DE102010003951A1 - Verfahren zum Stabilisieren eines Zweirads bei seitlich rutschendem Hinterrad - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren eines Zweirads in Fahrsituationen, in denen das Zweirad (1) übersteuert. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine das Übersteuern des Zweirads (1) beschreibende Größe zu ermitteln und, wenn die Größe einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, eine Regelung durchzuführen, wobei ein Lenkmoment (ML) auf die Lenkung des Zweirads (1) aufgeprägt und/oder der an der Vorderradbremse (4) wirkende Bremsdruck reduziert oder erhöht und/oder das Antriebsmoment am Hinterrad (9) reduziert oder erhöht und/oder der Bremsdruck (pH) am Hinterrad (9) auf- oder abgebaut wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren eines Zweirads, insbesondere eines Motorrads in Fahrsituationen, in denen das Zweirad übersteuert.
  • Bei Kurvenfahrten mit einem Zweirad kann es vorkommen, dass das Hinterrad in der Kurve seitlich wegrutscht. Das Zweirad übersteuert dann und folgt nicht mehr der vom Fahrer gewünschten Bewegungsbahn. Außerdem reduziert sich die Zentrifugalkraft, und das Zweirad kippt auf die Kurveninnenseite. Derartige Fahrsituationen führen daher häufig zu Stürzen. Ursache für ein solches Übersteuern kann z. B. eine zu hohe Kurvengeschwindigkeit, zu viel Antriebskraft, ein zu hohes Brems- oder Schleppmoment am Hinterrad oder ein zu niedriger Reibwert der Fahrbahn sein. Bei einem übersteuernden Zweirad besteht insbesondere auch die Gefahr, bei wieder zunehmendem Fahrbahnreibwert einen Überschlag nach Kurvenaußen zu erleiden (Highsider). Dies kann zu besonders schweren Unfällen führen.
  • Moderne PKW werden in solchen Fahrsituationen mittels einer Fahrdynamikregelung ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) stabilisiert. Für Zweiräder ist eine solche Fahrdynamikregelung bislang noch nicht verfügbar.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen das seitliche Wegrutschen des Hinterrades bei einem Zweiradfahrzeug erkannt und das Zweiradfahrzeug wieder stabilisiert werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine das Übersteuern des Zweirads beschreibende Größe, insbesondere den Schwimmwinkel oder die Schwimmwinkeländerung während des Fahrbetriebs zu ermitteln und eine Fahrdynamikregelung durchzuführen, wenn der Schwimmwinkel oder die Schwimmwinkeländerung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen. Anstelle des Schwimmwinkels kann z. B. auch der Schräglaufwinkel am Hinterrad oder eine Schräglaufwinkeländerung verwendet werden. Als Stabilisierungseingriff kann mindestens eine der folgenden Maßnahmen automatisch angewendet werden:
    • 1. Aufbringen eines Lenkmomentes auf die Lenkung des Zweirads in Richtung Kurveninnenseite: Durch die spezielle Fahrphysik eines Einspurfahrzeuges wird ein größerer Kurvenradius eingeleitet, wodurch schließlich die notwendige Seitenführungskraft des Hinterrades abgebaut wird. Das Lenkmoment kann z. B. über einen Lenkmomentsteller und/oder indirekt über die Erhöhung des Bremsdruckes am Vorderrad erzeugt werden.
    • 2. Reduzieren der Längskraft am Hinterrad, um dessen Vermögen zur Aufnahme von Seitenführungskraft zu verbessern: Bei zu viel Antriebskraft am Hinterrad wird das Motormoment automatisch reduziert und/oder der Bremsdruck erhöht. Bei zu viel Bremskraft wird das Motormoment erhöht und/oder der Bremsdruck verringert. Bei abhebendem Hinterrad wird der Bremsdruck am Vorderrad erniedrigt. In allen Fällen kann das Hinterrad mehr Seitenführungskraft aufnehmen.
    • 3. Verlangsamen der Fahrzeuggeschwindigkeit: Dies wird über eine Erhöhung des Bremsdrucks an den Rädern oder eine Reduktion des Motormoments erreicht.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Schwimmwinkel oder die Schwimmwinkeländerung mittels einer Sensorik ermittelt, die einen oder mehrere der folgenden Sensoren umfasst: Sensoren zur Erfassung der Längsgeschwindigkeit, einen Querbeschleunigungssensor, einen Wankraten- und einen Gierratensensor sowie optional weitere Sensoren zur genaueren Erfassung des Wank- und/oder Nickwinkels.
