WO2017178151A1 - Verfahren zur ermittlung der querbeschleunigung eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der querbeschleunigung eines kraftfahrzeugs Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the lateral acceleration of a motor vehicle and a motor vehicle for the application of such a method.
  • the lateral acceleration is measured by means of the lateral acceleration sensor, whereby the lateral acceleration and the acceleration in the direction of the vertical axis are used to determine the angle of inclination.
  • the measured values of lateral acceleration sensors are influenced by gravity, especially at high angles of inclination.
  • the use of lateral acceleration sensors is particularly advantageous in passenger cars, since in this case relatively low roll angles are achieved.
  • inclinations of up to 60 degrees can be achieved, so that gravitational force has a major influence on the measured value of the lateral acceleration sensor.
  • such lateral acceleration sensors must be installed in a corresponding motor vehicle.
  • the motor vehicle has at least one first sensor for determining a speed of the vehicle and a second sensor for determining the yaw rate determined about a vertical axis of the vehicle.
  • the second sensor can determine the yaw rate directly or the yaw rate can be determined from the determined sensor values. This yaw rate corresponds to a rotational acceleration of the motor vehicle about its vertical axis.
  • a lateral acceleration of the motor vehicle is calculated from the speed and the yaw rate.
  • the yaw rate ⁇ ⁇ which describes a rotational speed about the vertical axis of the motor vehicle, the vehicle speed v and the circumference 2 ⁇ can
  • a sensor for determining the vehicle speed and a rotation rate sensor are already installed on most motor vehicles.
  • the measured values of such sensors are already used for a wide variety of tasks.
  • the lateral acceleration can thus be determined from measured values of sensors that are already installed in almost every vehicle.
  • a banking angle of the motor vehicle is determined from the lateral acceleration.
  • the lateral acceleration determined from the yaw rate and the vehicle speed correlates with the inclination on a motorcycle, due to the influence of the oblique position on the measuring axis of the yaw rate.
  • the skew angle can thus be determined directly from the lateral acceleration.
  • the resulting lateral acceleration and the inclination are not influenced by the gravitational force.
  • a method for determining a banking angle of a motor vehicle, in particular of a motor cycle or a car, wherein first a lateral acceleration is determined according to at least one of the previously explained embodiments, wherein a banking angle is determined from the determined lateral acceleration.
  • the transverse acceleration determined according to the preceding embodiments and, if appropriate, the angle of inclination has an error increasing with the angle of inclination ⁇ of the motor vehicle whose error course is essentially determined by cos.
  • the ascertained lateral acceleration is smaller than the actual lateral acceleration when the banking angle .beta. Is increasing, but it is possible qualitatively to differentiate between different driving states of the motor vehicle. In a motorcycle, for example, between low inclination in a straight ahead, or cornering near the maximum angle of inclination.
  • the accuracy of the determined lateral acceleration and possibly derived therefrom inclined position is completely sufficient, for example, for the adjustment of suspension elements on the motor vehicle.
  • the determined lateral acceleration is compared with a measured lateral acceleration, which is measured directly by a lateral acceleration sensor and referred to as the second lateral acceleration in the following section, in order to provide a roll angle of the motor vehicle.
  • the roll angle of the motor vehicle is essentially also a banking angle, which remains in a car, for example within an angle of 20 ° or 25 °.
  • the determined first lateral acceleration decreases with increasing inclinations or roll angle according to cos ⁇ , whereas the measured second transverse acceleration has a negligible error with a small roll angle.
  • a transverse acceleration or banking angle determined in accordance with the preceding embodiments is used for adjusting chassis elements of the motor vehicle, in particular for adjusting a damping force of a vibration damper.
  • a motor vehicle in particular a motorcycle or a car, for applying the method according to one of the claims 1 to 5 or at least one of the previously described embodiments proposed.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a motorcycle
  • FIG. 2 Comparison of measured values of various sensor arrangements.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated motorcycle 10 with multiple suspension elements 12.
  • the chassis elements 12 may be formed here, for example, by a strut and a fork or other known suspension elements. However, these are only shown schematically as a vibration damper.
  • the motorcycle 10 further includes a first sensor 14 for determining the speed v of the motorcycle 10.
  • the first sensor 14 is in this case arranged on the front wheel 15, in particular on a spring fork associated with the front wheel 15. This can for example determine a rotational speed of the front wheel 15 and determine therefrom the speed v of the motorcycle 10.
