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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung
von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges.
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Achslasten
und Radlasten, d. h. auf ein Fahrwerk oder Teile eines Fahrwerks
wirkende Kräfte,
sind Eingangsgrößen für elektronische
Steuerungssysteme von Kraftfahrzeugen, z. B. für ein Antiblockiersystem (ABS)
und für
ein System zur aktiven Steuerung des Fahrwerks oder der Kopplung
des Fahrwerks mit einem Fahrzeugaufbau (beispielsweise das so genannte
elektronische Stabilitätsprogramm
ESP). Weitere Beispiele sind ein Schutzsystem gegen ein Überschlagen
des Fahrzeuges (roll-over-protection)
und Systeme zur Stabilisierung von Wankbewegungen in Personen- und
Nutzkraftfahrzeugen sowie in Anhängern.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Kombination der Anordnung mit
zumindest einem derartigen System oder mit einer beliebigen Kombination
derartiger Systeme.
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Aus
DE 196 03 430 A1 ist
eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Achslasten bei einem
Kraftfahrzeug bekannt. In einer Auswerteschaltung werden Signale
eines Gierratensensors empfangen, die eine Nickbewegung des Kraftfahrzeugs
wiedergeben, und aus den Signalen die Achslasten und/oder Radaufstandskräfte des
Kraftfahrzeuges berechnet. Insbesondere werden in einem Steuerrechner
die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeuglängsrichtung bis zu dem Nickwinkel
aufintegriert und die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeugquerrichtung
bis zu dem Wankwinkel aufintegriert. Aus dem Nickwinkel, dem Wankwinkel,
der Geländesteigung,
dem linken und dem rechten Radstand, der vorderen und der hinteren
Spur sowie der Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Achslastverteilung
berechnet werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und
ein Verfahren anzugeben, die eine Bestimmung von dynamischen Achslasten
und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges in einer Vielzahl realer
Fahrsituationen erlauben. Insbesondere soll eine Bestimmung der
Achslasten und/oder Radlasten gerade in sicherheitskritischen Situationen
wie Kurvenfahrten, bei geneigter Fahrbahn und/oder bei wankendem
Fahrzeugaufbau möglich
sein.
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Es
wird vorgeschlagen, für
die Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges
zumindest zwei (vorzugsweise drei) jeweils quer zueinander gerichtete
Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges und drei Drehraten des
Radfahrzeuges, zu messen. Die drei Drehraten sind jeweils ein Maß einer
Drehbewegung oder Drehbewegungskomponente um eine Koordinatenachse
des Radfahrzeuges, wobei die zwei oder drei Koordinatenachsen jeweils
quer zueinander verlaufen und insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem
bilden.
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Weiterhin
wird folgendes vorgeschlagen: Eine Anordnung mit
- – einer
in dem Radfahrzeug angeordneten oder anordenbaren Messeinrichtung,
wobei die Messeinrichtung ausgestaltet ist, zumindest zwei jeweils
quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges
und drei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente
einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges, zu
messen, wobei die drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander
verlaufen, und
- – einer
Auswertungseinrichtung, die mit der Messeinrichtung kombiniert ist
und ausgestaltet ist, unter Verwendung der zumindest zwei Linearbeschleunigungen
und der drei Drehraten zumindest eine Achslast und/oder eine Radlast
zu bestimmen.
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Unter
dem Begriff "Achse" wird nicht nur eine
starre und/oder als einzelnes gegenständlich vorliegendes Bauteil
ausgeführte
Achse verstanden. Vielmehr können
die Räder
einer Achse beispielsweise lediglich über einen Fahrzeugaufbau sowie über zwischen
dem Fahrzeugaufbau und dem jeweiligen Rad angeordneten Stoßdämpfungseinrichtungen
und/oder Federungseinrichtungen miteinander verbunden sein. Weiterhin
ist es auch möglich,
dass zumindest eine der Achsen lediglich ein Rad aufweist.
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Unter
einer Achslast wird eine Last verstanden, die insgesamt auf die
Räder einer
Achse (z. B. von einem Fahrzeugaufbau auf die Vorderräder eines
vierrädrigen
Fahrzeuges) wirkt oder (z. B. an den Rad-Aufstandspunkten) von den
Rädern
der Achse auf den Untergrund ausgeübt wird. Unter einer Radlast
wird eine Last verstanden, die auf ein einzelnes Rad des Fahrzeuges
(z. B. von einem Fahrzeugaufbau auf das rechte Vorderrad eines vierrädrigen Fahrzeuges)
oder auf eine Mehrzahl von Rädern
des Fahrzeuges (z. B. auf die beiden rechten Räder eines vierrädrigen Fahrzeuges)
wirkt oder von dem Rad bzw. den Rädern auf den Untergrund ausgeübt wird.
