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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Reibwerts von wenigstens einem Rad eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, das zumindest zwei Radachsen mit jeweils wenigstens zwei Rädern aufweist, wobei an zumindest einer der Radachsen ein Lenkwinkel einstellbar ist.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die Kenntnis über einen aktuellen Reibwert zwischen einem oder mehreren Rädern eines Fahrzeugs und der Fahrbahn verbessert die Steuerung/Regelung von Fahrerassistenzsystemen des Kraftfahrzeugs. Jedoch lässt sich der aktuell verfügbare Reibwert zwischen Rad und Straße nur dann exakt bestimmen, wenn dieser auch vollständig genutzt wird, wie beispielsweise in dem Fall, wenn ein Fahrdynamiksystem des Kraftfahrzeugs in einen Bremsvorgang eingreift, beispielsweise wenn ein ABS-System (ABS = Antiblockiersystem) einen Bremseingriff unterbricht oder eine Bremskraft reduziert, um ein Blockieren von Rädern des Kraftfahrzeugs zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet den Vorteil, dass der Reibwert unabhängig von Regeleingriffen eines Fahrdynamiksystems, insbesondere eines Bremssystems, exakt bestimmt wird, ohne dass dabei das Fahrzeug in seinem Betrieb eingeschränkt wird.
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Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass an zumindest einem der Räder bei gleichbleibendem Lenkwinkel ein Schräglaufwinkel derart eingestellt wird, dass eine auf das Fahrzeug wirkende Bremskraft erzeugt wird, wobei in Abhängigkeit der erzeugten Bremskraft der Reibwert des Rades bestimmt wird. Es ist also vorgesehen, dass an zumindest einem der Räder ein Schräglaufwinkel eingestellt wird. Hierunter ist ein Verschwenken des Rades aus einer Normalposition in eine um den Schräglaufwinkel verschwenkte Position zu verstehen. Bei der normalen oder Ausgangsposition kann es sich bereits um eine Position handeln, bei welcher das Rad einen Schräglaufwinkel zur Fahrtrichtung aufweist, wie es beispielsweise bei Rädern einer Radachse der Fall ist, die einen Vorspurwinkel aufweist. Durch das weitere Verschwenken des wenigstens einen Rades wird eine Reibung zwischen Rad und Fahrbahn vergrößert oder eingestellt, die sich auf das Rad und/oder das Kraftfahrzeug verzögernd auswirkt. Die Bremskraft ist dabei abhängig von dem aktuellen Reibwert zwischen Rad und Fahrbahn. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, in Abhängigkeit der erzeugten Bremskraft den Reibwert des Rades beziehungsweise den Reibwert zwischen diesem Rad und der Fahrbahn zu bestimmen, wobei stets die Fahrbahnbeschaffenheit automatisch mitberücksichtigt wird. Zweckmäßigerweise wird der Schräglaufwinkel derart eingestellt, dass die dadurch entstehende Bremskraft sich möglichst gering oder gar nicht auf den Fahrzeugbetrieb auswirkt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Reibwert in Abhängigkeit von einer Reifenkennlinie des Rades bestimmt wird. In Abhängigkeit der Kenntnis der aktuellen Bremskraft an dem untersuchten Rad sowie der Reifenkennlinie lässt sich der aktuelle Reibwert schnell und exakt bestimmen. Die Reifenkennlinie kann berechnet oder in vorherigen Versuchen ermittelt und dann in einem nicht-flüchtigen Speicher zur späteren Verwendung hinterlegt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bremskraft in Abhängigkeit von einer auf das Rad wirkenden Seitenkraft ermittelt wird. Die Seitenkraft wird dabei beispielsweise durch Sensoren an der Radaufhängung überwacht oder gemessen, wodurch eine direkte Bestimmung der Bremskraft und damit des Reibwertes möglich ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Bremskraft in Abhängigkeit von einer Fahrzeugverzögerung und einer Fahrzeugmasse ermittelt wird. Durch die durch den Schräglaufwinkel erzeugte Bremskraft wird das Fahrzeug gebremst und somit eine Fahrzeugverzögerung eingestellt. Diese Fahrzeugverzögerung kann beispielsweise durch einen oder mehrere Beschleunigungssensoren erfasst werden. Bei bekannter Fahrzeugmasse lässt sich dann die Bremskraft auf einfache Art und Weise bestimmen. Wie zuvor bereits erwähnt, wird das Verfahren zweckmäßigerweise dann durchgeführt, wenn ein Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs beibehalten wird, während der Bestimmung des Reibwerts also die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs/Fahrzeugs nicht beeinflusst wird. Dies wird insbesondere mittels eines oder mehrerer weiterer Beschleunigungssensoren festgestellt, die auf das Kraftfahrzeug wirkende Querkräfte überwachen. Wird festgestellt, dass auf das Kraftfahrzeug oder Fahrzeug keine Querkraft wirkt, so wird das Verfahren durchgeführt, weil davon ausgegangen werden kann, dass das Fahrzeug sich in einer normalen Geradeausfahrt befindet, in welcher das Einstellen eines Schräglaufwinkels an zumindest einem der Räder ungefährlich für den Fahrbetrieb ist. Alternativ kann das Verfahren bei einer Kurvenfahrt mit konstantem Lenkwinkel durchgeführt werden, weil in diesem Fall dann die Fahrdynamik allein durch das Einstellen des Schräglaufwinkels beeinflusst und entsprechend durch das zuvor beschriebene Verfahren ausgewertet werden kann.