DE102019117981A1

DE102019117981A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019117981A1
Application number: DE102019117981.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Maximilian Montenbruck; Florian Büttner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Vorrichtung (200) und Verfahren zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug (100), wobei eine Längsbeschleunigung (ax) des Fahrzeugs (100) bestimmt wird, wobei ein Radmoment (M) eines Rades (102) des Fahrzeugs (100) bestimmt wird, wobei eine Raddrehzahl (ω) des Rades (102) bestimmt wird, wobei eine Ableitung der Raddrehzahl bestimmt wird, wobei abhängig von der Längsbeschleunigung (ax), der Raddrehzahl (ω) und der Ableitung der Raddrehzahl eine Größe bestimmt wird, die eine Änderung einer Schlupfsteifigkeit definiert, wobei abhängig vom Radmoment (M) eine Aufstandskraft (FN) und eine Längskraft (Fx) bestimmt wird, wobei die Schlupfsteifigkeit abhängig von der Größe, einem Rollradius (r) des Rades, der Aufstandskraft (FN) und der Längskraft (Fx) bestimmt wird, und wobei ein Reibwert abhängig von der Schlupfsteifigkeit bestimmt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug.
Ein Fahrzeug interagiert über seine Reifen mit dem Untergrund auf dem sich das Fahrzeug befindet. Der Reibwert gibt einen Zusammenhang zwischen Aufstands- und Reibungskraft für die Kraftübertragung zwischen Reifen und Untergrund an.
Herkömmliche Verfahren zur Reibwertermittlung bestimmen einen Reibwert abhängig von einer Schlupfsteifigkeit. Dazu werden beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit und die Aufstandskraft sowie die Radmomente eines Rades oder die Aufstandskräfte sowie die Radmomente mehrerer Räder bestimmt, und der Reibwert abhängig von der Schlupfsteifigkeit geschätzt. Herkömmliche Verfahren verwenden dazu beispielsweise Kalman-Filter.
Wünschenswert ist es, die Reibwertermittlung demgegenüber zu verbessern.
Dies wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Ein Verfahren zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug sieht vor, dass eine Längsbeschleunigung des Fahrzeugs bestimmt wird, wobei ein Radmoment eines Rades des Fahrzeugs bestimmt wird, wobei eine Raddrehzahl des Rades bestimmt wird, wobei eine Ableitung der Raddrehzahl bestimmt wird, wobei abhängig von der Längsbeschleunigung, der Raddrehzahl und der Ableitung der Raddrehzahl eine Größe bestimmt wird, die eine Änderung einer Schlupfsteifigkeit definiert, wobei abhängig vom Radmoment eine Aufstandskraft und eine Längskraft bestimmt wird, wobei die Schlupfsteifigkeit abhängig von der Größe, einem Rollradius des Rades, der Aufstandskraft und der Längskraft bestimmt wird. Zur Reibwertermittlung wird nicht die Schlupfsteifigkeit direkt geschätzt, sondern eine zeitliche Änderung betrachtet, die die Änderung der Schlupfsteifigkeit definiert. Diese zeitliche Änderung wird geschätzt auf Basis der Beschleunigungen im Fahrzeug. Dazu werden beispielsweise Beschleunigungssensoren des Fahrzeugs verwendet. Beispielsweise liefert die Inertiale Messeinheit, IMU, eine räumliche Kombination mehrerer Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, Beschleunigungswerte in Längsrichtung mit denen der Reibwert besonders gut geschätzt wird, ohne die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs zuverlässig zu kennen. Diese Reibwertbestimmung hat im Antriebsfall insbesondere bei Allrad getriebenen Fahrzeugen Vorteile. Bei Fahrzeugen mit einer angetriebenen Achse kann die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs in vielen Situationen abhängig von der geschleppten Achse hinreichend genau ermittelt werden. Dazu können beispielsweise Raddrehzahlsensoren an der geschleppten Achse verwendet werden. Dies ist bei Allrad getriebenen Fahrzeugen nicht möglich, da alle angetriebenen Reifen ständig schlupfen, sodass die Raddrehzahlsensoren falsche Werte liefern.
