DE10231728C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Antriebsschlupfes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Antriebsschlupfes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Antriebsschlupfes eines Fahrzeugs, bei dem DOLLAR A - bei einem durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden, angetriebenen Rad das vom Motor abgegebene Moment reduziert wird und DOLLAR A - die Reduktion des Motormoments nur soweit erfolgt, dass das Motormoment während der gesamten Regelphase größer als ein unterer, von Null verschiedener, Grenzwert ist. DOLLAR A Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der untere Grenzwert des Motormomentes so gewählt ist, DOLLAR A - dass während der Phasen des Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades und DOLLAR A - während der Phasen keines Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades DOLLAR A annähernd dieselbe gleichförmige Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erreicht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vor­ richtung zur Antriebsschlupfregelung (ASR) nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 42 29 560 A1 ist ein Antriebsschlupfregelsystem bekannt, bei dem eine Differentialsperrwirkung durch einen Bremseneingriff bewirkt wird. Mit Hilfe der Drehzahldiffe­ renz der angetriebenen Räder und unter Zuhilfenahme der Mo­ tordrehzahl werden von einem PID-Regler und einem Dämpfungs­ eingriff Bremsmomenten entsprechende Signale erzeugt, die in Ventilsteuerzeiten umgesetzt werden und Bremsdruck an je ei­ ner Bremse erzeugen. Dabei wird eine Mindest-Motordrehzahl vorgegeben, durch welche sichergestellt wird, dass der Motor nicht abstirbt.
In der DE 43 44 634 A1 wird ein Antriebsschlupfregler mit Motorbeeinflussung beschrieben. Zur Optimierung dieses Sys­ tems wird fortlaufend unter Berücksichtigung der auf das Fahrzeug einwirkenden Störmomente das Bedarfsmoment des An­ triebs ermittelt und bei Auftreten einer Instabilität wird das Antriebsmoment auf dieses Bedarfsmoment reduziert.
In der DE 199 33 087 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Steuerung einer Antriebseinheit eines Fahrzeuges beschrieben. Dabei wird bei Durchdrehneigung an wenigstens einem Antriebsrad das Drehmoment der Antriebseinheit reduziert. Die Reduzierung des Drehmoments ist dabei nach unten auf einen Minimalwert begrenzt, der vorzugsweise von der herrschenden Fahrsituation abhängig ist.
Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der DE 199 33 087 A1 entnommen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ASR-Regelung zu schaffen, die verhindert, dass das Motormoment durch die ASR-Regelung zu stark absinkt, was zu einem ungleichmäßi­ gen Fahrverhalten bzw. Traktionsverhalten des Fahrzeugs führen würde.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Regelung des Antriebsschlupfes eines Fahrzeugs gelöst, bei dem
  • - bei einem durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden, angetriebenen Rad das vom Motor abgegebene Moment redu­ ziert wird und
  • - die Reduktion des Motormoments nur soweit erfolgt, dass das Motormoment während der gesamten Regelphase größer als ein unterer, von Null verschiedener, Grenzwert ist.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der untere Grenz­ wert des Motormomentes so gewählt ist,
  • - dass während der Phasen des Vorliegens eines durchdrehen­ den oder zum Durchdrehen neigenden Rades und
  • - während der Phasen keines Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades
annähernd dieselbe gleichförmige Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erreicht wird, d. h. es wird eine nahezu konstante bzw. homogene Längsbeschleunigung angestrebt.
Der untere Grenzwert des Motormoments ist dabei so gewählt, dass es sich bei der annähernd gleichförmigen Längsbeschleunigung um diejenige Längsbeschleunigung handelt, welche vor dem Auftreten eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades vorlag. Dadurch wird ein besonderes gleichmäßiges und homogenes Fahrverhalten erreicht und die Auswirkun­ gen der aktiven Antriebsschlupfregelung auf den Fahrkomfort sind minimal.