  • the motorcycle 10 includes a second sensor 16.
  • This second sensor 16 is hereby arranged by way of example on the structure 18 and designed as a rotation rate sensor.
  • the second sensor 16 may determine a rolling acceleration, a rolling speed, a pitching acceleration, a pitching speed, a yawing acceleration and a yawing speed about a longitudinal axis 18a, a transverse axis 18b and about a vertical axis 18c.
  • a rotational speed is detected, wherein rotation arrows are drawn to illustrate the rotational movement.
  • the transverse axis 18b is here drawn obliquely for better illustration, but this protrudes into the image plane or protrudes from this.
  • the motorcycle 10 can perform an inclination about its longitudinal axis 18a during the travel, so that the vertical axis 18c is inclined relative to a surface normal 20a of a roadway 20 by an angle of inclination ⁇ .
  • the vertical axis 18c is shown by way of example with a skew angle ⁇ with respect to the surface normal 20a.
  • the motorcycle 10 turns when cornering in an inclined position, wherein the inclination depends essentially on the radius of curvature r and the speed v of the motorcycle 10.
  • a transverse acceleration acting on the motorcycle 10 also correlates with the turning radius r and the speed v of the motorcycle.
  • the lateral acceleration a of the motorcycle 10 can be according to the previous
  • FIG. 2 shows a comparison between the angle of inclination ⁇ , determined by a complex and precise construction which can also be used, for example, for inclined ABS systems and for traction controls, as well as the transverse acceleration a, which is described in the foregoing Executions is determined, shown.
  • the time is plotted, and along the respective Y-axis 24a an angle in ° (degrees), along the Y-axis 24b an acceleration, for example in -, and along the Y-axis 24b, the speed ,
  • lateral acceleration of the associated skew angle ß can be determined or calculated. It is possible to adjust the vehicle elements 12 of the motorcycle 10 from the determined lateral acceleration or a skew angle determined therefrom. Likewise, a clear distinction can be made between a high angle and a low angle. As a result, in particular, an associated vibration damper can be reduced in its damping effect when cornering at high banking angle, so that, for example, an overloading of the tire is prevented. The quality of the detected signal is perfect for adjusting suspension components.

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs (10), insbesondere eine Motorrads oder PKWs, wobei das Kraftfahrzeug (10) einen ersten Sensor (14) zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (10) und einen zweiten Sensor (16) zur Ermittlung eine Gierrate um eine Hochachse (18c) des Kraftfahrzeugs (10) aufweist, wobei die aus der Geschwindigkeit und der Gierrate die Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs (10) berechnet wird. Zudem ist ein Kraftfahrzeug (10), insbesondere ein Motorrad oder ein Auto, zur Anwendung des Verfahrens gemäß einer der vorigen Ansprüche beschrieben.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug zur Anwendung eines derartigen Verfahrens.
Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Querbeschleunigung ist beispielsweise in der WO2010/054887A1 offenbart, bei der die Schräglage eines Motorrads ermittelt werden soll. Dabei wird die Querbeschleunigung mithilfe des Querbeschleunigungs- sensors gemessen, wobei die Querbeschleunigung und die Beschleunigung in Richtung der Hochachse zur Ermittlung des Schräglagenwinkels verwendet werden. Die Messwerte von Querbeschleunigungssensoren werden dabei durch die Schwerkraft beeinflusst, insbesondere bei großen Neigungswinkeln. Die Verwendung von Querbeschleunigungssensoren ist dabei bei PKWs besonders vorteilhaft, da hierbei relativ geringe Rollwinkel erreicht werden. Bei Motorrädern können dabei Schräglagen um die 60 Grad erreicht werden, sodass die Erdanziehungskraft einen großen Einfluss auf den Messwert des Querbeschleunigungssensors ausübt. Zudem müssen in einem entsprechenden Kraftfahrzeug derartige Querbeschleunigungssensoren verbaut sein.
Es ist daher Aufgabe ein Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches auf einfache Art und Weise sowie unter Einsparung zusätzlicher Sensoren durchgeführt werden kann, wobei die ermittelte Querbeschleunigung nicht von der Erdanziehung beeinflusst wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind entsprechend vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten erläutert.
