DE10330895A1

DE10330895A1 - Ausregelung von Geradeauslaufstörungen eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10330895A1
Application number: DE10330895A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schindler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: SCHINDLER, WOLFGANG, 75233 TIEFENBRONN, DE
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-17
Also published as: WO2005005182A1; US20060149444A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenkwinkelsensor, einem Fahrgeschwindigkeitssensor und einem Giersensor oder einem Querbeschleunigungssensor. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte Ausregelung von Geradeauslaufstörungen eines Kraftfahrzeugs. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach Maßgabe von Parametern, die den Ist-Zustand und den Soll-Zustand des Kraftfahrzeugs widerspiegeln, und unter Beibehaltung des Fahrzeugniveaus die Achsen des aktiven Fahrwerks kreuzweise verspannt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs sowie die Verwendung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Aus der EP 0 808 732 B1 ist ein Steuerverfahren für ein Fahrzeugchassissystem zum Gebrauch in einem Fahrzeug bekannt. Dazu weist die dem Steuerverfahren zugeordnete Steuervorrichtung einen Gierratensensor, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Seitenbeschleunigungssensor und ein Chassissteuersystem auf. Das Chassisteuersystem verfügt über eine Steuerung und einen Aktor. Dabei dient das Chassissteuersystem zur Steuerung einer Gierrate der Fahrzeugkarosserie nach Maßgabe der Signale des Gierratensensors, des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors, des Seitenbeschleunigungssensors. Dabei wird das Chassissteuerungssystem oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes für Gierrate·Fahrzeuggeschwindigkeit/Seitenbeschleunigung deaktiviert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ausregelung von Geradeauslaufstörungen eines Kraftfahrzeugs darzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass nach Maßgabe von Parametern, die den Ist-Zustand und den Soll-Zustand des Kraftfahrzeugs wiederspiegeln, und unter Beibehaltung des Fahrzeugniveaus, die Achsen des aktiven Fahrwerks kreuzweise verspannt werden. Auf diese Weise kann ein Giermoment erzeugt werden, dass einer Störung des Geradeauslaufs entgegengerichtet ist und den Einfluss der Störung verringert oder sogar ganz kompensiert. Vorteil dieser Erfindung ist die Nutzung bereits bekannter aktiver Fahrwerksysteme zur Ausregelung von Geradeauslaufstörungen, ohne dass hierfür Lenkungseingriffe notwendig sind. Eine derartige Störung ist beispielsweise das Auftreten von Seitenwind oder von Fahrbahnunebenheiten.

Der Geradeauslauf eines Fahrzeugs wird durch äußere Störungen wie Fahrbahnunebenheiten und Seitenwind beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung nimmt mit steigender Geschwindigkeit überproportional zu. Daher ist eine geeignete Ausregelung der Geradeauslaufstörungen bei hohen Geschwindigkeiten von besonderer Bedeutung.

Aktive Fahrwerksysteme wie Drehstäbe mit integrierten Stellmotoren und teilweise auch Luftfederungen bieten die Möglichkeit, bei Geradeausfahrt die Radlasten kreuzweise zu Verspannen (z. B. vorne links und hinten rechts hohe Radlast, vorne rechts und hinten links niedrige Radlast) ohne dass sich dadurch das Niveau, der Wankwinkel oder der Nickwinkel der Karosserie verändert. Für den Fahrer ist diese Verspannung also nicht erkennbar.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Zeichnungen. Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausfüh rungsformen der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 Verhältnisse von Radaufstandskraft und Drehmoment der Lenkachse an einem Vorderrad,
3a Vorspurseitenkräfte und Drehmomente der Lenkachse an einem unverspannten Fahrzeug,
3b Vorspurseitenkräfte und Drehmomente der Lenkachse an einem erfindungsgemäß verspannten Fahrzeug.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betätigen eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs. Ein aktives Fahrwerk weisen z.B. Fahrzeuge mit aktiven Stabilisatoren, Fahrzeuge mit Luftfederung oder Fahrzeuge mit Feder-Plunger-Kombinationen auf. Das Ablaufdiagramm beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Fahrzeugs mit Feder-Plunger-Kombinationen. Dabei steht das Wort Plunger stellvertretend für jeden anderen möglichen Aktortyp, wie z.B. eine Luftfeder oder den Aktor eines Stabilisators.