Es ist von Vorteil, wenn in die Ermittlung des unteren Grenzwerts die Aufteilung der vom Motor erzeugten und dem Antriebsstrang zugeführten Energie in rotatorische Energie und translatorische Energie eingeht. Diese Werte lassen sich im ASR-Steuergerät aus Kenntnis der aktuellen Daten wie beispielsweise der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit sowie aus fahr­ zeugspezifischen Daten wie beispielsweise der Fahrzeugmasse und den Trägheitsmomenten des Antriebsstranges ermitteln.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ge­ kennzeichnet, dass dann, wenn das Durchdrehen bzw. die Durchdrehneigung des Rades beendet ist, das Motormoment wie­ der erhöht wird.
Die Vorrichtung zur Regelung des Antriebsschlupfes eines Fahrzeugs enthält
  • - Ermittlungsmittel, in denen ein unterer Grenzwert für das Motormoment ermittelt wird und
  • - Motormomentreduktionsmittel, mit denen bei Vorliegen ei­ nes durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden ange­ triebenen Rades das vom Motor abgegebene Moment reduziert wird, wobei der Wert des Motormoments jedoch nicht unter den unteren Grenzwert verringert wird.
Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert des Motormomentes in den Ermitt­ lungsmitteln so gewählt wird,
  • - dass während der Phasen des Vorliegens eines durchdrehen­ den oder zum Durchdrehen neigenden Rades und
  • - während der Phasen keines Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades
annähernd dieselbe gleichförmige Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erreicht wird.
Der untere Grenzwert des Motormoments ist dabei so gewählt, dass es sich bei der annähernd gleichförmigen Längsbeschleunigung um diejenige Längsbeschleunigung handelt, welche vor dem Auftreten eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades vorlag. Dadurch wird ein besonderes gleichmäßiges und homogenes Fahrverhalten erreicht und die Auswirkun­ gen der aktiven Antriebsschlupfregelung auf den Fahrkomfort sind minimal.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den Fig. 1 bis 3.
In Fig. 1 sind in beispielhafter Form der zeitliche Verlauf des Radschlupfes lambda sowie des Motormoments Mmot darge­ stellt.
In Fig. 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In Fig. 3 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Durch die Erfindung wird die Aufrechterhaltung einer gleich­ mäßigen Fahrzeugtraktion angestrebt. Die Fahrzeugtraktion wird beispielsweise durch eine vorliegende Fahrzeuglängsbe­ schleunigung az beschrieben. Durch einen ASR- Regelungseingriff wird in vielen Fällen das Motormoment zu­ rückgenommen. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Motormoment nur soweit zurückgenommen wird, dass eine gleichmäßige Traktion gewährleistet wird, d. h. die Längsbe­ schleunigung az soll konstant bleiben. Dieser Fahrzustand wird auch vom Fahrer als angenehm empfunden.
Bei einem Beschleunigungsvorgang eines Fahrzeugs treten zwei Arten von Beschleunigungskomponenten auf:
  • 1. Translatorische Beschleunigungskomponenten und
  • 2. Rotatorische Beschleunigungskomponenten
Beispielsweise werde ein Rad des Fahrzeug betrachtet:
Dieses hat während der Fahrt die kinetische Energie
E_rad = 1/2.m.v2 + 1/2.J.ω2.
Dabei sind m die Radmasse, v ist die Fahrzeuglängsgeschwin­ digkeit (mit welcher sich der Radmittelpunkt vorwärts be­ wegt), J ist das Trägheitsmoment des Rades bzgl. der Radmit­ te und ω ist die Winkelgeschwindigkeit des Rades. Der erste Summand enthält die translatorische Energie, der zweite Sum­ mand enthält die rotatorische Energie.
Die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades hat ebenfalls zwei Komponenten:
Komponente 1
Das ist die der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechende Kompo­ nente, gegeben durch ω = v/R. R ist dabei der Radradius, v ist die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit.
