DE4127725A1 - Verfahren und vorrichtung zur minimierung des seitenwind-einflusses auf das fahrverhalten eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur minimierung des seitenwind-einflusses auf das fahrverhalten eines fahrzeugs

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 beziehungsweise 13.
Beim Durchfahren einer Seitenwindböe werden Fahrzeuge ohne Lenkkorrektur mehr oder weniger seitlich versetzt und aus dem Wind herausgedreht. Das Fahrzeug weist somit auf einer sich daran anschließenden seitenwindfreien Fahrstrecke eine stationäre Kursabweichung auf. Die Größe des seitlichen Versatzes beziehungsweise der Richtungsänderung hängt neben der Windstärke und der Richtung des Winds relativ zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und dessen Geometrie ab und ist daher von Fahrzeug zu Fahrzeug verschieden.
Die Auswirkung des Seitenwindeinflusses auf ein Fahrzeug wird daher in der Regel schon bei dessen Konstruktion berücksichtigt und durch entsprechende Maßnahmen so gering wie möglich gehalten. Aus physikalischen Gründen ist es jedoch nicht möglich, den Einfluß des Seitenwinds auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs allein durch konstruktive Maßnahmen gänzlich zu beseitigen.
Es wurde daher bereits versucht, die Beeinflussung des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs durch Seitenwind weiter zu verringern, in dem diese sensorisch erfaßt und mittels eines Stellglieds entweder eine Achse des Fahrzeugs relativ zu diesem oder den Lenkwinkel der Räder der Achse gezielt verstellt.
Aus der DE-PS 11 08 091 ist eine dahingehend arbeitende Vorrichtung bekannt. Über je einen Druckabnahmepunkt auf beiden Fahrzeugseiten führen pneumatische Leitungen zu Kammern beidseitig einer Membrane eines pneumatischen Stellelements. Das pneumatische Stellelement betätigt ein hydraulisches Ventil, mit dem ein Stellglied angesteuert ist. Das Stellglied mit einer federbelasteten Mittellage verschiebt in einer ersten Ausführung die Aufhängepunkte einer Achse des Fahrzeugs relativ gegenüber der Karosserie, oder verstellt in einer zweiten Ausführung den Lenkwinkel der Räder dieser Achse.
Die Wirkung der Druckdifferenz auf den Lenkwinkel ist bei dieser bekannten Vorrichtung aber fest vorgegeben (weitgehend proportional zur Druckdifferenz) und daher aus fahrdynamischer Sicht nicht optimal. Ebenso wirkt sich jede Störung in der anströmenden Luft unmittelbar auf den Lenkwinkel aus.
Gemäß der DE 23 31 616 A1 werden Seitenwindeinflüsse auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs durch einen der zeitlichen Ableitung der Fahrzeug- Querbeschleunigung proportionalen Lenkeinschlag kompensiert. Die Querbeschleunigung muß hierzu jedoch durch einen Querbeschleunigungssensor erfaßt werden.
Querbeschleunigungssensoren für den Einsatz in Fahrzeugen sind jedoch relativ aufwendig, da ihr Ausgangssignal nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand von Störeinflüssen bereinigt werden kann. Die Freiheit von insbesondere Impulsartigen Störeinflüssen ist jedoch für die Differenzierung des Sensorsignals unbedingte Voraussetzung, sofern das Ansteuersystem für den Lenkwinkel nicht zu unkontrollierten impulsartigen Stellbewegungen neigen soll.
Schließlich ist mit der DE 38 16 057 C1 eine Vorrichtung zur Bestimmung von Seitenwindeinflüssen an einem Fahrzeug bekannt geworden. Am Fahrzeug sind insgesamt sechs Drucksonden angeordnet, deren Druckwerte in aufwendiger Weise miteinander verknüpft werden.
Die Verknüpfung der Druckwerte erfordert jedoch einen relativ hohen Rechenaufwand. Da zudem wenigstens teilweise Absolutdruckwerte benötigt werden, müssen alle Sensoren, um weniger aufwendige Differenzdrucksensoren verwenden zu können, einseitig mit einer Referenzdruckkammer verbunden werden, die über eine Drosselstrecke mit der Atmosphäre zu verbinden ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minimierung des Seitenwind- Einflusses auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs zu schaffen, das mit einem verhältnismäßig geringen sensorischen Aufwand zur Erfassung des Seitenwind- Einflusses auskommt, eine weitgehend freie Steuerung eines Lenkelements des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der oder den sensorisch erfaßten Größen zuläßt und dem Einfluß des Seitenwinds auf das Fahrzeug in fahrdynamisch möglichst optimaler Weise entgegenwirkt.
Die Erfindung ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 beziehungsweise 13 gelöst. Weitere, die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minimierung des Seitenwind- Einflusses auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs geschaffen ist, das mit einem verhältnismäßig geringen sensorischen Aufwand zur Erfassung des Seitenwind- Einflusses auskommt; das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung läßt eine weitgehend freie Steuerung eines Lenkelements des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der oder den sensorisch erfaßten Größen zu und zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, daß dem Einfluß des Seitenwinds auf das Fahrzeug in fahrdynamisch möglichst optimaler Weise entgegengewirkt wird.
