DE102016225351B4 - Verfahren zum Ermitteln einer Wechselwirkung eines Rades eines Kraftfahrzeugs mit einer Fahrbahn sowie Steuervorrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Wechselwirkung eines Rades (14) eines Kraftfahrzeugs (10) mit einer Fahrbahn (12), über welche das Kraftfahrzeug (10) rollt, wobei eine Steuervorrichtung (18) des Kraftfahrzeugs (18) eine auf das Rad (14) wirkende Fahrzeugaufstandskraft (30) eines Fahrzeugaufbaus (31) des Kraftfahrzeugs (10) aus einer Federkraft (27) und einer Dämpferkraft (29) eines Dämpfers (29) ermittelt, wobei die Steuervorrichtung (18) eine vertikale Radbeschleunigung (33) des Rades (14)a) aus einer Dämpferwegänderung des Dämpfers (16) und einer Aufbaubeschleunigung (32) des Fahrzeugaufbaus (31) oderb) mittels eines Radbeschleunigungssensors ermittelt, und wobeidie Steuervorrichtung (18) eine Radaufstandskraft (35) des Rades (35) auf der Fahrbahn (12) unter Annahme eines Kräftegleichgewichts aus der Fahrzeugaufstandskraft (30), einer aufgrund der Radbeschleunigung (33) wirkenden Beschleunigungskraft (34) und der Radaufstandskraft (35) ermittelt,dadurch gekennzeichnet, dassdie Steuervorrichtung (18) aus einem Fahrerassistenzsystem einen Wert einer maximal verfügbaren Reibkraft empfängt und auf der Grundlage des empfangenen Werts und der Radaufstandskraft eine Reibwertschätzung eines Fahrbahnreibwerts durchführt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mittels welchem eine Wechselwirkung zwischen zumindest eines Rades eines Kraftfahrzeugs und einer Fahrbahn ermittelt wird, über welche das Kraftfahrzeug rollt. Als Wechselwirkung wird die Radaufstandskraft des Rades ermittelt, also die zwischen einem Reifen des Rades und der Oberfläche der Fahrbahn wirkende Kraft. Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
• Bei einem Kraftfahrzeug ist man daran interessiert, während einer Fahrt Oberflächeneigenschaften der Fahrbahn zu ermitteln, über welche das Kraftfahrzeug gerade rollt. So ist aus der DE 100 12 131 B4 bekannt, ein die Fahrbahnoberfläche repräsentierendes Signal zu ermitteln und daraus abzuleiten, welche Schwingungsanregung sich durch überfahrene oder überrollte Unebenheiten in einem Fahrzeugaufbau ergibt. Eine an einem Vorderachs-Rad ermittelte Schwingungsanregung kann dann für eine aktive Fahrwerksregelung eines Hinterachs-Rades genutzt werden.
• Auch aus der DE 100 50 569 B4 ist bekannt, eine Bewegung einer Vorderachse eines Rades zu ermitteln und daraufhin eine Aufhängung einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs zu steuern. So kann auf eine Vertikalerhebung der Straße reagiert werden.
• Zum Ermitteln von Unebenheiten ist aus der DE 10 2008 000 240 A1 bekannt, Radbewegungen einzelner Räder mittels Wegsensoren und Beschleunigungssensoren zu erkennen. Auch ein Vergleich eines rechten Rades mit einem linken Rad kann vorgesehen sein, um seitenverschiedene Schwingungsanregungen zu erkennen und damit einen Wankstabilisator zu steuern.
• Die Steuerung eines Wankstabilisators in Abhängigkeit von individuellen Radbewegungen ist auch aus der EP 1 362 720 B1 bekannt.
• In der DE 10 2014 016 121 A1 ist beschrieben, wie in einem Kraftfahrzeug die Summe einer jeweils zwischen der Karosserie und einem Rad des Kraftfahrzeugs wirkenden äußeren Kraft und der Trägheitskraft des Rades dazu genutzt werden kann, eine auf einen Reifen des Rades wirkende Gesamtkraft zu ermitteln. Die äußere Kraft kann hierbei als Summe mehrerer Teilkräfte berechnet werden. Insgesamt kann ein Höhenprofil der Straße ermittelt werden.
• In der DE 10 2014 006 191 A1 ist beschrieben, dass auf der Grundlage einer Schätzung einer Radaufstandskraft auf der Straße einerseits und einer Schätzung eines Reibwerts der Straße andererseits insgesamt ein Antriebspotenzial eines Rads geschätzt werden kann. Hierzu wird ein Reibwertsensor oder ein Reibwertschätzer benötigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erkennung eines Höhenprofils einer Fahrbahn einer weitergehenden Nutzung zuzuführen.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass man anhand einer Bewegung eines Rades des Kraftfahrzeugs und dessen aktuellem Einfederweg auch erkennen kann, mit welcher Radaufstandskraft der Reifen des Rades aktuell auf der Fahrbahn aufliegt.
