DE102022119657A1

DE102022119657A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines maximalen Reibwerts, Verfahren zum Bremsen oder Beschleunigen eines Fahrzeugs, Computerprogrammprodukt und Kraftfahrzeugsystem

Info

Publication number: DE102022119657A1
Application number: DE102022119657.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Rams; Andreas Hoehn
Original assignee: ZF Active Safety GmbH
Current assignee: ZF Active Safety GmbH
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des derzeitigen, maximal nutzbaren Fahrbahnreibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn für ein Kraftfahrzeug. In einem ersten Schritt wird ein Wertepaar am aktuellen Wegpunkt bereitgestellt, welches in einem weiteren Schritt dazu genutzt wird anhand einer mathematischen Funktion den maximalen Fahrbahnreibwert zu bestimmen. Vorzugsweise wird als Wertepaar der Schlupf und Ist-Reibwert an einem Reifen des Fahrzeugs ausgewertet und anschließend dazu genutzt mit Hilfe einer linearisierten µ-Schlupf-Kurve den maximal nutzbaren Fahrbahnreibwert zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Reibwerts zwischen dem Reifen eines Kraftfahrzeugs, wie eines Personenkraftwagens, und einem von dem Reifen kontaktierten Fläche wie einem Fahrbahnbelag, der einen oder mehrere Stoffe, Sand oder Wasser oder eine Mischung aus diesen umfassen kann. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bremsen oder Beschleunigen, ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Ausführen der erfindungsgemäßen Verfahren, sowie ein Kraftfahrzeugsystem umfassend ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt.
Die Bestimmung des maximalen Reibwertes und der daraus resultierenden maximal übertragbaren Kraft zwischen dem Reifen und der Fahrbahn hat einen entscheidenden Einfluss auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges. Für einen sicheren Fahrbetrieb ist es notwendig, dass die durch Längs- und Querbeschleunigung erzeugten Kräfte stets geringer sind als die von den Rädern zur Verfügung gestellte Reibkraft. Ist dies nicht der Fall, kann das Fahrzeug in einen instabilen Fahrzeugzustand übergehen, wodurch der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verlieren kann. Die vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Kraft hängt maßgeblich vom Reibwert ab, wodurch der Bestimmung des maximalen Reibwerts ein entscheidender Stellenwert für einen sichere Fahrzeugnutzung zu Teil kommt.
Wechselnde Fahruntergründe, Umwelt- und Umgebungsbedingungen sowie die Verschmutzung der Fahrbahn haben einen entscheidenden Einfluss auf den maximalen Reibwert. Die Information über den aktuellen Fahrbahnreibwert bzw. den Straßenzustand sind für Fahrzeugregelsysteme in Kraftfahrzeugen von großer Bedeutung.
Eine Aussage zum Reibwert ist bei Fahrzeugen mit einem System zur radindividuellen Bremsung (Antiblockiersystem, ABS) möglich. Der am Reifen auftretende Schlupf und die im Zusammenhang stehende Längsbeschleunigung durch die Bremsung wird dabei geschätzt. Bekannte Schätzverfahren erlauben allerdings nur eine sehr grobe Abschätzung und erfordern das Überschreiten des maximalen Reibwerts, also einen Betrieb des Fahrzeugs im Fahrdynamikgrenzbereich. Hierdurch entstehen Komforteinbußen bei den Passagieren des Fahrzeugs und ein Risiko für hinter dem Fahrzeug befindliche Verkehrsteilnehmer durch abruptes Bremsen.
In der US 4582159 A wird ein System beschrieben, welches zur Bestimmung des aktuellen Reibwertes Lenkwinkel, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugmasse und Lenkkraft für jeden Zeitpunkt ermittelt und anhand dieser der aktuelle Reibwert berechnet. Zusätzlich werden auch Maße und Einstellungen des Fahrzeugs für die Berechnung in Betracht gezogen. In Abhängigkeit des Reibwertes wird von zwei-Rad-Antrieb auf Allrad-Antrieb umschaltet.
Aus der Druckschrift DE 10 2014 220 184 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Reibwerts bekannt, welches die Fahrbahnoberfläche mit Laserpulsen anregt und das rückgestreute Licht auswertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des maximalen Fahrbahnreibwerts anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren und die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sich die Regelgüte von unterschiedlichen Fahrerassistenzsystemen durch Bereitstellung des momentanen maximalen Fahrbahnreibwerts verbessert. Mit dem maximalen Fahrbahnreibwert können die Assistenzsysteme näher an der physikalischen Grenze regeln und dadurch einen größeren Beitrag zur Fahrzeuginsassensicherheit beitragen.
