DE102013013165A1

DE102013013165A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts

Info

Publication number: DE102013013165A1
Application number: DE201310013165
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mödinger; Thilo-Urs Raetzke; Magnus Rau; Wolfgang Schneck
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels (w) eines Kraftfahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts,
umfassend die folgenden Schritte:
S1) Bestimmen einer momentanen Querbeschleunigung (a_y) des Kraftfahrzeugs,
S2) Berechnen eines momentanen Soll-Wankwinkels (w) aus der momentanen Querbeschleunigung (a_y) mittels wenigstens eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y), wobei der wenigstens eine vorbestimmte funktionale Zusammenhang w(a_y) die Gestalt einer nichtlinearen Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve (13) aufweist, wobei diese Kurve (13) ausgehend von einem Nullwert bei einem vorbestimmten ersten Wert (a_y ¹) der Querbeschleunigung (a_y) ein lokales Maximum (14) des Soll-Wankwinkels (w) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Als Wanken bezeichnet man eine Drehbewegung eines Kraftfahrzeugs um seine Längsachse. Eine solche Wankbewegung kann sich beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts durch das Kraftfahrzeug ergeben, wenn sich dieses aufgrund der auftretenden Fliehkräfte um einen bestimmten Wankwinkel nach außen neigt. Der sich dabei einstellende Wankwinkel hängt von der Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs, dessen Schwerpunkthöhe, dem Fahrwerksaufbau des Kraftfahrzeugs sowie von dessen Geschwindigkeit ab.
Die DE 10 2010 046 317 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen der räumlichen Lage einer Wankachse, um welche das Kraftfahrzeug um einen vorbestimmten Wankwinkel drehbar ist. Gemäß dem Verfahren wird zunächst in einem ersten Schritt eine räumliche Soll-Lage der Position der Wankachse festgelegt und anschließend in einem zweiten Schritt eine Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs bestimmt. In einem dritten Schritt wird schließlich eine Soll-Querneigung des Kraftfahrzeugs und eine Soll-Querablage des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung ermittelt, so dass bei Einstellen der Soll-Querneigung und der Soll-Querablage eine Verlagerung der Wankachse in die Solllage bewirkt wird. Um sicherzustellen, dass das Kraftfahrzeug die im vorangehenden Schritt ermittelte Sollquerneigung einnimmt, wird wenigstens ein Aktuator einer aktiven Fahrwerks-Vorrichtung des Kraftfahrzeugs entsprechend eingestellt. Zusätzlich wird wenigstens ein Aktuator zum Beeinflussen der Querbewegung des Kraftfahrzeugs derart eingestellt, dass das Kraftfahrzeug zusätzlich auch die im vorangehenden Schritt ermittelte Soll-Querablage einnimmt. Die zu erwartende Querbeschleunigung kann beispielsweise mit Hilfe eines am Kraftfahrzeug angebrachten Kamerasystems ermittelt werden, welches den zu befahrenen kurvenförmigen Fahrbahnabschnitt im Vorfeld des Kraftfahrzeugs optisch erfasst und zur Bestimmung der zu erwartenden Querbeschleunigung analysiert.
Die DE 10 2006 018 978 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einer Vorrichtung zum Bestimmen der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe sowie einer Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit und einem gegebenenfalls nach vorne gerichteten Kamerasystem. Der Wankwinkel wird unter Verwendung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe und der spezifischen Wank-Federsteifigkeit des Fahrzeugs bestimmt.
Die DE 10 2012 024989.6 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Soll-Kurvenneigung eines Kraftfahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts. Gemäß diesem Verfahren wird eine momentane Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einer momentanen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs aus von einer nicht-optischen Sensorik bereitgestellten Sensordaten – beispielsweise einem Gierratensensor – bestimmt. Mittels eines Kennfelds oder eines vordefinierten analytischen Zusammenhangs wird aus der momentanen Querbeschleunigung eine Soll-Kurvenneigung für das Kraftfahrzeug berechnet. Diese Soll-Kurvenneigung kann nach einer Gewichtung mit einem geschwindigkeitsabhängigen Gewichtungsfaktor als Wankwinkel im Fahrwerk des Kraftfahrzeugs eingestellt werden. Die Berechnung der Soll-Kurvenneigung erfolgt derart, dass das Fahrzeug beim Befahren des kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts im Sinne eines ”Carvens” nach innen, also zur Kurvenmitte hin wankt.
