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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung eines Radmoments in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Fahrerassistenzsysteme wie Antiblockiersysteme (ABS) oder Antriebsschlupfregelungen (ASR), über die fahrerunabhängig ein Eingriff in das Fahrzeug zur Beeinflussung der Fahrdynamik durchgeführt werden kann. Hierbei werden Brems- bzw. Antriebsmomente an einem oder an mehreren Fahrzeugrädem auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt. Für eine präzise Regelung ist üblicherweise eine genaue Kenntnis einer Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs erforderlich, um den aktuellen Ist-Schlupf an den Fahrzeugrädern bestimmen zu können. Die Referenzgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, ist jedoch verhältnismäßig aufwändig, außerdem ist die Bestimmung der Referenzgeschwindigkeit während eines Bremsvorganges, bei dem das Antiblockiersystem aktiviert ist, oder im Falle einer Antriebsschlupfregelung, insbesondere bei Fahrzeugen mit Allrad-Antrieb, verhältnismäßig fehleranfällig. Zudem stellt die Bestimmung des gewünschten Soll-Schlupfes auf verschiedenen Untergründen einen verhältnismäßig aufwändigen Vorgang dar.
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Aus der
DE 36 18 691 A1 (D1) ist ein Verfahren zur Einstellung eines hinsichtlich des Kraftschlussbeiwerts in Längs- und Querrichtung optimierten Bremsschlupfs eines Fahrzeugrads bekannt. In einem unterlagerten Regelkreis wird mittels eines Schlupfreglers der Bremsdruck durch Ansteuern einer Bremsdrucksteuereinrichtung variiert, um den Schlupfwert auf einen Vergleichswert einzustellen. In einem überlagerten Regelkreis wird die Steigung der Schlupfkurve bestimmt und diese Steigung mit einem vorgegebenen positiven Steigungswert verglichen. Das Verfahren wird bei geregelter Bremsung durchgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Radmomente in Fahrzeugen mit einem an den Untergrund angepassten Schlupf mit hoher Genauigkeit einzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Einstellung eines Radmomentes an einem bzw. an mehreren Fahrzeugrädern in einem motorisch betriebenen Fahrzeug eingesetzt. Als Radmomente werden sowohl Antriebsmomente als auch Bremsmomente an einem oder mehreren Rädern beeinflusst, wobei grundsätzlich entweder nur eine Einstellung von Antriebsmomenten oder nur eine Einstellung von Bremsmomenten oder eine Kombination von beidem in Betracht kommt. Im Falle einer Regelung von Antriebsmomenten ist ein allradgetriebenes Fahrzeug Voraussetzung, da die Antriebsmomente an jeder Fahrzeugachse eingestellt werden müssen. Sofem nur Bremsmomente geregelt werden, gibt es keine Beschränkung auf Allradfahrzeuge, da die Bremsmomente unabhängig vom Antrieb an jeder Fahrzeugachse bzw. jedem Fahrzeugrad individuell einstellbar sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sollwert für einen Schlupf-Haftbeiwert-Gradienten vorgegeben und werden die Radmomente im Fahrzeug in der Weise eingestellt, dass der Istwert des Schlupf-Haftbeiwert-Gradienten an den Sollwert angenähert wird bzw. den Sollwert erreicht. Der Schlupf-Haftbeiwert-Gradient ist der Gradient an die Schlupf-Haftbeiwert-Kurve, bei der der Haftbeiwert, welcher den Quotienten von Längskraft zur Aufstandkraft an einem Fahrzeugrad bezeichnet, über dem zugehörigen Radschlupf aufgetragen ist. Hierbei wird ein Punkt in der Schlupf-Haftbeiwert-Kurve für ein Fahrzeugrad bestimmt und ein Soll-Gradient vorgegeben, auf den durch Vorgabe des Radmomentes eingeregelt wird. Im Unterschied zu Ausführungen aus dem Stand der Technik wird somit nicht ein Soll-Schlupf vorgegeben, welcher einzustellen ist, sondern es wird ein lokaler Gradient im Schlupf-Haftbeiwert-Zusammenhang definiert, woraus sich automatisch ein dem Untergrund angepasster Schlupf ergibt.
