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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Kraftfahrzeug, welches mittels der Differenz der Bewegungsgrößen des Fahrzeugs zwischen einem Referenzzustand und einem Zustand, in dem eine vordefinierte Lenkbewegung durchgeführt wurde, eine Seitenkraftschätzung vornimmt und somit auf den Reibwert zwischen Fahrbahn und Reifen schließt.
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Die Eigenschaften des Kontaktes zwischen Fahrbahn und Reifen sind in hohem Maße verantwortlich für das Fahrverhalten eines Fahrzeuges. Als Maßzahl für das Potential der Kraftübertragung zwischen Reifen und Straße ist der Kraftschlussbeiwert definiert. Aufgrund der hohen Bedeutung des Kraftschlusspotentials ist eine möglichst gute Kenntnis für viele Aspekte eines Fahrzeugs hinsichtlich Fahrdynamik und -sicherheit notwendig. Diese Information kann einerseits den Eingriff moderner Fahrdynamikregelsysteme deutlich effizienter gestalten, da diese nicht erst bei Überschreiten des Kraftschlusses eingreifen, sondern diesen Fall tendenziell vermeiden und daher die Fahrsicherheit steigern können. Andererseits ist die Information über den lokalen Fahrbahnreibwert hinsichtlich einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug oder Fahrzeug-zu-Infrastruktur Kommunikation hilfreich, um diese Information auch anderen Fahrzeugen zur Verfügung stellen zu können. Fahrerassistenzsysteme wie Collision Avoidance, Ausweichassistent oder automatische Fahrfunktionen sind dann in der Lage, die mögliche Fahrzeugbewegung abzuschätzen und entsprechend Unfälle zu vermeiden. Da der Reibwertkoeffizient keine direkt messbare Größe darstellt, ist eine Schätzung des Seitenkraftaufbaus im Reifen vorteilhaft zur Ermittlung von Informationen hinsichtlich des Kraftschlusspotentials.
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Der Stand der Technik umfasst Methoden zur Reibwert- und/oder Seitenkraftschätzung, die auf unterschiedlichen Prinzipien und Überlegungen beruhen. Eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Reibwertschätzung ist die Erfassung des Radschlupfes eines oder mehrerer Räder und dessen Vergleich mit gespeicherten Schlupfkennlinien (
DE 37 05 983 A1 ). Häufig wird eine Reibwertinformation basierend auf diesem Prinzip aus einem ABS-Regelzyklus ermittelt. Alternativ oder ergänzend werden zur Reibwertschätzung auch einzelne Räder während der Geradeausfahrt abgebremst (
WO 91/15386 ). Andere Verfahren messen die Querbeschleunigung und/oder die Gierrate eines Fahrzeuges während der Kurvenfahrt und vergleichen diese mit den anhand eines Referenzmodells ermittelten Werten und ziehen auf diese Weise Rückschlüsse auf den Fahrbahnreibwert (
EP 1 201 522 A1 ,
DE 10 2007 039 176 B4 ). Weitere Verfahren stützen sich auf die Messung der Seitenkraft oder des Reifenrückstellmomentes an einem oder mehreren unter Vorspur laufenden Fahrzeugrädern, so in
DE 36 33 153 A1 und
DE 10 2004 044 095 A1 . Basierend auf diesem Prinzip werden in
DE 40 26 625 A1 und
WO 00/75618 A1 eines oder mehrere Fahrzeugräder mittels einer vordefinierten Prozedur über eine aktive Spurverstellung an der Vorder- oder Hinterachse eingelenkt und anschließend wieder in ihre Ausgangsstellung gebracht. Auch hierbei erfolgt die Messung von Seitenkräften oder Rückstellmomenten direkt mittels einer entsprechenden Sensorik.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Methoden weisen individuelle Nachteile auf. Bei den meisten Systemen, die auf der Überwachung des Radschlupfes beruhen, muss der maximale Kraftschlussbeiwert zum Erhalt von aussagekräftigen Informationen überschritten werden. Ein solcher Zustand stellt in der Regel eine Gefährdung der Fahrstabilität dar. Problematisch an dem Vergleich gemessener Fahrzustandskennwerte mit online aus einem Modell ermittelten Werten ist, dass der Reibwert nicht während der Geradeausfahrt ermittelt werden kann, was für die Steigerung der Fahrsicherheit vorteilhaft wäre. Die Nachteile der Methoden, die auf der direkten Messung verschiedener Kräfte im Bereich der Radaufhängung oder des Reifens beruhen, liegen in der Notwendigkeit zusätzlicher Sensoren. Zudem ist die direkte Messung der Seitenkräfte über entsprechende Sensorik schwierig, ebenso wie eine exakte Bestimmung der Reifenrückstellmomente aus den gemessenen Werten. Weitere Verfahren, die eine solche Messung über in den Reifen selbst eingebrachte Sensoren durchführen, sind in ihrer Ausführung sehr kostenintensiv. Es ist kein einfaches und trotzdem zuverlässiges Verfahren zur radindividuellen Schätzung des Reibwerts außerhalb des fahrdynamischen Grenzbereichs bekannt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil einer kostengünstigen und zudem genauen Schätzung des Reibwerts, ohne eine Beeinflussung des Fahrverhaltens oder des Fahrkomforts in Kauf zu nehmen.