Das Verfahren arbeitet dabei vorzugsweise mit bereits im Fahrzeug vorhandenen Sensoren und nutzt vorhanden Systeme, um aus vorhandenen Fahrdynamikgrößen ein Wertepaar aus Schlupf und Ist-Reibwert µ am aktuellen Wegpunkt in einem niedrig-Schlupfbereich zu bestimmen. Insbesondere wird aus mehreren linearisierten, fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven, eine linearisierten µ-Schlupf-Kurve dem aktuellen Wertepaar zugeordnet und aus der zugeordneten µ-Schlupf-Kurve der maximale Fahrbahnreibwert berechnet.
Die µ-Schlupf-Kurve beschreibt allgemein den Zusammenhang zwischen Schlupf und dem Kraftschluss µ zwischen dem Reifen eines Kraftfahrzeuges und der Fahrbahnoberfläche. Abhängig von Fahrbahnbeschaffenheit, Reifenverschleiß und anderen Umwelteinflüssen ergeben sich unterschiedlich Verläufe zwischen Schlupf und Kraftschluss, die in den jeweiligen fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven repräsentiert sind.
Die Bestimmen der Fahrdynamikgrößen und/oder das Ermitteln des aktuellen µ-Schlupf-Wertepaars aus diesen erfolgt vorzugsweise im Niedrigschlupfbereich, wobei sich dieser Bereich durch einen geringen Schlupf, z.B. unterhalb 15% oder 10% oder 5%, je nach Fahrsituation, auszeichnet. Abhängig vom Fahrbahnuntergrund und dessen Reibvermögen unterscheidet sich der Niedrigschlupfbereich somit. So ist das Reibvermögen auf vereisten Oberflächen geringer als auf trockener, staubfreier Fahrbahn und dementsprechend der niedrig-Schlupfbereich ein anderer, geringerer. Der niedrig-Schlupfbereich kann etwa bei trockenem, staubfreiem Asphalt etwa 0-10% betragen und auf Eis 0-4%. Ein blockierendes Fahrzeugrad hat einen sehr hohen Schlupf und liegt demnach nicht im niedrig-Schlupfbereich und auch ein Eingriff eines Schlupfregeleinheit deutet darauf hin, dass der Schlupf außerhalb des niedrig-Schlupfbereichs liegt.
Insbesondere werden die Fahrdynamikgrößen über Sensoren an den Rädern des Kraftfahrzeuges bestimmt, z.B. werden zeitkontinuierlich die Raddrehzahl aller Räder gemessen. Hieraus lässt sich der Schlupf, also das Verhältnis der Drehzahl eines Rades zu einem (kraft-) schlüssig mitlaufenden Rade, berechnen.
Die Erfassung, Bereitstellung des µ-Schlupf-Wertepaars am aktuellen Wegpunkt und Bestimmung des maximalen Fahrbahnreibwerts erfolgt insbesondere fortlaufend. Darunter ist zu verstehen, dass das Wertepaar wiederholt in einem festgelegten Zeitintervall ermittelt wird. Durch kurze Zeitabstände zwischen der Übermittlung zweier aufeinander folgender Wertepaare ist gewährleistet, dass der Reibwert der Fahrbahn stets am aktuellen Wegpunkt vorliegt.
Insbesondere wird der maximale Fahrbahnreibwert für die Berechnung der maximal möglichen Kurvengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Fahrbahnreibwert und Fahrzeugparameter, wie Achslastverteilung, Schwerpunkt oder Fahrzeuggewicht eingesetzt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Verfahren auf einem Prozessor eines Fahrzeugsystems oder Fahrzeugregelsystems oder einer Kombination aus mehreren Fahrzeugsysteme, die Prozessor und Programmcodemittel aufweisen, ausgeführt, die dazu ausgebildet sind, die Berechnung durchzuführen und die berechnete Größe auszugeben. Der berechnete Reibwert kann auch durch eine Schnittstelle an weitere Einrichtungen übermittelt werden, welche dieses Signal weiterverarbeiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zur Bestimmung des aktuellen, maximalen Fahrbahnreibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn für ein Kraftfahrzeug ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, um das Verfahren durchzuführen. Das Computerprogrammprodukt kann in einem Steuergerät oder System aus mehreren Steuergeräten für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens einen Prozessor, implementiert sein, um das Computerprogrammprodukt durchzuführen. Das Steuergerät kann zudem dazu in der Lage sein neben dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Verfahren, insbesondere Verfahren unter Einbeziehung von Schlupf, Raddrehzahlen und Reibwerten, durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Fahrzeugregelsystem für ein Kraftfahrzeug vor, wobei das Fahrzeugregelsystem ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dass Verfahren durchzuführen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung unter Verweis auf die Figuren erklärt, die zeigen:

1: ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Reibwerts gemäß der Erfindung aus zwei Teilen des Wertepaars;
2: ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Reibwerts gemäß der Erfindung aus Werten wenigstens eines Fahrzeugregelsystems.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des maximalen Fahrbahnreibwerts gemäß einer ersten Ausführungsvariante. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschnitte 10 bis 50, welche zumindest während eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs fortlaufend nacheinander abgearbeitet werden. In Schritt 10 wird eine Basis-µ-Schlupf-Kurve bereitgestellt. Die Basis-µ-Schlupf-Kurve ist beispielsweise in Form einer parametrierbaren Funktion mit entsprechenden Parameterwertvorgaben im Speicher eines Steuergeräts eines Fahrzeugs abgelegt, dessen Fahrbahnreibwert bestimmt werden soll.
