WO2005056315A1 - Bestimmung einer relativbewegung eines fahrwerks und eines fahrzeugaufbaus eines radfahrzeuges - Google Patents

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Jens Fiedler
Andreas Mayer
Thomas Schweiger
Martin Stratesteffen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B60G2800/91—Suspension Control
    • B60G2800/914—Height Control System

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for determining a relative movement of a chassis and a vehicle body of a wheeled vehicle that is movably connected to the chassis.
  • Travel of a sprung connection between a vehicle body and a chassis or heights of the relative movement between the chassis and the vehicle body are used, for example, as input variables of systems for setting a damping of the relative movement and / or other systems for setting and / or monitoring properties of the chassis.
  • the invention relates in particular to a combination of the arrangement with at least one of the aforementioned systems or with any combination of such systems.
  • level sensors In order to determine the spring travel or level, it is known to measure a length of a dimension in the area of the wheels between the chassis and the vehicle body or the change in a position of a measuring point.
  • Four-wheeled vehicles each have, for example, one such measurement sensor per wheel or three measurement sensors of this type, which are referred to below as level sensors.
  • Level sensors are relatively expensive and are subject to high stresses during their use in a motor vehicle. The reasons for this are, in particular, mechanical loads. B. by particles and stones, which while driving in the area between wheels and vehicle structure, moisture and temperature fluctuations.
  • the measuring device preferably has acceleration sensors for measuring the three linear accelerations and rotation rate sensors for measuring the at least two rotation rates, whereby the acceleration sensors and the rotation rate sensors can be parts of a prefabricated device-technical unit designed for installation in the wheeled vehicle.
  • This unit is a special embodiment of a so-called inertial measurement unit (IMU).
  • IMU inertial measurement unit
  • the IMU is designed to be attached to or near the center of gravity of a wheeled vehicle. The center of gravity of the wheeled vehicle or a vehicle body of the wheeled vehicle then preferably lies within the unit.
  • the three linear accelerations can be measured by the measuring device as linearly independent measurement variables.
  • the directions of the accelerations or acceleration components detected by the acceleration sensors preferably form the axes of a three-dimensional rectangular coordinate system.
  • the measuring device is designed in such a way that the at least two axes each run in pairs perpendicular to one another.
  • the measuring device can e.g. B. have a separate sensor for each measured variable.
  • sensors that Measure two of the above-mentioned measured variables simultaneously (e.g. two accelerations or two rotation rates).
  • the measuring sensors of the measuring device for measuring the rotation rates and for measuring the linear accelerations are attached to the vehicle body that is movable relative to a vehicle chassis.
  • the solution according to the invention it is possible to arrange at least some of the sensors and preferably all sensors at a location protected against environmental influences.
  • the area of the center of gravity of the wheeled vehicle or the area of the center of gravity of a vehicle body lends itself to this.
  • acceleration sensors measure a measurement variable influenced by the force of gravity.
  • the acceleration sensor When the vehicle is at a standstill, the acceleration sensor only measures the effects of gravity. The actual acceleration then does not occur in the measured size.
  • the dynamic acceleration quantity changed by the gravitational force of gravity is called the effective acceleration quantity.
  • the effective acceleration values are preferably used when determining the relative movement of the undercarriage and the vehicle body. Earth gravity or gravity, which actually influences the relative movement of the undercarriage and the vehicle body, is therefore taken into account.
  • a correction of the effective acceleration values, e.g. B. by integrating the measured rotation rates and by determining the orientation of the vehicle relative to an earth-fixed coordinate system would not be necessary. Rather, gravity affects the vehicle in different ways depending on the driving situation (e.g. while driving on a differently inclined road surface) and should be taken into account.
  • the relative movement between the vehicle body and the chassis can be determined even without level sensors. This also applies to cornering and / or driving on an inclined road or inclined surface (inclined to the side and / or forward).
  • the sensors for measuring the linear accelerations and yaw rates can also be used for other purposes (e.g. as input variables for other electronic systems such as an anti-lock braking system or the electronic stability program). It is also possible to monitor existing level sensors with regard to a reliable determination of the spring travel and / or the height positions. If the level sensors temporarily provide implausible measured values, U. including other measurement variables (such as driving speed, steering angle) may be decided whether it is still possible to operate systems that use the altitude levels as input variables. For example, it can be decided that the height levels (or equivalent sizes) determined in the manner according to the invention can still be used, since the level sensors are disturbed by environmental influences.
  • a plurality of current movement positions are calculated using the at least two rotation rates and the three linear accelerations, each of the movement positions being a measure of a distance between the vehicle body and at least one wheel of the chassis.
  • the current movement position is preferably calculated taking into account, in particular damped, suspension between at least one of the wheels of the wheeled vehicle and a vehicle body.
  • the evaluation device can have a calculation unit which is designed to calculate the relative movement.