Ziel eines erfindungsgemäßen Verfahren ist es, Abweichungen des Gierverhaltens vom Soll zu ermitteln und diesem entgegenzuwirken.
Im späteren näher ausgeführte Betrachtungen zeigen, dass eine Veränderung der Radaufstandskräfte dazu genutzt werden kann, die Fahrtrichtung des Fahrzeugs gezielt zu beeinflussen, ohne das direkte Eingriffe in die Lenkung notwendig wären.
Diese Möglichkeit, die Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu beeinflussen, wird genutzt, um den Geradeauslauf des Fahrzeugs bei hohen Geschwindigkeiten (z.B. > 150 km/h) zu verbessern. Hierzu wird der Lenkradwinkel mittels eines Lenkwinkelsensors (Genauigkeit typischerweise mindestens 1°) und die Geschwindigkeit über einen Raddrehzahlsensor (Genauigkeit typischerweise mindestens 5 km/h) beobachtet. Aus Lenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit und den konstanten Fahrzeuggrößen Radstand, Eigenlenkgradient und Lenkübersetzung wird mit Hilfe des Einspurmodells die Soll-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet. d psi/dt = v/(l + EG·v2)·delta/id psi/dt: Soll-Giergeschwindigkeit [rad/s]
v: Geschwindigkeit [m/s]
l: Radstand [m]
EG: Eigenlenkgradient [rad·s²/m]
delta: Lenkradwinkel [rad]
i: Lenkübersetzung [1]
Diese Soll-Giergeschwindigkeit wird mit der tatsächlichen Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs verglichen (hierzu ist im Fahrzeug z.B. ein karosseriefester Giergeschwindigkeitssensor mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5°/s eingebaut). Die Abweichung zwischen Soll und Ist-Giergeschwindigkeit wird ermittelt. Auftretende Abweichungen sind in der Regel auf Störungen des Geradeauslaufs durch Seitenwind, Bodenunebenheiten oder Fahrbahnneigungen zurückzuführen.
Diese Abweichungen werden nun über die oben beschriebene Beeinflussung der Fahrtrichtung mittels verspannter Achsen minimiert. Das Ablaufdiagramm in 1 zeigt die Vorgehensweise anhand einer bevorzugten Ausführungsform:
Geradeauslaufprobleme treten hauptsächlich bei hohen Geschwindigkeiten auf. Daher erfolgt zuerst in Verfahrensschritt 1 die Prüfung, ob die im Abstimmungsprozess festgelegte Grenzgeschwindigkeit überschritten ist (z.B. 150 km/h). Falls die Grenzgeschwindigkeit überschritten ist, wird in Verfahrensschritt 2 kontrolliert, ob Geradeausfahrt vorliegt. Dazu wird geprüft, ob der Lenkradwinkel kleiner ist als der im Abstimmungsprozess festgelegte Grenzlenkradwinkel (z.B. ca. 5°). Dieser Verfahrensschritt erfolgt, da die Regelung nicht bei Kurvenfahrt aktiv sein soll. Eine Verspannung der Achsen bei Kurvenfahrt würde die Verteilung der Wankmomentenabstützung zwischen Vorder- und Hinterachse beeinflussen und hätte damit Einfluss auf das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs.
Wenn sowohl die Geschwindigkeitsbedingung aus Verfahrensschritt 1, als auch die Lenkradwinkelbedingung aus Verfahrensschritt 2 erfüllt sind, wird in Verfahrensschritt 3 anhand des Lenkradwinkelsignals und der Fahrgeschwindigkeit über das Einspurmodell die Soll-Giergeschwindigkeit ermittelt.
Im nächsten Verfahrensschritt 4 wird die Differenz zwischen der Soll-Giergeschwindigkeit und der Ist-Giergeschwindigkeit gebildet. Abhängig vom Vorzeichen dieser Differenz werden anschließend im Verfahrensschritt 5 die Plungerdrücke um vorgegebene Inkremente (im Rahmen der Abstimmung festzulegen) verstellt, so dass ein Giermoment entsteht, das der Differenz zwischen Soll- und Ist-Giergeschwindigkeit entgegenwirkt. Danach beginnt das Verfahren von neuem.