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Vorzugsweise
weist die Messeinrichtung Beschleunigungssensoren zur Messung der
zwei (oder drei) Linearbeschleunigungen und Drehratensensoren zur
Messung der drei Drehraten auf, wobei die Beschleunigungssensoren
und die Drehratensensoren Teile einer vorgefertigten, zum Einbau
in das Radfahrzeug ausgestalteten gerätetechnischen Einheit sind.
Es handelt sich bei dieser Einheit um eine spezielle Ausführungsform einer
sogenannten Inertial Measurement Unit (IMU). Die IMU ist beispielsweise
dazu bestimmt, an oder in der Nähe
des Schwerpunktes eines Radfahrzeuges befestigt zu werden. Vorzugsweise
liegt dann der Schwerpunkt des Radfahrzeuges oder eines Fahrzeugaufbaus
des Radfahrzeuges innerhalb der Einheit.
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Weiterhin
wird bevorzugt, dass die zwei (oder drei) Linearbeschleunigungen
von der Messeinrichtung als linear voneinander unabhängige Messgrößen messbar
sind. Vorzugsweise bilden die Richtungen der jeweils von den Beschleunigungssensoren
erfassten Beschleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten die Achsen
eines dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystems.
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Entsprechendes
wird für
die Ausrichtung der drei Koordinatenachsen bevorzugt, bezüglich denen
die Komponenten des Drehvektors einer Drehbewegung des Fahrzeuges
gemessen werden. Mit anderen Worten: Die Messeinrichtung ist derart
ausgestaltet, dass die drei Koordinatenachsen jeweils paarweise
senkrecht zueinander verlaufen.
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Die
Messeinrichtung kann z. B. für
jede Messgröße einen
separaten Sensor aufweisen. Es gibt jedoch auch Sensoren, die gleichzeitig
zwei der genannten Messgrößen messen
(z. B. zwei Beschleunigungen oder zwei Drehraten).
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Vorzugsweise
sind die Messsensoren der Messeinrichtung zur Messung der Drehraten
und zur Messung der Linearbeschleunigungen an einem relativ zu einem
Fahrzeug-Fahrwerk beweglichen. Fahrzeugaufbau befestigt.
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Beschleunigungssensoren
messen abhängig
von der Orientierung des Fahrzeuges eine durch die Erdanziehungskraft
beeinflusste Messgröße. Im Stillstand
des Fahrzeuges misst der Beschleunigungssensor lediglich die Auswirkungen
der Erdanziehungskraft. Die wirkliche Beschleunigung kommt dann
in der gemessenen Größe nicht
vor.
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In
dieser Beschreibung wird die durch die Erdanziehungskraft veränderte dynamische
Beschleunigungsgröße als effektive
Beschleunigungsgröße bezeichnet.
Vorzugsweise werden bei der Bestimmung der dynamischen Achslasten
und/oder Radlasten die effektiven Beschleunigungswerte verwendet.
Man erhält dann dynamische
Lasten, die die statische Last (den Anteil der Erdanziehung bzw.
Schwerkraft) enthalten. Bei Bedarf kann jedoch auch die rein dynamische
Last ermittelt werden, z. B. durch Integration der drei Drehraten zur
Bestimmung der Orientierung des Fahrzeuges relativ zu einem erdfesten
Koordinatensystem und durch Eliminierung des statischen Anteils
unter Verwendung von Informationen über die Orientierung.
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Insbesondere
hierfür
kann die Anordnung eine Orientierungs-Bestimmungseinrichtung aufweisen, die ausgestaltet
ist, aus den drei Drehraten eine Orientierung des Radfahrzeuges
in einem fahrzeugexternen Koordinatensystem zu bestimmen. Um die
von der Messeinrichtung gemessenen Größen auf etwaige Fehler überwachen
zu können,
wird ferner eine Überwachungseinrichtung
vorgeschlagen, die ausgestaltet ist, unter Verwendung einer Ausgangsgröße der Orientierungs-Bestimmungseinrichtung
und unter Verwendung einer Vergleichsgröße eine Überwachung zumindest einer
der gemessenen Linearbeschleunigungen durchzuführen. Zur Bestimmung der Vergleichsgröße werden
insbesondere weitere, nicht von der Messeinrichtung gemessene Größen verwendet,
beispielsweise ein Lenkwinkel zumindest eines lenkbaren Rades des
Fahrzeuges und/oder eine Fahrgeschwindigkeit. Wird bei der Überwachung
festgestellt, dass ein Messwert der Messeinrichtung z. B. aufgrund
eines Sensorfehlers nicht zuverlässig
ist, kann eine geeignete Maßnahme
ergriffen werden.
