WO2005056358A1 - Bestimmung von dynamischen achsfasten und/oder radlasten ei­nes radfahrzeuges - Google Patents

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WO2005056358A1
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Jens Fiedler
Andreas Mayer
Thomas Schweiger
Martin Stratesteffen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B60T2240/00—Monitoring, detecting wheel/tire behaviour; counteracting thereof
    • B60T2240/06—Wheel load; Wheel lift

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for determining dynamic axle loads and / or wheel loads of a wheeled vehicle.
  • Axle loads and wheel loads are input variables for electronic control systems of motor vehicles, eg. B. for an anti-lock braking system (ABS) and for a system for actively controlling the chassis or coupling the chassis to a vehicle body (for example, the so-called electronic stability program ESP).
  • ESP electronic stability program
  • Further examples are a protection system against rollover protection and systems for stabilizing roll movements in passenger and commercial vehicles and in trailers.
  • the invention particularly relates to a combination of the arrangement with at least one such system or with any combination of such systems.
  • the determination of dynamic axle loads and / or wheel loads of a wheeled vehicle it is proposed to measure at least two (preferably three) linear accelerations of the wheeled vehicle, each directed transversely to one another, and three rotation rates of the wheeled vehicle.
  • the three rotation rates are each a measure of a rotational movement or rotational movement component about a coordinate axis of the wheeled vehicle, the two or three coordinate axes each running transversely to one another and in particular forming a Cartesian coordinate system.
  • the term “axis” is not only understood to mean a rigid axis and / or an axis that is designed as a single object.
  • the wheels of an axle can be connected to one another, for example, only via a vehicle body and via shock-absorbing devices and / or suspension devices arranged between the vehicle body and the respective wheel. Furthermore, it is also possible for at least one of the axles to have only one wheel.
  • An axle load is understood to mean a load that acts on the wheels of an axle as a whole (e.g. from a vehicle body on the front wheels of a four-wheel vehicle) or (e.g. at the wheel contact points) from the wheels of the axle onto the Is exercised underground.
  • a wheel load is understood to mean a load that is applied to a single wheel of the vehicle (e.g. from a vehicle body to the right front wheel of a four-wheeled vehicle) or to a plurality of wheels of the vehicle (e.g. to the two right wheels of one) four-wheeled vehicle) acts or is exerted by the wheel or wheels on the ground.
  • the measuring device preferably has acceleration sensors for measuring the two (or three) linear accelerations and rotation rate sensors for measuring the three rotation rates, the acceleration sensors and the rotation rate sensors being 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).
  • 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 two (or three) linear accelerations can be measured by the measuring device as linearly independent measurement variables.
  • the directions of the accelerations or acceleration components respectively detected by the acceleration sensors form the axes of a three-dimensional rectangular coordinate system.
  • the measuring device is designed in such a way that the three coordinate axes each run in pairs perpendicular to one another.
  • the measuring device can e.g. B. have a separate sensor for each measured variable. However, there are also sensors that measure two of the above-mentioned measured variables at the same time (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 preferably attached to a vehicle body that is movable relative to a vehicle chassis.
  • 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 quantity is a dynamic acceleration quantity changed by the gravitational force of gravity.
  • the arrangement can have an orientation determining device which is designed to determine an orientation of the wheeled vehicle in a coordinate system external to the vehicle from the three rotation rates.
  • a monitoring device is also proposed which is designed to monitor at least one of the measured linear accelerations using an output variable of the orientation determination device and using a comparison variable.
  • the comparison variable in particular further variables not measured by the measuring device are used, for example a steering angle of at least one steerable wheel of the vehicle and / or a driving speed. If it is determined during the monitoring that a measured value of the measuring device z. B. is not reliable due to a sensor error, a suitable measure can be taken.
  • an axle load and / or at least one wheel load can be reliably calculated even in safety-critical driving situations, in particular when high accelerations and / or rapid rotational movements of the vehicle occur.
  • Examples of driving situations in which previously known methods for calculating the load cannot be used or can only be used to a limited extent relate to cornering, driving on sideways inclined ground and / or journeys when the vehicle body rotates sideways (when the vehicle body is swaying).
  • one term or several terms can be taken into account on the basis of the rotation rates and accelerations, about which previously no measured information was available.
  • These include: - Terms that take into account loads due to a movement of the vehicle and / or a vehicle body transverse to the plane of the ground, terms that take into account a relative movement between a vehicle body and a chassis of the vehicle, and / or Terms that take into account a moment of inertia of the vehicle and / or a vehicle part (in particular a vehicle body) during a rotational movement.
  • the evaluation device can have a calculation unit which is designed to calculate at least a partial axle load and / or a partial wheel load using a measured value measured by the measuring device for a linear acceleration directed transversely to the plane of a vehicle ground; to use the three rotation rates to calculate at least one partial axle load and / or one partial wheel load which is generated by a rotational movement of the wheeled vehicle and / or by a rotational movement of a part of the wheeled vehicle; and or - Taking into account a, in particular damped, suspension between at least one of the wheels of the wheeled vehicle and a vehicle body, the axle load and / or wheel load. to calculate
  • the calculation unit z. B a microprocessor.
  • the method according to the invention also makes it possible to make a reliable prediction of a driving situation, wherein at least two calculated axle loads and / or wheel loads are used to calculate in advance whether one wheel of the wheeled vehicle or several wheels of the wheeled vehicle will lose contact with a surface.