  • Bei einem Zweiradfahrzeug ist die seitliche Geschwindigkeit vy und damit der Schwimmwinkel je nach Einbaulage der Sensoren abhängig von der Wankgeschwindigkeit. Die Sensorik misst also im Allgemeinen einen Schwimmwinkel, der von dem Schräglaufwinkel des Hinterrades abweicht. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Messsignale auf den Radaufstandspunkt des Hinterrades als virtuellen Messpunkt zu transformieren. Eine Messung des Schwimmwinkels am Radaufstandspunkt ist weitgehend unabhängig von der Schräglage und der Wankgeschwindigkeit des Zweirads, so dass in das Messergebnis möglichst nur die seitliche Drift des Hinterrades eingeht. Die Transformation erfolgt vorzugsweise mittels eines Algorithmus, der das Bezugssystem auf den Radaufstandspunkt umrechnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fließen erst die transformierten Messwerte, wie z. B. eine Querbeschleunigung oder eine Gierrate in die Berechnung des Schwimmwinkels oder der Schwimmwinkeländerung ein.
  • Zur Bestimmung des Schwimmwinkels β oder der Schwimmwinkeländerung dβ/dt kann beispielsweise folgende Berechnung durchgeführt werden: dvy/dt = ay – ωz·vx + ωx·vz – g·sinφ·cosθ (1) hierbei bezeichnet
    • dvy/dt
    die Geschwindigkeitsänderung in Quer- bzw. y-Richtung,
    ay
    die gemessene Querbeschleunigung in y-Richtung,
    ωz
    die Gierrate des Fahrzeugs,
    ωx
    die Wankrate,
    vx
    die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit,
    vz
    die Vertikalgeschwindigkeit (alle genannten Größen im Fahrzeugbezugssystem),
    g
    die Erdbeschleunigung,
    φ
    den Schräglagen- bzw. Wankwinkel und
    θ
    den Nickwinkel, z. B. nach DIN70000.
  • Wank- und Nickwinkel können beispielsweise mittels Drehraten- und Beschleunigungssensoren oder mittels eines Neigungswinkelsensors bestimmt werden. Da vz schwer zu ermitteln und normalerweise sehr klein gegenüber vy ist, kann vz = 0 m/s als Nährung verwendet werden.
  • Durch Integration kann die Geschwindigkeit vy in Querrichtung abgeschätzt werden vy = vy0 + ∫dvy/dt wobei vy0 ein Startwert ist. Aus vy und dem Schräglagenwinkel φ ergibt sich nun der Schwimmwinkel bzw. der Schräglaufwinkel im Straßenbezugssystem am Radaufstandspunkt: β = vy/(vx·cosφ) (2)
  • Die Schwimmwinkeländerung dβ/dt ist die zeitliche Ableitung des Schwimmwinkels β.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform können der Schwimmwinkel β oder die Schwimmwinkeländerung dβ/dt auch mittels eines Radar- oder eines optischen Sensors gemessen werden.
  • Die erfindungsgemäße Fahrdynamikregelung für Zweiradfahrzeuge regelt mittels mindestens einer der oben beschriebenen Maßnahmen vorzugsweise den Schwimmwinkel und/oder die Schwimmwinkeländerung bzw. den Schräglaufwinkel auf einen vorgegebenen Sollwert.
  • Das aufgrund einer Bremsmomentänderung am Vorderrad resultierende Lenkmoment ist stark von der Schräglage des Zweirads, der Fahrzeuggeometrie und vom Reifen abhängig. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Schräglage des Zweirads zu ermitteln und das Lenkmoment über den Bremsdruck an der Vorderradbremse abhängig von der aktuellen Schräglage zu variieren.
  • Sofern das Zweirad über einen Lenksteller verfügt und ein Lenkmoment auf die Lenkung aufgeprägt wird, ist dieses vorzugsweise derart bemessen, dass es vom Fahrer übersteuert werden kann.
  • Die Regelung wird vorzugsweise von einem Steuergerät durchgeführt, in dem ein entsprechender Regel-Algorithmus hinterlegt ist.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Motorrads mit einer Fahrdynamikregelung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorrads 1, sowie verschiedene Komponenten einer Fahrdynamikregelung zum Stabilisieren des Motorrads 1 in Fahrsituationen, in denen das Motorrad 1 übersteuert. Das Regelungssystem umfasst einen oder mehrere Sensoren 2, 8 zur Schwimmwinkelbestimmung, sowie wenigstens ein Stellglied 4, 5, 6 und/oder 7, das von einem Schwimmwinkelregler 3 automatisch angesteuert werden kann. In einer Fahrsituation, in der das Hinterrad 9 des Motorrads 1 seitlich ausbricht, greift der Schwimmwinkelregler 3 mittels eines oder mehrerer der Stellglieder 4–7 in den Fahrbetrieb ein.