Zur Erfassung des Seitenwind- Einflusses, d. h. der auf das Fahrzeug wirkenden Windseitenkraft wird lediglich ein einziger Differenzdruckaufnehmer benötigt, welcher über möglichst gleichlange Schläuche oder Leitungen mit zwei Druckabnahmepunkten an der Fahrzeugkarosserie zu verbinden ist. Die Druckabnahmepunkte liegen symmetrisch zur senkrecht verlaufenden Längsebene des Fahrzeugs an dessen Vorbau, beispielsweise an den Vorderkotflügeln. Sie werden in einen Bereich der Karosserieaußenhaut gelegt, der frei von Turbulenzen ist, und an dem sich die Strömung auch unter ungünstigen Anströmbedingungen nicht ablöst.
Ein Stellglied zur Einstellung des Zusatzlenkwinkels an einer Achse wird erfindungsgemäß derart eingestellt, daß die durch die Windseitenkraft bedingte Gierwinkeländerung des Fahrzeugs gegen Null geht. Der Zusatzlenkwinkel wird vorteilhaft mittels eines Digitalrechners errechnet; das Zeitverhalten des errechneten Zusatzlenkwinkels entspricht einem PDT1- Verhalten, mit der Druckdifferenz als Eingangsgröße und der Fahrgeschwindigkeit als die die Übertragungsparameter beeinflussende Größe.
Die Bestimmung der Reaktion des Stellglieds auf Seitenwind erfolgt in Abhängigkeit vom Einfahren in eine oder dem Ausfahren aus einer Seitenwindböe mittels unterschiedlicher Parametersätze. Das Einfahren/Ausfahren in die/ aus der Seitenwindböe wird erfaßt, in dem die erfaßten Werte des Differenzdrucks mit einem Tiefpaß gefiltert und jeweils aus der Differenz zweier nacheinander erfaßter Werte des gefilterten Differenzdrucks ein Ansteigen oder ein Abfallen des Differenzdrucks ermittelt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Schemabild eines Fahrzeugs,
Fig. 2 ein Vektordiagramm mit einem aus Windgeschwindigkeits- und Fahrgeschwindigkeitsvektor resultierenden Summenvektor,
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Bestimmung eines Hinterachslenkwinkels, der einen Seitenwindeinfluß auf das Fahrzeug minimiert,
Fig. 4 ein Betriebsparameter- Zeit- Diagramm des Fahrzeugs bei Durchfahren einer Seitenwindböe ohne Ansteuerung des Hinterachslenkwinkels,
Fig. 5 ein Diagramm nach Fig. 4, jedoch mit seitenwindkraftabhängiger Ansteuerung des Hinterachslenkwinkels,
Fig. 6 ein Diagramm, das den seitlichen Versatz eines Fahrzeugs beim Durchfahren einer Seitenwindböe mit und ohne Ansteuerung des Hinterachslenkwinkels darstellt.
In Fig. 1 ist mit 1 ein zweiachsiges Fahrzeug gezeigt, dessen erste Achse 2 bzw. deren Räder 3, 4 über eine erste Lenkvorrichtung 5 willkürlich durch einen Fahrzeugführer lenkbar ist. Eine zweite Achse 6 ist relativ gegenüber den Punkten ihrer Anbindung an der Karosserie des Fahrzeugs 1/die Räder 7, 8 der Achse 6 sind in ihrem Lenkeinschlag (Hinterachslenkwinkel deltah) in Abhängigkeit von Betriebsparametern 9 des Fahrzeugs 1 über eine zweite Lenkvorrichtung 10 verschiebbar/steuerbar. Die zweite Lenkvorrichtung 10 ist hierzu mit einem hilfskraftbetätigten Stellglied 11 zur Einstellung eines bestimmten Hinterachslenkwinkels deltah ausgestattet. Das Stellglied 11 arbeitet ohne Einschränkung der Allgemeinheit mit hydraulischem Hilfskraftmedium, das dem Stellglied 11 über einen elektromagnetisch betätigten Ventilblock 12 zugeführt oder über diesen vom Stellglied 11 in ein Vorratsgefäß 13 abgeführt wird. Dem Ventilblock 12 wird schließlich über eine Pumpe 14 aus dem Vorratsgefäß 13 Hydraulikmedium zugeführt.
Der Ventilblock 12 wird über ein Steuergerät 15, das vorzugsweise einen Digitalrechner (Mikrorechner) umfaßt, in Abhängigkeit von den Betriebsparametern 9 des Fahrzeugs 1, zu denen unter anderen auch eine mittels eines Fahrgeschwindigkeitsgebers 16 erfaßte Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs zählt, gesteuert. Zur exakten Einstellung des Hinterachslenkwinkels deltah kann das Steuergerät 15 einen unterlagerten Stellregelkreis umfassen, wozu der Hinterachslenkwinkel deltah über einen Hinterachslenkwinkelgeber 17 erfaßt und dem Steuergerät 15 zugeführt wird.
Zur Bestimmung des sich auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirkenden Einflusses von Seitenwind sind gegenüberliegend an den Seiten des Fahrzeugs 1 Druckabnahmepunkte 18 und 19 angeordnet. An den Druckabnahmepunkten 18 und 19 wird der im Bereich der Karosserieaußenhaut anstehende Luftdruck gemessen.
Die Druckabnahmepunkte 18 und 19 sind als Bohrungen 20 und 21 ausgeführt. Ein den Differenzdruck dp zwischen beiden Druckabnahmepunkten 18, 19 erfassender Differenzdruckaufnehmer 22 ist zentral zwischen diesen angeordnet und über möglichst gleich lange Schläuche oder Rohrleitungen 23, 24 mit diesen verbunden.