Unter dem Begriff „Active Body Control (ABC)” sind im Folgenden elektro-hydraulisch aktive Fahrwerkssysteme gefasst, welche neben einer herkömmlichen Federungs- und Dämpfungsfunktion auch die Möglichkeit des gezielten Einstellens von Wankwinkeln erlauben. Der sich beim Befahren des kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts einstellende Wankwinkel lässt sich durch Verwendung solcher, aktiver Fahrwerksysteme gezielt manipulieren. Hierzu kann das Fahrwerksystem mit geeigneten Aktoren, beispielsweise in der Art von höhenverstellbaren Federbeinen, versehen sein, welche den Fahrzeugrahmen jeweils mit den Rädern des Kraftfahrzeugs höhenverstellbar verbinden, so dass ein bestimmter Wankwinkel des Kraftfahrzeugs eingestellt werden kann. In einer Alternative zum elektro-hydraulisch aktiven Fahrwerk kann ein unter dem Begriff ”ACTIVE CURVE SYSTEM” bekanntes, hydraulisch verstellbares Fahrwerk Verwendung finden, welches mit einer riemengetriebenen Hydraulikpumpe arbeitet und einen Ölbehälter im Motorraum sowie je einen Ventil-Block und aktive Stabilisatoren an Vorder- und Hinterachse aufweist. Auch eine solche hydraulische Fahrwerk-Vorrichtung lässt sich zur Einstellung des Soll-Wankwinkels im Kraftfahrzeug verwenden. Dabei kann durch eine geeignete Ansteuerung des Fahrwerks eine Reduzierung des eigentlichen Wankwinkels erreicht werden. Dies kann so weit gehen, dass sich das Kraftfahrzeug bzgl. des kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts im Sinne eines ”Carvens” nach innen, also zur Kurvenmitte hin, neigt.
Alternativ dazu lässt sich der ursprüngliche – von der Kurvenmitte weg weisende – Wankwinkel des Kraftfahrzeugs mittels des Fahrwerksystems aber auch gezielt verstärken, so dass die Fahrzeuginsassen das Befahren des gekrümmten Fahrbahnabschnitts besonders intensiv wahrnehmen, wenn sich das Fahrzeug nach außen, von der Kurvenmitte weg, neigt. Mittels einer solchen, gezielten Wankwinkel-Verstärkung kann den Fahrzeuginsassen beispielsweise das Fahrgefühl eines ”klassischen amerikanischen Straßenkreuzer” vermittelt werden der sich – fahrwerksbedingt – durch ein besonders stark ausgeprägtes Fahrzeugwanken auszeichnet.
Allerdings besteht bei einem ausgeprägten Wankverhalten des Kraftfahrzeugs beim Befahren eines Fahrbahnabschnitts mit hoher Kurvenkrümmung und hoher Fahrzeuggeschwindigkeit die Gefahr einer Destabilisierung des Kraftfahrzeugs.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, beim Bestimmen eines im Kraftfahrzeugs einzustellenden Soll-Wankwinkels beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts neue Wege aufzuzeigen, und zwar insbesondere derart, dass der/die Fahrzeuginsasse(n) das Wanken des Kraftfahrzeugs in ausgeprägter Weise erlebt, ohne dass ein solches Wanken die Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs gefährdet.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, mittels eines zweistufigen Berechnungsverfahrens mit Verfahrensschritten S1 und S2 aus einer momentanen Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y) einen im Fahrwerk des Kraftfahrzeugs einzustellenden Soll-Wankwinkel w zu berechnen, wobei ein solcher funktionaler Zusammenhang w(a_y) in einem Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramm die Gestalt einer nichtlinearen Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve aufweist. Die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve besitzt nun erfindungsgemäß bei einem vorbestimmten ersten Wert der Querbeschleunigung ein lokales Maximum des Soll-Wankwinkels. Dies gestattet die gewünschte Verstärkung des Wankeffekts im Kraftfahrzeug beim Befahren des – im Folgenden der Einfachkeit halber als Kurve bezeichneten – kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts. Sobald beim Durchfahren der Kurve durch das Kraftfahrzeug besagter erster vorbestimmter Wert der Querbeschleunigung überschritten wird, nimmt der solchen Querbeschleunigungswerten zugeordnete Soll-Wankwinkel wieder ab. Auf diese Weise gelingt es, den Wankeffekt im Kraftfahrzeug bei hohen Querbeschleunigungswerten zu reduzieren und somit die Straßenlage des Kraftfahrzeugs auch bei hoher, auf das Fahrzeug wirkender Querbeschleunigung stabil zu halten. Somit kann insbesondere vorgegebenen Sicherheitsauflagen für den Betrieb des Kraftfahrzeugs genügt werden. Die im erfindungsgemäßen Verfahren herangezogene Form der Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve in einem Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramm ermöglicht also dem/den Fahrzeuginsassen das ausgeprägte Erleben eines Wankeffekts beim Befahren einer Kurve, ohne dass sich dies negativ auf die Fahrzeugsicherheit auswirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das oben beschriebene Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt S3 auf, gemäß welchem ein modifizierter momentaner Soll-Wankwinkels w_G1 durch Gewichtung des in Schritt S2 berechneten Soll-Wankwinkels w(a_y) mit einem geschwindigkeitsabhängigen ersten Gewichtungsfaktor G₁ berechnet wird. Mittels einer solchen Skalierung des in Schritt S2 berechneten Soll-Wankwinkels w lässt sich dessen Wert unabhängig vom Wert der momentanen Querbeschleunigung a_y modifizieren, was eine Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an verschiedene Fahrwerkssysteme bzw. an die diese Fahrwerkssysteme verwendenden Kraftfahrzeuge erleichtert. Insbesondere kann der geschwindigkeitsabhängige Gewichtungsfaktor G₁ derart festgelegt sein, dass er für hohe Werte der Geschwindigkeit v_x – beispielsweise im Bereich der technisch bedingten Maximalgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs – gegenüber niedrigen Werten der Geschwindigkeit v_x einen kleinen Wert, insbesondere nahe eines Nullwerts, annimmt. Somit lässt sich die gezielte Wankwinkel-Manipulation im Kraftfahrzeug bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten nahezu oder sogar vollständig außer Kraft setzten, wodurch die Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann.