Vorzugsweise wird die Größe, die eine Änderung einer Schlupfsteifigkeit definiert, abhängig der Differentialgleichung $\dot{x} = \frac{a_{x}}{ω} - \frac{\dot{ω}}{ω} x$
bestimmt. Die Änderung der Schlupfsteifigkeit, d.h. die zeitliche Ableitung der Schlupfsteifigkeit, wird auf Basis der Beschleunigungen im Fahrzeug, insbesondere der Längsbeschleunigung, d.h. der Beschleunigung in Längsrichtung x geschätzt.
In einem Aspekt definiert die Schlupfsteifigkeit einen linearen Zusammenhang zwischen einem Schlupf und dem Reibwert. Der lineare Zusammenhang stellt eine Schlupfkennlinie dar. Die Schlupfkennlinie weist für unterschiedliche Reibwerte eine unterschiedliche Steigung, d.h. Schlupfsteifigkeit auf.
Vorzugsweise wird die Längsbeschleunigung von einer inertialen Messeinheit gemessen. Das erhöht die Genauigkeit der Schätzung insbesondere für Allrad getriebene Fahrzeuge.
Vorzugsweise wird die Längsbeschleunigung abhängig von einer räumlichen Kombination der Beschleunigungen, die von mehreren Beschleunigungssensoren erfasst werden, bestimmt. Die Berücksichtigung mehrerer räumlich angeordneter Beschleunigungssensoren erhöht die Genauigkeit der daraus bestimmten Längsbeschleunigung und die Zuverlässigkeit der Reibwertbestimmung.
Vorzugsweise wird die Längsbeschleunigung abhängig von einer Drehrate bestimmt, die von einem Drehratensensor erfasst wird. Dies erhöht die Zuverlässigkeit zusätzlich.
Vorzugsweise wird das Fahrzeug abhängig vom Reibwert angesteuert.
Eine Vorrichtung zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug umfasst einen Eingang für Daten oder Signale, die eine Längsbeschleunigung des Fahrzeugs, ein Radmoment eines Rades des Fahrzeugs und eine Raddrehzahl des Rades definieren, wobei die Vorrichtung eine Recheneinrichtung und einen Speicher umfasst, die ausgebildet sind, abhängig von der Längsbeschleunigung, dem Radmoment und der Raddrehzahl das beschriebene Verfahren auszuführen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine inertiale Messeinheit, die ausgebildet ist, die Längsbeschleunigung für den Eingang zu erfassen. Damit wird die Längsbeschleunigung besonders zuverlässig bestimmt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Drehratensensor, der ausgebildet ist, eine Drehrate des Fahrzeugs zu erfassen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, die Längsbeschleunigung abhängig von der Drehrate zu bestimmen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit zusätzlich.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Aktuator, der ausgebildet ist, das Fahrzeug abhängig vom Reibwert anzusteuern.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

1 Teile eines Fahrzeugs,
2 Teile einer Vorrichtung zur Reibwertbestimmung,
3 Schritte in einem Verfahren zur Reibwertbestimmung.

In 1 ist eine schematische Darstellung von Teilen eines Fahrzeugs 100 abgebildet. Das Fahrzeug 100 umfasst mehrere Räder 102. Bei einem Allrad getriebenen Fahrzeug 100 sind alle Räder 102 antreibbar. Bei einem einachsig angetriebenen Fahrzeug sind die Räder der angetriebenen Achse antreibbar.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Reibwerts für ein angetriebenes Rad 102 beschrieben. Die Bestimmung des Reibwerts für einzelne Räder ermöglicht eine präzisere Regelung der Kräfteverhältnisse am Rad individuell. Für manche Anwendungen kann eine Reibwertbestimmung für das Fahrzeug 100 sinnvoll sein. Dazu können die Reibwerte der einzelnen Räder bestimmt und beispielsweise gemittelt werden.
