DE102016210373B4

DE102016210373B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Reifennormalkraft

Info

Publication number: DE102016210373B4
Application number: DE102016210373.3A
Authority: DE
Inventors: Shih-Ken Chen; Valery Pylypchuk; Nikolai K. Moshchuk
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2036-06-11
Also published as: US9371073B1; DE102016210373A1; CN106257262A; CN106257262B

Abstract

Vorrichtung umfassend:eine Vielzahl von Reifen;ein Aufhängungssystem, das mit der Vielzahl von Reifen operativ verbunden ist;mindestens einen Aufhängungssensor, der mit dem Aufhängungssystem operativ verbunden ist, und so konfiguriert ist, dass er Aufhängungsdaten (S) bereitstellt;eine Steuereinrichtung, die mit mindestens einem Aufhängungssensor operativ verbunden ist, und einen Prozessor und einen greifbaren, nicht-vorübergehenden Speicher enthält, in dem Anweisungen zur Ausrührung eines Verfahrens zum Bestimmen jeweiliger Reifennormalkräfte (F(t), i=l...n) für einen oder mehrere der Vielzahl von Reifen gespeichert sind, die mindestens teilweise auf den Aufhängungsdaten (S) basieren, wobei die jeweiligen Reifennormalkräfte wirksam sind, um den Betrieb der Vorrichtung mit Rädern anzupassen; undwobei die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor die Steuereinrichtung dazu veranlasst, eine auf einer Vielzahl von vordefinierten Parametern basierende Transformationsmatrix (T) zu bestimmen;wobei die Aufhängungsdaten (S) jeweilige, in Echtzeit auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S(t), i=l...n) für jeden einzelnen der Vielzahl von Reifen beinhalten; unddie Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass jeweilige Reifennormalkräfte (F(t), i=l...n) durch Multiplikation der Aufhängungsdaten (S) mit der Transformationsmatrix (T) bezogen werden, sodass:undwobei die Vielzahl der vordefinierten Parameter Folgendes beinhaltet:einen ersten Abstand (a) von einer Vorderachse der Vorrichtung zu einem Schwerpunkt der Vorrichtung;einen zweiten Abstand (b) von einer Hinterachse der Vorrichtung zum Schwerpunkt der Vorrichtung;wobei die Vielzahl der Reifen zwei seitlich beabstandete Reifen beinhaltet, derart, dass sich die zwei seitlich beabstandeten Reifen beide auf einer aus der Vorderachse und der Hinterachse befinden;eine Spurweite (d) zwischen jeweiliger erster und zweiter Mittellinie der zwei seitlich beabstandeten Reifen;ein Wankträgheitsmoment (I) der Vorrichtung;ein Nickträgheitsmoment (I) der Vorrichtung;eine gefederte Masse (M) der Vorrichtung; undjeweilige Massen (m) jedes einzelnen der Vielzahl von Reifen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Reifennormalkräften in einer Vorrichtung ohne Einsatz von Reifen- oder Radsensoren.
HINTERGRUND
Reifennormalkräfte spielen bei der Dynamik einer Vorrichtung mit Reifen eine bedeutende Rolle. Die Reifennormalkräfte können unter Verwendung eines Reifensensors bestimmt werden.
Aus der DE 100 33 046 A1 ist es beispielsweise bekannt, die Radlast mittels Dehnmesstreifen zu ermitteln. Aus der DE 41 40 270 A ist es bekannt, dass sich die Normalkraft aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammensetzt, wobei letzterer durch die Fahrwerksregelung beeinflussbar ist. Ferner lehrt die WO 03/076228 A1 , aus der Längs- und Querbeschleunigung eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeometrie die Radnormalkräfte zu ermitteln. Gemäß der DE 697 06 222 T2 wird die Normlakraft als statische Konstruktionlast initialisiert und mit herkömmlichen Fahrzeugdynamikgleichungen aufgefrischt. Ferner geht aus der DE 103 58 335 B3 hervor, neben der Linearbeschleunigung auch Drehraten bei der Bestimmung der Radlast zu berücksichtigen.
Der Erfinung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Reifennormalkräften ohne Einsatz von Reifen- oder Radsensoren, einem Reifenmodell oder Straßeninformationen anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Eine Vorrichtung beinhaltet eine Vielzahl von Reifen und ein Aufhängungssystem. Die Vorrichtung kann ein Fahrzeug, ein Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, Sportausrüstung oder eine andere Art Vorrichtung sein. Das Aufhängungssystem beinhaltet mindestens einen Aufhängungssensor, der so konfiguriert ist, dass er Aufhängungsdaten (S) bereitstellt. Eine Steuereinrichtung ist operativ mit dem Aufhängungssensor verbunden. Die Steuereinrichtung hat einen Prozessor und einen greifbaren, nicht-vorübergehenden Speicher, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung entsprechender Echtzeit-Reifennormalkräfte (z. B. F_zi(t), i=1...4) für einen oder mehrere der Vielzahl von Reifen aufgezeichnet sind, die mindestens teilweise auf den Aufhängungsdaten (S) basieren. Die Reifennormalkraft ist die resultierende Kraft, die in senkrechter Richtung auf jeden einzelnen Reifen (oder Rad, synonym verwendet) wirkt. Die Reifennormalkraft, die auf jeden einzelnen Reifen wirkt, wird bestimmt, ohne dass Reifensensoren, das spezifische Reifenmodell oder Straßeninformationen benötigt werden. Mindestens ein Aufhängungssensor kann einen Dehnungsmessstreifen oder einen Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen beinhalten.
Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor veranlasst die Steuereinrichtung, auf Grundlage einer Vielzahl von vordefinierten Parametern eine Transformationsmatrix (T) zu bestimmen. Die Steuereinrichtung ist derart konfiguriert, dass entsprechende Echtzeit-Reifennormalkräfte (z. B. F_zi(t), i=1...4) durch Multiplikation der Aufhängungsdaten (S) mit der Transformationsmatrix (T) bezogen werden. Die Aufhängungsdaten (S) können entsprechend in Echtzeit auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S_i(t), i=1...4) für jeden einzelnen einer Vielzahl von Reifen beinhalten. Die entsprechenden Reifennormalkräfte sind wirksam, um den Betrieb oder die Steuerung der Vorrichtung anzupassen, d. h. der Betrieb der Vorrichtung kann auf Grundlage der Größe oder des Werts der entsprechenden Reifennormalkräfte angepasst werden.
Die vordefinierten Parameter beinhalten: einen ersten Abstand (a) von einer Vorderachse der Vorrichtung zu einem Schwerpunkt der Vorrichtung; einen zweiten Abstand (b) von einer Hinterachse der Vorrichtung zum Schwerpunkt der Vorrichtung; und eine Spurweite (d) zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Mittellinie zweier seitlich beabstandeter Reifen. Die Vielzahl von Reifen beinhaltet zwei seitlich beabstandete Reifen, derart, dass sich die beiden seitlich beabstandeten Reifen beide auf einem aus Vorderachse und Hinterachse befinden. Die vordefinierten Parameter beinhalten weiterhin: ein Wankträgheitsmoment (I_xx); ein Nickträgheitsmoment (I_yy); eine gefederte Masse (M) der Vorrichtung; und entsprechende Massen (m_i) jedes einzelnen der Vielzahl von Reifen.
Die Transformationsmatrix (T) kann eine erste Zeile beinhalten, die einen ersten, zweiten, dritten und vierten Koeffizienten (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer ersten Masse (m₁) des ersten Reifens, dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Die Transformationsmatrix (T) kann eine zweite Zeile beinhalten, die einen fünften, sechsten, siebten und achten Koeffizienten (T₂₁, T₂₂, T₂₃, T₂₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer zweiten Masse (m₂) des zweiten Reifens, dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Die Transformationsmatrix (T) kann eine dritte Zeile beinhalten, die einen neunten, zehnten, elften und zwölften Koeffizienten (T₃₁, T₃₂, T₃₃, T₃₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer dritten Masse (m₃) eines dritten Reifens, dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Die Transformationsmatrix (T) kann eine vierte Zeile beinhalten, die einen dreizehnten, vierzehnten, fünfzehnten und sechzehnten Koeffizienten (T₄₁, T₄₂, T₄₃, T₄₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer vierten Masse (m₄) eines vierten Reifens, dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Die oben genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Vorteile der vorliegenden Darstellungen gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1 ist eine fragmentarische schematische Darstellung in Draufsicht einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Reifen;
2 ist eine fragmentarische schematische Darstellung in Seitenansicht der Vorrichtung aus 1;
3 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen einer Reifennormalkraft (F_z) für die Vielzahl von Reifen aus 1; und
4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen einer Transformationsmatrix (T), die im Verfahren in 3 eingesetzt werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Figuren, wobei sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Referenznummern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten beziehen, ist 1 eine schematische fragmentarische Draufsicht einer Vorrichtung 10, die eine Vielzahl von Reifen 14 enthält. Die Vorrichtung 10 kann ein Fahrzeug 12 sein. Indes versteht sich, dass die Vorrichtung 10 ein Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, Sportausrüstung oder jede andere Art Gerät sein kann. In den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet die Vielzahl von Reifen 14 jeweils einen ersten, zweiten, dritten und vierten Reifen 16L, 16R, 18L, 18R. Indes versteht sich, dass die Vorrichtung 10 eine beliebige Anzahl an Reifen beinhalten kann.
2 ist eine schematische fragmentarische Seitenansicht der Vorrichtung 10, die den ersten und dritten Reifen 16L, 18L zeigt. Bezugnehmend auf 2 beinhaltet die Vorrichtung 10 ein Aufhängungssystem 20, das operativ mit der Vielzahl von Reifen 14 verbunden ist. Das Aufhängungssystem 20 kann Federn 22, Stoßdämpfer oder Dämpfer 24 und verschiedene andere Komponenten (nicht abgebildet) beinhalten, die operativ mit einem Körper 26 verbunden sind. Das Aufhängungssystem 20 beinhaltet mindestens einen Aufhängungssensor 28 (siehe Sensoren 28A, B, C in 2). Bezugnehmend auf 2 ist eine Steuereinrichtung 30 operativ mit dem Aufhängungssensor 28 und verschiedenen anderen Komponenten der Vorrichtung 10 verbunden.
Bezugnehmend auf 2 hat die Steuereinrichtung 30 einen Prozessor 32 und einen greifbaren, nicht-vorübergehenden Speicher 34, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens 100 aufgezeichnet sind, das entsprechende, mindestens teilweise auf den durch den Aufhängungssensor 28 bezogenen Aufhängungsdaten (S) basierende Echtzeit-Normalkräfte (F_zi(t), i=1...4) für einen oder mehrere der Vielzahl von Reifen 14 bestimmt, und das nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1-3 beschrieben wird. Die Aufhängungsdaten (S) beinhalten entsprechende, in Echtzeit auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S_i(t), i=1...4) für jeden einzelnen der Vielzahl von Reifen 14 an einer Vorrichtung 10 mit 4 Reifen.
