DE10350047A1

DE10350047A1 - Vorrichtung zum Messen der Kurvenneigung und der Momentangeschwindigkeit von Zweirädern

Info

Publication number: DE10350047A1
Application number: DE10350047A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schubach
Original assignee: Schubach Rudolf Dipl-Ing
Current assignee: SCHUBACH, RUDOLF, DIPL.-ING., 38350 HELMSTEDT, DE
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die es mit einem Drehratensensor und der Kenntnis der Geschwindigkeit ermöglicht, den Winkel der Kurvenneigung von Zweirädern unabhängig von einer Radial-, Vertikal- oder Horizontalbeschleunigung zu messen. Damit kann bei Zweirädern der Fahrscheinwerfer in der Drehlage entsprechend der Kurvenneigung korrigiert und das Sichtfeld immer optimal ausgeleuchtet werden. Ebenso können ABS und Schlupfregelung erheblich besser geregelt werden. DOLLAR A Dabei kann das Gerät mit kostengünstigen, mikromechanischen Sensoren für Beschleunigung und Drehrate realisiert werden. Ein Signal für die Geschwindigkeit ist in der Regel ohnehin verfügbar. Über eine einfache Formel wird der Neigungswinkel direkt und stabil meßbar. DOLLAR A Ein Zusatznutzen ist das radunabhängige Bestimmen der Momentangeschwindigkeit, um das ABS optimal zu nutzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels eines Zweirades während der Kurvenfahrt, unabhängig von einer Quer- oder Vertikalbeschleunigung und zum radunabhängigen Messen der Momentangeschwindigkeit. Sie ist anwendbar bei Zweirädern, wie Motorrädern, Fahrrädern und Modellen davon, etwa um ABS und Schlupfregelung besser steuern zu können.

In bekannten Geräten zur Messung der Kurvenneigung bei Zweirädern werden mechanische Präzisionskreisel, Laserkreisel und andere Systeme der Trägheitsnavigation eingesetzt, die an das Fahrzeug montiert, Meßwerte für die Kurvenneigung mit hinreichender Genauigkeit abgeben.

Der offensichtliche Nachteil der meisten Lösungen besteht darin, daß die mit diesen Systemen der Meßtechnik verbundenen Kosten den Einbau in der Großserie offensichtlich nicht zulassen.

Einfache Lösungen, wie die Libelle einer Wasserwaage oder der Auslenkungswinkel eines Pendels, sind kostengünstig. Der offensichtliche Nachteil dieser Ansätze besteht nun darin, daß beim Motorrad die Zentrifugalbeschleunigung der Kurvenfahrt durch die Kurvenneigung ausgeglichen wird, und somit die Kurvenneigung mit diesen Geräten nicht meßbar ist.

Ein weiterer Ansatz zur Lösung dieser Problematik bei Zweirädern zielt nun darauf, mit einem Beschleunigungssensor die resultierende Beschleunigung aus Gravitation und Zentrifugalbeschleunigung in der Kurve zu messen.

Der offensichtliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß mit dieser Messung lediglich der Betrag, nicht aber das Vorzeichen des Neigungswinkels bestimmt werden kann. Durch das Hinzunehmen von Gyrosensoren wird auch die Richtung der Kurvenneigung bestimmbar. Motorvibration, Bodenwellen, Schlaglöcher und andere Fahrbahneinflüsse können die Messung völlig unbrauchbar machen, wie dies bei dem Patent DE 28 40 714 A1 der Fall ist, weil bei Geradeausfahrt und geringer Kurvenneigung die Änderung der Meßgröße viel zu gering ist, um die durch Integration der Drehrate bestimmte Neigung hinreichend genau zu korrigieren und etwa die Drehlage des Fahrscheinwerfers auf etwa +/– 3° genau zu regeln. Damit ist dieser Ansatz lediglich geeignet das Überschreiten von Grenzwerten bei Kurvenneigung größer +/– 30° anzuzeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorteilhaft auszubilden, mit welcher der Neigungswinkel zwischen der Richtung der Aufstandskraft und der Richtung der Gravitation, unabhängig von werteren Beschleunigungen stabil in jeder Fahrsituation bestimmt wird und die Genauigkeit der Winkelmessung etwa +/– 0,2° erreicht.

Im Falle von Zweirädern weicht die Drehrate um die Hochachse des Fahrzeugs wegen der Kurvenneigung ab von der in Weltkoordinaten um den momentanen Drehpunkt der Kurve gemessenen. Durch das Messen der Drehrate um die Hochachse des Zweirades und seiner Geschwindigkeit wird der Winkel der Kurvenneigung direkt bestimmt und die Zahl der erforderlichen Sensoren minimal. Damit wird es möglich, ABS und Schlupfregelung in der Kurve feiner zu dosieren sowie die Drehlage des Fahrscheinwerfers unabhängig von der Kurvenneigung stets horizontal zu regeln und so die Fahrsicherheit aktiv zu erhöhen.

