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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Feststellen einer Beladungsänderung eines Nutzfahrzeuges und insbesondere auf ein Erkennen einer Beladungsänderung im Stillstand von Nutzfahrzeugen.
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Brems- und Fahrdynamikregelsysteme brauchen eine möglichst genaue Fahrzeugmasse, um entsprechende Assistenzfunktionen richtig ausführen zu können. Vor allem bei Nutzfahrzeugen schwankt die Gesamtmasse infolge unterschiedlicher Beladungen teils beträchtlich, sodass eine wiederholte Massebestimmung durchgeführt wird, um die Assistenzsysteme optimal unterstützen zu können. Eine unmittelbare Massebestimmung ist nur selten möglich, da hierzu in der Regel eine Waage erforderlich ist. Stattdessen wird eine Masseschätzung vorgenommen, wobei die Masse der gesamten Fahrzeugkombination (Zugfahrzeug und Anhängern) oder auch nur die Masse der Ladung abgeschätzt wird, da die Leermasse meist bekannt ist.
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Die Masse kann beispielsweise durch ein gleichzeitiges Erfassen eines Antriebsmomentes (ein auf die Räder wirkendes Drehmoment) und einer resultierenden Beschleunigung und/oder deren Ableitungen geschätzt werden. Da die Reibungskräfte in der Regel nicht genau ermittelbar sind, ist eine genaue Ermittlung der Masse aus solchen dynamischen Größen (d.h. ohne Nutzung einer Waage) in der Regel nur sukzessive durch eine Vielzahl von Messungen möglich. Zu einem gegebenen Zeitpunkt liegt somit eine mehr oder weniger genaue Schätzung der Masse vor.
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Diese Schätzung kann beispielsweise unter Nutzung des sogenannten RLS-(Recursive-Least-Squares-) Algorithmus oder eines RLS-Schätzers erfolgen, wobei die Schätzung auf eine Anregung des Schätzers durch die entsprechenden Eingangsgrößen erfolgt. Um eine möglichst zuverlässige Schätzung der Masse zu erreichen, wird das Schätzung über einen längeren Zeitraum verbessert. Auf diese Weise können Fehlerquellen hinsichtlich des momentanen Schätzwertes vermieden oder zumindest deren Auswirkungen verringert werden. Solche Fehlerquellen ergeben sich beispielsweise durch eine Änderung von Hanglagen bei aufeinanderfolgenden Stillstandzeiten des Nutzfahrzeuges oder durch die unbekannte Reibung (zur Straße, der drehenden Teile des Fahrzeuges, Wind etc.).
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Wenn dem Schätzer nicht mitgeteilt wird, dass ein Wechsel der Beladung stattgefunden hat, so wird der geschätzte Wert nicht mit der tatsächlichen Masse übereinstimmen bzw. erst nach einem sehr langen Lernprozess. Dies kann erhebliche Konsequenzen für das Fahrverhalten des Fahrzeuges zur Folge haben. Falls es beispielsweise nach einem Beladungswechsel zu einer Hangabwärtsfahrt kommt (zum Beispiel, ohne dass der Fahrer eine Beschleunigung ausführt), kann es zu einer kritischen Situation kommen, da die benötigte Bremskraft noch nicht optimal berechnet wurde. Die Masseschätzung wird sich erst nach und nach an die Beladungsänderung anpassen, da in dem Gedächtnis des Schätzers immer noch Messwerte zur veralteten Beladung vorhanden sind und die neuen Eingangswerten noch nicht die Korrektur durchgeführt haben. Ein Fahrer mag vorsorglich diese Situation berücksichtigen, aber für autonom fahrende Fahrzeugen könnte der veralteter Massewert verehrende Auswirkungen haben.
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Das Dokument
DE 10 2017 108 034 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Feststellen einer Beladungsänderung eines Kraftfahrzeugs. Das Dokument
DE 10 2017 202 178 A1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln einer Schwerpunkterhöhe eines Kraftfahrzeuges und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Möglichkeiten, um einen Beladungswechsel von Nutzfahrzeugen zuverlässig zu erkennen, um dies bei der Schätzung der Masse zu berücksichtigen und den Schätzprozess zu beschleunigen.
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Zumindest ein Teil der genannten Probleme wird durch ein System nach Anspruch 1, ein Nutzfahrzeug nach Anspruch 11 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Feststellen einer Beladungsänderung eines Nutzfahrzeuges. Das Nutzfahrzeug umfasst ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) mit zumindest einem Inertialsensor und eine Steuereinheit zum Abschätzen einer Masse des Nutzfahrzeugs und/oder einer Ladung.
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Das System umfasst eine Einrichtung zur Abfrage von Sensordaten des zumindest einen Inertialsensors und eine Auswerteinheit, die ausgebildet ist, um:
- - die Beladungsänderung festzustellen, wenn die abgefragten Sensordaten eine Schwankungsbreite überschreiten, und
- - die Steuereinheit über die festgestellte Beladungsänderung zu informieren, um eine Berücksichtigung der Beladungsänderung bei der Abschätzung der Masse zu ermöglichen.