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Das Verfahren beinhaltet eine vordefinierte Lenkbewegung einer beliebigen Fahrzeugachse sowie die darauf basierende Auswertung. Zu Beginn des Verfahrens muss sich das Fahrzeug in einer Geradeausfahrt befinden. Der längsdynamische Zustand zu diesem Zeitpunkt kann eine Konstantfahrt, eine Beschleunigungs- oder Verzögerungsphase sein.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Ermittlung von Informationen über den Fahrbahnzustand durch die Betrachtung der Kräfte an einem unter Schräglauf laufenden Rad möglich. Um die Problematik zu umgehen, Kraftgrößen im Bereich der Radaufhängung, Lenkung oder eines Reifens direkt messen zu müssen, bietet sich eine Betrachtung der Fahrzustandsgrößen wie Querbeschleunigung oder Gierrate des Fahrzeugs an, da viele Fahrzeuge bereits über eine entsprechende Sensorik verfügen. In dem Verfahren wird ein Zustand herbeigeführt, in dem sich zwei Räder einer Achse im Schräglauf befinden. Bei Beginn des Verfahrens werden die betrachteten Räder je nach Fahrsituation zunächst in die Geradeausstellung gebracht. Die zu diesem Zeitpunkt ermittelten Daten für die Fahrzeugbewegung definieren den Referenzzustand.
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Besonders vorteilhaft ist eine gegensinnige Lenkbewegung der Räder einer Achse, durch welche die Geradeausfahrt des Fahrzeugs nicht beeinflusst wird. Die Realisierung einer solchen Lenkbewegung ist beispielsweise mit aktiven Spurverstellungsmechanismen oder mit einzelradgelenkten Steer-by-Wire Systemen möglich. Nach der dargestellten Geradeausfahrt wird in dieser Ausführung der Erfindung eine gegensinnige Lenkbewegung beider Räder vorgenommen und es erfolgt eine erneute Auswertung zum Zeitpunkt, zu dem alle Einschwingvorgänge der Lenkbewegung abgeklungen sind. Aus der Differenz der zu beiden Zeitpunkten ermittelten Daten kann der durch die Seitenkraft hervorgerufene Anteil an der Fahrzeugverzögerung errechnet werden.
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Der Erfindung liegt darüber hinaus die Idee zu Grunde, dass der Schräglaufwinkel an einem gelenkten Rad während der Geradeausfahrt dem entsprechenden, messbaren Lenkwinkel entspricht. Ein unter Schräglauf befindliches Rad baut eine Seitenkraft auf, die orthogonal zur Radmittelebene gerichtet ist. Da der Lenkwinkel dem Schräglaufwinkel entspricht, kann der in Richtung der Fahrzeuglängsbewegung gerichtete Anteil der Seitenkraft ermittelt werden. Die Summation dieser temporär herbeigeführten Seitenkraftanteile über alle gelenkten Fahrzeugräder ergibt eine das Fahrzeug in Längsrichtung verzögernden Zusatzkraft. Die dadurch entstehende Longitudinalverzögerung des Fahrzeugs ist über eine entsprechende Sensorik, mit der ein Großteil der aktuellen Fahrzeuge serienmäßig ausgestattet ist, wie z. B. Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensoren, messbar. Die Betrachtung dieses Kraftanteils ermöglicht eine einfache Schätzung der kombinierten Seitenkraft einer gelenkten Achse. Der durch die Drehung des Rades variable Anteil der Rollwiderstandskräfte an der Längsbeschleunigung könnte zusätzlich berücksichtigt werden, wird aber in einer besonders vorteilhaften Ausführung aufgrund der im Vergleich zum seitenkraftbasierten Anteil sehr geringen Höhe vernachlässigt.