Komponente 2
Infolge von Antriebsschlupf dreht sich das Rad mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit als derjenigen, welche als Komponente 1 erwähnt ist, d. h. ω < v/R. Diese (den Schlupf beschreibende) Differenzwinkelgeschwindigkeit erzeugt (abge­ sehen davon, dass der Schlupf für das Fortkommen des Fahr­ zeugs notwendig ist) letztlich eine sinnlose kinetische E­ nergie.
Damit "enthält" das Rad drei Arten von Energie:
  • 1. Translatorische Energie
  • 2. Rotatorische, aber der Translation zugeordnete Energie (diese Energie tritt zwangsläufig bei Vorliegen einer Translationsbewegung auf)
  • 3. Überschüssige rotatorische Energie (= Komponente 2)
Die Betrachtung, welche hier auf ein Rad angewandt wurde, lässt sich völlig analog auf das Gesamtfahrzeug übertragen, dort gilt:
E = 1/2.mges.v2 + 1/2.Jges.ω2,
dabei kennzeichnet E die Gesamtenergie des Fahrzeugs, mges die Fahrzeugmasse, v die Fahrzeuglängsbeschleunigung und Jges ein effektives Trägheitsmoment.
Die Energiezufuhr erfolgt durch das vom Motor erzeugte Dreh­ moment gemäß
dE = Mmot.d(phi),
dabei ist dE die differentielle Änderung der Energie, Mmot ist das von der aus dem Motor herausführenden Welle aufge­ brachte Drehmoment, d(phi) ist die differentielle Änderung des Drehwinkels phi der Welle (Diese Beziehung wird anschau­ licher, wenn man das translatorische Analogon dE = F.ds betrachtet).
Das bedeutet, dass anstelle der Energie auch die Aufteilung des vom Motor erzeugten Motormoments (bzw. Drehmoments) in 3 Komponenten betrachtet werden kann:
  • 1. zu translatorischer Fahrzeugbeschleunigung führendes Mo­ tormoment,
  • 2. zu der Translation zugeordneter rotatorischer Beschleuni­ gung führendes Moment und
  • 3. zu überschüssigem, der Rotation zugeordnetem Moment (wel­ ches keinem translatorischen Anteil entspricht).
Damit sich ein Fahrzeug mit der Geschwindigkeit v gleichmä­ ßig fortbewegt, müssen dessen rotierende Komponenten (Räder, Kardanwelle, Achsen, . . .) zwangsläufig Winkelgeschwindigkei­ ten gemäß der Komponente 1 aufweisen.
Durch einen Vergleich der Raddrehzahlen der angetriebenen und der nicht angetriebenen Räder lässt sich die Aufteilung der rotatorischen Energie in Komponente 2 und Komponente 3 ermitteln. Dazu wird die Tatsache ausgenutzt, dass die nicht angetriebenen Räder nahezu schlupffrei laufen.
Der Zusammenhang zwischen einer Winkelbeschleunigung d(omega)/dt (beispielsweise der Räder) und dem vom Motor ab­ gegebenen Moment Mmot ist dabei durch
Mmot = J.d(omega)/dt
gegeben. d(omega)/dt ist dabei diejenige Winkelbeschleuni­ gung (beispielsweise eines nicht angetriebenen Rades), wel­ che notwendig ist, um den momentanen Fahrzustand zu halten. J ist dabei ein effektives Trägheitsmoment, welches alle im Antriebsstrang enthaltenen Trägheitsmomente berücksichtigt.
