DE10122808A1 - Informationssystem Reibungseigenschaften Fahrbahn-Reifen - Google Patents

Informationssystem Reibungseigenschaften Fahrbahn-Reifen

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DE10122808A1
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Description

Die Erfindung beinhaltet ein Informationssystem, das den Fahrer/die Fahrerin (Fahrzeugführer) eines Kraftfahrzeuges über die Reibungseigenschaften des Kontaktes Fahrbahn-Reifen informiert. Diese Information kann auf Anforderung oder kontinuierlich erfolgen und z. B. optisch auf dem Armaturenbrett dargestellt werden. Die Information über die Reibungseigenschaften wird aus den dynamischen Daten der Fahrzeugbewegung oder mit elektromagnetischen Wellen gewonnen. Nach Anforderung durch den Fahrzeugführer können zusätzliche Brems-, Beschleunigungs- oder Lenkvorgänge oder eine Kombination dieser Vorgänge zur Informationsgewinnung dienen.
Stand der Technik
Beim Antiblockiersystem ABS wird bei Bremsvorgängen über Drehzahlsensoren an den Rädern eine Blockierneigung der Räder erkannt und der Bremsvorgang so geregelt, daß eine Blockierung der Räder verhindert wird und damit die Lenkfähigkeit des Fahrzeuges erhalten bleibt.
Bei der Antischlupfregelung ASR wird bei Anfahr- und Beschleunigungsvorgängen ein aufgrund mangelnder Reibung durchdrehendes Rad abgebremst, dieser Bremsvorgang wirkt angenähert wie eine Differentialsperre.
Bei der Fahrdynamikregelung ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm) werden Bremsvorgänge an einzelnen Rädern gezielt so eingesetzt, daß Kurvenfahrten bei schwierigen Reibungseigenschaften unterstützt werden.
Bei der Elektrohydraulischen Bremse EHB besteht keine kraftführende Verbindung zwischen Brems­ pedal und Bremse mehr, die Bremsvorgänge werden elektrisch durchgeführt ("Brake-by-Wire"). Hier wird z. B. eine Trockenbremsfunktion eingesetzt -kurze, für den Fahrzeugführer nicht spürbare Brems­ impulse, um bei Fahrbahnnässe den Wasserfilm von den Bremsscheiben zu verdrängen.
Alle angesprochenen Produkte werden von der Robert Bosch GmbH hergestellt. Sie dienen der Unter­ stützung des Fahrzeugführers in kritischen Situationen und signalisieren bei ihrem Einsatz auch die kritischen Reibeigenschaften, z. B. über ein vibrierendes Bremspedal mit den dazugehörigen Geräu­ schen. Eine gezielte (und dauernde) Information des Fahrzeugführers über die Reibungseigenschaften ist aber nicht vorgesehen.
Vorteile der Erfindung
Zusätzlich zu den im Stand der Technik genannten Funktionen ist es sinnvoll, wenn der Fahrzeug­ führer Informationen über die Reibungseigenschaften des Kontaktes Fahrbahn-Reifen gezielt (und eventuell dauernd) erhält. Diese Information ist besonders wichtig, wenn z. B. bei Dunkelheit und Temperaturen in der Nähe des Gefrierpunktes die Gefahr von Straßenglätte besteht und ohne zusätz­ liche Hilfsmittel nicht einwandfrei erkennbar ist. Der Fahrzeugführer kann aufgrund dieser Informa­ tionen eine angepaßte Geschwindigkeit wählen.
Die Information über die Reibungseigenschaften kann z. B. optisch oder akustisch erfolgen, sie kann dauernd oder auf Anforderung bereitgestellt werden.
Wenn die im Stand der Technik vorgestellten Funktionen, insbesondere ESP, schon vorhanden sind, können durch geringen Mehraufwand Informationen über die Reibungseigenschaften erfolgen. Dieser Mehraufwand kann auf ein entsprechend erweitertes Programm und eine Anzeigemöglichkeit beschränkt werden. Optional kann mit einem erweiterten Aufwand die Genauigkeit und die gezielte Bestimmung der Reibungseigenschaften verbessert werden.