Die Reifennormalkraft ist die resultierende Kraft, die in senkrechter Richtung auf jeden einzelnen Reifen (oder Rad, synonym verwendet) wirkt. Bezugnehmend auf 2 werden die jeweiligen Schwerpunkte 40, 42 für den ersten und dritten Reifen 16L, 18L gezeigt. Jeder einzelne der Vielzahl von Reifen 14 hat eine auf ihn wirkende Reifennormal- (F_z) und Aufhängungskraft (S_i). Bezugnehmend auf 2 wirkt eine durch Pfeil 44 dargestellte Reifennormalkraft (F₁) und eine durch Pfeil 46 dargestellte Aufhängungskraft (S₁) auf den ersten Reifen 16L. Bezugnehmend auf 2 wirkt eine durch Pfeil 48 dargestellte Reifennormalkraft (F₃) und eine durch Pfeil 50 dargestellte Aufhängungskraft (S₃) auf den dritten Reifen 18L.
Das Verfahren 100 aus 3 kann in jeder Vorrichtung 10 angewendet werden, die eine Schätzung der Reifennormalkraft (F_z) erfordert. Unter Verwendung des Verfahrens 100 kann die Reifennormalkraft bestimmt werden, ohne, dass Informationen zum Reifenmodell, Straßeninformationen, Rad- oder Reifensensoren benötigt werden. Somit verbessert die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor 32 die Funktion der Vorrichtung 10 durch Ermöglichung einer Echtzeit-Bestimmung von Reifennormalkräften unter Verwendung von Aufhängungssensoren 28, ohne dass Reifen- oder Radsensoren benötigt werden.
Bezugnehmend auf 2 kann der Aufhängungssensor 28 in verschiedenen Positionen angebracht werden, wie durch die Sensoren 28A, 28B und 28C aufgezeigt. Einbauvarianten des Aufhängungssensors 28 können von der Gestaltung der Vorrichtung 10 abhängig sein und betreffen nur den Übergang von gemessenen Signalen zu Aufhängungskräften, siehe Gleichung (1). Die mathematische Struktur der Transformationsmatrix (T) bleibt jedoch unverändert. Bezugnehmend auf 2 kann der Aufhängungssensor 28 einen Dehnungsmessstreifen 52 (wie beispielsweise ein Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen) beinhalten, der operativ mit der Steuereinrichtung 30 verbunden ist. Der Dehnungsmessstreifen 52 ist derart konfiguriert, dass er seinen elektrischen Widerstand mit der Veränderung der Dehnungselemente an der Oberfläche der Einrichtung verändern kann. Veränderungen bei der Dehnung werden durch Aufhängungskräfte verursacht, die unter Anwendung der Gesetze linearer Elastizität im Block der Steuereinrichtung 30 durch Dehnungen identifiziert werden können. Diese Widerstandsveränderung des Dehnungsmessstreifens 52 kann unter Verwendung einer Wheatstone-Brücke 54 nach dem Verständnis eines Durchschnittsfachmanns sein. Die Dehnung kann als die Relativverschiebung des gesamten Aufhängungsteils 20 oder eines lokalen Feder- oder Stoßdämpfersegments oder einer Komponente der Aufhängung definiert werden. Die Steuereinrichtung 30 gehört durch ihre Beziehung der „Dehnung zu Kraft“-Umrechnung zu der Art von Dehnungsdefinition und Sensoreinrichtung; siehe Gleichung (1) unten. Der Dehnungsmessstreifen 52 kann eine durch sowohl Feder als auch Stoßdämpfer zusammen erzeugte kombinierte Kraft (wie durch Sensor 28C gezeigt) bestimmen. Es ist so aufzufassen, dass die Vorrichtung 10 eine Art Aufhängungssensor 28 nach dem Verständnis eines Durchschnittsfachmanns einsetzen kann.
Die Steuereinrichtung 30 kann ein integraler Bestandteil von bzw. ein separates Modul, operativ verbunden mit der Vorrichtung 10 sein. Die Vorrichtung 10 kann verschiedene Formen annehmen und mehrere und/oder alternative Komponenten und Einrichtungen beinhalten. Während in den Figuren eine Beispielvorrichtung 10 gezeigt wird, sollen die dargestellten Komponenten keine Einschränkung darstellen. Tatsächlich können zusätzliche oder alternative Komponenten und/oder Ausführungen verwendet werden.