Im Schritt 20 werden fahrsituationsspezifische µ-Schlupf-Kurven auf Basis der Basisµ-Schlupf-Kurve ermittelt. Fahrsituationsspezifisch meint für spezifisch für bestimmte Kombinationen von Reifen, Reifenzustand, Fahrbahnbelag, Fahrbahnzustand, Umweltbedingungen und/oder Temperaturbedingungen. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass sich die jeweiligen fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven in deren Wertezuordnungsverlauf so ähneln, dass diese durch Kompression oder Dekompression der Basis-µ-Schlupf-Kurve ermittelt werden können. Damit wird ein besonders speichersparsame Verarbeitung und Datenhaltung ermöglicht.
Im Schritt 30 werden Fahrdynamikgrößen betreffend den momentanen Reibkontakt zwischen Reifen des Fahrzeugs und Fahrbahnbelag bestimmt. Die Fahrdynamikgrö-ßen zeigen also die Bewegungsgrößen des Fahrzeugs am aktuellen Wegpunkt bezüglich der Fahrstrecke und der Fahrbahn an. Insbesondere werden die Raddrehzahl- oder Radgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die auf das Fahrzeug wirkende Quer- und Längskräfte bestimmt. Die Fahrdynamikgrößen werden durch direkte Messung und/oder anhand von geeigneten Sensorsignalen, z.B. von Beschleunigungssensoren, ermittelt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird raddrehzahlunabhängig als Absolutgeschwindigkeit beispielsweise mittels eines Satellitennavigationssystems, eines Telematiksystems, eines Kamerasystems und/oder eines Radarsystems bestimmt. Dieser Schritt 20 erfolgt in einer Fahrsituation im Niedrigschlupfbereich. Das heißt in einem fahrstabilen Zustand, in dem eine Fahrdynamikregelung, wie eine Stabilitätskontrollfunktion oder eine Antiblockiersystem nicht aktiv auf das Fahrzeug einwirken.
Aus den Fahrdynamikgrößen wird in Schritt 40 ein aktuelles, also dem momentanen Reibkontakt zwischen Reifen und Fahrbahn entsprechendes µ-Schlupf-Wertepaar bestimmt. Insbesondere für der Schlupf auf Basis einer Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit und einem Mittelwert der Radgeschwindigkeiten bestimmt, z.B. dem arithmetischen Mittelwert aller angetriebenen Räder des Fahrzeugs. Der momentane Reibwert µ wird beispielsweise aus einer gemessenen Längs- und/oder Querbeschleunigung und einer Vertikalradkraft, insbesondere einem Mittelwert der Vertikalkraft der angetriebenen Räder, und der Fahrzeugmasse. Insbesondere ist vorgesehen, bei der Reibwertbestimmung einer Hangneigungskompensation vorzunehmen.
In Schritt 50 wird das in Schritt 40 bestimmte aktuelle µ-Schlupf-Wertepaar einer der fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven zugeordnet, insbesondere durch Bestimmung eines Abstands des Wertepaars von den fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven. Hierzu können linearisierte Repräsentanten der µ-Schlupf-Kurven herangezogen werden, um die Zuordnung zu beschleunigen und mit geringerer Rechenleistung zu bewerkstelligen. In anderen Worten wird in Schritt 50 bestimmt, welche der möglichen Fahrsituationen, also Fahrbahn-Reifen-Kontaktsituationen, vorliegt.
In Schritt 60 wird für die zugeordnete fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurve mit dem geringsten Abstand zum aktuellen µ-Schlupf-Wertepaar der maximal mögliche Reibwert bestimmt.
Der maximal möglichen Reibwert wird im Anschluss von einem System des Fahrzeugs weiterverarbeitet. Zum Beispiel kann eine einer Fahrdynamikregelung, wie einer Beschleunigungs- oder Bremsregelung auf Basis der zugeordneten fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurve und dem maximalen Reibwert eine reibwertoptimierte Fahrzeugreaktion ermitteln und das Fahrzeug, z.B. die Bremsen optimiert ansteuern.