  • loads for different wheels of the vehicle are regarded as functions of time and these functions are repeatedly extrapolated, so that at least a future value of the loads is obtained in each case.
  • a system for actively controlling the undercarriage or coupling the undercarriage to a vehicle body can take a suitable measure to avoid the dangerous situation. For example, it is possible to brake individual or multiple wheels of the vehicle.
  • FIG. 1 is a road motor vehicle with an arrangement for determining dynamic axle loads and wheel loads
  • 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 rotate coaxially when the road motor vehicle 20 is traveling straight, i. H. 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 for determining axle loads and wheel loads of the road vehicle 20.
  • 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 special intended to be attached to or near the center of gravity of a motor vehicle, with a particular 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 measures an acceleration or acceleration component of the vehicle in the direction of the axes of a Cartesian coordinate system, wherein the x-axis points forward in the longitudinal direction of the vehicle, the y-axis is directed transversely to the longitudinal axis and the z-axis (in the case of a horizontally oriented vehicle) points 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 in the state shown and have a steering angle of ⁇ L (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 In the longitudinal direction approximately in the middle of a vehicle body 25, the measuring device 1 is arranged. It has a distance 1 F in the longitudinal direction from the axis of the front wheels 21, 22 and a distance 1 R from the axis of the rear wheels 23, 24.
  • the invention is not limited to wheel vehicles with front wheel steering. Rather, z.
  • the rear wheels can also 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.
  • Measuring device 4 is also connected to evaluation device 9 via 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 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 axle loads and / or wheel loads of the vehicle.
  • 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.
  • the monitoring device 10 uses for monitoring the linear accelerations at least two angles (the roll angle and pitch angle of the vehicle obtained by integrating the rotation rates), 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 calculation unit 11 can be connected to an extrapolation unit 12 in order (as already explained) to make a prediction about a driving situation in the future, in which at least one of the wheels of the vehicle makes contact with the vehicle No longer, or no longer adequately, underground.
  • an interface 13 to which the extrapolation unit 12 is connected Via an interface 13 to which the extrapolation unit 12 is connected, corresponding information about such a driving situation can be output to a system that initiates suitable measures to prevent the dangerous driving situation (eg roll-over protection).
  • the sums of several wheel loads are to be calculated in each case, in each case either all wheels on one axle or all wheels on one side of the vehicle being included. For example, on this
  • the front axle load, the rear axle load, the sum of the wheel loads of the right wheels and / or the sum of the wheel loads of the left wheels are calculated. Only two of the acceleration quantities measured by the measuring device are required for each of these calculations.
  • the linear acceleration in the z direction belongs in each case to these two acceleration quantities (FIG. 6). Which size is the second certificate size depends on the total to be calculated.
  • the acceleration in the x direction is used as the second linear acceleration variable.
  • the acceleration in the y direction is used as the second acceleration variable.
  • a term describing the inertia of the vehicle during a rotary movement is taken into account for each of these sums of wheel loads. All three rotation rates measured by the measuring device are preferably used for this term.
  • the vehicle is considered a rigid body, i. H. no terms are taken into account which represent a (in particular damped) suspension between the wheels and a vehicle body.
  • the dynamic front axle load jfp is defined as the sum of the contact forces of the front wheels and the dynamic rear axle load J ⁇ R as the sum of the contact forces of the rear wheels.
  • the forces can be calculated using the following equations:
  • a CG, j> J ⁇ x >> z are the measurement signals for the linear acceleration determined by the measuring device and in particular processed by filtering and / or further measures, assuming that the measuring device is at the center of gravity the vehicle is arranged. If this is not the case, the measured values are converted to the center of gravity.
  • l R and l F are the distances already introduced with reference to FIG. 6 between the measuring device and the rear axle or the front axle, rri y the mass of the vehicle, h CG the
  • J CG is the inertia tensor of the vehicle with respect to the center of gravity, the coordinate axes being oriented in the direction of the measuring directions of the sensors.
  • S F is the wheelbase that is assumed to be the same size for the front wheels and for the rear wheels.
  • the corresponding equation for the right wheels can be obtained by reversing the sign of the second addend on the right side of this equation. This takes into account that an acceleration in the y direction (that is, transversely to the direction of travel) has the opposite effect for the contact forces of the right wheels and the left wheels.
  • the sum of the wheel loads of the left wheels and / or the sum of the wheel loads of the right wheels can be used and the extrapolation already described can be carried out.
  • the sum of the wheel loads of the right wheels can be compared with the sum of the wheel loads of the right wheels. Since the corresponding equations sometimes contain identical terms, it may be sufficient for certain applications and / or in certain driving situations to evaluate the terms with the opposite sign. In these cases, the comparison can therefore be reduced to a calculation of the term or terms, the sign of which is reversed for the right wheels and for the left wheels. In the comparison, it can be checked in particular whether a predetermined limit value has been reached or exceeded. If this is the case, a signal is output to a system for stabilizing vehicle driving, for example.
  • the main features of the model described above are the assumption of a rigid vehicle and the creation of an angular momentum balance (or an equivalent balance) of the wheels in question (e.g. front wheels, rear wheels or left wheels). With such a model, however, the wheel loads of individual wheels cannot be determined.
  • measuring values of the measuring device arranged in the body can be determined.
  • a vehicle body 28 has a center of gravity CG and is via springs 40, 41, 43 (only three of the four wheels are shown in the two figures) and via 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).