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Folgende Gleichung beschreibt beispielhaft das Kräftegleichgewicht in Richtung der Fahrzeuglängsachse der relativ zum Referenzzustand auftretenden Größen: FS,links·sin(δlinks) + FS,rechts·sin(δrechts) = ax,zus·mFzg
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Dabei beschreiben FS.i die durch die temporären Lenkwinkeländerungen auftretenden Seitenkräfte, δi die Lenkwinkel, mFzg die Fahrzeugmasse sowie ax,zus die durch das Verfahren hervorgerufene Longitudinalbeschleunigung.
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Das Momentengleichgewicht um die Fahrzeughochachse im Schwerpunkt für eine lenkbare Vorderachse kann wie folgt beschrieben werden: FS,rechts·(sin(δrechts)·0.5·Svorne – cos(δrechts)·lvorne) – FS,links
·(sin(δlinks)·0.5·Svorne – cos(δlinks)·lvorne) = Ψ ..·JFzg
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Dabei beschreibt svorne die vordere Spurweite, lvorne den vorderen Schwerpunktsabstand, JFzg das Gierträgheitsmoment des Fahrzeugs und Ψ .. die durch das Verfahren hervorgerufene Gierbeschleunigung.
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Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft dieses Verfahrens ist die radindividuelle Ermittlung der Seitenkraft. Bei einer Fahrbahn, die für beide Fahrzeugseiten unterschiedliche Kraftschlussbeiwerte bietet (z. B. Laub, Eis oder Schnee am Fahrbahnrand), entsteht bei einer gegensinnigen Lenkbewegung mit betragsmäßig identischen Lenkwinkeln dennoch ein Giermoment um die Fahrzeughochachse, das zu einer Gierbeschleunigung führt. Deren Berücksichtigung ermöglicht eine Schätzung der Seitenkraftdifferenz zwischen den gelenkten Rädern, während die auftretende Longitudinalbeschleunigung Rückschlüsse auf den Absolutwert der mittleren Seitenkraft zulässt. Die Gierbewegung ist mit entsprechender Sensorik, wie z. B. dem Gierratensensor, messbar.
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Alternativ zur Geradeausfahrt ist auch eine Durchführung des Verfahrens während einer Kurvenfahrt denkbar. In diesem Fall wird der durch den Fahrer an den Vorderrädern eingestellte Lenkwinkel, der den Referenzzustand darstellt, durch einen zusätzlichen Lenkwinkel überlagert. Erfolgt diese Bewegung gegensinnig, so kann die Seitenkraftänderung zum Referenzzustand über die bekannten Gleichungen ermittelt werden, während Gierrate, Schwimmwinkel und Kurvenradius konstant bleiben. Um das Erkennen einer Reibwertdifferenz zwischen linker und rechter Fahrzeugseite zu gewährleisten, muss in diesem Fall eine Radlastschätzung vorgenommen werden, da die Schräglaufsteifigkeit eines Reifens neben der Abhängigkeit vom Reibwert auch eine Abhängigkeit von der Radlast aufweist.
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Neben der dargestellten Variante des Verfahrens ist auch denkbar, die Lenkbewegung auf lediglich ein Rad zu beschränken. Die Ermittlung der Seitenkraftinformationen erfolgt in diesem Fall auf dieselbe Art und Weise wie dies bei der zwei Räder umfassenden Lenkbewegung der Fall ist. Die Kräftebilanz muss allerdings um eine im Fahrzeugschwerpunkt resultierende Seitenkraft sowie um an der Hinterachse angreifende Seitenkräfte ergänzt werden. Zudem ist in diesem Fall eine Information über den sich einstellenden Schwimmwinkel des Fahrzeugs notwendig, um Ergebnisse in hinreichender Güte zu erhalten.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden sowohl die entstehende Longitudinalkraft als auch das entstehende Giermoment durch eine entsprechende Regelung kompensiert und somit Einbußen in Fahrsicherheit und -komfort vermieden. Im Idealfall erfährt der Fahrer keinerlei durch das Verfahren verursachte Beschleunigung. Eine kompensatorische Regelung der Longitudinalkraft wird über das Antriebsmoment ermöglicht und kann durch eine Steuerung des selbigen in ihrem Ansprechverhalten verbessert werden. Der zu Beginn des Verfahrens vorherrschende längsdynamische Zustand des Fahrzeugs (Konstantfahrt, Beschleunigung, Abbremsung) wird somit konstant gehalten. Analog kann die Gierbewegung über Aufprägung eines entgegen gerichteten Giermoments ausgeglichen werden. Dazu wird beispielsweise der Lenkwinkel des Rades auf dem höheren Reibwertniveau verringert. Alternativ oder ergänzend kann das Giermoment über eine auf beide Fahrzeugseiten unterschiedliche Antriebsmomentenverteilung aufgeprägt werden. Werden die Auswirkungen des Verfahrens auf das Fahrzeug wie beschrieben kompensiert, so müssen zur Abschätzung der Seitenkraft die Regelgrößen herangezogen werden.