  • FIG. 1 shows a road motor vehicle with an arrangement for determining the relative movement between a chassis and a vehicle body
  • FIG. 2 shows an embodiment of the evaluation device shown in FIG. 1 in combination with a measuring device
  • FIG. 3 shows the measuring device shown in FIG. 1 in a common housing with the evaluation device
  • FIG. 4 shows a model of a road motor vehicle with a chassis and with a vehicle structure connected to the chassis via a damped suspension, in a side view,
  • FIG. 5 shows the model according to FIG. 4 from the front,
  • FIG. 6 shows an illustration of a road motor vehicle to explain dimensions and angles
  • FIG. 7 shows an example of an embodiment of the measuring device shown in FIG. 1.
  • the road motor vehicle 20 shown in FIG. 1 has two front wheels and two rear wheels, of which the right front wheel is designated by the reference number 22 and of which the right rear wheel is designated by the reference number 24.
  • the front wheels are assigned to a front axle 26.
  • the rear wheels are assigned to a rear axle 27.
  • the wheels assigned to an axle turn when driving straight ahead of road motor vehicle 20 coaxially, ie they have a common axis of rotation.
  • a measuring device 1 is arranged in the road motor vehicle 20 and is connected to an evaluation device 9.
  • the measuring device 1 has, for example, an acceleration measuring device 3 and a rotation rate measuring device 4.
  • the measuring device 1 is, in particular, a prefabricated structural unit, the corresponding measuring sensors for measuring the accelerations and rotation rates being arranged in a fixed position in the unit relative to one another.
  • the structural unit is preferably intended to be attached to or in the vicinity of the center of gravity of a motor vehicle, with a specific orientation being sought in the motor vehicle.
  • the acceleration measuring device 3 has three linear acceleration sensors 31, 32, 33 (FIG. 7), which are arranged such that one of the acceleration sensors in each case is an acceleration or acceleration component of the vehicle in the direction of the axes of a Cartesian coordinate system measures, with the x-axis pointing forward in the longitudinal direction of the vehicle, the y-axis being directed transversely to the longitudinal axis and the z-axis (in the case of a horizontally oriented vehicle) pointing vertically upwards.
  • a coordinate system is shown schematically in FIG. 6. This figure shows a road motor vehicle 20 with two steerable front wheels 21, 22 and two non-steerable rear wheels 23, 24.
  • the front wheels are turned to the left and have a steering angle of ⁇ L against the x-axis (left front wheel 21 ) or ⁇ R (right front wheel 22).
  • the front wheels 21, 22 are at a distance (wheelbase) s F
  • the rear wheels 23, 24 are at a distance s R from one another.
  • r R denotes the radius of the rear wheels 23, 24.
  • the measuring device 1 is arranged in the longitudinal direction approximately in the middle of a vehicle body 25, the measuring device 1 is arranged.
  • the invention is not limited to wheel vehicles with front wheel steering. Rather, z. B. in addition, the rear wheels can be steered.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of the arrangement shown in FIG. 1 is shown in FIG. 2.
  • the acceleration measuring device 3 is connected to the evaluation device 9 via a filter device 5.
  • the rotation rate measuring device 4 is also connected to the evaluation device 9 via the filter device 5.
  • the filter device 5 shown in FIG. 2 is representative of further filter devices that can additionally be provided in the arrangements shown in FIGS. 1 to 3 or in the case of modified arrangements.
  • the filtering of measurement signals and / or signals derived therefrom carried out by the filter devices serves in particular to eliminate any noise that may be present and to eliminate high-frequency fluctuations in the measurement signals, for example due to vibrations in the vehicle body.
  • the filter devices can in particular have at least one low-pass filter and / or at least one band-pass filter.
  • the filter device 5 filters the acceleration signals measured by the acceleration measurement sensors of the acceleration measurement device 3 and the rotation rate signals measured by the rotation rate measurement sensors of the rotation rate measurement device 4 before they are transmitted to the evaluation device 9.
  • the measuring device 1 and the evaluation device 9 can be arranged together with further units and / or devices in a common housing 2.
  • the evaluation device 9 can have a calculation unit 11 and a monitoring device 10.
  • the calculation unit 11 is used to calculate the relative movements of the vehicle body and chassis.
  • the monitoring device 10 is used to monitor the measurement signals generated by the measuring device 1.
  • the monitoring device 10 Using measurement signals of a steering angle and a vehicle speed, which are received via an input 6, the monitoring device 10 carries out monitoring of at least one of the variables measured by the measuring device 1. For example, the monitoring device 10 uses at least two angles (the roll angles and pitch angles of the vehicle obtained by integrating the rotation rates) for monitoring the linear accelerations, which are a measure of the orientation of the vehicle in an earth-fixed coordinate system. In this way, it can take into account that the measured linear accelerations, depending on the orientation of the vehicle relative to the earth-fixed coordinate system, contain a component that can be traced back to gravity.
