DE4338587A1

DE4338587A1 - Verfahren zum Schätzen des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE4338587A1
Application number: DE4338587A
Authority: DE
Inventors: Anthony T Ander; Davorin Hrovat; Craig J Simonds; Lee-Fei Chen
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: DE4338587C2; US5563792A; JPH06199160A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schätzen des Greifverhaltens bzw. der Mitnahmereibung einer Fahrbahn oberfläche gegenüber den Rädern eines darüberfahrenden Kraftfahrzeuges.

Für jeden Fahrer eines Kraftfahrzeuges ist es geläufig, daß beim Fahren über eisglatte Straßen, auf Schnee oder auch auf losem Kies häufig die Schwierigkeit besteht, ein Durch drehen der angetriebenen Räder zu verhindern. Das Durch drehen ist dabei auf den relativ niedrigen Reibungskoeffi zienten zurückzuführen, welcher das Greifverhalten der Räder bzw. die Mitnahmereibung zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche verringert. Es kann deshalb bereits ein geringes Drehmoment, das von der Antriebsmaschine an die angetriebenen Räder angeliefert wird, ein Durchdrehen der Räder bewirken. Wenn dieses Durchdrehen übermäßig groß wird, dann wird das Lenken des Fahrzeuges entsprechend schwieriger, wenn nicht sogar unmöglich.

Es ist bis heute keine Technik bekannt, wie das Greifver halten einer Fahrbahnoberfläche unter einem sich bewegenden Fahrzeug präzise geschätzt werden kann. Eine solche Schät zung ist deshalb entsprechend schwierig, weil sich der Zustand der Fahrbahnoberfläche vorrangig in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit entsprechend rasch verändern kann. Das Greifverhalten muß deshalb auch für ein entspre chend sicheres Lenken des Fahrzeuges ebenso rasch geschätzt werden, wobei es wichtig ist, daß die Schätzwerte in kurzen Zeitabständen aktualisiert werden, um genaue Werte auf einer Realzeitbasis zu erhalten.

In einer Veröffentlichung unter dem Titel "Development of New Control Methods to Improve Response of Throttle Type Traction Control System" ("Entwicklung von neuen Steuerungs methoden zur Verbesserung des Ansprechens für ein Drossel klappen-Mitnahmereibung-Steuerungssystem") von Hiroshi Igata et al, Nachdruck aus "Transmission and Driveline Symposium: Components, Gears and CAE (SP-905)" und mit der Angabe "International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, 24.-28. Februar 1992" zu erhalten als SAE Technical Paper Series No. 920608, wird allein auf den Oberflächen- Adhäsionskoeffizienten zum Erreichen einer verbesserten Steuerung des Durchdrehens der Räder hingewiesen. Auf Seite 4 ist angegeben, daß der Adhäsionskoeffizient wenigstens gleich groß ist wie die Beschleunigung des Fahrzeuges und mit einer Rückbeziehung auf G gemessen werden kann. Auf Seite 5 ist angegeben, daß der berechnete Adhäsionskoeffi zient nicht auf einen niedrigeren Wert revidiert werden sollte, es sei denn, daß der Radschlupf eine vorbestimmte Höhe übersteigt.

Eine Erprobung hat gezeigt, daß ein periodisch aktualisier ter Schätzwert für das Greifverhalten einer Fahrbahnober fläche in einer Realzeit Vorteile gegenüber dieser als bekannt vorausgesetzten Annahme ergibt, daß der Adhäsions koeffizient wenigstens gleich der Beschleunigung des Fahr zeuges in einer gemessenen Rückbeziehung auf G ist. Es hat sich auch erwiesen, daß eine präzise Realzeitschätzung des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche eine bessere Steuerung des Durchdrehens der Räder ergibt.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein Verfahren zum Schätzen des Greifverhaltens bzw. der Mitnahmereibung einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Fahrzeuges vorgeschlagen, mit welchem die Aufgabe gelöst wird, unter Einbeziehung möglichst vieler Parameter, welche das Fahrverhalten des Fahrzeuges bestimmen, einen möglichst präzisen und möglichst ständig aktualisierten Überblick über das Greifverhalten der Fahrbahnoberfläche zu erhalten, über welche das Fahrzeug fährt. Die Aufgabe wird dabei, vorrangig unter Einbeziehung des Fahrverhaltens der angetriebenen und auch der antriebslosen Räder des Fahr zeuges, mit einem verfahren der in den Patentansprüchen angegebenen Ausbildung erfindungsgemäß gelöst.