Die Kräfteverhältnisse an einem angetriebenen Rad 102 sind in 1 schematisch dargestellt. Das angetriebene Rad 102 hat einen Rollradius r und dreht von einem Radmoment M angetrieben mit einer Drehzahl ω. Aufgrund einer Aufstandskraft F_N , die von einer Masse des Fahrzeugs 100 abhängt, kann das angetriebene Rad 102 eine Längskraft F_x übertragen, mit der das Fahrzeug 100 mit einer Längsbeschleunigung a_x beschleunigt wird. Das Fahrzeug 100 umfasst eine inertiale Messeinheit 104, die die Längsbeschleunigung a_x erfasst.
Das Fahrzeug 100 befindet sich auf einem Untergrund 106. Abhängig von der Beschaffenheit des Untergrunds 106 kann das angetriebene Rad 102 mehr oder weniger Längskraft F_x auf den Untergrund 106 übertragen.
Im Antriebsfall dreht das angetriebene Rad 102 bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v_x mit einem Schlupf $λ = \frac{r ω}{v_{x}} .$
Eine Schlupfkurve definiert für eine Bewegung in Längsrichtung x einen linearen Zusammenhang zwischen dem Schlupf λ und einem Reibwert µ_x.
Eine Vorrichtung 200 zur Reibwertermittlung für das Fahrzeug 100 ist in 2 schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung 200 umfasst einen Eingang 202 für die Längsbeschleunigung a_x des Fahrzeugs 100, für das Radmoment M des angetriebenen Rades 102 des Fahrzeugs 100 und für die Raddrehzahl ω des Rades 102.
Die Vorrichtung 200 umfasst eine Recheneinrichtung 204 und einen Speicher 206, die ausgebildet sind, abhängig von der Längsbeschleunigung a_x des Fahrzeugs 100, dem Radmoment M des angetriebenen Rades 102 des Fahrzeugs 100 und der Raddrehzahl ω des angetriebenen Rades 102 am Eingang 202 das folgende Verfahren auszuführen.
Die Vorrichtung 200 kann die inertiale Messeinheit 104 umfassen, die ausgebildet ist, die Längsbeschleunigung a_x für den Eingang 202 zu erfassen. Die Vorrichtung 200 kann einen Drehratensensor umfassen, der ausgebildet ist, eine Drehrate des Fahrzeugs 100 zu erfassen. In diesem Fall ist die Vorrichtung 200 ausgebildet, die Längsbeschleunigung a_x abhängig von der Drehrate zu bestimmen. Dazu kann eine Fahrzeugmodellberechnung verwendet werden, die einen Zusammenhang von Drehrate zur Längsbeschleunigung a_x definiert.
Die Vorrichtung 200 kann einen Raddrehzahlfühler umfassen, der die Raddrehzahl ω misst. Die Vorrichtung kann einen Momentengeber umfassen, der das Radmoment M misst. Diese Größen können auch abhängig von anderen Größen, beispielsweise einem Antriebsmoment, der Längsbeschleunigung a_x oder einer Motordrehzahl, die von anderen Sensoren gemessen oder mittels Modellbildung bestimmt sind, vorgegeben werden.
Der Speicher 206 umfasst im Beispiel eine Kurvenschar mit einer Vielzahl Schlupfkurven. In 2 sind eine erste Schlupfkurve µ_h mit einem hohen Reibwert für einen Untergrund 106 bestehend aus Asphalt und eine zweite Schlupfkurve µ_l mit einem gegenüber dem hohen Reibwert niedrigen Reibwert für einen Untergrund 106 bestehend aus Schnee oder Schotter dargestellt.
