DE19954198B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades eines Fahrzeugs wirkenden Bremskraft - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades (1) eines Fahrzeugs wirkenden Bremskraft (FB) für eine Bremskraftregelung (13), mit folgenden Schritten: – Ermitteln einer eine Bremsung bewirkenden Spannkraft (FSP) einer Bremse, – Ermitteln eines Bremsenübersetzungsfaktors (τB), der eine Proportionalität zwischen der Spannkraft (FSP) und der Bremskraft (FB) darstellt, und – Ermitteln der Bremskraft (FB) in Abhängigkeit von der Spannkraft (FSP) und dem Bremsenübersetzungsfaktor (τB), dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweiliger Bremsenübersetzungsfaktor (τB) für angetriebene Räder und für nicht angetriebene Räder auf unterschiedliche Weise ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades eines Fahrzeugs wirkenden Bremskraft für eine Bremskraftregelung, die die Bremskraft mit einer hohen Genauigkeit ermitteln.
• Moderne Bremssysteme in Kraftfahrzeugen sind mit übergeordneten Regelsystemen (ABS, ASR, ESP, etc.) ausgerüstet. Diese Regelsysteme beeinflussen die Fahrzeugdynamik mit dem Ziel, die vom Fahrzeugführer vorgegebene Verzögerung und den Kurs einzuhalten.
• Stand der Technik dieser Systeme ist, daß der übergeordneten Regelung (z. B. Radschlupfregelung/Radverzögerungsregelung, Schwimmwinkelregelung, etc.) eine Spannkraftsteuerung unterlagert ist. Bei manchen Systemen wird über ein Hydraulikdruckmodell die an der Radbremse anliegende Spannkraft rekonstruiert und geregelt. Wie in der DE 197 42 920 A1 gezeigt ist, kann die Spannkraft z. B. bei konventionellen hydraulischen Bremsanlagen durch Messung und bei elektromechanischen Bremsen durch Messung oder durch Rekonstruktion ermittelt werden.
• Allgemein kann als Rückführungsgröße für die Regelung von Fahrzeugbremsen die in der Radaufstandsfläche wirkende Bremskraft herangezogen werden, da sie die die Fahrzeugdynamik direkt beeinflussende Größe ist. Theoretisch kann die Bremskraft aus der Radaufstandskraft über einen Reibwert zwischen Fahrbahn und Reifen ermittelt werden. Dieser Radreibwert hängt von vielen veränderlichen Faktoren wie z. B. der Straßenoberfläche, dem Zwischenmedium zwischen Reifen und Fahrbahn, dem Reifenprofil etc. ab. Der Radreibwert kann sich somit schnell ändern, weshalb seine genaue Ermittlung schwierig ist. Dementsprechend läßt sich daraus auch die davon abhängige Bremskraft nicht genau ermitteln.
• Aus der DE 39 23 599 C2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer wirkenden Bremskraft eines Rades eines Fahrzeugs bekannt. Hierbei werden die Radgeschwindigkeit und der Bremsdruck gemessen, aus diesen Meßgrößen mit Hilfe eines Parameterschätzverfahrens Parameter bestimmt und in Abhängigkeit von diesen Parametern die Bremskraft bestimmt.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades eines Fahrzeugs wirkende Bremskraft für eine Bremskraftregelung anzugeben, die die Bremskraft mit einer hohen Genauigkeit ermitteln.
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
• Erfindungsgemäß kann ein Spannkraftermittlungsmodul eine eine Bremsung bewirkende Spannkraft einer Bremse ermitteln. Ein Faktorermittlungsmodul kann einen Bremsenübersetzungsfaktor ermitteln, der eine Proportionalität zwischen der Spannkraft und der Bremskraft darstellen kann. Weiterhin kann ein Bremskraftermittlungsmodul die Bremskraft in Abhängigkeit von der Spannkraft und dem Bremsenübersetzungsfaktor ermitteln. Vorteilhaft wird der Bremsenübersetzungsfaktor mit einem Parameterschätzverfahren geschätzt. Durch die Ermittlung der Bremskraft in Abhängigkeit von genau ermittelbaren Größen weist die Bremskraft ebenfalls eine hohe Genauigkeit auf.
• Die Spannkraft kann eine Bremsung während eines Bremsspannvorgangs und/oder eines Bremslösevorgangs bewirken. Die Bremsung kann dabei hydraulisch oder auch elektromechanisch bewirkt werden. Sie kann z. B. über eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel ausgeübt werden.
• Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein vereinfachtes Radmodell,
• 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen dem Reibwert und dem Schlupf eines Rades,
• 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 4 ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 5 einen Vergleich von Ergebnissen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (geschätzt) mit Vergleichsmessungen (gemessen).
• In 1 ist ein Modell eines Rades 1 vereinfacht dargestellt. Innerhalb des Rades 1 ist eine Bremsscheibe 3 angedeutet, auf der ein Bremsbelag 2 anliegen kann. Vorteilhaft ist auf der abgewandten Seite der Bremsscheibe 3 ein entsprechender Bremsbelag gegenüber vom dargestellten Bremsbelag 2 vorhanden. Auf den Bremsbelag 2 kann z. B. senkrecht dazu eine Spannkraft F_SP wirken. Die Reibwirkung des Bremsbelages 2 kann in einem Wirkungspunkt 6 auf einem Reibradius r_B zusammengefaßt werden. Das Rad 1 kann sich ebenso wie die Bremsscheibe 3 um die Achse 5 mit der Radwinkelgeschwindigkeit ω_R drehen. Das Rad 1 kann als starre Scheibe mit einer Trägheit θ_R angenommen werden. Weiterhin kann der dynamische Reifenradius r_dyn als konstant betrachtet werden. Zwischen dem Rad 1 und der Fahrbahn 4 wirkt die Radaufstandskraft F_z vorzugsweise senkrecht zur Fahrbahn 4. Beim Bremsen wird eine Bremskraft F_B entgegen der Fahrtrichtung erzeugt. Die Bremskraft F_B kann z. B. mit folgender Gleichung aus der Spannkraft E_SP ermittelt werden:

  

  mit der inneren Übersetzung C*, die sich bei Scheibenbremsen aus dem doppelten Belagreibwert μ_B zwischen Bremsbelag und -scheibe zusammensetzen kann (C* = 2·μ_B), der Radwinkelbeschleunigung ω . und dem Bremsenübersetzungsfaktor τ_B, der sich aus der inneren Übersetzung C* und dem wirksamen Reibradius r_B zusammensetzt.
• Von den in der Gleichung (1) aufgeführten Größen können alle bis auf die Bremskraft F_B und den Bremsenübersetzungsfaktor τ_B auf bekannte Weise ermittelt werden. Zur Ermittlung des Bremsenübersetzungsfaktors τ_B kann z. B. der Belagreibwert μ_B ermittelt werden. Dieser ist abhängig von vielen Einflußfaktoren wie z. B. Belagart und Zusammensetzung, Belag- und Scheibentemperatur, Relativgeschwindigkeit zwischen den Reibpartnern, Anpreßdruck, Bremsscheibenwerkstoff sowie Zwischenmedium/Fremdstoffen (Wasser, Abrieb, Schmutz, etc.). Eine exakte Vorausberechnung des Belagreibwerts μ_B in Abhängigkeit von diesen Einflußfaktoren ist nicht möglich. In Burckhardt: ”Fahrwerktechnik: Bremsdynamik und Pkw-Bremsanlagen”, Vogel-Verlag, 1991, wird ein Ansatz zur Abschätzung seines Wertes angegeben:

  
• Dabei ist der Einfluß der Relativgeschwindigkeit gering und wird vernachlässigt. μ_B,max ist dabei der maximale Belagreibwert, T_B die Reibflächentemperatur, T_B* die Reibflächentemperatur bei μ_B,max, p_hyd der Hydraulikdruck, p_hyd* ein Referenzhydraulikdruck (in der Regel der für das System maximal zulässige Druck), und C_T sowie C_P sind dimensionslose Materialkonstanten. Die Reibflächentemperatur T_B kann nach dem ebenfalls dort angegebenen Differenzverfahren ermittelt werden.
• Der wirksame Reibradius r_B ändert sich z. B. durch das Aufweiten der Faust der Bremse unter Spannkraft sowie durch Schrägverschleiß der Bremsbeläge oder der Bremsscheibe. Somit unterliegen der Belagreibwert μ_B und der wirksame Reibradius r_B großen Schwankungen, die sich in dem Bremsenübersetzungsfaktor τ_B niederschlagen. Es ist bei Belagfachleuten bekannt, daß der Belagreibwert μ_B z. B. unter Extrembelastungen um ±30% streuen kann. Dabei sind die langfristigen Schwankungen des Belagreibwerts μ_B durch Verschleiß und Materialveränderungen sehr viel geringer (< 10%) als die kurzfristigen Schwankungen durch Temperaturänderungen. Anhand des Belagreibwertes μ_B und des wirksamen Reibradius r_B kann daher nur auf das Verhalten des Bremsenübersetzungsfaktors τ_B geschlossen werden, dieser selbst kann aber auf die beschriebene Weise nicht genau ermittelt werden.
• Zur Ermittlung des Bremsenübersetzungsfaktors kann Gleichung (1) nach dem Bremsenübersetzungsfaktor τ_B aufgelöst werden und die Bremskraft F_B durch den Radreibwert zwischen Reifen und Fahrbahn μ_Rx und die Radaufstandskraft F_z ausgedrückt werden, so daß z. B. mit dem Radlagerreibungsmoment M_LR,R bei Geradeausfahrt gilt:

  
• Der Radreibwert μ_Rx kann dabei vom Bremsschlupf λ_Bx abhängig sein, wobei der Zusammenhang wiederum Einflußparametern wie Straßenoberfläche, Zwischenmedium, Reifenprofil, etc. unterliegen kann. Dabei können sich insbesondere die Parameter Straßenoberfläche und Zwischenmedium im Fahrbetrieb sehr schnell ändern. In 2 ist beispielhaft der Zusammenhang zwischen dem Radreibwert μ_Rx und dem Bremsschlupf λ_Bx für drei unterschiedliche Einflußfaktorkombinationen gezeigt. Es ergeben sich etwa gleich ausgebildete Kurven, deren Maxima z. B. von den unterschiedlichen genannten Einflußfaktoren abhängen. Allen gemeinsam ist im wesentlichen die Steigung der Kurven aus dem Ursprung bis zum Einsetzen des sogenannten Gleitschlupfes, dargestellt durch den Gleitbeginn in 2. Diese Steigung, die sog. Längssteife k des Reifens, hängt ausschließlich vom Reifentyp und von der Profiltiefe, also dem Verschleißzustand ab (siehe Eichhorn und Roth: ”Kraftschluß zwischen Reifen und Fahrbahn – Einflußgrößen und Erkennung”, VDI-Berichte Nr. 916, VDI-Verlag 1993). Dieser Bereich der Reibwert/Schlupf-Kurve ändert sich demzufolge nur sehr langsam und kann sich daher z. B. als Parameter zur Ermittlung des Bremsenübersetzungsfaktors τ_B eignen.
• Für den Radreibwert μ_Rx vor dem Gleitbeginn kann mit der Längssteife k folgender einfacher Zusammenhang dargestellt werden: μ_Rx = k·λ_Bx. (4)
• Die Gleichung (4) kann in Gleichung (3) eingesetzt werden, so daß sich für den Bremsenübersetzungsfaktor ergibt:

  
• Hierbei sind die Radaufstandskraft F_z, der Bremsschlupf λ_Bx und die Längssteife k noch zu bestimmen. Die Radaufstandskraft F_z kann z. B. nach einem bekannten Verfahren ermittelt werden (Tiemann: ”Untersuchungen zm Bremsverhalten von Pkw mit ABS auf unebener Fahrbahn unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses des Schwingungsdämpfers, Fortschritt-Berichte VDI Reihe 12 Nr. 204, VDI-Verlag, 1994).
• Der Schlupf λ läßt sich z. B. anhand der folgenden Gleichung aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v_Kfz und der jeweiligen Radwinkelgeschwindigkeit bestimmen:

  
• Eine Bestimmung des Radschlupfes über die Geschwindigkeit in der Radaufstandsfläche anstatt über die Fahrzeuggeschwindigkeit v_Kfz ist auch denkbar. Zur Ermittlung der Längssteife k nach Gleichung (4) wird der Radreibwert μ_Rx vor dem Gleitbeginn benötigt. Dieser kann während des Fahrzeugantriebs aus der Radhorizontalkraft F_x in der Aufstandsfläche in Reifenlängsrichtung und der Radaufstandskraft F_z ermittelt werden:

  

  da die Radhorizontalkraft F_x, zumindest an den Rädern der angetriebenen Achse, in den Antriebsphasen des Fahrzeugs aus dem Moment des Verbrennungsmotors bestimmt werden kann. Hierbei kann die Radhorizontalkraft F_x aus folgender Gleichung ermittelt werden:

  
• F_Roll ist die Rollreibung, M_AR das Radantriebsmoment und M_RL,R das Radlagerreibmoment. Bei modernen Fahrzeugen kann das vom Fahrzeugmotor an das Getriebe abgegebene Moment bereits mit hoher Genauigkeit und unter Berücksichtigung der von den Nebenaggregaten aufgenommenen Leistung im Motorsteuergerät über ein Momentenmodell (z. B. Motorsteuerung ME 7 der Fa. Bosch, Unland et al.: ”Neue effiziente Applikationsverfahren für die physikalisch basierte Motorsteuerung ME 7”, MTZ Motortechnische Zeitschrift 59, No. 11, S. 744–751, 1998”) berechnet oder mittels eines Momentensensors (Siemens: ”Neuer Sensor für die Drehmomentenmessung”, ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100, Nr. 4, S. 268, 1998”) zwischen Motor und Getriebe gemessen werden. Mit den bekannten Übersetzungen von Getriebe und Differential sowie den Wirkungsgraden und den Trägheiten der Komponenten des Antriebsstrangs kann das Radantriebsmoment M_AR berechnet werden. Während einer Bremsung kann die Radhorizontalkraft F_x auf diese Weise jedoch nicht ermittelt werden. Es läßt sich somit zunächst nur die Längssteife k der angetriebenen Räder während des Antriebs ermitteln.
• Es kann für die folgenden Erläuterungen davon ausgegangen werden, daß die Reifen einer Achse vom gleichen Typ sind (in den meisten Ländern vom Gesetzgeber vorgeschrieben) und den gleichen Verschleißzustand aufweisen. Bei modernen Fahrzeugen mit Reifenfülldruck-Kontrollsystemen kann dies von der Elektronik überprüft werden, da die Reifensensoren dem Steuergerät eine Reifenkennung übermitteln (Normann und Festenberg: ”Elektronische Reifendruck-Kontrolle”, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 362, VDI-Verlag, 1998”). Dadurch können Unterschiede der Reifen berücksichtigt bzw. ausgeglichen werden. Somit kann für die Reifen einer Achse von der gleichen Längssteife k ausgegangen werden. Im folgenden wird beispielhaft ein Fahrzeug mit angetriebener Hinterachse HA betrachtet. Die Längssteife der angetriebenen Hinterräder k_HA kann somit wie folgt ermittelt werden:

  

  wobei der Index ”HA” für die Hinterachse steht. Bei dem Antriebsschlupf λ_Tx,HA und der Radaufstandskraft F_z,HA kann es sich jeweils um den Mittelwert aus den jeweiligen Werten für das linke und das rechte Rad der Hinterachse HA handeln. Die Radhorizontalkraft F_x,HA kann der Radhorizontalkraft F_x aus Gleichung (8) entsprechen, da das Differentialgetriebe für eine Gleichverteilung der Momente an den beiden Rädern der angetriebenen Achse sorgt. Um die Genauigkeit der Längssteife k_HA nach Gleichung (9) zu erhöhen, kann diese z. B. im Fahrbetrieb mittels eines Parameterschätzverfahrens, vorzugsweise eines rekursiven Least-Squares(RLS)-Schätzverfahrens ermittelt werden (siehe z. B. Isermann: ”Identifikation dynamischer Systeme”, Bd. 1, Springer-Verlag, 1992). Durch die Einführung eines Vergessensfaktors, der nahezu 1 ist, läßt sich der Veränderung der Längssteife k_HA durch die Abnutzung des Profils und durch die Alterung des Reifengummis Rechnung tragen, wobei der Vergessensfaktor in Abhängigkeit von der Abtastzeitkonstanten gewählt werden kann. Ein hoher Vergessensfaktor von nahezu 1 bedeutet, daß viele vorherige Werte zur Schätzung beitragen (siehe Isermann, a. a. O.). Bei allradgetriebenen Fahrzeugen kann die Ermittlung der Längssteife k_VA an den Vorderrädern VA analog zur Schätzung der Längssteife k_HA an den Hinterrädern HA erfolgen.
• Werden der Antriebsschlupf und der Bremsschlupf λ_Bx nach Gleichung (6) betrachtet, so sind ihre Beträge zumindest für dieselbe Reifen-Fahrbahn-Paarung gleich. Somit kann die im Antrieb ermittelte Längssteife der angetriebenen Räder k_HA für den Fall der Bremsung dieser Räder übernommen werden. Damit kann für den Bremsfall der Räder der Antriebsachse gelten:

  

  wobei die Radhorizontalkraft F_x im Bremsfall der Bremskraft F_B entsprechen kann.
• Es bleibt somit noch die Längssteife k_VA der nicht angetriebenen Räder, in diesem Beispiel die der Vorderräder zu ermitteln. Dieses erfolgt vorzugsweise während eines Bremsvorgangs, da nur dann Horizontalkräfte von den nicht angetriebenen Rädern an die Fahrbahn übertragen werden. Die Bremskraft der nicht angetriebenen Räder F_B,VA kann aus der Differenz der Gesamtbremskraft F_B,ges des Fahrzeugs und der z. B. mittels Gleichung (10) ermittelten Bremskraft F_B,HA der angetriebenen Räder im Bremsfall bestimmt werden: F_B,VA = F_B,ges – F_B,HA‚ (11)