Besonders zweckmäßig kann besagter modifizierter Soll-Wankwinkel w_G1 durch erneute Gewichtung in einen zweifach-modifizierten Soll-Wankwinkel w_G2 konvertiert werden, und zwar durch Gewichtung des in Schritt S3 berechneten modifizierten Soll-Wankwinkels w_G1 mit einem zweiten Gewichtungsfaktor G₂, wobei der zweite Gewichtungsfaktor G₂ in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs festgelegt ist. Ein solcher Betriebsparameter kann beispielsweise die momentane Längs- oder Vertikalbeschleunigung, aber auch der momentane Lenkradwinkel des Kraftfahrzeugs sein. Mittels einer solchen erneuten Gewichtung mit dem zweiten Gewichtungsfaktor G₂ lässt sich erreichen, dass die erfindungsgemäße Wankwinkel-Manipulation bei potentiell gefährlichen Fahrmanövern – beispielsweise einem starken Beschleunigen des Fahrzeugs in Fahrtrichtung, scharfen Lenk- oder Bremsmanövern – oder bei unebener Fahrbahn, welche sich in starken Vertikalbeschleunigungen des Kraftfahrzeugs äußert, deutlich reduziert oder sogar vollständig außer Kraft gesetzt werden kann. Hierzu bietet es sich an, für den zweiten Gewichtungsfaktor G₂ einen zulässigen Wertebereich zwischen 0 und 1 zu definieren; für den Fall, dass der genannte wenigstens eine Betriebsparameter einen maximal zulässigen Schwellwert überschreitet, kann der Wert des zweiten Gewichtsfaktors G₂ stark reduziert oder auf Null eingestellt werden, so dass der zweifach modifizierte Soll-Wankwinkel w_G2 entsprechend ebenfalls einen stark reduzierten Wert bzw. einen Nullwert annimmt. Für den Fall, dass zur Berechnung des zweiten Gewichtungsfaktors G₂ nicht nur ein einziger, sondern mehrere Betriebsparameter herangezogen werden, kann auch vorgesehen sein, für einen jeden Betriebsparameter jeweils einen individuellen zweiten Gewichtungsfaktor vorzusehen und aus diesen Gewichtungsfaktoren durch Vergleich, beispielsweise in Form einer Minimal- oder Maximalwertbildung, den zweiten Gewichtsfaktor G₂ zu berechnen.
Vorzugsweise können dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens zwei verschiedene vorbestimmte funktionale Zusammenhänge zur Verfügung gestellt werden, wobei dann in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Eingabeparameter festgelegt wird, welcher der wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge zur Berechnung des momentanen Soll-Wankwinkels w herangezogen wird. Dies erlaubt eine besonders flexible Verwendung des hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammen mit verschiedenen Fahrprogrammen, die das Kraftfahrzeug dem Fahrzeugführer zur Auswahl stellt zwischen welchen im aktiven Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs umgeschaltet werden kann. Denkbar ist beispielsweise, dass besagtes lokales Maximum der Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve in einem besonders sportlich geprägten Fahrprogramm einem größeren Querbeschleunigungswert zugeordnet wird als in einem sicherheitsbetonten Fahrprogramm.
Besonders zweckmäßig weist die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve im Wankwinkel-Beschleunigungsdiagramm eine Gestalt auf, bei welcher sie mit der Querbeschleunigung – ausgehend von einem Nullwert der Querbeschleunigung bis zu besagtem ersten Wert der Querbeschleunigung – Wert monoton, insbesondere streng monoton, zunimmt. Dies bewirkt eine kontinuierliche Zunahme des Wankeffekts in einem das erfindungsgemäße Verfahren zur Wankwinkel-Berechnung verwendenden Kraftfahrzeug mit zunehmender Querbeschleunigung, bis Letztere besagten ersten Wert annimmt, der dem lokalen Maximum des Soll-Wankwinkels zugeordnet ist.
Bei einer weiterbildenden Ausführungsform bietet es sich an, die vorbestimmte Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve derart festzulegen, dass sie bei einem vorbestimmten zweiten Wert der Querbeschleunigung, der größer ist als der erste Wert, ein lokales Minimum aufweist. Dies ermöglicht bei hohen wirkenden Querbeschleunigungen eine besonders stark ausgeprägte Absenkung des Soll-Wankwinkels.
