DE102013011576B3

DE102013011576B3 - Verfahren zum Bestimmen der Masse eines an ein Zugfahrzeug angehängten Anhängers und zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013011576B3
Application number: DE102013011576.0A
Authority: DE
Inventors: Günter Schiele; Florian Mühlfeld
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-12

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Masse eines an ein Zugfahrzeug angehängten Anhängers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Bestimmen der Masse des Zugfahrzeugs mittels eines auf querdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers; – Bestimmen der Gesamtmasse des aus Zugfahrzeug und Anhänger bestehenden Gespanns mittels eines auf längsdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers; und – Berechnen der Masse des Anhängers als Differenz der Masse des Zugfahrzeugs und der Gesamtmasse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines an ein Zugfahrzeug angehängten Anhängers.
Moderne Kraftfahrzeuge sind zunehmend mit unterschiedlichen Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, die den Fahrer unterstützen, indem sie Informationen oder Hinweise zur Verfügung stellen oder bestimmte Fahraufgaben oder Bedienvorgänge selbsttätig durchführen. Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Funktion derartiger Fahrerassistenzsysteme ist allerdings, dass aktuelle Fahrzeugparameter bekannt sind. Beispiele dafür sind die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit, aus der die momentane Beschleunigung abgeleitet werden kann.
Bei einem Gespann, das aus einem Zugfahrzeug und einem angehängten Anhänger besteht, ist es wünschenswert, sowohl die Fahrzeugmasse als auch die Anhängermasse zu kennen, da das dynamische Fahrverhalten stark davon beeinflusst wird.
Im Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, mit denen die Masse eines Anhängers bestimmt werden kann.
In der DE 44 42 487 C1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Lastkraftwagens mit Luftdruck-Bremssystem beschrieben. Die Bestimmung der Masse erfolgt dabei anhand von Druckwerten eines Druckluft-Bremssystems. Dieses Verfahren eignet sich daher lediglich für Lastkraftwagen, die mit einer entsprechenden Bremse ausgestattet sind.
In der DE 10 2011 012 407 A1 wird ein Anhänger vorgeschlagen, der Sensoren zur Bestimmung der Masse der Ladung aufweist, diese Sensoren können als Dehnmessstreifen oder als Drucksensor ausgebildet sein. Allerdings ist der bauliche Aufwand dafür erheblich, da jeder Anhänger mit entsprechenden Sensoren ausgerüstet sein muss.
In der DE 10 2007 045 998 A1 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Fahrstabilität eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Dazu wird die Masse des Kraftfahrzeugs anhand zweier unterschiedlicher Fahrzustände bestimmt. Die Massebestimmung beruht auf der Messung von Wertepaaren eines Antriebsmoments und einer zugeordneten Beschleunigung.
In der US 2003/0154798 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Gewichts eines Gespanns vorgeschlagen, bei dem ein Zugfahrzeug mit Gewichtssensoren eingesetzt wird. Zusätzlich wird ein Zugkraftsensor benötigt, der die an der Deichsel des Anhängers auftretende Zugkraft zwischen Anhänger und Kraftfahrzeug misst.
In der DE 10 2008 019 592 A1 wird ein Verfahren zum Erkennen eines an ein Kraftfahrzeug angehängten Anhängers vorgeschlagen. Die Erkennung beruht auf der Erfassung von Beschleunigungsvorgängen und Abbremsvorgängen, wobei beim Vorhandensein eines signifikanten Unterschieds zwischen diesen beiden Massewerten auf einen angehängten gebremsten Anhänger geschlossen wird. Auf diese Weise kann allerdings lediglich das Vorhandensein eines Anhängers bestimmt werden, nicht jedoch dessen Masse. Ebensowenig kann ein ungebremster Anhänger erkannt werden.
In der DE 34 29 184 A1 wird eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines Kraftfahrzeug beschrieben, bei der die Erkenntnis ausgenutzt wird, dass im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs Eigenschwingungen auftreten, die in umkehrbar eindeutiger Weise nur von der Masse des Kraftfahrzeugs abhängen. Die Erfassung der Masse eines Anhängers ist jedoch nicht vorgesehen.
