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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrstabilität von Kraftfahrzeugen bei Geradeausfahrt, Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Fahrstabilitätsregelung für ein Kraftfahrzeug vom Typ mit vor- und nachspurfreier Vorder- und/oder Hinterachse.
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Damit ein Kraftfahrzeug stabil geradeaus fährt, werden die Räder der Vorderachse zumeist mit einer statischen Vorspur eingestellt. Dies bedeutet, dass der Abstand der Felgenhörner der Räder in Fahrtrichtung vor den Radmittelpunkten der Vorderachse kleiner ist, als der Abstand hinter den Radmittelpunkten. Eine statische Vorspur an der Vorderachse bedingt somit einen gewissen Schräglauf der Fahrzeugräder, welcher durch die hieraus resultierenden Seitenkräfte für die Geradeausfahrt stabilisierend wirkt, jedoch zusätzliche Reibung erzeugt und damit den Radwiderstand tendenziell erhöht.
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Durch den Entfall dieser statischen Vorspur und die damit herabgesetzte Reibung könnten Kraftstoff und CO2 nur auf Kosten der Fahrstabilität eingespart werden.
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Aus
DE 10 2017 221 379 A1 ist eine Fahrstabilitätsregelung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem Vor-/Nachspur bei Geradeausfahrt möglichst klein, idealerweise mit Null eingestellt werden sollen und Abweichungen beim Geradeauslauf über eine Fahrzeuglenkung auszukorrigieren.
DE 10 2017 221 379 A1 schlägt hierzu vor, eine Abweichung des Werts einer für Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe zu dem Sollwert besagter Größe für Geradeausfahrt zu ermitteln, beispielsweise die Giergeschwindigkeit oder Querbeschleunigung, und die ermittelte Abweichung durch eine fahrerunabhängige Betätigung einer Fahrzeuglenkung auszuregeln.
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Ferner ist aus
DE 10 2014 204 461 A1 Verfahren zur Stabilisierung des Geradeauslaufs eines Kraftfahrzeugs. Bei diesem soll beispielsweise ein Abdriften bei seitlich abfallender Fahrbahn oder aufgrund von Seitenwind verhindert werden.
DE 10 2014 204 461 A1 lehrt hierzu, aus erfassten Daten zur Fahrdynamik, wie beispielsweise Giergeschwindigkeit oder Querbeschleunigung zunächst den Zustand eines Geradeauslaufs des Fahrzeugs durch ein „Pull-Drift-Compensation“ System zu erfassen. Im Zustand des Geradeauslaufs wird dann das am Lenksystem anliegende bzw. aufzubringende Drehmoment gemessen, welches seitens der das Fahrzeug lenkenden Person aufgebracht wird, um den Geradeauslauf des Fahrzeugs beizubehalten, d.h. es wird zunächst gemessen, wie stark der Fahrer gegenlenkt, also aktiv die Lenkung betätigt. Anschließend diese Notwendigkeit zum Gegenlenken durch Betätigung der Lenkunterstützung ausgeschlichen. Aus dem gemessenen Drehmoment des Fahrers wird ein finales Kompensationsdrehmoment berechnet. Die aktive Lenkunterstützung wird mit dem finalen Kompensationsdrehmoment zur Gegenkompensation des am Lenksystem anliegenden und zuvor gemessenen Drehmoments angesteuert, um die lenkende Person bei der Einhaltung des Geradeauslaufs zu unterstützen. Damit soll erreicht werden, dass sich die Fahrdynamik und gegebenenfalls das subjektive Fahrempfinden der das Fahrzeug steuernden Person verbessern. Dieses positive Fahrempfinden soll im Wesentlichen darauf beruhen, dass zur Aufrechterhaltung des Geradeauslaufs des Fahrzeugs von der lenkenden Person keine Lenkkräfte aufgebracht werden müssten. Zudem werde damit die Fahrsicherheit erhöht, da sich das Fahrzeug entsprechend der visuell wahr genommen Erwartung der lenkenden Person verhalte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den oben erwähnten Zielkonflikt aufzulösen, und hierzu in Fortführung des diesbezüglichen Lösungsansatzes aus
DE 10 2017 221 379 A1 alternative Ansätze für eine effiziente Fahrstabilitätsregelung aufzuzeigen.