  
• Dabei können sich der Bremsschlupf λ_Bx,VA und die Radaufstandskraft F_z,VA aus dem jeweiligen Mittelwert des linken und des rechten Rades der Vorderachse VA ergeben.
• Die Gesamtbremskraft F_B,ges des Fahrzeugs kann aus der Gesamtverzögerung bzw. negativen Längsbeschleunigung ẍ_A des Fahrzeugs und der Masse des Fahrzeugs m_Kfz unter Berücksichtigung der Luftwiderstandskraft in Längsrichtung F_Lx und der Gesamtrollwiderstandskraft F_Roll,ges wie folgt ermittelt werden: F_B,ges = ẍ_A·m_Kfz – F_Lx – F_Roll,ges. (13)
• Die Längssteife der nicht angetriebenen Räder k_VA kann ebenso wie die Längssteife der angetriebenen Räder k_HA zur Verbesserung der Genauigkeit, d. h. z. B. zur Störunterdrückung, im Fahrbetrieb anhand eines Parameterschätzverfahrens, z. B. des RLS-Verfahrens, ermittelt werden. Dabei kann jeweils ein Vergessensfaktor gewählt werden, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,9 und 1, beispielsweise bei 0,9999 liegt.
• Die Bremsenübersetzungsfaktoren τ_B für die einzelnen Räder 1 des Fahrzeugs können entsprechend einer der folgenden Gleichungen ermittelt werden:

  
• Hierbei kennzeichnet der Index ”vl” das linke Vorderrad, der Index ”vr” das rechte Vorderrad, der Index ”hl” das linke Hinterrad und der Index ”hr” das rechte Hinterrad, sowie der Index ”v” vorne und der Index ”h” hinten.
• Zur Erlangung einer hohen Genauigkeit für den Bremsenübersetzungsfaktor τ_B, z. B. zur Unterdrückung von Störungen und/oder Meßfehlern, kann dieser mittels eines Parameterschätzverfahrens, vorzugsweise eines RLS-Verfahrens mit einem Vergessensfaktor geschätzt werden, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,9 und 1 liegt. Dabei kann der Vergessensfaktor niedriger gewählt werden als bei der Schätzung der Längssteifen k, da sich der Bremsenübersetzungsfaktor τ_B (z. B. durch Temperaturschwankungen) schneller ändern kann als die Längssteife k.
• Mit den geschätzten Bremsenübersetzungsfaktoren können z. B. die Radbremskräfte anhand von Gleichung (1) ermittelt werden.
• Eine mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am Beispiel eines heckangetriebenen Fahrzeuges schematisch in 3 gezeigt. Darin sind mehrere Eingänge 17 gezeigt, über die z. B. sämtliche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Eingangsgrößen und/oder Konstanten bzw. Parameter eingegeben werden können. Diese können z. B. die Spannkräfte F_SP der einzelnen Räder, die Fahrzeuggeschwindigkeit V_Kfz, die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs ẍ_A sowie die Drehwinkelgeschwindigkeiten ω_R sein. Weiterhin kann ein Radaufstandskraftmodul 8 die Radaufstandskräfte der jeweiligen Räder ermitteln und diese zur weiteren Verarbeitung an eine allgemeine Daten- und/oder Steuerleitung 16 ausgeben. Das Radaufstandskraftmodul 8 kann auch nicht gezeigte Eingänge aufweisen. Über die Leitung 16 können einem Achsantriebsmomentenmodul 7 z. B. die Radaufstandskräfte der Hinterräder F_z,hl und F_z,hr und die Fahrzeuggeschwindigkeit v_Kfz zugeführt werden. Das Achsantriebsmomentenmodul 7 kann z. B. während des Antriebs des Fahrzeugs das Achsantriebsmoment M_AR ermitteln und auf die Leitung 16 ausgeben. Außerdem kann es die Radhorizontalkraft F_x,HA in Radlängsrichtung ermitteln und an ein erstes Längssteifenmodul 9 ausgeben.
• Das erste Längssteifenmodul 9 kann als weitere Eingangsgrößen die Radaufstandskräfte der Hinterräder F_z,hl und F_z,hr sowie die entsprechenden Raddrehgeschwindigkeiten ω_R,hl und ω_R,hr sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit v_Kfz erhalten. Aus den genannten Eingangsgrößen kann das erste Längssteifenmodul 9 den Bremsschlupf für die Hinterräder λ_Bx,HA und die entsprechende Längssteife k_HA ermitteln und z. B. an ein zweites Längssteifenmodul 11 ausgeben. Das erste Längssteifenmodul 9 kann hierbei z. B. die Längssteife der angetriebenen Räder k_HA gemäß Gleichung (9) ermitteln, vorzugsweise mit einem Parameterschätzverfahren schätzen. Das zweite Längssteifenmodul 11 kann als Eingangsgrößen über die Leitung 16 die jeweiligen Radwinkelgeschwindigkeiten der einzelnen Räder ω_R,vl, ω_R,vr, ω_R,hl und ω_R,hr, die Fahrzeuggeschwindigkeit V_Kfz, die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs ẍ_A und die jeweiligen Radaufstandskräfte der einzelnen Räder F_z,vl, F_z,vr, F_z,hl und F_z,hr erhalten. Es kann dann aus seinen Eingangsgrößen den Bremsschlupf der Vorderräder λ_Bx,VA und die zugehörige Längssteife k_VA ermitteln und an ein Faktorermittlunsmodul 10 ausgeben. Das zweite Längssteifenmodul 11 kann dabei die Längssteife der nicht angetriebenen Räder k_VA gemäß Gleichung (12) ermitteln, vorzugsweise mit einem Parameterschätzverfahren schätzen.
• Das Faktorermittlungsmodul 10 erhält als weitere Eingangsgröße von dem ersten Längssteifenmodul 9 die Längssteife der Hinterräder k_HA. Weiterhin können ihm über die Leitung 16 die Spannkräfte F_SP, die Radaufstandskräfte F_z und die Radwinkelgeschwindigkeiten ω_R der jeweiligen Räder sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit V_Kfz und das Achsantriebsmoment M_AR zugeführt werden. Das Faktorermittlungsmodul 10 kann dann aus seinen Eingangsgrößen die Bremsenübersetzungsfaktoren τ_B der einzelnen Räder vorzugsweise nach einem Parameterschätzverfahren ermitteln und an ein Bremskraftermittlungsmodul 12 ausgeben.
• Das Bremskraftermittlungsmodul 12 kann aus entsprechenden Eingangsgrößen von der Leitung 16 und den Bremsenübersetzungsfaktoren τ_B die Bremskräfte F_B der jeweiligen Räder nach Gleichung (1) ermitteln und an eine Bremskraftregelung 13 ausgeben, die dann entsprechende Signale zur Einstellung der jeweiligen Bremsen ausgeben kann.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können z. B. auch in der Bremskraftregelung 13 integriert sein. Weiterhin können in jedem Modul Speicher zum Speichern von benötigten und/oder ermittelten Größen vorgesehen sein. Die einzelnen Module können auch über entsprechende Leitungen direkt miteinander verbunden sein. Es können auch ggf. weitere nicht gezeigte Ein- und Ausgänge zur Ansteuerung durch eine nicht gezeigte Steuereinheit und/oder zur Datenübertragung vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens in digitaler Technik realisiert, wobei die Längssteife k z. B. mit einer Zeitkonstanten im Millisekunden- bis Sekundenbereich und der Bremsübersetzungsfaktor mit einer ebenso großen oder auch einer kleineren Zeitkonstanten ermittelt werden können.
• Vorteilhaft kann die Ermittlung der Längssteife der angetriebenen Räder k_HA nur bei Antriebsschlupfwerten von z. B. λ_Tx,HA < 0,03 erfolgen. Damit kann z. B. sichergestellt werden, daß der Zusammenhang zwischen dem Radreibwert μ_Rx und dem Antriebsschlupf λ_Tx linear ist. Die Ermittlung der Längssteife der nicht angetriebenen Räder k_VA erfolgt vorzugsweise nur bei einem Bremsschlupf der Vorderachse von z. B. λ_Bx,VA < 0,03 und/oder einem Bremsschlupf der Hinterachse von z. B. λ_Bx,HA < 0,03. Damit kann ebenfalls sichergestellt werden, daß der Zusammenhang zwischen dem Radreibwert μ_Rx und dem jeweiligen Bremsschlupf λ_Bx linear ist. Dementsprechend kann die Ermittlung der Bremsenübersetzungsfaktoren τ_B z. B. während einer Bremsung nur bei einem Bremsschlupf der Vorderachse von z. B. λ_Bx,VA < 0,03 und/oder einem Bremsschlupf der Hinterachse von z. B. λ_Bx,HA < 0,03 erfolgen. In den übrigen Fällen kann der Bremsenübersetzungsfaktor τ_B z. B. aus einem Speicher übernommen werden, in dem der zuletzt und/oder mehrere zuvor ermittelte Bremsenübersetzungsfaktoren τ_B gespeichert sind. Die angeführten Zusammenhänge gelten insbesondere für die Geradeausfahrt des Fahrzeugs. Bei eingelenkten Rädern können die Bremsenübersetzungsfaktoren z. B. auch aus einem Speicher übernommen werden.
