräder 6. Das Lenksystem 1 umfasst zur Lenkkraftunterstützung einen elektrischen Servomotor 7 (EPS-System – Electric Power Steering), dessen Unterstützungsmoment in das Lenkgetriebe 4 eingespeist wird. Zur Umsetzung einer Lenkbewegung gibt der Fahrer über das Lenkrad 2 einen Lenkradwinkel δ_L vor, der über das Lenkgetriebe 4, dessen Lenkübersetzung bekannt ist, in einen Radlenkwinkel δ_V an den lenkbaren Vorderrädern 6 umgesetzt wird.
Das Lenksystem 1 ist ggf. mit einem Überlagerungslenkgetriebe ausgestattet, über das unabhängig vom Fahrer ein Zusatzlenkwinkel vorgegeben werden kann, um Einfluss auf das Lenkverhalten zu nehmen. Der Zusatzlenkwinkel wird dem Lenkradwinkel δ_L überlagert.
Zur Durchführung des Verfahrens zur Schätzung des Reibwerts μ zwischen einem Reifer des Fahrzeugs und der Fahrbahn werden zunächst mithilfe der fahrzeugeigenen Sensorik verschiedene Zustandsgrößen gemessen bzw. die Zustandsgrößen aus Messgrößen rechnerisch ermittelt. Wie dem Verfahrensschritt V1 gemäß 2 zu entnehmen, werden die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, die Gierrate ψ ., die Querbeschleunigung a_y und der Lenkradwinkel δ_L gemessen. Darüber hinaus wird zweckmäßigerweise auch das Lenkmoment sowie die Rotorlageposition des elektrischen Servomotors gemessen.
Im folgenden Verfahrensschritt V2 wird die Seitenführungskraft F_y durch Multiplikation einer Funktion f_α mit dem Schräglaufwinkel α berechnet. Die Funktion f_α beschreibt Reifeneigenschaften und hängt von der Fahrzeuggeschwindigkeit v_x, der Gierrate ψ ., der Querbeschleunigung a_y, dem Radlenkwinkel δ_v, dem Schwimmwinkel β und der Lenkgeschwindigkeit δ ._L ab. Diese Zustandsgrößen werden entweder unmittelbar gemessen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelt.
Im nächsten Verfahrensschritt V3 wird aus einem mathematischen Referenzmodell ein Referenzreifenrückstellmoment M_z,ref durch Multiplikation der zuvor ermittelten Seitenführungskraft F_y mit einer Funktion f_y berechnet, wobei die Funktion f_y den Nachlauf des Reifens berücksichtigt und von der Fahrzeuggeschwindigkeit v_x, der Gierrate ψ ., dem Radlenkwinkel δ_v und dem Schwimmwinkel β abhängt. Gegebenenfalls hängt die Seitenführungskraft auch von der Radlast bzw. vom Beladungszustand des Fahrzeugs ab, was über die Funktion f_y erfasst werden kann.
Im Verfahrensschritt V4 wird die aktuell wirkende Zahnstangenkraft F_z im Lenksystem ermittelt. Dies kann entweder durch Messung erfolgen oder in rechnerischer Weise durchgeführt werden.
Zur Berechnung des tatsächlich wirkenden Ist-Reifenrückstellmomentes M_z,ist gemäß Verfahrensschritt V5 ist noch die Kenntnis einer Funktion f_z erforderlich, mit der die Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt eines gelenkten Fahrzeugrades berücksichtigt werden kann. Die Funktion f_z hängt vom Zahnstangenweg ab, welcher entweder aus dem Lenkradwinkel bestimmt wird oder aus der aktuellen Rotorposition des elektrischen Servomotors. Alternativ kann der Zahnstangenweg auch direkt gemessen werden.
Das Ist-Reifenrückstellmoment M_z,ist wird durch Multiplikation der Funktion f_z mit der Zahnstangenkraft F_z berechnet. Anschließend kann im folgenden Verfahrensschritt V6 der aktuelle Reibwert rechnerisch aus dem Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment M_z,ist durch Referenzreichenrückstellmoment M_z,ref berechnet werden, wobei zur Umrechnung in den Reibwert eine Funktion f_μ multiplikativ berücksichtigt wird, welche in einer einfachen Ausführung eine Konstante darstellt. Gegebenenfalls kann die Funktion f_μ aber auch von Zustandsgrößen im Fahrzeug abhängen.