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Hierzu wird gemäß Patentanspruch 1 eine Fahrstabilitätsregelung für ein Kraftfahrzeug mit vor- und nachspurfreier Vorder- und/oder Hinterachse vorgeschlagen, bei der eine Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs ohne aktiven Lenkeingriff des Fahrers erfasst wird, wozu ein aktueller Lenkradwinkel oder ein Moment an der Lenkungshandhabe überwacht oder ein Kurvenradius größer als ein vorgegebener Grenzwert erfasst werden, bei Feststellen einer Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs ohne aktiven Lenkeingriff des Fahrers der Wert einer für Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt wird, eine Abweichung dieses Werts zu dem Sollwert besagter Größe für Geradeausfahrt ermittelt wird, und die ermittelte Abweichung durch eine fahrerunabhängige Betätigung einer Fahrzeuglenkung ausgeregelt wird.
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Erfindungsgemäß wird bei Geradeausfahrt, d.h. in einer Situation, in der eine fehlende Stabilität dem Fahrer unmittelbar auffallen würde, eine automatische Kompensation über die Fahrzeuglenkung vorgenommen.
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Diese aktive Stabilisierung des Geradeauslaufs ermöglicht es, ohne Verluste bei der Fahrstabilität und beim Fahrkomfort beim Geradeausfahren auf herkömmliche passive mechanische Maßnahmen, nämlich beispielsweise das Einstellen eines statischen Vorspurwinkels an der Vorderachse, zu verzichten. Dem Fahrer bleiben hierdurch etwaig nötige korrigierende Lenkeingriffe an der Lenkungshandhabe zur Aufrechterhaltung der Geradeausfahrt erspart.
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Übliche statische Vorspurwinkel an der Vorderachse liegen in der Größenordnung von etwa 10 bis 30 Bogenminuten. Als vor- und nachspurfreie Vorder- und/oder Hinterachsen werden vorliegend solche angesehen, bei welchen der statische Spurwinkel kleiner als +/- eine Bogenminute ist.
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Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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So kann insbesondere die Ausregelung der ermittelten Abweichung in Bezug auf eine vom Fahrer zu betätigende Lenkungshandhabe rückwirkungsfrei vorgenommen werden, wodurch dieser von entsprechenden Lenkeingriffen nichts mitbekommt. Hierdurch wird ein hoher Handhabungskomfort gewährleistet.
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Die Stabilisierungseingriffe zur Ausregelung der ermittelten Abweichungen können beispielsweise über eine Steer-by-wire-Lenkung oder eine Überlagerungslenkung dargestellt werden, welche mit den gelenkten Vorderrädern des Kraftfahrzeugs zusammenwirkt. Beide Lenksysteme gestatten es auf einfache Art und Weise, einen korrigierenden Lenkwinkel an den Fahrzeugrädern einzustellen, ohne dass der Fahrer dies an der Lenkungshandhabe durch eine entsprechende Reaktion derselben spüren würde.
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Die Ausregelung der ermittelten Abweichungen kann gegebenenfalls auch über eine Hinterachslenkung vorgenommen werden. In diesem Fall kann für die Vorderachse eine herkömmliche elektrohydraulische oder elektromechanische Lenkung zum Einsatz kommen, bei welcher der Lenkradwinkel an der Lenkungshandhabe fest mit dem eingestellten Radeinschlagwinkel verknüpft ist. Durch die Korrektur über die Hinterachse bleibt die Stabilisierung der Geradeausfahrt auch in diesem Fall für den Fahrer an der Lenkungshandhabe rückwirkungsfrei.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Fahrzeuglenkung eine Lenkstange auf, welche die gelenkten Fahrzeugräder synchron miteinander koppelt.
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Hierdurch bleibt der Aufbau der Lenkung einfach. Ein Stabilisierungseingriff wird entsprechend stets gleichermaßen an beiden Fahrzeugrädern zur Wirkung gebracht.
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Die Ausregelung der ermittelten Abweichung erfolgt vorzugsweise mittels eines PID-Reglers oder mittels eines Zustandsreglers. Über diese Regler lässt sich die Dynamik der Ausregelung der ermittelten Abweichungen sehr gut an das jeweilige Fahrzeug anpassen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist oder beinhaltet die für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe die Ist-Gierrate des Kraftfahrzeugs, wobei der Sollwert für die Gierrate bei Geradeausfahrt mit 0°/s angesetzt ist. Unter der Gierrate wird vorliegend die Geschwindigkeit der Drehung des Fahrzeugs um seine Hochachse verstanden.
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Ferner kann die für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe die Ist-Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs beinhalten oder sein, wobei der Sollwert für die Querbeschleunigung bei Geradeausfahrt mit 0 m/s2 angesetzt ist.