  • K R r ⁇ i> - ⁇ parameters of the vehicle which correspond to a linear spring force of the respective movement component of the degree of freedom
  • ⁇ ⁇ , J p , T parameters of the vehicle which have a linear damping term.
  • c R , c p further parameters of the vehicle, ⁇ the relative angle of rotation between the vehicle body and chassis around the x-axis (roll angle), & the relative angle of rotation between vehicle body and chassis around the y-axis (pitch angle) and those arranged in the vehicle body
  • Measuring device measured linear accelerations in the x, y and z directions.
  • All parameters can be determined, 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 suitable for driving motor vehicles on roads. As described, this 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 non-linear springs, in one or more of the equations, in particular in the equation for the pitch angle ⁇ , 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 coupled at least in part.
  • simplifying assumptions can be made, e.g. B. the neglect of the mass of the chassis compared to the mass of the vehicle body, the assumption that the measuring point at which the measuring device measures the rotation rates and linear accelerations and / or through which the three axes of rotation run is the focus of the vehicle body and / or the assumption that the height difference (in the z direction) from the measuring point to the four points of attack, at which spring forces from the springs acting between the wheels and the vehicle body act on the vehicle body, is the same for all four wheels.
  • This simplified model is particularly suitable for vehicles with a low center of gravity of the vehicle body, for driving on level ground (as opposed to rough roads) and driving at high speed. For example, it can be determined in a specific embodiment whether one of these conditions is present. If this is the case, the calculation unit uses the simplified model. Otherwise, the underlying model is used, taking the suspension into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Bestimmung von dynamischen Achs­lasten und/oder dynamischen Radlasten eines Radfahrzeuges (20), wobei in dem Radfahrzeug (20) zumindest zwei jeweils quer zu­einander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und drei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder ei­ner Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20), gemessen werden (in Messeinrichtung 1), wobei die drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und unter Verwendung der zumindest zwei Linearbeschleunigun­gen und der drei Drehraten zumindest eine Achslast und/oder eine Radlast des Radfahrzeuges (20) bestimmt wird (in ­ Auswertungseinrichtung 9).

Description

Beschreibung
Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges.
Achslasten und Radlasten, d. h. auf ein Fahrwerk oder Teile eines Fahrwerks wirkende Kräfte, sind Eingangsgrößen für e- lektronische Steuerungssysteme von Kraftfahrzeugen, z. B. für ein Antiblockiersystem (ABS) und für ein System zur aktiven Steuerung des Fahrwerks oder der Kopplung des Fahrwerks mit einem Fahrzeugaufbau (beispielsweise das so genannte elektronische Stabilitätsprogramm ESP) . Weitere Beispiele sind ein Schutzsystem gegen ein Überschlagen des Fahrzeuges (roll- over-protection) und Systeme zur Stabilisierung von Wankbewe- gungen in Personen- und Nutzkraftfahrzeugen sowie in Anhängern.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kombination der Anordnung mit zumindest einem derartigen System oder mit einer beliebigen Kombination derartiger Systeme.
Aus DE 196 03 430 AI ist eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Achslasten bei einem Kraftfahrzeug bekannt. In einer Auswerteschaltung werden Signale eines Gierratensensors emp- fangen, die eine Nickbewegung des Kraftfahrzeugs wiedergeben, und aus den Signalen die Achslasten und/oder Radaufstands- kräfte des Kraftfahrzeuges berechnet. Insbesondere werden in einem Steuerrechner die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeuglängsrichtung bis zu dem Nickwinkel aufintegriert und die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeugquerrichtung bis zu dem
Wankwinkel aufintegriert . Aus dem Nickwinkel, dem Wankwinkel, der Geländesteigung, dem linken und dem rechten Radstand, der vorderen und der hinteren Spur sowie der Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Achslastverteilung berechnet werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anord- nung und ein Verfahren anzugeben, die eine Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges in einer Vielzahl realer Fahrsituationen erlauben. Insbesondere soll eine Bestimmung der Achslasten und/oder Radlasten gerade in sicherheitskritischen Situationen wie Kurvenfahr- ten, bei geneigter Fahrbahn und/oder bei wankendem Fahrzeugaufbau möglich sein.
Es wird vorgeschlagen, für die Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder Radlasten eines Radfahrzeuges zumindest zwei (vorzugsweise drei) jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges und drei Drehraten des Radfahrzeuges, zu messen. Die drei Drehraten sind jeweils ein Maß einer Drehbewegung oder Drehbewegungskomponente um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges, wobei die zwei oder drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen und insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem bilden.
Weiterhin wird folgendes vorgeschlagen: Eine Anordnung mit einer in dem Radfahrzeug angeordneten oder anordenbaren Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung ausgestaltet ist, zumindest zwei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges und drei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahr- zeuges, zu messen, wobei die drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und einer Auswertungseinrichtung, die mit der Messeinrichtung kombiniert ist und ausgestaltet ist, unter Verwendung der zumindest zwei Linearbeschleunigungen und der drei Drehraten zumindest eine Achslast und/oder eine Radlast zu bestimmen. Unter dem Begriff "Achse" wird nicht nur eine starre und/oder als einzelnes gegenständlich vorliegendes Bauteil ausgeführte Achse verstanden. Vielmehr können die Räder einer Achse bei- spielsweise lediglich über einen Fahrzeugaufbau sowie über zwischen dem Fahrzeugaufbau und dem jeweiligen Rad angeordneten Stoßdämpfungseinrichtungen und/oder Federungseinrichtungen miteinander verbunden sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass zumindest eine der Achsen lediglich ein Rad auf- weist.