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Bei der Vorgabe eines Soll-Gradienten für den Schlupf-Haftbeiwert-Zusammenhang genügt die Kenntnis einer mit verhältnismäßig geringer Genauigkeit berechneten Referenzgeschwindigkeit im Fahrzeug, da über einen rekursiven Algorithmus der Schlupf-Haftbeiwert-Gradient angenähert werden kann. Im Unterschied hierzu ist bei der direkten Vorgabe eines Soll-Schlupfes die Kenntnis der Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeuges mit hoher Genauigkeit erforderlich. Diese exakt zu ermitteln, ist jedoch verhältnismäßig aufwändig.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Soll-Gradient für einen Punkt eines Rades einer ersten Fahrzeugachse vorgegeben wird, woraufhin über die Regelung der Ist-Gradient auf den Soll-Gradienten eingeregelt wird. Durch den Ausgangspunkt wird der Soll-Gradient gelegt, wobei der Ausgangspunkt mit Radschlupf und Haftbeiwert, wie oben ausgeführt, beispielsweise aus einer grob berechneten Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird. Um den Ist-Gradienten zu ermitteln, wird je ein Punkt auf der Schlupf-Haftbeiwert-Kurve an einem Vorderrad und einem Hinterrad benötigt, wobei die Werte für ein Rad bereits als Anfangswert des rekursiven Algorithmus vorliegen. Für das zweite Rad werden der Schlupf und der Haftbeiwert aus Sensordaten des Fahrzeugs ermittelt, beispielsweise aus Messwerten einer Sensorik eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP). Hierfür erforderlich sind die Raddrehzahlen zur Bestimmung des Schlupfes sowie zumindest die Längsbeschleunigung zur Berechnung der Aufstandskraft, welche für die Ermittlung des Haftbeiwerts benötigt wird. Gegebenenfalls wird auch die Querbeschleunigung berücksichtigt, insbesondere bei Kurvenfahrt, um die Güte der berechneten Aufstandskraft zu verbessern. Grundsätzlich möglich ist zwar auch, die Aufstandskraft ohne Querbeschleunigung zu ermitteln, insbesondere im Falle einer Geradeausfahrt. Auch bei Kurvenfahrt kann gegebenenfalls auf die Berücksichtigung der Querbeschleunigung verzichtet werden, wenngleich die Genauigkeit bei der Ermittlung der Aufstandskraft hierunter leidet.
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Des Weiteren ist zur Durchführung des Verfahrens eine hinreichend genaue Kenntnis der tatsächlich wirkenden Radmomente erforderlich, also der Antriebsmomente an den Fahrzeugrädern sowie der Bremsmomente.
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Bei der Einregelung des Istwertes des Schlupf-Haftbeiwert-Gradienten auf den zugeordneten Sollwert wird im Falle einer Abweichung zweckmäßigerweise die Gradientengerade parallel verschoben. Der Soll-Gradient bleibt somit konstant Es wird lediglich ein neuer Punkt auf der Schlupf-Haftbeiwert-Kurve für ein Fahrzeugrad vorgegeben. Je nach Abweichung zwischen Soll- und Ist-Gradient wird der Punkt auf der Kurve an dem betreffenden Fahrzeugrad neu justiert. Die Verschiebung der Gradientengerade in positiver oder negativer Richtung hängt von dem Vorzeichen der Abweichung zwischen Soll- und Istwert des Gradienten ab.
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Der Sollwert des Gradienten wird entweder über das gesamte Verfahren konstant gehalten und beispielsweise als Konstante vorgegeben oder zu Beginn des Verfahrens aus einer Fahrzustandsgröße ermittelt. Möglich ist aber auch, den Schlupf-Haftbeiwert-Gradienten fortlaufend in Abhängigkeit mindestens einer aktuellen Fahrzustaridsgroße zu ermitteln und zu aktualisieren, insbesondere in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Zur Berechnung des Ist-Gradienten, welcher dem Vergleich mit dem Soll-Gradienten zugrunde gelegt wird, muss ein zweiter Punkt auf der Schlupf-Haftbeiwert-Kurve für das zweite Rad auf der Grundlage sensorisch ermittelter Daten berechnet werden. Erforderlich ist die Kenntnis des Schlupfwertes sowie des Haftbeiwertes, wobei der Schlupfwert aus den Raddrehzahlen des betreffenden Rades und der Haftbeiwert wie vorbeschrieben aus dem Quotienten von Längskraft zur Aufstandskraft an diesem Rad ermittelt wird. Die Längskraft ermittelt sich aus den an diesem Rad anliegenden Momenten, also dem Bremsmoment und/oder dem Antriebsmoment Die Aufstandskraft berechnet sich aus einem Fahrzeugmodell in Abhängigkeit der Längsbeschleunigung sowie gegebenenfalls der Querbeschleunigung.