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Durch
die Berücksichtigung
der drei Drehraten und der zumindest zwei Beschleunigungen des Fahrzeuges
kann selbst in sicherheitskritischen Fahrsituationen, insbesondere
wenn hohe Beschleunigungen und/oder schnelle Drehbewegungen des
Fahrzeuges auftreten, zuverlässig
eine Achslast und/oder zumindest eine Radlast berechnet werden.
Beispiele für
Fahrsituationen, in denen vorbekannte Verfahren zur Berechnung der
Last nicht oder nur eingeschränkt
anwendbar sind, betreffen Kurvenfahrten, Fahrten auf seitlich geneigtem
Untergrund und/oder Fahrten bei seitlichen Drehbewegungen eines
Fahrzeugaufbaus (bei wankendem Fahrzeugaufbau).
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In
einem Rechenmodell zur Berechnung der Last, das in der Auswertungseinrichtung
implementiert ist, kann auf Grund der Drehraten und Beschleunigungen
beispielsweise ein Term oder können
mehrere Terme berücksichtigt
werden, über
den/die bisher keine gemessenen Informationen zur Verfügung standen.
Hierzu gehören:
- – Terme,
die Lasten auf Grund von einer Bewegung des Fahrzeuges und/oder
eines Fahrzeugaufbaus quer zu der Ebene des Untergrundes berücksichtigen,
- – Terme,
die eine Relativbewegung zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem
Fahrwerk des Fahrzeuges berücksichtigen,
und/oder
- – Terme,
die ein Trägheitsmoment
des Fahrzeuges und/oder eines Fahrzeugteils (insbesondere eines Fahrzeugaufbaus)
bei einer Drehbewegung berücksichtigen.
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Weiterhin
können
Terme in dem Rechenmodell berücksichtigt
werden, die ein (insbesondere gedämpftes) elastisches Bewegungsverhalten
eines Fahrzeugaufbaus relativ zu einem Fahrwerk berücksichtigen.
Hierauf wird noch näher
eingegangen.
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Insbesondere
kann die Auswertungseinrichtung eine Berechnungseinheit aufweisen,
die ausgestaltet ist,
- – unter Verwendung eines von
der Messeinrichtung gemessenen Messwertes für eine quer zu der Ebene eines
Fahrzeug-Untergrundes gerichtete Linearbeschleunigung zumindest
eine Teil-Achslast und/oder eine Teil-Radlast zu berechnen;
- – unter
Verwendung der drei Drehraten zumindest eine Teil-Achslast und/oder
eine Teil-Radlast zu berechnen, die durch eine Drehbewegung des
Radfahrzeuges und/oder durch eine Drehbewegung eines Teils des Radfahrzeuges
erzeugt wird; und/oder
- – unter
Berücksichtung
einer, insbesondere gedämpften,
Federung zwischen zumindest einem der Räder des Radfahrzeuges und einem
Fahrzeugaufbau die Achslast und/oder Radlast.
zu berechnen
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Die
Berechnungseinheit weist z. B. einen Mikroprozessor auf.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt es weiterhin, eine zuverlässige Vorhersage einer Fahrsituation
zu machen, wobei unter Verwendung zumindest von zwei berechneten
Achslasten und/oder Radlasten vorausberechnet wird, ob ein Rad des
Radfahrzeuges oder mehrere Räder
des Radfahrzeuges einen Kontakt mit einem Untergrund verlieren werden.