Ein Verfahren zur Ermittlung der Masse einer Fahrzeugs ist aus der DE 102 32 027 A1 bekannt. Die Masse wird dabei durch einen Differenzenquotienten von Kräften und Beschleunigungen ermittelt, wobei Kraft und Beschleunigung innerhalb eines festgelegten Zeitraums gemittelt werden.
Die DE 103 07 511 A1 schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur computergestützten Schätzung der Masse eines Fahrzeugs vor, die Masse wird dabei mittels eines Differentialquotienten der Antriebskraft und der Beschleunigung ermittelt.
Aus der Druckschrift DE 198 12 237 C1 ist ein Verfahren zur Fahrdynamikregelung eines Straßenfahrzeugs bekannt. Dabei wird zunächst die Gesamtmasse eines Sattelzuges mittels eines Fahrdynamikmodells ermittelt, anschließend wird bei bekannter Masse des Zugfahrzeugs die Anhängermasse durch eine Differenzbildung ermittelt.
Aus der US 7 317 982 B2 ist ein Verfahren zur Massebestimmung eines Fahrzeugs mittels eines querdynamischen Fahrzeugmodells bekannt. Dieses Verfahren ist zum Ermitteln der Masse eines Fahrzeugs vorgesehen, das keinen Anhänger mitführt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Fahrzeugmasse ist aus der DE 197 28 867 A1 bekannt. Zur Ermittlung der Fahrzeugmasse werden ein erster und ein zweiter Beschleunigungswert erfasst, die die Fahrzeugbeschleunigung zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt repräsentieren. Zusätzlich werden ein erster und ein zweiter Antriebswert erfasst. Durch die Berücksichtigung von wenigstens zwei Zeitpunkten soll eine durch eine Fahrbahnneigung bedingte fehlerhafte Massenbestimmung vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Masse eines an ein Zugfahrzeug angehängten Anhängers anzugeben, das einfach, ohne zusätzliche Sensoren oder dergleichen, durchgeführt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den folgenden Schritten vorgesehen: Bestimmen der Masse des Zugfahrzeugs mittels eines auf querdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers, Bestimmen der Gesamtmasse des aus Zugfahrzeug und Anhänger bestehenden Gespanns mittels eines auf längsdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers, und Berechnen der Masse des Anhängers als Differenz der Masse des Zugfahrzeugs und der Gesamtmasse.
Die Erfindung verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem die Masse des Zugfahrzeugs und die Masse des Gespanns separat und auf unterschiedlichen Wegen berechnet werden. Die Differenz der Masse des Gespanns und der Masse des Zugfahrzeugs ergibt die gesuchte Anhängermasse. Die auf diese Weise errechnete Anhängermasse kann in vorteilhafter Weise von Fahrerassistenzsystemen genutzt werden.
Sowohl die Masse des Zugfahrzeugs als auch die Gesamtmasse des Gespanns können aus aktuellen Fahrparametern oder anderen bekannten Größen gemessen, geschätzt oder abgeleitet werden, ohne dass zusätzliche Sensoren oder dergleichen erforderlich wären. Dementsprechend kann das erfindungsgemäßen Verfahren einfach und ohne zusätzliche Hardwarekomponenten implementiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die Masse des Zugfahrzeugs anhand der folgenden Ausgangsgrößen bestimmt wird: Antriebsmoment des Motors abzüglich Verlusten, aktuelle Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs, Umdrehungsgeschwindigkeit eines Rads. Das relevante Antriebsmoment, das von den Rädern übertragen wird, ergibt sich aus dem Antriebsmoment des Motors abzüglich kalorischer Verluste, Verluste durch Nebenaggregate, Verluste durch Zusatzaggregate und Verluste durch die Kupplung und das Getriebe. Diese Verluste können vorzugsweise anhand von Erfahrungswerten geschätzt oder einer Tabelle entnommen werden. Gegebenenfalls ist der Einfluss einer Momentenänderung im Rekuperationsbetrieb eines Hybridfahrzeugs zu berücksichtigen. Ebenso wird ein gegebenenfalls vorhandenes zusätzliches Drehmoment bei einem elektrischen Antriebsmotor eines Hybridfahrzeugs berücksichtigt. Auf diese Weise kann das an die Räder übertragene Antriebsmoment des Motors bestimmt werden.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Radius eines Rads aus der aktuellen Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rads berechnet. Auf diese Weise können Änderungen bzw. Abweichungen des Radius durch Abnutzung der Reifen berücksichtigt werden.