• Diese kräftebezogene Wechselwirkung des Rades des Kraftfahrzeugs mit der Fahrbahn wird durch das erfindungsgemäß bereitgestellte Verfahren ermittelt. Das Verfahren wird hierzu durch eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs ausgeführt, also beispielsweise ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs. Die Steuervorrichtung ermittelt diejenige Kraft, die auf das Rad vom Fahrzeugaufbau aus wirkt. Die Kraft wird im Folgenden als Fahrzeugaufstandskraft des Fahrzeugaufbaus bezeichnet. Der Fahrzeugaufbau ist hierbei der gefederte Teil des Kraftfahrzeugs, der über Federn von Federbeinen oder Dämpfern oder Schwingungsdämpfers des Kraftfahrzeugs auf den Rädern gelagert ist. Die Fahrzeugaufstandskraft wird aus der Federkraft und der Dämpferkraft des Dämpfers des Rades ermittelt. Dabei ergibt sich die Federkraft aus dem Einfederweg oder Dämpferweg sowie der Federkonstante der Feder des Dämpfers. Die Dämpferkraft ergibt sich aus der zeitlichen Veränderung des Einfederwegs, also der Dämpfergeschwindigkeit, und einem zugehörigen, bekannten Proportionalitätsfaktor. Zusätzlich kann optional für die Fahrzeugaufstandskraft auch die Stabilisatorkraft eines Wankstabilisators des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Die genannten Größen sind bei einem Kraftfahrzeug jeweils durch zumindest einen Sensor ermittelbar.
• Ausgehend von diesen Größen sieht die Erfindung nun vor, dass die Steuervorrichtung die vertikale Radbeschleunigung des Rades ermittelt. Dies kann entweder aus der Dämpferwegänderung des Dämpfers und einer Aufbaubeschleunigung des Fahrzeugaufbaus ermittelt werden. Die Aufbaubeschleunigung kann mittels eines Beschleunigungssensors, der an dem Fahrzeugaufbau befestigt ist, ermittelt werden. Um hierbei zwischen einer Bewegung des Rades selbst und einer Bewegung des Fahrzeugaufbaus zu unterscheiden, kann das Signal eines Beschleunigungssensors des Fahrzeugaufbaus genutzt werden. Hieran kann eine Bewegung des Rads selbst erkannt werden, falls z.B. der Fahrzeugaufbau unbeschleunigt bleibt. Aus der zeitlichen Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Rads ergibt sich die Beschleunigung des Rads. Alternativ zu diesen Größen (Dämpferwegänderung und Aufbaubeschleunigung) kann direkt mittels eines Radbeschleunigungssensors die Radbeschleunigung ermittelt werden.
• Auf Grundlage einer Angabe zur Radmasse kann dann die auf das Rad wirkende Beschleunigungskraft aus der Radbeschleunigung ermittelt werden. Nun fehlt lediglich die Radaufstandskraft des Rads auf der Fahrbahn. Die Summe all der genannten Kräfte muss Null ergeben (Kräftegleichgewicht), sodass die fehlende Größe, nämlich die Radaufstandskraft, aus diesem Gleichungssystem berechnet werden kann.
• Die Radaufstandskraft des Rades kann also durch die Steuervorrichtung auf der Grundlage der Annahme des Kräftegleichgewichts aus der Fahrzeugaufstandskraft, der aufgrund der Radbeschleunigung wirkenden Beschleunigungskraft und der gesuchten Radaufstandskraft ermittelt werden. Die Beschleunigungskraft, die auf das Rad wirkt, kann auf der Grundlage der bekannten Beziehung F = m • a (Newton'sches Gesetz) ermittelt werden, wofür lediglich der Wert für die Masse des Rades und optional weiterer, zusammen mit dem Rad beschleunigter Fahrzeugkomponenten bekannt oder angegeben sein muss. Das Kräftegleichgewicht besagt also, dass die Differenz aus der Fahrzeugaufstandskraft und der Radbeschleunigungskraft die Radaufstandskraft ergibt.
• Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass bekannt ist, mit welcher Kraft der Reifen oder das Reifenprofil des Rads insgesamt auf die Fahrbahn drückt oder aufliegt. Diese Radaufstandskraft kann nicht mit Sensoren gemessen werden. Dennoch handelt es sich um eine für die Regelung von Kraftfahrzeugkomponenten wichtige oder nutzbare Größe.