Beispielsweise werden Lasten für
verschiedene Räder
des Fahrzeuges als Funktionen der Zeit betrachtet und werden diese
Funktionen wiederholt extrapoliert, sodass zumindest jeweils ein
zukünftiger
Wert der Lasten erhalten wird. Durch Vergleich und/oder unter Verwendung
der extrapolierten Lasten kann dann für den zukünftigen Zeitpunkt ermittelt
werden, ob der Kontakt mit dem Untergrund verloren gehen wird. Beispielsweise
kann in einem solchen Fall ein System zur aktiven Steuerung des
Fahrwerks oder der Kopplung des Fahrwerks mit einem Fahrzeugaufbau
eine geeignete Maßnahme
ergreifen, um die gefährliche
Situation zu vermeiden. Z. B. ist es möglich, einzelne oder mehrere
Räder des
Fahrzeuges zu bremsen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
wird Bezug auf die beigefügte
schematische Zeichnung genommen und eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung bezeichnen gleiche,
funktionsgleiche oder äquivalente
Einheiten oder Einrichtungen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung
zeigen:
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1 ein
Straßenkraftfahrzeug
mit einer Anordnung zur Bestimmung dynamischer Achslasten und Radlasten,
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2 eine
Ausgestaltung der in 1 dargestellten Auswertungseinrichtung
in Kombination mit einer Messeinrichtung,
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3 die
in 1 dargestellte Messeinrichtung in einem gemeinsamen
Gehäuse
mit der Auswertungseinrichtung,
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4 ein
Modell eines Straßenkraftfahrzeuges
mit einem Fahrwerk und mit einem über eine gedämpfte Federung
mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbau in Seitenansicht,
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5 das
Modell gemäß 4 von
vorne,
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6 eine
Darstellung eines Straßenkraftfahrzeuges
zur Erläuterung
von Abmessungen und Winkeln und
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7 ein
Beispiel für
eine Ausgestaltung der in 1 dargestellten
Messeinrichtung.
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Das
in 1 dargestellte Straßenkraftfahrzeug 20 weist
zwei Vorderräder
und zwei Hinterräder
auf, von denen das rechte Vorderrad mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet
ist und von denen das rechte Hinterrad mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet
ist. Die Vorderräder
sind einer Vorderachse 26 zugeordnet. Die Hinterräder sind
einer Hinterachse 27 zugeordnet. Die einer Achse zugeordneten
Räder drehen
sich bei Geradeausfahrt des Straßenkraftfahrzeuges 20 koaxial,
d. h. sie weisen eine gemeinsame Drehachse auf.
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In
dem Straßenkraftfahrzeug 20 ist
eine Messeinrichtung 1 angeordnet, die mit einer Auswertungseinrichtung 9 zur
Bestimmung von Achslasten und Radlasten des Straßenfahrzeuges 20 verbunden
ist.
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Wie
in 7 dargestellt ist, weist die Messeinrichtung 1 beispielsweise
eine Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 und eine Drehraten-Messeinrichtung 4 auf.
Die Messeinrichtung 1 ist insbesondere eine vorgefertigte
bauliche Einheit, wobei die entsprechenden Messsensoren zur Messung
der Beschleunigungen und Drehraten relativ zueinander positionsfest
in der Einheit angeordnet sind. Die bautechnische Einheit ist insbesondere dazu
bestimmt, an oder in der Nähe
des Schwerpunktes eines Kraftfahrzeuges befestigt zu werden, wobei
eine bestimmte Ausrichtung in dem Kraftfahrzeug angestrebt wird.
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Insbesondere
weist die Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 drei Linear-Beschleunigungssensoren 31, 32, 33 auf
(7), die derart angeordnet sind, dass jeweils einer
der Beschleunigungssensoren eine Beschleunigung oder Beschleunigungskomponente
des Fahrzeuges in Richtung der Achsen eines kartesischen Koordinatensystems
misst, wobei die x-Achse nach vorne in Längsrichtung des Fahrzeuges
weist, die y-Achse quer zur Längsachse
gerichtet ist und die z-Achse (bei horizontal ausgerichtetem Fahrzeug)
senkrecht nach oben weist. Ein derartiges Koordinatensystem ist
schematisch in 6 dargestellt. Diese Figur zeigt
ein Straßenkraftfahrzeug 20 mit
zwei lenkbaren Vorderrädern 21, 22 und
zwei nicht lenkbaren Hinterrädern 23, 24.
Die Vorderräder
sind in dem dargestellten Zustand nach links eingeschlagen und weisen
gegen die x-Achse einen Lenkwinkel von δL (linkes
Vorderrad 21) bzw. δR (rechtes Vorderrad 22) auf. Die
Vorderräder 21, 22 haben
einen Abstand (Radstand) sF, die Hinterräder 23, 24 einen
Abstand sR voneinander. rR bezeichnet
den Radius der Hinterräder 23, 24.
