DE19603430A1

DE19603430A1 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Achslasten bei einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19603430A1
Application number: DE1996103430
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl Ing Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff nach Anspruch 1. Die Kenntnis der aktuellen Achs lastverteilung oder Radlastverteilung ist für viele Anwendun gen in der Kraftfahrzeugtechnik - z. B. für ABS-, aktive Fahr- Werk-Systeme - nützlich. Speziell bei aktiven Fahrwerken wird der Dämpfungsfaktor radselektiv geregelt. Die tatsächlichen Radlasten können dabei zum Beispiel mit Piezorestriktiven Quarzaufnehmern erfaßt werden. Solche Aufnehmer sind im je weiligen Federdom zwischen Federteller und Fahrzeugchassis montiert. Bei einer bekannten blockiergeschützten Bremsanlage werden Sensoren verwendet, die unter anderem von den Achsla sten abhängige Meßsignale erzeugen (DE-C 33 30 483).

Die bekannten Schaltungsanordnungen sind nicht sehr zuverläs sig und ziemlich aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand zum Er mitteln der Achslasten und der Radlasten in einem Kraftfahr zeug zu verringern und die Zuverlässigkeit der Ermittlung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungs anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ein Vorteil der Erfindung liegt u. a. darin, daß sich mit ihr neben der Achslastverteilung auch die Radlastverteilung er mitteln läßt, d. h. die Kräfte mit denen die einzelnen Reifen aufstandspunkte beaufschlagt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug bei Bergfahrt mit den dabei auftretenden Bewegungsgrößen und -kräften;

Fig. 2 die bei einem Fahrzeug in waagrechter Lage auftre tenden Aufhängungskräften und Achslasten, und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 abgearbeiteten Programms.

Ein Kraftfahrzeug 1 bewegt sich auf einer Fahrbahn 2, das ge genüber der horizontalen Ebene 3 um einen Winkel a geneigt ist. Die Vorderachse des Kraftfahrzeuges ist durch ein Vor derrad 4 dargestellt, die Hinterachse durch ein Hinterrad 5. Die jeweilige Radaufhängung besteht im Wesentlichen aus einer Feder 6 und einem Stoßdämpfer 7.

Das Fahrzeug 1 steht in Fig. 2 auf einer waagerechten Fahr bahn 8. Zur deutlicheren Darstellung der Aufhängungskräfte ist das Fahrzeug hier von den Achsen abgehoben dargestellt.

An geeigneter Stelle des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel in dem Schwerpunkt S ist ein Giergeschwindigkeitssensor 10 angeord net, der der Kürze halber auch als Gierratensensor 10 be zeichnet wird. Zweiachsgierratensensoren werden zum Beispiel in größerem Umfang in Videokameras, und zwar zum Zwecke der Bildstabilisierung, eingesetzt. Ein solcher Sensor 10 liefert zwei Ausgangssignale, die einer Auswerteschaltung 12 zur Achslastermittlung (Fig. 3) zugeführt werden. Ein in dieser Auswerteschaltung 12 enthaltener Steuerrechner 14, zum Bei spiel als Mikroprozessor ausgebildet, benutzt ein einfaches mathematisches Fahrzeugmodell, mit dem aus den beiden Sensor signalen die vier Radaufstandskräfte berechnet werden.

Mit der Auswerteschaltung 12 können außer dem Gierratensensor 10 auch ein Nickgeschwindigkeitssensor 15 und ein Neigungs winkelsensor 16 verbunden sein. Die Auswerteschaltung 12 ist mit einem ABS-Steuergerät 18 über eine Datenleitung 19 und mit einem Aktivfahrwerk-Steuergerät 20 über eine Datenleitung 21 verbunden. Beide Datenleitungen, die auch als Bus ausge führt sein können, ermöglichen einen Daten- und Steuersignal austausch in beiden Richtungen.

Anhand des aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Fahrzeugmo dells werden nachfolgend aufgeführte Mechanikgleichungen auf gestellt. Vorab werden aber die in den Gleichungen benützten Formelgrößen in Listenform definiert:

α Geländesteigung
ϕ′′ Nickwinkelbeschleunigung
Θ_h reduziertes Massenträgheitsmoment auf die Hinterachse
Θ_v reduziertes Massenträgheitsmoment auf die Vorderachse
Θ_chassis Massenträgheitsmoment der Fahrzeugkarosserie um die y-Achse
f_{zv_sus} Horizontalkraft vorne, die auf das Feder-Dämpfer-System wirkt
f_{zh_sus} Horizontalkraft hinten, die auf die Feder-Dämpfer-System wirkt
fs_{zv_sus} statischer Anteil der Horizontalkraft vorne
fd_{zv_sus} dynamischer Anteil der Horizontalkraft vorne
fs_{zh_sus} statischer Anteil der Horizontalkraft hinten
fd_{zh_sus} dynamischer Anteil der Horizontalkraft hinten
m_chassis Masse der Fahrzeugkarosserie
l Radstand
l_h Abstand Fahrzeugkarosserieschwerpunkt zur Hinterachse
l_v Abstand Fahrzeugkarosserieschwerpunkt zur Vorderachse
x′′ Fahrzeuglängsbeschleunigung
α1, α2, α3 Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämpfung abhängen)
b2, b Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämpfung abhängen)
c1, c2, c3 Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämp fung abhängen)
d2, d Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämpfung abhängen)
fd_zv(n) zeitdiskreter dynamischer Anteil der Radaufstandskraft vorne
fd_zh (n) zeitdiskreter dynamischer Anteil der Radaufstandskraft hinten