Werden die Bedingungen bezüglich Geschwindigkeit (Verfahrensschritt 1) und/oder Lenkradwinkel (Verfahrensschritt 2) nicht erfüllt, so wird in Verfahrensschritt 8 kontrolliert, ob die Achsen von einem früheren Eingriff noch verspannt sind. Ist dies der Fall, so wird in Verfahrensschritt 9 ermittelt, ob der Druck vorne links oder vorne rechts höher ist. Entsprechend dem Ergebnis von Verfahrensschritt 9 schließt sich Verfahrensschritt 10 oder Verfahrensschritt 11 an. Dabei wird die Verspannung um ein Druck-Inkrement zurück genommen, wobei die Größe des Druck-Inkrements im Rahmen der Abstimmung festzulegen ist.
Begrenzt wird die maximal mögliche Verspannung durch die maximal verfügbaren Drücke des aktiven Fahrwerks und die maximalen Plungerwege (Aktorwege). Prinzipiell hat die Beladung des Fahrzeugs keinen Einfluss auf die Wirkung der Radlaststeuerung. Durch die höheren Radlasten und den Niveauausgleich haben jedoch die Plunger im Normalzustand schon höhere Drücke und sind teilweise ausgefahren, womit die maximal mögliche Verspannung der Achsen geringer ausfällt.
Zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahren wird nachfolgend ein konkretes Beispiel dargestellt. Das aktive Fahrwerk eines Beispielfahrzeugs beruht auf in den Federbeinen untergebrachten Hydraulikzylindern (sogenannte Plunger) und in Reihe geschaltete Stahlfedern. Die Plungerstellung ist in Konstruktionslage des Fahrzeugs mit 0 mm definiert. von dieser Stellung aus können sie an der Vorderachse um 40 mm ausgefahren und um –45 mm eingefahren werden. An der Hinterachse sind 50 mm bzw. –70 mm möglich. Die Federsteifigkeiten betragen an der Vorderachse 200 N/mm und an der Hinterachse 150 N/mm. Die Federbeinübersetzungen (Verhältnis zwischen Radeinfederung und Federbeinweg) betragen sowohl an der Vorderachse wie auch an der Hinterachse 1,8.
Die Radlasten zwischen rechter und linker Seite sind symmetrisch verteilt (3a), so dass sich folgender Zustand ergibt:
Über die Plunger können die Achsen nun kreuzweise verspannt werden. Wenn dabei die Plunger achsweise auf der einen Seite genauso weit ausgefahren wie auf der anderen Seite eingefahren werden und gleichzeitig die dadurch entstehende Differenz-Radaufstandskraft zwischen den Rädern einer Achse für Vorderachse und Hinterachse gleich sind, ändert sich die Lage des Aufbaus (Wankwinkel, Nickwinkel und Niveau) nicht.
Ein Ausfahren des linken Hinterradplungers um z. B. 20 mm ergibt bei unveränderter Karosserielage eine Stauchung der Feder um 20 mm und damit eine Erhöhung der Federkraft um 20 mm × 150 N/mm = 3000 N. 3000 N zusätzliche Federkraft ergeben eine zusätzliche Radaufstandskraft von 3000 N/1,8 = 1670 N. Der rechte Hinterradplunger wird entsprechend um 20 mm einge fahren, so dass sich hier der umgekehrte Effekt ergibt, also eine Abnahme der Radaufstandskraft um 1670 N. Es ergibt sich somit eine Differenz der Radaufstandskräfte an der Hinterachse von 3340 N.
Um eine unveränderte Karosserielage zu gewährleisten, muss diese Differenz auch an der Vorderachse eingestellt werden. Hierzu sind auch hier die Plunger so zu verfahren, dass sich die Federkräfte um jeweils 3000 N ändern. Aufgrund der här teren Federn der Vorderachse reichen hierzu Plungerverstellungen von 3000 N/200 N/mm = 15 mm, wobei der linke Vorderradplunger eingefahren und der rechte ausgefahren wird.