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In
Längsrichtung
etwa in der Mitte eines Fahrzeugaufbaus 25 ist die Messeinrichtung 1 angeordnet. Sie
hat in Längsrichtung
einen Abstand 1F von der Achse
der Vorderräder 21, 22 und
einen Abstand 1R von der Achse
der Hinterräder 23, 24.
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Die
Erfindung ist nicht auf Radfahrzeuge mit Vorderradlenkung beschränkt. Vielmehr
können
z. B. zusätzlich
auch die Hinterräder
lenkbar sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für die
in 1 dargestellte Anordnung ist in 2 dargestellt.
Die Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 ist über eine
Filtereinrichtung 5 mit der Auswertungseinrichtung 9 verbunden.
Die Drehraten-Messeinrichtung 4 ist über die
Filtereinrichtung 5 ebenfalls mit der Auswertungseinrichtung 9 verbunden.
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Die
in 2 dargestellte Filtereinrichtung 5 steht
stellvertretend für
weitere Filtereinrichtungen, die zusätzlich bei den in 1 bis 3 dargestellten
Anordnungen oder bei abgewandelten Anordnungen vorgesehen sein können. Die
von den Filtereinrichtungen durchgeführte Filterung von Messsignalen
und/oder daraus abgeleiteten Signalen dient insbesondere der Eliminierung
von etwaig vorhandenem Rauschen und der Eliminierung von hochfrequenten
Schwankungen der Messsignale, beispielsweise auf Grund von Vibrationen des
Fahrzeugaufbaus. Die Filtereinrichtungen können insbesondere zumindest
ein Tiefpassfilter und/oder zumindest ein Bandpassfilter aufweisen.
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Die
Filtereinrichtung 5 filtert die von den Beschleunigungs-Messsensoren der
Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 gemessenen Beschleunigungssignale
und die von den Drehraten-Messsensoren der Drehraten-Messeinrichtung 4 gemessenen
Drehratensignale, bevor diese zu der Auswertungseinrichtung 9 übertragen
werden.
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Wie 3 zeigt
können
die Messeinrichtung 1 und die Auswertungseinrichtung 9 zusammen
mit weiteren Einheiten und/oder Einrichtungen in einem gemeinsamen
Gehäuse 2 angeordnet
sein. Wie in der Figur dargestellt ist, kann die Auswertungseinrichtung 9 eine
Berechnungseinheit 11 und eine Überwachungseinrichtung 10 aufweisen.
Die Berechnungseinheit 11 dient der Berechnung von Achslasten
und/oder Radlasten des Fahrzeuges. Die Überwachungseinrichtung 10 dient
der Überwachung
der von der Messeinrichtung 1 erzeugten Messsignale.
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Unter
Verwendung von Messsignalen eines Lenkwinkels und einer Fahrzeuggeschwindigkeit,
die über einen
Eingang 6 empfangen werden, führt die Überwachungseinrichtung 10 eine Überwachung
von zumindest einer der von der Messeinrichtung 1 gemessenen
Größen durch.
Beispielsweise verwendet die Überwachungseinrichtung 10 für die Überwachung
der Linearbeschleunigungen zumindest zwei Winkel (die durch Integration
der Drehraten erhaltenen Wankwinkel und Nickwinkel des Fahrzeuges),
die ein Maß für die Orientierung
des Fahrzeuges in einem erdfesten Koordinatensystem sind. Auf diese
Weise kann sie berücksichtigen, dass
die gemessenen Linearbeschleunigungen abhängig von der Orientierung des
Fahrzeuges relativ zu dem erdfesten Koordinatensystem eine Komponente
enthalten, die auf die Erdanziehung zurückzuführen ist.
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Wie
ebenfalls in 3 dargestellt ist, kann die
Berechnungseinheit 11 mit einer Extrapolationseinheit 12 verbunden
sein, um (wie bereits erläutert)
eine Voraussage über
eine in der Zukunft liegende Fahrsituation zu machen, in der zumindest
eines der Räder
des Fahrzeuges den Kontakt mit dem Untergrund nicht mehr oder nicht
mehr in ausreichender Weise hält. Über eine
Schnittstelle 13, mit der die Extrapolationseinheit 12 verbunden
ist, können
entsprechende Informationen über
eine solche Fahrsituation an ein System ausgegeben werden, das geeignete
Maßnahmen
zur Verhinderung der gefährlichen
Fahrsituation einleitet (z. B. Roll-Over-Protection).
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Im
Folgenden wird nun auf die Berechnung der Achslasten und/oder Radlasten
näher eingegangen, die
beispielsweise von der Berechnungseinheit 11 durchgeführt wird
bzw. durchgeführt
werden.