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bremskraft im rollenden Zustand des Fahrzeugs ermittelt wird. Im rollenden Zustand wird das Fahrzeug weder beschleunigt noch verzögert, abgesehen von der Verzögerung, die durch den Schräglaufwinkel bewirkt wird. Im rollenden Zustand wird das Fahrzeug durch eine Antriebsvorrichtung nicht angetrieben und auch nicht durch eine Bremseinrichtung gebremst beziehungsweise verzögert. In dem rollenden Zustand ist gewährleistet, dass der Schräglaufwinkel die einzige auf das Fahrzeug wirkende Bremskraft erzeugt, die insofern dann besonders leicht ausgewertet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass die durch den Schräglaufwinkel eingestellte Bremskraft durch ein Antriebsdrehmoment kompensiert wird. Hierbei ist also vorgesehen, dass sobald eine Bremskraft auftritt, die durch das Einstellen des Schräglaufwinkels erzeugt wurde, die auf das Kraftfahrzeug/Fahrzeug wirkende Bremskraft durch das Einstellen des Antriebsdrehmoments kompensiert wird, sodass das Fahrzeug letztendlich nicht oder nicht spürbar für den Fahrer oder weitere Insassen des Fahrzeugs verzögert. Dadurch kann das Verfahren jederzeit durchgeführt werden, ohne zu Komforteinbußen zu führen. Das Antriebsdrehmoment wird insbesondere verbrennungsmotorisch oder elektromotorisch eingestellt, wobei die elektromotorische Einstellung eine hohe Dynamik, auch damit eine schnelle Kompensation der Bremskraft erlaubt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an zwei der Räder einer Radachse der Schräglaufwinkel in entgegengesetzte Richtungen eingestellt wird. Dadurch wird einerseits die Verzögerung des Fahrzeugs erhöht und andererseits vermieden, dass das Einstellen eines einzelnen Schräglaufwinkels oder zweier Schräglaufwinkel, die in die gleiche Richtung weisen, das Kraftfahrzeug in eine Kurvenfahrt geleitet wird. Durch das insbesondere spiegelsymmetrische Einstellen der Schräglaufwinkel an der Radachse werden gleich große Seitenkräfte erzeugt, die auf das jeweilige Rad wirken, sodass Fahrzeug keine Querkraft erfährt, wodurch ein stabiler Fahrbetrieb bei der Durchführung des Verfahrens gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Radachse mit dem einstellbaren Lenkwinkel eine Vorderradachse ist, und dass der Schräglaufwinkel an zumindest einem Rad einer Hinterradachse eingestellt wird. Insbesondere werden die Schräglaufwinkel der beiden Räder der Hinterradachse spiegelsymmetrisch, wie zuvor beschrieben, eingestellt. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile. Alternativ ist es selbstverständlich auch denkbar, das Verfahren bei einem Fahrzeug durchzuführen, das eine lenkbare Hinterradachse und eine im Wesentliche starre Vorderradachse aufweist, bei welcher lediglich die Schräglaufwinkel wie gewünscht einstellbar sind. Das Verfahren setzt voraus, dass ein oder beide Räder der Hinterradachse beziehungsweise der einen Radachse zum Einstellen des Schräglaufwinkels verschwenkt werden können. Dies ist beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit aktiver Hinterradachslenkung oder Hinterradachslenkunterstützung ohne großen Mehraufwand möglich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, das bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Draufsicht,
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2 beispielhafte Reifenkennlinien und
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3 eine vereinfachte Detailansicht einer Hinterradachse des Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht ein Kraftfahrzeug 1, das eine hier nicht näher dargestellte Antriebseinrichtung sowie eine Bremseinrichtung aufweist. Das Kraftfahrzeug 1 weist außerdem eine Vorderradachse 2 mit zwei Rädern 3 und 4, sowie eine Hinterradachse 5 mit ebenfalls zwei Rädern 6 und 7 auf. Die Vorderradachse ist lenkbar ausgebildet, sodass die Räder 3 und 4 zum Einstellen eines Lenkwinkels α in die gleiche Richtung verschwenkbar sind, wie durch gestrichelte Räder 3 und 4 angedeutet.