Nun wird bezugnehmend auf 3 ein Flussdiagramm des Verfahrens 100 gezeigt, das in der Steuereinrichtung 30 aus 1 gespeichert ist und von dieser ausgeführt werden kann. Das Verfahren 100 muss nicht in der bestimmten, hier genannten Reihenfolge angewendet werden. Ferner versteht sich, dass einige Blöcke hinzugefügt oder entfernt werden können. Bezugnehmend auf 3 kann Verfahren 100 mit Block 102 beginnen, wobei die Steuereinrichtung 30 so programmiert ist, dass Aufhängungsdaten (S) über mindestens einen Aufhängungssensor 28 bezogen werden. Die Aufhängungsdaten (S) können entsprechend in Echtzeit auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S_i(t), i=1...4) für jeden einzelnen der Vielzahl von Reifen 14 beinhalten. Der Aufhängungssensor 28 und Aufhängungsdaten (S) können in einem Prüflabor mit einer Reihe an Kalibrierfaktoren kalibriert werden, die weiter unten als [α, β, γ, δ] aufgezeigt werden. In unten stehender Gleichung (1) entspricht S_i der Aufhängungskraft und ε_i entspricht den Messwerten des Aufhängungssensors 28. Die Abhängigkeit für Gleichung (1) kann je nach Typ des Aufhängungssensors 28 linear oder nichtlinear sein. $[\begin{matrix} S_{1} \\ S_{2} \\ S_{3} \\ S_{4} \end{matrix}] = [\begin{matrix} α (ε_{1}) \\ β (ε_{2}) \\ γ (ε_{3}) \\ δ (ε_{4}) \end{matrix}]$
In Block 104 aus 3 ist die Steuereinrichtung 30 so programmiert oder konfiguriert, dass sie, basierend auf einer Vielzahl von vordefinierten Parametern für die Vorrichtung 10, eine Transformationsmatrix (T) bestimmt. Bezugnehmend auf 1 beinhalten die vordefinierten Parameter: einen ersten Abstand 60 (a) von einer Vorderachse 62 der Vorrichtung 10 zu einem Schwerpunkt 64 der Vorrichtung 10; einen zweiten Abstand 66 (b) von einer Hinterachse 68 der Vorrichtung 10 zum Schwerpunkt 64 der Vorrichtung 10; und ein Spurweite 70 (d). Bezugnehmend auf 1 kann die Spurweite 70 (d) oder seitliche Breite Seite-Seite der Vorrichtung 10 definiert werden als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Mittellinie 74L, 74R (oder 76L, 76R) zweier seitlich beabstandeter Reifen 16L, 16R (oder 18L, 18R) der Vielzahl von Reifen 14, derart dass sich die zwei seitlich beabstandete Reifen entweder auf der Vorderachse 62 (erste und zweite Reifens 16L, 16R) oder der Hinterachse 68 (dritte und vierte Reifen 18L, 18R) befinden.
Die vordefinierten Parameter beinhalten weiterhin: ein Wankträgheitsmoment (I_xx); ein Nickträgheitsmoment (I_yy); eine gefederte Masse 72 (M) der Vorrichtung 10 (siehe 2); und jeweilige Massen (m_i) jedes einzelnen der Vielzahl von Reifen 14. Das Trägheitsmoment, auch bekannt als die Massenträgheitsmoment oder Drehträgheit eines starren Körpers, bestimmt das für eine gewünschte Winkelbeschleunigung um die Drehachse erforderliche Drehmoment, wie beispielsweise die y-Achse für die Nickbewegung 78 (θ) (in 2 gezeigte Bewegung der Vorrichtung 10 von vorne nach hinten) oder die x-Achse für die Wankbewegung 80 (φ) (in 2 gezeigte Bewegung der Vorrichtung 10 Seite zu Seite). Das Trägheitsmoment ist abhängig von der Massenverteilung eines Körpers und der gewählten Achse, wobei größere Momente zur Änderung der Rotation des Körpers mehr Drehmoment erfordern.
Die vordefinierten Parameter können in Echtzeit variieren oder für jede einzelne Vorrichtung 10 konstant sein. Beispielsweise können der erste Abstand 60 (a), der zweite Abstand 66 (b) und die Spurweite 70 (d) für die Vorrichtung 10 vorgegebene Konstanten sein. Das Wankträgheitsmoment (I_xx) und das Nickträgheitsmoment (I_yy) können mit jeweiligen Ausgangswerten für eine gegebene Vorrichtung 10 vordefiniert sein und danach in Echtzeit kalibriert werden. Die gefederte Masse 72 (M) und die jeweiligen Massen (m_i) der Reifen können durch einen Ausgangsnennwert vordefiniert sein und danach in Echtzeit kalibriert werden. Ein oder mehrere Massensensoren 86 können eingesetzt werden, um die Ausgangswerte der gefederten Masse 72 (M) und die jeweiligen Massen (m_i) jedes einzelnen Reifens der Vielzahl von Reifen 14 zu kalibrieren oder zu skalieren.
Bezugnehmend auf 2 ist die gefederte Masse 72 (M) in einer Vorrichtung 10 mit einem Aufhängungssystem 20 der Anteil der Gesamtmasse der Vorrichtung 10, der oberhalb des Aufhängungssystems 20 getragen wird. Die gefederte Masse 72 (M) beinhaltet typischerweise den Körper 26 und die inneren Komponenten (nicht abgebildet) der Vorrichtung 10, wie beispielsweise Passagiere, Beförderungsgut usw. Die gefederte Masse 72 (M) beinhaltet nicht die Masse der Komponenten, die unterhalb des Aufhängungssystems 20 aufgehängt sind. Demgegenüber ist die ungefederte Masse die Masse des Aufhängungssystems 20, von Radachsen/Lagern/Radnaben, Reifen und anderen Komponenten, die eher direkt mit dem Aufhängungssystem 20 verbunden sind als durch das Aufhängungssystem 20 getragen werden. Die Vorrichtung 10 kann einen Rollsensor 82 und einen Nicksensor 84 beinhalten.