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Der Inertialsensor kann ein 3-Achsen Sensor sein, der eine Längsbeschleunigung, eine Querbeschleunigung und eine vertikale Beschleunigung erfassen kann. Er kann aber auch zumindest eine Drehrate um eine der drei Raumrichtungen erfassen. Es können aber auch einzelne Inertialsensoren für einzelne Beschleunigungs- oder Drehratenkomponenten vorgesehen sein, sodass der Inertialsensor einer davon ist.
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Optional ist die Steuereinheit ausgebildet, um die Masseabschätzung basierend auf erfassten Werten wie eines Drehmomentes einer Antriebskomponente, einer resultierenden Beschleunigung oder Geschwindigkeit oder deren (zeitlichen) Ableitungen durchzuführen. Die Masseabschätzung kann insbesondere einen Lernprozess umfassen, der die Masse durch eine fortlaufende Erfassung der Werte erlernt. Die Auswerteeinheit kann dann ausgebildet sein, um nach dem Feststellen einer Beladungsänderung die Steuereinheit zu veranlassen, die zuvor durchgeführte Masseabschätzung zurückzusetzen oder die erfassten Werte vor der Beladungsänderung anders zu gewichten, um auf diese Weise eine schnellere Anpassung an die neue Masse zu erreichen.
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Die Steuereinheit kann außerdem ausgebildet sein, um eine Änderung bei der Masseabschätzung der Auswerteeinheit mitzuteilen. Optional ist dann die Auswerteeinheit ausgebildet, um die Schwankungsbreite basierend auf einer fortlaufenden Erfassung von Sensordaten zu ermitteln und zu ändern, wenn die Schwankungsbreite ohne eine Änderung der Masseabschätzung überschritten wird (z. B. wenn die Steuereinheit keine entsprechende Information mitgeteilt hat). Auch hierbei kann es sich um einen Lernprozess handeln, der sukzessive zu einer Verbesserung der verwendeten Schwankungsbreite führt. Dieser Lernprozess kann auch die Schwankungsbreite für eine bestimmte Masse oder einem bestimmten Massebereich erlernen. Hierbei können beispielsweise verschiedene Schwankungsbreiten zu verschiedenen Massebereiche gehören. Die Schwankungsbreiten können größer oder kleiner werden oder auch nur zu anderen Beschleunigungswerten oder Drehratenwerten verschoben sein.
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Daher kann optional die Auswerteeinheit weiter ausgebildet sein, um eine Stärke der festgestellten Beladungsänderung für eine Klassifizierung zu nutzen, wobei jeder Klasse bei der Schwankungsbreite einem bestimmten Massebereich bei der Beladung des Nutzfahrzeuges entspricht. Somit können bestimmte Gewichtsklassen bei der Beladung verschiedenen Schwankungsbereichen zugeordnet werden. Diese Bereiche können mehr oder weniger grob gewählt sein. So die Bereiche tonnenweise oder zu bestimmten Massen mit +/- 1 Tonne oder +/- 2 Tonnen gebildet werden.
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Die Auswerteeinheit kann optional weiter ausgebildet sein, um für die Klassifizierung eine Vielzahl von vorbestimmten Schwankungsbreiten zu nutzen, die jeweils einer Masse oder einem Massebereich entsprechen. Die vorbestimmten Schwankungsbreiten können z.B. offline über Simulationen oder Tests ermittelt werden und sind in der Auswerteeinheit abgespeichert.
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Optional kann die Auswerteeinheit aber auch ausgebildet sein, um eine Beladungsänderung unabhängig von deren Stärke anzuzeigen (ohne die Nutzung von Bereichen). Wenn die Massebestimmung nach einem Beladungswechsel grundsätzlich zurückgesetzt werden soll, dann ist diese diskrete Signalisierung ausreichend.
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Die Auswerteeinheit ist weiter ausgebildet, um eine Frequenz von Schwankungen der Sensordaten, insbesondere für Querbeschleunigungen (oder Drehraten) und/oder deren Ableitung zu erfassen und beim Feststellen der Beladungsänderung zu berücksichtigen. Bei einem Beladungswechsel kann es nämlich zu deutlichen oder charakteristischen Schwankungen in der Querbeschleunigung (quer zu Längsrichtung des Fahrzeuges) oder zumindest einer der Drehraten kommen, die dafür effizient genutzt werden können.
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Das Nutzfahrzeug kann einen Anhänger mit einem weiteren Inertialsensor aufweisen (z. B. auch Teil eines ESP), der über eine Datenverbindung Anhängersensordaten bereitstellt. Optional kann die Auswerteeinheit dann weiter ausgebildet sein, um die Anhängersensordaten auszuwerten und eine Beladungsänderung zu bestätigen oder nur anhand der Anhängersensordaten auszuführen.
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Das Nutzfahrzeug und/oder ein damit verbundener Anhänger kann optional eine höhenverstellbare Achse aufweisen, deren Höhenposition über eine Sensorik ermittelbar ist. Optional kann dann die Auswerteeinheit weiter ausgebildet sein, um eine Änderung der Höhenposition der höhenverstellbaren Achse während des Stillstandes oder bei einer langsamen Fahrt zum Feststellen der Beladungsänderung zu berücksichtigen. Diese zusätzlichen Sensordaten können als Bestätigung dienen, dass die Beladung sich in der Tat geändert hat.