Zudem ist es vorteilhaft, die von den Radsensoren her bekannte Geschwindigkeit durch Integration der Längsbeschleunigung zu einer radunabhängigen Momentangeschwindigkeit zu korrigieren, falls beim Bremsen oder Beschleunigen die Räder blockieren bzw. durchdrehen. Für kurze Zeitintervalle bis zu ca. 3 Sekunden kann damit die Bremswirkung des ABS weiter optimiert werden, weil die Bremskraft der Räder unabhängig voneinander geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch den Patentanspruch (1) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines Drehratensensors (Gyros) in Richtung der Hochachse des Zweirades hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, daß der Winkel der Kurvenneigung unabhängig von anderen Beschleunigungen und Vibrationen bestimmt werden kann und daß ein Maß für die Geschwindigkeit in fast jedem Fahrzeug bereits vorhanden ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß die Kurvenneigung auch für kleine Winkel, wie etwa während der Geradeausfahrt sehr genau gemessen werden kann. Also in einer Fahrsituation in der die Aufstandskraft nur wenig von der Gravitation verschieden ist.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt
1 das Koordinatensystem der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Verbindung mit einem Zweirad und den Sensoren;
2 das ebene Koordinatensystem, Bahnradius, Geschwindigkeitsvektor und Zentrifugalbeschleunigung;
3 zeigt das zusätzlich verdrehte Koordinatensystem der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und weitere Beschleunigungs- und Drehratensensoren.
4 zeigt einen exemplarischen Stromlaufplan mit der analogen Integration der Sensorsignale und weitere Signale für Geschwindigkeit und Motordrehzahl
In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. An das Zweirad 1 ist ein Drehratensensor 2 so angebracht, daß seine Meßachse G_H und die Hochachse F_Z des Fahrzeugs zueinander parallel sind und dieser die Drehrate D_H registriert. Weiterhin ist das dreidimensionale Koordinatensystem XYZ und das um den Winkel PHI um die Achse X gedrehte Koordinatensystem X, F_Z, F_Y der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. Dabei bezeichnet Z die Richtung der Gravitation g, Y die horizontale Querachse, senkrecht zu X und Z, a_y die entsprechende Zentrifugalbeschleunigung und X die Fahrtrichtung, senkrecht zu Y und Z. Phi ist der Winkel der Kurvenneigung zwischen Achse Z und Hochachse F_Z des Fahrzeuges 1 und R beschreibt die aus a_y und g resultierende Aufstandskraft, die auf die Reifen 4 wirkt. S bezeichnet den Schwerpunkt und P seine Projektion auf die Fahrbahnoberfläche in der Ebene XY. Ein Beschleunigungssensor 3 ist so an dem Fahrzeug 1 befestigt, daß er Beschleunigungen in Fahrtrichtung X registriert.
2 zeigt in der Ebene XY den momentanen Mittelpunkt M der Kurvenfahrt, die Drehrate D_Z um diesen Mittelpunkt, die Bahnradien r_V, r_H, r_G und die Bahnen des Vorderrades S_V, des Hinterrades S_H und des Schwerpunktes S_G, sowie den momentanen Geschwindigkeitsvektor V_X parallel zur Achse X und tangential zu S_G im Punkt P, dem Schnittpunkt des Radius r_G mit der Bahn S_G und die Zentrifugalbeschleunigung a_Y des Zweirades 1 für eine Linkskurve.
3 beschreibt zusätzlich den verlagerten Schwerpunkt So, die neue Gleichgewichtsachse U, den Winkel RHO zwischen der Gleichgewichtsachse U und der Hochachse F_Z sowie die beiden Beschleunigungssensoren S_A, S_B die in der Ebene YZ um die Winkel W_A, -W_B gegen die Hochachse F_Z verdreht angebracht sind und deren Meßrichtung B_A, B_B.
4 zeigt einen exemplarischen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, ergänzt um die analoge Integration W der Sensorsignale 2, 3, S_A, S_B, die vom Mikrocontroller 5 gesteuert und ausgewertet wird, und die Signale V vorn 6, V hinten 7 und OT 8 als Referenz für die Drehzahl des Motors.