• In 4 ist ein Flußdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform am Beispiel eines heckangetriebenen Fahrzeuges gezeigt. Dort werden zunächst im Schritt 18 die Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_Kfz, die Fahrzeuglängsbeschleunigung ẍ_A sowie die Spannkraft F_SP und die Radwinkelgeschwindigkeit ω_R eines oder mehrerer Räder 1 ermittelt. Daran anschließend wird im Schritt 19 die Radaufstandskraft eines oder mehrerer Räder 1 ermittelt. Danach wird im Schritt 20 abgefragt, ob das Fahrzeug angetrieben oder gebremst wird. Dieses kann z. B. durch Auswerten der Fahrzeuggeschwindigkeit v_Kfz erfolgen Wird das Fahrzeug weder angetrieben noch gebremst (nicht gezeigt), so kann eine Möglichkeit vorgesehen sein, daß das Verfahren für die aktuelle Reglerschleife beendet wird.
• Wird das Fahrzeug angetrieben, so werden im Schritt 21 das Motorantriebsmoment M_AR und die Radhorizontalkraft in Längsrichtung F_x ermittelt. Daran anschließend werden im Schritt 22 der Antriebsschlupf der angetriebenen Räder λ_Tx,HA und die entsprechende Längssteife k_HA ermittelt. Danach wird im Schritt 23 abgefragt, ob der Antriebsschlupf der angetriebenen Räder λ_Tx,HA im gültigen Bereich liegt, also, z. B. kleiner als 0,03 ist. Ist dieses der Fall, wird sein Wert abgespeichert. Wird die Frage im Schritt 23 verneint, ist das Verfahren beendet.
• Ergibt sich im Schritt 20, daß das Fahrzeug gebremst wird, werden im Schritt 25 der Bremsschlupf der nicht angetriebenen Räder λ_Bx,VA sowie die entsprechende Längssteife k_VA ermittelt. Daran anschließend wird im Schritt 26 abgefragt, ob der Bremsschlupf der nicht angetriebenen Räder λ_Bx,VA kleiner als 0,03 ist. Ist dieses der Fall, wird im Schritt 27 der Bremsenübersetzungsfaktor τ_B eines oder mehrerer Räder 1 ermittelt, dessen Wert im Schritt 28 abgespeichert wird. Im nachfolgenden Schritt 29 wird die Bremskraft F_B eines oder mehrerer Räder 1 ermittelt. Wird die Abfrage im Schritt 26 verneint, wird sofort zum Schritt 29 übergegangen.
• Im Schritt 25 kann z. B. außerdem der Bremsschlupf der angetriebenen Räder λ_Bx,HA ermittelt werden. Dieser kann dann in einem weiteren Schritt ebenfalls daraufhin überprüft werden, ob er kleiner als z. B. 0,03 ist. Dementsprechend kann dann z. B. der jeweilige Bremsenübersetzungsfaktor τ_B der angetriebenen Räder und/oder der nicht angetriebenen Räder ermittelt werden, wenn die Bedingung erfüllt ist.
• Zur Verdeutlichung der Genauigkeit der Erfindung zeigt 5 einen Vergleich von Ergebnissen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (geschätzt) mit Vergleichsmessungen (gemessen) für den Bremsenübersetzungsfaktor des linken Vorderrades τ_B,vl (a) und das rechte Vorderrad τ_B,vr (b). Die dargestellten Bremsenübersetzungsfaktoren wurden mit einem RLS-Verfahren mit einem Vergessensfaktor von 0,9999 geschätzt. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung der geschätzten mit den gemessenen Werten. Die sich innerhalb von etwa 300 s einstellenden Werte der Schätzung für τ_B,vl ≈ 0,089 und τ_B,vr ≈ 0,083 liegen nahe an den vom Herstellern angegebenen Werten von τ_B = 2 μ_B·r_B ≈ 0,088. Die gemessenen Bremsenübersetzungsfaktoren wurden dabei aus den gemessenen Spannkräften F_SP und den durch Verwendung von Momentenmeßfelgen gemessenen Bremsmomenten M_B ermittelt, wobei der Zusammenhang zwischen Bremsmoment M_B und Bremskraft F_B gegeben sein kann durch M_B = F_B·r_dyn. (15)
• Die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens bieten die Möglichkeit, die die Fahrzeugdynamik beeinflussenden Bremskräfte an den einzelnen Rädern eines Kraftfahrzeuges zu ermitteln. Dieses kann über die Ermittlung von Spannkräften und entsprechenden Proportionalitätsfaktoren, d. h. Bremsenübersetzungsfaktoren geschehen. Dabei wird berücksichtigt, daß sich die Bremsenübersetzungsfaktoren während des Fahrbetriebs ändern, wobei diese Änderung langsam geschieht. Die Bremsenübersetzungsfaktoren können während des Fahrbetriebs jeweils neu adaptiert werden, wodurch eine Bremskraftermittlung mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades (1) eines Fahrzeugs wirkenden Bremskraft (F_B) für eine Bremskraftregelung (13), mit folgenden Schritten: – Ermitteln einer eine Bremsung bewirkenden Spannkraft (F_SP) einer Bremse, – Ermitteln eines Bremsenübersetzungsfaktors (τ_B), der eine Proportionalität zwischen der Spannkraft (F_SP) und der Bremskraft (F_B) darstellt, und – Ermitteln der Bremskraft (F_B) in Abhängigkeit von der Spannkraft (F_SP) und dem Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B), dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweiliger Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) für angetriebene Räder und für nicht angetriebene Räder auf unterschiedliche Weise ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine in der Aufstandsfläche wirkende Radaufstandskraft (F_z) ermittelt wird und der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) in Abhängigkeit von der Radaufstandskraft (F_z) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Reibwert (μ_Rx) zwischen dem Rad (1) und einer Fahrbahn (4) ermittelt wird und der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) in Abhängigkeit von dem Reibwert (μ_Rx) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Bremsschlupf (λ_Bx) und/oder ein Antriebsschlupf (λ_Tx) des Rades ermittelt wird und der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) in Abhängigkeit von dem Bremsschlupf (λ_Bx) und/oder dem Antriebsschlupf (λ_Tx) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steigung (k_VA) einer linearen Anfangskennline des Reibwertes (μ_Rx) in Abhängigkeit vom Bremsschlupf (λ_Bx) und/oder die Steigung (k_HA) einer linearen Anfangskennline des Reibwertes (μ_Rx) in Abhängigkeit vom Antriebsschlupf (λ_Tx) ermittelt werden und der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) in Abhängigkeit von der oder den ermittelten Steigungen (k_VA, k_HA) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine oder beide der Steigungen (k_VA, k_HA) jeweils mit einem Parameterschätzverfahren geschätzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Achsantriebsmoment (M_AR) ermittelt wird und der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) in Abhängigkeit von dem Achsantriebsmoment (M_AR) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) anhand eines Parameterschätzverfahrens geschätzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Bremskraft (F_B) nach der Gleichung