Beschreibung der Erfindung
Die Beschreibung erfolgt anhand von Fig. 1, die eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 1 zeigt. Das Fahrzeug besitzt lenkbare Räder 2 und nicht lenkbare Räder 3, wobei der Lenkwinkel der lenkbaren Räder 2 mit einem Sensor 4 erfaßt wird. Außerdem vorhanden sind ein Sensor für die Gierwinkelgeschwindigkeit 5 und ein Sensor für die Querbeschleunigung 6. Diese Ausrüstung mit Sensoren ist für ESP erforderlich, außerdem sind schon für ABS (nicht eingezeichnete) Drehzahl­ sensoren für die Räder vorhanden.
Optional zusätzlich können noch Sensoren für den Federweg der Räder 7, für den (scheinbaren) Windgeschwindigkeitsvektor 8 und ein Neigungssensor 10 vorhanden sein. Weiterhin können noch ein zusätzliches absenkbar und abbremsbar ausgeführtes Rad oder eine absenkbare Reibfläche (beide aus dem Gummimaterial der Reifen) vorhanden sein.
Im Bereich des Armaturenbrettes kann eine optische Anzeige zur Darstellung der Reibungs­ eigenschaften vorhanden sein, wobei die Anzeige durchaus in Abhängigkeit von der Fahrzeug­ geschwindigkeit erfolgen kann (z. B. gute Reibungseigenschaften: grün; schlechte Reibungseigen­ schaften mit angepaßter Geschwindigkeit: gelb; schlechte Reibungseigenschaften mit überhöhter Geschwindigkeit: rot). Die Information kann auch akustisch erfolgen. Diese Informationsmöglichkeit kann so ausgeführt sein, daß sie auf Wunsch des Fahrzeugführers über eine Betätigungseinrichtung aktiviert wird oder auch permanent erfolgt. Diese Betätigungseinrichtung kann z. B. wie die Betätigung der Scheibenwischer-Intervallschaltung ausgelegt sein, aber z. B. auch über ein Sprach­ erkennungsmodul erfolgen.
Die Ermittlung der Reibungseigenschaften kann in 3 Gruppen eingeteilt werden:
  • - in der 1. Gruppe werden alle für ESP anfallenden Daten zur Erkennung der Reibungs­ eigenschaften ausgenutzt. Bei Geradeausfahrt auf ebener Fahrbahn ist so aber keine Infor­ mation über die Reibungseigenschaften möglich.
  • - in der 2. Gruppe werden zusätzliche Sensoren z. B. zur Bestimmung des Windgeschwindig­ keitsvektors 8, des Federweges 7 der Räder oder ein Neigungssensor 10 eingesetzt. Bei Seitenwind oder geneigter Fahrbahn können so die Reibungseigenschaften u. U. auch bei Geradeausfahrt bestimmt werden.
  • - in der 3. Gruppe werden spezielle Maßnahmen zur Bestimmung der Reibungseigenschaften ergriffen. Da diese Maßnahmen mit (allerdings sehr geringen) Verbrauchs- und Verschleiß­ erhöhungen einhergehen, werden sie in der Regel nur auf Anforderung über eine Betätigugs­ einrichtung einmalig oder in (vorgebbaren) Intervallen aktiviert.
Zu den Gruppen im Einzelnen:
1. Gruppe
Die für ESP benötigten Daten, insbesondere Geschwindigkeit, Lenkeinschlag, Gierwinkelgeschwin­ digkeit und Querbeschleunigung werden um die Antriebsmomente der angetriebenen Räder (sind z. B. aus dem Motorkennfeld zu ermitteln) und die Bremsmomente aller Räder ergänzt und in die Reifen­ kräfte umgerechnet ("Kammscher Kreis"). Aus dem physikalischen Modell des Kraftfahrzeuges, verglichen mit den realen Daten, kann zumindest bei Kurvenfahrt auf die Reibungseigenschaften geschlossen werden. Die Reibungseigenschaften können dann als Information für den Fahrzeugführer bereitgestellt werden.
Diese Information wird ohne zusätzliche Eingriffe in das Fahrgeschehen rein elektronisch ermittelt. Sie kann somit dauernd (auch bei trockener, gut haftender Fahrbahn) zur Verfügung gestellt werden. Allerdings ist so bei reiner Geradeausfahrt keine Aussage über die Reibungsverhältnisse möglich.