• Die Radaufstandskraft kombiniert die Steuervorrichtung zusammen mit einem Schätzwert für die vorhandene Reibkraft, um einen Reibwert zu berechnen. So kann aus einem Fahrerassistenzsystem, wie dem ESC (ESC - Electronic Stability Control), ein solcher Schätzwert der verfügbaren Reibkraft bereitgestellt werden. Auf Grundlage eines empfangenen Werts für die maximal verfügbare Reibkraft und der erfindungsgemäß ermittelten Radaufstandskraft kann eine Reibwertschätzung des Fahrbahn-Reibwerts durchgeführt werden. Vorteil dieses ermittelten Reibwerts ist, dass er unabhängig von Fahrzeugdaten ist. Die im Stand der Technik verfügbare Reibwertschätzung stellt in der Regel nur eine Angabe der maximal verfügbaren Reibkraft selbst, also einer Querkraft bezüglich des Normalenvektors der Fahrbahnoberfläche, dar.
• Zu der Erfindung gehören auch optionale weitere technische Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
• Auf Grundlage der Radaufstandskraft kann die Steuervorrichtung aus einer vorgegebenen Reibwertschätzung eines Reibwerts der Fahrbahn z.B. eine maximal verfügbare Reibkraft des Rads auf der Fahrbahn ermitteln. Diese maximal verfügbare Reibkraft, das heißt die verfügbare Querkraft parallel zur Fahrbahnoberfläche, wird auch als Reibkraftpotential bezeichnet. Man kann also die ermittelte tatsächliche oder aktuelle Radaufstandskraft nutzen, um die aktuell verfügbare Reibkraft, d.h. das Reibkraftpotential, zu ermitteln. Beispielsweise kann hiermit eine elektronische Stabilitätskontrolle (ESC - Electronic Stability Control) gesteuert werden.
• Allgemein kann als Reibkraft zumindest teilweise eine maximal verfügbare Längskraft ermittelt werden. Welcher Anteil der Reibkraft die Längskraft darstellt, kann mittels eines Signals des Lenkwinkels und/oder eines Gierratensensors ermittelt werden. Hier kann auch der Kamm'sche Kreis zugrunde gelegt werden. Auf Grundlage der ermittelten Längskraft kann eine Momentenverteilung eines Torquevectoring gesteuert oder eingestellt werden. Wenn also für mehrere Räder jeweils das Verfahren durchgeführt wird, ist ermittelbar, welche maximal verfügbare Längskraft auf jedes Rad aufgebracht oder übertragen werden kann, ohne dass dieses Rad rutscht oder durchdreht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auf der Grundlage der maximal verfügbaren Längskraft ein ESC-Eingriff in Abhängigkeit von der ermittelten Längskraft gesteuert werden. Somit kann ermittelt werden, ob mittels des Rades zum Beispiel ein Bremseingriff möglich ist, um eine Gierrate des Kraftfahrzeugs zu stellen oder zu steuern.
• Zusätzlich oder alternativ zur Längskraft kann als Reibkraft zumindest teilweise auch die maximal verfügbare Querkraft ermittelt werden und ein Lenkeingriff in Abhängigkeit von der ermittelten Querkraft gesteuert werden. Mit Lenkeingriff ist eine vom Fahrer unabhängige Einstellung eines Lenkwinkels des Kraftfahrzeugs durch die Steuervorrichtung oder ein Fahrerassistenzsystem gemeint. Durch Kenntnis der maximal verfügbaren Querkraft kann die beim Lenken in Abhängigkeit vom Lenkwinkel benötigte Querkraft an die maximal verfügbare Querkraft herangeführt werden, ohne dass die Kontrolle über das Kraftfahrzeug verloren wird. Die ermittelte Querkraft kann auch für eine Hinterachslenkung genutzt werden.
• Mittels der geschätzten Radaufstandskraft kann auch die Profilmessung zum Messen des Fahrbahnprofils oder Höhenprofils der Fahrbahn präziser ausgestaltet werden. Somit können Unebenheiten auf der Fahrbahn erkannt und/oder kartographiert werden, die mit den Verfahren aus dem Stand der Technik nicht erkennbar sind, weil die Elastizität des Reifens des Rads, also des Gummis, diese Unebenheiten kompensiert, sodass sie keinen Einfluss auf die im Stand der Technik verwendeten Sensoren haben und somit nicht von diesen gemessen werden können.