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Die Hinterradachse 5 ist als im Wesentliche starre Hinterradachse ausgebildet, wobei die Räder 6, 7 zur Unterstützung eines Lenkwinkels ebenfalls verschwenkbar sind. Das Kraftfahrzeug 1 weist weiterhin eine Vorrichtung 8 zum Bestimmen eines Reibwerts von einem der Räder des Kraftfahrzeugs 1 aus. Die Vorrichtung 8 weist ein Steuergerät 9 auf, das mit zwei Aktuatoren 10, 11 verbunden ist, die dazu ausgebildet sind, die Räder 6, 7 der Hinterradachse zu verschwenken. Jedem der Räder 6, 7 ist dabei einer der Aktuatoren 10, 11 zugeordnet. Die Aktuatoren 10, 11 sind insbesondere elektromechanisch, elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatisch arbeitend ausgebildet. Weiterhin ist das Steuergerät 9 mit einem nicht flüchtigen Speicher 12 verbunden, oder weist den nicht flüchtigen Speicher 12 auf. Außerdem ist das Steuergerät 9 mit einem Beschleunigungssensor 13 und/oder mit Seitenkraftsensoren 14, 15, die jeweils einem der Räder 6, 7 zugeordnet sind, verbunden.
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Der Beschleunigungssensor 13 ist dazu ausgebildet, eine Verzögerung oder Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 in Längsrichtung und/oder Querrichtung zu erfassen. Die Seitenkraftsensoren 14, 15 überwachen jeweils eine auf das Rad 6 beziehungsweise 7 wirkende Seitenkraft.
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Eine durch die Räder 3, 4, 6, 7 auf die Fahrbahn ausgeübte Bremskraft oder Antriebskraft, sowie Seitenführungskräfte der Räder 2, 3, 5, 6 sind abhängig von dem zwischen den Rädern 2, 3, 5, 6 und der Fahrbahn wirkenden Reibwert. Dieser ergibt sich aus der Fahrbahnbeschaffenheit sowie einer Reifenkennlinie der Räder 2, 3, 5, 6.
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2 zeigt beispielhaft die Reifenkennlinie des Rades 7. Dazu sind über einen Schräglaufwinkel β des Rades 7 mehrere Kennlinien K1, K2, K3, K4 und K5 aufgetragen, welche eine auf das Rad 7 übertragbare Seitenkraft in Abhängigkeit von einer Radlast anzeigen. Dabei entspricht jede der Kennlinien K1 bis K5 einer anderen Radlast. Es ist dabei ersichtlich, dass die übertragbare Seitenkraft FS von der Radlast und damit von der Fahrzeugmasse sowie von dem eingestellten Schräglaufwinkel β abhängig ist.
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In Kenntnis der Reifenkennlinie des Fahrzeugs lässt sich der Reibwert zwischen dem Rad 7 und der Fahrbahn auf einfache Art und Weise bestimmen.