Unter einer Achslast wird eine Last verstanden, die insgesamt auf die Räder einer Achse (z. B. von einem Fahrzeugaufbau auf die Vorderräder eines vierrädrigen Fahrzeuges) wirkt oder (z. B. an den Rad-Aufstandspunkten) von den Rädern der Achse auf den Untergrund ausgeübt wird. Unter einer Radlast wird eine Last verstanden, die auf ein einzelnes Rad des Fahrzeuges (z. B. von einem Fahrzeugaufbau auf das rechte Vorderrad eines vierrädrigen Fahrzeuges) oder auf eine Mehrzahl von Rädern des Fahrzeuges (z. B. auf die beiden rechten Räder eines vierrädrigen Fahrzeuges) wirkt oder von dem Rad bzw. den Rädern auf den Untergrund ausgeübt wird.
Vorzugsweise weist die Messeinrichtung Beschleunigungssenso- ren zur Messung der zwei (oder drei) Linearbeschleunigungen und Drehratensensoren zur Messung der drei Drehraten auf, wobei die Beschleunigungssensoren und die Drehratensensoren Teile einer vorgefertigten, zum Einbau in das Radfahrzeug ausgestalteten gerätetechnischen Einheit sind. 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 Fahr- zeugaufbaus des Radfahrzeuges innerhalb der Einheit. Weiterhin wird bevorzugt, dass die zwei (oder drei) Linearbeschleunigungen von der Messeinrichtung als linear voneinander unabhängige Messgrößen messbar sind. Vorzugsweise bilden die Richtungen der jeweils von den BeschleunigungsSensoren er- fassten Beschleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten die Achsen eines dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystems.
Entsprechendes wird für die Ausrichtung der drei Koordinaten- achsen bevorzugt, bezüglich denen die Komponenten des Drehvektors einer Drehbewegung des Fahrzeuges gemessen werden. Mit anderen Worten: Die Messeinrichtung ist derart ausgestaltet, dass die drei Koordinatenachsen 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) .
Vorzugsweise sind die Messsensoren der Messeinrichtung zur Messung der Drehraten und zur Messung der Linearbeschleunigungen an einem relativ zu einem Fahrzeug-Fahrwerk beweglichen Fahrzeugaufbau befestigt.
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 Erdanziehungs- kraft. Die wirkliche Beschleunigung kommt dann in der gemessenen Größe nicht vor.
In dieser Beschreibung wird die durch die Erdanziehungskraft veränderte dynamische Beschleunigungsgröße als effektive Be- schleunigungsgröße bezeichnet. Vorzugsweise werden bei der
Bestimmung der dynamischen Achslasten und/oder Radlasten die effektiven Beschleunigungswerte verwendet. Man erhält dann dynamische Lasten, die die statische Last (den Anteil der Erdanziehung bzw. Schwerkraft) enthalten. Bei Bedarf kann jedoch auch die rein dynamische Last ermittelt werden, z. B. durch Integration der drei Drehraten zur Bestimmung der Ori- entierung des Fahrzeuges relativ zu einem erdfesten Koordinatensystem und durch Eliminierung des statischen Anteils unter Verwendung von Informationen über die Orientierung.
Insbesondere hierfür kann die Anordnung eine Orientierungs- Bestimmungseinrichtung aufweisen, die ausgestaltet ist, aus den drei Drehraten eine Orientierung des Radfahrzeuges in einem fahrzeugexternen Koordinatensystem zu bestimmen. Um die von der Messeinrichtung gemessenen Größen auf etwaige Fehler überwachen zu können, wird ferner eine Überwachungseinrich- tung vorgeschlagen, die ausgestaltet ist, unter Verwendung einer Ausgangsgröße der Orientierungs-Bestimmungseinrichtung und unter Verwendung einer Vergleichsgröße eine Überwachung zumindest einer der gemessenen Linearbeschleunigungen durchzuführen. Zur Bestimmung der Vergleichsgröße werden insbeson- dere weitere, nicht von der Messeinrichtung gemessene Größen verwendet, beispielsweise ein Lenkwinkel zumindest eines lenkbaren Rades des Fahrzeuges und/oder eine Fahrgeschwindigkeit. Wird bei der Überwachung festgestellt, dass ein Messwert der Messeinrichtung z. B. aufgrund eines Sensorfehlers nicht zuverlässig ist, kann eine geeignete Maßnahme ergriffen werden .
Durch die Berücksichtigung der drei Drehraten und der zumindest zwei Beschleunigungen des Fahrzeuges kann selbst in si- cherheitskritischen Fahrsituationen, insbesondere wenn hohe Beschleunigungen und/oder schnelle Drehbewegungen des Fahrzeuges auftreten, zuverlässig eine Achslast und/oder zumindest eine Radlast berechnet werden. Beispiele für Fahrsituationen, in denen vorbekannte Verfahren zur Berechnung der Last nicht oder nur eingeschränkt anwendbar sind, betreffen Kurvenfahrten, Fahrten auf seitlich geneigtem Untergrund und/oder Fahrten bei seitlichen Drehbewegungen eines Fahrzeugaufbaus (bei wankendem Fahrzeugaufbau) .