Wie vorstehend erläutert, ist die Steuereinrichtung 30 in Block 104 der 3 so programmiert oder konfiguriert, dass sie, basierend auf einer Vielzahl von vordefinierten Parametern, eine Transformationsmatrix (T) bestimmt. In einer Vorrichtung 10 mit n Reifen kann die Transformationsmatrix (T) n Zeilen und n Spalten beinhalten. In der gezeigten Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung 10 vier Reifen 16L, 16R, 18L, 18R; somit ist die Transformationsmatrix (T), wie unten stehend in Gleichung (2) gezeigt, eine Vier-mal-vier-Matrix: $[\begin{matrix} T 11 & T 12 & T 13 & T 14 \\ T 21 & T 22 & T 23 & T 24 \\ T 31 & T 32 & T 33 & T 34 \\ T 41 & T 42 & T 43 & T 44 \end{matrix}]$
Die Transformationsmatrix (T) beinhaltet eine erste Zeile, die einen ersten, zweiten, dritten und vierten Koeffizienten (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer ersten Masse (m₁) eines ersten Reifens (wie beispielsweise 16L in 1), dem ersten Abstand 60 (a), dem zweiten Abstand 66 (b), der Spurweite 70 (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren. Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Reifen geändert werden kann. Somit kann jeder aus der Vielzahl von Reifen 14 als „erster Reifen“ bezeichnet werden. Bezugnehmend auf das unten stehende Gleichungssystem (3) können der erste, zweite, dritte und vierte Koeffizient (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) definiert werden als: $\begin{array}{l} T_{11} = 1 + m_{1} * (d^{2} {/I}_{xx} + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M); \\ T_{12} = m_{1} * [- (d^{2} {/I}_{xx}) + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M]; \\ T_{13} = m_{1} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M + (d^{2} {/I}_{xx})]; \\ T_{14} = m_{1} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M - (d^{2} {/I}_{xx})] . \end{array}$
Die Transformationsmatrix (T) beinhaltet eine zweite Zeile, die einen fünften, sechsten, siebten und achten Koeffizienten (T₂₁, T₂₂, T₂₃, T₂₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer zweiten Masse (m₂) eines zweiten Reifens (beispielsweise 16R in 1), dem ersten Abstand 60 (a), dem zweiten Abstand 66 (b), der Spurweite 70(d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren. Bezugnehmend auf das unten stehende Gleichungssystem (4) können der fünfte, sechste, siebte und achte Koeffizient (T₂₁, T₂₂, T₂₃, T₂₄) definiert werden als: $\begin{array}{l} T_{21} = m_{2} * [- (d^{2} {/I}_{xx}) + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M]; \\ T_{22} = 1 + m_{2} * (d^{2} {/I}_{xx} + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M); \\ T_{23} = m_{2} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M - (d^{2} {/I}_{xx})]; \\ T_{24} = m_{2} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M + (d^{2} {/I}_{xx})] . \end{array}$
Die Transformationsmatrix (T) beinhaltet eine dritte Zeile, die einen neunten, zehnten, elften und zwölften Koeffizienten (T₃₁, T₃₂, T₃₃, T₃₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer dritten Masse (m₃) eines dritten Reifens (beispielsweise 18L in 1), dem ersten Abstand 60 (a), dem zweiten Abstand 66 (b), der Spurweite 70 (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren. Bezugnehmend auf das unten stehende Gleichungssystem (5) können der neunte, zehnte, elfte und zwölfte Koeffizient (T₃₁, T₃₂, T₃₃, T₃₄) definiert werden als: $\begin{array}{l} T_{31} = m_{3} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M + d^{2} {/I}_{xx}]; \\ T_{32} = m_{3} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M - d^{2} {/I}_{xx}]; \\ T_{33} = 1 + m_{3} * (b^{2} {/I}_{yy} + 1/M + d^{2} {/I}_{xx}); \\ T_{34} = m_{3} * (b^{2} {/I}_{yy} + 1/M - d^{2} {/I}_{xx}) . \end{array}$
Die Transformationsmatrix (T) beinhaltet eine vierte Zeile, die einen dreizehnten, vierzehnten, fünfzehnten und sechzehnten Koeffizienten (T₄₁, T₄₂, T₄₃, T₄₄) enthält, die mindestens teilweise auf einer vierten Masse (m₄) eines vierten Reifens (beispielsweise 18R in 1), dem ersten Abstand 60 (a), dem zweiten Abstand 66 (b), der Spurweite 70 (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren. Bezugnehmend auf das unten stehende Gleichungssystem (6) können der dreizehnte, vierzehnte, fünfzehnte und sechzehnte Koeffizient (T₄₁, T₄₂, T₄₃, T₄₄) definiert werden als: $\begin{array}{l} T_{41} = m_{4} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M - d^{2} {/I}_{xx}]; \\ T_{42} = m_{4} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M + d^{2} {/I}_{xx}]; \\ T_{43} = m_{4} * (b^{2} {/I}_{yy} + 1/M - d^{2} {/I}_{xx}); und \\ T_{44} = 1 + m_{4} * (b^{2} {/I}_{yy} + 1/M + d^{2} {/I}_{xx}) . \end{array}$
In Block 106 aus 3 ist die Steuereinrichtung 30 so programmiert oder konfiguriert, dass sie die Reifennormalkraft (F_z) für jeden einzelnen aus der Vielzahl von Reifen 14, wie es unten stehend in Gleichung (7) aufgezeigt wird, durch Multiplikation der Aufhängungsdaten (S) mit der Transformationsmatrix (T) bezieht. $[\begin{matrix} F_{z 1} \\ F_{z 2} \\ F_{z 3} \\ F_{z n} \end{matrix}] = T [\begin{matrix} S_{1} \\ S_{2} \\ S_{3} \\ S_{n} \end{matrix}]$
Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor verbessert die Funktion der Vorrichtung 10 dadurch, dass die Reifennormalkräfte ohne Installation von Reifensensoren oder ohne Straßeninformationen bestimmt werden können. Reifennormalkräfte können in der Dynamik der Vorrichtung 10 eine bedeutende Rolle spielen und als Eingaben für verschiedene Regelalgorithmen eingesetzt werden, wobei die Funktion der Vorrichtung 10 weiter verbessert wird.
