DE60202730T2

DE60202730T2 - Fahrzeugsstabilitätsregelungsverfahren unter Verwendung von Reifenseitenkräften, unter Berücksichtigung der Trägheit des Fahrzeugs

Info

Publication number: DE60202730T2
Application number: DE60202730T
Authority: DE
Inventors: Patrick Pallot
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Societe de Technologie Michelin SAS
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: US6859713B2; FR2830824A1; EP1304270A3; EP1304270A2; EP1304270B1; DE60202730D1; US20030093206A1; ATE287811T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Unterstützung der Stabilität eines Fahrzeugs, im allgemeinen Sprachgebrauch auch unter der Bezeichnung "ESP" (Elektronisches Stabilitätsprogramm) bekannt.
Bei den Sicherheitssystemen von Kraftfahrzeugen muss man die Möglichkeit haben, das Verhalten des Fahrzeugs in Echtzeit abschätzen zu können. Dies ist die Basis für Systeme zur Verbesserung der Stabilisierung mit der Bezeichnung ESP. Diese Systeme beruhen zurzeit unter anderem auf der Erfassung der Bewegungen des Fahrzeugs mittels Sensoren zur Messung der Seitenbeschleunigung des Fahrzeugs und zur Erfassung der Gierbewegung des Fahrzeugs.
Wenn das Fahrzeug unter ausreichend sicheren Bedingungen fährt, das heißt, wenn die Stabilität des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt wird, folgt es den Vorgaben des Fahrzeugführers. Wenn der Fahrzeugführer, im Wesentlichen durch Bewegungen des Lenkrades, das Fahrzeug aus den Stabilitätsbedingungen herausführt, so kommt es zum Übersteuern oder zum Untersteuern des Fahrzeugs. Das Fahrzeug steuert heißt, dass es eine Gierbewegung vollführt, und zwar in stärkerem Maße, als dies von dem Fahrzeugführer gewünscht wird (Übersteuerung), oder in geringerem Maße, als von dem Fahrzeugführer gewünscht (Untersteuerung).
Basierend auf einem mathematischen Modell des Reifens und einem mathematischen Modell des Fahrzeugs sowie auf Grundlage der Messwerte, die von den Sensoren, mit denen die Aktionen des Fahrzeugführers (Einschlagwinkel des Lenkrades, Betätigung der Bremsen und des Fahrpedals) aufgenommen werden, und von Sensoren für die Radgeschwindigkeit ausgegeben werden und auf Grundlage der Messwerte bezüglich der Seitenbeschleunigung und der Giergeschwindigkeit berechnet ein ESP-System fortwährend die Kräfte in der Mitte der Räder und schätzt die Haftung auf der Fahrbahn in Abhängigkeit von der Seitenbeschleunigung ab. Außerdem wird durch das ESP-System das Verhalten des Fahrzeugs evaluiert, mit dem von dem Fahrzeugführer gewünschten Verhalten verglichen und korrigiert, wenn sich herausstellt, dass das Fahrzeug seine stabile Bahn verlässt.
Jedoch kann der Einsatz von Reifenmodellen dazu führen, dass eine bestimmte Anzahl von Approximationen in dem Modell gemacht werden muss. Außerdem führt die Tatsache, dass das Steuersystem auf Bewegungen des Fahrzeugs beruht, notwendigerweise dazu, dass man eine A-posteriori-Reaktion hat, was wiederum zur Folge hat, dass die Reaktion erst nach einer gewissen Verzögerung einsetzen kann, die von der Trägheit des Fahrzeugs abhängt. Daraus ergibt sich, dass ein ESP-System, bei dem Zustandsvariablen unter anderem Messwerte von der Seitenbeschleunigung und der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs beinhalten, zunächst die Fahrzeugbewegung erfassen muss, bevor entschieden werden kann, ob die Bewegung noch im Stabilitätsbereich liegt oder nicht, und erst anschließend können die Stellglieder des Fahrzeugs angesteuert werden. Im Übrigen werden bei den gegenwärtigen ESP-Systemen ausschließlich die Bewegungen der Fahrzeugkarosserie beobachtet, ohne die genauen Gründe für den Kontrollverlust exakt zu kennen. Die Karosseriebewegungen ergeben sich aus dem Kontakt zwischen Reifen und. Boden.
Bei dem System wird eine Fahrzeugbewegung, die von der Vorgabe durch den Fahrzeugführer abweicht, erst viel später erkannt, da die Trägheit des Fahrzeugs groß ist, und die Korrektur wird um so schwieriger, je größer die Trägheit ist. Die Stellglieder betreffen momentan im Wesentlichen die Bremsen des Fahrzeugs, wobei sie in diesem Fall Rad für Rad angesteuert werden und dies unabhängig von der tatsächlichen Aktion des Fahrzeugführers geschieht, sowie die Motorleistung, die man automatisch reduzieren kann, indem der Verbrennungsmotor anders angesteuert wird.
Im Übrigen macht die Erfassung der Gierbewegungen den Einsatz von kostspieligen Sensoren notwendig. Außerdem muss bei den aktuellen Systemen eine Abschätzung der Haftung der Räder auf der Straße vorgenommen werden, um die Reaktionsparameter wählen zu können. Diese Abschätzung stimmt mehr oder weniger mit der Realität überein.
Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu umgehen und insbesondere vollständig unabhängig von der Trägheit des Fahrzeugs zu werden, um auf die entsprechenden Stellglieder einwirken zu können, so dass das Fahrzeug eine stabile Bahn einhält, die konform mit den Vorgaben des Fahrzeugführers ist, indem die Stellglieder derart gesteuert werden, dass die realen Kräften im Zentrum jedes Rades den gewünschten Kräften entsprechen.
Erfindungsgemäß wird ein Stabilisierungssteuersystem für ein Fahrzeug sowie ein Stabilisierungssteuerverfahren für ein Fahrzeug vorgeschlagen, die den Vorteil haben, auch unabhängig von dem Gierwinkel des Fahrzeugs eingesetzt werden zu können.
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Karosserie und wenigstens einer vorderen Bodenverbindung und einer hinteren Bodenverbindung, wobei jede Bodenverbindung jeweils ein Rad umfasst, wobei jedes Rad einen Reifen mit oder ohne Luft in Kontakt mit dem Boden umfasst, wobei das Fahrzeug eine Zeitkonstante aufweist, die von seiner Trägheit abhängt und einer zeitlichen Phasenverschiebung beim Auftreten von Führungskräften an den Vorder- und Hinterrädern entspricht, die auf eine Vorgabe des Fahrzeugführers zurückgehen, wobei das Fahrzeug mit Stellgliedern versehen ist, um die Kräfte zu beeinflussen, die durch jedes der Räder auf den Boden ausgeübt werden.
Bei einem Fahrzeug führt das Einschlagen der Räder zu einer Führungskraft vorne, einer Bewegung der Karosserie, dann zu einer Führungskraft hinten. Die Führungskraft an den oder auf die Hinterräder hängt daher mit einer kurzen Verzögerung in Bezug auf die Vorgabe am Lenkrad ab. Zur besseren Bestimmung der Aktionen für die Korrekturen der Bahn wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Verzögerung T zu berücksichtigen, wie es im Folgenden erläutert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

(a) Ermitteln in Echtzeit des realen Wertes einer gewählten Variable aus der Gruppe der seitlichen Führungskraft "Y" und der vertikalen Last "Z", wobei beide auf die Mitte jedes Rades vorne und hinten wirken,
(b) Berechnen in Echtzeit des gewünschten Wertes wenigstens eines Referenzparameters, der mit den realen Werten einer gewählten Variablen korreliert ist, was zu einem Einwirken des Fahrzeugführers auf die Stellglieder führt, wobei die Zeitkonstante berücksichtigt wird,
(c) Vergleichen des gewünschten Wertes mit dem realen Wert, um zu bestimmen, ob der reale Wert mit dem gewünschten Wert vergleichbar ist, und
(d) wenn der Vergleich im Schritt (c) anzeigt, dass der reale Wert nicht mit dem gewünschten Wert vergleichbar ist, Einwirken auf die Stellglieder, um den realen Wert im Wesentlichen mit dem gewünschten Wert vergleichbar zu machen.

Im Folgenden wird ein bevorzugter Aspekt beschrieben, der die spezielle Anwendung der Erfindung auf Fahrzeuge betrifft, bei denen jede Radachse wenigstens zwei Bodenverbindungen umfasst, die jeweils ein Rad beinhalten, wobei die Bodenverbindungen beidseitig einer durch die Mitte des Fahrzeugs verlaufenden Symmetrieebene angeordnet sind. Dies ist der klassische Aufbau eines Personenwagens mit vier Rädern. Jedoch ist die Erfindung genauso gut auch bei Fahrzeugen mit zwei Rädern in einer Ebene, wie Motorrädern, anwendbar, wobei es sich von selbst versteht, dass die Trägheit in diesem Fall sehr viel geringer ist. Jede Bodenverbindung umfasst ein Rad, das im Allgemeinen einen Reifen aufweist oder, und dies soll in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls abgedeckt werden, einen Reifen ohne Luft im Kontakt mit dem Boden. Das Fahrzeug ist mit Stellgliedern ausgestattet, um die Kräfte zu beeinflussen, die durch jedes der Räder auf den Boden ausgeübt werden, beispielsweise Bremsen, Einschlagen der Räder, eventuell selektiv Rad für Rad, Verteilung der Lasten, die durch jedes der Räder getragen werden.