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Da die Gierrate die Ableitung des Gierwinkels ist und somit direkt mit der Orientierung des Fahrzeugs verknüpft ist, wird eine Regelung unter Einbeziehung der Ist-Gierrate einer Regelung allein über die ist-Querbeschleunigung vorzuziehen sein.
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Die für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe oder Größen werden vorzugsweise mittels eines Sensors gemessen. Im Rahmen eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) sind solche Sensoren an einem zeitgemäßen Kraftfahrzeug in der Regel vorhanden. Die entsprechenden Größen können dementsprechend zumeist ohne großen Mehraufwand aus einem ESP-Steuergerät ausgelesen werden.
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Beim Durchfahren enger Kurven stellt die fehlende statische Vorspur an der Vorderachse für Stabilität und Komfort kein Problem dar, da in solchen Situationen in Abhängigkeit des Aufbaus der Vorderachse Vor- und/oder Nachspureffekte ohnehin auftreten, so dass ein aus der fehlenden statischen Vorspur eventuell resultierender Korrekturbedarf von anderen Effekten so stark überlagert wird, dass der Fahrer dies nicht spürt und im Rahmen dieser anderen Effekte automatisch mitkorrigiert.
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Lediglich bei Kurvenfahrten mit sehr großen Radien von mehr als 5000m könnten ähnlich wie bei strenger Geradeausfahrt aus der entfallenden statischen Vorspur entsprechende Stabilitätsprobleme resultieren. Solche Kurvenfahrten mit sehr großen Radien werden deswegen vorliegend als ebenfalls „Geradeausfahrt“ angesehen. Insbesondere können somit auch Fahrzustände als Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs angesehen werden, bei welchen der Lenkradwinkel um maximal +/- 1 ° von der Nulllage abweicht.
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In einer Ausführungsvariante wird daher vorgeschlagen, eine Geradeausfahrt über den Lenkradwinkel und/oder den Kurvenradius zu erfassen, wobei der Lenkradwinkel kleiner und/oder der Kurvenradius größer als ein vorgegebener Grenzwert, wie beispielsweise vorstehend angegeben, ist. Beispielsweise lässt sich anhand der Querbeschleunigung und der Fahrgeschwindigkeit der Radius einer gerade durchfahrenen Kurve bestimmen. Bei Feststellen einer solchen Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs wird der Wert einer für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt, wobei besagte Größe wie oben erläutert bestimmt sein kann. Ferner wird eine Abweichung dieses Werts zu einem Sollwert besagter für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt, wobei dieser Sollwert vorzugsweise entsprechend einem vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel und/oder einem über den Lenkradwinkel vorgegebenen Kurvenradius bestimmt wird. Für die die ermittelte Abweichung wird ein Zusatzlenkwinkel für die Fahrzeuglenkung bestimmt und dem vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkel, für den Fahrer an der Lenkungshandhabe rückwirkungsfrei, hinzugefügt. Hierdurch kann beim Durchfahren von Kurven mit sehr großen Radien größer als 5000 m ein stabiles Fahrverhalten erzielt werden, welches den Fahrer von etwaigen Korrektureingriffen an der Lenkungshandhabe entlastet. Vielmehr bleibt das Handgefühl an der Lenkungshandhabe von etwaigen aktiven Lenkungseingriffen zur Stabilisierung unbeeinträchtigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Berücksichtigung der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kompensation der Gierreaktion eines Kraftfahrzeugs bei Geradeausfahrt (Lenkwinkel = 0°), wobei im oberen Diagramm die Gierrate über der Zeit und dem unteren Diagramm die Lenkstangenposition über der Zeit dargestellt sind.
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Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Fahrstabilitätsregelung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, welches eine vor- und nachspurfreie Vorderachse aufweist. Alternativ oder ergänzend kann die Hinterachse vor- und nachspurfrei eingestellt sein. Vorzugsweise liegt an zumindest einer Achse eine statische Vor- und Nachspurfreiheit vor. Gegebenenfalls kann jedoch eine Vor- und Nachspurfreiheit auch nur lediglich temporär durch einen Fahrzustand gegeben sein.
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Etwaige Spurwinkel sind betragsmäßig kleiner als eine Bogenminute. Hierdurch bleibt der Radwiderstand gering, da Reibungseffekte aus einem vorspur- oder nachspurbedingten Schräglauf der Räder vermieden werden.