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Optional ist die Steuereinheit ein Teil des Systems, wie es zuvor definiert wurde. Beispielsweise können die Steuereinheit zusammen mit der Auswerteeinheit in einer Komponente integriert oder auch als separate Komponente ausgebildet sein. So kann die Steuereinheit und/oder das System in einem elektronischen Bremssystem (EBS) integriert sein. Insbesondere können die Funktionen auch in Software implementiert sein (z.B. als Softwaremodule).
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Optional kann die Auswerteeinheit weiter ausgebildet sein, um die Beladungsänderung einem Fahrer des Nutzfahrzeuges mitzuteilen. Der Fahrer kann dann beispielsweise eine Bestätigung des Ladungswechsel geben oder dieses Verneinen. In Abhängigkeit davon kann der Lernprozess der Massebestimmung oder der Lernprozess der (tolerierbaren) Schwankungsbreite zurückgesetzt oder fortgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Nutzfahrzeug mit einem System wie es zuvor beschrieben wurde.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Feststellen einer Beladungsänderung eines Nutzfahrzeuges, wobei das Nutzfahrzeug ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) mit zumindest einem Inertialsensor und eine Steuereinheit zum Abschätzen einer Masse des Nutzfahrzeugs und/oder einer Ladung umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Abfragen von Sensordaten des zumindest einen Inertialsensors;
- - Feststellen der Beladungsänderung, wenn die abgefragten Sensordaten eine Schwankungsbreite überschreiten, und
- - Bereitstellen einer Bestätigung über die festgestellte Beladungsänderung für die Steuereinheit, sodass diese die Beladungsänderung bei der Abschätzung der Masse berücksichtigt.
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Die zuvor beschriebenen Funktionen des Systems können als weitere optionale Verfahrensschritte in diesem Verfahren umgesetzt sein.
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Dieses Verfahren oder zumindest Teile davon kann/können ebenfalls in Form von Anweisungen in Software oder auf einem Computerprogrammprodukt implementiert oder gespeichert sein, wobei gespeicherte Anweisungen in der Lage sind, die Schritte nach dem Verfahren auszuführen, wenn das Verfahren auf einem Prozessor läuft. Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Software-Code (Softwareanweisungen), der ausgebildet ist, um eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen, wenn der Software-Code durch eine Verarbeitungseinheit ausgeführt wird. Die Verarbeitungseinheit kann jede Form von Computer oder Steuereinheit sein, die einen entsprechenden Mikroprozessor aufweist, der einen Software-Code ausführen kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen die obengenannte technische Aufgabe dadurch, dass Grenzwerte für definierte Schwankungsbreiten von Beschleunigungswerten oder von Drehraten überwacht und nachjustiert werden, wenn die Masse sich in der Zwischenzeit nicht geändert hat. Wenn die (tolerierbaren) Schwankungsbreiten auf diese Weise gelernt wurden, kann damit eine Detektion eines Beladungswechsels schnell und effizient vorgenommen werden. Diese Information wird von Ausführungsbeispielen genutzt, um den Prozess der Massebestimmung zurückzusetzen oder zumindest entsprechend anzupassen.
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Bei Fahrzeugkombinationen mit Anhängern kann zwar eine unmittelbare Erkennung eines Beladungswechsels auch durch eine Auswertung der Informationen der Anhängererkennung erfolgen. Außerdem kann bei Fahrzeugen oder Fahrzeugkombinationen, die über Achslastsensoren verfügen (im Zugfahrzeug und/oder im Anhänger), auch eine direkte Erkennung des Beladungswechsels erfolgen. Da diese Vorgehensweise jedoch nicht immer möglich ist bzw. nur unzureichende Resultate liefert, verbessern Ausführungsbeispiel die Sicherheit bei der Massebestimmung.
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das System zum Feststellen einer Ladungsänderung eines Nutzfahrzeuges.
- 2 veranschaulicht die Detektion einer Beladungsänderung basierend auf einer Schwankungsbreite des erfassten Beschleunigungswertes gemäß Ausführungsbeispielen.
- 3 veranschaulicht einen möglichen Lernprozess zur Bestimmung der tolerierbaren Maximalschwankungsbreite gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Masse M des Fahrzeuges bzw. dessen Beladung.
- 5 zeigt beispielhafte Messergebnisse für Fluktuationen von Sensordaten des Inertialsensors und deren Änderungen durch einen Beladungswechsel.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das System 100 zum Feststellen einer Beladungsänderung ΔM eines Nutzfahrzeuges 10, wobei das Nutzfahrzeug 10 ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) mit zumindest einem Inertialsensor 50 aufweist. Außerdem umfasst das Nutzfahrzeug 10 eine Steuereinheit 150, die ausgebildet ist, um eine Masse M1, M2 des Nutzfahrzeuges und/oder eine Masse M1, M2 einer Beladung des Nutzfahrzeuges abzuschätzen. Die Masse M1, M2 kann sich auf die Gesamtmasse des Nutzfahrzeuges oder nur auf die Beladung (Gesamtmasse abzüglich der Leermasse) beziehen. Das System 100 umfasst eine Einrichtung 110 zur Abfrage von Sensordaten des zumindest einen Inertialsensors 50. Außerdem umfasst das System eine Auswerteeinheit 120, die ausgebildet ist, um die Beladungsänderung ΔM festzustellen, wenn die abgefragten Sensordaten eine Maximalschwankungsbreite ΔA überschreiten.