Zum Aufstellen eines an dem Kraftfahrzeug angreifenden Drehmomentgleichgewichts werden zuerst reduzierte Fahrzeugka rosserie-Trägheitsmomente Θ_v, Θ_h um die beiden Drehachsen berechnet:

Θ_v = Θ_chassis+m_chassis * (l_v²+h²) (Gl. 1)

Θ_h = Θ_chassis+m_chassis * (l_h²+h²) (Gl. 2)

In diesen und nachfolgenden Gleichungen ist die Vorderachse des Kraftfahrzeuges 1 durch den Subindex "v" und die Hinter achse des Kraftfahrzeuges durch den Subindex "h" gekennzeich net.

Bezogen auf den vorderen und den hinteren Radaufstandspunkt des Kraftfahrzeuges 1 wird nun eine Momentenbilanz aufge stellt. Die sich aus der Momentenbilanz ergebenden Kräfte für die Vorder- und die Hinterachse können unter der Vorausset zung, daß die Geländesteigung sich nur geringfügig ändert, in eine statische und dynamischen Komponente zerlegt werden.

f_{zv_sus} = fs_{zv_sus} + fd_{zv_sus} (Gl. 3)

fs_{zv_sus} = m_chassis* g*cis(α)* l_h/l
fd_{zv_sus} = m_chassis* (x″ + g*sin(α))* h/l + Θ_h* Φ″/l (Gl. 4)

f_{zh_sus} = fs + fd_{zh_sus} (Gl. 5)

fs_{zh_sus} = m_chassis* g* cos(α)* l_v/l (Gl. 6)

fd_{zh_sus} = m_chassis* (x″ + g* sin(α))* h/l -Θ_v* Φ″/l (Gl. 7)

Das Verhalten des Feder-Dämpfer-Systems 6,7 an jeder Achse kann mit Hilfe eines rekursiven Filters höherer Ordnung be schrieben werden. Nachfolgend wird dazu ein Filter zweiter Ordnung verwendet. Da die Federn jeweils um eine statische Komponente vorgespannt sind, wird nur die dynamische Kompo nente gefiltert. Die beiden Kräfte fd_{zv_sus} und fs_{zh_sus} werden hier zeitdiskret dargestellt.

fd_zv(n) = al* fd_{zv_sus}(n) = a2* fd_{zv_sus} (n-1) + a3* fd_{zv_sus} (n-2)-b2* fd_zv (n-1)-b3* fd_zv (n-2) (Gl. 8)

fd_zh(n) = cl* fd_{zh_sus}(n) +c2* fd_{zh_sus} (n-1) +c3* fd_{zh_sus} (n-2)-d2* fd_zh (n-1)-d3* fd_zh (n-2) (Gl. 9)

Die beiden folgenden Gleichungen ergeben die Radaufstands kraft für die vordere Achse f_zv und die Radaufstandskraft für die hintere Achse f_zh:

f_zv = fs_{zv_sus} +fd_zv +2*m_{v_sus} +2* m_vrad (Gl. 10)

f_zh = fs_{zh_sus} +fd_zh +2*m_{h_sus} +2* mh_hrad (Gl. 11)

Über einen in der Auswerteschaltung 12 enthaltenen und nicht gesondert dargestellten Anlog/Digital-Wandler wird die von dem Gierratensensor 10 gelieferte aktuelle Winkelgeschwindig keit in Fahrzeuglängs- und in Fahrzeugquerachse abgetastet. Falls das Kraftfahrzeug 1 mit einem Neigungswinkelsensor 16 versehen ist, wird der Neigungswinkel α von diesem an die Auswerteschaltung 12 übermittelt, andernfalls wird die Nei gungsinformation aus einem anderen in dem Kraftfahrzeug ent haltenen Steuergerät übertragen.

In dem Steuerrechner 14 wird die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeuglängsrichtung bis zum Nickwinkel auf integriert und die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeugquerrichtung bis zum Wankwinkel. Aus dem Nickwinkel, dem Wankwinkel, der Gelände steigung, und den bekannten Größen linker und rechter Rad stand, vordere und hintere Spur sowie Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Achslastverteilung berechnet werden. Ein Abgleich des Nick- und Wankwinkels wird jeweils durchgeführt, wenn der Geländesteigungswinkel und die Gierrate den Wert "0" einneh men. Die Gierrate läßt sich auch über die Raddrehzahl nähe rungsweise bestimmen.