• Hierzu ermittelt die Steuervorrichtung einen Abstandswert eines Abstands der Fahrbahn von einem Radbezugspunkt des Rads. Dieser Radbezugspunkt kann beispielsweise die Achse des Rads sein. Der Abstandswert kann aus der Radaufstandskraft und einer vorgegebenen Reifensteifigkeit des Reifens des Rads ermittelt werden. Es kann also ermittelt werden, wie weit der Reifen eingedrückt ist (Eindrücktiefe). Ausgehend von dem Radbezugspunkt kann nun eine Radposition des Radbezugspunkts bezüglich des Fahrzeugaufbaus ermittelt werden. Hierzu wird also eine Aufbauposition des Fahrzeugs definiert, also ein Bezugspunkt am Fahrzeugaufbau, und der Abstand zwischen Aufbauposition und Radposition aus dem Dämpferweg des Dämpfers ermittelt. Somit kann insgesamt die Fahrbahnposition der Fahrbahn bezüglich der Aufbauposition aus dem Abstandswert (Abstand Fahrbahn zum Radbezugspunkt) und der Radposition (Position des Rades bezüglich des Aufbaus) ermittelt werden. Die Bewegung des Fahrzeugaufbaus selbst kann mittels der beschriebenen Aufbaubeschleunigung des Fahrzeugaufbaus, d.h. mittels eines Beschleunigungssensors verfolgt, aufgezeichnet oder gemessen werden. Somit ergibt sich aus nacheinander gemessenen Fahrbahnpositionen (Abstand Fahrbahn zur Aufbauposition und Lageveränderung des Fahrzeugaufbaus gemäß der Aufbaubeschleunigung) insgesamt ein Höhenprofil der Fahrbahn. Durch Berücksichtigen der Verformung des Reifens (durch den Abstandswert) können dabei auch eine solche Unebenheiten detektiert, kartographiert oder vermessen werden, die die Radposition selbst nicht verändert, sondern lediglich den Reifen des Rads eindrückt. Zu beachten ist, dass sich dabei der effektive Abstand der Fahrbahn zur Aufbauposition ergibt, der sich dadurch auszeichnet, dass die Oberfläche oder das Oberflächenprofil der Fahrbahn gemessen über den gesamten Latsch (Reifenaufstandsfläche) ermittelt wird.
• Liegt nun das Höhenprofil der Fahrbahn vor, so kann dieses für eine Prädiktion genutzt werden, die in einer Fahrwerksregelung einer Hinterachse zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu ist das Rad, mittels welchem das Höhenprofil der Fahrbahn ermittelt wird, ein Vorderachs-Rad. Die Steuervorrichtung stellt für eine Fahrwerksregelung eines Hinterachs-Rads des Kraftfahrzeugs eine Prädiktion auf der Grundlage des ermittelten Höhenprofils und/oder einer aus dem Höhenprofil ermittelten Radaufstandskraft des Hinterachs-Rads bereit. Somit ist also in der Fahrwerksregelung beispielsweise bekannt, in welcher Weise das Hinterachs-Rad durch das Höhenprofil ausgelenkt oder beaufschlagt wird. Ist die Radaufstandskraft bekannt, so kann beispielsweise während eines Bremseingriffs das Bremsmoment, das mittels des hinter Hinterachs-Rads auf die Fahrbahn übertragen wird, in Abhängigkeit davon eingestellt werden. So kann beispielsweise genutzt werden, falls das Kraftfahrzeug über eine Erhebung oder Bodenwelle rollt und hierdurch die Radaufstandskraft während des Hinaufrollens oder Auffahrens auf die Erhebung, beispielsweise beim Hinaufrollen um 10 cm, mit einer vergrößerten Radaufstandskraft beaufschlagt wird als bei einer ebenen Fahrbahn.
• Um auch eine Prädiktion für die Vorderachse bereitzustellen, also das Vorderachs-Rad, sieht eine Ausprägung vor, dass die Steuervorrichtung das Höhenprofil für eine Eigennutzung in einer Navigationseinrichtung des Kraftfahrzeugs abspeichert. Bei nochmaligem Befahren der Fahrbahn wird das abgespeicherte Höhenprofil einer Fahrwerksregelung des Vorderachs-Rads des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Somit kann auch die Fahrwerksregelung des Vorderachs-Rads eine Prädiktion erhalten. Um das Höhenprofil auch in anderen Kraftfahrzeugen nutzen zu können, kann zusätzlich oder alternativ das Höhenprofil für eine Nutzung durch mehrere Kraftfahrzeuge in einer fahrzeugexternen Oberflächendatenbank abgespeichert werden. Somit können auch Vorderachsräder anderer Kraftfahrzeuge mit einer Fahrwerksregelung gesteuert oder eingestellt werden, welche die Prädiktion auf Grundlage des Höhenprofils nutzt.
• Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug durchführen zu können, ist durch die Erfindung auch die Steuervorrichtung bereitgestellt. Diese weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für zumindest ein Rad des Kraftfahrzeugs durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu einen Mikroprozessor und/oder Mikrocontroller aufweisen. Des Weiteren kann ein Programmcode in der Prozessoreinrichtung gespeichert sein, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des Verfahrens durchzuführen. Hierzu können entsprechende Computerbefehle bereitgestellt sein.