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Die Steuereinheit 150 wird über eine festgestellte Ladungsänderung ΔM informiert, zum Beispiel über eine entsprechendes Datenverbindung 12, so dass die Steuereinheit 150 die Beladungsänderung ΔM bei der Abschätzung der Masse M1, M2 berücksichtigen kann. Die Steuereinheit 150 und die Auswerteeinheit 120 können verschiedene Komponenten des Fahrzeuges 10 sein. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist es jedoch ebenfalls möglich, dass die Steuereinheit 150 und die Auswerteeinheit 120 innerhalb einer einzigen Fahrzeugkomponente ausgebildet sind. So können sie in Form von Software in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der Inertialsensor 50 in der beispielhaften ESP-Einheit kann beispielsweise ein Dreiachsen-Inertialsensor sein, der zum Beispiel unabhängig voneinander drei verschiedene Beschleunigungswerte erfasst: Ax (entlang der Fahrzeuglängsrichtung), Ay (entlang der Fahrzeugquerrichtung), Az (entlang der vertikalen Richtung) bzw. entsprechend Drehraten um die entsprechenden Raumrichtungen. Es ist ebenfalls möglich, dass nicht nur ein Inertialsensor 50 vorhanden ist, sondern eine Vielzahl von Inertialsensoren in dem Fahrzeug 10 vorhanden sind, um unabhängig voneinander die Beschleunigungswerte und/oder Drehraten entlang der x-Achse (Ax) oder der y-Achse (Ay) oder der vertikalen z-Achse (Az) bzw. Drehraten um diese Achsen zu erfassen. Die x-Achse ist beispielsweise die Achse parallel zu einer üblichen Fahrtrichtung des Fahrzeuges, während die y-Achse senkrecht dazu in der horizontalen Ebene liegt.
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Die Erfindung soll jedoch nicht auf bestimmte Inertialsensoren 50 eingeschränkt werden, solange zumindest ein Beschleunigungswert und/oder eine Drehrate A messbar ist, der auf einen Beladungswechsel ΔM sich ändert. Im Folgenden werden häufig mehrere Beschleunigungs- oder Drehratenwerte A genannt, auch wenn die Erfindung darauf nicht eingeschränkt werden soll.
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Beispielhaft ist in der 1 auf der linken Seite der Fall gezeigt, wo das Nutzfahrzeug 10 einen Trailer aufweist, auf dem noch kein Container aufgesetzt wurde und das Nutzfahrzeug die Masse M1 hat. Rechts ist der Fall nach dem Aufsetzen des Containers gezeigt, sodass die Masse M2 (>M1) sich vergrößert hat. Das Aufsetzen selbst ist im Allgemeinen mit Vibrationen oder Ausschlägen in den Beschleunigungswerten/Drehraten A verbunden. Darüber hinaus wird kann auch der Ruhewert der Beschleunigungswerte/Drehraten A nach dem Aufsetzen verschoben sein, da der Masseschwerpunkt der Ladung unter realen Bedingungen nicht genau zentral liegen wird und die Erdbeschleunigung immer wirkt.
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Die Beschleunigungswerte bzw. Drehraten A werden vorzugsweise in einem Ruhezustand des Fahrzeuges 10 gemessen bzw. fortlaufend überwacht, um Änderungen sofort detektieren zu können. Der Ruhezustand (Stillstand) des Fahrzeuges 10 kann beispielsweise über eine Steuerelektronik des Fahrzeuges 10 festgestellt werden. Es versteht sich, dass während der Bewegung des Fahrzeuges 10 eine Vielzahl von Beschleunigungswerten/Drehraten A auftreten, die die Feststellung des Beladungswechsels ΔM fälschen könnten, sodass die Messung der Beschleunigungswerte/Drehraten A vorzugsweise im Stillstand ausgeführt wird.
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2 veranschaulicht die Detektion einer Beladungsänderung ΔM basierend auf einer Schwankungsbreite ΔA1, ΔA2 des erfassten Beschleunigungswertes A gemäß Ausführungsbeispielen. Auch wenn hier beispielhaft die Beschleunigungen erfasst werden, versteht es sich, dass ebenso Drehraten erfasst und ausgewertet werden können. In der 2 sind Beschleunigungswerte A als Funktion der Zeit t dargestellt, wie sie durch den Inertialsensor 50 beim Stillstand des Fahrzeuges 10 erfasst werden. Es kann eine diskrete oder kontinuierliche Erfassung von Beschleunigungswerten A sein, wobei ebenfalls Messungen während aufeinanderfolgenden Stillstandzeiten mitberücksichtigt werden können.
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Die erfassten Beschleunigungsfluktuationen schwanken zunächst zwischen einem minimalen Wert A1 und einem maximalen Wert A2 mit einer tolerierbaren Schwankungsbreite ΔA1. Solche Schwankungen können verschiedenste Ursachen haben. Z.B. kann ein vorbeifahrendes Fahrzeug, Wind oder andere Vibrationsquellen durch die Inertialsensor 50 detektiert werden. Die einzelnen Werte (siehe Kreuze), die zu einer Kurve zusammengefasst wurden, stellen dabei verschiedene Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten t dar bzw. umfassen zumindest stückweise Zeiträume, die während eines Stillstandes des Fahrzeuges 10 aufgezeichnet wurden.