In einem Rechenmodell zur Berechnung der Last, das in der Auswertungseinrichtung implementiert ist, kann auf Grund der Drehraten und Beschleunigungen beispielsweise ein Term oder können mehrere Terme berücksichtigt werden, über den/die bisher keine gemessenen Informationen zur Verfügung standen. Hierzu gehören: - Terme, die Lasten auf Grund von einer Bewegung des Fahrzeuges und/oder eines Fahrzeugaufbaus quer zu der Ebene des Untergrundes berücksichtigen, Terme, die eine Relativbewegung zwischen einem Fahrzeug- aufbau und einem Fahrwerk des Fahrzeuges berücksichti- gen, und/oder Terme, die ein Trägheitsmoment des Fahrzeuges und/oder eines Fahrzeugteils (insbesondere eines Fahrzeugaufbaus) bei einer Drehbewegung berücksichtigen.
Weiterhin können Terme in dem Rechenmodell berücksichtigt werden, die ein (insbesondere gedämpftes) elastisches Bewegungsverhalten eines Fahrzeugaufbaus relativ zu einem Fahrwerk berücksichtigen. Hierauf wird noch näher eingegangen.
Insbesondere kann die Auswertungseinrichtung eine Berechnungseinheit aufweisen, die ausgestaltet ist, - unter Verwendung eines von der Messeinrichtung gemessenen Messwertes für eine quer zu der Ebene eines Fahrzeug-Untergrundes gerichtete Linearbeschleunigung zumin- dest eine Teil-Achslast und/oder eine Teil-Radlast zu berechnen; unter Verwendung der drei Drehraten zumindest eine Teil- Achslast und/oder eine Teil-Radlast zu berechnen, die durch eine Drehbewegung des Radfahrzeuges und/oder durch eine Drehbewegung eines Teils des Radfahrzeuges erzeugt wird; und/oder - unter Berücksichtung einer, insbesondere gedämpften, Federung zwischen zumindest einem der Räder des Radfahrzeuges und einem Fahrzeugaufbau die Achslast und/oder Radlast . zu berechnen
Die Berechnungseinheit weist z. B. einen Mikroprozessor auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es weiterhin, eine zuverlässige Vorhersage einer FahrSituation zu machen, wobei unter Verwendung zumindest von zwei berechneten Achslasten und/oder Radlasten vorausberechnet wird, ob ein Rad des Radfahrzeuges oder mehrere Räder des Radfahrzeuges einen Kontakt mit einem Untergrund verlieren werden. Beispielsweise werden Lasten für verschiedene Räder des Fahrzeuges als Funktionen der Zeit betrachtet und werden diese Funktionen wiederholt extrapoliert, sodass zumindest jeweils ein zukünftiger Wert der Lasten erhalten wird. Durch Vergleich und/oder unter Verwendung der extrapolierten Lasten kann dann für den zukünftigen Zeitpunkt ermittelt werden, ob der Kontakt mit dem Unter- grund verloren gehen wird. Beispielsweise kann in einem solchen Fall ein System zur aktiven Steuerung des Fahrwerks oder der Kopplung des Fahrwerks mit einem Fahrzeugaufbau eine geeignete Maßnahme ergreifen, um die gefährliche Situation zu vermeiden. Z. B. ist es möglich, einzelne oder mehrere Räder des Fahrzeuges zu bremsen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung genommen und eine bevorzugte Ausführungsform be- schrieben. 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 dynamischer Achslasten und Radlasten, 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 zur Bestimmung von Achslasten und Radlasten des Straßenfahrzeuges 20 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 entsprechenden Messsensoren zur Messung der Beschleunigungen und Drehraten relativ zueinander positionsfest in der Einheit angeordnet sind. Die bautechnische Einheit ist insbesondere 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 Beschleunigungssensoren eine Beschleunigung oder Beschleunigungskomponente des Fahrzeuges in Richtung der Achsen eines kartesi- sehen 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 ausgerichtetem 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 Zustand nach links eingeschlagen und weisen gegen die x-Achse einen Lenkwinkel von δL (linkes Vorderrad 21) bzw. δR (rech- tes 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 1F von der Achse der Vorderräder 21, 22 und einen Abstand 1R von der Achse der Hinterräder 23, 24.
Die Erfindung ist nicht auf Radfahrzeuge mit Vorderradlenkung beschränkt. Vielmehr können z. B. zusätzlich auch die Hinter- räder lenkbar sein.
Ein Äusführungsbeispiel für die in Fig. 1 dargestellte 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 Messsignalen 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 wer- den.
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 von Achslasten und/oder Radlasten des Fahrzeuges. 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 berücksich- tigen, 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 Berechnungseinheit 11 mit einer Extrapolationseinheit 12 verbunden sein, um (wie bereits erläutert) eine Voraussage über eine in der Zukunft liegende Fahrsituation zu machen, in der zumindest eines der Räder des Fahrzeuges den Kontakt mit dem Un- tergrund nicht mehr oder nicht mehr in ausreichender Weise hält. Über eine Schnittstelle 13, mit der die Extrapolationseinheit 12 verbunden ist, können entsprechende Informationen über eine solche Fahrsituation an ein System ausgegeben werden, das geeignete Maßnahmen zur Verhinderung der gefährli- chen Fahrsittαation einleitet (z. B. Roll-Over-Protection) .
Im Folgenden wird nun auf die Berechnung der Achslasten und/oder Radlasten näher eingegangen, die beispielsweise von der Berechnungseinheit 11 durchgeführt wird bzw. durchgeführt werden.