  • the measured linear accelerations depending on the orientation of the vehicle relative to the earth-fixed coordinate system, contain a component that can be traced back to gravity.
  • the calculation can ⁇ -drying unit Z11.
  • B. be connected to a damping actuator 12 to (as already explained) to adjust a damping of a suspension between the chassis and the vehicle body.
  • Driving situation are output to a system that uses the height levels and / or the linear accelerations and / or rotation rates measured by the measuring device as input variables.
  • the vehicle body is viewed as a rigid body, i. H. no elasticities of the vehicle body are permitted. However, a (in particular damped) suspension between the wheels and the vehicle body is taken into account. Furthermore, three degrees of freedom of the relative movement between the undercarriage and the vehicle body are permitted, namely a linear movement in the z direction (eg the movement of a point in the vehicle body at which the measuring device measures), a first rotary movement about a horizontal in the first axis of rotation running the vehicle (in particular the x-axis) and a second rotational movement about a second axis of rotation (in particular the y-axis) running horizontally in the vehicle and running transverse to the first axis of rotation.
  • a linear movement in the z direction eg the movement of a point in the vehicle body at which the measuring device measures
  • a first rotary movement about a horizontal in the first axis of rotation running the vehicle in particular the x-axis
  • a vehicle body 28 has a center of gravity CG and is above springs 40, 41, 43 (only three of the four wheels are shown in the two figures) and parallel to the springs 40, 41, 43 acting damping members 44, 45, 47 individually connected to the four wheels 21, 22, 23, 24. Since the wheels 21, 22, 23, 24 are not directly mechanically coupled to one another, one can also speak of a five-mass model.
  • the wheels 21, 22, 23, 24 stand on the ground 30 (e.g. a roadway). However, it has been shown that, under certain conditions, the five-mass model is equivalent to a two-mass model, in which the wheels and other parts of the chassis form one mass and the vehicle body the other
  • ⁇ R , ⁇ p , k parameters of the vehicle which correspond to a linear spring force of the respective motion component of the degree of freedom
  • ⁇ R , ⁇ p ⁇ T parameters of the vehicle which correspond to a linear damping term of the respective motion component
  • c R , c p further Parameters of the vehicle, A ⁇ the relative angle of rotation between the vehicle body and chassis around the x-axis (roll angle), S the relative angle of rotation between vehicle body and chassis around the y- (e).
  • All parameters can be determined in advance, for example, experimentally and / or computationally for a specific vehicle or a specific vehicle type.
  • this model requires the vehicle body to be rigid in itself and is therefore a good approximation for driving motor vehicles on roads.
  • the model takes into account roll and pitch movements and is therefore particularly suitable for driving situations and / or vehicles in which such movements occur. This is especially the case for vehicles with a high center of gravity of the vehicle body, z. B. in trucks and off-road vehicles.
  • the springs can be described as nonlinear springs, in one or more of the equations, in particular in the equation for the pitch angle A3, a distribution can be made - a braking force or braking forces and / or a driving force or driving forces (e.g. in all-wheel drive vehicles) via the wheels are additionally taken into account and / or the equations can be at least partially coupled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges (20), wobei in dem Radfahrzeug (20) drei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und zumindest zwei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder ei­ner Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20), gemessen werden (in Messeinrichtung 1), wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und unter Verwendung der drei Linearbeschleunigungen und der zumindest zwei Drehraten eine momentane Bewegungsposition der Relativbewegung bestimmt wird (im Auswertungseinrichtung 9).

Description

Beschreibung
Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges .
Federwege einer gefederten Verbindung zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem Fahrwerk oder Höhenstände der Relativbewegung zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugaufbau werden beispielsweise als Eingangsgrößen von Systemen zur Einstellung einer Dämpfung der Relativbewegung und/oder anderen Systemen zur Einstellung und/oder Überwachung von Eigenschaften des Fahrwerks verwendet.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kombination der Anordnung mit zumindest einem der vorgenannten Systeme oder mit einer beliebigen Kombination derartiger Systeme.
Um die Federwege oder Höhenstände zu bestimmen, ist es be- kannt, im Bereich der Räder eine Länge einer Abmessung zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugaufbau oder die Veränderung einer Position eines Messpunktes zu messen. Vierrädrige Fahrzeuge besitzen beispielsweise jeweils einen derartigen Messsensor pro Rad oder drei derartige Messsensoren, die im folgenden als Höhenstandssensoren bezeichnet werden.
Höhenstandssensoren sind jedoch verhältnismäßig teuer und unterliegen hohen Beanspruchungen während ihres Einsatzes in einem Kraftfahrzeug. Gründe hierfür sind insbesondere mecha- nische Belastungen z. B. durch Partikel und Steine, die während der Fahrt in den Bereich zwischen Rädern und Fahrzeug- aufbau aufgewirbelt werden, Feuchtigkeit sowie Temperaturschwankungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anord- nung und ein Verfahren anzugeben, die eine zuverlässige und kostengünstige Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges erlauben.