Gemäß Fig. 1 greift eine Windseitenkraft FW bei von Null verschiedenen Schiebewinkeln alpha nach Fig. 2 in einem Druckpunkt D des Fahrzeugs 1 nach Fig. 1 an. Der Schiebewinkel alpha ist im Vektordiagramm nach Fig. 2 als Winkel zwischen dem Fahrgeschwindigkeitsvektor v und dem resultierenden Summenvektor vRes aus Fahrgeschwindigkeitsvektor v und Windgeschwindigkeitsvektor vW eingezeichnet.
Die Windseitenkraft FW zeigt immer senkrecht zur Fahrzeuglängsachse in Richtung auf die windabgewandte Seite des Fahrzeugs und läßt sich berechnen gemäß
FW=0,5 * ro * vRes² * cs * Af, (Gl. 1)
mit:
ro Luftdichte,
vRes Anströmgeschwindigkeit der Luft,
cs Seitenkraftbeiwert des Luftwiderstands des Fahrzeugs,
Af Fahrzeugstirnfläche.
In Versuchen hat sich gezeigt, daß die Windseitenkraft FW proportional zu dem vom Differenzdruckaufnehmersystem 26 gemessenen Differenzdruck Dp ist.
Der so bestimmte Wert der Windseitenkraft FW ist weitgehend unabhängig vom Schiebewinkel alpha. Um jedoch gute Meßergebnisse zu erhalten, sollten das Differenzdruckaufnehmersystem 26 aus Differenzdruckaufnehmer 22, Druckaufnahmepunkte 18, 19 bzw. Bohrungen 20, 21 und Leitungen 23, 24 (und Steuergerät 15) nach den folgenden Richtlinien des Fahrzeugs 1 angeordnet sein bzw. werden:
  • - Die Druckaufnahmepunkte 18, 19 sollten symmetrisch zur senkrecht verlaufenden Längsebene des Fahrzeugs an dessen Vorderbau, vorzugsweise am linken und rechten Vorderkotflügel (nicht gezeigt) angeordnet sein.
  • - Die Druckaufnahmepunkte 18, 19 sollten derartig am Fahrzeug 1 angeordnet werden, daß sie selbst bei großen Beträgen des Schiebewinkels alpha zwischen Fahrzeugslängsachse und des Summenvektors vRes zwischen dem Fahrgeschwindigkeitsvektor v und dem Windgeschwindigkeitsvektor vW gemäß Fig. 2 nicht in Gebieten abgelöster Luftströmung liegen.
  • - Das Druckaufnehmersystem soll derart abgestimmt sein, daß es die an der Karosserieoberfläche im Bereich der Druckabnahmepunkte 18, 19 auftretenden Druckschwankungen in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis etwa 5 Hz nur unwesentlich verfälscht durch Absorption, Reflexion und Resonanzen aufnimmt.
Bei der Simulation einer Vorbeifahrt eines Fahrzeugs an einer Seitenwindböe hat sich gezeigt, daß sich das Einfahren in eine und das Ausfahren aus einer Seitenwindböe unterschiedlich auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirkt.
Erfindungsgemäß erfaßt daher eine dem Differenzdruckaufnehmer nachgeschaltete Rechenschaltung, die im gegebenen Fall dem Steuergerät 15 zugeordnet ist, aus den Werten des gemessenen Differenzdrucks Dp die Einfahrt des Fahrzeugs in eine und die Ausfahrt aus einer Seitenwindböe, und erzeugt in Abhängigkeit davon ein diese Zustände charakterisierendes Schaltsignal oder entsprechende Entscheidungszustände zur weiteren Veranlassung.
Zur Erfassung des Einfahrens in eine oder des Ausfahrens aus einer Seitenwindböe filtert die Rechenschaltung im Steuergerät 15 die Werte der berechneten Windseitenkraft FW, k oder die erfaßten Werte des Differenzdrucks Dp mit einem Tiefpaß (gefilterte Windseitenkraftwerte FWf,k), beispielsweise entsprechend einem PT₁-Algorithmus oder mittels eines entsprechend wirkenden Tiefpaßfilters und bildet die Differenz
DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|
der Beträge der zum augenblicklichen Zeitpunkt (Rechendurchlauf k) und zum Zeitpunkt der letzten Berechnung (Rechendurchlauf k-1) bestimmten gefilterten Windseitenkraftwerte |FWf,k-1|.
Die Rechenschaltung vergleicht die Differenz DFWf mit einem windseitenkraftabhängigen Schwellwert -Schw * |FWf,k-1| und erkennt ein Einfahren in die Seitenwindböe, sofern die Differenz DFWf der gefilterten Windseitenkraftwerte größer als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist:
DFWf<-Schw * |FWf,k-1|.
Ein Ausfahren aus der Seitenwindböe wird von der Rechenschaltung 15 erkannt, sofern die Differenz DFWf der gefilterten Windseitenkraftwerte kleiner als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist:
DFWf<-Schw * |FWf,k-1|.
Die Tiefpaßfilterung der Windseitenkraftwerte FWf erfolgt vorzugsweise mit einer Eckfrequenz im Bereich von etwa 0,2 Hz.
Mit den so gewonnenen Windseitenkraftwerten und dem Schaltsignal oder dem Entscheidungszustand kann somit die Minimierung des Seitenwindeinflusses auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs betrieben werden.
Zum besseren Verständnis der Wirkung des Seitenwinds auf das Fahrzeug und der Wirkungsweise des Verfahrens bzw. der Vorrichtung werden zunächst an Hand der Fig. 1 die physikalischen Zusammenhänge zwischen Seitenwind und Fahrzeug näher erläutert.