Bei einer ersten Berechnungsart sollen jeweils die Summen von mehreren Radlasten berechnet werden, wobei in jedem Fall entweder alle Räder einer Achse oder alle Räder einer Seite des Fahrzeuges einbezogen sind. Beispielsweise kann auf diese
Weise bei einem vierrädrigen Radfahrzeug die Vorderachslast, die Hinterachislast, die Summe der Radlasten der rechten Räder und/oder die Summe der Radlasten der linken Räder berechnet werden. Für jede dieser Berechnungen werden jeweils nur zwei der von der Messeinrichtung gemessenen Beschleunigungsgrößen benötigt. Zu diesen beiden Beschleunigungsgrößen gehört in jedem Fall die Linearbeschleunigung in z-Richtung (Fig. 6) . Welche Größe die zweite Bescheinigungsgröße ist, hängt von der zu berechnenden Summe ab. Im Fall der Berechnung einer Achslast (Summe der Räder einer Achse) wird als zweite Line- arbeschleunigungsgröße die Beschleunigung in x-Richtung ver- wendet. Im Fall der Summe der Radlasten einer Seite des Fahrzeuges wird als zweite Beschleunigungsgröße die Beschleunigung in y-Richtung verwendet.
Außerdem wird für jede dieser Summen von Radlasten ein die Trägheit des Fahrzeuges bei einer Drehbewegung beschreibender Term berücksichtigt. Für diesen Term werden vorzugsweise alle drei von der Messeinrichtung gemessenen Drehraten verwendet.
Im Folgenden werden Beispiele für die Berechnung derartiger Summen von Radlasten auf der Basis von physikalischen Fahrzeugmodellen näher erläutert.
Bei einem ersten Modell wird das Fahrzeug als starrer Körper betrachtet, d. h. es werden keine Terme berücksichtigt, die eine (insbesondere gedämpfte) Federung zwischen den Rädern und einem Fahrzeugaufbau abbilden.
Die dynamische Vorderachslast jfp wird definiert als die Summe der Aufstandskräfte der Vorderräder und die dynamische Hinterachslast J^R als die Summe der Aufstandskräfte der Hinterräder. Die Kräfte können insbesondere nach folgenden Gleichungen berechnet werden:
- F ~
Figure imgf000014_0001
)
Figure imgf000014_0002
~1~ "/CGmV(lCG,x + CG,y) '( « "*" (F (e) ■ _
Dabei sind aCG,j>J ~ x> >z die von der Messeinrichtung ermittelten und insbesondere durch Filterung und/oder weitere Maß- nahmen aufbereiteten Messsignale für die Linearbeschleunigung unter der Annahme, dass die Messeinrichtung am Schwerpunkt des Fahrzeuges angeordnet ist. Ist dies nicht der Fall, so werden die Messwerte auf den Schwerpunkt umgerechnet. Weiterhin sind lR bzw. lF die bereits anhand von Fig. 6 eingeführten Abstände zwischen der Messeinrichtung und der Hinterachse bzw. der Vorderachse, rriy die Masse des Fahrzeuges, hCG die
Höhe des Schwerpunktes über dem Untergrund des Fahrzeuges und ^CG,x> ^CG, die x—Komponente bzw. die y-Komponente des Vektors
JCG = CG,ώ +ω x( CGώ J
Dabei ist JCG der Trägheitstensor des Fahrzeuges bezüglich des Schwerpunktes, wobei die Koordinatenachsen in Richtung der Messrichtungen der Sensoren orientiert sind. G) ist der Drehvektor des Fahrzeuges. Unter der Annahme, dass der Dreh- vektor in guter Näherung diagonal ist, erhält man für die beiden ersten Komponenten des Vektors JCG :
Figure imgf000015_0001
JCG,y = ICG,2^y + (JCG,1 ~ ICG,3)ωA
mit den Haupt -Trägheitsmomenten des Fahrzeuges * CG, > CG,2 > CG,3 (Diagonalelemente der 3 x 3 Trägheitsmoment-Matrix) und den Komponenten des Drehvektors ^,(0^ ,0). .
In entsprechender Weise erhält man eine Gleichung für die Summe der Radlasten -^FL '^' ^RL (der erste Index F steht für "Front" bzw. "vorne", der erste Index R steht für "Rear" bzw. "hinten", der zweite Index L steht für "links") der linken Räder:
1 h ^FL + *BL ~ ~ mvaCG,z "'CGmvaCG,y + CG,x ' SF ) 2 sF Dabei ist SF der Radstand, der für die Vorderräder und für die Hinterräder als gleich groß angenommen ist. Die entsprechende Gleichung für die rechten Räder erhält man, wenn man auf der rechten Seite dieser Gleichung das Vorzeichen des zweiten Summanden umkehrt. Dies berücksichtigt, dass sich eine Beschleunigung in y-Richtung (also quer zur Fahrtrichtung) für die Aufstandskräfte der rechten Räder und der linken Räder umgekehrt auswirkt.
