DE3731756A1 - Verfahren zur regelung der fahrstabilitaet eines fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeugs, insbesondere bei Kurvenfahrt.

Das Ziel dabei ist, das Fahrzeug bei möglichst allen Straßen- und Fahrbedingungen bei Bremsungen zu stabilisieren und für den Fahrer beherrschbar zu machen. Eine Stabilisierung ist zum Beispiel bei unterschiedlichen Reibbeiwerten der Straße an den linken und rechten Rädern des Fahrzeugs oder bei der Gefahr des Übersteuerns bei Kurvenbremsungen notwendig. Beherrschbar ist das Fahrzeug, wenn es auf Lenkeingriffe in der vom Fahrer gewünschten Weise reagiert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 oder Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Regler kann einem anderen Regler zur Bremswegoptimierung überlagert oder in diesen integriert werden. Benötigt werden Sensoren für die Gier­ bewegung und den Lenkwinkel, außerdem Informationen über den Reibbeiwert der Straße und die Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Reibbeiwert kann z. B. aus der maximal erreichbaren Fahrzeugverzögerung abgeschätzt werden. Die Fahrzeug­ verzögerung und die Fahrzeuggeschwindigkeit sind im allgemeinen durch den Bremsdruckregler (Radregler) bekannt, oder sie können direkt gemessen werden.

Mit Hilfe des Lenkwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Reibbeiwerts kann ein Sollwert oder ein zulässiger Bereich für die Giergeschwindigkeit berechnet werden.

Die Möglichkeiten des Eingriffs der Giergeschwindigkeitsregelung auf die Bremskraft sind abhängig von der Zahl der Kanäle, d. h., der Anzahl unabhängig voneinander im Bremsdruck beinflußbarer Gruppen von Rädern.

Bei einem Einkanalsystem sind alle Radbremsdrucke nur gemeinsam änderbar. Ein von der Giergeschwindigkeitsregelung ausgelöster Druckauf- oder -abbau wirkt deshalb stets auf alle Räder. Bei Druckaufbau ist darauf zu achten, daß nicht beide Hinterräder gleichzeitig blockieren.

Bei einem Zweikanalsystem ist z. B. jeweils eine Diagonale getrennt ansteuerbar. Wie in den Kanälen eingegriffen wird, ist abhängig vom Vorzeichen der Giergeschwindigkeit und des Lenkwinkels und verschiedenen Randbedingungen.

Bei Drei- und Vierkanalsystemen kann der Bremsdruck auch an einzelnen Rädern beeinflußt werden.

Weitere Ausbildungen und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Bremsdruckregler bei dem die Erfindung als überlagerter Regler zum Einsatz kommen kann,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Reglers,

Fig. 3 und 5 Diagramme zur Erläuterung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines anderen Reglers.

Anhand der Fig. 1 wird eine Einkanal-Konfiguration eines ABS mit einem Meßwertaufnehmer für die Fahrzeugbeschleunigung in Längsrichtung 2 des Fahrzeugs beschrieben. In einem Schaltgerät 4 auf Microprozessorbasis werden durch eine Verknüpfung Stellsignale für einen Druckmodulator 5 berechnet. Der Druckmodulator, z. B. ein modulierbarer Bremskraftverstärker, kann den Druck in beiden Bremskreisen synchron ändern. Entsprechend der serienmäßigen Ausstattung des Fahrzeugs können Vorrichtungen vorhanden sein, die ein geeignetes Bremsdruckverhältnis zwischen Vorder- und Hinterachse einstellen. Das können z. B. ein oder zwei lastabhängige Bremsdruckminderer 6 sein. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, daß sich die komplette Anlage 3 in einem Block zusammenfassen läßt, welcher einen bereits vorhandenen Bremskraftverstärker ersetzen kann, ohne daß weitere Änderungen an der Bremsanlage des Fahrzeugs notwendig sind.

Bei diesem Regler wird nach einem Druckaufbauimpuls fester oder variabler Länge gewartet, bis die Ableitung der gefilterten Fahrzeugbeschleunigung (da/dt) einen Minimalwert (negativ) annimmt. Nun wird aus der gemessenen Höhe des Drucksprungs eine Grenze berechnet, die von da/dt unterschritten werden muß, damit ein weiterer Druckaufbau und Druckaufbauimpuls folgen kann.

Dieser Wechsel zwischen Druckaufbau und Druckhalten wird so lange wiederholt, bis die Fahrzeugverzögerung nach dem Druckaufbaupuls nur noch wenig zugenommen hat. Man kann nun davon ausgehen, daß sich mehrere Räder im Bereich des Maximums der Schlupfkurve bewegen oder dieses bereits überschritten haben.