Das Fahrzeug befindet sich nun (3b) in folgendem Zustand:
Man erkennt, dass trotz massiver Veränderung der Radaufstandskräfte die Summe der Radaufstandskräfte der Räder der Vorderachse und die Summe an der Hinterachse gegenüber dem Ausgangszustand konstant geblieben ist. Auch haben sich die Summe der linken Räder und die Summe der rechten Räder nicht geändert.
Dieser Effekt beeinflusst auf 2 verschiedene Arten das Gieren des Fahrzeugs (Drehung um die Z-Achse).

1. Achsen verfügen üblicherweise über einen Vorspurwinkel. Aus diesem Vorspurwinkel ergibt sich eine nach innen gerichtete Seitenkraft am Reifen. Bei einem Gesamtvorspurwinkel von 0,5° – also einem Vorspurwinkel für jedes Rad von 0,25° – ergibt sich mit einer Schräglaufsteifigkeit von 1200 N/° eine Vorspurseitenkraft (18, 19, 20, 21) von 300 N. Für das Ausgangsbeispiel ergeben sich folgende Verhältnisse:
Die Vorspurseitenkräfte (18, 19, 20, 21) gleichen sich gegenseitig aus und somit kommt es zu keiner Gierbewegung des Fahrzeugs. Bei Geradeausstellung der Lenkung fährt das Fahrzeug gerade aus. Die Schräglaufsteifigkeit des Reifens ändert sich jedoch in weiten Bereichen annähernd proportional zur Radaufstandskraft. Beim Beispiel mit verstellten Plungern haben sich die Radaufstandskräfte an der Vorderachse um jeweils 32 %, an der Hinterachse um jeweils 34 % verstellt. Damit ist von einer Zunahme der Vorspurseitenkräfte an den Rädern mit ausgefahrenem Plunger von ca. 100 N und von einer Abnahme der Vorspurseitenkräfte (18', 19', 20', 21') an den Rädern mit eingefahrenem Plunger von ca. 100 N auszugehen (3b). Für das Beispiel stellt sich folgender Zustand ein:
Es ergibt sich damit durch die Veränderung der Radaufstandskräfte bei Geradeausstellung der Räder an der Vorderachse eine resultierende Vorspurseitenkraft von 200 N nach links gerichtet und an der Hinterachse von 200 N nach rechts gerichtet. Mit einem Radstand von 3 m resultiert daraus ein Giermoment um die Hochachse von 600 Nm nach links. Mit einem Trägheitsmoment um die Hochachse von 4200 kgm² ergibt sich damit eine Gierwinkelbeschleunigung von 0,14 rad/s², entsprechend 8,2°/s² nach links. Bei Geradeauslaufstörungen treten üblicherweise Gierwinkelgeschwindigkeiten auf, die unter 4°/s liegen. Diese können demnach mit den hier zur Verfügung stehenden Kräften innerhalb von 0,5 s und damit schneller als vom Fahrer ausgeregelt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass über die Plunger noch deutlich höhere Wege und damit Kräfte gestellt werden können.
2. An der Vorderachse hat die Radlastverstellung einen zweiten Effekt. Nahezu jedes Fahrzeug weist an der Vorderachse einen Nachlaufwinkel (15) (Neigung der Lenkachse (13) des Vorderrades in der X-Z-Ebene) nach hinten und einen Sprei zungswinkel (16) (Neigung der Lenkachse (13) des Vorderrades in der Y-Z-Ebene) nach innen auf. In 2 sind die Verhältnisse am linken Vorderrad schematisch dargestellt.