Dadurch bietet sich die Möglichkeit, für die ASR-Regelung (= Antriebsschlupfregelung) eine zusätzliche Solldrehmoment- Mindestschwelle für das vom Motor abgegebene Drehmoment einzuführen. Dieses Mindestdrehmoment berechnet sich aus dem für die momentane Fahrzeugbeschleunigung erforderlichen Drehmoment (rotatorischer und translatorischer Anteil). Der Anteil der über die Fahrzeugbeschleunigung hinausgehenden rotatorischen Beschleunigung wird dabei nicht berücksichtigt. Die berechnete Mindestdrehmomentschwelle sollte über einen Parameter (welcher einen Wert kleiner als 1 hat) gewichtet werden können. Die optionale Einführung dieses Parameters ist deshalb sinnvoll, damit in der Praxis eine sichere Schlupfbeseitigung erfolgt. Dies hängt auch damit zusammen, dass beispielsweise die Trägheitsmomente nicht genau bekannt sind.
Eine Reduzierung des Drehmomentes unter das Drehmoment- Minimum wird nicht zugelassen. Insbesondere bei Systemen mit hohen Verzögerungszeiten zwischen dem Soll-Drehmoment und dem von der Motorsteuerung realisierten tatsächlichen Dreh­ moment wird damit eine zu starke Drehmomentreduzierung ver­ hindert und damit das Traktionsverhalten am Ende der Rad­ schlupfphase (Zeitpunkt t2 in Fig. 1, dies wird später näher erläutert) verbessert. Ohne eine Begrenzung erfolgt eine Re­ duzierung bis zum Ende der Schlupfphase. Das daraus resul­ tierende Drehmomentniveau am Ende der Schlupfphase ist zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Fahrzeugtraktion zu gering.
In Fig. 1 ist in Form von 2 Diagrammen der zeitliche Verlauf des Radschlupfes lambda (oberes Diagramm) und des vom Motor abgegebenen Drehmoments Mmot (unteres Diagramm) dargestellt. In beiden Diagrammen ist in Abszissenrichtung die Zeit t aufgetragen. Die Diagramme sind am einfachsten anhand des folgenden Gedankenganges zu verstehen:
  • - Zum Zeitpunkt t1 überschreitet der Radschlupf lambda ei­ nes angetriebenen Rades die Schlupfschwelle lambdamax.
  • - Dadurch besteht für dieses Rad die Gefahr des Durchdre­ hens, als Folge wird über den ASR-Regler das Motormoment Mmot reduziert.
  • - Zum Zeitpunkt t3 erreicht das Motormoment Mmot den Schwellenwert Mmotmin.
  • - Eine weitere Reduktion das Motormoments ist nicht mehr wünschenswert, da ansonsten eine gleichmäßige Fahrzeug­ traktion (d. h. Beschleunigung) am Ende der Schlupfphase nicht mehr gewährleistet ist.
  • - Deshalb wird ab diesem Zeitpunkt das Motormoment bis zum Zeitpunkt t2 konstant gehalten.
  • - Zum Zeitpunkt t2 ist der Radschlupf wieder im unkriti­ schen Bereich und das Motormoment kann wieder erhöht wer­ den.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. In Block 200 ist der Start des Verfahrens. Da­ nach wird zu Block 201 weitergegangen. In Block 201 wird ü­ berprüft, ob sich ein Rad des Fahrzeugs in einem kritischen Schlupfbereich befindet. Dies bedeutet insbesondere, dass ü­ berprüft wird, ob der Radschlupf einen Schwellenwert lambda­ max überschreitet. lambdamax kann dabei von der Fahrzeug­ längsgeschwindigkeit vx abhängen. Befindet sich das Rad nicht in einem kritischen Schlupfbereich (mit "n" gekenn­ zeichnet), dann wird zu Block 200 zurückverzweigt, das Ver­ fahren beginnt erneut. Befindet sich das Rad dagegen in ei­ nem kritischen Schlupfbereich (mit "y" gekennzeichnet), dann wird in Block 202 das Motormoment Mmotmin ermittelt, welches zur Aufrechterhaltung des momentanen Fahrzustandes, insbe­ sondere zur Aufrechterhaltung der momentan vorliegenden Längsbeschleunigung ax notwendig ist. Danach wird in Block 203 das Motormoment Mmot reduziert, jedoch nicht auf einen kleineren Wert als Mmotmin. Anschließend wird zu Block 201 zurückverzweigt. Dort wird überprüft, ob sich das Rad noch im kritischen Schlupfbereich befindet.