Durch die Wahl der Grenze kann in gewissem Maße festgelegt werden, ob das Blockieren von einem oder mehreren Rädern akzeptiert wird. Wenn die Untergrenze für da/dt nach einem Druckaufbaupuls nicht unterschritten wurde, dann baut der Regler, um die Seitenführungskraft zu erhöhen, Druck ab, bis weitgehend sichergestellt ist, daß sich wieder Räder im stabilen Bereich links vom Maximum der Schlupfkurve bewegen. Das wird durch eine plötzliche, starke Abnahme der Fahrzeugverzögerung erkannt, d. h., da/dt überschreitet eine vorgegebene Obergrenze. Nun kann sofort wieder Druck aufgebaut werden, und der ganze Vorgang wiederholt sich.

In Fig. 2 ist die Reglerelektronik der Fig. 1 noch einmal dargestellt. Es ist jedoch zusätzlich der überlagerte Regler gezeigt, der aus einem Lenkwinkelgeber 1, einem Meßwertgeber 7 für die Giergeschwindigkeit, einer Auswerteschaltung 8 und einem Vergleicher 9 besteht.

Der Auswerteschaltung 8 wird neben den Signalen der Meßwertgeber 1 und 7 das Fahrzeugverzögerungssignal des Meßwertgebers 2 und eine die Fahrzeugge­ schwindigkeit darstellende Größe zugeführt. Mittels der maximalen Fahrzeug­ verzögerung wird in der Auswerteschaltung 8 der vorhandene Reibbeiwert μ abgeschätzt.

In der Auswerteschaltung 8 werden aus den Meßwerten die Kurven 11 und 12 errechnet. Sie stellen die Grenzwertverläufe für die Giergeschwindigkeit Φ ^· in Abhängigkeit vom Lenkwinkel δ dar, wobei je nach Einschlagrichtung der Lenkwinkel und die resultierende Giergeschwindigkeit positiv oder negativ bezeichnet sind.

Für Rechtseinschlag stellt die Kurve 11 den unteren Grenzwertverlauf dar. Erreicht bei einem bestimmten Lenkwinkel unter Berücksichtigung des herrschenden μ und der vorhandenen Fahrzeuggeschwindigkeit Φ ^· nicht die durch den Grenzwertverlauf gegebene Größe, so wird, um zu einer höheren Giergeschwindigkeit zu kommen, Druck abgebaut. Damit wird die Seitenführung und die Giergeschwindigkeit erhöht. Der dazu notwendige Vergleich zwischen gemessener Giergeschwindigkeit und dem errechneten Grenzwert wird im Vergleicher 9 vorgenommen, der dann ein Absenksignal über ein Oder-Gatter 10 an die Bremsdrucksteuereinrichtung 5 gibt. Als obere Vergleichsgröße wird auch die Schwelle 13 zur Verfügung gestellt. Wird sie von der gemessenen Giergeschwindigkeit überschritten, so wird, um ein Übersteuern zu vermeiden, Druck aufgebaut. Im Bereich E zwischen den Kurven 11 und 13 wird der Bremsdruck nur durch den Bremsdruckregler 2, 4 und 5 bestimmt.

Die Kurve 11 setzt sich aus mehreren Bereichen zusammen. Zwischen O und A, also im Bereich kleiner Lenkwinkel ist ein Toleranzbereich vorgegeben. Wird er nach oben oder unten verlassen, so wird Druck abgebaut, um Instabilität zu vermeiden.

Dieser Toleranzbereich bei kleinen Lenkwinkeln (tote Zone) kann durch folgende Beziehung gegeben sein:

Φ ^· _Tol = b ^· _Tol + K ^· _Tol · δ

wobei b _Tol und K _Tol fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Koeffizienten sind.

Mit dynamischer Korrektur zur Berücksichtigung der Fahrzeugträgheit und Lenkelastizität erhält man:

wobei man δ _F durch Tiefpaßfilterung erhalten kann.

In Fig. 4 sind die beiden Geraden eingezeichnet und mit  und  bezeichnet. Die Instabilität in diesem Bereich könnte z. B. durch unterschiedliche Reibbeiwerte an den Fahrzeugseiten hervorgerufen werden.