Bezugnehmend auf die 1 und 4 können der Prozessor 32 und der greifbare, nicht-vorübergehende Speicher 34 der Steuereinrichtung 30 aufgezeichnete Anweisungen zur Ausführung eines exemplarischen Verfahrens 200 beinhalten, um die Transformationsmatrix (T) zu beziehen. Das Verfahren 200 ist ein Beispiel und es können andere Verfahren eingesetzt werden, um die Transformationsmatrix (T) zu erhalten. Das Verfahren 200 beinhaltet die in 4 gezeigten Blöcke 202, 204 und 206.
In Block 202 ist die Steuereinrichtung 30 so programmiert oder konfiguriert, dass sie ein erstes Gleichungssystem (8), das die Vertikaldynamik der Vorrichtung 10 beschreibt, und ein zweites Gleichungssystem (9), das die auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S_i =S_i(t), i=1,...,4) beschreibt, bezieht, die hier jeweils als Gleichungen der gefederten und ungefederten Masse bezeichnet werden. Hier sind k_sf c_sf und k_sr und c_sr jeweils vordere und hintere Steifigkeits- und Viskositätskoeffizienten des Aufhängungssystems 20 der Vorrichtung 10; Zc beschreibt die Vertikalbewegung der gefederten Masse (M); und (z_i , i=1,...,4) sind die Vertikalverschiebungen der Rad-/Reifenmitten 14. Der Überpunkt kennzeichnet die Ableitung nach der Zeit. Die anderen Parameter sind dieselben wie zuvor beschrieben. $\begin{array}{l} M {\ddot{Z}}_{c} = S_{1} + S_{2} + S_{3} + S_{4} \\ I_{y y} \ddot{θ} = - a S_{1} + a S_{2} + b S_{3} + b S_{4} \\ I_{x x} \ddot{φ} = \frac{d}{2} (S_{1} - S_{2} + S_{3} - S_{4}) \end{array}$
$\begin{matrix} S_{1} (t) = - c_{s f} ({\dot{Z}}_{c} - a \dot{θ} + (d / 2) \dot{φ} - {\dot{z}}_{1}) \\ - k_{s f} (Z_{c} - a θ + (d / 2) φ - z_{1}) \\ S_{2} (t) = - c_{s f} ({\dot{Z}}_{c} - a \dot{θ} - (d / 2) \dot{φ} - {\dot{z}}_{2}) \\ - k_{s f} (Z_{c} - a θ - (d / 2) φ - z_{2}) \\ S_{3} (t) = - c_{s r} ({\dot{Z}}_{c} - b \dot{θ} + (d / 2) \dot{φ} - {\dot{z}}_{3}) \\ - k_{s r} (Z_{c} - b θ - (d / 2) φ - z_{3}) \\ S_{4} (t) = - c_{s r} ({\dot{Z}}_{c} - b \dot{θ} - (d / 2) \dot{φ} - {\dot{z}}_{4}) \\ - k_{s r} (Z_{c} + b θ - (d / 2) φ - z_{4}) \end{matrix}$
In Block 204 ist die Steuereinrichtung 30 so programmiert oder konfiguriert, dass sie die Laplace Transformierten (Umwandlung vom „z“-Raum zum „p“-Raum) des ersten und zweiten Gleichungssystems bezieht, die unten stehend jeweils als Gleichung (10) und (11) angegeben sind. Hier gibt jede einzelne Tilde-Variable das entsprechende Laplace-Bild in Abhängigkeit von p an. $\begin{array}{l} {\tilde{Z}}_{c} = \frac{1}{M p^{2}} ({\tilde{S}}_{1} + {\tilde{S}}_{2} + {\tilde{S}}_{3} + {\tilde{S}}_{4}) \\ \tilde{θ} = \frac{1}{I_{y y} p^{2}} (- a {\tilde{S}}_{1} - a {\tilde{S}}_{2} + b {\tilde{S}}_{3} + b {\tilde{S}}_{4}) \\ \tilde{φ} = \frac{d}{2 I_{x x} p^{2}} ({\tilde{S}}_{1} - {\tilde{S}}_{2} + {\tilde{S}}_{3} - {\tilde{S}}_{4}) \end{array}$
$\begin{array}{l} {\tilde{z}}_{1} = {\tilde{Z}}_{c} - a \tilde{θ} + \frac{d}{2} \tilde{φ} + \frac{{\tilde{S}}_{1}}{c_{s f} p + k_{s f}} \\ {\tilde{z}}_{2} = {\tilde{Z}}_{c} - a \tilde{θ} - \frac{d}{2} \tilde{φ} + \frac{{\tilde{S}}_{2}}{c_{s f} p + k_{s f}} \\ {\tilde{z}}_{3} = {\tilde{Z}}_{c} + b \tilde{θ} + \frac{d}{2} \tilde{φ} + \frac{{\tilde{S}}_{3}}{c_{s r} p + k_{s r}} \\ {\tilde{z}}_{4} = {\tilde{Z}}_{c} + b \tilde{θ} - \frac{d}{2} \tilde{φ} + \frac{{\tilde{S}}_{4}}{c_{s r} p + k_{s r}} \end{array}$
In Block 206 aus 4 kann die Transformationsmatrix (T) durch die Verwendung der oben aufgeführten Gleichungen (7), (10) und (11) und unten stehender Gleichung (12) erhalten werden. Die Transformationsmatrix (T) kann unter Verwendung bekannter Werte der Aufhängungskräfte (S_i = S_i(t), i=1,...,4) und der Reifennormalkräfte (F_zi(t), i=1...4) für die Vorrichtung 10 kalibriert werden. $\begin{array}{l} m {\ddot{z}}_{i} = - S_{i} + F_{z i} \\ (i = 1, \dots,4) \end{array}$