Die mit den erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Vor teile leiten sich vorrangig ab aus der Ermittlung eines Schlupfbegrenzungssignals in Abhängigkeit von der Erfassung des sog. Radwinkelsignals, welches den Winkel zwischen dem Paar der lenkbaren Räder des Fahrzeuges und der Fahrzeug längsachse angibt, weil damit der Schätzwert für das Greif verhalten einer Fahrbahnoberfläche am einfachsten erfaßt und in einer Real zeit auch ständig aktualisiert werden kann. Für dieses ständige Aktualisieren des Schätzwertes erweist sich dabei die Maßnahme als besonders zweckmäßig, den Wert eines für die Antriebsmaschine ermittelten Dreh momentsignals durch den Wert eines Lastsignals zu teilen, um damit ein Zustandssignal zu erhalten, mit welchem das Greifverhalten periodisch geschätzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemaansicht eines Fahrzeuggestells unter Einbeziehung eines Steuergerätes, mit welchem das Verfahren praktizierbar ist, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur näheren Erläuterung der Arbeits weise des Steuergerätes bei der Schätzung des Reibungskoeffizienten einer Fahrbahnoberfläche unter einem darüber fahrenden Fahrzeug.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 1 ist die Erfindung bevorzugt an einem Kraftfahrzeug 10 mit Vorderradantrieb anwendbar, entlang dessen Lenkachse 12 zwei angetriebene Vorderräder 14, 16 und zwei antriebslose Hinterräder 18, 20 voneinander beabstandet angeordnet sind. Für die Vorderräder 14, 16 ist eine Lenkgruppe 26 mit einem Lenkrad 28 und einer Lenksäule 30 vorgesehen, die mit der Vorderachse 34 über ein Lenkgestänge 32 verbunden ist. Die Vorderachse 34 ist mit Halbachse 36 und 37 ausgebildet, über welche der Antrieb an die Räder 14 und 16 durch ein herkömmliches Differentialgetriebe 40 geliefert wird.

Ein Mikroprozessor 50, der mit einem von der Ford Motor Company hergestellten Steuergerät ausgerüstet sein kann, ist an Sensoren 63 bis 66 angeschlossen, mit denen die Winkelgeschwindigkeit der Räder 14, 16, 18 und 20 erfaßt wird. Ein weiterer Eingang an das Steuergerät 50 wird von einem Meßwertwandler 70 beliefert, welcher an der Lenksäule 30 angeordnet ist und ein Signal proportional zu dem Lenk winkel bzw. dem Lenkausschlag erfaßt, der mittels des Lenkrades 28 an die Vorderräder 14, 16 vermittelt wird.

Eines der beiden angetriebenen Vorderräder 14, 16 ist noch mit einem Drehmomentsensor 74 versehen, der ein Signal proportional zu dem an die Räder angelieferten Antriebsmo ment erzeugt und bei dem es sich um ein Produkt der Firma Lucas Schaevitz Company handeln kann.