An den Toleranzbereich (O bis A) schließt sich ein Bereich A bis B an, in dem überprüft wird, ob eine der Richtung des Lenkradeinschlags entsprechende Giergeschwindigkeit auftritt. Ist dies nicht der Fall, so wird Bremsdruck abgebaut und dadurch die Fahrzeugbeherrschbarkeit sichergestellt.

Im Bereich B bis C wird der Verlauf der Kurve durch die sogenannte Ackermann-Bedingung bestimmt.

Bei Kurvenfahrt ohne Schräglauf an den Rädern gilt

wobei l der Radstand ist.

Mit einer dynamischen Korrektur zur Berücksichtigung von Fahrzeugträgheit und Lenkelastizität, erhält man die dynamische korrigierte Ackermann- Bedingung.

δ _F kann durch eine Tiefpaßfilterung aus δ gewonnen werden. Da dieser Wert in der Praxis durch mit Lenkwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit zunehmenden Schräglauf an den Rädern (bei zum untersteuern tendierenden Fahrzeugen vor allen an den Vorderrädern) nicht erreicht wird, erfolgt eine weitere, fahrzeugabhängige Korrektur, z. B.:

Φ ^· _ACC = a _AC · Φ ^· AC

mit a _AC = f _AC (v _F , δ)

z. B. mit

Man erkennt, daß der Kurvenanteil B bis C nicht nur von δ, sondern auch von v _F abhängt.

Auch diese Kurve ist in Fig. 4 eingezeichnet.

Ab dem Lenkwinkel C kann der Grenzwertverlauf nach folgenden Kriterien festgelegt werden:

Im ungebremsten Fall gilt für die notwendige Querbeschleunigung a _Q zur Überwindung der Haftreibung:

a _Q = μ₀ · g,

wobei m₀ der Reibbeiwert und g die Erdbeschleunigung ist.

Die Zentrifugalbeschleunigung bei stationärer Kurvenfahrt ist

wobei R der Kurvenradius ist.

Es muß sein:

a _Q = a _Z ;

das bedeutet, daß die maximale Giergeschwindigkeit

ist.

Der mittlere Fahrbahnreibbeiwert wird dabei aus der zuletzt maximal erreichten Längsverzögerung -a während der Bremsung abgeschätzt.

μ₀ = K _μ · (-a) _max ,

wobei K _μ ₀ eine Konstante ist.

Die Längenverzögerung wird direkt gemessen oder durch Differenzierung der Fahrzeug- bzw. einer ggf. vorliegenden Referenzgeschwindigkeit gewonnen.

Berücksichtigt man die abnehmende Seitenführungskraft bei zunehmender Längsverzögerung und damit zunehmendem Radschlupf, so erhält man:

wobei K _b abhängig von Reifenparametern (Bremsschlupfsteifigkeit, Schräglaufsteifigkeit) ist.

Um auch in diesem Bereich eine gewisse Lenkwinkelabhängigkeit zu erreichen, wird der Grenzverlauf im Bereich C bis δ _max folgendermaßen festgelegt:

K _Ph ist dabei eine Konstante zur Berücksichtigung von Abschätzungsfehlern, Ungenauigkeiten usw.

Bei der Konstanten δ _max handelt es sich um einen Lenkwinkel, der üblicherweise bei Fahrzeuggeschwindigkeiten, bei denen eine Regelung notwendig sein kann, nicht überschritten wird.

Das bedeutet, daß bei zunehmendem Lenkwinkel, wenn der Fahrer also eine Zunahme der Giergeschwindigkeit erreichen möchte, der Druck im Extremfall so weit abgebaut wird, bis sich die im ungebremsten Fall erreichbare Giergeschwindigkeit einstellt.

Wird der Lenkwinkel δ _F größer als δ _max , nimmt der Grenzwert unabhängig vom Lenkwinkel den Wert

Φ ^· _Ph = ± K _Ph · Φ ^· _max

an.

Auch die Geraden Φ ^· _max ,  und Φ ^· _Ph sind in Fig. 4 eingezeichnet. (Für K _Ph = 1).

Überschreitet die Giergeschwindigkeit den Wert D, dann besteht die Gefahr, daß das Fahrzeug übersteuert und instabil wird. Eine Bremsdruckabsenkung würde die Giergeschwindigkeit weiter erhöhen und die Instabilität verstärken. Deshalb ist es hier besser, den Bremsdruck an den Vorderrädern und damit den Schlupf zu erhöhen, um die Seitenführungskraft und die Giergeschwindigkeit abzubauen.