Die Vorgaben des Fahrzeugführers zielen darauf ab, das Fahrzeug in gerader Linie auf einer Bahn zu halten, was auch immer an Störungen aus der Umgebung kommen mag (beispielsweise Böen eines Querwindes, vollständige oder teilweise Veränderung der Haftung des Fahrzeugs), oder sie zielen darauf ab, das Fahrzeug seitlich zu bewegen (Änderung der Fahrspur, um auf der Autostraße zu überholen) oder um einzuschlagen. Was immer die Elemente des Fahrzeugs seien, auf die der Fahrzeugführer einwirkt (ein konventionelles Lenkrad, ein Schalthebel, wie er beispielsweise in EP 0 832 807 dargestellt ist), letztendlich sollen bestimmte seitliche Führungskräfte und bestimmte Änderungen dieser Führungskräfte ausgeübt werden.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in Echtzeit die effektiven Führungskräfte zu erfassen, sie mit den Vorgaben des Fahrzeugführers zu vergleichen, die in Führungskräfte oder Änderungen von seitlichen Führungskräften umgesetzt wurden, und als Folge davon die entsprechenden Stellglieder anzusteuern, die in dem Fahrzeug zur Verfügung stehen. Bei einer ersten Ausführungsform ist diese Variable die seitliche Führungskraft "Y", und der gewünschte Wert des wenigstens einen Referenzparameters im Schritt (b) ist die gewünschte seitliche Führungskraft "Y_gewünscht" in der Mitte von jedem Rad. Genauer gesagt umfasst Schritt (c) das Erfassen eines Differenzsignals, das dem Unterschied zwischen der realen seitlichen Führungskraft "Y" und der gewünschten seitlichen Führungskraft "Y_gewünscht" in Bezug auf Amplitude und Richtung entspricht, und das Ansteuern der Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.
Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform ist die Variable die seitliche Führungskraft "Y", die Stellglieder reagieren auf einen Richtungsbefehl, und der Schritt (a) umfasst die Berechnung in Echtzeit des realen Giermoments, der dem realen Werten der seitlichen Führungskraft "Y" entspricht, und des gewünschten Wertes von wenigstens einem Referenzparameter im Schritt (b), nämlich dem gewünschten Giermoment "M_gewünscht", wobei der Schritt (a) die Messung eines Signals für die Richtungssteuerung in Echtzeit wie auch die Berechnung des gewünschten Giermoments "M_gewünscht" umfasst und in Schritt (c) das gewünschte Giermoments "M_gewünscht" verwendet wird, um dieses mit dem realen Giermoment aus Schritt (a) zu vergleichen. Genauer gesagt umfasst Schritt (c) das Ermitteln eines Differenzsignals, das den Unterschied zwischen dem gewünschten Giermoment "M_gewünscht" und dem realen Giermoment in Bezug auf Amplitude und Richtung beinhaltet, und Schritt (d) umfasst das Ansteuern der Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.
Wenn die Führungskraft an der vorderen Radachse in die Sättigung gelangt, so untersteuert das Fahrzeug damit, da die Kräfte auf Grund der Führungskraft des Vorderradantriebs kleiner als die von dem Fahrzeugführer gewünschten Kräfte sind (die gewünschten Kräfte sind beispielsweise durch die Übersetzung der Aktionen des Fahrzeugführers am Lenkrad oder an anderen, ihm zur Verfügung stehenden Steuerungen festgelegt). Eine Automatik, beispielsweise der Art, wie sie an sich in den gebräuchlichen ESP-Systemen bekannt ist (weitere Automatiken werden im Folgenden genannt werden), ermöglicht es, eine resultierende Kraft auf das Chassis zu ermitteln, die den Wünschen des Fahrzeugführers entspricht und damit die Untersteuerung zu vermeiden hilft.
Wenn dagegen die Führungskraft auf die hintere Radachse als erste in die Sättigung gelangt, so übersteuert das Fahrzeug, da die Kräfte auf Grund der Führungskraft des Hinterradantriebs kleiner als die von dem Fahrzeugführer gewünschten Kräfte sind. Die Automatik macht es möglich, eine resultierende Kraft auf das Chassis zu ermitteln, die den Wünschen des Fahrzeugführers entspricht und daher die Übersteuerung zu vermeiden hilft.
Was bisher erläutert wurde, bezieht sich auf das, was allgemein das stationäre Regime (oder das etablierte Regime) genannt wird. Wenn man ein Übergangsregime betrachtet, das typisch ist für ein plötzliches Manöver (Ausweichmanöver, Spurwechsel), so kann man die Geschwindigkeit bei der Betätigung des Steuerrades als äquivalent zu einem gewünschten Giermoment des Fahrzeugs betrachten. Wenn das reale Drehmoment kleiner als das gewünschte Drehmoment ist, so dreht sich das Fahrzeug nicht ausreichend. Wenn das reale Dreh moment größer als das gewünschte Drehmoment ist, so dreht sich das Fahrzeug zu stark.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform ist die Variable die vertikale Last "Z". Insbesondere hängt das Verhalten der Stellglieder von einer Richtungsvorgabe ab, und der gewünschte Wert wenigstens eines Referenzparameters im Schritt (b) ist die Last "Z_gewünscht" in der Mitte von jedem Rad, wobei das Verfahren die Messung eines Richtungsvorgabesignals und die Berechnung der Lasten "Z_gewünscht" umfasst. Genauer gesagt umfasst der Schritt (c) das Ermitteln eines Differenzsignals, das den Unterschied zwischen realer vertikaler Last "Z" und der Last "Z_gewünscht" in Bezug auf Amplitude und Richtung wiedergibt, und der Schritt (d) umfasst die Steuerung der Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, wenn die Führungskräfte an einer der Radachsen nicht den gewünschten seitlichen Führungskräften entsprechen oder wenn das effektive Giermoment größer als das gewünschte Giermoment ist oder wenn die vertikalen Lasten nicht den gewünschten vertikalen Lasten entsprechen, ein Betätigungssignal an die Stellglieder zu schicken, um das Differenzsignal zu minimieren, ohne dass es notwendig ist, ein derartiges Signal zu erzeugen, ohne dass es notwendig ist, die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs zu messen. Selbstverständlich ist ein derartiges Verfahren kompatibel mit der Messung der Giergeschwindigkeit, insbesondere wenn man redundante Elemente in der Berechnung hinzufügen möchte.
Wie ersichtlich wurde, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Regelung eines Stabilisierungssteuersystems für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das auf den Kräften beruht, die in der Mitte von jedem Rad eines Fahrzeugs angreifen. Tatsächlich übertragen sich die Aktionen des Fahrzeugführers, sei es eine Bremsung, ein Beschleunigen oder ein Verlangsamen über Kräfte (Änderungen von Kräften), die über die Reifen auf den Boden übertragen werden. Solange diese Kraftänderungen mit den Vorgaben des Fahrzeugführers übereinstimmen oder dies nicht tun, kann man daraus schließen, dass sich das Fahrzeug stabil verhält oder dies nicht mehr der Fall ist. Ausgehend von den Bodenkräften hat man die Ursachen für die Bewegungen, die zu erwarten sind. Auf diese Art ist es möglich, die Bahn des Fahrzeugs sehr viel früher zu korrigieren, und bei einem ESP-System oder allgemeiner einem System für die Stabilitätskontrolle erhält man eine Verbesserung durch eine Verfeinerung der Korrektur. Dadurch erhöhen sich die Sicherheit und der Komfort des Fahrers sowie seiner Beifahrer.
Die Abschätzung der Stabilitätskriterien in Echtzeit auf Grundlage der Bodenkräfte macht es möglich, die Stabilitätskontrolle bzgl. der Bahn eines Fahrzeugs zu verbessern, wobei die direkte Messung der Kraft beispielsweise dazu führt, dass die Sättigung der Reifen an jedem der Räder genauer beobachtet werden kann, also die Haftung, indem beobachtet wird, wann die Nicht-Linearität zwischen der entwickelten seitlichen Führungskraft und dem Seitendriftwinkel des betrachteten Reifens wie auch die Nicht-Linearität der entwickelten seitlichen Führungskraft und die auf den Reifen wirkende Last auftritt.