Ein besonders harmonisches Wankverhalten bei einer zeitlich zunächst stetig zunehmenden und anschließend wieder stetig abnehmenden Querbeschleunigung, wie sie beim Einfahren eines Kraftfahrzeugs in die Kurve bzw. beim Ausfahren aus der Kurve auftritt, wird erreicht, indem die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve derart festgelegt wird, dass der Soll-Wankwinkel für Werte der Querbeschleunigung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert monoton, insbesondere streng monoton, abnimmt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, so dass mittels dessen Fahrwerksystems besagter Wankwinkel eingestellt werden kann, umfasst erfindungsgemäß ein Steuergerät sowie eine mit dem Steuergerät zur Übermittlung von Sensor-Ausgangsdaten in Kommunikationsverbindung stehende Sensorik. Das Steuergerät bestimmt mittels der Sensor-Ausgangsdaten der Sensorik eine momentane Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs und daraus mittels eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y) einen momentanen Soll-Wankwinkel w. Die Sensorik kann beispielsweise ein im Kraftfahrzeug verbautes Kamerasystem umfassen, mit welchem das Vorfeld des Kraftfahrzeugs abgebildet wird. Durch Bildanalyse der Abbilder lässt sich die momentane Krümmung K der Fahrbahn im Vorfeld des Kraftfahrzeugs ermitteln. In Zusammenspiel mit einem Geschwindigkeitssensor lässt sich über die bekannte Beziehung a_y = Kv_x ², wobei v_x die momentane Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist, die momentane Querbeschleunigung a_y bestimmen. Alternativ oder zusätzlich – in letzterem Fall als redundantes System – kann besagte Sensorik zur Bestimmung der momentanen Querbeschleunigung aber auch einen Beschleunigungssensor zur direkten Messung der Querbeschleunigung a_y, oder aber einen Gierratensensor, einen Lenkwinkelsensor oder/und Radwinkelsensor aufweisen, mittels welchem/welchen die Querbeschleunigung a_y ebenfalls ermittelt werden kann. Die beiden letztgenannten Sensoren stellen als Sensorausgangsdaten einen momentanen Lenkradwinkel bzw. einen momentanen Radwinkel des Lenkrads bzw. der Räder des Kraftfahrzeugs bereit. Bei Ermittlung der momentanen Querbeschleunigung aus dem Lenkradwinkel bzw. Radwinkel kann für die mathematische Berechnung beispielsweise ein sogenanntes Einspur-Modell verwendet werden. Präzisere Berechnungsergebnisse werden erzielt, wenn das Lenkungsverhalten oder/und das Reifen-Einlaufverhalten des Kraftfahrzeugs mit einbezogen in die Berechnung mit einbezogen wird, so dass bei einer solchen ganzheitlichen Betrachtung die Vorgaben eines Fahrers des Kraftfahrzeugs bei der Wankwinkel-Einstellung besonders schnell und effektiv umgesetzt werden können. Mittels der Verwendung verschiedenartiger Sensortypen, insbesondere in Kombination, wird eine Plausibilitätskontrolle bei der Bestimmung der momentanen Querbeschleunigung möglich, welche offensichtliche Unrichtigkeiten in den jeweiligen Sensor-Ausgangsdaten erkennen lässt.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Kraftfahrzeug mit der oben beschriebenen Vorrichtung sowie mit einem von dem Steuergerät der Vorrichtung ansteuerbaren Fahrwerksystem, mittels welcher der von dem Steuergerät bestimmte Soll-Wankwinkel an dem Kraftfahrzeug einstellbar ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 ein grobschematisches Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs, wobei die 2a eine Draufsicht und die 2b eine Rückansicht des Kraftfahrzeugs zeigt,
3 ein erfindungsgemäßes Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramm.
In der 1 ist ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens grobschematisch dargestellt. Dieses kann von einem in der 2 grobschematisch dargestellten und mit 10 bezeichneten Steuergerät eines Kraftfahrzeugs 11 ausgeführt werden. In einem ersten Schritt S1 wird eine momentane Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs 11 bestimmt. Dies geschieht durch Messung einer momentanen Geschwindigkeit v_x des Kraftfahrzeugs 11 mittels eines im Kraftfahrzeug 11 verbauten Geschwindigkeitssensors 1. Durch Verwendung eines im Kraftfahrzeug 11 verbauten Kamerasystems (nicht gezeigt), welches beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts die Bestimmung einer momentanen Krümmung K der Fahrbahn erlaubt, lässt sich aus der bekannten Beziehung a_y(v_x) = Kv_x ² die momentane Querbeschleunigung a_y berechnen. Durch die Verwendung verschiedener Indizes y und x soll hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit zum Ausdruck gebracht werden, dass ein Richtungsvektor der momentanen Querbeschleunigung a_y (in Y-Richtung) in eine zu dem entsprechenden Richtungsvektor der momentanen Geschwindigkeit v_x des Kraftfahrzeugs orthogonale Richtung (also in X-Richtung) weist (vgl. 2a).