Ein derartiges Verfahren kann beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Motorrädern und PKWs, verwendet werden. Dabei weist das Kraftfahrzeug zumindest einen ersten Sensor zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs und einen zweiten Sensor zur Ermittlung der Gierrate um eine Hochachse des Fahrzeugs ermittelt, aufweist. Dabei kann der zweite Sensor die Gierrate direkt ermittelt oder die Gierrate aus den ermittelten Sensorwerten bestimmt werden. Diese Gierrate entspricht einer Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs um dessen Hochachse.
Dabei wird aus der Geschwindigkeit und der Gierrate eine Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs berechnet.
Die Gierrate ωζ, die eine Rotationsgeschwindigkeit um die Hochachse des Kraftfahrzeugs beschreibt, die Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Kreisumfang 2πτ können
360°
gemäß 2nr = v in Zusammenhang gestellt werden. Dabei entspricht der ωζ
Kreisumfang der Geschwindigkeit des Fahrzeugs multipliziert mit der Zeit, die für eine Rotations des Kraftfahrzeugs um 360° benötigt wird.
Die Zentrifugalkraft stellt hierbei einen Zusammenhang zwischen dem Kreisradius r, der Geschwindigkeit v und der Querbeschleunigung α gemäß a =— dar.
r
Setzt man diese Zusammenhänge ineinander ein und stellt nach der Querbeschleunigung o um, so erhält man a = v · ωζ · -^—o.
Es wird daher vorgeschlagen, dass die Querbeschleunigung a aus der Geschwindigkeit v und der Gierrate ω7 durch die Formel a = v · ωζ · -ΊΤΤ ermittelt wird.
180
Dabei sind an den meisten Kraftfahrzeugen bereits ein Sensor zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie ein Drehratensensor verbaut. Die Messwerte derartiger Sensoren werden dabei bereits für unterschiedlichste Aufgaben verwendet. Die Querbeschleunigung lässt sich somit aus Messwerten von Sensoren ermitteln, die bereits in fast jedem Fahrzeug verbaut sind.
Mit besonderem Vorteil wird aus der Querbeschleunigung ein Schräglagenwinkel des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Motorrads, ermittelt. Dabei korreliert die aus der Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelte Querbeschleunigung bei einem Motorrad mit der Schräglage, aufgrund des Einflusses der Schräglage auf die Messachse der Gierrate. Der Schräglagenwinkel kann somit direkt aus der Querbeschleunigung ermittelt werden. Zudem wird die hierdurch ermittelte Querbeschleunigung und die Schräglage nicht durch die Erdanziehungskraft beeinflusst.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung eines Schräglagenwinkels eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Motorrads oder eines PKWs, vorgeschlagen, wobei zunächst eine Querbeschleunigung gemäß zumindest einer der zuvor erläuterten Ausführungsvarianten ermittelt wird, wobei aus der ermittelten Querbeschleunigung ein Schräglagenwinkel ermittelt wird.
Die nach den vorigen Ausführungen ermittelte Querbeschleunigung und gegebenenfalls der Schräglagenwinkel, weist einen mit dem Schräglagenwinkel ß des Kraftfahrzeugs ansteigenden Fehler auf, dessen Fehlerverlauf im Wesentlichen durch cos ß bestimmt ist.
Die ermittelte Querbeschleunigung ist bei ansteigendem Schräglagenwinkel ß geringer als die tatsächliche Querbeschleunigung, allerdings kann qualitativ richtig zwischen verschiedenen Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs unterschieden werden. Bei einem Motorrad beispielsweise zwischen geringer Schräglage in einer Geradeausfahrt, oder einer Kurvenfahrt nahe des maximalen Schräglagenwinkels. Die Genauigkeit der ermittelten Querbeschleunigung und der gegebenenfalls daraus ermittelten Schräglage ist beispielsweise für die Verstellung von Fahrwerkselementen an dem Kraftfahrzeug vollkommen ausreichend.
Mit besonderem Vorteil wird die ermittelte Querbeschleunigung, in dem folgenden Abschnitt als erste Querbeschleunigung bezeichnet, mit einer gemessenen Querbeschleunigung, die von einem Querbeschleunigungssensor direkt gemessen und im folgenden Abschnitt als zweite Querbeschleunigung bezeichnet wird, verglichen, um einen Wankwinkel des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Dabei ist der Wankwinkel des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen ebenfalls ein Schräglagenwinkel, der bei einem PKW beispielsweise innerhalb eines Winkels von 20° o- der 25° verbleibt. Die ermittelte erste Querbeschleunigung nimmt mit ansteigendem Schräglagen oder Wankwinkel gemäß cos ß ab, wohingegen die gemessene zweite Querbeschleunigung bei kleinem Wankwinkel einen vernachlässigbaren Fehler aufweist. Durch Vergleich der ermittelten ersten Querbeschleunigung und der gemessenen zweiten Querbeschleunigung, insbesondere durch deren Differenzwert, lässt sich der Wankwinkel ermitteln.