Was zu einem Verlust der Stabilität des Fahrzeugs führt, ist grundsätzlich die Tatsache, dass die Reifen nicht mehr in der Lage sind, die Bahn zu korrigieren, wenn die Bewegung des Fahrzeugs gegeben ist. Was auch immer die Führungskraft sei, die durch die Reifen entwickelt wird, sie kann nie die Trägheitskräfte aufheben. Dies kann zurückzuführen sein auf eine geringe Haftung (Nässe, Glatteis, Schnee, Sand, Blätter auf der Straße), darauf dass der Reifen von dem Fahr zeugführer unter Bedingungen eingesetzt wird, die nicht eingeplant sind (platter oder zu wenig aufgeblasener Reifen), oder darauf dass das Fahrzeug unmittelbar in Bedingungen zu großer Seitendrift hineinkommt, bei denen die physikalischen Grenzen eines oder mehrerer Reifen überschritten werden. Man kann sagen, dass einer oder mehrere der Reifen in die Sättigung gelangt bzw. gelangen.
Man kann die Aufhängungen ausstatten, wie es in der Patentanmeldung JP60/205037 vorgeschlagen wird, so dass man unmittelbar Kenntnis von den longitudinalen Kräften und seitlichen Kräften erhält, die durch den Reifen entwickelt werden, und zwar durch Messungen in den Aufhängungen. In einer Abwandlung wird der Reifen selbst mit Sensoren für die Kräfte des Reifens auf dem Boden versehen. Man kann beispielsweise eine Messung vornehmen, wie es in dem Patent DE 39 37 966 erläutert wird oder in dem Patent US 5 864 056 oder dem Patent US 5 502 433 gelehrt wird.
Auf Grundlage der gemessenen Kräfte, die man mit dem einen oder anderen oben genannten Verfahren erfasst hat, sowie auf der Grundlage von Gleichgewichtsgleichungen bezüglich der Verbindung mit dem Boden kann man die Kräfte in der Mitte von jedem Rad leicht berechnen. Man erhält so in Echtzeit die drei Kräfte X, Y und Z, womit es insbesondere möglich wird, das Y- oder Z-Signal für die Bedürfnisse so aufzuarbeiten, wie es in der vorliegenden Schrift erläutert wird.
Die Erfindung erstreckt sich außerdem auf ein System zur Stabilitätskontrolle eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Karosserie und wenigstens eine vordere Bodenverbindung und eine hintere Bodenverbindung umfasst, wobei jede Bodenverbindung jeweils ein Rad umfasst, wobei jedes Rad einen Reifen mit oder ohne Luft in Kontakt mit dem Boden umfasst, wobei das Fahrzeug eine Zeitkonstante auf weist, die von seiner Trägheit abhängt und einer zeitlichen Phasenverschiebung beim Auftreten von Führungskräften an den Vorder- und Hinterrädern entspricht, die auf eine Vorgabe des Fahrzeugführers zurückgehen, wobei das Fahrzeug mit Stellgliedern versehen ist, um die Kräfte zu beeinflussen, die durch jedes der Räder auf den Boden ausgeübt werden. Das System umfasst außerdem:

(a) Einrichtungen zum Erfassen in Echtzeit des realen Wertes einer Variablen, die zu der Gruppe der seitlichen Führungskraft "Y" und der vertikalen Last "Z" gehört, wobei beide in der Mitte jedes der Räder vorne und hinten angreifen;
(b) eine Steuerung, mit der ausgehend von Vorgaben des Fahrzeugführers und unter Berücksichtigung der Zeitkonstante in Echtzeit der gewünschte Wert wenigstens eines Referenzparameters berechnet werden kann, der mit den Werten einer gewählten Variablen korreliert sein kann, wobei es die Steuerung ermöglicht, Vergleiche zwischen dem gewünschten Wert und dem realen Wert vorzunehmen, um ein Differenzsignal zu erzeugen;
(c) Einrichtungen zum Einwirken auf die Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.

Gemäß den verschiedenen Aspekten kann, wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs erläutert, die Variable die reale seitliche Führungskraft "Y" sein, wobei in diesem Fall der Referenzparameter die gewünschte seitliche Führungskraft "Y_gewünscht" ist oder das gewünschte Giermoment "M_gewünscht" ist, oder die Variable kann die reale vertikale Last "Z" sein, und der Referenzparameter ist die gewünschte vertikale Last "Z_gewünscht".
Die Erfindung wird im Folgenden im Einzelnen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein zweirädriges Fahrzeug.
3a zeigt schematisch ein vierrädriges Fahrzeug.
3b ist die Seitenansicht eines vierrädrigen Fahrzeuges.
3c ist die Frontansicht eines vierrädrigen Fahrzeugs:
4 zeigt die linearisierte Steifigkeitskurve der Seitendrift.
5a, 5b, 5c zeigen die Kräfte, die sich bei einem sinusförmigen Bremsmanöver mit steigender Amplitude auf feuchtem Boden bei 90 km/h ergeben.
6a, 6b, 6c zeigen die Kräfte, die sich bei einem sinusförmigen Bremsmanöver mit steigender Amplitude auf feuchtem Boden bei 90 km/h für ein Fahrzeug ergeben, das mit einer verteilten Stabilisatoreinrichtung ausgestattet ist.
7 zeigt die Unterschiede der Bahnen bei einem Fahrzeug mit Steuerung (Ziffer 2) und einem Fahrzeug ohne Stabilisatorsteuerung (Ziffer 1) bei einem Manöver mit einem sinusförmigen Bremssignal mit steigender Amplitude auf feuchtem Boden bei 90 km/h.
8 zeigt die Stabilisatoreinrichtung zur Stabilisierung des Fahrzeugs.
Die 9a, 9b, 9c zeigen die resultierenden Kräfte bei einem Ausweichmanöver auf feuchtem Boden bei 90 km/h, was zu einer Destabilisierung des Fahrzeugs führt.
Die 10a, 10a, 10c zeigen die resultierenden Kräfte bei einem Ausweichmanöver auf feuchtem Boden bei 90 km/h bei einem Fahrzeug, das mit einer Stabilisatorsteuerung ausgestattet ist.
11 zeigt die Unterschiede der Bahnen zwischen einem Fahrzeug mit Steuerung (Ziffer 2) und einem Fahrzeug ohne verteilte Stabilisatorsteuerung (Ziffer 1) bei einem Ausweichmanöver auf feuchtem Boden mit 90 km/h.
12 zeigt die Stabilisatorverteilung zur Stabilisierung des Fahrzeugs.
Man kann von der Beobachtung ausgehen, dass man bei einer gegebenen Geschwindigkeit einen Winkel des Lenkrades, der auf den Fahrzeugführer zurückgeht, als Anforderung von seitlichen Führungskräften oder Lasten oder als eine Anforderung von Giermoment des Fahrzeugs interpretieren kann. Dies ist schematisch in dem oberen Teil in 1 dargestellt. Im Übrigen hat man gesehen, dass es für die Umsetzung dieser Erfindung erforderlich ist, die realen Führungskräfte zu messen (seitliche Führungskräfte der Reifen oder der elastischen Bereifung, die für die Verbindung mit dem Boden verwendet werden). Dies ist in dem vom "Fahrzeug" aus linken Block in 1 gezeigt. Für den Fall, dass man die Verteilung der Lasten beeinflussen möchte (es folgen weitere Erläuterungen unten, die den Effekt auf den Giermoment der Verteilung der Lasten betreffen), ist es notwendig, Messungen der realen Lasten vorzusehen.
Die Darstellung in 1 enthält mehrere Verfahren: entweder interpretiert man die Aktionen des Fahrzeugführers zu einem gegebenen Zeitpunkt und die vorangegangen als Anforderung seitlicher Führungskräfte, die man mit den gemessenen seitlichen Führungs kräften in der Mitte des Rades vergleicht, oder man interpretiert die Aktionen des Fahrzeugführers und die vorangegangenen als Anforderung von Laständerungen, die man mit den in der Mitte des Rades gemessenen Lasten vergleicht, oder man interpretiert die Aktionen des Fahrzeugführers als Anforderung von Giermoment, und man transformiert die in der Mitte des Rades gemessenen seitlichen Führungskräfte in ein gemessenes Giermoment, um den erforderlichen Vergleich durchzuführen. Die durch einen Komparator ermittelten Differenzen machen es möglich, dass durch eine Steuerung die notwendige Korrektur erfolgt, indem die Stellglieder beeinflusst werden, um das Fahrzeug zu stabilisieren und es den Vorgaben des Fahrzeuglenkers folgen zu lassen.
Bei einem Fahrzeug führt das Abbremsen von Rädern zu einer Führungskraft auf die vordere Achse, eine Bewegung der Karosserie folglich auf eine Führungskraft auf die Hinterachse. Die Führungskraft auf die Hinterachse greift also gegenüber der Vorgabe am Lenkrad mit einer kleinen Verzögerung an. Um die Aktionen zur Korrektur der Bahn besser bestimmen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Verzögerung zu berücksichtigen.