Während der Fahrt durch eine Kurve bewegt sich der Schwerpunkt S eines Zweirades 1 auf einer Bahn S_G mit dem Radius r_G und der Geschwindigkeit V_X um den gedachten, momentanen Mittelpunkt M. Den Zusammenhang zwischen der Zentrifugalbeschleunigung a_Y und den anderen Größen beschreibt aY = V2 X/rG = D2 Z·rG (1)während die meßbare Drehrate D_H um die Hochachse F_Z mit der Drehrate D_Z um die Weltkoordinate Z durch die Formeln DZ = 2π·rG/VX (2) DH = DZ·cos PHI (3)bzw. cos PHI = DH·2π·rG/VX (4)beschrieben wird. Andererseits beschreibt die Formel tan PHI = aY/g (5)den Zusammenhang zwischen Zentrifugalbeschleunigung a_Y, der Gravitation g und der Kurvenneigung PHI und entspricht tan PHI = V2X/(rG·g) (6)beziehungsweise rG = V2 X/(g·tan PHI) (7)
Durch Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (4) und Kürzen ergibt sich Sin PHI = DH·2π·VX/g (8)bzw. PHI = arcsin (DH·2π·VX/g) (9)
Damit wird auch ersichtlich, welche Bedeutung das genaue Bestimmen der Längsgeschwindigkeit V_X hat. Im Normalfall kann V_X über jeden ABS-Radsensor abgegriffen werden. Doch in den kurzen Zeiten hoher Dynamik ist es wegen des Radschlupfes nicht zuverlässig. Dann empfiehlt es sich den letzten brauchbaren Geschwindigeitswert von Vorder-, oder Hinterrad als Startwert V₀ der Integration über das Signal a_X des Beschleunigungssensors 3 in Fahrtrichtung V_X zu nehmen. Und die Momentangeschwindigkeit V_M ergibt sich mit: VM = V0 + ∫aX·dt; (10)für kurze Zeit mit hinreichender Genauigkeit.
Womit der Winkel der Kurvenneigung PHI direkt aus Geschwindigkeit V_X und Drehrate D_H und frei von Beschleunigungen bestimmt ist. Dies gilt für den Fall schmaler Reifen und ohne Verlagerung des Schwerpunktes, im Gleichgewicht zwischen Zentrifugalbeschleunigung und Kurvenneigung.
Dabei kann der Fahrer durch das Verlagern seines Eigengewichtes den Neigungswinkel zusätzlich um den Winkel RHO verändern, um den die Fahrzeughochachse F_Z gegen die Gleichgewichtsachse U gedreht wird. Dieser Winkel RHO ist mit Beschleunigungssensoren S_A, S_B als Winkel gegen die Resultierende R der idealen Lösung (9) meßbar. Wobei für die Montagewinkel W_A, W_B der Beschleunigungssensoren S_A, S_B keine spezielle Anforderung besteht. Für WA = 45° und WB = 45° (11)gilt freilich die einfache Lösung RHO = arctan (BA/BB) – 45° (12)die zudem frei von der tatsächlichen Größe der Resultierende R ist und auch im Stillstand des Motorrades angewandt werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Messung des Winkels der Kurvenneigung (PHI) eines Zweirades (1) gegen die Richtung der Gravitation (Z) mit einem Drehratensensor (2) und elektrisch leitend verbunden eine Auswerteeinheit 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung wenigstens einen Sensor für die Drehrate(2)aufweist,der parallel zur Hochachse (F_Z)des Zweirades (1) angeordnet ist und die Drehrate D_H mißt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehratensensor (2) auch antiparallel zur Hochachse (F_Z) des Zweirades (1) oder gegen diese um einen festen Winkel gedreht angeordnet, messend und elektrisch leitend verbunden sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschleunigungssensor (3) in Fahrtrichtung X des Zweirades (1) angebracht, messend und mit der Auswerteeinheit elektrisch leiten verbunden ist.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2), (3) auch in einem Bauteil integriert sein können.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein physikalisches Signal für die Geschwindigkeit V_X in Längsrichtung X vom Vorderrad, Hinterrad oder einem berührungslosen Sensor als Puls, Frequenz, proportionaler Strom oder Spannung genutzt wird, um gemäß den Formel (1) bis (9) mittels der Auswerteeinheit 5 die Kurvenneigung PHI zu bestimmen.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal OT (8) für die Stellung der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bzw. der Drehzahl als Puls, Frequenz, Strom oder Spannung an die Auswerteeinheit 5 elektrisch geleitet wird.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Beschleunigungssensoren S_A, S_B in der Ebene F_Y, F_Z jeweils um einen Winkel W_A, bzw. -W_B gegen die Achse F_Z gedreht angebracht, messend und elektrisch leitend verbunden sind.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Beschleunigungssensoren S_A, S_B in der Ebene F_Y, F_Z um Vielfache von 90° weiter gedreht, messend und elektrisch leitend verbunden sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Sensoren für Drehrate, Öldruck, Bremskraft oder Beschleunigung mit den vorbeschriebenen Sensoren kombiniert werden.