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Zu einem Zeitpunkt t1 erfolgt ein plötzlicher Sprung des Beschleunigungswertes A und für Zeiten t > t1 schwanken die Beschleunigungswerte A zwischen einem Maximalwert A4 (>A2) und dem Minimalwert A1 oder einen höheren Wert A3. Für Zeiten t > t1 können wiederum mehrere Werte für die Beschleunigungswerte gemessen worden, die jetzt zu einem zweiten Beladungszustand (z.B. für die Masse M2 aus der 1) gehören. Die Beschleunigungswerte A sind wieder in einem Ruhezustand des Fahrzeuges 10 gemessen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist ein Überschreiten der Schwankungsbreite ΔA1 ein Hinweis auf eine Beladungsänderung ΔM. Die Auswerteeinheit 120 wird daher die Steuereinheit 150 darüber informieren, dass es zu einem (potentiellen) Massewechsel ΔM gekommen ist. Die Steuereinheit 150 kann dann diese Information nutzen, um die Masse erneut festzustellen bzw. den bisherigen Lernprozess zu unterbrechen und erneut zu beginnen (z. B. durch ein Zurücksetzen des Gedächtnisses).
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Das Überschreiten des Schwankungsbreite ΔA1 könnte aber auch ein Ausreißer sein, der keinem Beladungswechsel ΔM entspricht. Um dies zu berücksichtigen, können die Folgewerte für die Beschleunigung A berücksichtigt werden. An diesen Werten kann festgestellt werden, wie wahrscheinlich ein Beladungswechsel ΔM war. Wenn sich die neuen Schwankungen, wie in der 2A gezeigt, auf eine größere oder verschobene Schwankungsbreite ΔA2 (z.B. zwischen A4 und A3) einstellen bzw. mehrere starke Ausschläge detektiert wurden, dann handelt es sich höchstwahrscheinlich um Beladungswechsel ΔM. Wenn aber nur einige wenige Messungen außerhalb der alten Schwankungsbreite ΔA1 liegen und diesen nicht deutlich überschreiten, kann es sich unter Umständen nur um statistischen Ausreißerwert handelt, der höchstwahrscheinlich nicht mit einem Beladungswechsel verknüpft ist. Aus dem Folgeverhalten der Kurve A = A(t) kann somit eine Korrelation bestimmt werden, wie wahrscheinlich ein Beladungswechsel ΔM stattgefunden hat.
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Diese Wahrscheinlichkeit kann genutzt werden, um die früheren Werte bei der Massebestimmung (in dem Lernprozess) in der Steuereinheit 150 anders zu gewichten. Wenn die Wahrscheinlichkeit nahe 1 liegt (wie in der 2A), dann kann das Gedächtnis in dem Lernprozess der Massebestimmung gelöscht werden. Ansonsten können diese Werte weniger stark gewichtet werden, um die Ungewissheit, was zum Zeitpunkt t1 wirklich passierte, zu berücksichtigen.
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Im Prinzip kann für jede Masse eine bestimmte Schwankungsbreite ΔA definiert werden. Daher kann Schwankungsbreite ΔA als eine kontinuierliche Funktion der Masse M definiert werden. Dann ist es aber oft schwer Ausreißer korrekt zu behandeln, da die Wahrscheinlichkeit, ob es ein Ausreißer ist oder nicht, dann nur schwer zu entscheiden ist. Außerdem können kleinere Masseänderungen (z.B. ΔA in einem Bereich von 0,2 m/s2) tolerabel sein und keinen Beladungswechsel ΔM anzeigen. Es ist daher vorteilhaft, die potentiellen Masseänderungen ΔM in Klassen einzuteilen, so dass erst ab Überschreiten einer bestimmten Mindestmasseänderung (z.B. von 1 Tonne oder von 4 Tonnen) ein Beladungswechsel detektiert und entsprechend weitergeleitet wird.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele nutzen daher eine Klassifizierung der Beladung des Nutzfahrzeuges 10. Die Beladung kann dabei in verschiedene Beladungsklassen eingeteilt werden. Solche Beladungsklassen können beispielsweise eine Beladung von 0 bis 3 Tonnen, von 3 bis 6 Tonnen, von 6 bis 9 Tonnen, usw. oder andere Bereiche (z.B. in Schritten von 2 Tonnen oder 4 Tonnen oder 5 Tonnen) umfassen, so dass bei den Ermittlungen der Schwankungsbreite ΔA nur für jede Klasse eine eigene Schwankungsbreite definiert wird, deren Verletzung einen Hinweis für eine Beladungsänderung ΔM darstellt. Erst wenn diese Grenzen mehr oder weniger permanent verletzt werden, erfolgt eine mehr oder weniger starke Anpassung der Masseschätzung (z.B. andere Gewichtung des früheren Messresultate).
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Falls es zu einem vollständigen Zurücksetzen der Masseschätzung in der Steuereinheit 150 kommt, wird anschließend die Massebestimmung erneut durchführt, und zwar mit neuen gültigen Werten für das Fahrzeug 10 nach dem Beladungswechsel.