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Wie in 3 gezeigt, die eine Draufsicht auf die Hinterradachse 5 des Kraftfahrzeugs 1 zeigt, werden dazu zunächst die Räder 6, 7 um einen Schräglaufwinkel β6 beziehungsweise β7 spielsymmetrisch zueinander verstellt, sodass eine aufgrund der Schrägstellung der Räder 6, 7 auf das Kraftfahrzeug wirkende Querkraft gleich null ist. Mit anderen Worten erfährt das Kraftfahrzeug 1 keine Querkraft aufgrund der symmetrischen Verstellung der Schräglaufwinkel, weil die auf das Kraftfahrzeug 1 wirkenden Querkräfte sich gegenseitig kompensieren. Dies setzt voraus, dass die Fahrbahn unter den beiden Rädern 6, 7 die gleiche Beschaffenheit aufweist. Wird bei dem Verstellen der Schräglaufwinkel β mittels des Beschleunigungssensors 13 erkannt, dass dennoch eine Querkraft auf das Kraftfahrzeug 1 ausgeübt wird, wird das Verfahren entweder abgebrochen oder die Schräglaufwinkel β werden derart angepasst, dass die resultierende Querkraft, die auf das Kraftfahrzeug 1 wirkt, bis auf null verringert wird. Dazu werden einer oder beide Schräglaufwinkel β6, β7 variiert, bis die resultierende Querkraft gleich null ist.
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Wenn die aktuelle Fahrzeugmasse bekannt ist, wird mithilfe der Reifenkennlinie, die zuvor in dem nicht flüchtigen Speicher 12 hinterlegt wurde, der Reibwert wie folgt bestimmt:
Für Seitenkraft FS gilt: FS = CS(µ)β, wobei CS(µ) die Reifenkennlinie CS ist, deren Verlauf reibwertabhängig ist. Mit CS(µ) wird somit eine auf das Rad 7 wirkenden Bremskraft FB bestimmt. Geometrisch lässt sich die Bremskraft bei kleinen Winkeln wie folgt berechnen: FB= –FSsin(α) = –FSα.
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Somit gilt für die, durch den an den beiden Rädern 6 und 7 eingestellten Schräglaufwinkel β6, β7 aufgebrachte Bremskraft FB,Gesamt: FB,Gesamt = 2FB = –2CS(µ)α2.
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Dies gilt dann, wenn die Schräglaufwinkel β6, β7 den gleichen Wert aufweisen.
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Wird dem Kraftfahrzeug
1 keine zusätzliche Längskraft aufgeprägt, also das Kraftfahrzeug
1 weder beschleunigt noch gebremst, lässt sich die Bremskraft F
B,Gesamt außerdem wie folgt berechnen:
FB,Gesamt = aymFzg, wobei a
y der Fahrzeugbeschleunigung und m
Fzg der Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs
1 entsprechen. Daraus lässt sich für die Reifenkennlinie folgendes berechnen:
FB,Gesamt = –2CS(µ)α2 = aymFzg -
Die Fahrzeugbeschleunig ay in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs 1 wird durch den Beschleunigungssensor 13 erfasst. Die Fahrzeugmasse mFzg ist bekannt oder kann durch geeignete Methoden ermittelt werden. Der Schräglaufwinkel β beziehungsweise β6, β7, wird aufgrund der symmetrischen Einstellung derart eingestellt, dass dadurch auf das Kraftfahrzeug 1 keine Querkräfte wirken. Jedoch entstehen dabei die Bremskräfte, die sich verzögernd auf das Kraftfahrzeug 1 auswirken, wobei diese Verzögerung durch ay mittels des Beschleunigungssensors 13 erfasst wird. Im Folgenden lässt sich in Abhängigkeit der Bremskraft der Räder 6, 7, die durch den jeweiligen Schräglaufwinkel β6, β7, erzeugt wird, der Reibwert zwischen dem jeweiligen Rad 6, 7 und der Fahrbahn, auf welcher das Kraftfahrzeug 1 fährt, bestimmen.
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Das Steuergerät 9, welches die Fahrzeugverzögerung 13 aufgrund der Schrägstellung der Räder 6, 7 ermittelt, steuert bevorzugt bei Auftreten der Bremskraft eine Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs 1 derart an, dass die auf das Kraftfahrzeug 1 ausgeübte Bremskraft kompensiert wird, sodass das Ermitteln des Reibwerts für Insassen des Kraftfahrzeugs 1 keine Komforteinbußen mit sich bringt. Es kann somit ein Bremsmoment durch das Schrägstellen der Räder 6, 7 der Hinterradachse aufgebracht werden, ohne dass dies vom Fahrer oder Insassen negativ als Fahrzeugverzögerung wahrgenommen wird. Weil die Räder 6, 7 außerdem symmetrisch beziehungsweise spiegelsymmetrisch verstellt werden, werden keine Querkräfte erzeugt, sodass auch dies keine weiteren Auswirkungen auf den Komfort mit sich führt.