Es wird vorgeschlagen, für die Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges, in dem Radfahrzeug drei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges und zu- mindest zwei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges, zu messen, wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und - unter Verwendung der drei Linearbeschleunigungen und der zumindest zwei Drehraten (insbesondere wiederholt) eine momentane Bewegungsposition der Relativbewegung zu bestimmen.
Weiterhin wird folgendes vorgeschlagen: Eine Anordnung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges, mit einer in dem Radfahrzeug angeordneten oder anordenbaren Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung ausgestaltet ist, drei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges und zumindest zwei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges, zu messen, wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und einer Auswertungseinrichtung, die mit der Messeinrichtung kombiniert ist und ausgestaltet ist, unter Verwendung der drei Linearbeschleunigungen und der zumindest zwei Drehraten eine momentane Bewegungsposition der Re- lativbewegung zu bestimmen.
Vorzugsweise weist die Messeinrichtung Beschleunigungssensoren zur Messung der drei Linearbeschleunigungen und Drehratensensoren zur Messung der zumindest zwei Drehraten auf, wo- bei die Beschleunigungssensoren und die Drehratensensoren Teile einer vorgefertigten, zum Einbau in das Radfahrzeug ausgestalteten gerätetechnischen Einheit sein können. Es handelt sich bei dieser Einheit um eine spezielle Ausführungsform einer sogenannten Inertial Measurement Unit (IMU) . Die IMU ist beispielsweise dazu bestimmt, an oder in der Nähe des Schwerpunktes eines Radfahrzeuges befestigt zu werden. Vorzugsweise liegt dann der Schwerpunkt des Radfahrzeuges oder eines Fahrzeugaufbaus des Radfahrzeuges innerhalb der Einheit.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die drei Linearbeschleunigungen von der Messeinrichtung als linear voneinander unabhängige Messgrößen messbar sind. Vorzugsweise bilden die Richtungen der jeweils von den Beschleunigungssensoren erfassten Be- schleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten die Achsen eines dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystems.
Entsprechendes wird für die Ausrichtung der zumindest zwei Koordinatenachsen bevorzugt, bezüglich denen Komponenten des Drehvektors einer Drehbewegung des Fahrzeuges gemessen werden. Mit anderen Worten: Die Messeinrichtung ist derart ausgestaltet, dass die zumindest zwei Achsen jeweils paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
Die Messeinrichtung kann z. B. für jede Messgröße einen separaten Sensor aufweisen. Es gibt jedoch auch Sensoren, die gleichzeitig zwei der genannten Messgrößen messen (z. B. zwei Beschleunigungen oder zwei Drehraten) .
Insbesondere sind die Messsensoren der Messeinrichtung zur Messung der Drehraten und zur Messung der Linearbeschleunigungen an dem relativ zu einem Fahrzeug-Fahrwerk beweglichen Fahrzeugaufbau befestigt. Dabei ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung möglich, zumindest einen Teil der Sensoren und vorzugsweise alle Sensoren an einer gegen Umwelteinflüsse ge- schützten Stelle anzuordnen. Hierfür bietet sich in vielen' Fällen der Bereich des Schwerpunktes des Radfahrzeuges oder der Bereich des Schwerpunktes eines Fahrzeugaufbaus an.
Beschleunigungssensoren messen abhängig von der Orientierung des Fahrzeuges eine durch die Erdanziehungskraft beeinflusste Messgröße. Im Stillstand des Fahrzeuges misst der Beschleunigungssensor lediglich die Auswirkungen der Erdanziehungskraft. Die wirkliche Beschleunigung kommt dann in der gemessenen Größe nicht vor.
In dieser Beschreibung wird die durch die Erdanziehungskraft veränderte dynamische Beschleunigungsgröße als effektive Beschleunigungsgröße bezeichnet. Vorzugsweise werden bei der Bestimmung der Relativbewegung des Fahrwerks und des Fahr- zeugaufbaus die effektiven Beschleunigungswerte verwendet. Es wird daher die Erdanziehung bzw. die Schwerkraft mitberücksichtigt, die auch tatsächlich die Relativbewegung des Fahrwerks und des Fahrzeugaufbaus mit beeinflusst. Eine Korrektur der effektiven Beschleunigungswerte, die z. B. durch Integra- tion der gemessenen Drehraten und durch Bestimmung der Orientierung des Fahrzeuges relativ zu einem erdfesten Koordinatensystem möglich wäre, ist nicht erforderlich. Vielmehr wirkt sich die Schwerkraft abhängig von der Fahrsituation (z. B. während der Fahrt auf unterschiedlich geneigter Fahrbahn) in unterschiedlicher Weise auf das Fahrzeug aus und soll mitberücksichtigt werden. Durch die Verwendung der zumindest zwei Drehraten und der drei Beschleunigungen des Fahrzeuges kann die Relativbewegung zwischen dem Fahrzeugaufbau und dem Fahrwerk auch ohne Höhenstandssensoren festgestellt werden. Dies gilt auch für Kur- venfahrten und/oder Fahrten bei geneigter Fahrbahn bzw. geneigtem Untergrund (seitlich und/oder nach vorne geneigt) .