Zumindest die Verfahrensschritte 30 bis 60 werden fortlaufend, zum Bespiel gemäß einem vorgegebenen Systemtakt, ausgeführt. Wie durch eine strichlinierten Flusspfeil angedeutet ist, kann auch das gesamte Verfahren in dieser Art fortlaufend ausgeführt werden. In einer Variante kann auch der Schritt 30 vor dem Schritt 20 erfolgen. Die Verfahrensschritte 10 und 20 werden allerdings effizienzhalber vorzugsweise nur einmalig pro Betriebszyklus des Fahrzeugs ausgeführt.
Das Verfahren kann auf einem Fahrzeugregelsystem mit Sensorsignalversorgung zur Bestimmung der Fahrdynamikgrößen ausgeführt.
Möglich ist auch dass mehrere Fahrzeugsysteme oder Fahrzeugregelsysteme das Verfahren verteilt ausführen. Zum Beispiel kann der Verfahrensschritt 30 auf einem Fahrzeugsystem, das direkt an Fahrdynamiksensoren angebunden ist ausgeführt werden, und die übrigen Verfahrensschritte auf einem übergeordneten Fahrzeugregelsystem, wodurch eine Redundanz geschaffen wird.
Einer oder mehrere Aspekte der Erfindung haben den Vorteil, dass der Speicherbedarf und die Rechenzeit bei der steuergerätegestützten Ausübung des Verfahrens, insbesondere beim Bestimmen des maximalen Reibwerts, reduziert sind.
Einer oder mehrere Aspekte der Erfindung haben den Vorteil, dass für eine beliebige, unbekannte Fahrsituation eine momentane fahrsituationsspezifische µ-Schlupf-Kurve und der zugehörige maximale Reibwert ermittelt werden kann.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden. Die Reihenfolge und/oder Anzahl der Schritte der Verfahren kann variiert werden. Die Verfahren können miteinander kombiniert werden, beispielsweise zu einem Gesamtverfahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4582159 A [0005]
DE 102014220184 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmung eines maximalen Fahrbahnreibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen einer reifenspezifischen Basis-µ-Schlupf-Kurve; - Ermitteln von fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven auf Basis der Basis-µ-Schlupf-Kurve; - Bestimmen von Fahrdynamikgrößen an einem aktuellen Wegpunkt im Niedrigschlupfbereich; - Ermitteln eines aktuellen µ-Schlupf-Wertepaars aus den Fahrdynamikgrö-ßen; - Bestimmen eines Abstands des aktuellen µ-Schlupf-Wertepaars von den fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven; - Bestimmen des maximalen Fahrbahnreibwerts auf Basis der fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurve mit dem geringsten Abstand zum aktuellen µ-Schlupf-Wertepaar.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen im Niedrig-Schlupfbereich außerhalb eines Regeleingriffs einer Schlupfregeleinheit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrdynamikgrößen am aktuellen Wegpunkt aus Signalen von wenigstens zwei Sensoren ermittelt werden, wobei einer der wenigstens zwei Sensoren eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs raddrehzahlunabhängig bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, für das Bereitstellen einer reifenspezifischen Basis-µ-Schlupf-Kurve ein Schlupf-Kurven Modell anhand empirischer Messdaten parametriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln von fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurven das Skalieren der reifenspezifischen Basis-µ-Schlupf-Kurve umfasst und/oder die Berechnung des maximalen Fahrbahnreibwerts das Bestimmen eines Maximums der fahrsituationsspezifischen µ-Schlupf-Kurve mit dem geringsten Abstand zum Satz von Fahrdynamikgrößen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ermitteln eines aktuellen µ-Schlupf-Wertepaars aus den Fahrdynamikgrö-ßen und das Bestimmen des maximalen Fahrbahnreibwerts fortlaufend erfolgt.
Verfahren zum Bremsen oder Beschleunigen eines Fahrzeugs, bei dem eine Brems- oder Beschleunigungsvorgabe erfasst wird, ein fahrsituationsspezifischer maximaler Reibwert, insbesondere mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestimmt wird, ein Beschleunigungs- oder Verzögerungsmoment abhängig von dem fahrsituationsspezifischen maximalen Reibwert und der Brems- oder Beschleunigungsvorgabe ermittelt wird, und eine Bremsanlage und/oder ein Antrieb des Fahrzeugs zum Erzeugen des Beschleunigungs- oder Verzögerungsmoment angesteuert wird.
Computerprogrammprodukt umfassend Programmcodemittel, um ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeugsystem mit einem oder mehreren Steuergeräten, umfassend das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.