Das Steuergerät 50 ist über eine Ausgangsleitung 78 an ein Displaygerät 80 zur Anzeige eines Reibungskoeffizienten angeschlossen. Das Display 80 kann für die Abbildung einer Strichanzeige ausgebildet sein, bspw. in der Form, daß zehn Striche innerhalb eines Bereichs von 0.1 bis 1.0 Einzel stufen von 0.1 ergeben und insgesamt vier Leuchten die Straßenzustände "Eis", "Schnee", "Naß" und "Trocken" angeben. Das Steuergerät 50 ist für eine Aktualisierung der Anzeige resp. des Displays 80 etwa alle 20 Millisekunden programmiert. Bei jedem Aktualisierungszyklus wird von dem Steuergerät 50 ein Rückstellsignal an eine Rückstelleitung gesendet sowie serielle Impulse von 0 bis 10 an eine Datenleitung, die beide an das Display 80 angeschlossen sind. Es können daher die verschiedenen Leuchten für die verschiedenen Straßenzu stände durch die eigene Logik des Displays aktiviert werden, so daß bspw. für "Eis" der Reibungskoeffizient mit einem Wert von 0-0.2 berücksichtigt wird, für "Schnee" mit einem Wert von 0.3- 0.5, für "Naß" mit einem Wert von 0.6-0.7 und für "Trocken" mit einem Wert von 0.8-1.0.

Anstelle des Drehmomentsensors 74 kann für eine Schätzung des an die angetriebenen Räder 14 und 16 gelieferten Dreh moments auch eine Vielzahl anderer bekannter Mikroprozessor- Techniken benutzt werden. Beschreibungen dafür finden sich in den US-PS 3 921 446, 4 680 959, 4 758 967 und 4 985 838.

Das Steuergerät 50 ergibt die einzelnen Verfahrensstufen, die durch das Flußdiagramm der Fig. 2 verdeutlicht sind. In der Stufe 100 wird der Wert eines Drehmomentsignals, welches wenigstens einen Stützwert des an die angetriebenen Räder 14 und 16 gelieferten Drehmoments angibt, in einem Speicher des Steuergerätes 50 gespeichert. Das Drehmomentsignal kann entweder durch den Drehmomentsensor 74 oder durch ein Programm wie vorerwähnt erzeugt werden. Weiterhin wird in dieser Stufe ein Lenkwinkelsignal für den Lenkwinkel des Lenkrades 28 durch den Lenkwinkel-Meßwertwandler 70 erzeugt und ebenfalls in einem dazugehörigen Speicherplatz des Speichers des Steuergerätes 50 gespeichert. Die Geschwindig keitssignale für die Winkelgeschwindigkeit der Räder, die von den Sensoren 63 bis 66 erhalten werden, erfahren eben falls eine Speicherung in diesem Speicher. Daneben wird in dem Speicher noch der Wert für ein Belastungssignal gespei chert, welches einen Schätzwert der Kraft angibt, die durch das dynamische Gewicht des Fahrzeuges 10 während des norma len Arbeitsmodus auf die angetriebenen Räder 14 und 16 ausgeübt wird.

Das Steuergerät 50 erzeugt ein erstes Geschwindigkeitssignal für die Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Räder durch eine Mittelwertbildung der Geschwindigkeitssignale, die von den Sensoren 63 und 64 erhalten werden. Weiterhin wird ein zweites Geschwindigkeitssignal für die Winkelgeschwindigkeit der antriebslosen Räder durch eine Mittelwertbildung der Geschwindigkeitssignale erzeugt, die von den Sensoren 65 und 66 erhalten werden.

In der Stufe 110 wird eine aktuelle Schätzung des Reibungs koeffizienten der Fahrbahnoberfläche vorgenommen, wofür das Steuergerät 50 den Wert des Drehmomentsignals oder genauer den Wert des Zugkraftsignals durch den Wert des Belastungs signals teilt. Das Drehmomentsignal und das Belastungssignal werden von den entsprechenden Werten erzeugt, die in dem Speicher gespeichert sind. Der Wert Mu_temp des von der Teilung resultierenden Signals wird ebenfalls in dem Speicher als ein augenblicklicher, jedoch vorübergehender Schätzwert des Reibungsfaktors der Fahrbahnoberfläche gespeichert. Bei dieser Berechnung handelt es sich ebenfalls um ein wichtiges Merkmal des Verfahrens, um einen genauen Schätzwert des augenblicklichen Reibungskoeffizienten der Fahrbahnober fläche nach der Durchführung der anderen Stufen 120 bis 170 zu erhalten.

