DE3534211A1 - Kraftfahrzeug und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Kraftfahrzeug und verfahren zu dessen betrieb

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DE3534211A1 DE19853534211 DE3534211A DE3534211A1 DE 3534211 A1 DE3534211 A1 DE 3534211A1 DE 19853534211 DE19853534211 DE 19853534211 DE 3534211 A DE3534211 A DE 3534211A DE 3534211 A1 DE3534211 A1 DE 3534211A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs und ein Kraftfahrzeug, das zur Durchfüh­ rung eines derartigen Verfahrens geeignet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beziehungsweise 10.
Die Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs werden erheblich beeinflußt von dem Zustand des Fahrzeugs, der Zuladung und den auf das Fahrzeug während der Fahrt wirkenden Kräften und bei bekannten Fahrzeugen wird in zeitraubenden und mühe­ vollen Untersuchungen nach einem Kompromiß gestrebt, der für möglichst viele unterschiedliche Situationen annehmbare Fahreigenschaften ermöglicht. Es ist auch schon bekannt abhängig von einer großen oder kleinen Zuladung die Federung von Hand unterschiedlich einzustellen.
Es ist ferner bekannt, bei Verwendung von Luftfederbeinen eine lastabhängige, elektronische Höhenregulierung vorzusehen, die je nach Beladung den Höhenstand der Karosserie reguliert und sie konstant in der Waagerechten hält. Hierbei ist in einem Federbein ein optischer oder induktiver Höhensensor vorgesehen, der mit einer Regelelektronik verbunden ist, die auf mehrere unterschiedliche Einstellungen gesetzt werden kann. Die be­ kannte Anordnung dient jedoch nur dazu,eine von mehreren ge­ wählten Höhenlagen der Karosserie im statischen Zustand, also bei Stillstand des Wagens einzustellen.
Während der Fahrt ergeben sich jedoch, abhängig von Geschwindig­ keit, Beschleunigung, Verzögerung, Straßenbeschaffenheit und Stärke und Richtung des Windes, sehr unterschiedliche Verhält­ nisse, denen durch den bei der Konstruktion getroffenen Kompro­ miß nur unzureichend Rechnung getragen wird. Die heutigen großen Anstrengungen, den cw-Wert möglichst gering zu halten, sind illusorisch, wenn die an sich in waagerechter Lage opti­ mierte Karosserie sich auf Grund der auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte (Last, Beschleunigung etc.) nach vorn oder nach hinten neigt.
Auch die einmal gewählte und festgelegte Lenkgeometrie, wie Vor­ spureinstellung und dergleichen ist nur für einen einzigen Zu­ stand optimal, obwohl sich auf Grund der Zentrifugalkräfte in Kurven und von Seitenwind ganz unterschiedliche Verhältnisse ergeben können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges und ein dafür geeignetes Kraft­ fahrzeug anzugeben, bei dem die Fahreigenschaften für die jeweilige Situation automatisch optimiert wird.
Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aufführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ eignet ist,
Fig. 2 eine Perspektivansicht einer beispielsweisen Anbringung einer Radlastmeßeinrichtung in einem PKW-Federbein
Fig. 3 eine Schnittansicht einer beispielsweisen Radlast­ meßeinrichtung gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer Radaufhängung, wie sie bei­ spielsweise bei einem Schienenfahrzeug oder LKW Ver­ wendung finden kann und
Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung mit eingebauter Kraftmeßzelle.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf das Fahrgestell eines Personen­ kraftwagens mit beispielsweisen Möglichkeiten der Anbringung von Kraftmeßzellen. Insbesondere sind veranschaulicht:
  • - Kraftmeßzellen 31 an den Federbeinen (vgl. auch Fig. 2 und 3)
  • - Kraftmeßzellen 32 zwischen Blattfedern oder Luft­ luftfedern und der Karosserie
  • - Kraftmeßzellen 33 an den Lenker-, Führungs- und Torsionsstabköpfen
  • - Kraftmeßzellen 34 an den Spurstangenköpfen
  • - Kraftmeßzellen 35 an den Motor-, Getriebe- und Differentiallagerstellen und
  • - Kraftmeßzellen 36 an den Fahrwerks- und Antriebs­ sätteln hinten und vorne.
Falls erforderlich können auch an anderen Stellen, an denen Kräfte oder Momente auftreten entsprechende Kraftmeßzellen ange­ ordnet werden, insbesondere auch an einer Anhängerkupplung.
Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsge­ mäße Vorrichtung nicht auf die Verwendung bei Kraftfahrzeugen beschränkt, sondern kann auch bei nichtselbstangetriebenen Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeug-Anhängern oder Eisenbahnwaggons Anwendung finden. Als Kraftfahrzeuge kommen auch Zweirad- und Dreiradfahrzeuge in Betracht.