Die Vorgabewerte für die Kräfte hängen also von der Aktion bezüglich der Vorgabe für die Abbremsung zum gegenwärtigen Zeitpunkt t sowie von dem Zeitpunkt t minus der Verzögerung ab, die mit der Trägheit des Fahrzeugs zusammenhängt (und mit T bezeichnet wird). Diese Verzögerungszeit hängt nur von den Eigenschaften des Fahrzeugs (Trägheit, Radstand) sowie der Steifigkeit gegenüber der Seitendrift des Reifenaufbaus ab. Ein Ausdruck für diese zeitliche Verzögerung ist:
wobei V die momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
I_Fahrzeug die Trägheit des Fahrzeugs gegenüber Gieren ist (auch als Iz bezeichnet),
L1 der Abstand der Vorderachse vom Schwerpunkt ist,
L2 der Abstand der Hinterachse vom Schwerpunkt ist,
D_v, D_h, die Steifigkeiten der Vorder- bzw. Hinterachsen gegenüber Seitendrift (Summe der Seitendriften der Reifen derselben Achse) ist.
Es werde angenommen, dass die entsprechenden Kräfte des Vorderantriebs geringer sind als die Kräfte, die von dem Fahrzeugführer angefordert werden (und sich bei der Umsetzung der Aktionen des Fahrzeugführers ergeben). Eine Automatik ermöglicht es, dass eine resultierende Kraft auf das Fahrzeugchassis, die mit den Wünschen des Fahrzeugführers übereinstimmt, ermittelt wird und auf diese Art sichergestellt wird, dass eine Untersteuerung vermieden wird.
Unter den verschiedenen Stellgliedern, die betätigt werden können, befinden sich natürlich die Bremsen. Als eine Variante oder eine Alternative zur Betätigung der Bremsen ist es möglich, über die Betätigung einer zusätzlichen Lenkeinrichtung, die beispielsweise einen Schrittmotor ohne Rücklauf umfasst, der in das Lenkgetriebe eingebaut ist, die resultierenden Kräfte, die auf das Chassis wirken, je nach Wunsch des Fahrzeugführers anzunähern. Eine weitere Möglichkeit für die Umsetzung der Betätigung einer Lenkeinrichtung besteht beispielsweise darin, entsprechende Befehle an eine Steuerung zu schicken, wie sie in dem Patent US 5 884 724 beschrieben ist.
Als Alternative oder zusätzlich zur Betätigung der Bremsen oder der Lenkung, die oben erwähnt wurde, wird es durch eine Betätigung der Stabilisatoreinrichtung zwischen Vorderachse und Hinterachse außerdem möglich, über die Vorder- und Hinterachsen auf die jeweils entwickelten Führungskräfte einzuwirken. Dies beinhaltet das Modifizieren der Last an jedem Rad, indem man die Verteilung der (unveränderten) Gesamtlast zwischen den Rädern modifiziert, wobei der Lasttransfer auf die äußeren Räder beim Lenken vollständig berücksichtigt wird.
Wenn ein Fahrzeug die von dem Fahrzeugführer gewünschte Bahn verlässt, so tritt der Fall ein, dass einer oder mehrere der Reifen nicht mehr in der Lage sind, die zusätzliche seitliche Führungskraft zu entwickeln, die notwendig wäre, um die Trägheitskräfte zu kompensieren. Man kann sagen, dass der oder die Reifen in die Sättigung gelangt sind. Dieses Phänomen der Sättigung betrifft zu Beginn über den größten Teil der Zeit einen einzigen Reifen einer einzigen Achse. Auf Grund dieser Tatsache verliert eine der Achse die Fähigkeit, die erwartete seitliche Führungskraft zu entwickeln, und das Fahrzeug übersteuert oder untersteuert, je nach Sättigung der betreffenden Hinterachse oder Vorderachse.
Im Übrigen ist bekannt, dass beim Lenken die Zentrifugalkraft die Außenreifen beim Lenken überlastet. Die Verteilung dieser Überlastung zwischen Vorderachse und Hinterachse hängt von den Stabilisatoreigenschaften der Fahrzeugaufhängung ab.
Indem man den Teil der Stabilisatorkraft verringert, der durch die Achse mit dem Reifen erzeugt wird, bei dem die seitliche Führungskraft als erste in die Sättigung geht, macht man es nicht nur für den anderen Reifen derselben Achse möglich, eine seitliche Führungskraft zu entwickeln, die größer ist, da eine vertikale Last größer ist, sondern man nähert sich auch der oder erreicht sogar die Sättigung eines Reifens bei einer anderen Achse, so dass man die seitlichen Führungskräfte, die bei der anderen Achse erzeugt werden, um diesen Teil limitiert oder reduziert.
Wenn dagegen die Führungskraft der Hinterachse als erste in die Sättigung gelangt, so wird das Fahrzeug übersteuern, da die Kräfte der Führungskraft beim Hinterantrieb geringer sind als die von dem Fahrzeugführer gewünschten Kräfte. Eine automatisierte Betätigung der Bremsen oder der zusätzlichen Lenkeinrichtung oder der Stabilisatoreinrichtung macht es möglich, dass eine resultierende Kraft auf das Chassis wirkt, die den Wünschen des Fahrzeugführers entspricht und daher dazu beiträgt, die Übersteuerung zu vermeiden.
In 2 ist ein zweirädriges Fahrzeug auf die übliche Art vereinfacht dargestellt, in der auch Fahrzeuge mit vier Rädern modelliert werden. Dargestellt ist der Schwerpunkt CG des Fahrzeugs, dargestellt ist die Längsachse desselben, die die Vorderachse (eingeschlagen) und die Hinterachse verbindet und die durch den Schwerpunkt verläuft (Achse CGx). Die Summe der seitlichen Führungskräfte Yv, Yh, die auf die Räder jeder Achse, um die es geht, wirken, ist in der Mitte jeder Achse angeordnet. Dargestellt sind der Winkel δ, der den Geschwindigkeitsvektor mit der Längsachse des Fahrzeugs einschließt, und die Gierrate Ψ des Fahrzeugs um die vertikale Achse des Fahrzeugs. Der Abstand zwischen der Vorderachse (und entsprechend der Hinterachse) und dem Schwerpunkt CG ist mit I₁ (bzw. I₂) bezeichnet. Aus einem derartigen Schema lassen sich bereits interessante Ergebnisse ableiten.
Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, Rad für Rad die Kräfte am Boden zu berücksichtigen, um genauere Korrekturbetätigungen an dem Pfad vornehmen zu können. In der Mitte einer Achse wird es durch Vergleich der Führungskräfte bei jedem Rad und der gewünschten Führungskräfte möglich, den Grund der Sättigung des Gesamtaufbaus der Achse exakt zu bestimmen und so Korrekturen zu wählen, die effizienter sind.
In 3a ist schematisch ein vierrädriges Fahrzeug gezeigt, das den Schwerpunkt CG hat. Weder der Winkel δ, der den Geschwindigkeitsvektor in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs einschließt, noch der Gierwinkel Ψ sind dargestellt, um die Figur nicht zu überladen. Das Modell mit vier Rädern kommt dem Fahrzeug in dem Sinne näher, dass hier die Kräfte auf die Mittelpunkte der vier Räder berücksichtigt werden und der Transfer der Last seitlich in Zusammenhang mit dem Schlingern des Fahrzeugs bei der Steuerung berücksichtigt wird. Das Modell mit vier Rädern ist daher vollständiger als das Modell mit zwei Rädern und gibt die Betätigung des Lasttransfers auf die Dynamik des Fahrzeugs genauer wieder. Die Lasten auf jedem der vier Räder sind als Zp1, Zp2, Zp3, Zp4 dargestellt. Die seitlichen Führungskräfte (oder Seitenkräfte) treten bei jedem der Räder auf und sind durch die Bezugsziffern Yp1, Yp2, Yp3, Yp4 bezeichnet.
In 3b ist die Drehachse R des Fahrzeugs, die Höhe h des Schwerpunktes CG über dem Boden, die Höhe h₁ der Drehachse R über dem Boden in der vertikalen Ebene durch die Mitte der Kontaktbereiche der Reifen der Vorderachse mit dem Boden und die Höhe ha der Drehachse über dem Boden in der vertikalen Ebene durch die Mitte der Kontaktbereiche der Reifen der Hinterachse mit dem Boden dargestellt. Das Modell mit vier Rädern basiert auf der Annahme, dass eine aufgehängte Masse MS auf zwei Achsen ruht. Diese aufgehängte Masse hat die Möglichkeit, sich um die Drehachse R zu drehen.
In 3c ist das Übersteuerungsmoment des Fahrzeugs gezeigt, das durch den Lasttransfer in der seitlichen Richtung K₁ und K₂ bewirkt wird, womit die Stabilisatorsteifigkeit bezüglich der Vorderachse bzw. der Hinterachse bezeichnet wird. In der Darstellung bezeichnet "v1" die Breite der Spur des Fahrzeugs vorne und "v2" die Breite der Spur des Fahrzeugs hinten.