Allgemein ist der Reibwert µ_x in Längsrichtung x definiert als $μ_{x} = \frac{F_{x}}{F_{z}} = k_{x} λ .$
Die Schlupfsteifigkeit k_x definiert die Steigung der Schlupfkennlinie. Eine erste Schlupfsteifigkeit k_h der ersten Schlupfkurve µ_h ist im Beispiel größer als eine zweite Schlupfsteifigkeit k_l der zweiten Schlupfkurve µ_l.
Das Verfahren zur Reibwertermittlung sieht vor, dass in einem Schritt 302 die Längsbeschleunigung a_x des Fahrzeugs 100 bestimmt wird. Die Längsbeschleunigung a_x wird beispielsweise von einer inertialen Messeinheit 104 gemessen. Die Längsbeschleunigung a_x kann auch abhängig von einer räumlichen Kombination der Beschleunigungen, die von mehreren Beschleunigungssensoren erfasst werden, bestimmt werden. Die Längsbeschleunigung a_x kann in einem Aspekt abhängig von der Drehrate bestimmt werden, die von dem Drehratensensor erfasst wird.
In einem Schritt 304 wird das Radmoment M des angetriebenen Rades 102 bestimmt. Das Radmoment M wird beispielsweise am Rad gemessen, oder aus der Längsbeschleunigung a_x oder einem Antriebsmoment eines Motors des Fahrzeugs 100 geschätzt.
In einem Schritt 306 wird die Raddrehzahl ω des angetriebenen Rades 102 bestimmt. Die Raddrehzahl ω wird beispielsweise von einem Raddrehzahlfühler gemessen.
In einem Schritt 308 wird eine Ableitung ω̇ der Raddrehzahl des angetriebenen Rades 102 bestimmt. Die Ableitung ω̇ der Raddrehzahl ω wird beispielsweise aus der Raddrehzahl ω berechnet, oder aus inkrementellen Signalen vom Raddrehzahlfühler bestimmt. Wenn die Ableitung ω̇ der Raddrehzahl aus inkrementellen Signalen bestimmt wird, kann die Raddrehzahl ω durch Integration der Ableitung ω̇ der Raddrehzahl ω bestimmt werden.
Die Schritte 302 bis 308 können in der beschriebenen Reihenfolge oder einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden.
In einem Schritt 310 wird abhängig vom Radmoment M des angetriebenen Rades 102 die Aufstandskraft F_N und die Längskraft F_x bestimmt. Die Aufstandskraft F_N ist beispielsweise abhängig von der Anzahl der Räder und der Masse des Fahrzeugs 100 vorgegeben als Quotient aus Masse und Anzahl der Räder. Dynamische Lastverschiebungen bei der Beschleunigung können mit einer Korrektur der Aufstandskraft F_N abhängig von der Längsbeschleunigung a_x berücksichtigt werden. Die Längskraft F_x wird beispielsweise abhängig vom Radmoment M und dem Rollradius des Rades r bestimmt: $F_{x} = \frac{M}{r} .$
In einem Schritt 312 wird abhängig von der Längsbeschleunigung a_x , der Raddrehzahl ω und der Ableitung ω̇ der Raddrehzahl eine Größe x bestimmt, die die Änderung der Schlupfsteifigkeit k_x definiert.
Die Größe x, die die Änderung einer Schlupfsteifigkeit definiert, wird abhängig von der Differentialgleichung $\dot{x} = \frac{a_{x}}{ω} - \frac{\dot{ω}}{ω} x$
insbesondere durch Integration der Differentialgleichung bestimmt.
In einem Schritt 314 wird die Schlupfsteifigkeit k_x abhängig von der Größe x, dem Rollradius r, der Aufstandskraft F_N und der Längskraft F_x beispielsweise wie folgt bestimmt: $k_{x} = \frac{F_{x}}{F_{z} (\frac{r}{x} - 1)}$
In einem Schritt 316 wird der Reibwert µ_x abhängig von der Schlupfsteifigkeit k_x bestimmt.