In der Stufe 120 wird ein anfänglicher Wert Mu₀ des Reibungs koeffizienten durch eine Einstellung dieses Wertes auf etwa 0.8-0.9 erhalten. Der Bereich des Reibungskoeffizienten beläuft sich bevorzugt auf 0.0-1.0.

In dieser Stufe 120 wird ein Schlupfbegrenzungssignal S₁ für einen vorbestimmten Schlupfwert zwischen den angetriebe nen Rädern und den antriebslosen Rädern berechnet. Das Signal S₁ ist gleich der Summe einer Konstanten und des Wertes des Lenkwinkelsignals von dem Meßwertwandler 70, multipliziert mit einem Faktor, der die Umwandlung des Lenkwinkelsignals in ein Radwinkelsignal einschließt, welches den Winkel zwischen dem lenkbaren Radpaar 14, 16 und der Längsachse 12 angibt. In Fig. 1 ist der Radwinkel mit Wa angegeben.

In der Stufe 120 der Fig. 4 wird ein Radschlupfsignal (Slip) durch Berechnung des absoluten Wertes der Differenz zwischen dem ersten Geschwindigkeitssignal und dem zweiten Geschwindigkeitssignal erzeugt. Das Schlupfsignal ist ein Maß für die Menge bzw. den Betrag des Schlupfes zwischen den angetriebenen Rädern und den antriebslosen Rädern. Die Verwendung des Lenkwinkels in der Stufe 120 ist ebenfalls ein wichtiges Merkmal bei der Zielsetzung, die Genauigkeit des Schlupfbegrenzungswertes zu erhöhen. Der Schlupfbegren zungswert sollte sich ändern, wenn der Fahrer des Fahrzeuges das Lenkrad dreht. Die durch die angetriebenen Räder 14 und 16 erzeugte Zugkraft wird verringert, wenn das Fahrzeug für eine Kurvenfahrt gelenkt wird. Während der Kurvenfahrt wird die Kraft der Räder gegen die Fahrbahnoberfläche in eine Zugkraftkomponente und eine Kurvenkraftkomponente aufgeteilt. Der richtige Wert des Schlupfbegrenzungssignals erhöht sich bei der Kurvenfahrt und wird in der Stufe 120 berechnet.

In der Stufe 130 erzeugt das Steuergerät 50 ein erstes Entscheidungssignal, wenn das Schlupfsignal größer ist als der Wert des Schlupfbegrenzungssignals. Wenn der Wert des Schlupfsignals nicht größer ist als der Wert des Schlupf begrenzungssignals, dann erzeugt das Steuergerät 50 ein zweites Entscheidungssignal.

In Abhängigkeit von dem ersten Entscheidungssignal wird in der Stufe 140 der für den Reibungskoeffizienten gespeicher te Augenblickswert Mu_temp in den Speicherplatz Mu_est über nommen, bei welchem es sich um den Schätzwert des Reibungs koeffizienten der Fahrbahnoberfläche handelt. Auch damit wird die Genauigkeit der Schätzung des Reibungskoeffizien ten verbessert. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß die Schätzung des Reibungskoeffizienten in der Stufe 110 nur dann genau ist, wenn das Schlupfsignal einen vor bestimmten Bereich von Werten in Bezug auf das Schlupfbe grenzungssignal hat. Wenn das Schlupfsignal einen Wert größer als das Schlupfbegrenzungssignal hat, dann ist die Schätzung des vorübergehenden Reibungskoeffizienten aus reichend genau, um die vorhergehend gespeicherte Schätzung (Mu_last-est) zu ersetzen.