Mittels der am Fahrzeug angebrachten Kraftmeßelemente lassen sich insbesondere die auf die Räder wirkenden Kräfte, Antriebs- und Bremsmomente, eine Fahrzeugbelastung und -Beladung, die auf die Lenkung wirkenden Kräfte und Momente sowie die auf die Karosserie, die Fahrwerks- und Antriebssättel wirkenden Kräfte und Momente unmittelbar messen.
Aus diesen Meßwerten lassen sich dann mittels einer Datenver­ arbeitungseinrichtung und gegebenenfalls an Hand gespeicherter und auf Wunsch veränderbarer Werte folgende Parameter mittel­ bar bestimmen:
So läßt sich auf Grund festgestellten Radkräfte, gegebenenfalls unter Berücksichtigung anderer Parameter und gespeicherter Werte der Reifenzustand, insbesondere Rundlauf, Auswuchtung und Druck feststellen. Auch lassen sich auf Grund der unmittel­ bar gemessenen Werte Rückschlüsse auf die Fahrbahnqualität ziehen. Ähnliches gilt für den Fahrwerks- und Stoßdämpferzu­ stand. Wichtig ist auch die Bestimmung des Radschlupfes auf Grund der Raddrehmomente, beispielsweise in Verbindung mit ABS-Systemen.
Zur Optimierung der Fahreigenschaften können ferner der Fahrt­ widerstand, auf die Karosserie vorne, hinten und seitlich wirkende Auftriebskräfte und auf Grund von Seitenwind auftre­ tende Seitenkräfte bestimmt und ausgenützt werden.
Die unmittelbar gemessenen bzw. die daraus abgeleiteten Werte und Parameter dienen dann zur entsprechenden Einstellung und/ oder Regelung der verschiedenen Einrichtungen des Fahrzeuges sowie einer Weiterverarbeitung für Informationszwecke.
So kann beispielsweise statisch oder dynamisch die Federung, Dämpfung und Höhenlage des Fahrzeuges automatisch für eine Optimierung der Fahreigenschaften geregelt werden. Weiterhin ist die Beeinflussung der Brems- und Beschleunigungskräfte und der Antriebsverteilung auf die Räder, insbesondere bei Allrad­ antrieb bzw. ABS-System von Bedeutung. Eine Lenkungsregelung beispielsweise in Form einer automatischen Veränderung der Lenkgeometrie, insbesondere der Vorspur, der Steuerung und des Lenkpunktes können automatisch Seitenwindeinflüsse ausgleichen. Auch an eine Reifendruckregelung wäre zu denken oder zumindest eine Anzeige des erforderlichen Reifendrucks. Ferner wäre eine Beeinflussung des Drehmomentenwandlers eines automatischen Getriebes möglich.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Anordnung einer Krafmeß­ zelle in Zusammenwirken mit einem Federbein eines Personen­ kraftfahrzeuges zur Feststellung der Radlast. Der Flanch 13 eines oberen Schwingmetalllagers 3 des Federbeines 2 ist mit einer Kraftmeßzelle 1 verbunden, die bevorzugt eine elastostatische Kraftmeßzelle ist wie sie in der EP-OS 1 45 001 beschrieben ist (vgl. auch Fig. 3).
Die Karosserie des Kraftfahrzeuges stützt sich über den Flanch 14 der Kraftmeßzelle 1 auf dem Federbein über das nicht ge­ zeigte Rad auf der Fahrbahn ab.
Die Horizontalführung des Radlagers 4 erfolgt von der Ka­ rosserie 5 aus über Lenker 6 und 7, einen Torsionsstab 8 und eine Lenkstange 9. Die Wirkung der aus der Horizontalführung ent­ stehenden Kraftnebenschlüsse auf die Radlastmeßung wird durch lastabhängige Kalibrierung kompensiert.
Fig. 3 veranschaulicht Einzelheiten der Anbringung der Kraft­ meßzelle 1 am Federbein 2.
Die Kraftmeßzelle 1 der bevorzugten Ausführungsform besteht aus zwei ineinandergeschachtelten topfartigen Elementen, näm­ lich einem äußeren Druckzylinder 22 und einem inneren Last­ kolben 24, zwischen denen sich umfangsmäßig und zwischen dem Boden des Druckzylinders 22 und der Oberseite des Lastkol­ bens 24 elastomeres Material 23 befindet. Im Druckzylinder 22 ist ein Druckwandler 21 angeordnet, der beispielsweise piezo­ resistiv arbeitet. Der Druckwandler 21 wird von der Oberseite in den Druckzylinder 22 eingesetzt und steht mit seiner Unter­ seite mit dem elastomeren Material in Verbindung. Der Druck­ zylinder 22 ist mit der Karosserie 5 des Kraftfahrzeuges bei­ spielsweise über einen am Druckzylinder 22 ausgebildeten Flanch 35 und eine entsprechende Schraubverbindung 36 verbunden.