Wie vorstehend angegeben, kann die Steuereinrichtung 30 aus 1 ein Computergerät, das mit einem Betriebssystem arbeitet, oder einen Prozessor 32 und Speicher 34 zur Speicherung und Ausführung von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen beinhalten. Durch einen Computer ausführbare Anweisungen können kompiliert oder von Computerprogrammen interpretiert werden, die unter Verwendung einer Vielzahl von Programmiersprachen und/oder -techniken erstellt wurden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf und entweder alleine oder in Kombination, Java™, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl usw. Im Allgemeinen erhält ein Prozessor 52 (z. B. ein Mikroprozessor) Anweisungen, beispielsweise von einem Speicher, einem von einem Computer lesbaren Medium usw., und führt diese Anweisungen aus. Dabei führt er einen oder mehrere Vorgänge aus, einschließlich einem oder mehrerer der hier beschriebenen Vorgänge. Solche Anweisungen und andere Daten können unter Verwendung einer Vielzahl von durch Computer lesbaren Medien gespeichert und übertragen werden.
Ein durch einen Computer lesbares Medium (auch bezeichnet als ein durch einen Prozessor lesbares Medium) beinhaltet jedes nicht-vorübergehende (z. B. greifbares) Medium, das an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) beteiligt ist, die von einem Computer gelesen werden können (z. B. durch einen Prozessor eines Computers). Ein solches Medium kann in einem beliebigen Format vorliegen, einschließlich aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Disketten und andere persistente Speicher sein. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) beinhalten, die einen Hauptspeicher darstellen können. Derartige Anweisungen können von einem oder mehreren Übertragungsmedien, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik übertragen werden, einschließlich der Drähte, die einen mit dem Prozessor gekoppelten Systembus beinhalten. Einige Formen von einem Computer lesbarer Medien beinhalten beispielsweise eine Floppy Disk, eine flexible Platte, Festplatte, Magnetband, ein anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, ein anderes optisches Medium, Lochkarten, Lochstreifen, ein anderes physisches Medium mit Lochmustern, einen RAM, einen PROM, einen EPROM, einen FLASH-EEPROM, einen anderen Speicherchip oder eine Speicherkassette oder ein anderes Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Nachschlagetabellen, Datenbanken, Datendepots oder andere hier beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen zur Speicherung, zum Zugriff und zum Abrufen verschiedener Arten von Daten beinhalten, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, eines Satzes von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, eines relationalen Datenbankverwaltungssystems (RDBMS) usw. Jeder dieser Datenspeicher kann in einem Computergerät beinhaltet sein, das ein Computerbetriebssystem, wie beispielsweise eines der vorstehend aufgeführten, einsetzt und auf das über ein Netzwerk in einer oder mehreren der Vielzahl von Arten zugegriffen werden kann. Auf ein Dateisystem kann durch ein Computerbetriebssystem zugänglich sein und Dateien beinhalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann zusätzlich zu einer Sprache zum Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen gespeicherter Prozeduren, wie beispielsweise die oben aufgeführte PL/SQL-Sprache, die Structured Query Language (SQL) einsetzen.