Als Ausgangsgleichungen für den Fall einer Hinterradansteuerung werden das Kräftegleichgewicht in Fahrzeugquerrichtung und das Momentengleichgewicht um eine Fahrzeughochachse durch den Schwerpunkt S des Fahrzeugs 1 formuliert. Diese zwei Gleichungen werden aufgestellt für die Randbedingungen: Vorderachslenkwinkel deltav = 0, Hinterachslenkwinkel deltah ≠ 0.
Die Kräftegleichung quer zur Fahrtrichtung mit den Bezeichnungen in der Fig. 1 lautet:
m * v * (dpsi/dt+dbeta/dt)=Fyv+Fyh-FW, (Gl. 2)
mit:
m Masse des Fahrzeugs,
v Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs,
psi Gierwinkel (Drehung des Fahrzeugs um den Schwerpunkt S),
dpsi/dt Gierwinkelgeschwindigkeit (zeitliche Änderung des Gierwinkels),
beta Schwimmwinkel (Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und der momentanen Bewegungsrichtung des Fahrzeugs,
dbeta/dt Schwimmwinkelgeschwindigkeit (zeitliche Änderung des Schwimmwinkels),
Fyv Seitenkraft an der ersten Achse 2 (Vorderachse),
Fyh Seitenkraft an der zweiten Achse 6 (Hinterachse),
FW Windseitenkraft.
Die Momentengleichung um die Hochachse im Fahrzeugschwerpunkt S kann angesetzt werden zu:
MG=Jz * d²psi/dt²=lv * Fyv-lh * Fyh+(lw-lv) * FW, (Gl. 3)
mit:
MG Giermoment im Schwerpunkt des Fahrzeugs,
Jz Trägheitsmoment des Fahrzeugs um die durch den Schwerpunkt verlaufende Hochachse,
d²psi/dt² Gierwinkelbeschleunigung,
lv Abstand der ersten Achse 2 (Vorderachse) zum Schwerpunkt S,
lh Abstand der zweiten Achse 6 (Hinterachse) zum Schwerpunkt S,
lW Abstand der ersten Achse 2 zum resultierenden Windangriffspunkt (Druckpunkt) D.
Unter der Voraussetzung, daß die Seitenkräfte Fyv und Fyh linear mit den zugehörigen Schräglaufwinkeln betav und betah wachsen, ergibt sich:
Fyv=cv * betav, (Gl. 4)
mit:
cv Schräglaufsteifigkeit an der ersten Achse 2,
betav Schräglaufwinkel (Winkel zwischen Felgenebene und Bewegungsrichtung des Rads) an der ersten Achse 2, und
Fyh=ch * betah, (Gl. 5)
mit:
ch Schräglaufsteifigkeit an der zweiten Achse 6,
betah Schräglaufwinkel (Winkel zwischen Felgenebene und Bewegungsrichtung des Rads) an der zweiten Achse 6.
Unter Voraussetzung kleiner Winkel ergeben sich die Schräglaufwinkel betav und betah zu:
betav=-beta-(lV * (dpsi/dt)/v). (Gl. 6)
betah=-beta+(lh * (dpsi/dt))/v+deltah. (Gl. 7)
Erfindungsgemäß wird nun an der zweiten Achse 6 ein Zusatzlenkwinkel deltaz derart aufgebracht, daß die durch die Windseitenkraft FW bewirkte Gierwinkeländerung (Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt und Gierwinkelbeschleunigung d2psi/dt2) des Fahrzeugs gegen Null geht (dpsi/dt →0, d2psi/dt2→0). Da an der zweiten Achse 6 kein weiterer Lenkwinkel aufgebracht werden soll, insbesondere die zweite Achse 6 vom Fahrer nicht beeinflußt ist, entspricht der mittels des Stellgliedes 11 eingestellte Hinterachslenkwinkel dem Zusatzlenkwinkel: deltah = deltaz.
Durch Reduzieren der Gleichungen bleibt eine Differentialgleichung übrig, die als zeitlich veränderliche Größen nur noch die Windseitenkraft FW und den Hinterachslenkwinkel deltah enthält:
deltah+Tl,g * v * (ddeltah/dt)=Vg * (FW+TD,g * v * (dFw/dt)), (Gl. 8)
mit:
ddeltah/dt Hinterachslenkwinkelgeschwindigkeit (zeitliche Ableitung des Hinterachslenkwinkels deltah),
mit den Koeffizienten:
mit:
l Radstand.
Aus dieser Gleichung ist somit der einzustellende Hinterachslenkwinkel deltah ermittelbar. Da das Steuergerät 15 vorzugsweise auf der Basis eines Digitalrechners realisiert werden soll, welcher aus Aufwands- und auch aus Kostengründen eine vertretbare Rechenleistung aufweisen soll, wird der einzustellende Hinterachslenkwinkel deltah mittels des Digitalrechners numerisch bestimmt, wozu die Differentialquotienten für den Hinterachswinkel ddeltah/dt und dFW/dt durch die Differenzenquotienten
mit:
Ddeltah,k/Dt Differenzenquotient des Hinterachslenkwinkels beim augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritt,
Dt Zeitinkrement bei der Berechnung des Differenzenquotienten (Zeit zwischen zwei Iterationsschritten),
deltah,k Hinterachslenkwinkel zum Zeitpunkt des augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritts,
deltah,k-1 Hinterachslenkwinkel zum Zeitpunkt der letzten Berechnung, (k-1)-ter Berechnungsschritt, und
mit:
DFW,k Differenzenquotient der Windseitenkraft zum Zeitpunkt des augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritts,
FW,k Windseitenkraft zum Zeitpunkt des augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritts,
FW,k-1 Windseitenkraft zum Zeitpunkt der letzten Berechnung
ersetzt werden. Der nunmehr durch das Steuergerät 15 einzustellende Hinterachslenkwinkel deltah ergibt sich im k-ten Rechendurchlauf im Zeitintervall Dt (Berechnungszeitraum oder Programmdurchlaufzeit) zu:
mit:
T1,g, TD,g und Vg: Koeffizienten, siehe Gl. 8,
deltah,k: Hinterachslenkwinkel zum Zeitpunkt des augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritts,
deltah,k-1: Hinterachslenkwinkel zum Zeitpunkt der letzten Berechnung,
FW,k: Windseitenkraft zum Zeitpunkt des augenblicklichen (k-ten) Berechnungsschritts,
FW,k-1: Windseitenkraft zum Zeitpunkt der letzten ((k-1)-ten) Berechnung,
v: Fahrgeschwindigkeit zum augenblicklichen Zeitpunkt.