Es kann zumindest ein Teil der kostenintensiven Höhenstandssensoren eingespart werden. Andererseits können die Sensoren zur Messung der Linearbeschleunigungen und Drehraten auch für andere Zwecke (z. B. als Eingangsgrößen für weitere elektronische Systeme wie ein Antiblockiersystem oder das elektronische Stabilitätsprogramm) verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, vorhandene Höhenstandssensoren hinsichtlich einer zuverlässigen Bestimmung der Federwege und/oder der Höhenpositionen zu überwachen. Liefern die Höhenstandssensoren vorübergehend unplausible Messwerte, kann u. U. unter Einbeziehung weiterer Messgrößen (wie z. B. Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel) entschieden werden, ob ein Betrieb von Systemen, die die Höhenstände als Eingangsgrößen verwenden, noch möglich ist. Z. B. kann entschieden werden, dass die auf die erfindungsgemäße Art bestimmten Höhenstände (oder äquivalenten Größen) noch verwendet werden können, da die Höhenstandssensoren durch Umwelteinflüsse gestört sind.
Insbesondere wird unter Verwendung der zumindest zwei Drehraten und der drei Linearbeschleunigungen eine Mehrzahl von momentanen Bewegungspositionen berechnet, wobei jede der Bewegungspositionen ein Maß für einen Abstand zwischen dem Fahr- zeugaufbau und zumindest einem Rad des Fahrwerks ist.
Vorzugsweise wird die momentane Bewegungsposition unter Berücksichtung einer, insbesondere gedämpften, Federung zwischen zumindest einem der Räder des Radfahrzeuges und einem Fahrzeugaufbau berechnet. Insbesondere kann die Auswertungseinrichtung eine Berechnungseinheit aufweisen, die ausgestaltet ist, die Relativbewegung zu berechnen. Die Berechnungseinheit weist z. B. einen Mikroprozessor auf.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung genommen und eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung bezeichnen gleiche, funktionsgleiche oder äquivalente Einheiten oder Einrichtungen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Straßenkraftfahrzeug mit einer Anordnung zur Bestimmung der Relativbewegung zwischen einem Fahr- werk und einem Fahrzeugaufbau,
Fig. 2 eine Ausgestaltung der in Fig. 1 dargestellten Auswertungseinrichtung in Kombination mit einer Messeinrichtung, Fig. 3 die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Auswertungseinrichtung,
Fig. 4 ein Modell eines Straßenkraftfahrzeuges mit einem Fahrwerk und mit einem über eine gedämpfte Federung mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbau in Seitenansicht, Fig. 5 das Modell gemäß Fig. 4 von vorne,
Fig. 6 eine Darstellung eines Straßenkraftfahrzeuges zur Erläuterung von Abmessungen und Winkeln und Fig. 7 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der in Fig. 1 dargestellten Messeinrichtung.
Das in Fig. 1 dargestellte Straßenkraftfahrzeug 20 weist zwei Vorderräder und zwei Hinterräder auf, von denen das rechte Vorderrad mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist und von denen das rechte Hinterrad mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet ist. Die Vorderräder sind einer Vorderachse 26 zugeordnet.
Die Hinterräder sind einer Hinterachse 27 zugeordnet., Die einer Achse zugeordneten Räder drehen sich bei Geradeausfahrt des Straßenkraftfahrzeuges 20 koaxial, d. h. sie weisen eine gemeinsame Drehachse auf. In dem Straßenkraftfahrzeug 20 ist eine Messeinrichtung 1 angeordnet, die mit einer Auswertungseinrichtung 9 verbunden ist.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weist die Messeinrichtung 1 beispielsweise eine Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 und eine Drehraten-Messeinrichtung 4 auf. Die Messeinrichtung 1 ist insbesondere eine vorgefertigte bauliche Einheit, wobei die en sprechenden Messsensoren zur Messung der Beschleunigungen und Drehraten relativ zueinander positionsfest in der Einheit angeordnet sind. Die bautechnische Einheit ist vorzugsweise dazu bestimmt, an oder in der Nähe des Schwerpunktes eines Kraftfahrzeuges befestigt zu werden, wobei eine bestimmte Ausrichtung in dem Kraftfahrzeug angestrebt wird.