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Bei
einer ersten Berechnungsart sollen jeweils die Summen von mehreren
Radlasten berechnet werden, wobei in jedem Fall entweder alle Räder einer
Achse oder alle Räder
einer Seite des Fahrzeuges einbezogen sind. Beispielsweise kann
auf diese Weise bei einem vierrädrigen
Radfahrzeug die Vorderachslast, die Hinterachslast, die Summe der
Radlasten der rechten Räder
und/oder die Summe der Radlasten der linken Räder berechnet werden. Für jede dieser
Berechnungen werden jeweils nur zwei der von der Messeinrichtung gemessenen
Beschleunigungsgrößen benötigt. Zu
diesen beiden Beschleunigungsgrößen gehört in jedem Fall
die Linearbeschleunigung in z-Richtung (6).
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Welche
Größe die zweite
Bescheinigungsgröße ist,
hängt von
der zu berechnenden Summe ab. Im Fall der Berechnung einer Achslast
(Summe der Räder
einer Achse) wird als zweite Linearbeschleunigungsgröße die Beschleunigung
in x-Richtung verwendet. Im Fall der Summe der Radlasten einer Seite
des Fahrzeuges wird als zweite Beschleunigungsgröße die Beschleunigung in y-Richtung
verwendet.
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Außerdem wird
für jede
dieser Summen von Radlasten ein die Trägheit des Fahrzeuges bei einer Drehbewegung
beschreibender Term berücksichtigt.
Für diesen
Term werden vorzugsweise alle drei von der Messeinrichtung gemessenen
Drehraten verwendet.
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Im
Folgenden werden Beispiele für
die Berechnung derartiger Summen von Radlasten auf der Basis von
physikalischen Fahrzeugmodellen näher erläutert.
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Bei
einem ersten Modell wird das Fahrzeug als starrer Körper betrachtet,
d. h. es werden keine Terme berücksichtigt,
die eine (insbesondere gedämpfte)
Federung zwischen den Rädern
und einem Fahrzeugaufbau abbilden.
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Die
dynamische Vorderachslast F
F wird definiert
als die Summe der Aufstandskräfte
der Vorderräder und
die dynamische Hinterachslast F
R als die
Summe der Aufstandskräfte
der Hinterräder.
Die Kräfte
können insbesondere
nach folgenden Gleichungen berechnet werden:
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Dabei
sind
die von der Messeinrichtung
ermittelten und insbesondere durch Filterung und/oder weitere Maßnahmen
aufbereiteten Messsignale für
die Linearbeschleunigung unter der Annahme, dass die Messeinrichtung
am Schwerpunkt des Fahrzeuges angeordnet ist. Ist dies nicht der
Fall, so werden die Messwerte auf den Schwerpunkt umgerechnet. Weiterhin
sind l
R bzw. l
F die
bereits anhand von
6 eingeführten Abstände zwischen der Messeinrichtung
und der Hinterachse bzw. der Vorderachse, m
V die
Masse des Fahrzeuges, h
CG die Höhe des Schwerpunktes über dem
Untergrund des Fahrzeuges und J
CG,x, J
CG,y die x-Komponente bzw. die y-Komponente
des Vektors
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Dabei
ist
J CG der
Trägheitstensor
des Fahrzeuges bezüglich
des Schwerpunktes, wobei die Koordinatenachsen in Richtung der Messrichtungen
der Sensoren orientiert sind.
ω ist
der Drehvektor des Fahrzeuges. Unter der Annahme, dass der Drehvektor
in guter Näherung
diagonal ist, erhält
man für
die beiden ersten Komponenten des Vektors
J CG:
mit den Haupt-Trägheitsmomenten
des Fahrzeuges I
CG,1, I
CG,2,
I
CG,3 (Diagonalelemente der 3 × 3 Trägheitsmoment-Matrix)
und den Komponenten des Drehvektors ω
x, ω
y, ω
z.
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In
entsprechender Weise erhält
man eine Gleichung für
die Summe der Radlasten F
FL + F
RL (der
erste Index F steht für „Front" bzw. „vorne", der erste Index
R steht für „Rear" bzw. „hinten", der zweite Index
L steht für „links") der linken Räder:
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Dabei
ist SF der Radstand, der für die Vorderräder und
für die
Hinterräder
als gleich groß angenommen ist.