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Zur Gewährleistung der Geradeauslaufstabilität des Kraftfahrzeugs wird eine Fahrstabilitätsregelung vorgeschlagen, welche in der Lage ist, die bisher passiven konstruktiven Maßnahmen durch Einstellung eines statischen Vor- oder Nachspurwinkels z.B. an der Vorderachse und/oder an der Hinterachse durch einen aktiven Lenkungseingriff zu kompensieren.
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Dieser Lenkungseingriff erfolgt in einer Weise, dass er für den Fahrer praktisch nicht spürbar ist. Lenkreaktionen an der Lenkungshandhabe bei gewollter Geradeausfahrt, d.h. wenn der Fahrer gerade aktiv keinen Lenkungseingriff vornimmt, könnten den Fahrer irritieren und wären für den Handhabungskomfort abträglich.
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Die erfindungsgemäße Fahrstabilitätsregelung erfasst zunächst, ob sich das Kraftfahrzeug gerade in einem Zustand der Geradeausfahrt befindet, in welchem der Fahrer keinen aktiven Lenkeingriff vornimmt. Dazu können beispielsweise der aktuelle Lenkradwinkel oder ein Moment an der Lenkungshandhabe überwacht werden.
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Wird eine Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs ohne aktiven Lenkeingriff des Fahrers erfasst, beispielsweise weil der aktuelle Lenkradwinkel oder das Moment an der Lenkungshandhabe Null sind, so wird der Wert einer für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt. Hierbei können gegebenenfalls geringe Toleranzen von maximal +/-1° Lenkradwinkel um die Nulllage der Lenkung zugelassen werden.
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Die für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe kann beispielsweise die Gierrate, die Querbeschleunigung oder eine Kombination hieraus sein. Diese Größen liegen an einem zeitgemäßen Kraftfahrzeug, welches mit einem elektronischen Stabilitätsprogramm ausgestattet ist, in der Regel als mittels Sensoren gemessenen Größen vor und können beispielsweise über den Fahrzeugbus von einem ESP-Steuergerät bezogen werden. Es ist jedoch auch möglich, andere Größen heranzuziehen, aus welchen eine Information über eine Kurvenfahrt des Fahrzeugs gewonnen werden kann. Gegebenenfalls können solche Größen auch mittels eines Fahrzeugmodells abgeschätzt werden.
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Wird also bei gewollter Geradeausfahrt festgestellt, dass das Kraftfahrzeug in Wirklichkeit nicht geradeaus fährt, erfolgt erfindungsgemäß ein aktiver stabilisierender Eingriff in die Fahrzeuglenkung.
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Dazu wird eine Abweichung des ermittelten Werts zu einem Sollwert für die besagte für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt, wobei der Sollwert besagter indikativer Größe der entsprechende Wert bei Geradeausfahrt ist.
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Die ermittelte Abweichung wird durch eine fahrerunabhängige Betätigung der Fahrzeuglenkung ausgeregelt.
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Diese Ausregelung der ermittelten Abweichung erfolgt vorzugsweise rückwirkungsfrei in Bezug auf eine vom Fahrer zu betätigende Lenkungshandhabe. Der Fahrer bleibt hierdurch von etwaigen Lenkungseingriffen zur Korrektur des Geradeauslaufs unbeeinträchtigt. Die Stabilisierung ist für diesen an der Lenkungshandhabe nicht spürbar. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Handhabungskomfort bei Geradeausfahrt aus.
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Eine solche Entkopplung lässt sich besonders einfach realisieren, wenn in der Lenkung der Vorderräder eine unmittelbare Kopplung zwischen dem Radeinschlagwinkel und der Lenkungshandhabe nicht vorhanden ist. Dies ist beispielsweise bei einer Steer-by-wire-Lenkung oder einer Überlagerungslenkung der Fall, welche jeweils mit den gelenkten Vorderrädern des Kraftfahrzeugs zusammenwirken. In beiden Fällen erfolgt die aktive Stabilisierung des Geradeauslaufs über die Vorderachse des Kraftfahrzeugs.
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Die jeweilige Fahrzeuglenkung kann eine Lenkstange aufweisen, welche die gelenkten Fahrzeugräder der Vorderachse synchron miteinander koppelt.
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Es ist ferner möglich, eine aktive Stabilisierung des Geradeauslaufs über die Hinterachse zu verwirklichen, wenn diese mit einer entsprechenden Lenkeinrichtung ausgestattet ist. In diesem Fall können die Vorderräder weiterhin über eine herkömmliche Lenkung gelenkt werden, bei welcher eine feste Kopplung zwischen dem Lenkradwinkel an der Lenkungshandhabe und dem Radeinschlagwinkel besteht. Da die Korrektur des Geradeauslaufs über die gelenkten Räder der Hinterachse vorgenommen wird, welche über eine zusätzliche rückwirkungsfreie Aktuatorik erfolgt, bleibt der Handhabungskomfort an der Lenkungshandhabe für den Fahrer unbeeinträchtigt.