Zur Bestimmung der momentanen Querbeschleunigung a_y kann alternativ oder zusätzlich eine Sensorik 2 (vgl. 1) mit einem Beschleunigungssensor 3 vorgesehen sein, welcher als Sensor-Ausgangsdaten einen momentanen Sensor-Querbeschleunigungswert a_y ^Sensor bereitstellt. Die Sensor-Ausgangsdaten können optional mittels eines geeigneten Tiefpass-Filters gefiltert werden, um unerwünschte hochfrequente Störungen – beispielsweise aufgrund von Unebenheiten im gerade befahrenen Fahrbahnabschnitt – in den vom Beschleunigungssensor 3 bereitgestellten Sensor-Ausgangsdaten auszufiltern. Vorteilhafterweise ist ein solcher Beschleunigungssensor 3 im Kraftfahrzeug 11 bezüglich einer Fahrzeug-Längsrichtung L des Kraftfahrzeugs 11 möglichst weit vorne am Kraftfahrzeug 11 angeordnet (vgl. 2a). Das Berechnen der momentanen Querbeschleunigung a_y kann ein Modifizieren des momentanen Sensor-Querbeschleunigungswerts a_y ^Sensor derart beinhalten, dass bei der Berechnung ein Winkel φ zwischen einer vertikalen Achse Z und einem g-Vektor (Richtungsvektor der Erdbeschleunigung) berücksichtigt wird (vgl. 2b). Für den vom Beschleunigungssensor 3 gemessenen momentanen Sensor-Quer-Beschleunigungswert a_y ^Sensor und der zu bestimmenden momentanen Querbeschleunigung a_y und dem momentanen relativen Winkel φ zwischen der vertikalen Achse Z des Kraftfahrzeugs und einer Richtung des Erdbeschleunigungs-Vektors g gilt der Zusammenhang a_y = a_y ^Sensor + gsinφ, wobei g die Erdbeschleunigung und φ der Winkel zwischen der vertikalen Fahrzeugrichtung Z und der Erdoberfläche (= Ebene orthogonal zum Erdbeschleunigungs-Vektor g) ist. Auf diese Weise können g-Anteile in den Sensor-Ausgangsdaten a_y ^Sensor bei der Berechnung des momentanen Sensor-Querbeschleunigungswerts a_y berücksichtigt werden.
Alternativ oder zusätzlich zum Beschleunigungssensor 3 kann die Sensorik 2 auch einen Gierratensensor 5 umfassen, welcher als Sensor-Ausgangsdaten eine momentane Giergeschwindigkeit d/dtΨ bereitstellt, wobei Ψ der momentane Gierwinkel ist. Die Berechnung der momentanen Querbeschleunigung a_y aus der momentanen Giergeschwindigkeit erfolgt gemäß der Gleichung a_y = (d/dtΨ)v_x, wobei d/dtΨ die momentane Giergeschwindigkeit ist. Dies bedeutet, dass auch zur Bestimmung der momentanen Querbeschleunigung a_y aus der Gierrate d/dtψ eine Kenntnis der momentanen Fahrzeug-Geschwindigkeit v_x des Kraftfahrzeugs 11 erforderlich ist.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend erläuterten Sensoren – also Beschleunigungssensor 3 und Gierratensensor 5 kann die Sensorik 2 ferner einen Lenkradwinkelsensor oder/und einen Radwinkelsensor 4 umfassen, welcher als Sensor-Ausgangsdaten einen momentanen Lenkradwinkel bzw. momentanen Radwinkel δ bereitstellt. Aus den vom Lenkradwinkelsensor bzw. Radwinkelsensor 4 bereitgestellten Sensor-Ausgangsdaten kann die momentane Querbeschleunigung a_y dabei unter Verwendung des Einspurmodells mittels des Zusammenhangs a_y = v_x ²δ/(l + EGv_x ²) berechnet werden. Dabei ist δ der Lenkradwinkel bzw. Radwinkel, l der Radstand und EG der sogenannte Eigenlenkgradient des Kraftfahrzeugs 11. Selbstverständlich können anstelle des Einspurmodells alternativ auch komplexere Zusammenhänge, welche ein Lenkmodel oder/und ein Reifeneinlauf-Verhalten des Kraftfahrzeugs berücksichtigen, zur Berechnung der momentanen Querbeschleunigung a_y aus dem Lenkradwinkel bzw. Radwinkel δ herangezogen werden.
In einem zweiten Schritt S2 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der momentanen Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs 11 mittels eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y) ein Soll-Wankwinkels w für das Kraftfahrzeug 11 berechnet. Ein solcher funktionaler Zusammenhang w(a_y) ist in 3 exemplarisch als Graph w(a_y) eines Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramms dargestellt. Der Graph w(a_y) besitzt dabei, ausgehend vom Koordinatenursprung des Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramms, die Gestalt einer nichtlinearen Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13, welche bei einem vorbestimmten ersten Wert a_y ¹ ein lokales Maximum des Soll-Wankwinkels w(a_y) aufweist. Dieses lokale Maximum ist in 3 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet.