Nachdem auf diese Weise sowohl das an die Räder übertragene Antriebsmoment des Motors als auch der aktuelle Radius eines Rads berechnet worden ist, kann die Antriebskraft der Räder berechnet werden. Um die resultierende Kraft, die auf das gesamte Gespann wirkt, zu bestimmen, müssen allerdings noch weitere Einflussgrößen berücksichtigt werden, nämlich der Reifenwiderstand, ein gegebenenfalls vorhandener Steigungswiderstand und der aktuelle Luftwiderstand des Gespanns. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es daher vorgesehen sein, dass der Reifenwiderstand anhand eines Schätzwerts für die Masse des Gespanns, eines Schätzwerts für den Reifenreibbeiwert des Gespanns und der gegebenenfalls vorhandenen Steigung berechnet wird.
Der Steigungswiderstand kann anhand eines Schätzwerts für die Masse des Gespanns und der Fahrbahnsteigung errechnet werden. Der Luftwiderstand kann anhand der Luftdichte, der in Fahrtrichtung wirksamen Querschnittsfläche des Gespanns, einem Schätzwert für den Luftwiderstandsbeiwert des Gespanns und der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet werden.
Nach der Bestimmung der resultierenden, momentan auf das Gespann wirkenden Kraft kann anhand der momentanen Beschleunigung des Gespanns in Längsrichtung die Masse des Gespanns aus der Kräfteformel F = m·a bestimmt werden. Die momentan wirkende Längsbeschleunigung kann z. B. durch eine zeitliche Ableitung der momentanen Geschwindigkeit ermittelt werden. Auf diese Weise wird die Gesamtmasse des Gespanns mittels eines auf längsdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhendenden Masseschätzers bestimmt.
Zum Bestimmen der Masse des Zugfahrzeugs wird der auf querdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhende Masseschätzer benutzt. Dazu wird ein um die Längsachse des Zugfahrzeugs wirkendes Rückstellmoment berechnet, das z. B. bei einer Kurvenfahrt auftritt. Eingangsgrößen für die Berechnung des Rückstellmoments sind die Spurweite des Fahrzeugs, Federkonstanten der linken und rechten Feder des Fahrwerks des Zugfahrzeugs sowie die entsprechenden Ein- und Ausfederwege des Fahrwerks für die linke und die rechte Seite.
Dem auf diese Weise ermittelten Rückstellmoment steht ein entgegengesetzt gerichtetes, gleich großes Wankmoment gegenüber. Das Wankmoment ergibt sich als Produkt der in Querrichtung wirkenden Kraft und einem Abstand bzw. einer Höhe zwischen dem Schwerpunkt und dem Untergrund (Straße). In der Formel für das Wankmoment kann die in Querrichtung wirkende Kraft durch die Masse des Fahrzeugs, multipliziert mit der Querbeschleunigung, ersetzt werden. Somit ergibt sich die Masse des Zugfahrzeugs aus dem Wankmoment, geteilt durch die Querbeschleunigung und den senkrechten Abstand (Hebelarm) zum Schwerpunkt.
Nachdem sowohl die Gesamtmasse des Gespanns als auch die Masse des Zugfahrzeugs berechnet worden sind, ergibt sich die Masse des Anhängers aus deren Differenz. Die auf diese Weise berechnete Anhängermasse kann in einem Fahrerassistenzsystem, z. B in einem Stabilitätsprogramm, verwendet werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das sich als Zugfahrzeug für einen Anhänger eignet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es zum Berechnen der Masse eines angehängten Anhängers nach dem beschriebenen Verfahren ausgebildet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und zeigt ein aus dem Zugfahrzeug und einem Anhänger bestehendes Gespann.