In Abhängigkeit von dem zweiten Entscheidungssignal wird durch das Steuergerät 50 ein drittes Entscheidungssignal erzeugt, wenn bei der Stufe 150 ermittelt wird, daß der gespeicherte Schätzwert des vorübergehenden Reibungskoeffi zienten größer ist als die vorhergehend gespeicherte Schät zung des Reibungskoeffizienten. Wenn der Schätzwert Mu_temp des vorübergehenden Reibungskoeffizienten nicht größer ist als die vorhergehend gespeicherte Schätzung (Mu_last-est), dann erzeugt das Steuergerät 50 ein viertes Entscheidungs signal.

In Abhängigkeit von den zweiten und dritten Entscheidungs signalen wird in der Stufe 160 der gespeicherte Wert Mu_est mit dem in der Stufe 110 berechneten Schätzwert des vorüber gehenden Reibungskoeffizienten gleichgesetzt. Hierbei handelt es sich um ein wichtiges Merkmal ebenfalls zur Verbesserung der Genauigkeit der Schätzung. Bei der Erpro bung hat sich gezeigt, daß wenn die Schätzung des vorüber gehenden Reibungskoeffizienten eine Erhöhung erfährt, sich dann auch der aktuelle Wert des Reibungskoeffizienten erhöht, selbst wenn zwischen den angetriebenen und den antriebslosen Rädern kein genügender Radschlupf vorhanden ist, um den Wert des Schlupfsignals gegenüber dem Wert des Schlupfbegrenzungssignals zu vergrößern. Diese Bedingungen können bspw. dann auftreten, wenn sich das Fahrzeug von einer Fahrbahnoberfläche mit einem niedrigeren Reibungsko effizienten zu einer solchen mit einem höheren Reibungsko effizienten bewegt. Es erscheint daher logisch, daß der wirkliche Wert des Reibungskoeffizienten eine Erhöhung erfährt. Als ein Ergebnis davon wird der Reibungskoeffizient, der größer als der zuvor gespeicherte Wert ist, in der Stufe 160 für die neue Schätzung des aktuellen Reibungsko effizienten benutzt.

In Abhängigkeit von den zweiten und vierten Entscheidungs signalen wird in der Stufe 170 der vorhergehende Schätzwert (Mu_last-est) des Reibungskoeffizienten fortgesetzt gespei chert und somit nicht der in der Stufe 110 berechnete Schätzwert. Auch damit wird die Genauigkeit der Schätzung verbessert. Bei einer Erprobung des Systems hat sich gezeigt, daß wenn der Schlupf der angetriebenen Räder in Bezug auf denjenigen der antriebslosen Räder niedriger wird als die in der Stufe 130 berücksichtigten Kriterien und der Schätz wert des vorübergehenden Reibungskoeffizienten nicht größer wird als der vorhergehende Schätzwert, dann der vorhergehen de Schätzwert die beste Schätzung des aktuellen Wertes des Reibungskoeffizienten der Fahrbahnoberfläche ist. Für die Stufe 170 ist daher auch gezeigt, daß hier der früher gespeicherte Schätzwert (Mu_last-est) fortgesetzt gespeichert wird.

Das Steuergerät 50 ist für eine rasche Ausführung aller Stufen programmiert, die in der Fig. 2 gezeigt sind, wobei die Folge dieser Stufen bevorzugt alle 20 Millisekunden wiederholt wird. Auch dadurch ergibt sich eine rasche Berechnung für eine genaue Schätzung des Reibungskoeffi zienten der Fahrbahnoberfläche in einer Realzeit.