Man erhält als obere Grenze für die Giergeschwindigkeit um eine Übersteuerung zu vermeiden:

mit K _OG < 1

Auch der Verlauf dieser Geraden ist in Fig. 4 eingezeichnet. Aus Stücken der in Fig. 4 eingezeichneten Geraden ergeben sich die Verläufe 11, 12 und 13 der Fig. 3, die für eine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit v _F , ein konstantes a und damit konstantes μ₀ gelten. Für den Lenkradeinschlag nach links gelten die obigen Ausführungsn entsprechend. In Fig. 3 ist durch Pfeile angedeutet, wann Druckabbau und -aufbau stattfindet; der Doppelpfeil im Bereich E deutet an, daß dort nur durch den unterlagerten Regler geregelt wird.

Durch den durch den Grenzwertverlauf erzielten Bremsdruckabbau wird der Schlupf an den entsprechenden Rädern abgesenkt und die Seitenführungskraft erhöht. Das Fahrzeug reagiert dann stärker auf den Lenkeinschlag, und die Giergeschwindigkeit wird größer.

Im mittleren Bereich E zwischen den Grenzen muß nicht in den untergeordneten Regelalgorithmus eingegriffen werden. Hier kann wie üblich die Bremskraft optimiert werden.

Die benötigte Fahrzeuggeschwindigkeit kann z. B. auch mit Hilfe der mittleren Vorderradgeschwindigkeit am Differential (Tachogeschwindigkeit) und der gemessenen Fahrzeugverzögerung approximiert werden.

Als Alternative zu der beschriebenen Bereichsüberwachung für die Giergeschwindigkeit ist auch eine direkte Regelung um einen Sollwert für die Giergeschwindigkeit möglich. Der Sollwert kann ebenfalls stückweise aus den oben angegebenen Kriterien gebildet werden. Dabei ist anstelle eines zwangsweisen Eingriffes in die Längsverzögerungsregelung eine stärkere Verkopplung der beiden Regler vorzuziehen (Mehrgrößenregelung).

Ein verbessertes Regelverhalten läßt sich erzielen, wenn auch die differenzierte Giergeschwindigkeit (Gierbeschleunigung) herangezogen wird. Damit läßt sich ein PD-Giergeschwindigkeitsregler verwirklichen. Möglich ist auch ein PD-Regler mit toter Zone.

Es folgt ein Beispiel eines solchen PD-Reglers mit toter Zone für ein Einkanalsystem, z. B. für das eingangs beschriebene System (Fig. 1). In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Gesamtsystems dargestellt. An einem Fahrzeug 1 werden der Lenkwinkel δ, die Fahrzeugbeschleunigung a und die Fahrzeug­ geschwindigkeit v _F gemessen und einem Sollwertbildner zugeführt. v _F kann auch z. B. mit Hilfe der Tachometergeschwindigkeit und der Fahrzeugbeschleunigung abgeschätzt werden.

Im Sollwertbildner 11 wird ein Sollwert für die Giergeschwindigkeit (Φ _Soll ) bestimmt, z. B. wie in Fig. 5 dargestellt. Die Sollwertkurve setzt sich auch hier stückweise aus den bereits anhand von Fig. 4 beschriebenen Geraden zusammen. Die Geraden  und  werden hier nicht benötigt.

Der so bestimmte Sollwert Φ ^· _Soll wird im Vergleicher 12 mit der gemessenen Giergeschwindigkeit Φ ^· verglichen und man erhält die Regelabweichung ΔΦ ^·. Diese Größe wird einem Verstärker 13 zugeführt und man erhält den P-Anteil für die Regelung. Die im Differenzierer 14 differenzierte Regelabweichung ergibt nach einer Verstärkung in einem Verstärker 15 den D-Anteil.

P- und D-Anteil werden in einem Addierer 16 addiert und durch einen Block 17 mit einer statischen Kennlinie mit einer toten Zone versehen. Am Ausgang von Block 17 liegt der Solldruckänderungsgradient

bzw. eine ähnliche Größe (z. B. eine Ventilansteuerzeit) vor.

Der Ausgang des Addierers 16 wird außerdem einem Block 18 mit der Kennlinie 18 a zugeführt. Sein Ausgang liefert im Bereich der toten Zone (von -T bis T) eine Eins und außerhalb davon eine Null. Diese Größe wird in einem Multiplizierer 19 mit dem Ausgang eines Verzögerungsreglers multipliziert und man erhält

werden in einem Addierer 21 addiert und der Hydraulik 22 über eine Ansteuerung und einen Druckmodulator in geeigneter Weise zugeführt.