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Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann ein potentieller Beladungswechsel ΔM ebenfalls an den Fahrer ausgegeben werden, der ihn dann bestätigen kann oder auch nicht. In diesem Fall kann die Masseschätzung in der Steuereinheit 150 zurückgesetzt werden und das Gedächtnis des Lernprozesses gelöscht oder zumindest anders gewichtet werden. Wenn keine Bestätigung erfolgt kann der Lernprozess der Masse M und/oder der Schwankungsbreite ΔA fortgesetzt werden.
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3 veranschaulicht einen möglichen Lernprozess zur Bestimmung der tolerierbaren Schwankungsbreite ΔA, bei deren Verletzung ein Beladungswechsel angezeigt und z. B. der Steuereinheit 150 ein entsprechendes Signal gesandt wird. Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Schwankungsbreite ΔA nicht fest eingestellt, sondern in einem Lernprozess optimiert. Ein Anfangswert kann jedoch vorgegeben werden. Das System 100 kann somit die tolerierbare Schwankungsbreite ΔA selbst ermitteln (lernen) oder verbessern.
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Der Inertialsensor 50 zeichnet im Ruhezustand eine Vielzahl von Beschleunigungswerten/Drehraten A auf, die eine gewisse Schwankungsbreite ΔA1 zum Beispiel zwischen einem unteren Wert A1 und einem oberen Wert A2 aufweisen (zum Beispiel für die x-Komponente der Beschleunigung A). Solange der Beladungszustand sich nicht ändert, wird die Schwankungsbreite einen Wert ΔA1 aufweisen, der für das Fahrzeug 10, der genutzten ESP-Einheit, dem Einsatzort des Fahrzeuges etc. typisch ist. Hierfür kann zunächst eine Voreinstellung genutzt werden, die gemäß Ausführungsbeispielen durch einen Lernprozess geändert oder an die konkreten Gegebenheiten (insbesondere ans Fahrzeug) angepasst werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Steuereinheit 150 einen gegenwärtigen Beladungszustand bzw. eine ermittelte Änderung der Masse M an der Auswerteeinheit 120 übermittelt.
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Zu dem Zeitpunkt t0 kommt es beispielhaft zu einem Ausschlag für die Beschleunigung/Drehrate A, die außerhalb dieses Bereiches ΔA1 liegt. Daran anschließend werden zu den Zeitpunkte t2, t3 mehrere Beschleunigungswerte/Drehraten gemessen, die ebenfalls einen größeren Wert als die zuvor gemessene Schwankungsbreite ΔA1 aufweisen. Falls eine solche erhöhte Schwankungsbreite ΔA1 nicht mit einem Beladungswechsel korreliert, werden diese Werte genutzt, um die zulässige Schwankungsbreite ΔA1 in einem Ruhezustand für die gegebene Beladung zu korrigieren. Abgesehen von einer konkreten Benachrichtigung durch die Steuereinheit 150, ist von einem solchen Beladungswechsel ΔM dann auszugehen, wenn die Beschleunigungswerte/Drehraten A deutlich über den alten Grenzwert A2 liegt (diesen z.B. um mehr als 100% übersteigt).
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Die Auswerteeinheit 150 kann in Antwort auf das Überschreiten zum Zeitpunkt t0 ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 150 senden, die in einer folgenden Masseermittlung prüft, ob es zu signifikanten Änderungen zu den zuvor gemessenen Größen für die Masse M gekommen ist. Falls nicht, kann die erhöhte Schwankung zum Zeitpunkt t0 zur Korrektur der Schwankungsbreite ΔA1 genutzt werden. Falls jedoch die Steuereinheit 150 zu dem Folgezeitpunkt ebenfalls eine deutlich erhöhte Masse feststellt, liegt der erhöhte Beschleunigungswert/die erhöhte Drehrate A zum Zeitpunkt t0 wahrscheinlich an einem Beladungswechsel ΔM. Somit wird ein Lernprozess für die Ermittlung einer optimalen Schwankungsbreite ΔA des Beschleunigungswertes/der Drehrate A im Ruhezustand des Fahrzeuges in Gang gesetzt, der beispielsweise für eine bestimmte Zeit oder permanent ausgeführt werden kann, um die tolerierbare Schwankungsbreite ΔA des erfassten Beschleunigungswertes (oder der erfassten Drehrate) A zu optimieren.