   

   und/oder der Bremsenübersetzungsfaktor des linken Vorderrades (τ_B,vl), des rechten Vorderrades (τ_B,vr), des linken Hinterrades (τ_B,hl) und des rechten Hinterrades (τ_B,hr) jeweils nach einer der Schätzgleichungen

   

   ermittelt werden, wobei τ_B der Bremsenübersetzungsfaktor, r_dyn der wirksame Reifenradius, E_SP die Spannkraft, θ_R das Massenträgheitsmoment des Rades (1), θ_R,v, θ_R,h die jeweiligen Massenträgheitsmomente der vorderen und hinteren Räder, ω ._R die Radwinkelbeschleunigung, ω ._R,vl, ω ._R,vr, ω ._R,hl, ω ._R,hr die jeweiligen Radwinkelbeschleunigungen vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts, F_z,vl, F_z,vr, F_z,hl, F_z,hr die jeweiligen Radaufstandskräfte vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts, k_VA, k_HA die jeweiligen Steigungen der linearen Anfangskennlinie des Reibwertes in Abhängigkeit vom Schlupf (λ_Bx, λ_Tx) für die Räder der Vorderachse (VA) und der Hinterachse (HA), λ_Bx,vl, λ_Bx,vr, λ_Bx,hl, λ_Bx,hr die jeweiligen Bremsschlüpfe vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts, M_RL,R,vl, M_RL,R,vr, M_RL,R,hl, M_RL,R,hr die jeweiligen Radlagerreibungsmomente vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts, M_AR das Achsantriebsmoment sind.
10. Vorrichtung zur Ermittlung einer in der Aufstandsfläche eines Rades (1) eines Fahrzeugs wirkenden Bremskraft (F_B) für eine Bremskraftregelung (13), mit einem Spannkraftermittlungsmodul (14), das eine eine Bremsung bewirkende Spannkraft (F_SP) einer Bremse ermittelt, einem Faktorermittlungsmodul (10), das einen Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) ermittelt, der einen Zusammenhang zwischen der Spannkraft (F_SP) und der Bremskraft (F_B) darstellt, und einem Bremskraftermittlungsmodul (12), das die Bremskraft (F_B) in Abhängigkeit von der Spannkraft (F_SP) und dem Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Faktorermittlungsmodul (10) derart ausgebildet ist, daß damit ein jeweiliger Bremsenübersetzungsfaktor (τ_B) für angetriebene Räder und für nicht angetriebene Räder auf unterschiedliche Weise ermittelt wird.

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