Claims

Vorrichtung umfassend: eine Vielzahl von Reifen; ein Aufhängungssystem, das mit der Vielzahl von Reifen operativ verbunden ist; mindestens einen Aufhängungssensor, der mit dem Aufhängungssystem operativ verbunden ist, und so konfiguriert ist, dass er Aufhängungsdaten (S) bereitstellt; eine Steuereinrichtung, die mit mindestens einem Aufhängungssensor operativ verbunden ist, und einen Prozessor und einen greifbaren, nicht-vorübergehenden Speicher enthält, in dem Anweisungen zur Ausrührung eines Verfahrens zum Bestimmen jeweiliger Reifennormalkräfte (F_zi(t), i=l...n) für einen oder mehrere der Vielzahl von Reifen gespeichert sind, die mindestens teilweise auf den Aufhängungsdaten (S) basieren, wobei die jeweiligen Reifennormalkräfte wirksam sind, um den Betrieb der Vorrichtung mit Rädern anzupassen; und wobei die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor die Steuereinrichtung dazu veranlasst, eine auf einer Vielzahl von vordefinierten Parametern basierende Transformationsmatrix (T) zu bestimmen; wobei die Aufhängungsdaten (S) jeweilige, in Echtzeit auf die Aufhängung wirkende Kräfte (S_i(t), i=l...n) für jeden einzelnen der Vielzahl von Reifen beinhalten; und die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass jeweilige Reifennormalkräfte (F_zi(t), i=l...n) durch Multiplikation der Aufhängungsdaten (S) mit der Transformationsmatrix (T) bezogen werden, sodass: $[\begin{matrix} F_{z 1} \\ F_{z 2} \\ F_{z 3} \\ F_{z n} \end{matrix}] = T [\begin{matrix} S_{1} \\ S_{2} \\ S_{3} \\ S_{n} \end{matrix}];$
und wobei die Vielzahl der vordefinierten Parameter Folgendes beinhaltet: einen ersten Abstand (a) von einer Vorderachse der Vorrichtung zu einem Schwerpunkt der Vorrichtung; einen zweiten Abstand (b) von einer Hinterachse der Vorrichtung zum Schwerpunkt der Vorrichtung; wobei die Vielzahl der Reifen zwei seitlich beabstandete Reifen beinhaltet, derart, dass sich die zwei seitlich beabstandeten Reifen beide auf einer aus der Vorderachse und der Hinterachse befinden; eine Spurweite (d) zwischen jeweiliger erster und zweiter Mittellinie der zwei seitlich beabstandeten Reifen; ein Wankträgheitsmoment (I_xx) der Vorrichtung; ein Nickträgheitsmoment (I_yy) der Vorrichtung; eine gefederte Masse (M) der Vorrichtung; und jeweilige Massen (m_i) jedes einzelnen der Vielzahl von Reifen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der erste Reifen eine erste Masse (m_i) hat; die Transformationsmatrix (T) eine erste Zeile beinhaltet, die einen ersten, zweiten, dritten und vierten Koeffizienten (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) enthält, die mindestens teilweise auf der ersten Masse (m₁), dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste, zweite, dritte und vierte Koeffizient (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) definiert werden als: $T_{11} = 1 + m_{1} * (d^{2} {/I}_{xx} + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M);$
$T_{12} = m_{1} * [- (d^{2} {/I}_{xx}) + a^{2} {/I}_{yy} + 1/M];$
$T_{13} = m_{1} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M + (d^{2} {/I}_{xx})];$
und $T_{14} = m_{1} * [- (a * {b/I}_{yy}) + 1/M - (d^{2} {/I}_{xx})] .$
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der zweite Reifen eine zweite Masse (m₂) hat; und die Transformationsmatrix (T) eine zweite Zeile beinhaltet, die einen fünften, sechsten, siebten und achten Koeffizienten (T₂₁, T₂₂, T₂₃, T₂₄) enthält, die mindestens teilweise auf der zweiten Masse (m₂), dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Reifen einen dritten Reifen beinhaltet, der eine dritte Masse (m₃) hat; die Transformationsmatrix (T) eine dritte Zeile beinhaltet, die einen neunten, zehnten, elften und zwölften Koeffizienten (T₃₁, T₃₂, T₃₃, T₃₄) enthält, die mindestens teilweise auf der dritten Masse (m₃),dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.
Verfahren zum Bestimmen einer Reifennormalkraft (F_z) in einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von Reifen, eine Steuereinrichtung und ein Aufhängungssystem mit mindestens einem Aufhängungssensor enthält, das Verfahren Folgendes umfassend: Beziehen von Aufhängungsdaten (S) über mindestens einen Aufhängungssensor; Beziehen einer auf einer Vielzahl von vordefinierten Parametern basierenden Transformationsmatrix (T) über die Steuereinrichtung; Bestimmen jeweiliger Reifennormalkräfte (F_zi(t), i=1...4) über die Steuereinrichtung für einen oder mehrere der Vielzahl von Reifen basierend auf der Transformationsmatrix (T) und den Aufhängungsdaten (S), wobei die jeweiligen Reifennormalkräfte wirksam sind, um den Betrieb der Vorrichtung anzupassen; wobei die Vielzahl von vordefinierten Parametern Folgendes beinhaltet: einen ersten Abstand (a) von einer Vorderachse der Vorrichtung zu einem Schwerpunkt der Vorrichtung; einen zweiten Abstand (b) von einer Hinterachse der Vorrichtung zum Schwerpunkt der Vorrichtung; wobei die Vielzahl der Reifen zwei seitlich beabstandete Reifen beinhaltet, derart, dass sich die zwei seitlich beabstandeten Reifen beide auf einer aus der Vorderachse und der Hinterachse befinden; eine Spurweite (d) zwischen jeweiliger erster und zweiter Mittellinie der zwei seitlich beabstandeten Reifen; ein Wankträgheitsmoment (I_xx) der Vorrichtung; ein Nickträgheitsmoment (I_yy) der Vorrichtung; eine gefederte Masse (M) der Vorrichtung; und jeweilige Massen (m_i) eines jeden einzelnen der Vielzahl von Reifen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: der erste Reifen eine erste Masse (m_i) hat; die Transformationsmatrix (T) eine erste Zeile beinhaltet, die einen ersten, zweiten, dritten und vierten Koeffizienten (T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₁₄) enthält, die mindestens teilweise auf der ersten Masse (m₁), dem ersten Abstand (a), dem zweiten Abstand (b), der Spurweite (d), dem Wankträgheitsmoment (I_xx), dem Nickträgheitsmoment (I_yy) und der gefederten Masse (M) basieren.