Insbesondere weist die Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 drei Linear-Beschleunigungssensoren 31, 32, 33 auf (Fig. 7), die derart angeordnet sind, dass jeweils einer der Beschleuni- gungssensoren eine Beschleunigung oder Beschleunigungskomponente des Fahrzeuges in Richtung der Achsen eines kartesi- schen Koordinatensystems misst, wobei die x-Achse nach vorne in Längsrichtung des Fahrzeuges weist, die y-Achse quer zur Längsachse gerichtet ist und die z-Achse (bei horizontal aus- gerichtetem Fahrzeug) senkrecht nach oben weist. Ein derartiges Koordinatensystem ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Diese Figur zeigt ein Straßenkraftfahrzeug 20 mit zwei lenkbaren Vorderrädern 21, 22 und zwei nicht lenkbaren Hinterrädern 23, 24. Die Vorderräder sind in dem dargestellten Zu- stand nach links eingeschlagen und weisen gegen die x-Achse einen Lenkwinkel von δL (linkes Vorderrad 21) bzw. δR (rechtes Vorderrad 22) auf. Die Vorderräder 21, 22 haben einen Abstand (Radstand) sF, die Hinterräder 23, 24 einen Abstand sR voneinander. rR bezeichnet den Radius der Hinterräder 23, 24. In Längsrichtung etwa in der Mitte eines Fahrzeugaufbaus 25 ist die Messeinrichtung 1 angeordnet. Sie hat in Längsrich- tung einen Abstand lF von der Achse der Vorderräder 21, 22 und einen Abstand lR von der Achse der Hinterräder 23, 24.
Die Erfindung ist nicht auf Radfahrzeuge mit Vorderradlenkung beschränkt. Vielmehr können z. B. zusätzlich auch die Hinterräder lenkbar sein.
Ein Ausführungsbeispiel für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Beschleunigungs- Messeinrichtung 3 ist über eine Filtereinrichtung 5 mit der Auswertungseinrichtung 9 verbunden. Die Drehraten- Messeinrichtung 4 ist über die Filtereinrichtung 5 ebenfalls mit der Auswertungseinrichtung 9 verbunden.
Die in Fig. 2 dargestellte Filtereinrichtung 5 steht stellvertretend für weitere Filtereinrichtungen, die zusätzlich bei den in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Anordnungen oder bei abgewandelten Anordnungen vorgesehen sein können. Die von den Filtereinrichtungen durchgeführte Filterung von Messsig- nalen und/oder daraus abgeleiteten Signalen dient insbesondere der Eliminierung von etwaig vorhandenem Rauschen und der Eliminierung von hochfrequenten Schwankungen der Messsignale, beispielsweise auf Grund von Vibrationen des Fahrzeugaufbaus. Die Filtereinrichtungen können insbesondere zumindest ein Tiefpassfilter und/oder zumindest ein Bandpassfilter aufweisen.
Die Filtereinrichtung 5 filtert die von den Beschleunigungs- Messsensoren der Beschleunigungs-Messeinrichtung 3 gemessenen Beschleunigungssignale und die von den Drehraten-Messsensoren der Drehraten-Messeinrichtung 4 gemessenen Drehratensignale, bevor diese zu der Auswertungseinrichtung 9 übertragen werden.
Wie Fig. 3 zeigt können die Messeinrichtung 1 und die Auswertungseinrichtung 9 zusammen mit weiteren Einheiten und/oder Einrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse 2 angeordnet sein. Wie in der Figur dargestellt ist, kann die Auswertungseinrichtung 9 eine Berechnungseinheit 11 und eine Überwachungseinrichtung 10 aufweisen. Die Berechnungseinheit 11 dient der Berechnung der Relativbewegungen von Fahrzeugaufbau und Fahr- werk. Die Überwachungseinrichtung 10 dient der Überwachung der von der Messeinrichtung 1 erzeugten Messsignale.
Unter Verwendung von Messsignalen eines Lenkwinkels und einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die über einen Eingang 6 empfangen werden, führt die Überwachungseinrichtung 10 eine Überwachung von zumindest einer der von der Messeinrichtung 1 gemessenen Größen durch. Beispielsweise verwendet die Überwachungseinrichtung 10 für die Überwachung der Linearbeschleunigungen zumindest zwei Winkel (die durch Integration der Drehraten erhaltenen Wankwinkel und Nickwinkel des Fahrzeuges) , die ein Maß für die Orientierung des Fahrzeuges in einem erdfesten Koordinatensystem sind. Auf diese Weise kann sie berücksichtigen, dass die gemessenen Linearbeschleunigungen abhängig von der Orientierung des Fahrzeuges relativ zu dem erdfesten Koordinatensystem eine Komponente enthalten, die auf die Erdanziehung zurückzuführen ist.