Die Überwachung der vier Stützpunkte und der Differenzsignale, die zwischen den gewünschten Führungskräften erzeugt werden, wie auch die realen Führungskräfte ermöglichen es, die vier Stützpunkte zu optimieren, indem man auf geeignete Art und Weise auf die Stellglieder einwirkt, wie es im Folgenden erläutert werden soll.
Die Regeln für die Steuerung der Stellglieder, die hier beschrieben wurden, sind schematisch als Block "Steuerung" in 1 dargestellt, durch den das oder die "Stellglieder" angesteuert werden, die hier in Frage stehen.
Die obigen Absätze beziehen sich darauf, was allgemein als stationärer Zustand (oder stabiles Regime) bezeichnet wird. Wenn man einen typischen Übergangszustand bei einem plötzlichen Manöver (Ausweichen, Spurwechsel) betrachtet, so kann man die Geschwindigkeit, mit der das Steuerrad betätigt wird, als äquivalent zu dem gewünschten Giermoment des Fahrzeugs ansehen. Wenn das tatsächliche Giermoment kleiner als das gewünschte Giermoment ist, dreht sich das Fahrzeug nicht ausreichend. Wenn das tatsächliche Giermoment größer als das gewünschte Giermoment ist, so dreht sich das Fahrzeug zu stark. Die Steuerung beeinflusst in geeigneter Art und Weise eine oder mehrere der möglichen Betriebseinrichtungen, einschließlich der Bremsen, oder eine zusätzliche Lenkeinrichtung oder das Stabilisatorsystem, so dass dadurch ein Giermoment auf das Fahrzeugchassis entsprechend den Wünschen des Fahrzeugführers ausgeübt werden kann.
Folgende konventionelle Ausdrücke werden hier verwendet:
Gewünschte Führungskraft an der Vorderachse: Y_vgewünscht,
gewünschte Führungskraft an der Hinterachse: Y_hgewünscht,
gewünschte Führungskraft an den Reifen: Yp_1,2,3,4gewünscht,
Last, die bei jedem Reifen gewünscht wird: Zp_1,2,3,4gewünscht,
gewünschtes Giermoment: M_zgewünscht,
Ψ Gierwinkel des Fahrzeugs,
δ Seitendriftwinkel des Fahrzeugs,
α_c Lenkwinkel eines Rades,
γt Seitenbeschleunigung,
D_1,2,3,4 Steifigkeiten der Reifen gegenüber Seitenschlupf,
D_v und D_h Steifigkeiten der Vorderachse und der Hinterachse gegenüber Seitenschlupf.
Im Folgenden wird ein zweirädriges Fahrzeug betrachtet (siehe 2).
Die Gleichungen für dieses Zweirad sind: Mγ1 = MV(δ • + ψ •) = Yv + Yh (1),wobei M die Masse des Fahrzeugs ist, V die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist, Y_v die seitliche Führungskraft auf die Vorderachse, Y_h die seitliche Führungskraft auf die Hinterachse ist, wobei die Gleichung (1) ausdrückt, dass die seitlichen Führungskräfte die seitliche Beschleunigung aufheben, IZψ •• = l1Yv – l2Yh (2),wobei I_Z die Gierträgheit ist, I₁ der Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt, I₂ der Abstand zwischen der Hinterachse und dem Schwerpunkt ist, wobei die Gleichung (2) das Gleichgewicht der Momente ausdrückt.
Die Bewegung des starren Körpers des zweirädrigen Fahrzeugs und die Lenkung der Räder der Vorderachse macht es möglich, dass der Seitenschlupf der Vorder- und Hinterräder wie folgt ausgedrückt werden kann:
Die Größe I₁ (bzw. I₂) ist der Abstand der Vorderachse (bzw. Hinterachse) zum Schwerpunkt CG des Fahrzeugs. Die Geometrie des Fahrzeugs ist in der 2 dargestellt.
Der Seitenschlupf der Reifen hat als Kräfte die Führungskräfte bei dem Zweirad zur Folge: Yv = –Dvδ (5) Yh = –Dhδh (6)
Indem man die Gleichungen (3) und (4) in (5) und (6) einsetzt, erhält man:
Indem man die Gleichungen (7) und (8) in die Gleichungen (1) und (2) einsetzt, erhält man ein System, das nur von der Giergeschwindigkeit (und deren Ableitung) abhängt, dem Seitenschlupfwinkel (und seine Ableitung) und von Fahrzeugeigenschaften:
Durch eine Laplace-Transformation kann man die Transferfunktionen zwischen Geschwindigkeit beim Gieren und dem Winkel des Lenkrades und zwischen dem Seitenschlupf des Gehäuses und dem Winkel beim Lenkrad ausdrücken. Der statische Teil (das heißt der Teil mit Bezug auf eine Frequenz null) wird bei dieser Transferfunktion dann einfach als Funktion der Eigenschaften des Fahrzeugs (Proportionalitätsfaktor) und der Geschwindigkeit nach vorne ausgedrückt:
Diese Ausdrücke lassen sich vereinfachen, indem man eine Größe Vc einführt, genannt kritische Geschwindigkeit, die vergleichbar mit ei ner Geschwindigkeit ist und von den Eigenschaften des Fahrzeugs (von der Vorderachse getragene Masse M_v, von der Hinterachse getragene Masse M_h, Abstände l₁ und l₂) wie auch vom Reifenaufbau abhängt:
Die Formeln (9) und (10) ergeben:
Diese Ausdrücke können erneut in die Gleichungen (3) und (4) eingesetzt werden und dann in die Gleichungen (5) und (6), um die Kräfte zu ergeben, die von dem Fahrzeugführer gewünscht werden:
Es ist ersichtlich, dass die Formeln die Tatsache ausdrücken, dass die Forderung nach seitlichen Führungskräften auf Grund von Tätigkeiten des Fahrzeugführers nur von der Vorgabe (α_c) selbst sowie von der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und weiteren Parametern abhängt, die ihrerseits alle von dem Fahrzeug selbst abhängen (das heißt, die das Fahrzeug beschreiben).
Schließlich erhält man durch Ableiten der Gleichung (9) und Multiplizieren der Gierbeschleunigung mit der Gierträgheit das gewünschte Giermoment Mz:
Desgleichen wird mit der Formel (14) die Tatsache ausgedrückt, dass die Anforderung an das Giermoment auf Grund der Aktionen des Fahrzeugführers nur von der Vorgabe (α_c) selbst sowie von der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und weiteren Parametern abhängt, die ihrerseits alle vom eigentlichen Fahrzeug abhängig sind (das heißt, das Fahrzeug beschreiben).
Man kann sogar die Änderungen der Vorgaben am Lenkrad umformulieren als Anforderungen in Bezug auf Änderungen der Kräfte beim Antrieb:
Die Vorgabe zum Zeitpunkt t hängt von der Lenkvorgabe zum Zeitpunkt t – T ab. Diese Verzögerung, die mit der Gierträgheit des Fahrzeugs zusammenhängt, erscheint als Zeitkonstante für das Fahrzeug in Gleichung (2a).
Die Zeitkonstante für die Gierbewegung beträgt daher:
Es wird angenommen, dass man die seitlichen Führungskräfte Y zu jedem Zeitpunkt und bei allen Rädern messen kann, wobei die Änderungen der genannten Führungskräfte Y und die Änderungen des Winkels am Lenkrad ebenfalls gemessen werden können. Es wird vorgeschlagen, ein System zur Steuerung der Bahn zu aktivieren, sobald die Differenz zwischen den gewünschten Kräften und den tatsächlich gemessenen Kräften zu groß wird. Das Stabilitätskriterium, das Teil des Vorschlags ist, spiegelt die Tatsache wider, dass das Fahrzeug solange stabil bleibt, wie diese Differenz klein ist (Gleichsetzung von Wunsch des Fahrzeugführers und Wirklichkeit).
Bei diesem Stabilitätskriterium wird die Tatsache berücksichtigt, dass die Führungskraft des Reifens in die Sättigung kommt, entweder weil sich der Reifen nicht länger in gerader Linie mit der Seitendrift befindet, oder weil sich der Reifen nicht länger in gerader Linie mit der darauf wirkenden Last befindet. Um diese doppelte Sättigung besser erfassen zu können, wird angenommen, dass sich der Reifen in gerader Linie sowohl mit der Last als auch mit der Seitendrift befindet. Diese Linearisierung ist in 4 dargestellt. Dargestellt ist eine reale Kurve, die als durchgezogene Linie dargestellt ist und den Wert der Steifigkeit eines Reifens in Abhängigkeit von der Last, die auf den Reifen wirkt, wiedergibt, und die gestrichelte Linie, die gemäß der angenommenen Linearisierung aufgetragen wurde, gibt den Wert der Steifigkeit eines Reifens in Abhängigkeit von der auf den Reifen wirkenden Last wieder. Es ist ersichtlich, dass der Unterschied gegenüber der Wirklichkeit umso größer wird, je mehr man sich dem Sättigungspunkt (der Lastsättigung) des Reifens nähert. Im Übrigen sollte das lineare Modell, das die entsprechende Steifigkeit des Reifens in Bezug auf die Last wiedergibt, zu Ergebnissen führen, die vergleichbar dem tatsächlichen Zustand in der Nähe des Arbeitspunktes sind, so dass ein System in normalen Fahrsituationen nicht aktiviert wird (siehe den Schnittpunkt der durchgezogenen und der gestrichelten Kurve). Die vorgeschlagene Lösung besteht darin, einen Reifen durch ein theoretisches Modell wiederzugeben, bei dem die Steifigkeit linear ist (gestrichelt gezeichnet) und tangential zu einer realen Steifigkeitskurve am statischen Arbeitspunkt M_v g/2 verläuft, das heißt ohne Lasttransfer.