In einer Vorteilhaften Ausführungsvariante wird eine gemäß den vorigen Ausführungen ermittelte Querbeschleunigung oder Schräglagenwinkel zur Verstellung von Fahrwerkselementen des Kraftfahrzeugs zu verwendet, insbesondere zur Verstellung einer Dämpfkraft eines Schwingungsdämpfers.
Hierdurch lässt sich bei großen Schräglagen kostengünstig eine Überdämpfung des Reifens durch korrekte Verstellung der Fahrwerkselemente realisieren.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Motorrad oder ein Auto, zur Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5 oder zumindest einer der zuvor erläuterten Ausführungsvarianten vorgeschlagen.
Die Erfindung wird im Weiteren nochmals beispielhaft anhand der folgenden beiden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Motorrads;
Figur 2 Vergleich von Messewerten verschiedener Sensoranordnungen.
Figur 1 zeigt ein schematisch dargestelltes Motorrad 10 mit mehreren Fahrwerkselementen 12. Die Fahrwerkselemente 12 können hierbei beispielsweise durch ein Federbein sowie eine Federgabel oder sonstige bekannte Fahrwerkselemente ausgebildet sein. Hierbei sind diese jedoch lediglich schematisch als Schwingungsdämpfer dargestellt. Das Motorrad 10 umfasst weiterhin einen ersten Sensor 14 zur Ermittlung der Geschwindigkeit v des Motorrads 10. Der erste Sensor 14 ist hierbei am Vorderrad 15 angeordnet, insbesondere an einer dem Vorderrad 15 zugehörigen Federgabel. Dieser kann beispielsweise eine Rotationsgeschwindigkeit des Vorderrades 15 ermitteln und daraus die Geschwindigkeit v des Motorrads 10 bestimmen.
Des Weiteren umfasst das Motorrad 10 einen zweiten Sensor 16. Dieser zweite Sensor 16 ist hierbei beispielhaft an dem Aufbau 18 angeordnet und als Drehratensensor ausgebildet. Der zweite Sensor 16 kann hierbei eine Wankbeschleunigung, eine Wankgeschwindigkeit, eine Nickbeschleunigung, eine Nickgeschwindigkeit, eine Gierbeschleunigung sowie eine Giergeschwindigkeit um eine Längsachse 18a, eine Querachse 18b sowie um eine Hochachse 18c ermitteln.
Dabei wird eine Rotationsgeschwindigkeit erfasst, wobei Rotationspfeile zur Verdeutlichung der Rotationsbewegung eingezeichnet sind. Die Querachse 18b ist hierbei zur besseren Darstellung schräg eingezeichnet, wobei diese jedoch in die Bildebene hineinragt oder aus dieser herausragt.
Das Motorrad 10 kann während der Fahrt eine Neigung um dessen Längsachse 18a ausführen, sodass die Hochachse 18c gegenüber einer Flächennormale 20a einer Fahrbahn 20 um einen Schräglagenwinkel ß geneigt ist. Dabei ist die Hochachse 18c beispielhaft mit einem Schräglagenwinkel ß gegenüber der Flächennormale 20a eingezeichnet.
Dabei geht das Motorrad 10 bei Kurvenfahren in Schräglage über, wobei die Schräglage im Wesentlichen von dem Kurvenradius r und der Geschwindigkeit v des Motorrads 10 abhängt. Eine auf das Motorrad 10 wirkende Querbeschleunigung korreliert dabei mit ebenfalls mit dem Kurvenradius r und der Geschwindigkeit v des Motorrads. Die Querbeschleunigung a des Motorrads 10 lässt sich gemäß der vorigen
TT
Ausführungen durch α = v · ωζ · ermitteln. Dabei ist in der Figur 2 ein Vergleich zwischen dem Schräglagenwinkels ß, ermittelt durch ein aufwändigen und präzisen Aufbau, der beispielsweise auch für Schrägla- gen-ABS-Systeme sowie für Traktionskontrollen verwendet werden kann, sowie der Querbeschleunigung a, die gemäß der im vorigen beschriebenen Ausführungen ermittelt wird, gezeigt. Dabei ist entlang der X-Achse 22 die Zeit aufgetragen, sowie entlang der jeweiligen Y-Achse 24a ein Winkel in ° (Grad), entlang der Y-Achse 24b eine Beschleunigung, beispielsweise in -, sowie entlang der Y-Achse 24b die Geschwindigkeit.