  • Das übersteuernde Fahrverhalten des Motorrads 1 wird hier mit Hilfe eines Querbeschleunigungssensors, eines Gierratensensors und eines Wank- und Nickwinkelsensors erkannt, die in einem Block 8 zusammengefasst sind. Wahlweise könnten aber auch Radar-, optische oder auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren eingesetzt werden. Ein Software-Algorithmus, der in Block 2 dargestellt ist, ermittelt aus den Sensorsignalen einen Schwimmwinkel β oder eine Schwimmwinkeländerung dβ/dt. Wenn der Schwimmwinkel β oder die Schwimmwinkeländerung dβ/dt einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen, wird der Regler 3 aktiv und regelt die Regelgröße auf einen Soll-Wert.
  • Als Stellglied der Regelung kann beispielsweise die Vorderradbremse 4, ein Lenksteller 5, der Antriebsmotor 6 oder die Hinterradbremse 7 angesteuert werden. Gegebenenfalls können auch mehrere Stellglieder 4–7 gleichzeitig angesteuert werden. Je nach Regelabweichung gibt der Regler 3 eine entsprechende Stellgröße, wie z. B. einen Vorderrad-Bremsdruck pV, einen Hinterrad-Bremsdruck pH, ein Motormoment Mmot oder ein Lenkmoment ML an das jeweilige Stellglied aus. Sofern der Lenksteller 5 angesteuert wird, ist das Lenkmoment ML vorzugsweise derart bemessen, dass es vom Fahrer übersteuert werden kann.
  • Bei einem Regeleingriff an der Vorderradbremse 4 ist die Stärke des Regeleingriffs vorzugsweise abhängig von der Schräglage des Motorrads 1, da das Reaktionsverhalten des Motorrads 1 je nach Schräglage stark unterschiedlich sein kann. Die Schräglage kann beispielsweise mittels eines Wankratensensors gemessen werden.
  • Der Regler 3 überwacht ferner ständig den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs mittels einer Reihe von Sensoren, die entsprechende Fahrzustandsgrößen Z liefern.
  • Steht eine volle 6D-Inertialsensorik mit drei Drehraten- und drei Beschleunigungssensoren, sowie ein GPS-Signal zur Verfügung, kann der Schwimmwinkel noch exakter bestimmt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN70000 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Stabilisieren eines Zweirads (1) in Fahrsituationen, in denen das Zweirad (1) übersteuert, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Übersteuern des Zweirads (1) beschreibende Größe als Regelgröße ermittelt und eine das Zweirad (1) stabilisierende Regelung (3) durchgeführt wird, wenn die Regelgröße einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Übersteuern des Zweirads (1) beschreibende Größe ein Schwimmwinkel (β), ein Schräglaufwinkel oder die zeitliche Änderung (dβ/dt) des Schwimmwinkels (β) oder des Schräglaufwinkels ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Regelung ein Lenkmoment (ML) auf die Lenkung des Zweirads (1) aufgeprägt und/oder der an der Vorderradbremse (4) wirkende Bremsdruck verändert und/oder das Antriebsmoment (Mmot) am Hinterrad (9) reduziert oder erhöht und/oder der Bremsdruck (pH) am Hinterrad (9) abgebaut oder erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Übersteuern des Zweirads (1) beschreibende Größe mit Hilfe von Längsgeschwindigkeitssensoren, wie z. B. Rad-Drehzahlsensoren, eines Querbeschleunigungssensors, eines Gierraten- und Wankratensensors und optional weiterer Sensoren zur Erfassung des Wank- und/oder Nickwinkels (8) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der Sensoren (8) auf einen Radaufstandspunkt (11) des Hinterrades (9) als virtuellen Messpunkt transformiert werden, bevor daraus der Schwimmwinkel (β) oder die Schwimmwinkeländerung (dβ/dt) bestimmt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmwinkel (β) oder die Schwimmwinkeländerung (dβ/dt) mittels eines Radarsensors oder eines optischen Sensors gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (3) den Schwimmwinkel (β) und/oder die Schwimmwinkeländerung (dβ/dt) auf einen vorgegebenen Soll-Wert regelt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräglage des Zweirads (1) ermittelt wird und abhängig von der aktuellen Schräglage der Bremsdruck (pV) am Vorderrad (10) entweder erhöht oder verringert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, sofern ein Lenkmoment (ML) auf die Lenkung des Zweirads (1) aufgeprägt wird, dieses vom Fahrer übersteuert werden kann.
  10. Regelungsvorrichtung (2, 3) zum Stabilisieren eines Zweirads (1) in Fahrsituationen, in denen das Zweirad (1) übersteuert, umfassend eine Sensorik (2, 8) zum Bestimmen einer das Übersteuern des Zweirads (1) beschreibenden Größe, sowie Mittel (3) zum Ansteuern einer Radbremse (4, 7), eines Lenkstellers (5) und/oder eines Antriebsmotors (6) des Zweirads.
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