Die Druckänderungen werden in der Hydraulik 22 integriert und der resultierende Druck p wird der Bremsanlage des Fahrzeugs 1 zugeführt. Man erreicht durch die Verwendung der Kennlinie im Block 17 und 18 a, daß bei kleinen Regelabweichungen ΔΦ ^·, wenn also der Ausgang des Addierers 21 zwischen -T und T liegt,

zu Null wird und nur der Verzögerungsregler Druckänderungen veranlassen kann.

Umgekehrt wird bei größeren Regelabweichungen

zu Null und die Giergeschwindigkeit ist durch ihre höhere Priorität alleine für Druckänderungen verantwortlich.

Die Breite der toten Zone -T bis T kann z. B. von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig gemacht werden.

Außer bei geregelten Bremsungen ist die Giergeschwindigkeitsregelung auch bei Antriebsschlupf einsetzbar. Hierbei kann z. B. bei zu starkem Untersteuern (Vorderradantrieb) bzw. Übersteuern (Hinterradantrieb) während einer Kurvenfahrt der Antriebsschlupf durch Reduzierung des Antriebsmoments (Motoreingriff, Bremsung) zurückgenommen werden.

Verwendete Bezeichnungen:

Φ ^· - Giergeschwindigkeit
δ - Lenkwinkel
v _F - Fahrzeuggeschwindigkeit
a - Fahrzeugbeschleunigung
μ₀ - Reibbeiwert
l - Radstand
R - Kurvenradius
q - Erdbeschleunigung

weitere Konstanten, z. T. fahrzeugabhängig, sind:

K _D , K _v , K _μ , K _Ph , K _b , K _OG .

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung der Fahrzeugstabilität bei Kurvenfahrt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwinkel δ, die Drehgeschwindigkeit Φ ^· des Fahrzeugs um die Hochachse (Giergeschwindigkeit), die Fahrzeuggeschwindigkeit v _F und der Reibbeiwert μ zwischen Reifen und Straße ermittelt werden, daß ein unterer Grenzwertverlauf der Giergeschwindigkeit Φ ^· in Abhängigkeit vom Lenkwinkel δ unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Reibbeiwerts festgelegt wird und daß bei Unterschreiten des Grenzverlaufs durch die gemessene Giergeschwindigkeit Φ ^· Bremsdruck abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Grenze für die Giergeschwindigkeit festgelegt wird und daß ab deren Überschreiten Bremsdruck aufgebaut wird.

3. Verfahren zur Regelung der Fahrzeugstabilität bei Kurvenfahrt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwinkel δ, die Drehgeschwindigkeit Φ ^· des Fahrzeugs um die Hochachse (Giergeschwindigkeit), die Fahrzeuggeschwindigkeit v _F und der Reibbeiwert μ zwischen Reifen und Straße ermittelt werden, daß ein Sollwertverlauf der Giergeschwindigkeit Φ ^· in Abhängigkeit vom Lenkwinkel δ unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Reibbeiwerts festgelegt wird und daß durch Auf- und Abbau des Bremsdrucks die gemessene Giergeschwindigkeit Φ ^· in Richtung auf den Sollwertverlauf geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Lenkwinkeln ein Toleranzbereich für die Giergeschwindigkeit Φ ^· vorgegeben ist und daß bei Verlassen dieses Bereichs Druck abgesenkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ab einem vorgegebenen kleinen Lenkwinkel überprüft wird, ob eine Giergeschwindigkeit in die richtige Richtung auftritt, und daß Bremsdruck abgebaut wird, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für einen anschließenden Lenkwinkelbereich der Grenzwertverlauf bzw. Sollwertverlauf durch die gegebenenfalls korrigierte Ackermann-Bedingung bestimmt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ab einem vorgegebenen Lenkwinkel δ _max ein konstanter Grenzwert- bzw. Sollwertverlauf vorgegeben ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Bremsdruckregler (ABS, ASR) zur Optimierung des Bremsschlupfs vorgesehen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich, der zwischen dem durch die Ackermann-Bedingung bestimmten Bereich und dem durch einen konstanten Wert bedingten Bereich liegt, der Grenzwertverlauf oder Sollwertverlauf durch Stücke der Geraden gegeben ist, wobei K _Ph eine Konstante, K _b eine Konstante, Φ ^· _max = μ₀ (-a) _max und K _μ ₀ eine Konstante ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbeiwert μ aus der während einer Bremsung maximal erreichten Fahrzeugverzögerung (-a) _max abgeleitet wird.