Im Hinblick auf eine Verhinderung eines Fahrzeug-Überschlages (roll-over-protection) kann z. B. die Summe der Radlasten der linken Räder und/oder die Summe der Radlasten der rechten Räder verwendet werden und die bereits beschriebene Extrapolation durchgeführt werden. Insbesondere kann z. B. die Summe der Radlasten der rechten Räder mit der Summe der Radlasten der rechten Räder verglichen werden. Da die entsprechenden Gleichungen teilweise identische Terme enthalten kann es für bestimmte Anwendungen und/oder in bestimmten Fahrsituationen ausreichen, die Terme mit umgekehrtem Vorzeichen auszuwerten. Der Vergleich kann in diesen Fällen daher auf eine Berechnung des Terms bzw. der Terme reduziert werden, dessen bzw. deren Vorzeichen bei den rechten Rädern und bei den linken Rädern umgekehrt ist. Bei dem Vergleich kann insbesondere überprüft werden, ob ein vorgegebener Grenzwert erreicht oder über- schritten ist. Ist dies der Fall, wird beispielsweise ein Signal an ein System zur Stabilisierung des Fahrzeug- Fahrbetriebes ausgegeben.
Grundzüge des zuvor beschriebenen Modells sind die Annahme eines starren Fahrzeuges und die Erstellung einer Drehimpuls- Bilanz (oder einer äquivalenten Bilanz) der jeweils betrachteten Räder (z. B. Vorderräder, Hinterräder oder linke Räder) . Mit einem derartigen Modell lassen sich jedoch nicht die Radlasten einzelner Räder bestimmen.
Insbesondere wenn nicht zu vernachlässigende Bewegungen zwischen Aufbau und Fahrwerk auftreten, können dennoch mit Mess- werten der im Aufbau angeordneten Messeinrichtung (insbesondere mit einer IMU) Achslasten und/oder Radlasten bestimmt werden. Dazu wird vorgeschlagen, ein Fahrzeugmodell zu verwenden, das Elastizitäten zwischen dem Aufbau und dem Fahr- werk berücksichtigt.
Zur Bestimmung einzelner Radlasten eines vierrädrigen Fahrzeuges wird folgender Ansatz gemäß einem zweiten Modell vorgeschlagen: es werden Elastizitäten der Federung zwischen den Rädern (d. h. einem Fahrwerk) und einem starren Fahrzeugaufbau eingeführt. Weiterhin werden drei Freiheitsgrade der Relativbewegung zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugaufbau zugelassen, 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 ver- läuft.
Fig. 4 und Fig. 5 stellen das Modell schematisch dar. Ein Fahrzeugaufbau 28 hat einen Schwerpunkt CG und ist über Federn 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.
Durch Bilden entsprechender Drehimpuls-Bilanzen (oder äquivalenter Bilanzen, z. B. Drehmoment-Bilanzen) für das Fahrwerk wie oben für das starre Fahrzeug erläutert (d. h. zwei Gleichungen für jeweils zwei Räder, z. B. die Vorderräder und die Hinterräder) und durch Berücksichtigung der folgenden Differentialgleichungen κRA<? + yRA<p = cRa;( ) -ώx KpΔ£+γ Δτ3 = -cPaff -ώ ksz + ΓÄ = -a (β) z
können die einzelnen Radlasten berechnet werden. Dabei sind K R r κi>- ^ Parameter des Fahrzeuges, die einer linearen Fe- derkraft der jeweiligen Bewegungskomponente des Freiheitsgrades entsprechen, γÄ , Jp , T Parameter des Fahrzeuges, die einem linearen Dämpfungsterm. der jeweiligen Bewegungskomponente entsprechen, cR , cp weitere Parameter des Fahrzeuges, Δφ der relative Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die x-Achse (Wankwinkel) , & der relative Drehwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrwerk um die y-Achse (Nickwinkel) und
Figure imgf000018_0001
die von der im Fahrzeugaufbau angeordneten
Messeinrichtung gemessenen Linearbeschleunigungen in x-, y- und z-Richtung.
Sämtliche Parameter können beispielsweise experimentell und/oder rechnerisch für ein bestimmtes Fahrzeug oder einen bestimmten Fahrzeugtyp bestimmt werden.
Dieses Modell setzt den Fahrzeugaufbau als in sich starrer Körper voraus und ist damit in guter Näherung für die Fahrt von Kraftfahrzeugen auf Straßen geeignet. Dieses Modell berücksichtigt wie beschrieben Wank- und Nickbewegungen und ist daher insbesondere für Fahrsituationen und/oder Fahrzeuge ge- eignet, 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 Δ , kann eine Verteilung 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.
Zur Vereinfachung der Berechnung können vereinfachende Annahmen getroffen werden, wie z. B. die Vernachlässigung der Masse des Fahrwerks gegenüber der Masse des Fahrzeugau baus, die Annahme, dass der Messpunkt, an dem die Messeinrich- tung die Drehraten und Linearbeschleunigungen misst und/oder durch den die drei Drehachsen verlaufen, der Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus ist und/oder die Annahme, dass die Höhendifferenz (in z-Richtung) des Messpunktes zu den vier Angriffspunkten, an denen Feder- kräfte von zwischen den Rädern und dem Fahrzeugaufbau wirkenden Federungen an dem Fahrzeugaufbau angreifen, für alle vier Räder gleich groß ist.
In dem betrachteten Modell kann eine mathematische Grenzwert- bildung durchgeführt werden, wobei man die Federkräfte unendlich groß werden lässt (Grenzfall starrer Federn) . Dem entspricht in den oben angegebenen Differentialgleichungen der Fall κ.R , Kp, k — > ∞ . Man erhält die folgenden Berechnungsgleichungen für die einzelnen Radlasten: FFLIR,Z + JcG, .