Sämtliche Funktionen im vorgeschriebenen Verfahren liegen vorzugsweise in Form von Kennfeldern vor. Grundsätzlich ist aber auch ein Formelzusammenhang möglich. In beiden Fällen sind die Funktionen in einem Regel- bzw. Steuergerät hinterlegt, in welchem das gesamte Verfahren abläuft.

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Überlagerungsgetriebe
5: Stellmotor
6: Lenkgetriebe
7: Lenkgestänge
8: Vorderrad
9: Lenkkraftunterstützungseinrichtung Reibwert
μ: Reibwert
M_z,ist: Ist-Reifenrückstellmoment
M_z,ref: Referenzreifenrückstellmoment
f_μ: Funktion
f_z: Funktion
f_y: Funktion
f_α: Funktion
F_z: Zahnstangenkraft
F_y: Seitenführungskraft
δ_L: Lenkradwinkel
δ ._L: Lenkgeschwindigkeit
v_x: Fahrzeuggeschwindigkeit
ψ .: Gierrate
a_y: Querbeschleunigung
δ_v: Radlenkwinkel
β: Schwimmwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006036751 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug, bei dem ein tatsächliches, auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs wirkendes Ist-Reifenrückstellmoment (M_z,ist) oder eine damit korrelierende Größe ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment (M_z,ref) oder einer damit korrelierenden Größe verglichen wird, wobei der Ermittlung des Reibwerts (μ) das Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment (M_z,ist) bzw. der damit korrelierenden Größe zu Referenzreifenrückstellmoment (M_z,ref) bzw. der damit korrelierenden Größe zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert (μ) gemäß der Beziehung
bestimmt wird, wobei mit f_μ eine Umrechnungsfunktion bezeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Reifenrückstellmoment (M_z,ist) aus einer aktuellen Zahnstangenkraft (F_z) berechnet wird, die in einer Zahnstange eines Lenksystems des Fahrzeugs wirkt: Mz,ist = fz·Fz, wobei f_z eine Funktion zur Berücksichtigung der Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt eines gelenkten Fahrzeugrades bezeichnet und vom Zahnstangenweg abhängt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnstangenweg aus dem Lenkradwinkel (δ_L) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnstangenweg aus der Rotorposition eines elektrischen Servomotors des Lenksystems ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenkraft (F_z) sensorisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenkraft (F_z) rechnerisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzreifenrückstellmoment (M_z,ref) aus einem mathematischen Referenzmodell in Abhängigkeit der Seitenführungskraft (F_y) berechnet wird: Mz,ref = fy·Fy,wobei f_y eine Funktion bezeichnet, die vom Nachlauf des Reifens abhängt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f_y von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_x), der Gierrate (ψ .), dem Radlenkwinkel (δ_v) und/oder dem Schwimmwinkel (β) abhängt: fy = f(νx, ψ ., δν, β).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführungskraft (F_y) aus einem Reifenmodell als Funktion des Schräglaufwinkels (α) berechnet wird: Fν = fα·α,wobei mit f_α eine Funktion bezeichnet ist, welche Reifeneigenschaften beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f_α von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v_x), der Gierrate (ψ .), der Querbeschleunigung (a_y), dem Radlenkwinkel (δ_v), dem Schwimmwinkel (β) und/oder der Lenkgeschwindigkeit (δ ._L) abhängt: fα = f(νx, ψ ., αy, δν, β, δ .L).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Referenzmodell zur Ermittlung der Referenzreifenrückstellmoment (M_z,ref) ein Reibwert zugrunde liegt, dessen Wert bekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Referenzmodell zugrunde liegende Reibwert einen Wert von mindestens 0.8 besitzt, vorzugsweise 0.9.
Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Lenksystem mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 14.
Lenksystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem zur Lenkkraftunterstützung einen elektrischen Servomotor (EPS) aufweist.