Eine derartige Ausgestaltung des Graphen w(a_y) im Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramm ermöglicht die gewünschte starke Ausprägung des Wankeffekts im Kraftfahrzeug 11 beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts 12 (vgl. 2a) für Querbeschleunigungswerte im Bereich von Null bis a_y ¹. Sobald beim Befahren der Kurve besagter erster vorbestimmter Querbeschleunigungswert a_y ¹ überschritten wird, nehmen die Werte für den aus dem funktionalen Zusammenhang entnehmbaren Soll-Wankwinkel w(a_y) folglich wieder ab. Auf diese Weise gelingt es, bei entsprechend hohen Werten der momentan auftretenden Querbeschleunigung a_y den Wankeffekt im Kraftfahrzeug 11 wieder zu reduzieren und somit die Straßenlage des Kraftfahrzeugs 11 auch bei hoher auf das Fahrzeug 11 wirkender Querbeschleunigung a_y stabil und somit betriebssicher zu halten. Dadurch kann insbesondere vorgegebenen Sicherheitsauflagen für den Betrieb des Kraftfahrzeugs 11 genügt werden.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren herangezogene Gestalt der Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve w(a_y) im Wankwinkel-Querbeschleunigungs-Diagramm ermöglicht also dem/den Fahrzeuginsassen das ausgeprägte Erleben eines Wankeffekts beim Befahren einer Kurve, ohne dass sich dies negativ auf die Fahrzeugsicherheit auswirkt.
Die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13 kann für Werte der Querbeschleunigung a_y zwischen Null und dem ersten Wert a_y ¹ wie in 1 gezeigt monoton, insbesondere streng monoton, zunehmen. Selbstverständlich sind in diesem Querbeschleunigungsbereich aber auch andere Kurvenformen, beispielsweise mit einem oder mehreren Zwischenmaxima bzw. -minima vorstellbar. Auch kann die Soll-Wankwinkel – Querbeschleunigungskurve 13 – wie ebenfalls der 3 entnehmbar – bei einem vorbestimmten zweiten Wert a_y2 der Querbeschleunigung a_y, der größer ist als der erste Wert a_y ¹, ein lokales Minimum 15 aufweisen, d. h. der Soll-Wankwinkel w nimmt für Werte der Querbeschleunigung a_y, die größer sind als der zweite Wert a_y ², wieder zu. In diesem Fall bietet es sich an, die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13 derart zu definieren, dass sie für Werte der Querbeschleunigung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert a_y ¹, bzw. a_y ² monoton, insbesondere streng monoton, abnimmt.
Optional kann daran gedacht sein, für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13 wenigstens zwei verschiedene vorbestimmte funktionale Zusammenhänge w₁(a_y) und w₂(a_y) vorzusehen, wobei dann mit Hilfe eines externen Eingabeparameters E_ext festgelegt werden kann, welcher der wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge w₁(a_y) bzw. w₂(a_y) zum Berechnen des momentanen Soll-Wankwinkels w in Schritt S2 herangezogen wird. Mit Hilfe des externen Eingabeparameters E_ext lässt sich auf einfache Weise einstellen, welcher der wenigstens zwei Zusammenhänge w₁(a_y), w₂(a_y) bei der Berechnung des Soll-Wankwinkels w herangezogen wird. Dies gestattet es, die Wankeigenschaften des Kraftfahrzeugs 11 auf flexible Weise festzulegen, so dass diese beispielsweise während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs 11 geändert werden können.
In einem optionalen Verfahrensschritt S3 wird der in Schritt S2 berechnete Soll-Wankwinkels w mit einem geschwindigkeitsabhängigen ersten Gewichtungsfaktor G₁(v_x) gewichtet. Mittels einer solchen Gewichtung des in Schritt S2 berechneten Soll-Wankwinkels w lässt sich dessen Wert unabhängig vom Wert der momentanen Querbeschleunigung a_y verändern, was eine Anpassung des Wankverhaltens des Kraftfahrzeugs 11 an dessen momentane Geschwindigkeit v_x erlaubt. Der geschwindigkeitsabhängige Gewichtungsfaktor G₁ kann derart festgelegt sein, dass er für hohe Werte der Geschwindigkeit v_x – beispielsweise im Bereich der technisch bedingten Maximalgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs – gegenüber niedrigen Werten der Geschwindigkeit v_x einen kleinen Wert, insbesondere nahe eines Nullwerts, annimmt. Somit lässt sich die gezielte Wankwinkel-Manipulation im Kraftfahrzeug 11 bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten v_x nahezu oder sogar vollständig außer Kraft setzten.