• Das bereits erwähnte erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist Räder auf, von denen zumindest eines über einen jeweiligen Dämpfer an einem Fahrzeugaufbau des Kraftfahrzeugs in an sich bekannter Weise gehalten ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuergeräts auf.
• Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
• Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur (Fig.) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
• Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• Die Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen handeln kann. Das Fahrzeug 10 kann mit einer Fahrgeschwindigkeit 11 entlang einer Fahrbahn 12, beispielsweise einer Straße, fahren. Zur weiteren Veranschaulichung sei angenommen, dass sich auf der Fahrbahn 12 eine Unebenheit 13, beispielsweise eine Erhebung oder ein Schlagloch befindet. Die Erhebung kann beispielsweise eine Längserstreckung von 20 cm und einen Höhenunterschied von 10 cm darstellen.
• Von dem Kraftfahrzeug 10 sind ein Vorderachs-Rad 14 und ein Hinterachs-Rad 15 dargestellt. Ein jeweiliger Dämpfer 16 jedes Rades kann in Bezug auf seine Dämpferhärte durch eine jeweilige Fahrwerksregelung 17 einstellbar sein. Die Fahrwerksregelungen 17 können durch eine Steuervorrichtung 18 mittels eines Steuersignals 19 eingestellt oder gesteuert werden. Die Steuervorrichtung 18 kann beispielsweise ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs sein. Zum Erzeugen der Steuersignale 19 kann die Steuervorrichtung 18 aus einer Sensorvorrichtung 20 des Kraftfahrzeugs 10 und/oder über das Internet 21 aus einer Oberflächendatenbank 22 und/oder aus einer Navigationseinrichtung 23 des Kraftfahrzeugs 10 Daten empfangen, aus welchen durch die Steuervorrichtung 18 für das Vorderachs-Rad 14 und/oder Hinterachs-Rad 15 eine Wechselwirkung mit der Fahrbahn 12 prädiziert oder ermittelt werden kann und in Abhängigkeit von der bevorstehenden oder geschätzten Wechselwirkung die Steuersignale 19 erzeugen kann.
• Hierbei gibt es zwei Stufen, nämlich das Ermitteln der Wechselwirkung zwischen dem Vorderachs-Rad 14 und der Fahrbahn 12, um z.B. ein Steuersignal 19 für die Fahrwerksregelung 17 des Hinterachs-Rads 15 zu erzeugen. In einer zweiten Stufe kann auch für das Vorderachs-Rad 14 eine Prädiktion der Wechselwirkung erfolgen, indem aus der Navigationseinrichtung 23 und/oder der Oberflächendatenbank 22 des Internets 21 ein jeweiliges Höhenprofil 24 der Fahrbahn 12 abgerufen oder ausgelesen wird.
• Für die erste Stufe kann die Steuervorrichtung 18 eine Federkraft 27 aus einem Einfederweg oder Dämpferweg 26 des Dämpfers 16 des Vorderachs-Rads 14 ermitteln. Der Einfederweg 26 kann durch die Sensoreinrichtung 20 signalisiert sein. Aus einer zeitlichen Änderung des Einfederwegs 26 kann eine Einfedergeschwindigkeit 28 ermittelt werden und damit in Abhängigkeit von der aktuell eingestellten Dämpferhärte eine Dämpferkraft 29. Zusammen wird daraus eine Fahrzeugaufstandskraft 30 berechnet. Die Sensoreinrichtung 20 kann des Weiteren einen Beschleunigungssensor aufweisen, mittels welchem eine Vertikalbeschleunigung 32 des Aufbaus 31 ermittelt oder gemessen werden kann. Aus der Aufbaubeschleunigung 32 und der Dämpferwegänderung des Dämpferwegs 26 kann eine vertikale Radbeschleunigung 33 und davon ausgehend auf der Grundlage einer Masse des Rads 14 die Beschleunigungskraft 34, die auf das Rad 14 wirkt, ermittelt werden.
• Die Figur veranschaulicht, dass sich ein Kräftegleichgewicht ergeben muss aus der Federkraft 27 (F_F), der Dämpferkraft 29 (F_D), d.h. insgesamt der Fahrzeugaufstandskraft 30 (F_S), auf der einen Seite und der Beschleunigungskraft 34 (F_T) und einer weiteren Kraft 35 auf der anderen Seite. Diese weitere Kraft 35 ist die gesuchte Radaufstandskraft 35 (F_A), die zwischen dem Rad 14 und der Fahrbahn 12 wirkt. Durch das Kräftegleichgewicht $${\text{F}}_{\text{S}}={\text{F}}_{\text{D}}+{\text{F}}_{\text{F}}={\text{F}}_{\text{T}}+{\text{F}}_{\text{A}}$$