Durch Linearisieren des Ausdrucks für die Steifigkeit eines Reifens erhält man für die Vorderachse:
wobei ∂D/∂Z die Empfindlichkeit der Steifigkeit gegenüber Lasttransfer in der Nähe der statischen Last M_v g/2 ist. Diese Empfindlichkeit wird vorne mit A1 und hinten mit A2 bezeichnet. D_1,0 ist die Steifigkeit des Reifens vorne bei statischer Last M_v g/2.
Die Steifigkeit eines Reifens vorne ist der Art nach:
Die Steifigkeit eines Reifens hinten ist der Art nach:
Desgleichen wird die Aufhängung in einem Modell durch lineare Abhängigkeiten wiedergegeben, wodurch Lasttransfers in einem permanenten Regime wiedergegeben werden. Die hier verwendeten Notationen beschreiben die Aufhängungen wie folgt:

Ms: Aufhängungsmasse des Fahrzeugs,
K1: Steifigkeit der vorderen Stabilisatorstange,
K2: Steifigkeit der hinteren Stabilisatorstange,
h1: Höhe des Stabilisatormittelpunkts der Vorderachse,
h2: Höhe des Stabilisatormittelpunkts der Hinterachse,
h: Höhe des Schwerpunkts,
V1: Spur des Vorderantriebs,
V2: Spur des Hinterantriebs.

Diese Bezeichnungen finden sich in den 3a, 3b, 3c.
Mit den Ausdrücken für die gewünschten Führungskräfte und unter Verwendung des linearen Modells für die Aufhängung ergibt sich für den erhofften Lasttransfer auf die Achse 1:
Darüber hinaus verzögern sich die Bewegungen der Fahrzeugkarosserie auf Grund des Einschlagens des Lenkrades um eine Verzögerungszeit, die durch die Gleichung (18) gegeben ist.
Auf die Reifen des Vorderantriebs wirkt somit die Vorgabelast, die die Summe der statischen Last auf ein Viertel des Fahrzeugs und den Lasttransfer auf die Achse darstellt.
Bei dem Vorderantrieb sind die erwarteten vertikalen Lasten:
Bei dem Hinterantrieb sind die erwarteten vertikalen Lasten:
Wenn man die Last auf jedem Reifen kennt, und zwar durch das lineare Modell der Bereifung (Gleichung 19a), so kann man die Führungskraft auf Grund der Vorgabe bei jedem der vier Reifen berechnen: Yp1gewünscht = –D1(Zp1gewünscht)*δvgewünscht
Nach Gleichung (3), (4), (9) und (10) ergeben sich für die Seitendrift der Reifen:
Unter Verwendung der Ausdrücke für die Steifigkeit (19a), der gewünschten Last (21) und der gewünschten Seitendrift (23) ergibt sich für die Vorgabe der Führungskraft:
Desgleichen erhält man bei der Hinterachse unter Berücksichtigung der Verzögerung der Führungskraft bei der Hinterachse:
Es wird angenommen, dass zu jedem Zeitpunkt die seitlichen Führungskräfte Y bei allen Rädern, die Änderungen der Führungskräfte Y und die Änderungen des Winkels am Lenkrad gemessen werden können. Es wird vorgeschlagen, ein System zur Steuerung der Bahn zu aktivieren, sobald der Unterschied zwischen den gewünschten Kräften und den realen Kräften, die gemessen werden, zu groß wird. Das Stabilitätskriterium, das damit eingeführt wird, drückt die Tatsache aus, dass das Fahrzeug stabil bleibt, solange der Unterschied klein ist (Gleichsetzung von Wunsch des Fahrzeugführers und Wirklichkeit).
Der Vorteil, diese Abweichungen bei jedem Reifen zu messen, besteht darin, dass das System den Grund für den Verlust an Kontrolle über das Fahrzeug genauer kennt.
Eine Simulation der Dynamik eines Fahrzeugs bei typischen Manövern ist mit Hilfe der folgenden Figuren dargestellt. Das Simulationsmodell, das verwendet wird, ist ein Modell mit vier Rädern und sieben Freiheitsgraden, mit dem es ermöglicht wird, das Gleichgewicht des Fahrzeugs in Bezug auf Gieren, Rollen, Schlingern und Drehen bei vier Rädern wiederzugeben. Die vier dargestellten Simulationen geben ein Fahrzeug wieder, das die Eigenschaften eines Golf hat, der mit einer Geschwindigkeit von 90 km/h fährt.
Bei der ersten Simulation (5a, 5b und 5c) ist die Eingabe am Lenkrad eine sinusförmige Bewegung mit der Frequenz 0,5 Hz bei steigender Amplitude, wobei der Boden feucht ist. Dieses Fahrmanöver führt zu einem Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug. Bei allen Figuren mit den Führungskräften am Reifen (Yp), den Führungskräften an der Achse (Yav, Yarr), den Lasten (Zp) oder den Giermomenten (Mz), geben die durchgezogenen Kurven, die mit "R" bezeichnet sind, die realen Werte wieder, während die gestrichelten Kurven, die mit "S" bezeichnet sind, die von dem Fahrzeugführer gewünschten Werte wiedergeben.
In 5a zeigen die dargestellten Kurven den Unterschied zwischen der Summe der beiden Führungskräfte eines Antriebs (Vorderantrieb oder Hinterantrieb, je nach Index "v" oder "h" in den Figuren) und der von dem Fahrzeugführer gewünschten Kraft im Sinne der Formeln (12), (13), (14). Die Sättigung der Kräfte an der Bereifung in Bezug auf die Erwartungen des Fahrzeugführers sowie die Phasenverschiebung zwischen den realen Kräften und den erwarteten Kräften sind offensichtlich.
In 5b stellt man fest, dass sich die Unterschiede zwischen den realen Lasten und den von dem Fahrzeugführer gewünschten Lasten so verhalten, wie es durch die Formeln (21), (21a), (22), (22a) ausgedrückt wird. In 5c äußert sich dieser Verlust an Kontrolle über die Sättigung der Führungskräfte der Reifen, was über den Unterschied zwischen den Vorgaben für die Führungskraft, ausgedrückt durch die Formeln (25), (25a), (26), (26a), und den realen Führungskräften erfasst wird. Parallel stellt man fest, dass die realen Kräfte gegenüber der Vorgabe verzögert sind, was sich in einer Phasenverschiebung zwischen der Eingabe des Fahrzeugführers und den Reaktionen seines Fahrzeugs widerspiegelt. In jedem Fall bezeichnet das Bezugszeichen "R" die realen Kräfte (durchgezogene Linie), und das Bezugszeichen "S" bezieht sich auf die Vorgabe, die durch das vorgeschlagene Verfahren ausgedrückt wird (gepunktet dargestellt).
Bei der zweiten Simulation (6a, 6b, 6c, 7 und 8) ist gezeigt, wie es durch eine Modifizierung der Verteilung der Stabilisatorbewegung zwischen vorne und hinten, die gesteuert wird, wie es oben erläutert wurde, möglich wird, die Bahn des Fahrzeugs zu stabilisieren. Das Manöver ist identisch zu oben (Vorgabe eines sinusförmigen Einschlagens mit zunehmender Amplitude auf feuchter Unterlage bei 90 km/h). Bei dem Erfassen von realen Kräften, die beim Gieren zu groß werden, wird der Stabilisatorbetrieb vorne beim Fahrzeug verstärkt und im selben Maße hinten reduziert, um das Fahrzeug schneller wieder stabil zu machen und das Haftungspotential der vier Bereifungen besser nutzen zu können. Die Sättigung der Führungskräfte lässt sich besser kontrollieren und lässt weniger große Phasenverschiebungen zu und führt damit zu besser zu bewältigenden Giermomenten und einfacher zu identifizierenden Karosseriebewegungen. Wiederum bezeichnet jedes Mal das Bezugszeichen "R" die realen Kräfte (durchgezogene Linien), und das Bezugszeichen "S" bezieht sich auf die Vorgabe, die durch das vorgeschlagene Verfahren erzeugt wird (gepunktete Linie).