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Die Ausregelung der ermittelten Abweichung kann beispielsweise mittels eines PID-Reglers erfolgen.
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Zur Ausregelung der ermittelten Abweichung kann auch ein Zustandsregler eingesetzt werden.
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Eine einfache Möglichkeit zur Erkennung einer Kurvenfahrt bei gewollter Geradeausfahrt besteht beispielsweise darin, die Ist-Gierrate des Kraftfahrzeugs zu erfassen. In der Regel ist am Kraftfahrzeug ein entsprechender die Gierratensensor vorhanden, dessen Signal für Abweichungen von einer gewollten Geradeausfahrt herangezogen werden kann. Auf eine ungewollte Kurvenfahrt, wie sie in 1 oben dargestellt ist, wird beispielsweise dann geschlossen, wenn eine Abweichung von einem Sollwert für die Gierrate bei Geradeausfahrt, welcher 0°/s beträgt, festgestellt wird.
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Die entsprechende Abweichung wird, wie in 1 unten dargestellt, durch einen Lenkungseingriff korrigiert, indem bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Lenkstange oder Zahnstange der Fahrzeuglenkung entsprechend verstellt wird. Durch ein der Abweichung entgegengerichtetes Lenken wird das Kraftfahrzeug wieder in Richtung der beabsichtigten Geradeausfahrt gebracht, indem ein zusätzlicher Radlenkwinkel eingestellt wird. Diese Lenkungseingriffe bleiben aus den oben erläuterten Gründen für den Fahrer praktisch unbemerkt, wodurch trotz Entfall einer statischen Vorspur an der Vorderachse eine hohe Geradeauslaufstabilität verbunden mit einem guten Handhabungskomfort für den Fahrer erzielt wird.
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Alternativ kann als für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe die Ist-Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs herangezogen werden. In diesem Fall wird der Sollwert für die Querbeschleunigung bei Geradeausfahrt mit 0 m/s2 angesetzt.
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Ferner ist es möglich, beide Kriterien miteinander zu kombinieren und/oder um weitere Einflussgrößen zu ergänzen.
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Auch beim Durchfahren von Kurven mit sehr großen Radien, in welchen eine fehlende Stabilität dem Fahrer auffallen würde, kann diese fehlende Stabilität aktiv durch die Fahrzeuglenkung erzeugt werden.
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Während beispielsweise bei Geradeausfahrt eine Gierrate von 0°/s eingeregelt wird, wird bei solchen Kurven eine Gierrate eingeregelt, welche dem Radius der Kurve bzw. dem entsprechenden Lenkradwinkel und der Fahrgeschwindigkeit entspricht. Dies gilt analog ebenso für die Querbeschleunigung.
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In der Fahrstabilitätsregelung kann dazu vorgesehen sein, dass zunächst eine Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs mit einem Kurvenradius über einem vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise mehr als 5000m erfasst wird. Dies kann z.B. mithilfe der gemessenen Querbeschleunigung und der Fahrgeschwindigkeit oder mithilfe des Lenkradwinkels ermittelt werden.
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Wird das Durchfahren einer solchen Kurve mit sehr großem Radius festgestellt, wird der Wert einer für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt. Diese für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikative Größe kann eine Größe wie oben bereits erläutert sein, also beispielsweise die Gierrate, die Querbeschleunigung oder eine Kombination hieraus. Optional können auch weitere Größen mit einbezogen werden.
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Ferner wird eine Abweichung dieses Werts zu einem Sollwert besagter für die Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs indikativen Größe ermittelt. Der Sollwert kann dabei beispielsweise entsprechend einem Lenkradwinkel oder einem vom Fahrer über einen Lenkradwinkel vorgegebenen Kurvenradius bestimmt werden.
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Für die die ermittelte Abweichung wird ein Zusatzlenkwinkel zur Stabilisierung der Kurvenbahn für die Fahrzeuglenkung bestimmt und dem vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkel hinzugefügt. Auch hier kann die aktive Stabilisierung für den Fahrer an der Lenkungshandhabe rückwirkungsfrei erfolgen, so dass dieser die Korrektur an der Lenkungshandhabe nicht spürt.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsvarianten näher erläutert. Diese dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsvarianten beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