1 ist eine Seitenansicht und zeigt ein Gespann 1, bestehend aus einem Zugfahrzeug 2 und einem an das Zugfahrzeug 2 angehängten Anhänger 3. Das Zugfahrzeug 2 weist ein Fahrerassistenzsystem auf, das in der Lage ist, die Stabilität des Zugfahrzeugs 2 zu überwachen und bei Bedarf regelnd einzugreifen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Masse des Anhängers 3 bekannt ist. Da die naturgemäß bei unterschiedlicher Beladung schwankende Masse des Anhängers 3 im Allgemeinen nicht bekannt ist, wird diese aus bekannten bzw. erfassbaren Größen bestimmt bzw. abgeleitet. Dazu wird zunächst die Masse des Zugfahrzeugs mittels eines auf querdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers bestimmt. Zusätzlich wird die Gesamtmasse des Gespanns mittels eines auf längsdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers bestimmt, die Differenz der beiden Massen ergibt die gesuchte Masse des Anhängers 3.
Das Zugfahrzeug 2 weist einen Motor mit einem bestimmten Antriebsmoment auf, das von den Rädern übertragene Antriebsmoment ergibt sich aus dem Antriebsmoment des Motors abzüglich auftretender Verluste, dazu zählen kalorische Verluste, Verluste durch Nebenaggregate und Zusatzaggregate sowie Verluste durch die Kupplung und das Getriebe. Für diese Verluste können Erfahrungswerte bzw. Schätzwerte angesetzt werden.
Der Radius eines Rads kann anhand der aktuellen Geschwindigkeit v des Zugfahrzeugs und der Drehzahl des Rads ermittelt werden, die Drehzahl wird mittels eines Drehzahlsensors erfasst. Die Antriebskraft der Räder ergibt sich als Quotient aus dem von den Rädern übertragenen Antriebsmoment des Motors und dem Radius r eines Rads.
Die auf das gesamte Gespann wirkende resultierende Kraft ergibt sich aus der von den Rädern übertragenen Antriebskraft abzüglich des Reifenwiderstands, des Steigungswiderstands und des Luftwiderstands. Bei diesen Widerständen handelt es sich um Kräfte, die auf der Basis von Schätzwerten ermittelt werden können.
Der Reifenwiderstand ergibt sich als Produkt aus der aktuell geschätzten Masse des Gespanns, der Erdbeschleunigung, einem approximierten Reifenreibbeiwert des Gespanns und dem Cosinus der Fahrbahnsteigung.
Der Steigungswiderstand ist das Produkt der aktuell geschätzten Masse des Gespanns, der Erdbeschleunigung und dem Sinus der Fahrbahnsteigung.
Der Luftwiderstand ergibt sich aus der Luftdichte geteilt durch zwei, multipliziert mit der Querschnittsfläche des Gespanns, einem approximierten Luftwiderstandsbeiwert des Gespanns und dem Quadrat der Geschwindigkeit. Berücksichtigt man diese Widerstände, so ergibt sich die auf das gesamte Gespann einwirkende Kraft.
Aus der bekannten Kräfteformel F = m·a kann anschließend durch Umstellen die Masse des Gespanns berechnet werden, die sich als Quotient aus der momentan wirkenden resultierenden Kraft und der momentan wirkenden Beschleunigung in Längsrichtung ergibt. Die momentan wirkende Längsbeschleunigung kann durch Ableitung der momentanen Geschwindigkeit ermittelt werden. Auf diese Weise wird die Masse des Gespanns 1 erhalten.
Um zusätzlich auch die Masse des Anhängers 3 berechnen zu können, wird auch die Masse des Zugfahrzeugs 2 berechnet.