  

  kann somit die Steuervorrichtung 18 die Radaufstandskraft 35 ermitteln. Beim Überfahren der Unebenheit 13 ändert sich die Radaufstandskraft, die dann als prädizierte Radaufstandskraft für das Hinterachs-Rad 15 bereitgestellt werden kann, wie sie sich bei Erreichen der Unebenheit 13 durch das Hinterrad 15 zu einem späteren Zeitpunkt T1 ergibt.
• Ausgehend von der Radaufstandskraft 35 kann des Weiteren eine Verformung eines Reifens 36 des Rads 14 auf Grundlage einer Reifensteifigkeit des Reifens 36 ermittelt werden und daraufhin ein Abstandswert 37 eines Radbezugspunkts 38 zur Fahrbahn 12 und aus dem Dämpferweg 26 zusammen mit der Beschleunigung 32 und der dem Abstandswert 37 ein auf den Fahrzeugaufbau 31 bezogene Fahrbahnposition 39 bezüglich einer Aufbauposition 40, deren Trajektorie durch den Raum anhand der Vertikalbeschleunigung 32 des Aufbaus 31 nachvollzogen oder verfolgt wird. Hierdurch kann eine relative Lageveränderung der Auflagefläche 41 (Latsch) des Rades 14 in Bezug auf die Aufbauposition 40 aufgezeichnet oder nachverfolgt werden und daraus das Höhenprofil 22 in Bezug auf die Aufbauposition 40 aufgezeichnet oder gemessen werden. Dieses Höhenprofil 22 kann in der Navigationseinrichtung 23 abgespeichert werden. Für eine Nutzung durch andere Kraftfahrzeuge kann über eine Kommunikationseinrichtung 42, beispielsweise einem Mobilfunkmodul oder WLAN-Funkmodul über eine Funkverbindung 43 das Höhenprofil 22 in der Oberflächendatenbank 22 abgespeichert werden.
• Somit kann durch die Steuervorrichtung 18 also die Ermittlung der Radbeschleunigung aus dem Dämpferweg und der Aufbaubeschleunigung, die Radposition aus der Aufbauposition und dem Dämpferweg, die Radaufstandskraft aus der Nutzung des Kräftegleichgewichts am Rad und der Abstand der Fahrbahn/Rad aus der Radaufstandskraft und der Reifensteifigkeit und somit schließlich die Fahrbahnposition aus der Radposition und dem Abstand Rad/Fahrbahn ermittelt werden.
• Aus der Ermittlung des Abstands zwischen Rad und Fahrbahn wird explizit nicht der genaue Abstand zwischen Rad und Fahrbahn in einem Punkt ermittelt, sondern, wie bereits beschrieben, der effektive Abstand im Bereich des Reifenlatsches 41.