Diese Gleichung gilt jedoch nur für ein Linearmodell und wenn das Fahrzeug in seiner gesamten Länge vom Seitenwind getroffen wird.
Fahrdynamik-Simulationsberechnungen zeigen, daß die Störung durch einen Seitenwindimpuls aufgrund von Nichtlinearitäten bei ansteigendem Seitenwind anders auszuregeln ist als bei abfallendem Seitenwind. Zusätzlich ist beim Durchfahren einer Windböe die Anströmung des Fahrzeuges kurzzeitig stark instationär.
Aus diesem Grund müssen diese Zustände erkannt und mit unterschiedlichen Hinterachslenkwinkelreaktionen kompensiert werden. Dazu werden die über Gleichung 11 oder 12 einzustellenden Hinterachslenkwinkel je nach Zustand mit unterschiedlichen Parametersätzen T1,g,ein, TD,g,ein oder T1,g,aus berechnet.
Die durch ein PDT1-Verhalten beschriebene Reaktion des Achslenkwinkels auf eine Windseitenkraftanregung ist bei hoher Fahrgeschwindigkeit und mit den hier gültigen fahrzeugspezifischen Konstanten nach maximal 2 Sekunden abgeschlossen. Während dieser Zeit muß der zu Beginn der Anregung geladene Parametersatz im Rechenalgorithmus wirksam bleiben.
Zur Erfassung des Einfahrens in eine und des Ausfahrens aus einer Seitenwindböe werden die Werte der berechneten Windseitenkraft FW, k oder die erfaßten Werte des Differenzdrucks Dp, wie weiter oben beschrieben, mit einem Tiefpaß gefiltert (gefilterte Windseitenkraftwerte FWf, k) und die Differenz der Beträge der zum augenblicklichen Zeitpunkt (Rechenschritt k) und zum Zeitpunkt der letzten Berechnung (Rechenschritt k-1) bestimmten gefilterten Windseitenkraftwerte |Wf,k|,|FWf,k-1| gebildet und mit einem windseitenkraftabhängigen Schwellwert -Schw * |FWf,k-1| verglichen, wobei das Einfahren in die Seitenwindböe erkannt wird, sofern die Differenz
DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|
der gefilterten Windseitenkraftwerte größer als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist:
DFWf<-Schw * |FWf,k-1|.
Das Ausfahren aus der Seitenwindböe wird erkannt, sofern die Differenz
DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1
der gefilterten Windseitenkraftwerte kleiner als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist:
DFWf<-Schw * |FWf,k-1|.
In Fig. 3 ist ein Diagramm zur Bestimmung des Hinterachslenkwinkels gezeigt. Auf der Basis dieses Flußdiagramms kann ein entsprechendes Unterprogramm erstellt und beispielsweise in ein Stellprogramm für eine Hinterachslenkung eingebunden werden.
Nach dem Programmstart, 27, werden zunächst die Eingangsgrößen Differenzdruck Dp und Fahrgeschwindigkeit v ermittelt, 28. Nach Bestimmung der Windseitenkraft FW aus dem Differenzdruck Dp und einem Proportionalitätsfaktor Kp, 29, werden die Windseitenkraftwerte FW mittels eines PT₁-Algorithmus mit einer Glättungskonstante GF exponentiell geglättet, 30, und die Differenz DFWf berechnet, 31.
Es wird geprüft, ob die Differenz der Windseitenkraftwerte DFWf größer als der windseitenkraftabhängige Schwellwert -Schw * |Wf,k-1| ist, 33. Ist dies der Fall, so werden die Parameter zur Bestimmung der Gleichung 11 auf den Parametersatz für Einfahrt in eine Seitenwindböe (TD,g:=TD,g,Ein; T1,g:=T1,g,Ein) gesetzt, 34 und der Hinterachswinkel gemäß Gleichung (Gl. 11) bestimmt, 35 und das Programm beendet, 36.
Ist die Bedingungen 33 nicht erfüllt, so wird der Parametersatz zur Bestimmung des Hinterachslenkwinkels deltah auf den Parametersatz für Ausfahrt des Fahrzeugs aus der Seitenwindböe (TD,g:=TD,g,Aus; T1,g:=T1,g,Aus) gesetzt und wiederum mit dem Programmschritt 35 fortgefahren.
Der exponentielle Glättungsfaktor GF und der Schwellenfaktor Schw werden so gewählt, daß der jeweils andere Parametersatz erst dann geladen wird, wenn eine signifikante Windseitenkraftänderung anliegt, die größer als diejenige ist, die durch hochfrequente Turbulenzen in Windböen hervorgerufen wird.