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Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann die Entscheidung, ob es zum Zeitpunkt t0 zu einer Masseänderung ΔM gekommen ist auch anhand von Liftachspositionen ermittelt werden. So können bei Nutzfahrzeugen häufig die Achsen vertikal bewegt werden, um beispielsweise ein Ankoppeln eines Trailers zu erleichtern. Diese vertikale Position kann gemessen werden, wozu entsprechende Sensoren vorhanden sind. Falls es zu einer Beladungswechsel ΔM gekommen ist, kann sich ein solcher Beladungswechsel ΔM auch in einer Positionsänderung einer solchen beweglichen Achse zeigen. Diese Sensoren können eine solche vertikale Positionsänderung mitteilen, sodass diese Information gemäß Ausführungsbeispielen genutzt wird, um Masseänderung ΔM zum Zeitpunkt t0 anzuzeigen oder zu verneinen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist es ebenfalls möglich, direkt die vertikale Beschleunigung Az (oder die entsprechende Drehrate) zu messen (z. B. unter Nutzung eines separaten Sensors oder eines 3-Achsenlnertialsensors). Wenn für diesen Wert eine Mindestausschlag detektiert wird, ist dies ein deutlicher Hinweis für eine Beladungsänderung ΔM, die gemäß Ausführungsbeispielen genutzt wird, um die Massebestimmung zu beschleunigen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Masse M des Fahrzeuges 10 bzw. dessen Beladung. Dazu kann ein Drehmoment D einer Fahrzeugkomponente (z.B. eines angetriebenen Rades) gemessen werden und in Bezug gesetzt werden zu einer Beschleunigung a, die das Fahrzeug in Antwort auf dieses Drehmoment erfährt. Es versteht sich, dass nach den physikalischen Gesetzen ein wirkendes Drehmoment D auf das Fahrzeug 10 eine Kraft ausübt und somit zu einer Beschleunigung a führt.
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Im Idealfall besteht zwischen beiden Größen ein linearer Zusammenhang, wobei die Masse M des Nutzfahrzeuges 10 dem Anstieg entspricht. Jedoch ist unter realen Bedingungen ein solcher linearer Zusammenhang streng genommen nicht gegeben, da Reibungseffekte auftreten, die in der Regel von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges 10 abhängen. Dies sind z.B. Reibungskräfte zu der Straße oder Reibungskräfte der drehenden Komponenten und die von der Geschwindigkeit abhängen. Daher werden die Messwerte des Drehmomentes D und der resultierenden Beschleunigung a um den linearen Zusammenhang herum verstreut angeordnet sein. Aus einer Vielzahl von Messungen ist es jedoch möglich, den Wert der Masse M zu ermitteln bzw. zu lernen.
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Diese Masseschätzung kann in dem Elektronischen Bremssystem EBS integriert sein und wird den integrierten Bremssystemfunktionen sowie dem ESP zur Verfügung gestellt (als eine geschätzte Fahrzeugkombinationsmasse).
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In der 4 ist beispielhaft gezeigt, wie eine Masse M1 zu den mit Kreisen gekennzeichneten Messungen korreliert. Ein zweiter Massewert M2 (>M1) korreliert dementsprechend zu den Messwerten, die mit den Kreuzen dargestellt sind. Um die Masse zu bestimmen sind eine Vielzahl von Messungen erforderlich, wobei mittels einer statistischen Analysis die Masse M mehr oder weniger genau bestimmt bzw. verbessert werden kann. Dieser Prozess kann fortlaufend durchgeführt werden, z.B. während jeder Beschleunigung des Nutzfahrzeuges 10.
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Da es potentiell immer zu einem Beladungswechsel ΔM kommen kann, ist es vorteilhaft, dass ältere Messwerte entsprechend schwächer gewichtet oder gar nicht berücksichtigt werden. Damit wird erreicht, dass das System die neue Masse M2 nach einem Beladungsänderung ΔM mit der Zeit lernt und nach diesem Lernprozess die richtige Masse bestimmen kann. Konkret kann für diesen Lernprozess beispielsweise ein sogenannter RLS-Algorithmus genutzt werden, in welchem ebenfalls ein sogenanntes PT1-Filter zum Einsatz kommen kann. Im Allgemeinen dauert die Massebestimmung basierend auf diesen Algorithmen jedoch sehr lange. Allerdings kann dieser Prozess sehr lange. Die kann zu dem eingangs erwähnten erheblichen Sicherheitsrisiko führen kann.
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Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht gerade darin, dass der Beladungswechsel ΔM schnell und unabhängig von anderen Sensoren feststellbar ist und dazu genutzt wird, um das Ermitteln der Masse M schneller durchzuführen. So kann eine entsprechende Historie bei der Masseermittlung gelöscht bzw. anders gewichtet werden, wenn beispielsweise zum Zeitpunkt t0 oder zum Zeitpunkt t3 eine Masseänderung ΔM erkannt wurde und die Steuereinheit 150 veranlasst wurde, dies zu berücksichtigen. Die Masse kann daran anschließend erneut bestimmt werden. Durch die Eliminierung von offensichtlich falschen Messwerten (die von einer veralteten Masse ausgehen) kann schneller ein genaues Ergebnis erreicht werden, was einen großen Vorteil von Ausführungsbeispielen darstellt.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Feststellung einer Beladungsänderung. Dieses Verfahren kann ebenfalls Computer-implementiert sein, d.h. es kann durch Anweisungen umgesetzt sein, die auf einem Speichermedium gespeichert sind und in der Lage sind, die Schritte des Verfahrens auszuführen, wenn es auf einem Prozessor läuft. Die Anweisungen umfassen typischerweise eine oder mehrere Anweisungen, die auf unterschiedliche Art auf unterschiedlichen Medien in oder peripher zu einer Steuereinheit (mit einem Prozessor) gespeichert sein können, die, wenn sie gelesen und durch die Steuereinheit ausgeführt werden, die Steuereinheit dazu veranlassen, Funktionen, Funktionalitäten und Operationen auszuführen, die zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig sind.