• Durch die Steuervorrichtung kann daraufhin die Fahrbahnposition in mehrfacher Weise genutzt werden. Es kann die Erfassung des Straßenprofils oder Höhenprofils in einer Oberflächendatenbank mit Funkanbindung über Funkverbindung 43, beispielsweise WLAN, Mobilfunk oder Car2x-Anwendung erfolgen, die Ablage von häufig überfahrenen Straßenprofilen in der eigenen Navigationseinrichtung 23 und schriftlich oder die Nutzung der ermittelten Fahrbahnposition zu Prädiktion an einer nachfolgenden Hinterachse und das Einstellen der Fahrwerksregelung 17. Hierbei kann auch ein Modell der nachfolgenden Hinterachse mitlaufen, um frühzeitig die sich ergebenden Radaufstandskräfte am Hinterachs-Rad 15 zu ermitteln und eine Abschätzung des Kraftpotenzials für Längs- und Querführung zur Verfügung zu stellen.
• Die direkte Nutzung der Radaufstandskraft ergibt sich beispielsweise für eine Reibwertschätzung in der beschriebenen Weise, ein Torquevectoring, eine Verteilung von ESC-Eingriffen und/oder das Steuern eines Lenkeingriffs, insbesondere bei einer Überlagerungslenkung oder Hinterachslenkung.
• Durch das Bestimmen des effektiven Straßenprofils oder Höhenprofils 22 anstelle des realen Straßenprofils wird Rechenzeit gespart. Die Nutzung zur Prädiktion, Reibwertschätzung und Verteilung der Längsmomente bringt ebenfalls die beschriebenen Vorteile. An einer Folgeachse oder Hinterachse kann auch eine vorausschauende Schätzung der Radaufstandskräfte erfolgen.
• Da die Hinterachse meist den gleichen Reifen nutzt wie die Vorderachse, wird der Kraftverlauf am Reifen sehr gut durch die Annahme einer gleichen Reifen- oder Radeindrückung angenähert.
• Somit ergeben sich also drei Einsatzbereiche der Steuervorrichtung:
• 1. Prädiktion
• Ein zeitverzögertes Überrollen des zuvor identifizierten Verlaufs durch die Hinterachse ist bei einer Vorwärtsfahrt gegeben. Somit ist frühzeitiges Reagieren auf kurzwellige Unebenheiten oder globale Fahrbahnsteigungen möglich. Die Nutzung insbesondere für den Freiheitsgrad Wanken und Huben an der Hinterachse kann nun durch die Fahrwerksregelungen erfolgen.
• 2. Ablegen des Straßenprofils
• Navigation-Streckendaten (eventuell mit Fahrspurverlauf, beispielsweise aus einem Lane-Assist-Fahrerassistenzsystem) ist möglich. Auch die Sammlung des Höhenprofils 24 für globale Oberflächendatenbanken 22 von Straßen ist möglich.
• 3. Modellbasierte Vorhersage von Radaufstandskräften auf Basis der prädizierten Fahrbahnanregung (Höhenprofil).
• Die Nutzung für die Kraftübertragung in Längs- und Querrichtung in der beschriebenen Weise ist ebenfalls möglich.
• Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Reifenaufstandskraft und ein Fahrbahnprofil mittels einer Achssensorik zum Zwecke der Prädiktion an einer nachfolgenden Achse oder zur Optimierung einer Fahrdynamikregelung ermittelt werden können.
• Bezugszeichenliste