Wie ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist, kann die Berech¬ nungseinheit 11 z. B. mit einer Dämpfungs-Stelleinrichtung 12 verbunden sein, um (wie bereits erläutert) eine Dämpfung einer Federung zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugaufbau einzustellen. Über eine Schnittstelle 13, mit der z. B. die Dämpfungs-Stelleinrichtung 12 verbunden ist (und die alternativ direkt mit der Berechnungseinheit 11 verbunden sein kann) , können entsprechende Informationen über eine solche
Fahrsituation an ein System ausgegeben werden, das die Höhenstände und/oder die von der Messeinrichtung gemessenen Linearbeschleunigungen und/oder Drehraten als Eingangsgrößen verwendet .
Im Folgenden wird nun auf ein Beispiel für die Berechnung der Relativbewegung eingegangen, die beispielsweise von der Be- rechnungseinheit 11 durchgeführt wird. Dabei wird ein physikalisches Fahrzeugmodell verwendet.
Bei dem Modell wird der Fahrzeugaufbau als starrer Körper be- trachtet, d. h. es werden keine Elastizitäten des Fahrzeugaufbaus zugelassen. Jedoch ist eine (insbesondere gedämpfte) Federung zwischen den Rädern und dem Fahrzeugaufbau berücksichtigt . Weiterhin werden drei Freiheitsgrade der Relativbewegung zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugaufbau zugelas- sen, nämlich eine lineare Bewegung in z-Richtung (z. B. die Bewegung eines Punktes im Fahrzeugaufbau, an dem die Messeinrichtung misst) , eine erste Drehbewegung um eine waagerecht in dem Fahrzeug verlaufende erste Drehachse (insbesondere die x-Achse) und eine zweite Drehbewegung um eine waagerecht in dem Fahrzeug verlaufende zweite Drehachse (insbesondere die y-Achse) , die quer zu der ersten Drehachse verläuft.
Fig. 4 und Fig. 5 stellen das Modell schematisch dar. Ein Fahrzeugaufbau 28 hat einen Schwerpunkt CG und ist über Fe- dern 40, 41, 43 (gezeigt sind in den beiden Figuren nur drei der vier Räder) und über parallel zu den Federn 40, 41, 43 wirkende Dämpfungsglieder 44, 45, 47 einzeln mit den vier Rädern 21, 22, 23, 24 verbunden. Da die Räder 21, 22, 23, 24 nicht unmittelbar mechanisch miteinander gekoppelt sind, kann man auch von einem Fünf-Massen-Modell sprechen. Die Räder 21, 22, 23, 24 stehen auf dem Untergrund 30 (z. B. einer Fahrbahn) auf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass unter bestimmten Voraussetzungen dem Fünf-Massen-Modell ein Zwei-Massen-Modell äquivalent ist, bei dem die Räder und weitere Teile des Fahr- werks eine Masse bilden und der Fahrzeugaufbau die andere
Masse bilden. Anstelle der einzelnen Federn zwischen den Rädern und dem Fahrzeugaufbau wird jeweils eine einzige Summenfeder und (optional) jeweils eine zugehörige Dämpfung für jeden der drei genannten Freiheitsgrade betrachtet. Dennoch ist es möglich mit dem Zwei-Massen-Modell die Federwege oder Höhenstände an den vier Rädern einzeln zu berechnen. Im Rahmen des Modells werden die folgenden Differentialgleichungen gelöst:
Figure imgf000013_0001
KPL S + γpL\& = -cPax e) - ώy kAz+TAz = -a^
Dabei sind κR , κp , k Parameter des Fahrzeuges, die einer linearen Federkraft der jeweiligen Bewegungskomponente des Freiheitsgrades entsprechen, γR , γp ι T Parameter des Fahrzeuges, die einem linearen Dämpfungsterm der jeweiligen Bewegungskomponente entsprechen, cR , cp weitere Parameter des Fahrzeuges, Aφ der relative Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die x-Achse (Wankwinkel) , S der relati- ve Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die y- (e) . _ Achse (Nickwinkel) und a j ij — ^y^ die von der am Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus angeordneten Messeinrichtung gemessenen effektiven Linearbeschleunigungen in x-, y- und z- Richtung .
Sämtliche Parameter können vorab beispielsweise experimentell und/oder rechnerisch für ein bestimmtes Fahrzeug oder einen bestimmten Fahrzeugtyp bestimmt werden.
Damit lassen sich die Differentialgleichungen (insbesondere numerisch) lösen und die Bewegungen in den drei Freiheitsgraden Aφ , A3 und Δz wiederholt (z. B. mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz) bestimmen.
Durch Einsetzen in die Federwegsgleichungen
Figure imgf000013_0002
erhält man die Fede
Figure imgf000014_0001
rwege Δhj, J — rL, rR, RL, (der erste In- dex F steht für "Front" bzw. "vorne", der erste Index R steht für "Rear" bzw. "hinten", der zweite Index L steht für "links" und der zweite Index R steht für "rechts"), wobei SF der Radstand der Vorderräder ist, SH der Radstand der Hinterräder ist und lF , lR die bereits anhand von Fig. 6 einge- führten Abstände der Messeinrichtung in x-Richtung von der Vorderachse bzw. der Hinterachse sind.