Zur Ermittlung der in Figur 2 dargestellten Werte wurden mit einem Motorrad Kreise verschiedener Radien sowie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchfahren. Der Verlauf 26 zeigt die ermittelte Schräglage eines hochpräzisen Systems. Der Verlauf 28 hingegen stellt die Querbeschleunigung dar, die gemäß einem System nach den vorherigen Ausführungen ermittelte wurde. Zudem ist in dem Verlauf 30 die Geschwindigkeit des Motorrads 10 dargestellt. Man erkennt, dass das Querbeschleuni- gungssignal qualitativ sehr gut mit dem Schräglagensignal übereinstimmt.
Aus der ermittelten Querbeschleunigung kann der zugehörige Schräglagenwinkel ß ermittelt oder berechnet werden. Dabei ist es möglich aus der ermittelten Querbeschleunigung oder einem daraus ermittelten Schräglagenwinkel die Fahrzeugelemente 12 des Motorrads 10 zu verstellen. Ebenso kann klar zwischen einer hohen Schräglage sowie einer niedrigen Schräglage unterschieden werden. Dadurch kann insbesondere ein zugehöriger Schwingungsdämpfer bei einer Kurvenfahrt mit hohem Schräglagenwinkel in seiner Dämpfwirkung verringert werden, sodass beispielsweise eine Überbelastung des Reifens verhindert wird. Die Qualität des ermittelten Signals ist hierbei vollkommen zur Verstellung von Fahrwerkskomponenten.
Dieses beispielhaft erläuterte Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung kann im Wesentlichen unverändert auch bei PKWs verwendet werden. Bezugszeichen
Motorrad
Fahrwerkselement
erster Sensor / Geschwindigkeitssensor
Vorderrad
zweiter Sensor / Drehratensensor
Aufbau
a Längsachse
b Querachse
c Hochachse
Fahrbahn
a Flächennormale
X-Achse
,a,b,c Y-Achse
Verlauf / Schräglage
Verlauf / ermittelte Querbeschleunigung
Verlauf / Geschwindigkeit
Schräglagenwinkel

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ermittlung der Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs (10), insbesondere eine Motorrads oder PKWs, wobei
- das Kraftfahrzeug (10) einen ersten Sensor (14) zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (10) und einen zweiten Sensor (16) zur Ermittlung eine Gierrate um eine Hochachse (18c) des Kraftfahrzeugs (10) aufweist, wobei
- die aus der Geschwindigkeit und der Gierrate die Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs (10) berechnet wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung α aus der Geschwindigkeit v und der
te ω Z7 durch die Formel α = v · ω Z, · -^— ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Querbeschleunigung ein Schräglagenwinkel ( ?) des Kraftfahrzeugs (10) ermittelt wird.
4. Verfahren zur Ermittlung eines Schräglagenwinkels (ß) eines Kraftfahrzeugs (10), insbesondere eines Motorrads oder eines PKWs, wobei zunächst eine Querbeschleunigung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wird, wobei aus der ermittelten Querbeschleunigung ein Schräglagenwinkel (/?) ermittelt wird.
5. Verfahren zur Ermittlung eines Wankwinkels eines Kraftfahrzeugs (10), insbesondere eines PKWs, wobei zunächst eine erste Querbeschleunigung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wird, und wobei eine zweite Querbeschleunigung mithilfe eines Querbeschleunigungssensors gemessen wird, wobei aus der ersten Querbeschleunigung und der zweiten Querbeschleunigung, insbesondere aus deren Differenzwert, ein Wankwinkel des Kraftfahrzeugs (10) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Querbeschleunigung oder Schräglagenwinkel ( ?) zur Verstellung von Fahrwerkselementen (12) des Kraftfahrzeugs (10) zu verwendet wird.
7. Kraftfahrzeug (10), insbesondere ein Motorrad oder ein Auto, zur Anwendung des Verfahrens gemäß einer der vorigen Ansprüche.
PCT/EP2017/055113 2016-04-12 2017-03-06 Verfahren zur ermittlung der querbeschleunigung eines kraftfahrzeugs WO2017178151A1 (de)

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