10

Kraftfahrzeug

11

Fahrgeschwindigkeit

12

Fahrbahn

13

Unebenheiten

14

Vorderachs-Rad

15

Hinterachs-Rad

16

Dämpfer

17

Fahrwerksregelung

18

Steuervorrichtung

19

Steuersignal

20

Sensoreinrichtung

21

Internet

22

Oberflächendatenbank

23

Navigationseinrichtung

24

Höhenprofil

26

Dämpferweg

27

Federkraft

28

Einfedergeschwindigkeit

29

Dämpferkraft

30

Fahrzeugaufstandskraft

31

Fahrzeugaufbau

32

Vertikalbeschleunigung

33

Radbewegung

34

Beschleunigungskraft

35

Radaufstandskraft

36

Reifen

37

Radposition

38

Radbezugspunkt

39

Fahrbahnposition

40

Aufbauposition

41

Radaufstandsfläche

42

Kommunikationseinrichtung

43

Funkverbindung

Claims (9)

1. Verfahren zum Ermitteln einer Wechselwirkung eines Rades (14) eines Kraftfahrzeugs (10) mit einer Fahrbahn (12), über welche das Kraftfahrzeug (10) rollt, wobei eine Steuervorrichtung (18) des Kraftfahrzeugs (18) eine auf das Rad (14) wirkende Fahrzeugaufstandskraft (30) eines Fahrzeugaufbaus (31) des Kraftfahrzeugs (10) aus einer Federkraft (27) und einer Dämpferkraft (29) eines Dämpfers (29) ermittelt, wobei die Steuervorrichtung (18) eine vertikale Radbeschleunigung (33) des Rades (14) a) aus einer Dämpferwegänderung des Dämpfers (16) und einer Aufbaubeschleunigung (32) des Fahrzeugaufbaus (31) oder b) mittels eines Radbeschleunigungssensors ermittelt, und wobei die Steuervorrichtung (18) eine Radaufstandskraft (35) des Rades (35) auf der Fahrbahn (12) unter Annahme eines Kräftegleichgewichts aus der Fahrzeugaufstandskraft (30), einer aufgrund der Radbeschleunigung (33) wirkenden Beschleunigungskraft (34) und der Radaufstandskraft (35) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (18) aus einem Fahrerassistenzsystem einen Wert einer maximal verfügbaren Reibkraft empfängt und auf der Grundlage des empfangenen Werts und der Radaufstandskraft eine Reibwertschätzung eines Fahrbahnreibwerts durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (18) aus einer vorgegebenen Reibwertschätzung eines Reibwerts der Fahrbahn (12) und der Radaufstandskraft (35) eine maximal verfügbare Reibkraft des Rads (14) auf der Fahrbahn (12) ermittelt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Reibkraft zumindest teilweise eine maximal verfügbare Längskraft ermittelt wird und eine Momentenverteilung eines Torquevectoring und/oder ein ESC-Eingriff in Abhängigkeit von der ermittelten Längskraft gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei als Reibkraft zumindest teilweise eine maximal verfügbare Querkraft ermittelt wird und ein Lenkeingriff in Abhängigkeit von der ermittelten Querkraft gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (18) - einen Abstandswert (37) eines Abstands der Fahrbahn (12) von einem Radbezugspunkt (38) des Rads (14) aus der Radaufstandskraft (35) und einer vorgegebenen Reifensteifigkeit eines Reifens (36) des Rads (14) ermittelt und - eine Radposition des Radbezugspunkts (38) bezüglich einer Aufbauposition (40) des Fahrzeugaufbaus (31) und dem Dämpferweg (16) ermittelt und - eine Fahrbahnposition (39) der Fahrbahn (12) bezüglich der Aufbauposition (40) aus dem Abstandswert (37) und der Radposition ermittelt und - aus nacheinander gemessenen Fahrbahnpositionen (39) insgesamt ein Höhenprofil (24) der Fahrbahn (12) erzeugt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Rad (14) ein Vorderachs-Rad ist und die Steuervorrichtung (18) für ein Fahrwerksregelung (17) eines Hinterachs-Rads (15) des Kraftfahrzeugs (10) eine Prädiktion auf der Grundlage des ermittelten Höhenprofils (24) und/oder einer aus dem Höhenprofil (24) ermittelte Radaufstandskraft des Hinterachs-Rads (15) bereitstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuervorrichtung (18) das Höhenprofil (24) für eine Eigennutzung in einer Navigationseinrichtung (23) des Kraftfahrzeugs (10) und/oder für eine Nutzung durch mehrere Kraftfahrzeuge in einer fahrzeugexternen Oberflächendatenbank (22) abspeichert und bei nochmaligem Befahren der Fahrbahn (12) das abgespeicherte Höhenprofil (24) einer Fahrwerksregelung (17) eines Vorderachs-Rads (14) des Kraftfahrzeugs (10) bereitgestellt wird.
8. Steuervorrichtung (18) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei die Steuervorrichtung (18) eine Prozessoreinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche für zumindest ein Rad (14) des Kraftfahrzeugs (10) durchzuführen.
9. Kraftfahrzeug (10) mit Rädern (14, 15), von denen zumindest ein Rad (14) über einen jeweiligen Dämpfer (16) an einem Fahrzeugaufbau (31) des Kraftfahrzeugs (10) gehalten ist, wobei das Kraftfahrzeug (10) eine Steuervorrichtung (18) nach Anspruch 8 aufweist.

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