In 2 ist in der Draufsicht zu erkennen, dass sich die Lenkachse (13) des Rades seitlich versetzt zum Radaufstandspunkt (12) befindet. Der rechtwinklige Abstand des Radaufstandspunkts (12) zur Lenkachse (13) ist der Hebelarm (17) der Radaufstandskraft (24). Der Anteil der Radaufstandskraft (24), der rechtwinklig zur Lenkachse (13) wirkt, ergibt in Verbindung mit dem Hebelarm (17) ein Moment um die Radlenkachse (13), das nach innen gerichtet ist. Der Winkel alpha zwischen Lenkachse (13) und Fahrbahn errechnet sich aus: alpha = arcsin (1/(tan2(Nachlaufwinkel) + tan2(Spreizung) + 1)0,5)
Bei einem Nachlaufwinkel (15) von 10° und einer Spreizung (16) von 5° ergibt sich demnach ein Winkel zwischen der Lenkachse (13) und der Fahrbahn von alpha = 79°.
Der Anteil der Radaufstandskraft (24), der rechtwinklig zu dieser Achse (13) wirkt, errechnet sich aus: FRL = FR × cos alpha
Der Cosinus von 79° beträgt 0,19. Demnach wirken bei diesem Beispiel 19 % der Radaufstandskraft (24) rechtwinklig zur Lenkachse (13).
Bei einer Radaufstandskraft (24) von 5150 N sind dies 980 N. Bei einem Hebelarm (17) von 50 mm ergibt sich ein Drehmoment von 49 Nm. Für den vorher beschriebenen Ausgangszustand ergeben sich damit folgende Verhältnisse (3a):
In diesem Zustand gleichen sich die Drehmomente (23, 22), die auf die Lenkachsen der beiden Vorderräder wirken, gegenseitig aus. Sie haben damit keinen Einfluss auf die Lenkung des Fahrzeugs bzw. auf das Fahrverhalten. Der einzige Effekt, den die Lenkmomente bewirken, ist eine gleichseitige Erhöhung der Spurstangenkräfte.
Anders sieht es aus, wenn die Achsen – wie im vorherigen Bespiel – gegeneinander verspannt werden (3b):
In diesem Fall gleichen sich die Drehmomente (23', 22') nicht mehr aus. Das nach links drehende Moment (23') des rechten Vorderrades ist doppelt so groß, wie das nach rechts drehende Moment (22') des linken Vorderrades. Dies bewirkt zum einen bei fest gehaltenem Lenkrad eine Verdrehung der Lenkung im Rahmen der Elastizitäten, so dass sich an den Rädern ein leichter Linkseinschlag darstellen wird. Zum anderen resultiert aus dem Differenzmoment an den Rädern ein auch im Lenkrad spürbares Drehmoment, das versucht, das Lenkrad nach links zu verdrehen.
Sowohl der Lenkeffekt, der aus der Vorspurseitenkraft (18', 19', 20', 21') resultiert, wie auch der Lenkeffekt, der sich über die Momente (22', 23') der Lenkachse ergibt, wirken beide in die gleiche Richtung (im Beispiel nach links).

Claims

Verfahren zur Betätigung eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenkwinkelsensor, einem Fahrgeschwindigkeitssensor und einem Giersensor oder einem Querbeschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass – nach Maßgabe von Parametern, die den Ist-Zustand und den Soll-Zustand des Kraftfahrzeugs wiederspiegeln, und – unter Beibehaltung des Fahrzeugniveaus, – die Achsen des aktiven Fahrwerks kreuzweise verspannt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen nur dann verspannt werden, wenn – eine festgelegte Grenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs überschritten und/oder – ein festgelegter Lenkradwinkel unterschritten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass aus Lenkradwinkel, Fahrgeschwindigkeit und weiteren Fahrzeugkonstanten die Soll-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird, – dass die Ist-Giergeschwindigkeit mit der Soll-Giergeschwindigkeit verglichen und die Giergeschwindigkeitsabweichung des Ist-Wert vom Soll-Wert ermittelt wird, und – dass das aktive Fahrwerk nach Maßgabe dieser Giergeschwindigkeitsabweichung angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder einem Unterschreiten eines festgelegten Lenkradwinkels die Verspannung der Achsen nach Maßgabe der berechneten Giergeschwindigkeitsabweichung erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer Mindestgeschwindigkeit der. Kraftfahrzeugs und/oder einem Überschreiten eines festgelegten Lenkradwinkels die Verspannung der Achsen reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Kompensation von Störungen des Geradeauslaufs verwendet wird.