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5 zeigt beispielhafte Messergebnisse, die beispielhaft einen ersten Beladungswechsel bei einer Zeit von ca. 100s und einen zweiten Beladungswechsel bei einer Zeit von ca. 140s veranschaulichen. Diese Beladungswechsel sind sowohl in der Längsbeschleunigung Ax (oben) und in der Querbeschleunigung Ay (Mitte) als auch in der Drehrate (unten) eindeutig in dem Schwingungsmuster erkennbar. Um den Beladungswechsel besser detektieren zu können wird optional eine Filterung vorgenommen (siehe gefilterte Messgrößen), die die Schwankungsbreite deutlich reduziert und bessere Detektionssignale liefern kann. So nimmt bei den beispielhaften Beladungswechseln die Schwankungsbreite der gefilterten Größen deutlich zu (z.B. mehr als eine Verdopplung), während sie ansonsten relativ gering ist.
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Das rampenförmige Ansteigen der Längsbeschleunigungen Ax zwischen den Beladungswechseln ist eine Folge der Nachjustierung der Luftfederung.
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Weitere vorteilhafte Aspekte können wie folgt zusammengefasst werden:
- Ein Stillstand eines Fahrzeugs kann sicher erkannt werden (z.B. über Drehzahlsensoren). Heutige Nutzfahrzeuge (Zugfahrzeuge) verfügen meist über eine ESP Sensorik zur Erfassung von Längs- und Querbeschleunigung sowie der Drehrate im Zugfahrzeug. Gemäß Ausführungsbeispielen werden im Stillstand zumindest die Quer- und/oder Längsbeschleunigung bzw. deren Ableitungen (auch höhere Art) beobachtet/erfasst. Eine Beladungsänderung ΔM wird sich in diesen Signalen z.B. durch Schwingung bei Aufsetzen eines Containers oder durch einen Offset (vor allem) in der Längsbeschleunigung durch einen geänderten Neigungswinkel zeigen. Feste Werte für die Änderung des/der Beschleunigungssignal/e bzw. daraus abgeleiteten Größen, bei denen eine Beladungsänderung ΔM erkannt wird, können festlegt werden.
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In weiteren Ausführungsformen werden diese Grenzwerte gelernt. Hierzu wird das Maximum während der Stillstandzeiten beobachtet. Nach einer erfolgreichen Masseschätzung (nach dem Stillstand) wird mit hoher Qualität feststellt, ob das Maximum einer Beladungsänderung ΔM oder einer unveränderten Beladung zugeordnet werden muss. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn unterschiedliche Fahrzeugtypen sich unterschiedlich verhalten. Hierbei hat insbesondere die Federungsart (Luft oder Stahlfederung) einen Einfluss auf die Änderung des Neigungswinkels durch die Beladungsänderung ΔM.
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In weiteren Ausführungsformen wird das Quer- und/oder Längsbeschleunigungssignal, welches im Anhänger erfasst und über eine Trailer CAN Verbindung nach ISO11992 zum Zugfahrzeug übermittelt wird, in gleicher Weise (zusätzlich oder ausschließlich) wie im Zugfahrzeug ermittelt.
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In weiteren Ausführungsformen wird kein digitales Signal bei einer Beladungsänderung ΔM (d.h. ja/nein) erzeugt, sondern geschätzt, wie groß die Beladungsänderung ΔM ist. Dies wird durch Vergleich des Maximums mit einem offline festgelegten oder gelernten Grenzwert vergleichen.
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In weiteren Ausführungsformen wird nicht nur das Maximum, sondern auch die Frequenz der Sensordaten A (Querbeschleunigung/en und/oder Längsbeschleunigung/en und/oder Vertikalbeschleunigung/en und/oder Drehrate/n) bzw. deren Ableitungen als Entscheidungskriterium herangezogen.
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In weiteren Ausführungsformen wird bei Fahrzeugen 10 (Zugfahrzeug und/oder Anhänger) mit wenigstens einer liftbaren Achse eine Änderung der Liftachsposition während eines Stillstands oder bei langsamer Fahrt als Entscheidungskriterium für eine Beladungsänderung ΔM herangezogen. Die Liftachsposition kann z.B. über eine CAN Botschaft bestimmt oder bei ggf. vorhandenen Raddrehzahlsensoren aus deren Drehzahl während langsamer Fahrt geschlossen werden.
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In weiteren Ausführungsformen werden nur Beladungsänderungen ΔM erkannt, die eine bestimmte Höhe übersteigen. Da kleine Beladungsänderungen ΔM keinen signifikanten Einfluss auf die Brems- und Fahrdynamikregelsysteme.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nutzfahrzeug
- 50
- Inertialsensor
- 100
- System zum Feststellen der Ladungsänderung
- 110
- Einrichtung zur Abfrage von Sensordaten
- 120
- Auswerteeinheit
- 150
- Steuereinheit
- ΔM
- Beladungsänderung
- A
- Sensordaten des Inertialsensors
- ΔA
- Maximalschwankungsbreite der Inertialsensordaten (z.B. Beschleunigung(en) oder Drehrate(n))
- a
- Fahrzeugbeschleunigung
- D
- Drehmoment