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Basierend auf dem Grundgedanken, dass der am Rad vorliegende Schräglaufwinkel während der Geradeausfahrt dem Lenkwinkel entspricht, kann alternativ oder ergänzend eine Schätzung der Seitenkraft in einer vorteilhaften Ausführung zu einer Schätzung des vorliegenden Reibwerts genutzt werden. Dazu wird die ermittelte Schräglaufsteifigkeitskennlinie in Verbindung mit einer gemessenen Radlast mit einem für verschiedene Fahrzeugreifen charakteristischen Verlauf in Abhängigkeit der unterschiedlichen Reibwertbereiche abgeglichen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch den exemplarischen Verlauf des betragsmäßigen Radlenkwinkels über der Zeit an einem durch das Verfahren gelenkten Rad;
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2 schematisch die Kräfte- und Momentenbilanz der zur verfahrensgemäßen Seitenkraftschätzung relevanten Größen an einem vorderachsgelenkten Fahrzeug, an dem exemplarisch eine gegensinnige Lenkwinkelbewegung aufgetragen ist.
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In 1 ist schematisch ein möglicher Radlenkwinkelverlauf (5) dargestellt, der aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert und sich aus dem Ursprungslenkwinkel (3) und dem aktiv überlagerten Lenkwinkelverlauf (4) zusammensetzt. In diesem exemplarischen Verlauf wird das Rad zunächst in Geradeausstellung gebracht und der Zustand der Fahrzeugbewegung zu diesem Zeitpunkt (1) wird als Referenzzustand definiert. Anschließend erfolgt eine Lenkbewegung des Rades bis zu einem Maximallenkwinkel. Sobald alle Einschwingvorgänge der Bewegungsgrößen abgeschlossen sind, werden die Bewegungsgrößen des Fahrzeugs zu diesem Zeitpunkt (2) ebenfalls ermittelt und zur Seitenkraftschätzung herangezogen.
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2 zeigt schematisch eine Kräfte- und Momentenbilanz der für die Seitenkraftschätzung relevanten Größen an einem Fahrzeug (111). An diesem Fahrzeug sind exemplarisch die Vorderräder gegensinnig um einen betragsmäßig identischen Lenkwinkel (101) eingelenkt. An einem gelenkten Rad (102) entsteht somit eine Seitenkraft (104) im Reifenlatsch, die orthogonal zur Radmittelebene (103) gerichtet ist. Unter Berücksichtigung der Lenkwinkel ergeben sich somit die in Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Anteile (105) und (106) der an den gelenkten Rädern hervorgerufenen Seitenkräfte, die in Summe eine Longitudinalkraft im Fahrzeugschwerpunkt bewirken. Sind die entstehenden Seitenkräfte unterschiedlich groß, z. B. aufgrund eines unterschiedlichen Fahrbahnreibwertes an den betreffenden Rädern, so entsteht ein Giermoment (108) im Fahrzeugschwerpunkt. Werden entsprechende Regelsysteme genutzt, können die durch die Seitenkräfte hervorgerufenen Auswirkungen auf die Fahrzeugbewegung durch eine kompensierende Kraft (109) und ein kompensierendes Moment (110) ausgeglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zeitpunkt der Datenermittlung des Referenzzustandes
- 2
- Zeitpunkt der Datenermittlung des gelenkten Zustands
- 3
- Ursprungslenkwinkel des Fahrzeugs
- 4
- aktiv gestellter Zusatzlenkwinkel
- 5
- resultierender Gesamtlenkwinkel
- 101
- Lenkwinkel
- 102
- im Schräglauf befindliches Rad
- 103
- Radmittelebene
- 104
- Seitenkraft am Rad
- 105
- resultierender Anteil der Seitenkraft am linken Rad, in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs
- 106
- resultierender Anteil der Seitenkraft am rechten Rad, in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs
- 107
- durch die Seitenkräfte resultierende Longitudinalkraft im Fahrzeugschwerpunkt
- 108
- Giermoment im Fahrzeugschwerpunkt, das sich aus den Seitenkräften ergibt
- 109
- durch Regelung erzeugte, kompensierende Antriebskraft
- 110
- durch Regelung erzeugtes, kompensierendes Giermoment
- 111
- Fahrzeugkontur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3705983 A1 [0003]
- WO 91/15386 [0003]
- EP 1201522 A1 [0003]
- DE 102007039176 B4 [0003]
- DE 3633153 A1 [0003]
- DE 102004044095 A1 [0003]
- DE 4026625 A1 [0003]
- WO 00/75618 A1 [0003]