Claims

1. Verfahren zum Schätzen des Greifverhaltens bzw. der Mitnahmewirkung einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Kraftfahrzeuges, das ein angetriebenes Radpaar und ein antriebsloses Radpaar aufweist, von denen das eine Paar mittels eines Lenkrades lenkbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

a) periodische Erzeugung einer Vielzahl von Zustands signalen, die das Fahrverhalten des Fahrzeuges ange ben und wenigstens eine Schätzung für das Greifver halten der Fahrbahnoberfläche erlauben;
b) Erzeugung eines ersten und eines zweiten Geschwindig keitssignals, welche die Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen und der antriebslosen Räder angeben;
c) Erzeugung eines Schlupfsignals in wenigstens teil weiser Abhängigkeit von einem Wertunterschied der ersten und zweiten Geschwindigkeitssignale;
d) Erzeugung eines Radwinkelsignals, welches den Winkel zwischen dem Paar der lenkbaren Räder und der Fahr zeuglangsachse angibt;
e) Erzeugung eines Schlupfbegrenzungssignals, welches in Abhängigkeit von dem Radwinkelsignal einen vorbe stimmten Wert des Schlupfes zwischen den angetriebenen und den antriebslosen Räderpaaren angibt; und
f) Speichern eines Wertes für eines der Zustandssignale in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Beziehung zwischen den Werten des Schlupfsignals und des Schlupf begrenzungssignals für eine Realzeit-Schätzung des Greifverhaltens der Fahrbahnoberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Stufe der periodischen Erzeugung einer Vielzahl von Zustandssigna len aus den folgenden Stufen besteht:

a1) Erzeugung eines Drehmomentsignals, welches wenigstens eine Schätzung des an die angetriebenen Räder gelie ferten Drehmoments angibt;
a2) Erzeugung eines Belastungssignals, welches wenigstens eine Schätzung des auf die angetriebenen Räder einwirkenden Gewichts angibt; und
a3) Teilen des Wertes des Drehmomentsignals durch den Wert des Belastungssignals zur Erzeugung eines Zustandssignals.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Schlupf signal proportional zu der Differenz zwischen der Winkel geschwindigkeit der angetriebenen Räder und der Winkel geschwindigkeit der antriebslosen Räder ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Erzeugung des Radwinkelsignals aus den folgenden Stufen besteht:

d1) Erzeugung eines Lenkwinkelsignals, welches den Lenkwinkel des Lenkrades angibt; und
d2) Multiplikation des Wertes des Lenkwinkelsignals mit einem Umwandlungsfaktor, um das Lenkwinkelsignal in das Radwinkelsignal umzuwandeln.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Umwandlungs faktor verschiedene Schlupferfordernisse während des Lenkens des Fahrzeuges angibt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Stufe der Erzeugung des Schlupfbegrenzungssignals die Hinzufügung eines Skalenwertes des Radwinkelsignals zu einer Konstanten umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem ein erstes Entscheidungssignal erzeugt wird, wenn der Wert des Schlupfsignals größer ist als der Wert des Schlupfbegrenzungssignals, und bei welchem in Abhängig keit von diesem ersten Entscheidungssignal ein augen blicklicher Wert des einen Zustandssignals anstelle eines zuvor gespeicherten Wertes desselben gespeichert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem ein zweites Entscheidungssignal erzeugt wird, wenn der Wert des Schlupfsignals kleiner ist als der Wert des Schlupfbe grenzungssignals, sowie ein drittes Entscheidungssignal, wenn der Wert eines aktuellen Zustandssignals größer ist als ein zuvor gespeicherter Wert desselben, und ein viertes Entscheidungssignal, wenn der Wert eines augen blicklichen Zustandssignals kleiner ist als ein zuvor gespeicherter Wert desselben, wobei ein Wert eines augenblicklichen Zustandssignals in Abhängigkeit von den zweiten und dritten Entscheidungssignalen gespeichert und ein zuvor gespeicherter Wert eines Zustandssignals in Abhängigkeit von den zweiten und vierten Entscheidungs signalen beibehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Greifverhalten der Fahrbahnoberfläche durch einen Reibungskoeffizienten angegeben wird und die Zustands signale wenigstens eine Schätzung des Reibungskoeffi zienten der Fahrbahnoberfläche angeben.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Zustandssignal an einem Display abgebildet wird.