Bei der Berechnung der Fahrzeugmasse wird davon ausgegangen, dass Ein- bzw. Ausfahrweg Δh für die linke und rechte Seite des Fahrwerks bekannt sind, sowie die jeweils zugeordneten Federkonstanten c für die linke und die rechte Seite. Zusätzlich geht die bekannte Spurweite des Zugfahrzeugs 2 in die Berechnung ein. Zur Berechnung der Masse des Zugfahrzeugs 2 wird zunächst ein Rückstellmoment berechnet, das z. B. bei einer Kurvenfahrt ermittelt werden kann. In diesem Zustand gilt: M_Rück = 1/2·l(Δh(_links·c_links + Δh_rechts·C_rechts)
Diesem Rückstellmoment wirkt ein entgegengesetzt gerichtetes, gleich großes Wankmoment entgegen, dementsprechend kann das Wankmoment über den Umweg des Rückstellmoments berechnet werden.
Zwischen dem Wankmoment, der Querkraft und dem senkrechten Abstand (Hebelarm) zwischen dem Schwerpunkt des Zugfahrzeugs 2 und der Straße gilt der folgende Zusammenhang: M_Wank = F_Quer·h_Schwerpunkt
h_Schwerpunkt ist der senkrechte Abstand des Schwerpunkts des Zugfahrzeugs 2 vom Untergrund. Dieser Abstand, d. h. die Lage des Schwerpunkts ist bekannt bzw. wird abgeschätzt. Die Querkraft kann durch das Produkt aus Fahrzeugmasse und Querbeschleunigung ersetzt werden. Dementsprechend ergibt sich für das Wankmoment der folgende Zusammenhang: M_Wank = mZugfahrzeug·a_Quer·h_Schwerpunkt
Durch Umstellen dieser Formel erhält man die Masse des Zugfahrzeugs:
Nachdem die Masse des Zugfahrzeugs 2 berechnet worden ist, ergibt sich die gesuchte Masse des Anhängers 3 folgendermaßen: m_Anhänger = m_Gespann – m_Zugfahrzeug
Die auf diese Weise bestimmte Masse des Anhängers 3 kann in einem Fahrerassistenzsystem verarbeitet werden und beispielsweise in einem Stabilitätsprogramm genutzt werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Masse eines an ein Zugfahrzeug angehängten Anhängers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Bestimmen der Masse des Zugfahrzeugs mittels eines auf querdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers; – Bestimmen der Gesamtmasse des aus Zugfahrzeug und Anhänger bestehenden Gespanns mittels eines auf längsdynamischen Fahrdynamikgleichungen beruhenden Masseschätzers; und – Berechnen der Masse des Anhängers als Differenz der Masse des Zugfahrzeugs und der Gesamtmasse.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Zugfahrzeugs anhand der folgenden Ausgangsgrößen bestimmt wird: – Antriebsmoment des Motors abzüglich Verlusten; – aktuelle Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs; – Umdrehungsgeschwindigkeit eines Rads.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius eines Rads aus der aktuellen Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rads berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskraft der Räder aus dem Antriebsmoment des Motors und dem Radius eines Rads berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Gespann wirkende resultierende Kraft aus der Antriebskraft der Räder und den folgenden Kräften berechnet wird: Reifenwiderstand, Steigungswiderstand und Luftwiderstand.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifenwiderstand anhand eines Schätzwerts für die Masse des Gespanns, eines Schätzwerts für den Reifenreibbeiwert des Gespanns und der Fahrbahnsteigung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswiderstand anhand eines Schätzwerts für die Masse des Gespanns und der Fahrbahnsteigung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftwiderstand anhand der Luftdichte, der Querschnittsfläche des Gespanns, einem Schätzwert für den Luftwiderstandsbeiwert des Gespanns und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse des Gespanns anhand der resultierenden Kraft und der Längsbeschleunigung berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Masse des Zugfahrzeugs das Rückstellmoment bei einer Kurvenfahrt anhand der Spurweite des Zugfahrzeugs, der Ein- oder Ausfederwege des Fahrwerks des Zugfahrzeugs und der Federkonstanten des Fahrwerks berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Rückstellmoment entgegen gerichtetes Wankmoment berechnet wird, das dem Produkt aus Querkraft und dem senkrechten Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Zugfahrzeugs und der Straße entspricht und dass die Querkraft dem Produkt aus der Masse des Zugfahrzeugs und der Querbeschleunigung entspricht, so dass die Masse
Kraftfahrzeug, das als Zugfahrzeug für einen Anhänger geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.