Der exponentielle Glättungsfaktor GF bestimmt die Tiefpaßgrenzfrequenz f0 und wird mit
GF=1-exp(-2π * f₀ * DT) (Gl. 12)
berechnet, wobei DT das Zeitintervall zwischen (k-1)-tem und k-tem Rechenschritt ist.
In Fig. 4 ist die zeitliche Abhängigkeit der Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt und der aus der Druckdifferenz Dp bestimmten Windseitenkraft FW bei ungesteuertem Hinterachslenkwinkel deltah beim Durchfahren einer Seitenwindböe 42 gezeigt.
Das Fahrzeug durchfährt hierbei zwischen den Zeitpunkten te und ta die Seitenwindböe 42. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, schwingt die Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt nach dem Einfahren in die Seitenwindböe 42 mit relativ hoher Amplitude nach einer Richtung aus, um beim Ausfahren mit einer gewissen Verzögerung entgegengesetzt überzuschwingen.
Wird dagegen der Hinterachslenkwinkel deltah entsprechend dem Verfahren gesteuert, so bleibt die Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt während des Durchfahrens der Seitenwindböe 42 nahezu null, wie dies der Fig. 5 zu entnehmen ist. Der Hinterachslenkwinkel deltah wird hierbei derart gesteuert, daß er den sich sprungförmig ändernden Windseitenkraftwerten entsprechend dem Verhalten eines PDT1- Glieds folgt. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, verhält sich das Fahrzeug bezüglich der Gierwinkelgeschwindigkeit bei gesteuertem Hinterachslenkwinkel deltah sehr ruhig.
Die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Meßgrößen werden durch einen Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz im Bereich von 5 Hz gefiltert.
Die Auswirkungen der Steuerung des Hinterachslenkwinkels wird noch deutlicher, wenn man gemäß Fig. 6 den seitlichen Versatz sv über der Fahrtstrecke s aufträgt. Hierbei fährt das Fahrzeug bei der Wegmarke se in die Seitenwindböe 42 ein und bei der Wegmarke sa aus dieser wieder aus. Das Fahrzeug beschreibt ohne Steuerung des Hinterachslenkwinkels deltah die Bahnkurve 43, mit einem deutlich erkennbaren seitlichen Versatz sv.
Mit der Steuerung nach dem oben beschriebenen Verfahren fährt das Fahrzeug dagegen auf der Bahnkurve 44, womit sich unmittelbar am Ende der Seitenwindböe und insbesondere durch die geringere Kursabweichung des Fahrzeugs im Verlauf des Durchfahrens der Seitenwindböe eine deutlich geringere Kursabweichung und somit auch ein wesentlich geringerer seitlicher Versatz sv ergibt.
Eine Steuerung nach dem oben genannten Verfahren kann ohne Einschränkungen auch an der ersten Achse 2 eingesetzt werden. Hierzu ist das Stellglied 11 so abzuändern, daß es an der ersten Achse 2 wirkt und einem vom Fahrer eingestellten Vorderachslenkwinkel deltav den Zusatzlenkwinkel deltaz überlagert, so daß sich an der ersten Achse 2 der ein Gesamtlenkwinkel deltagv = deltav + deltaz einstellt.
Die Randbedingungen lauten nun: Vorderachslenkwinkel deltav ≠0 und Hinterachslenkwinkel deltah = 0.
Die Gleichungen 6 und 7 nehmen dadurch folgende Form an:
betav=-beta-(lv * (dpsi/dt)/v)+deltah. (Gl. 13)
betah=-beta+(lh * (dpsi/dt)/v). (Gl. 14)
und die Koeffizienten in Gleichung 8 berechnen sich zu:

Claims (25)

1. Verfahren zur Minimierung des Seitenwind- Einflusses auf das Fahrverhalten eines durch einen Fahrzeugführer willkürlich lenkbaren wenigstens zweiachsigen Fahrzeugs (1), wobei gegenüberliegend an den Seiten des Fahrzeugs (1) Druckabnahmepunkte (18, 19) zur Messung des im Bereich der Karosserieaußenhaut anstehenden Luftdrucks angeordnet sind, und mittels eines auf den Differenzdruck (Dp) zwischen den Druckabnahmepunkten (18, 19) beider Fahrzeugseiten ansprechenden Stellglieds (11, 12) an einer Achse gegen den Einfluß des Seitenwinds gerichtete Lenkbewegungen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Stellglieds (11, 12) ein Zusatzlenkwinkel (deltaz) an einer Achse derart eingestellt wird, daß die durch die aus dem durch Messung erfaßten Differenzdruck (Dp) bestimmte auf das Fahrzeug (1) wirkende Windseitenkraft (FW) bewirkte Gierwinkeländerung (Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt, Gierwinkelbeschleunigung d2psi/dt2) des Fahrzeugs (1) gegen Null geht (dpsi/dt→0, d2psi/dt2 →0).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz) durch Lösen der sich aus der Bewegungsgleichung des Fahrzeugs (1) um die durch den Schwerpunkt des Fahrzeugs (1) verlaufende Hochachse (Giermomentgleichgewicht) ergebenden Differentialgleichung des fahrdynamischen Einspur- Linearmodells, mit Gierwinkeländerung (Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt, Gierwinkelbeschleunigung d2psi/dt2) gleich Null (dpsi/dt=0, d2psi/dt2=0) und Windseitenkraft (FW=Kp * Dp; Kp: Proportionalitätsfaktor) proportional zur Druckdifferenz (Dp), ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz) mittels eines Digitalrechners (15) numerisch bestimmt wird, wobei sich der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz, deltaz, k) im k-ten Rechendurchlauf im Zeitintervall (Dt) ergibt zu: mit:
T1,g, TD,g und Vg: Koeffizienten,
deltaz,k: Zusatzlenkwinkel zum augenblicklichen Zeitpunkt,
deltaz,k-1: Zusatzlenkwinkel zum Zeitpunkt der letzten Berechnung,
FW,k: Windseitenkraft zum augenblicklichen Zeitpunkt,
FW,k-1: Windseitenkraft zum Zeitpunkt der letzten Berechnung,
v: Fahrgeschwindigkeit zum augenblicklichen Zeitpunkt,
Dt: Zeitintervall zwischen zwei Iterationsschritten).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfahrt in eine und die Ausfahrt des Fahrzeugs (1) aus einer Seitenwindböe (42) aus den Werten des gemessenen Differenzdrucks (Dp) erfaßt und in Abhängigkeit davon der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz) über die Gleichung (Gl. 11) mit unterschiedlichen Parametersätzen (T1,g,Ein, TD,g,Ein; T1,g,Aus,TD,g,Aus) berechnet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des einzustellenden Zusatzlenkwinkels (deltaz) über die Gleichung (Gl. 11) zumindest so lange mit dem unmittelbar vorher ausgewählten Parametersatz (T1,g,Ein, TD,g,Ein beziehungsweise T1,g,Aus; TD,g,Aus) fortgesetzt wird, wie der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz) als Reaktion auf eine unmittelbar vorausgegangene Änderung der Windseitenkraft (FW) verstellt wird oder wie sich noch keine signifikante Änderung der Windseitenkraft (FW) ergeben hat.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Einfahrens in eine und des Ausfahrens des Fahrzeugs (1) aus einer Seitenwindböe (42) die Werte der berechneten Windseitenkraft (FW,k) oder die erfaßten Werte des Differenzdrucks (Dp) mit einem Tiefpaß gefiltert (gefilterte Windseitenkraftwerte FWf,k) werden und die Differenz (DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|)der Beträge der zum augenblicklichen Zeitpunkt und zum Zeitpunkt der letzten Berechnung bestimmten gefilterten Windseitenkraftwerte (|FWf,k|,|FWf,k-1|) gebildet und mit einem windseitenkraftabhängigen Schwellwert(-Schw * |Wf,k-1| oder -Schw * |FWf,k|)verglichen wird, wobei das Einfahren in die Seitenwindböe (42) erkannt wird, sofern die Differenz(DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|)der gefilterten Windseitenkraftwerte größer als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist(DFWf<-Schw * |FWf,k-1|)und das Ausfahren aus der Seitenwindböe (42) erkannt wird, sofern die Differenz(DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|)der gefilterten Windseitenkraftwerte kleiner als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist(DFWf<-Schw * |FWf,k-1|).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung der Windseitenkraftwerte (FW, k) durch einen Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz im Bereich von 0,2 Hz erfolgt.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) symmetrisch zur senkrecht verlaufenden Längsebene des Fahrzeugs (1) an dessen Vorderbau angeordnet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) am linken und rechten vorderen Kotflügel angeordnet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) derart angeordnet werden, daß sie selbst bei großen Beträgen des Winkels (Schiebewinkel alpha) zwischen Fahrzeuglängsachse und des Summenvektors (vRes) aus Fahrgeschwindigkeitsvektor (v) und Windgeschwindigkeitsvektor (vW) nicht in Gebieten abgelöster Luftströmung liegen.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) auf der Karosserieaußenhaut angebracht werden oder als Bohrungen (19, 20) in der Karosserieaußenhaut ausgeführt werden und zentral zwischen beiden Druckabnahmepunkten (18, 19) ein Differenzdruckaufnehmer (22) angeordnet wird, der mit den beiden Bohrungen (19, 20) über möglichst gleichlange Schläuche oder Rohrleitungen (23, 24) verbunden wird.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckaufnehmersystem (25; 15, 18 bis 24) derart abgestimmt wird, daß an der Karosserieoberfläche auftretende Druckschwankungen in einem Frequenzbereich von 0 Hertz bis zu etwa 5 Hertz vom Differenzdruckaufnehmer (22) nur unwesentlich verfälscht durch Absorption, Reflexion, und Resonanzen aufgenommen wird.
13. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Differenzdruckaufnehmer (22) entnommenes den Differenzdruck repräsentierendes Signal über fahrzeugtypabhängige und druckbohrungslageabhängige Korrekturwerte in eine auf das Fahrzeug (1) wirkende aus dem Seitenwind resultierende Seitenkraft umgewandelt wird.