Das in dem Steuerrechner 14 der erfindungsgemäßen Schaltungs anordnung abzuarbeitende Programm wird nun anhand des Ablauf diagramms von Fig. 4 erläutert. Nach dem Start des Programms erfolgt in einem ersten (Programm-)Schritt S1 ein Einlesen folgender Sensordaten oder -signale:
ϕ′ des Nickwinkelsensor 15
x′′+_G eines Beschleunigungssensors in Fahrzeuglängsachse
α des Geländesteigungs- oder Neigungswinkelsensors 16

In einem zweiten Schritt S2 werden die Sensordaten wie folgt aufbereitet:
ϕ′′ Berechnung der Nickwinkelbeschleunigung aus der Ablei tung des Nickwinkels nach der Zeit
x′′ Korrektur des Beschleunigungssignals um die Erdanzie hungskomponente durch die gemessene Geländesteigung

In einem dritten Schritt S3 erfolgt die Berechnung des stati schen Anteils der Achslastverteilung für die Vorder- und Hin terachse im Bezugspunkt "obere Feder-, Dämpferbefestigung" nach folgenden Beziehungen:

fs_{zv_sus} = m_chassis* g* cos(α)* l_h/l

fs_{zh_sus} = m_chassis* g* cos(α)* l_v/l

In einem vierten Schritt S4 erfolgt die Berechnung des dyna mischen Anteils der Achslastverteilung für die Vorder- und Hinterachse im Bezugspunkt "obere Feder-, Dämpferbefestigung" nach folgenden Beziehungen:

fd_{zv_sus} = -m_chassis* (x″ +g*sin(α))* h/l + Θ_h* Φ″/l

fd_{zh-_sus} = m_chassis* (x″ +g*sin(α))* h/l -Θ_v* Φ″/l

In einem fünften Schritt S5 erfolgt eine Filterung der dyna mischen Achslasten der Vorder- und Hinterachse nach folgenden Beziehungen:

fd_zv(n) = al* fd_{zv_sus}(n) +a2* fd_{zv_sus} (n-1) +a3* fd_{zv_sus} (n-2) -b2* fd_zv (n-1) -b3* fd_zv (n-2)

fd_zh(n) = cl* fd_{zh_sus}(n) +c2* fd_{zh_sus} (n-1) +c3* fd_{zv_sus} (n-2) -d2* fd_zh (n-1) -d3* fd_zh (n-2)

In einem sechsten Schritt S6 erfolgt eine Berechnung der Radaufstandskräfte für die Vorder- und Hinterachse im Bezugs punkt "Reifen Straße" aus dem statischen Anteil der Achs lastverteilung, dem gefilterten, dynamischen Anteil der Achs lastverteilung, den Radaufhängungsmassen und den Radmassen, und zwar nach folgenden Beziehungen

f_zv = fs_{zv_sus} + fd_zv +2* m_{v_sus} +2* m_{v_rad}

f_zh = fs_{zh_sus} + fd_zh +2* m_{h_sus} +2* m_{h_rad}

Damit ist ein Programmdurchlauf an seinem Ende angelangt.

Die Leistungsfähigkeit der vorstehenden Gleichungen ist mit Rechnersimulationen bestätigt worden. Zugrunde gelegt wurde ein Kraftfahrzeug, das aus einer Geschwindigkeit von 80 km/h mit einer Verzögerung von etwa -1,2 m/s² abgebremst wird.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Achslasten bei einem Kraftfahrzeug (1) mit Daten, die von Sensoren (10, 15, 16) geliefert werden, und mit einer die Sensordaten verarbeiten den Auswerteschaltung (12), dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (12) Signale eines Gierratensensors (10) empfangen werden, die die Nickbewegung des Kraftfahr zeugs wiedergeben, und daß aus diesen Sensorsignalen die Achslasten und/oder die Radaufstandskräfte des Kraftfahrzeugs berechnet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Achslasten mit folgenden Formeln für die Radauf standskräfte an der Vorderachse (f_zv) und an der Hinterachse (f_zh) berechnet werden: f_zv = fs_{zv_sus} +fd_zv +2*m_{v_sus} +2* m_vradf_zh = fs_{zh_sus} +fd_zh +2*m_{h_sus} +2* mh_hrad,
worin:
fs_{zv_sus} der statische Anteil der Horizontalkraft vorne,
fs_{zh_sus} der statische Anteil der Horizontalkraft hinten,
fd_zv der dynamische Anteil der Radaufstandskraft vorne
fd_zh der dynamische Anteil der Radaufstandskraft hinten
m_{v_sus} die Masse einer vorderen Aufhängung
m_{h_sus} die Masse einer hinteren Aufhängung
m_{v_rad} die Masse eines vorderen Rades
mh_{h_rad} die Masse eines hinteren Rades
sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Gierratensensor als Zweiachssensor ausgebildet ist, durch den Drehbewegungen um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen erfaßt werden.