Andererseits ist der Lastkolben 24 ebenfalls mit einem Flanch 34 versehen, der mit dem oberen Schwingmetalllager 3 des Federbeines 2 über eine Schraubverbindung 36 verbunden ist. Auf dem oberen Ende einer in das Schwingmetalllager 3 ragenden Kolbenstange 10 ist ein Rillenkugellager 27 angebracht, das eine Drehbeweglichkeit zwischen Federbein und Kraftmeßzelle gewährleistet . An einem Ansatz 37 der Kolbenstange 10 stützt sich ein Federteller 28 ab,mit dem eine Schraubenfeder 29 in Eingriff ist. Die Kolbenstange 10 ist von einer Gummihohl­ feder umgeben.
Die Masse der Karosserie 5 drückt auf das zwischen dem Druck­ zylinder 22 und dem Lastkolben 24 befindliche elastomere Material 23, das diesen Druck an den Druckwandler 21 weiter­ gibt, der diesen Druck in ein elektrisches Signal umwandelt und der Auswertevorrichtung zuführt. Die damit bestimmte Radlast kann im Stillstand des Fahrzeugs etwa nach bzw. während des Beladens bestimmt werden. Dabei besteht die Mög­ lichkeit die Zuladung dadurch zu bestimmen, daß zuerst das Nettogewicht der Karosserie vor der Zuladung bestimmt wird und während der Zuladung eine laufende Anzeige gegeben wird. Eine derartige Möglichkeit ist bevorzugt bei Lastkraftwagen vor­ zusehen.
Andererseits kann auf Grund der statisch festgestellten Rad­ last eine entsprechende Einstellung der Federung, Dämpfung etc. vorgenommen werden. Hierbei läßt sich auch eine asymme­ trische Belastung der einzelnen Räder berücksichtigen.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch während der Fahrt des Fahrzeuges das dynamische Verhalten der auf das Rad ausgeübten Kräfte durch kontinuier­ liche Meßung festgestellt und für die Optimierung der Fahr­ eigenschaften ausgenutzt werden.
Fig. 4 veranschaulicht die Lagerung und Aufhängung eines Rades, wie sie etwa bei einem LKW oder einem Schienenfahrzeug Ver­ wendung finden könnte. Insbesondere zeigt die Figur Kraftmeß­ elemente 32, die ähnlich ausgestaltet sein können, wie das in Fig. 3 gezeigte Kraftmeßelement.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß gerade die elastostatische Kraftmeßzelle nach EP-US 1 45 001 für die vor­ liegenden Anwendungen besonders bevorzugt ist. Auf Grund des elastomeren Übertragungsmaterials kann die Kraftmeßzelle sehr unterschiedliche Formen annehmen. Wesentlich ist lediglich eine entsprechende Kolbenfläche zur Krafteinleitung und die Übertragung der eingeleiteten Kraft über das elastomere Material auf einen beliebigen Drucksensor, etwa einen piezoresistiven Drucksensor.
Fig. 4 zeigt, daß die Karosserie 42 über Luftfedern 44 unter Einfügung der Kraftmeßzellen 32 auf den Tragelementen 46 der Achsenanordnung 48 sitzt.
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Abstützung der Karosserie 42 über eine Hohlgummi-Luftfeder 44 auf einem Tragelement 47, das mit der in der Fig. 5 nicht sichtbaren Radachse in Verbindung steht.
Die Anordnung der eingangs an Hand der Fig. 1 genannten Kraft­ meßzelle 33 bis 36 ist nicht im einzelnen aufgeführt, da sie in entsprechender Weise zu den gezeigten Ausführungsbeispielen der Fig. 3 bis 5 erfolgt.
Die von den verschiedenen Kraftmeßzellen, insbesondere den Sensoren festgestellten Werte werden einer Recheneinheit, insbesondere einem Mikroprozessor zugeführt, der diese Werte in gewünschter Weise auswertet, daraus wie eingangs ausgeführt, weitere Parameter ableitet und entsprechende Signale an die verschiedenen Einrichtungen des Fahrzeuges abgibt, damit diese zur Optimierung der Fahreigenschaften eingestellt werden.