Der Reibwert µ_x betrifft die Längsrichtung x für ein angetriebenes Rad. Ein Reibwert für das Fahrzeug 100 oder für den Untergrund 106 kann beispielsweise durch Bestimmung des Reibwerts aller Räder und deren Mittelung bestimmt werden.
In einem Aspekt ist vorgesehen, das Fahrzeug 100 oder das angetriebene Rad 102, für welches der Reibwert µ_x bestimmt wurde, durch einen weiteren Schritt des Verfahrens abhängig von diesem Reibwert anzusteuern. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung einen Aktuator, der das Fahrzeug entsprechend ansteuert. Beispielsweise ist der Reibwert µ_x eine Größe für eine Stabilitätsregelung auf unterschiedlichen Untergründen oder dient der Bestimmung eines Parameters für diese Stabilitätsregelung.

Claims

Verfahren zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug (100), dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsbeschleunigung (a_x) des Fahrzeugs (100) bestimmt wird (302), wobei ein Radmoment (M) eines Rades (102) des Fahrzeugs (100) bestimmt wird (304), wobei eine Raddrehzahl (ω) des Rades (102) bestimmt wird (306), wobei eine Ableitung (ω̇) der Raddrehzahl bestimmt wird (308), wobei abhängig von der Längsbeschleunigung (a_x), der Raddrehzahl (ω) und der Ableitung (ω̇) der Raddrehzahl eine Größe (x) bestimmt wird (312), die eine Änderung einer Schlupfsteifigkeit (k_x) definiert, wobei abhängig vom Radmoment (M) des Rades eine Aufstandskraft (F_N) und eine Längskraft (F_x) bestimmt wird (310), wobei die Schlupfsteifigkeit (k_x) abhängig von der Größe (x), einem Rollradius (r) des Rades, der Aufstandskraft (F_N) und der Längskraft (F_x) bestimmt wird (314), und wobei ein Reibwert (µ_x) abhängig von der Schlupfsteifigkeit (k_x) bestimmt wird (316).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe (x), die eine Änderung einer Schlupfsteifigkeit definiert, abhängig der Differentialgleichung $\dot{x} = \frac{a_{x}}{ω} - \frac{\dot{ω}}{ω} x$
bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupfsteifigkeit (k_x) einen linearen Zusammenhang zwischen einem Schlupf (λ) und dem Reibwert (µ_x) definiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbeschleunigung (a_x) von einer inertialen Messeinheit (104) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbeschleunigung (a_x) abhängig von einer räumlichen Kombination der Beschleunigungen, die von mehreren Beschleunigungssensoren erfasst werden, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbeschleunigung (a_x) abhängig von einer Drehrate bestimmt wird, die von einem Drehratensensor erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug abhängig vom Reibwert (µ_x) angesteuert wird.
Vorrichtung (200) zur Reibwertermittlung für ein Fahrzeug (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) einen Eingang (202) für Daten oder Signale umfasst, die eine Längsbeschleunigung (a_x) des Fahrzeugs (100), ein Radmoment (M) eines Rades (102) des Fahrzeugs (100) und eine Raddrehzahl (ω) des Rades (102) definieren, wobei die Vorrichtung eine Recheneinrichtung (204) und einen Speicher 206 umfasst, die ausgebildet sind, abhängig von der Längsbeschleunigung (a_x), dem Radmoment (M) und der Raddrehzahl (ω) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) eine inertiale Messeinheit (104) umfasst, die ausgebildet ist, die Längsbeschleunigung (a_x) für den Eingang (202) zu erfassen.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) einen Drehratensensor umfasst, der ausgebildet ist, eine Drehrate des Fahrzeugs zu erfassen, wobei die Vorrichtung (200) ausgebildet ist, die Längsbeschleunigung (a_x) abhängig von der Drehrate zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Aktuator umfasst, der ausgebildet ist, das Fahrzeug abhängig vom Reibwert (µ_x) anzusteuern.