6a zeigt sowohl reale als auch gewünschte Führungskräfte an der Vorderachse und der Hinterachse wie auch das Giermoment des Fahrzeugs. 6b zeigt die realen und gewünschten vertikalen Lasten Zp bei den vier Reifen. 6c zeigt die realen und gewünschten lateralen Führungskräfte Yp bei den vier Reifen.
Wenn es die dynamische Verteilung des Stabilisators nicht ermöglicht, die Sättigung bei den Reifen unter den vorliegenden Haftungsbedingungen vollständig zu vermeiden, so wird es jedoch in jedem Fall möglich, das Differenzsignal zu minimieren und die Verzögerung zwischen den Eingaben des Fahrzeugführers und den Reaktionen des Fahrzeugs zu reduzieren (6b, 6c).
7 zeigt das Fahrzeug (dargestellt durch ein Rechteck) auf der beschriebenen Bahn, symbolisiert durch seinen Schwerpunkt (dargestellt als durchgehende Kurve). Bei dieser Darstellung ist das Verhalten des Fahrzeugs anhand des Winkels ersichtlich, den das Fahrzeug mit der Bahn einschließt. Die Phasenverschiebung zwischen dem realen Verhalten des Fahrzeugs und der gewünschten Bahn wird ersichtlich, wenn man beachtet, dass bei bestimmten der in 7 dargestellten, aufeinander folgenden Positionen der Winkel in Bezug auf die Orientierung des Fahrzeugs und die Tangente zu der Bahn im Schwerpunkt des Fahrzeugs größer oder kleiner wird, bis zum Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug beim Übersteuern.
Dieser Verlust an Kontrolle kann aufgrund des Unterschiedes zwischen dem gewünschten Giermoment und dem realen Giermoment vorhergesehen werden. Das reale Giermoment ist viel zu groß und bewirkt eine Drehung des Fahrzeugs, wie es bei der Bahn ersichtlich wird (7). Indem man die Vorgaben des Fahrzeugführers den Kräften folgen lässt, wie es durch das vorgeschlagene Verfahren beschrieben wird, bleibt das Fahrzeug stabil und folgt dem Pfad, der von dem Fahrzeugführer gewünscht wird (Bezugszeichen 2 in 7).
8 zeigt die Verteilung beim Stabilisator, um das Fahrzeug zu stabilisieren. Sobald eine Sättigung beobachtet wird, wird die Stabilisatorwirkung an der Hinterachse verstärkt, um die Stabilisatorwirkung vorne zu vergrößern, wobei die Gesamtsteifigkeit des Stabilisators eingehalten wird. Diese Änderung der Verteilung der Lasten stabilisiert das Fahrzeug, indem dadurch eine größere Untersteuerung herbeigeführt wird.
Bei der dritten Simulation (9a, 9b, 9c und 8) bewirkt der Fahrzeugführer eine Änderung der Spur auf feuchtem Untergrund und verliert die Kontrolle über sein Fahrzeug. Wie immer bezeichnet das Bezugszeichen "R" die realen Kräfte (bei durchgezogener Linie), und das Bezugszeichen "S" bezieht sich auf die Vorgabe, die durch das vorgeschlagene Verfahren erzeugt wird (gepunktete Linie). 9a zeigt die realen und gewünschten Führungskräfte an der Vorderachse, der Hinterachse sowie das Giermoment des Fahrzeugs.
Aus 9a ergibt sich, dass die Sättigung der Führungskräfte an der Vorderachse und der Hinterachse sowie die Verzögerung bei der Führungskraft an der Hinterachse zum Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug sowie zu einem Ausbrechen führen. Dieses Ausbrechen ist ebenfalls als gegenüber dem von dem Fahrer gewünschten übergroßes Giermoment dargestellt. Der Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug kann Rad für Rad erfasst werden, indem der Unterschied zwischen den vorgegebenen Führungskräften (beschrieben durch die Formeln (25), (25a), (26), (26a)) und den realen Führungskräften oder zwischen den vorgegebenen Lasten (beschrieben durch die Formeln (21), (21a), (22), (22a)) und den realen Lasten gemessen wird. 9b zeigt die realen und gewünschten vertikalen Lasten Zp bei den vier Reifen. 9c zeigt die realen und gewünschten lateralen Führungskräfte Yp bei den vier Reifen.
Bei der vierten Simulation (10a, 10b, 10c, 11 und 12) ist dargestellt, wie es durch eine Modifizierung der Verteilung beim Stabilisator zwischen vorne und hinten, die gesteuert wird, wie es oben erläutert wurde, möglich wird, die Bahn des Fahrzeugs zu stabilisieren. Wie jedes Mal bezeichnet das Bezugszeichen "R" die realen Kräfte (durchgezogene Linie), und das Bezugszeichen "S" bezieht sich auf die Vorgabe gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren (gepunktete Linie). Das Manöver ist identisch zu dem vorangehenden (also feuchter Untergrund bei 90 km/h). Beim Erfassen von realen Kräften, die zu groß in Bezug auf das Gieren sind, wird der Stabilisator vorne beim Fahrzeug verstärkt und in demselben Maße hinten reduziert, um das Fahrzeug schneller wieder stabil zu machen und das Haftungspotential der vier Bereifungen besser zu nutzen. Die Sättigung der Führungskräfte lässt sich besser beherrschen und macht es möglich, dass die Phasenverschiebungen geringer ausfallen und damit die Giermomente besser beherrschbar sind und die Bewegungen der Karosserie leichter identifizierbar sind. Auf Grund der dynamischen Stabilisatorverteilung reduziert das System die Verzögerung zwischen der Vorgabe des Fahrzeugführers in Bezug auf die Kräfte und die Reaktion des Fahrzeugs, und das Ausbrechen, das ohne das System beobachtet wird, wird vermieden. 10a zeigt die realen und gewünschten Führungskräfte an der Vorderachse, der Hinterachse sowie das Giermoment des Fahrzeugs. 10b zeigt die realen und gewünschten vertikalen Lasten Zp bei den vier Reifen. 10c zeigt die realen und gewünschten lateralen Führungskräfte Yp bei den vier Reifen.
Das Ausbrechen, das bei dem Fahrzeug ohne Steuerung beobachtet wird (11, Bezugszeichen 1), wird bei der Stabilisatorsteuerung (11, Bezugszeichen 2) eingeschränkt, was sich in der Darstellung des Fahrzeugs parallel zur Bahn im Schwerpunkt als durchgezogene Linie wiederfindet.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Karosserie und wenigstens eine vordere Bodenverbindung und eine hintere Bodenverbindung umfasst, wobei jede Bodenverbindung jeweils ein Rad umfasst, wobei jedes Rad eine Bereifung mit oder ohne Luft in Kontakt mit dem Boden umfasst, wobei das Fahrzeug eine Zeitkonstante aufweist, die von seiner Trägheit abhängt und einer zeitlichen Phasenverschiebung beim Auftreten von Führungskräften an den Vorder- und Hinterrädern entspricht, die auf eine Vorgabe des Fahrzeugführers zurückgehen, wobei das Fahrzeug mit Stellgliedern versehen ist, um die Kräfte zu beeinflussen, die durch jedes der Räder auf den Boden ausgeübt werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Ermitteln in Echtzeit des realen Wertes einer gewählten Variable aus der Gruppe der seitlichen Führungskraft "Y" und der vertikalen Last "Z", wobei beide auf die Mitte jedes Rades vorne und hinten wirken, (b) Berechnen in Echtzeit des gewünschten Wertes wenigstens eines Referenzparameters, der mit den realen Werten einer gewählten Variablen korreliert ist, was zu einem Einwirken des Fahrzeugführers auf die Stellglieder führt, wobei die Zeitkonstante berücksichtigt wird, (c) Vergleichen des gewünschten Wertes mit dem realen Wert, um zu bestimmen, ob der reale Wert mit dem gewünschten Wert vergleichbar ist, und (d) wenn der Vergleich im Schritt (c) anzeigt, dass der reale Wert nicht mit dem gewünschten Wert vergleichbar ist, Einwir ken auf die Stellglieder, um den realen Wert im Wesentlichen mit dem gewünschten Wert vergleichbar zu machen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Variable die seitliche Führungskraft "Y" ist und der gewünschte Wert wenigstens eines Referenzparameters die gewünschte seitliche Führungskraft "Y_ge _wünscht" in der Mitte jedes Rades ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt (c) das Ermitteln eines Differenzsignals umfasst, das dem Unterschied zwischen der realen seitlichen Führungskraft "Y" und der gewünschten seitlichen Führungskraft "Y_gewünscht" in Bezug auf Amplitude und Richtung entspricht, und das Ansteuern der Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Variabel die seitliche Führungskraft "Y" ist, wobei die Stellglieder eine Richtungsvorgabe umfassen und der Schritt (a) das Berechnen in Echtzeit des realen Giermoments entsprechenden den realen Werten der seitlichen Führungskraft "Y" in der Mitte von jedem Rad umfasst und der gewünschte Wert von wenigstens einem Referenzparameter im Schritt (b) das Giermoment "M_gewünscht" ist, wobei das Verfahren das Messen in Echtzeit eines Signals für die Richtungsvorgabe und das Berechnen des gewünschten Giermoments "M_gewünscht" umfasst und in Schritt (c) das gewünschte Giermoments "M_gewünscht" verwendet wird, um es mit dem realen Giermoment aus Schritt (a) zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt (c) das Ermitteln eines Differenzsignals umfasst; das den Unterschied in Bezug auf Amplitude und Richtung zwischen dem gewünschten Giermoment "M_gewünscht" und dem realen Giermoment wiedergibt, und der Schritt (d) das Ansteuern der Stellglieder umfasst, um das Differenzsignal zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Variable die vertikale Last "Z" ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Stellglieder eine Richtungsvorgabe umfassen und der gewünschte Wert von wenigstens einem Referenzparameter von Schritt (b) die Last "Z_gewünscht" in der Mitte von jedem Rad ist, wobei das Verfahren das Messen in Echtzeit eines Signals für die Richtungsvorgabe und das Berechnen der Lasten "Z_gewünscht" umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt (c) das Ermitteln eines Differenzsignals umfasst, das den Unterschied zwischen der realen vertikalen Last "Z" und der Last "Z_gewünscht" in Bezug auf Amplitude und Richtung wiedergibt, und der Schritt (d) das Ansteuern der Stellglieder umfasst, um das Differenzsignal zu minimieren.