2. Gruppe
Zusätzlich zu den für ESP erfaßten oder sonst vorhandenen Daten (Motorkennfeld, Bremsmoment) können weitere Sensoren benutzt und in das physikalische Modell des Fahrzeuges eingerechnet werden. Sinnvoll sind hier Sensoren für den Federweg der Räder 7, aus dem die Normalkraft ermittelt werden kann, mit der der Reifen auf die Straße drückt (unter Berücksichtigung des dyna­ mischen Verhalten des Systems), weiterhin Neigungssensoren 10 (für statische Quer- und Längs­ kräfte) und Sensoren zur Ermittlung des Windgeschwindigkeitsvektors 8 (z. B. über 2 oder 3 Stau­ drucksensoren).
Mit Hilfe dieser Sensoren können auch bei Geradeausfahrt Querkräfte ermittelt werden, falls Seiten­ wind oder Querneigungen vorhanden sind. In einem ersten Schritt können diese Querkräfte mit dem notwendigen Lenkwinkel zur Kompensation dieser Querkräfte verglichen und damit auf die Reibungs­ eigenschaften geschlossen werden. Weiterhin ist es möglich, anhand des Federweges die Zeitab­ schnitte minimaler Normalkräfte zu ermitteln und in diesen Zeitabschnitten die gemessene Quer­ beschleunigung zur Bestimmung der Reibungseigenschaften zu benutzen.
Mit Hilfe dieser zusätzlichen Sensoren ist also ein vollständigeres physikalisches Modell der Fahr­ zeugbewegung zu ermitteln. Damit sind also genauere Reibungseigenschaften zu ermitteln als ohne diese Sensoren. Man ist aber weiterhin auf die gegebenen Umstände wie Seitenwind. Quer­ neigungen (und unebene Fahrbahn) angewiesen, um Reibungseigenschaften ermitteln zu können. Dies kann aber häufiger der Fall sein als ohne diese zusätzlichen Sensoren. Da auch hier keine Eingriffe in den Fahrvorgang erfolgen, ist auch mit diesem erweiterten Meßumfang eine laufende Ermittlung der Reibungseigenschaften möglich, soweit die äußeren Umstände dies zulassen (also nicht auf ebener gerader Fahrbahn ohne Seitenwind).
3. Gruppe
Wenn vom Fahrzeugführer aktiv eine zuverlässige Information über die Reibungseigenschaften gewünscht wird (z. B. bei kalter feuchter Fahrbahn), können verschiedene Möglichkeiten eingesetzt werden, die allerdings alle einen (geringen) Mehrverbrauch und einen (geringen) zusätzlichen Verschleiß bedeuten. Diese Möglichkeiten funktionieren auch bei Geradeausfahrt auf ebener Fahrbahn ohne Seitenwind bzw. Querneigung.
Eine mechanisch aufwendige, vom Rechneraufwand aber einfache Lösungsmöglichkeit besteht in einem kleinen zusätzlichen Rad 9, daß bei Bedarf (auf Anforderung durch den Fahrzeugführer) auf die Fahrbahn abgesenkt und mit definierter Kraft auf die Fahrbahnoberfläche gedrückt wird. Damit beim Absenken bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten der Verschleiß nicht zu hoch ist, sollte dieses Rad im angehobenen Zustand an der Unterseite vom Fahrtwind angeströmt und von diesem in Rotation versetzt werden. Dieses nun mitlaufende Rad (mit den gleichen Oberflächeneigenschaften wie die Reifen des Fahrzeuges) wird nun intermittierend bis zu einem (vorgebbaren) Moment oder bis zur Überwindung der Haftreibung abgebremst. Aus dem für die Überwindung der Haftreibung notwendigen Bremsmoment können die Reibungseigenschaften berechnet werden. Wenn die Haft­ reibung nicht überwunden wird, werden die Reibungseigenschaften als gut signalisiert (dient zur Verschleiß- und Verbrauchsminimierung). Außerdem kann die Vorgehensweise so sein, daß die Kraft, mit der das zusätzliche Rad 9 auf die Fahrbahn gedrückt wird, bei gutem Reibungseigenschaften gering ist und bei schlechten Reibungseigenschaften vergrößert wird. Weiterhin kann das zusätzliche Rad 9 auch durch einen nicht rotiernden Reifenabschnitt (Reibfläche) ersetzt werden, der intermittierend auf die Fahrbahn abgesenkt wird, wobei die Gleitreibungseigenschaften durch eine Kraftmessung ermittelt werden.