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Gegebenenfalls kann auch auf die gemessene Längsbeschleunigung verzichtet werden; in diesem Fall wird statt der gemessenen Längsbeschleunigung auf die differenzierte Referenzgeschwindigkeit zurückgegriffen. Desweiteren ist es möglich, die gemessene Längsbeschleunigung zur Schätzung der Güte der Radaufstandskräfte heranzuziehen.
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In bevorzugter Ausführung wird das Hinterrad stabil gehalten und für das Vorderrad ein definierter Schlupf zugelassen. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine umgekehrte Durchführung des Verfahrens, bei dem ein Punkt an der Vorderachse auf der Schlupf-Haftbeiwert-Kurve vorgegeben wird und über den Gradienten sowie einen Differenzschlupf ein entsprechender Punkt an der Hinterachse bestimmt wird, bei dem ein definierter Schlupf zugelassen ist.
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Gemäß eines weiteren Aspektes werden die Momente zwischen Vorder- und Hinterachse verteilt. Hierbei wird zunächst von einem Grundverhältnis für die Momentenverteilung ausgegangen, beispielsweise einer hälftigen Verteilung der Momente zwischen Vorder- und Hinterachse, von der ausgehend eine Umverteilung durchgeführt wird. Durch die Momentenumverteilung erfolgt eine Verschiebung von Antriebsmoment zwischen den Rädem der Vorder- und Hinterachse, um in Phasen eines Momentenaufbaus die Gefahr einer Instabilität eines Rades zu verringern. Es wird insbesondere Antriebsmoment vom Hinterrad zum Vorderrad verschoben, um eine Instabilität des Hinterrades und eine damit einhergehende Gefahr des Ausbrechens des Fahrzeughecks zu vermeiden. Diese Vorgehensweise verbessert die Regelgüte, da schon zu Beginn der Regelung ein stabiles Hinterrad und damit einhergehend ein guter Referenzwert zur Verfügung steht
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Eine derartige Umverteilung kann auch auf Elektro-Fahrzeuge mit radindividuellen Antrieben angewandt werden, die mit verhältnismäßig geringem Aufwand individuell angesteuert werden können.
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Bei der Momentenumverteilung wird an einer Achse des Fahrzeugs nur so viel Moment angefordert, wie auch mit relativ hoher Sicherheit abgesetzt werden kann. Während der Momentenaufbauphase wird zunächst ein größerer Momentenanteil an den Rädem der anderen Achse, in der Regel der Vorderachse, abgesetzt. Nach Durchführung einer Analyse der Rotationsdynamik wird bestimmt, welches Moment sicher übertragen werden kann, das an demjenigen Fahrzeugrad aufgebracht wird, das stabil fahren soll.
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Gemäß bevorzugter Realisierung werden die Räder an der Hinterachse mit einem Moment beaufschlagt, das die Stabilität der Hinterräder gewährleistet. Es findet eine entsprechende Momentenumverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse statt, wobei dieser Eingriff für den Fahrer in der Regel nicht spürbar ist. Beispielsweise wird aufgrund der Umverteilung beim Durchtreten des Beschleunigungspedals auf einem Untergrund mit niedrigem Reibwert zuerst das Vorderrad instabil, woraufhin am Hinterrad ein niedrigerer Haftbeiwert eingestellt wird, um ein Durchdrehen zu verhindern.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 ein Schaubild mit mehreren Schlupf-Haftbeiwert-Kurven für ein Fahrzeugrad, wobei die verschiedenen Kurven unterschiedliche Straßenverhältnisse repräsentieren,
- 2 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens zur Einstellung eines Radmoments in einem Fahrzeug auf der Basis einer Regelung auf einen Gradienten an die Schlupf-Haftbeiwert-Kurve,
- 3 ein Blockschaltbild zur Momentenumverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse eines Fahrzeugs.