In einem weiteren optionalen, vierten Verfahrensschritt S4 kann aus besagtem modifizierten Soll-Wankwinkel w_G1 durch erneute Gewichtung ein zweifach-modifizierter momentaner Soll-Wankwinkel w_G2 berechnet werden, und zwar durch Gewichtung des in Schritt S3 berechneten modifizierten Soll-Wankwinkels w_G1 mit einem zweiten Gewichtungsfaktor G₂. Der zweite Gewichtungsfaktor G₂ wird dabei in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 11 festgelegt, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausführung kommt. Ein solcher Betriebsparameter kann beispielsweise die momentane Längs- oder Vertikalbeschleunigung a_x bzw. a_z oder der momentane Lenkradwinkel des Kraftfahrzeugs 11 sein. Mittels der erneuten Gewichtung mittels des zweiten Gewichtungsfaktors G₂ lässt sich erreichen, dass die erfindungsgemäße Wankwinkel-Manipulation bei potentiell gefährlichen Fahrmanövern – beispielsweise einem starken Beschleunigen des Kraftfahrzeugs 11 in Fahrtrichtung, scharfen Lenk- oder Bremsmanövern- oder bei unebener Fahrbahn, welche sich in starken Vertikalbeschleunigungen des Kraftfahrzeugs 11 äußert, deutlich reduziert oder sogar vollständig außer Kraft gesetzt werden kann. Hierzu bietet es sich an, für den zweiten Gewichtungsfaktor G₂ einen zulässigen Wertebereich zwischen 0 und 1 zu definieren; für den Fall, dass der genannte Betriebsparameter einen maximal zulässigen Schwellwert – beispielsweise eine maximal zulässige Längsbeschleunigung a_x ^max oder einen maximal zulässigen Lenkradwinkel – überschreitet, wird der Wert des zweiten Gewichtsfaktors G₂ stark reduziert oder auf Null gesetzt, so dass der zweifach modifizierte Soll-Wankwinkel w_G2 einen stark reduzierten Wert bzw. einen Nullwert annimmt. Für den Fall, dass n Betriebsparameter (mit n > 1) herangezogen werden, kann auch daran gedacht sein, für jeden Betriebsparameter jeweils einen individuellen zweiten Gewichtungsfaktor G₂ ¹, G₂ ², ..., G₂ ⁿ vorzusehen und aus den individuellen zweiten Gewichtungsfaktoren G₂ ¹, G₂ ², ..., G₂ ⁿ durch Vergleich, beispielsweise in Form einer Minimal- oder Maximalwertbildung – also G₂ = min(G₂ ¹, G₂ ², ..., G₂ ⁿ) oder G₂ = max(G₂ ¹, G₂ ², ..., G₂ ⁿ) – den zweiten Gewichtsfaktor G₂ zu bestimmen. In der Darstellung der 2 ist nun ein Kraftfahrzeug 11 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, mittels welcher unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein im Kraftfahrzeug 11 einzustellender Soll-Wankwinkel w berechnet werden kann, wenn das Kraftfahrzeug 11 eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitt 12 befährt.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 11 umfasst ein Steuergerät 10 sowie eine Sensorik 2 mit einem Beschleunigungssensor 3, einem Gierratensensor 4 und einen Lenkwinkel/Radwinkelsensor 5, welche jeweils mit dem Steuergerät 10 in Kommunikationsverbindung stehen und jeweilige Sensor-Ausgangsdaten an das Steuergerät 10 übermitteln. In vereinfachten Varianten kann auf einen oder zwei der vorangehend genannten drei Sensoren 3, 4, 5 verzichtet werden. Das Steuergerät 10 besitzt eine herkömmliche Steuerungseinheit 17 (ECU) und eine mit dieser zusammenwirkenden Speichereinheit 15. Die Steuerungseinheit 17 und die Speichereinheit 15 können in der Art eines herkömmlichen Mikrokontrollers ausgebildet sein; in diesem Zusammenhang sind dem Fachmann zahlreiche technische Realisierungsmöglichkeiten bekannt sind.
Das Steuergerät 10 steht mit dem Geschwindigkeitssensor 1 in Kommunikationsverbindung, welcher die momentane Geschwindigkeit v_x des Kraftfahrzeugs 11 an das Steuergerät 10 übermittelt. Vom Steuergerät 10 wird unter Verwendung der oben genannten Eingangsparameter (momentane Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs v_x, Giergeschwindigkeit d/dtΨ oder/und momentaner Lenkradwinkel bzw. momentaner Radwinkel δ oder/und momentane Sensor-Querbeschleunigung a_y ^Sensor) gemäß Schritt S1 des erfindungsgemäßen Verfahrens die momentane Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs 11 ermittelt. Zur Berechnung des momentanen Soll-Wankwinkels w gemäß Schritt S2 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die oben erläuterte Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13 herangezogen, welche beispielsweise in Form eines Kennfelds oder eines analytischen Zusammenhangs in der Speichereinheit 15 abgelegt sein kann. Dies gilt auch für die in den optionalen Schritten S3 und S4 verwendeten Gewichtungsfaktoren G₁ und G₂.
Für den Fall, dass in der Speichereinheit wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge w₁(a_y), w₂(a_y) für die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve 13 abgelegt sind, kann mit Hilfe einer im Kraftfahrzeug 11 verbauten und von einem Bediener – beispielsweise dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 11 – betätigbaren Eingabeeinheit 16, eingestellt werden, welcher der wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge zum Berechnen des momentanen Soll-Wankwinkels (w(a_y)) herangezogen werden soll. Hierzu kann der externe Eingabeparameter E_ext mittels der Eingabeeinheit 16 manipuliert werden. Die Eingabeeinheit 16 kann im einfachsten Fall in der Art eines mechanischen oder elektronischen Wahlschalters ausgebildet sein, aber auch Teil eines Bordcomputers des Kraftfahrzeugs 11 sein, welcher beispielsweise die Anwahl verschiedener Fahrprogramme gestattet.