Die entsprechende Gleichung für
die rechten Räder
erhält
man, wenn man auf der rechten Seite dieser Gleichung das Vorzeichen
des zweiten Summanden umkehrt. Dies berücksichtigt, dass sich eine
Beschleunigung in y-Richtung (also quer zur Fahrtrichtung) für die Aufstandskräfte der
rechten Räder
und der linken Räder
umgekehrt auswirkt.
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Im
Hinblick auf eine Verhinderung eines Fahrzeug-Überschlages (roll-over-protection)
kann z. B. die Summe der Radlasten der linken Räder und/oder die Summe der
Radlasten der rechten Räder
verwendet werden und die bereits beschriebene Extrapolation durchgeführt werden.
Insbesondere kann z. B. die Summe der Radlasten der rechten Räder mit
der Summe der Radlasten der rechten Räder verglichen werden. Da die
entsprechenden Gleichungen teilweise identische Terme enthalten
kann es für
bestimmte Anwendungen und/oder in bestimmten Fahrsituationen ausreichen,
die Terme mit umgekehrtem Vorzeichen auszuwerten. Der Vergleich
kann in diesen Fällen
daher auf eine Berechnung des Terms bzw. der Terme reduziert werden, dessen
bzw. deren Vorzeichen bei den rechten Rädern und bei den linken Rädern umgekehrt
ist. Bei dem Vergleich kann insbesondere überprüft werden, ob ein vorgegebener
Grenzwert erreicht oder überschritten
ist. Ist dies der Fall, wird beispielsweise ein Signal an ein System
zur Stabilisierung des Fahrzeug-Fahrbetriebes
ausgegeben.
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Grundzüge des zuvor
beschriebenen Modells sind die Annahme eines starren Fahrzeuges
und die Erstellung einer Drehimpuls-Bilanz (oder einer äquivalenten Bilanz) der jeweils
betrachteten Räder
(z. B. Vorderräder,
Hinterräder
oder linke Räder).
Mit einem derartigen Modell lassen sich jedoch nicht die Radlasten
einzelner Räder
bestimmen.
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Insbesondere
wenn nicht zu vernachlässigende
Bewegungen zwischen Aufbau und Fahrwerk auftreten, können dennoch
mit Mess werten der im Aufbau angeordneten Messeinrichtung (insbesondere
mit einer IMU) Achslasten und/oder Radlasten bestimmt werden. Dazu
wird vorgeschlagen, ein Fahrzeugmodell zu verwenden, das Elastizitäten zwischen
dem Aufbau und dem Fahrwerk berücksichtigt.
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Zur
Bestimmung einzelner Radlasten eines vierrädrigen Fahrzeuges wird folgender
Ansatz gemäß einem
zweiten Modell vorgeschlagen: es werden Elastizitäten der
Federung zwischen den Rädern
(d. h. einem Fahrwerk) und einem starren Fahrzeugaufbau eingeführt. Weiterhin
werden drei Freiheitsgrade der Relativbewegung zwischen dem Fahrwerk
und dem Fahrzeugaufbau zugelassen, nämlich eine lineare Bewegung
in z-Richtung (z. B. die Bewegung eines Punktes im Fahrzeugaufbau,
an dem die Messeinrichtung misst), eine erste Drehbewegung um eine
waagerecht in dem Fahrzeug verlaufende erste Drehachse (insbesondere
die x-Achse) und eine zweite Drehbewegung um eine waagerecht in
dem Fahrzeug verlaufende zweite Drehachse (insbesondere die y-Achse),
die quer zu der ersten Drehachse verläuft.
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4 und 5 stellen
das Modell schematisch dar. Ein Fahrzeugaufbau 28 hat einen
Schwerpunkt CG und ist über
Federn 40, 41, 43 (gezeigt sind in den
beiden Figuren nur drei der vier Räder) und über parallel zu den Federn 40, 41, 43 wirkende
Dämpfungsglieder 44, 45, 47 einzeln
mit den vier Rädern 21, 22, 23, 24 verbunden.
Da die Räder 21, 22, 23, 24 nicht
unmittelbar mechanisch miteinander gekoppelt sind, kann man auch
von einem Fünf-Massen-Modell
sprechen. Die Räder 21, 22, 23, 24 stehen
auf dem Untergrund 30 (z. B. einer Fahrbahn) auf.
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Durch
Bilden entsprechender Drehimpuls-Bilanzen (oder äquivalenter Bilanzen, z. B.