Wie zuvor erwähnt, setzt dieses Modell den Fahrzeugaufbau als in sich starrer Körper voraus und ist damit in guter Näherung für die Fahrt von Kraftfahrzeugen auf Straßen geeignet. Das Modell berücksichtigt, wie beschrieben, Wank- und Nickbewegungen und ist daher insbesondere für Fahrsituationen und/oder Fahrzeuge geeignet, bei denen solche Bewegungen auftreten. Dies ist vor allem bei Fahrzeugen mit hoch über dem Fahrwerk gelegenem Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus der Fall, z. B. bei Lastkraftwagen und geländetauglichen Fahrzeugen.
Bei dem oben angegebenen Satz von drei Differentialgleichungen können insbesondere die folgenden Änderungen vorgenommen werden oder Alternativen realisiert werden: - die Federn können als nichtlineare Federn beschrieben werden, - in einer oder mehreren der Gleichungen, insbesondere in der Gleichung für den Nickwinkel A3 , kann eine Vertei- lung einer Bremskraft oder von Bremskräften und/oder einer Antriebskraft oder von Antriebskräften (z. B. bei Allrad-angetriebenen Fahrzeugen) über die Räder zusätzlich berücksichtigt werden und/oder die Gleichungen können zumindest teilweise gekoppelt sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges (20) , mit einer in dem Radfahrzeug (20) angeordneten oder anorden- baren Messeinrichtung (1 ) , wobei die Messeinrichtung (1) ausgestaltet i st, drei jeweils quer zueinander gerichtete Line- arbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und zumindest zwei Drehraten, j eweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20 ) , zu messen, wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und - einer Auswertungseinrichtung (9) , die mit der Messeinrichtung (1 ) kombiniert ist und ausgestaltet ist, unter Verwendung der drei Linearbeschleunigungen und der zumindest zwei Drehraten eine momentane Bewegungsposition der Relativbewegung zu bestimmen .
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (1) Beschleunigungssensoren (31, 32, 33) zur Messung der Linearbeschleunigungen und Drehratensensoren (41, 42, 43) zur Messung der Drehraten aufweist und wobei die Beschleunigungssen- soren (31, 32, 33) und die Drehratensensoren Teile einer vorgefertigten, zum Einbau in das Radfahrzeug (20) ausgestalteten gerätetechnischen Einheit (2) sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinrich- tung (1) derart ausgestaltet ist, dass die drei Linearbeschleunigungen als linear voneinander unabhängige Messgrößen messbar sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messeinrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswertungseinrichtung (9) eine Berechnungseinheit (11) aufweist, die ausgestaltet ist, unter Verwendung der zumindest zwei Drehraten und der drei Linearbeschleunigungen eine Mehrzahl von momentanen Bewegungspositionen zu berechnen, wobei jede der Bewegungspositionen ein Maß für einen Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und zumindest einem Rad des Fahrwerks ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auswertungseinrichtung (9) eine Berechnungseinheit (11) aufweist, die ausgestaltet ist, die momentane Bewegungsposition unter Berücksichtung einer, insbesondere gedämpften, Federung (40, 41, 43) zwischen zumindest einem der Räder (21, 22, 23, 24) des Radfahrzeuges (20) und einem Fahrzeugaufbau (28) zu berechnen.
7. Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrwerks und eines beweglich mit dem Fahrwerk verbundenen
Fahrzeugaufbaus eines Radfahrzeuges (20), wobei in dem Radfahrzeug (20) drei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und zumindest zwei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder ei- ner Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20) , gemessen werden, wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und unter Verwendung der drei Linearbeschleunigungen und der zumindest zwei Drehraten eine momentane Bewegungsposition der Relativbewegung bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Linearbeschleunigungen mit Beschleunigungssensoren (31, 32, 33) und die Drehraten mit Drehratensensoren (41, 42, 43) gemessen werden und wobei die Beschleunigungssensoren (31, 32, 33) und die Drehratensensoren Teile einer vorgefertigten, in dem Radfahrzeug (20) angeordneten gerätetechnischen Einheit (1) sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die drei Linearbeschleunigungen als linear voneinander unabhängige Messgrößen gemessen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zumindest zwei Koordinatenachsen der Drehraten jeweils paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei unter Verwendung der zumindest zwei Drehraten und der drei Linearbeschleunigungen eine Mehrzahl von momentanen Bewegungspositionen berechnet wird und wobei jede der Bewegungspositionen ein Maß für einen Abstand zwischen dem Fahrzeugaufbau und zu- mindest einem Rad des Fahrwerks ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die momentane Bewegungsposition unter Berücksichtung einer, insbesondere gedämpften, Federung (40, 41, 43) zwischen zumin- dest einem der Räder (21, 22, 23, 24) des Radfahrzeuges (20) und einem Fahrzeugaufbau (28) berechnet wird.
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