Auch mit den für ESP (bzw. ASR) schon vorhandenen Möglichkeiten, nur mit zusätzlichem Programmieraufwand und einer Betätigungseinrichtung, können aktiv (auf Anforderung durch den Fahrzeugführer) Informationen über die Reibungseigenschaften gewonnen und angezeigt werden. Dazu muß mindestens ein Rad zusätzlichen Belastungen ausgesetzt werden, die eine Erkennung der Reibungseigenschaften ermöglichen. Diese zusätzlichen Belastungen können durch kurzzeitige Beschleunigungsvorgänge ("E-Gas"), kurzzeitige Bremsvorgänge (wie bei ASR) oder kurzzeitige überlagerte Lenkbewegungen (Servolenkung) erzeugt werden, wobei auch eine Kombination dieser Maßnahmen möglich ist. Analog zum absenkbaren Rad sollten auch hier die zusätzlichen Belastungen auf einen Höchstwert begrenzt und nur bis zur kurzfristigen Überschreitung der Haftreibungsgrenze ausgeführt werden. Verschiedene Vorgehensweisen sind denkbar, beispielsweise:
  • - Mindestens eins der nicht angetriebenen Räder wird kurzfristig abgebremst. Dabei kann es sinnvoll sein, ein nicht angetriebenes Rad sehr kurz, danach das gegenüberliegende etwas länger und dann das erste Rad wieder sehr kurz abzubremsen, damit kein größeres zusätzliches Giermoment für das Fahrzeug entsteht. (Die weiter unten aufgeführten zusätz­ lichen Beschleunigungs- und Lenkvorgänge können auch hier ausgeführt werden.)
  • - Die angetriebenen Räder werden kurzfristig beschleunigt (E-Gas, nur sinnvoll bei leistungsfähigen Motoren weit unterhalb der Höchstgeschwindigkeit.)
  • - Eine kurzfristige links-rechts(rechts-links)-Lenkbewegung wird ohne zutun des Fahrzeuglenkers von der Servolenkung ausgeführt.
  • - Die angetriebenen Räder werden kurzfristig beschleunigt und gleichzeitig abwechselnd abgebremst, so daß die Gesamtbewegung des Fahrzeuges nur unwesentlich verändert wird (bedingt durch die abwechselnden Bremsvorgänge tritt nur ein Giermoment auf).
  • - Die angetriebenen Räder werden kurzfristig beschleunigt und gleichzeitig abwechselnd abgebremst, das auftretende Giermoment wird durch eine von der Servolenkung gleichzeitig selbsttätig ausgeführte zusätzliche Lenkbewegung ausgeglichen.
Mit ESP (oder ASR) ausgerüstete Fahrzeuge können - abgesehen von den zusätzlichen Lenkbewe­ gungen - alle hier angesprochenen Funktionen ausführen. Bei vorhandener Servolenkung ist auch die zusätzliche Lenkbewegung nicht schwierig durchzuführen.
Die in dieser Gruppe beispielhaft genannten Methoden der Reibwertbestimmung sollten nur auf Anforderung des Fahrzeugführers vorgenommen werden, da Energieverluste und Verschleiß damit verbunden sind. Dabei kann die Größe der Eingriffe (Bremsen, Beschleunigen, Lenkbewegungen bzw. Grenzwert der Reibeigenschaften) und die Wiederholfrequenz der Vorgänge entweder vom Fahrzeug­ führer festgelegt oder auch automatisch (z. B. geschwindigkeitsabhängig) bestimmt werden. (Damit der Fahrzeugführer nicht zu stark abgelenkt wird, kann es sinnvoll sein, daß kompliziertere Eingaben nur bei stehendem Fahrzeug vorgenommen werden können.)