Drehmoment-Bilanzen) für
das Fahrwerk wie oben für
das starre Fahrzeug erläutert
(d. h. zwei Gleichungen für
jeweils zwei Räder,
z. B. die Vorderräder
und die Hinterräder)
und durch Berücksichtigung
der folgenden Differentialgleichungen
können die einzelnen Radlasten
berechnet werden. Dabei sind κ
R, κ
P, k Parameter des Fahrzeuges, die einer linearen
Federkraft der jeweiligen Bewegungskomponente des Freiheitsgrades
entsprechen, γ
R, γ
P, Γ Parameter
des Fahrzeuges, die einem linearen Dämpfungsterm der jeweiligen
Bewegungskomponente entsprechen, c
R, c
P weitere Parameter des Fahrzeuges, Δφ der relative
Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die x-Achse (Wankwinkel), Δϑ der
relative Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die y-Achse
(Nickwinkel) und a (e) / j, j = x, y, z die von der im Fahrzeugaufbau angeordneten
Messeinrichtung gemessenen Linearbeschleunigungen in x-, y- und z-Richtung.
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Sämtliche
Parameter können
beispielsweise experimentell und/oder rechnerisch für ein bestimmtes Fahrzeug
oder einen bestimmten Fahrzeugtyp bestimmt werden.
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Dieses
Modell setzt den Fahrzeugaufbau als in sich starrer Körper voraus
und ist damit in guter Näherung
für die
Fahrt von Kraftfahrzeugen auf Straßen geeignet. Dieses Modell
berücksichtigt
wie beschrieben Wank- und Nickbewegungen und ist daher insbesondere
für Fahrsituationen
und/oder Fahrzeuge geeignet, bei denen solche Bewegungen auftreten.
Dies ist vor allem bei Fahrzeugen mit hoch über dem Fahrwerk gelegenem
Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus der Fall, z. B. bei Lastkraftwagen
und geländetauglichen
Fahrzeugen.
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Bei
dem oben angegebenen Satz von drei Differentialgleichungen können insbesondere
die folgenden Änderungen
vorgenommen werden oder Alternativen realisiert werden:
- – die
Federn können
als nichtlineare Federn beschrieben werden,
- – in
einer oder mehreren der Gleichungen, insbesondere in der Gleichung
für den
Nickwinkel Δϑ,
kann eine Verteilung einer Bremskraft oder von Bremskräften und/oder
einer Antriebskraft oder von Antriebskräften (z. B. bei Allrad-angetriebenen
Fahrzeugen) über
die Räder
zusätzlich
berücksichtigt
werden und/oder
- – die
Gleichungen können
zumindest teilweise gekoppelt sein.
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Zur
Vereinfachung der Berechnung können
vereinfachende Annahmen getroffen werden, wie z. B.
- – die
Vernachlässigung
der Masse des Fahrwerks gegenüber
der Masse des Fahrzeugaufbaus,
- – die
Annahme, dass der Messpunkt, an dem die Messeinrichtung die Drehraten
und Linearbeschleunigungen misst und/oder durch den die drei Drehachsen
verlaufen, der Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus ist und/oder
- – die
Annahme, dass die Höhendifferenz
(in z-Richtung) des Messpunktes zu den vier Angriffspunkten, an denen
Federkräfte
von zwischen den Rädern
und dem Fahrzeugaufbau wirkenden Federungen an dem Fahrzeugaufbau
angreifen, für
alle vier Räder
gleich groß ist.
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In
dem betrachteten Modell kann eine mathematische Grenzwertbildung
durchgeführt
werden, wobei man die Federkräfte
unendlich groß werden
lässt (Grenzfall
starrer Federn). Dem entspricht in den oben angegebenen Differentialgleichungen
der Fall κ
R, κ
P, k → ∞. Man erhält die folgenden
Berechnungsgleichungen für
die einzelnen Radlasten:
wobei
sich das Minuszeichen in dem Operator + der Gleichungen jeweils
auf das linke Rad und das Pluszeichen sich jeweils auf das rechte
Rad bezieht.
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Dieses
vereinfachte Modell ist insbesondere für Fahrzeuge mit niedrig gelegenem
Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus, für das Fahren auf ebenem Untergrund
(im Gegensatz zu Schlechtwegstrecken) und das Fahren bei hoher Geschwindigkeit
geeignet. Beispielsweise kann bei einer konkreten Ausführungsform
festgestellt werden, ob eine dieser Bedingungen vorliegt. Ist dies
der Fall, greift die Berechnungseinheit auf das vereinfachte Modell
zurück.
Andernfalls wird das zu Grunde liegende Modell mit Berücksichtigung
der Federung angewendet.