Das Kraftfahrzeug 11 umfasst nun wie in 2 gezeigt ein von dem Steuergerät 10 ansteuerbares Fahrwerksystem 18, das beispielsweise in der Art eines elektrohydraulisch aktiven Fahrwerks ausgebildet sein kann. Das Fahrwerksystem 18 umfasst vier als höhenverstellbare Federbeine ausgebildete Aktoren 19, wobei jedem Rad 20 des Kraftfahrzeugs ein solcher Aktor 19 zugeordnet ist. Durch ein individuelles Einstellen der Stellhöhe der Aktoren 19 kann der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Soll-Wankwinkel w eingestellt werden.
Alternativ zum vorangehend beschriebenen elektro-hydraulischen Fahrwerksystem 18 kann auch ein luftfeder-basiertes Fahrwerk mit geschlossener Druckversorgung verwendet werden. In einem solchen luftfeder-basierten Fahrwerk wird zum Verstellen der Federbeine die Luft in einem geschlossenen Kreislauf von einem Luftspeicher in die Luftfeder und umgekehrt gepumpt, was ein sehr schnelles Ein- und Ausfahren der Federbeine zum Einstellen des Soll-Wankwinkels im Fahrwerk des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046317 A1 [0003]
DE 102006018978 A1 [0004]
DE 102012024989 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels (w) eines Kraftfahrzeugs (11) beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts (12), umfassend die folgenden Schritte: S1) Bestimmen einer momentanen Querbeschleunigung (a_y) des Kraftfahrzeugs (11), S2) Berechnen eines momentanen Soll-Wankwinkels (w) aus der momentanen Querbeschleunigung (a_y) mittels wenigstens eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y), wobei der wenigstens eine vorbestimmte funktionale Zusammenhang w(a_y) in einem Wankwinkel-Querbeschleunigungsdiagramm die Gestalt einer nichtlinearen Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve (13) aufweist, wobei diese Kurve (13) ausgehend von einem Nullwert bei einem vorbestimmten ersten Wert (a_y ¹) der Querbeschleunigung (a_y) ein lokales Maximum (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt S3 aufweist: S3) Berechnen eines modifizierten momentanen Soll-Wankwinkels w_G1 durch Gewichtung des in Schritt S2 berechneten Soll-Wankwinkels (w) mit einem geschwindigkeitsabhängigen ersten Gewichtungsfaktor (G₁).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens zwei verschiedene vorbestimmte funktionale Zusammenhänge vorgesehen sind, – mittels eines vorbestimmten externen Eingabeparameters E_ext festgelegt ist, welcher der wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge zum Berechnen des momentanen Soll-Wankwinkels (w) in Schritt S2 herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt S4) aufweist: S4) Berechnen eines zweifach-modifizierten momentanen Soll-Wankwinkels w_G2 durch Gewichtung des in Schritt S3 berechneten modifizierten Soll-Wankwinkels (w_G1) mit einem zweiten Gewichtungsfaktor (G₂), wobei der zweite Gewichtungsfaktor (G₂) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs (10) festgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve (13) für Werte der Querbeschleunigung (a_y) zwischen Null und dem ersten Wert (a_y ¹) monoton, insbesondere streng monoton, zunimmt, oder/und dass – die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve (13) bei einem vorbestimmten zweiten Wert (a_y ²) der Querbeschleunigung (a_y), der größer ist als der erste Wert (a_y ¹), ein lokales Minimum (15) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Wankwinkel-Querbeschleunigungskurve (13) für Werte der Querbeschleunigung (a_y) zwischen dem ersten und dem zweiten Wert (a_y ¹, a_y ²) monoton, insbesondere streng monoton, abnimmt.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Soll-Wankwinkels (w) eines Kraftfahrzeugs (11) beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts (12), insbesondere unter Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einem Steuergerät (10), – mit einer mit dem Steuergerät (10) zur Übermittlung von Sensor-Ausgangsdaten in Kommunikationsverbindung stehenden Sensorik (2), – wobei das Steuergerät (10) mittels der Sensor-Ausgangsdaten der Sensorik (2) eine momentane Querbeschleunigung (a_y) des Kraftfahrzeugs bestimmt und daraus mittels wenigstens eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs w(a_y) einen momentanen Soll-Wankwinkel (w) berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das Steuergerät (10) eine Speichereinheit (15) umfasst, in welchem der wenigstens zwei eine funktionale Zusammenhänge abgelegt ist, – eine Eingabeeinheit (16) vorgesehen ist, mittels welchem von einem Bediener ein externer Eingabeparameter (E_Ext) einstellbar ist, mittels welchem festgelegt ist, welcher der wenigstens zwei funktionale Zusammenhänge zum Berechnen des momentanen Soll-Wankwinkels (w) herangezogen wird.
Kraftfahrzeug (11), – mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, – mit einem von dem Steuergerät (10) ansteuerbaren Fahrwerksystem (18), mittels welcher der von dem Steuergerät (12) bestimmte Soll-Wankwinkel an dem Kraftfahrzeug (10) einstellbar ist.