14. Vorrichtung zur Minimierung des Seitenwind- Einflusses auf das Fahrverhalten eines durch einen Fahrzeugführer willkürlich lenkbaren wenigstens zweiachsigen Fahrzeugs (1), wobei gegenüberliegend an den Seiten des Fahrzeugs (1) Druckabnahmepunkte (18, 19) zur Messung des im Bereich der Karosserieaußenhaut anstehenden Luftdrucks angeordnet sind, und ein auf den Differenzdruck (Dp) zwischen den Druckabnahmepunkten (18, 19) beider Fahrzeugseiten ansprechendes Stellglied (11, 12) an einer Achse (zweite Achse (6) gegen den Einfluß des Seitenwinds gerichtete Lenkbewegungen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (15) das Stellglied (11, 12) für den Lenkwinkel an der Achse (zweite Achse 6, Hinterachslenkwinkel deltah) derart einstellt, daß die durch die aus dem durch Messung mittels eines Differenzdruckaufnehmers (22) erfaßten Differenzdruck (Dp) bestimmte auf das Fahrzeug wirkende Windseitenkraft (FW) bewirkte Gierwinkeländerung (Gierwinkelgeschwindigkeit dpsi/dt, Gierwinkelbeschleunigung d2psi/dt2) des Fahrzeugs gegen Null geht (dpsi/dt→0, d2psi/dt2→0).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (15) mittels eines Digitalrechners aufgebaut ist, welcher den einzustellenden Zusatzlenkwinkel (deltaz) bestimmt zu: mit:
T1,g, TD,g und Vg: Proportionalitätsfaktoren,
deltaz,k: Zusatzlenkwinkel zum augenblicklichen Zeitpunkt,
deltaz,k-1: Zusatzlenkwinkel zum Zeitpunkt der letzten Berechnung,
FW,k: Windseitenkraft zum augenblicklichen Zeitpunkt,
FW,k-1: Windseitenkraft zum Zeitpunkt der letzten Berechnung,
v: Fahrgeschwindigkeit zum augenblicklichen Zeitpunkt,
Dt: Zeitintervall zwischen zwei Iterationsschritten).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (15) aus den Werten des gemessenen Differenzdrucks (Dp) die Einfahrt in eine und die Ausfahrt des Fahrzeugs aus einer Seitenwindböe (42) erfaßt und in Abhängigkeit davon der einzustellende Zusatzlenkwinkel (deltaz) über die Gleichung (Gl. 11) mit unterschiedlichen Parametersätzen (T1,g,Ein, TD,g,Ein; T1,g,Aus; TD,g,Aus) berechnet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät die Berechnung des einzustellenden Zusatzlenkwinkels (deltaz) über die Gleichung (Gl. 1) zumindest so lange mit dem unmittelbar vorher ausgewählten Parametersatz (T1,g,Ein, TD,g,Ein beziehungsweise T1,g,Aus, TD,g,Aus) fortsetzt, wie es den Zusatzlenkwinkel (deltaz) als Reaktion auf eine unmittelbar vorausgegangene Änderung der Windseitenkraft (FW) verstellt oder wie sich noch keine signifikante Änderung der Windseitenkraft (FW) ergeben hat.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (15) zur Erfassung des Einfahrens in eine und des Ausfahrens des Fahrzeugs aus einer Seitenwindböe (42) die Werte der berechneten Windseitenkraft (FW,k) oder die erfaßten Werte des Differenzdrucks (Dp) mit einem Tiefpaß filtert (gefilterte Windseitenkraftwerte FWf,k) und die Differenz (DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1|)der Beträge zum augenblicklichen Zeitpunkt und zum Zeitpunkt der letzten Berechnung bestimmten gefilterten Windseitenkraftwerte (|FWf,k|,|FWf,k-1|) bildet und mit einem windseitenkraftabhängigen Schwellwert (-Schw * |FWf,k-1| oder -Schw * |FWf,k|) vergleicht, wobei das Steuergerät
  • - ein Einfahren in die Seitenwindböe (42) erkennt, sofern die Differenz (DF Wf=|FWf,k|-|FWf,k-1|) der gefilterten Windseitenkraftwerte größer als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist (DFWf<-Schw * |FWf,k-1|) und
  • - ein Ausfahren aus der Seitenwindböe (42) erkennt, sofern die Differenz (DFWf=|FWf,k|-|FWf,k-1L) der gefilterten Windseitenkraftwerte kleiner als der windseitenkraftabhängige Schwellwert ist (DFWf<-Schw * |FWf,k-1|).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung der Windseitenkraftwerte (FWf,k) durch einen Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz im Bereich von 0,2 Hz erfolgt.
20. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) symmetrisch zur senkrecht verlaufenden Längsebene des Fahrzeugs (1) an dessen Vorderbau angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) am linken und rechten vorderen Kotflügel angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) derart angeordnet sind, daß sie selbst bei großen Beträgen des Winkels (Schiebewinkel alpha) zwischen Fahrzeuglängsachse und des Summenvektors (vRes) aus Fahrgeschwindigkeitsvektor (v) und Windgeschwindigkeitsvektor (vW) nicht in Gebieten abgelöster Luftströmung liegen.
23. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahmepunkte (18, 19) als Bohrungen (20, 21) in der Karosserieaußenhaut ausgeführt sind und der Differenzdruckaufnehmer (22) zentral zwischen beiden Druckabnahmepunkten (18, 19) angeordnet ist, der mit den beiden Bohrungen (20, 21) über möglichst gleichlange Schläuche oder Rohrleitungen (23, 24) verbunden ist.
24. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckaufnehmersystem (22, 15, 18 bis 24) derart abgestimmt ist, daß es die an der Karosserieoberfläche auftretenden Druckschwankungen in einem Frequenzbereich von 0 Hertz bis zu etwa 5 Hertz nur unwesentlich verfälscht durch Absorption, Reflexion, und Resonanzen aufnimmt.
25. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Differenzdruckaufnehmer (22) entnommenes den Differenzdruck repräsentierendes Signal über fahrzeugtypabhängige und druckbohrungslageabhängige Korrekturwerte in eine auf das Fahrzeug (1) wirkende aus dem Seitenwind resultierende Seitenkraft umgewandelt ist.
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