Figure imgf000020_0001
( CGmraCG,y J CG,χ) SF lp + * R )
Figure imgf000020_0002
"* , 7 "CGmvaCG,y ~ ^ CG,x ) SF lF + iR)
wobei sich das Minuszeichen in dem Operator + der Gleichungen jeweils auf das linke Rad und das Pluszeichen sich jeweils auf das rechte Rad bezieht.
Dieses vereinfachte Modell ist insbesondere für Fahrzeuge mit niedrig gelegenem Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaus, für das Fahren auf ebenem Untergrund (im Gegensatz zu Schlechtwegstrecken) und das Fahren bei hoher Geschwindigkeit geeignet. Beispielsweise kann bei einer konkreten Ausführungsform festgestellt werden, ob eine dieser Bedingungen vorliegt. Ist dies der Fall, greift die Berechnungseinheit auf das vereinfachte Modell zurück. Andernfalls wird das zu Grunde liegende Modell mit Berücksichtigung der Federung angewendet.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder dynamischen Radlasten eines Radfahrzeuges (20) , mit einer in dem Radfahrzeug (20) angeordneten oder anorden- baren Messeinrichtung (1) , wobei die Messeinrichtung (1) ausgestaltet ist, zumindest zwei jeweils quer zueinander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und drei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20) , zu messen, wobei die drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und einer Auswertungseinrichtung (9) , die mit der Messein- richtung (1) kombiniert ist und ausgestaltet ist, unter Verwendung der zumindest zwei Linearbeschleunigungen und der drei Drehraten zumindest eine Achslast und/oder eine Radlast 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 drei Drehraten aufweist und wobei die Beschleunigungssensoren (31, 32, 33) und die Drehratensensoren (41, 42, 43) Teile einer vorgefertigten, zum Einbau in das Radfahrzeug (20) ausgestalteten gerätetechnischen Einheit (2) sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass die zumindest zwei Li- nearbeschleunigungen 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 drei Koordinatenachsen jeweils paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Messsensoren der Messeinrichtung (1) zur Messung der Drehraten und der Linearbeschleunigungen an einem relativ zu einem Fahrzeug-Fahrwerk (29) beweglichen Fahrzeugaufbau (28) befes- tigt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auswertungseinrichtung (9) eine Berechnungseinheit (11) aufweist, die ausgestaltet ist, unter Verwendung eines von der Messeinrichtung (1) gemessenen Messwertes für eine quer zu der Ebene eines Fahrzeug-Untergrundes (30) gerichtete Linearbeschleunigung zumindest eine Teil-Achslast und/oder eine Teil-Radlast zu berechnen.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Auswertungseinrichtung (9) eine Berechnungseinheit (11) aufweist, die ausgestaltet ist, unter Verwendung der drei Drehraten zumindest eine Teil-Achslast und/oder eine Teil-Radlast zu berechnen, die durch eine Drehbewegung des Radfahrzeuges und/oder durch eine Drehbewegung eines Teils des Radfahrzeuges erzeugt wird.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswertungseinrichtung (9) eine Berechnungseinheit (11) auf- weist, die ausgestaltet ist, 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) die Achslast und/oder Radlast zu berechnen.
9. Verfahren zur Bestimmung von dynamischen Achslasten und/oder dynamischen Radlasten eines Radfahrzeuges (20) , wobei in dem Radfahrzeug (20) zumindest zwei jeweils quer zu- einander gerichtete Linearbeschleunigungen des Radfahrzeuges (20) und drei Drehraten, jeweils einer Drehbewegung oder einer Komponente einer Drehbewegung um eine Koordinatenachse des Radfahrzeuges (20) , gemessen werden, wobei die drei Koordinatenachsen jeweils quer zueinander verlaufen, und unter Verwendung der zumindest zwei Linearbeschleunigungen und der drei Drehraten zumindest eine Achslast und/oder eine Radlast des Radfahrzeuges (20) bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zumindest zwei Linearbeschleunigungen als linear voneinander unabhängige Messgrößen gemessen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die drei Koordinatenachsen der Drehraten jeweils paarweise senk- recht zueinander verlaufen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Drehraten und die Linearbeschleunigungen als Drehraten und Linearbeschleunigungen eines relativ zu einem Fahrzeug- Fahrwerk (29) beweglichen Fahrzeugaufbaus (28) gemessen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei unter Verwendung eines in dem Radfahrzeug (20) gemessenen Messwer- tes für eine quer zu der Ebene eines Fahrzeug-Untergrundes (30) gerichtete Linearbeschleunigung zumindest eine Teil- Achslast und/oder eine Teil-Radlast berechnet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei unter Verwendung der drei Drehraten zumindest eine Teil-Achslast und/oder eine Teil-Radlast berechnet wird, die durch eine Drehbewegung des Radfahrzeuges (20) und/oder durch eine Drehbewegung eines Teils des Radfahrzeuges (20) erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei 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) die Achslast und/oder Radlast berechnet wird.
17. Verfahren zur Vorhersage einer Fahrsituation, wobei unter Verwendung zumindest zweier gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 berechneten Achslasten und/oder Radlasten vorausberechnet wird, ob ein Rad (21, 22, 23, 24) des Radfahrzeuges (20) oder mehrere Räder (21, 22, 23, 24) des Radfahrzeuges (20) einen Kontakt mit einem Untergrund (30) verlieren wird/werden.
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