Verfahren zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei dem Fahrzeug jede Bodenverbindung eine vertikale Aufhängungsvorrichtung zur Ausfederung des Rades in Bezug auf die Karosserie, erste Mittel zur Schlingerstabilisierung, die zwischen den Rädern der Vorderachse wirken, und zweite Mittel zur Schlingerstabilisierung, die zwischen den Rädern der Hinterachse wirken, umfasst, wobei der Schritt der Einwirkung auf die Betriebsmittel beim Schlingern eine dynamische Modifizierung der Verteilung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse zur Aufrechterhaltung einer Gesamtstabilisierung gegenüber Schlingern umfasst, wobei der hintere Stabilisierungsteil verringert wird, um das Giermoment zu verringern, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, und umgekehrt, um so das Differenzsignal zu verkleinern.
Verfahren zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei bei dem Fahrzeug wenigstens eine Achse eine zusätzliche Lenkeinrichtung für die Räder wenigstens einer Achse umfasst, wobei diese Einrichtung unabhängig von der Vorgabevorrichtung für das Lenken ist, wobei der Schritt des Einwirkens auf die Stellglieder eine dynamische Vorgabe für die zusätzliche Lenkeinrichtung umfasst, um das Giermoment zu modifizieren, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, um das Differenzsignal zu verkleinern.
Verfahren zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Fahrzeug Einrichtungen umfasst, um selektiv auf jedes der Räder ein Bremsmoment auszuüben, bei dem der Schritt des Einwirkens auf die Stellglieder darin besteht, wenigstens eines der Räder außerhalb der Kurvenbewegung des Fahrzeugs zu bremsen, um das Giermoment zu verringern, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, oder um wenigstens eines der Räder innerhalb der Kurvenbewegung des Fahrzeugs zu bremsen, um das Giermoment zu verstärken, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, um das Differenzsignal zu verkleinern.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Karosserie und wenigstens eine vordere Bodenverbindung und eine hintere Bodenverbindung umfasst, wobei jede Bodenverbindung jeweils ein Rad umfasst, wobei jedes Rad eine Bereifung mit oder ohne Luft in Kontakt mit dem Boden umfasst, wobei das Fahrzeug eine Zeitkonstante aufweist, die von seiner Trägheit abhängt und einer zeitlichen Phasenver schiebung beim Auftreten von Führungskräften an den Vorder- und Hinterrädern entspricht, die auf eine Vorgabe des Fahrzeugführers zurückgehen, wobei das Fahrzeug mit Stellgliedern versehen ist, um die Kräfte zu beeinflussen, die durch jedes der Räder auf den Boden ausgeübt werden, wobei das System umfasst: (a) Einrichtungen zum Ermitteln in Echtzeit des realen Wertes einer gewählten Variable aus der Gruppe der seitlichen Führungskraft "Y" und der vertikalen Last "Z", wobei beide auf die Mitte jedes Rades vorne und hinten wirken, (b) eine Steuerung, um in Echtzeit den gewünschten Wert wenigstens eines Referenzparameters in Abhängigkeit von Vorgaben des Fahrzeugführers und unter Berücksichtigung der Zeitkonstante zu berechnen, der mit den realen Werten einer gewählten Variablen korreliert ist, wobei es durch die Steuerung möglich wird, Vergleiche zwischen dem gewünschten Wert und dem realen Wert durchzuführen, um ein Differenzsignal zu ermitteln, und (c) Einrichtungen zum Einwirken auf die Stellglieder, um das Differenzsignal zu minimieren.
System nach Anspruch 12, bei dem die Variable die seitliche Führungskraft "Y" ist und der gewünschte Wert wenigstens eines Referenzparameters die gewünschte seitliche Führungskraft "Y_ge _wünscht" in der Mitte jedes Rades ist.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach Anspruch 12, bei dem die Variable die seitliche Führungskraft "Y" ist und der Referenzparameter das gewünschte Giermoment "M_gewünscht" ist, wobei die Stellglieder eine Richtungsvorgabe umfassen, wobei das System umfasst: Einrichtungen zum Messen in Echtzeit eines Signals für die Richtungsvorgabe, wobei es die Steuerung ermöglicht, in Echtzeit das reale Giermoment aus den Werten der realen seitlichen Führungskraft "Y" zu berechnen und das gewünschte Giermoment "M_gewünscht" unter Berücksichtigung des Signals für die Richtungsvorgabe zu berechnen, wobei es die Steuerung ermöglicht, das reale Giermoment und das gewünschte Giermoment "M_gewünscht" zu vergleichen, um ein Differenzsignal zu erhalten.
System nach Anspruch 12, bei dem die gewählte Variable die vertikale Last "Z" ist und der Referenzparameter die gewünschte vertikale Last "Z_gewünscht" ist.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach Anspruch 15, bei dem die Stellglieder eine Richtungsvorgabe umfassen und das System umfasst: Einrichtungen zum Messen in Echtzeit eines Signals für die Richtungsvorgabe, wobei es die Steuerung ermöglicht, in Echtzeit die realen Lasten "Z" zu berechnen und die gewünschten vertikalen Lasten "Z_ge _w _ünscht" unter Berücksichtigung des Signals für die Richtungsvorgabe zu berechnen, wobei es die Steuerung ermöglicht, die realen und die gewünschten vertikalen Lasten zu vergleichen, um ein Differenzsignal zu erhalten.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei bei dem Fahrzeug jede Bodenverbindung eine vertikale Aufhängungsvorrichtung zur Ausfederung des Rades in Bezug auf die Karosserie, erste Mittel zur Schlingerstabilisierung, die zwischen den Rädern der Vorderachse wirken, und zweite Mittel zur Schlingerstabilisierung, die zwischen den Rädern der Hinterachse wirken, umfasst, wobei die Einrichtungen zum Einwirken auf die Betriebsmittel beim Schlingern eine dynamische Modifizierung der Verteilung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse zur Aufrechterhaltung einer Gesamtstabilisierung gegenüber Schlingern umfassen, wobei der hintere Stabilisierungsteil verringert wird, um das Giermoment zu verringern, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, und umgekehrt, um so das Differenzsignal zu verkleinern.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei bei dem Fahrzeug wenigstens eine Achse eine zusätzliche Lenkeinrichtung für die Räder wenigstens einer Achse umfasst, wobei diese Einrichtung unabhängig von der Vorgabevorrichtung für das Lenken ist, wobei die Einrichtungen für das Einwirken auf die Stellglieder eine dynamische Vorgabe für die zusätzliche Lenkeinrichtung umfassen, um das Giermoment zu modifizieren, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, um das Differenzsignal zu verkleinern.
System zur Steuerung der Stabilität eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Fahrzeug Einrichtungen umfasst, um selektiv auf jedes der Räder ein Bremsmoment auszuüben, bei dem die Einrichtungen für das Einwirken auf die Stellglieder Einrichtungen umfassen, um selektiv wenigstens eines der Räder außerhalb der Kurvenbewegung des Fahrzeugs zu bremsen, um das Giermoment zu verringern, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, oder um wenigstens eines der Räder innerhalb der Kurvenbewegung des Fahrzeugs zu bremsen, um das Giermoment zu verstärken, das über die Räder auf das Fahrzeug wirkt, um das Differenzsignal zu verkleinern.