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In 1 ist ein Schlupf-Haftbeiwert-Diagramm mit einer Mehrzahl von Kurven 1 dargestellt, welche den Zusammenhang zwischen dem Haftbeiwert λ und dem Schlüpf s an einem Fahrzeugrad für verschiedene Untergründe bzw. Fahrbahnbeschaffenheiten darstellen. Der Haftbeiwert λ bezeichnet den Quotienten von Längskraft zur Aufstandskraft an dem betreffenden Fahrzeugrad. Die niedrigeren Kurven in 1 gelten für kleinere Reibwerte, beispielsweise unter Schnee oder Eisbedingungen, die höheren Kurvenverläufe dagegen für größere Reibwerte. Die oberste Kurve 1 gilt für eine trockene Straßenoberfläche.
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Beispielhaft ist die oberste Kurve 1 im Bereich des Maximums ein Gradient G angelegt, welcher als Gerade durch zwei Punkte 2 und 3 definiert ist, von denen der Punkt 2 sich am Hinterrad und der Punkt 3 am Vorderrad mit entsprechenden Werten für den Schlupf s und den Haftbeiwert λ befindet. Der Punkt 2 am Hinterrad liegt vor dem Maximum der Kurve 1, der Punkt 3 am Vorderrad dagegen bei größerem Schlupf s und höherem Haftbeiwert λ im Bereich des Maximums bzw. kurz nach dem Maximum der Kurve 1. Der Gradient G ist definiert als
in Abhängigkeit des Differenzschlupfes ds und des Differenz-Haftbeiwertes dλ zwischen den Punkten 2 und 3.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung eines Radmoments im Fahrzeug wird ein Sollwert Gsoll des Gradienten vorgegeben, wobei die Radmomente in der Weise eingestellt werden, dass der Ist-Gradient Gist sich an den Sollwert Gsoll annähert bzw. diesen erreicht. In 2 ist dieses Verfahren dargestellt.
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Zunächst wird, wie 2 zu entnehmen, in einem Block 10 der Soll-Gradient Gsoll vorgegeben, außerdem die Differenz dλ, welche den Unterschied zwischen den Haftbeiwerten A zwischen Hinterrad und Vorderrad darstellt, sowie den Differenz-Schlupf Δs, der analog hierzu die Differenz der Schlupfwerte am Vorderrad und Hinterrad bezeichnet. Von den drei Werten - Gsoll, dA, ds - werden zumindest zwei Werte vorgegeben, aus denen der dritte Wert berechnet werden kann.
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Der Differenzschlupf ds wird bei 11 zu einem Ist-Schlupf sh,ist am Hinterrad hinzuaddiert, woraus der Soll-Schlupf sv,soll am Vorderrad gewonnen wird. Der Soll-Schlupf sv,soll am Vorderrad geht als Eingangsgröße in einem Block 12 ein, welcher eine Berechnungsvorschrift zur Ermittlung der Soll-Drehzahl nv,soll am Vorderrad repräsentiert. Von dieser Größe wird bei 13 die Ist-Drehzahl nv,ist am Vorderrad subtrahiert, wobei die Differenz als Regelabweichung einem Regler im Block 14 zugeführt wird. Im Regler 14 wird als Stellgröße ein Differenzmoment ΔM generiert, zu dem bei 15 das effektive bzw. dynamisierte Ist-Moment MEff,v,ist am Vorderrad hinzuaddiert wird. Hieraus resultiert das Stellmoment M'' für das Vorderrad, das als Eingangsgröße einem Block 16 zugeführt wird, der die Stelleinrichtung zur Vorgabe eines Radmomentes repräsentiert. Es handelt sich hierbei zum einen um ein motorisches Antriebsmoment und zum andern um ein Bremsmoment, wobei Brems- und Antriebsmomente sowohl separat als auch kumulativ erzeugt werden können.