Der Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei liefern die Sensormittel 306 (z. B. Raddrehzahlsensoren) ihre Ausgangs­ signale an das ASR-Steuergerät 300 (strichliert eingezeich­ neter Block). Das ASR-Steuergerät beinhaltet die folgenden Blöcke:
Block 303: Motormomentreduktionsmittel
Block 302: Ermittlungsmittel
Block 301: weitere ASR-Funktionen.
Die Ausgangssignale des ASR-Steuergeräts (im Ausführungsbei­ spiel der Blöcke 303 und 302) werden an des Motorsteuergerät 304 weitergeleitet. Das Motorsteuergerät 304 steuert Aktor­ mittel 305 (beispielsweise die Drosselklappe) an.
Im konkreten Ausführungsbeispiel liefern die Sensormittel 300 ihre Signale an Block 301 im ASR-Steuergerät. Block 301 steuert die Blöcke 302 und 303 an.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung des Antriebsschlupfes eines Fahr­ zeugs, bei dem
bei einem durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden, angetriebenen Rad das vom Motor abgegebene Moment (Mmot) reduziert wird und
die Reduktion des Motormoments (Mmot) nur soweit erfolgt, dass das Motormoment während der gesamten Regelphase grö­ ßer als ein unterer, von Null verschiedener, Grenzwert (Mmotmin) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert (Mmotmin) des Motormomentes so gewählt ist,
dass während der Phasen des Vorliegens eines durchdrehen­ den oder zum Durchdrehen neigenden Rades und
während der Phasen keines Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades
annähernd dieselbe gleichförmige Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erreicht wird, wobei es sich bei der annähernd gleichförmigen Längsbeschleunigung um diejenige Längsbe­ schleunigung handelt, welche vor dem Auftreten eines durch­ drehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades vorlag.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des unteren Grenzwerts (Mmotmin) die Auf­ teilung der vom Motor erzeugten und dem Antriebsstrang zuge­ führten Energie in rotatorische Energie und translatorische Energie eingeht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Durchdrehen bzw. die Durchdrehneigung des Ra­ des beendet ist, das Motormoment (Mmot) wieder erhöht wird.
4. Vorrichtung zur Regelung des Antriebsschlupfes eines Fahrzeugs, welche
Ermittlungsmittel, in denen ein unterer Grenzwert (Mmot­ min) für das Motormoment (Mmot) ermittelt wird und
Motormomentreduktionsmittel, mit denen bei Vorliegen ei­ nes durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden ange­ triebenen Rades das vom Motor abgegebene Moment (Mmot) reduziert wird, wobei der Wert des Motormoments jedoch nicht unter den unteren Grenzwert (Mmotmin) verringert wird
enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert (Mmotmin) des Motormomentes in den Ermittlungsmitteln so ge­ wählt wird,
dass während der Phasen des Vorliegens eines durchdrehen­ den oder zum Durchdrehen neigenden Rades und
während der Phasen keines Vorliegens eines durchdrehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades
annähernd dieselbe gleichförmige Längsbeschleunigung des Fahrzeugs erreicht wird, wobei es sich bei der annähernd gleichförmigen Längsbeschleunigung um diejenige Längsbe­ schleunigung handelt, welche vor dem Auftreten eines durch­ drehenden oder zum Durchdrehen neigenden Rades vorlag.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des unteren Grenzwerts (Mmotmin) die Auf­ teilung der vom Motor erzeugten und dem Antriebsstrang zuge­ führten Energie in rotatorische Energie und translatorische Energie eingeht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Durchdrehen bzw. die Durchdrehneigung des Ra­ des beendet ist, das Motormoment (Mmot) wieder erhöht wird.
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