Claims (24)

1. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch
  • Feststellen der auf das Fahrzeug bzw. Teile des­ selben wirkenden Kräfte und/oder Momente mittels am bzw. im Fahrzeug selbst angebrachter Kraftmeß­ elemente,
  • Verarbeiten der festgestellten Werte und
  • Optimieren der Fahreigenschaften des Fahrzeuges an Hand der Ergebnisse der Verarbeitung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf mindestens einen Teil des Fahrzeuges, wie die Fahrzeugräder, die Lenkung, die Karrosserie, den Motor, das Getriebe und/oder das Differential während der Fahrt ausgeübten Kräfte und/oder Momente festgestellt und zur Einstellung und/oder Regelung der Federung, Dämpfung, Höhenlage, Lenkung, Beschleunigungs-und/oder Bremskraft und dergleichen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnt, daß die in den Lagerstellen zwischen den verschiedenen Teilen Fahrzeuges auftretenden Kräfte und/oder Momente mittels dort angeordneter Kraftmeßelemente festgestellt und ausgewertet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während der Fahrt des Fahrzeuges das dynamische Verhalten einzelner Teile des Fahrzeuges im Vergleich zueinander und/oder mit gespeicherten Be­ zugswerten zur Optimierung der Fahreigenschaften des Fahrzeuges ausgewertet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifenzustand bzw. Reifendruck durch Vergleich des dynamischen Verhaltens der Räder bzw. Achsen zueinander und/oder durch Vergleich mit ge­ gespeicherten Bezugswerten kontrolliert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Stoßdämpfer durch Vergleich des dynamischen Verhaltens der Räder und/oder Achsen zueinander bzw. mit gespeicherten Bezugswerten kon­ kontrolliert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf das Fahrzeug quer zur Fahrt­ richtung wirkende Kräfte und/oder Momente festgestellt und zur Regelung der Federung, Dämpfung, Lenkung, Höhenlage, Beschleunigung und/oder Bremskraft verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf das Fahrzeug während der Fahrt auf Grund von Beschleunigung und/oder Verzögerung wirkende Kräfte und/oder Momente feststellt und zur Regel­ ung von Federung, Dämpfung, Lenkung, Höhenlage, Beschleu­ nigungs- und/oder Bremskraft verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellung des Überschreitens eines oberen Grenzwertes der Verzögerung Notmaßnahmen, wie Auslösen eines aufblas­ baren Luftsackes ausgelöst werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von den festgestellten Kräften und Momenten die an das Fahrwerk abgegebene Lei­ stung verändert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß laufend, auf Anforderung und/ oder bei Gefahr Informationen über den Zustand des Fahr­ zeuges und/oder der Fahrbahn gegebenenfalls einschließ­ lich zu treffender Maßnahmen optisch und/oder akkustisch ausgegeben werden.
12. Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftmeßelemente (31 bis 35) zwischen Teilen (z.B. 42, 46) des Fahrzeuges, wie dem Fahrgestell,der Karrosserie, der Lenkung, dem Motor, der Federung, dem Differential und/oder dergleichen angeordnet sind.
13. Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßelemente (31 bis 36) in die Verbindung zwischen den Teilen des Fahrzeuges eingefügt sind.
14. Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßelemente (31 bis 36) in die Verbindung zwischen den Teilen des Fahrzeuges integriert sind.
15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftmeßelemente (31 bis 36) an den Lagerstellen zwischen Teilen des Fahrzeuges angeordnet sind.
16. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kraftmeßelemente (22 bis 24) in die Federung, insbesondere in Federbeine (2) des Fahrzeuges eingebaut sind.
17. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kraftmeßelemente (32) an Lagerstellen des Fahrzeuges mit Luftfedern (44) zusammenwirken.
18. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Kraftmeßelemente (32) in Ab­ stand zueinander an Verbindungsstellen zwischen Teilen des Fahrzeuges zur Momentenbestimmung angeordnet sind.
19. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kraftmeßelemente an auf Dehnung be­ anspruchten Teilen des Fahrzeuges, wie Achsen, Federn oder dergleichen angebracht sind.
20. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Prozessor vorgesehen ist, der die Meßwerte von den Kraftmeßelementen (31 bis 36) lau­ fend oder periodisch empfängt und Signale zur Einstellung und/oder Regelung der entsprechenden Teile des Fahrzeuges abgibt.
21. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kraftmeßelemente elastostatische Kraftmeßzellen (21 bis 24) verwendet werden mit einem vorzugsweise kolbenartigen Krafteinleitkörper (22), einem dazu angepaßten Gegenkraftkörper (24) und dazwischen be­ findlichem elastomeren Material (23), das mit einem Drucksensor (21) in Kontakt ist.
22. Fahrzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinleitungskörper (22) und/oder der Gegenkraft­ körper (24) den Verbindungs- bzw. Lagerstellen zwischen Teilen des Fahrzeuges formmäßig angepaßt sind.
23. Fahrzeug nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinleitungskörper (22) und/oder der Gegenkraft­ körper (24) einstückig mit Verbindungselementen und/oder Teilen des Fahrzeuges ausgebildet sind bzw. ist.
24. Fahrzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinleitungskörper (22) und/oder der Gegenkraft­ körper (24) selbst Verbindungselemente zwischen Teilen des Fahrzeuges sind.
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