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Ausgangsseitig liegen am Block 16 das Ist-Moment Mv,ist am Vorderrad sowie die Ist-Drehzahl nv,ist am Vorderrad an; diese Werte können über eine entsprechende Sensorik ermittelt werden. Beide Werte fließen als Eingangsgröße in ein im Block 17 enthaltenes Raddynamikmodell ein, aus dem zum einen das effektive Ist-Moment MEff,v,ist am Vorderrad und zum andem der Ist-Haftbeiwert λv,ist am Vorderrad ermittelt werden.
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Aus dem Ist-Haftbeiwert λv,ist am Vorderrad wird in einem Block 18, der die Verzögerung zwischen Vorder- und Hinterrad darstellt; ein Maximal-Haftbeiwert λn,max für das Hinterrad ermittelt, von dem bei 19 der Differenz-Haftbeiwert dλ subtrahiert wird. Daraus erhält man den Haftbeiwert λh für das Hinterrad, aus dem in einem Berechnungsblock 20 das Stellmoment Mh am Hinterrad berechnet wird. Dieses fließt als Eingangsgröße dem Block 21 zu, in welchem analog zum Block 16 die Radmomente am Hinterrad durch entsprechende Beaufschlagung der Antriebseinheit bzw. der Radbremse eingestellt werden. Daraus resultiert eine Ist-Drehzahl nh,ist am Hinterrad, die einem weiteren Block 22 zur Berechnung des Ist-Schlupfes sh,ist am Hinterrad zugeführt wird. Dies wird, wie bereits beschrieben, zum Differenz-Schlupf Δs hinzuaddiert.
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In 3 ist ein Strukturschaubild zur Verteilung der Radmomente zwischen Vorder- und Hinterachse dargestellt. Der Fahrer gibt ein Fahrerwunschmoment Mdes vor, entweder über Betätigung des Gaspedals oder über Betätigung des Bremspedals, das einem ersten Block 30 als Eingangsgröße zugeführt wird, in welchem die Grundverteilung in ein Fahrerwunschmoment Mdes,v für die Räder der Vorderachse und ein Wunschmoment Mdes,a für die Räder der Hinterachse durchgeführt wird. Die Grundverteilung des Momentes, die im Block 30 durchgeführt wird, entspricht einer festen Aufteilung von beispielsweise 50 : 50 zwischen Vorder- und Hinterachse.
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Das Fahrerwunschmoment Mdes,v für die Vorderachse wird bei 31 zu der Differenz von Fahrerwunschmoment Mdes,h am Hinterrad und Stellmoment Mh am Hinterrad hinzuaddiert, woraus das Stellmoment M'' für das Vorderrad erzielt wird.
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Das Fahrerwunschmoment Mdes,v für das Vorderrad wird nach einer Filterung im Block 33 ebenso wie das Fahrerwunschmoment Mdes,h für das Hinterrad als Eingangsgröße einem Block 34 zugeführt, dem als weitere Eingangsgröße ein Maximalmoment Mmax,h für das Hinterrad zugeführt wird. Aus diesen Eingangsgrößen wird im Block 34 der kleinste Wert bestimmt, welcher das Stellmoment Mh für das Hinterrad darstellt. Dieses wird zum einen bei 32 von dem Fahrerwunschmoment Mdes,h für das Hinterrad subtrahiert, zum andern wird das Stellmoment Mh für das Hinterrad ebenso wie das Stellmoment Mv für das Vorderrad den jeweiligen Stelleinrichtungen zur Umsetzung des Radmomentes zugeführt.
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Das Maximalmoment Mmax,h am Hinterrad wird in zwei Blöcken 35 und 36 ermittelt, wobei der Block 35 ein Raddynamikmodell enthält, dem als Eingangsgrößen die Ist-Drehzahl nv,ist am Vorderrad sowie das Ist-Moment Mv,ist am Vorderrad zugeführt werden. Hieraus wird, analog zum Block 17 aus 2, der Ist-Haftbeiwert λv,ist am Vorderrad ermittelt, der als Eingangsgröße dem Block 36 zugeführt wird, in welchem über eine Berechnungsvorschrift das Maximalmoment Mmax,h am Hinterrad berechnet wird.