Bei Kurvenfahrt können die beschriebenen Methoden der Reibwertbestimmung auch zum Schleudern des Fahrzeuges führen. Deshalb sollten bei Kurvenfahrt entweder die Methoden der anderen Gruppen angewendet werden oder es sollte jeweils nur ein kurveninneres Rad kurz abgebremst werden. Das dadurch erzeugte Giermoment unterstützt die Kurvenfahrt (wird bei ESP angewendet). Außerdem genügen an den kurveninneren Rädern kleinere Bremsmomente, da diese Räder gewichtsentlastet werden.
Wenn Fahrbahnunebenheiten vorhanden sind, können auch in der 3. Gruppe anhand des Federweges Zeitabschnitte minimaler Normalkraft ermittelt und die Eingriffe in diesen Zeitabschnitten vorge­ nommen werden, damit zusätzlicher Energieverbrauch und Verschleiß minimiert werden.
Elektromagnetische Methoden
Eiskristalle haben charakteristische Spektren für elektromagnetische Wellen. Wenn z. B. die zugehörigen Wellenlängen von einem Sender erzeugt und das Streulicht der Eiskristalle detektiert wird, kann auch berührungslos auf elektromagnetischem Wege das Vorhandensein von Eis ermittelt und angezeigt werden. Dieser Vorgang kann (bei entsprechend niedrigen Temperaturen) dauernd mit­ laufen. Dabei kann es sinnvoll sein, daß diese Einrichtung durch eine durchsichtige Scheibe geschützt wird und daß diese Scheibe von einer Einrichtung analog zu einer Scheiwerferwaschanlage oder durch schnelle Rotation ("Klarsichtscheibe") gereinigt wird. Beim Vorhandesein von Eiskristallen kann gegebenenfalls eine der anderen Maßnahmen ausgelöst werden.
Schlußbemerkungen
Die angesprochenen Methoden zur Erkennung der Reibungseigenschaften können kombiniert und hierarchisch so angewendet werden, daß die energie- und verschleißbehafteten Vorgänge nur auf Anforderung durch den Fahrzeugführer durchgeführt werden, wenn außerdem die anderen Methoden keine gesicherten Werte liefern. Wenn ESP schon vorhanden ist, sind die zusätzlichen Kosten gering zu halten, so daß ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis gegeben ist.

Claims (8)

1. Informationssystem Reibungseigenschaften Fahrbahn-Reifen für Kraftfahrzeuge, eventuell ausgerüstet mit einem Sensor für den Lenkwinkel 4, einem Gierwinkelgeschwindigkeitssensor 5 und einem Sensor für die Querbeschleunigung 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische oder akustische Informationsmöglichkeit für den Fahrzeugführer über die Reibungseigenschaften des Kontaktes Fahrbahn-Reifen besteht und daß diese Information gewonnen wird aus den dynamischen Daten der Fahrzeugbewegung bei Kurvenfahrt, gegebenenfalls ergänzt um die dynamischen Daten von Sensoren für den Windgeschwindigkeitsvektor 8, Federweg der Räder 7 und Neigungssensor 10, gegebenenfalls mit Eingriffsmöglichkeiten in das Fahrgeschehen über kurzzeitige zusätzliche elektronisch gesteuerte Brems-, Beschleunigungs-, Lenkvorgänge, gegebenenfalls mit einem zusätz­ lichen absenkbarem Rad oder Reifenteil 9, gegebenenfalls mit einem elektromagnetischen Sensor zur Erkennung von Eiskristallen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin die Antriebsmomente der Antriebsräder (gewonnen aus dem Motorkennfeld) und die Bremsmomente in das dynamische Modell zur Ermittlung der Reibungseigenschaften einbezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzeugführer über eine elektrische Eingabemöglichkeit (Taste(n)) oder über ein Spracherkennungsmodul) aktiv die Methoden und Intervalle der Ermittlung der Reibungseigenschaften beeinflussen kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechenprogramm aus dem Feder<veg der Räder die Zeitabschnitte minimaler Normalkraft erkennt und die Ermittlung der Reibungseigenschaften bzw. die Eingriffe in das Fahrgeschehen auf Zeitabschnitte minimaler Normalkraft konzentriert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Rad 9 auf Anforderung durch den Fahrzeugführer auf die Fahrbahn abgesenkt und intermittierend abgebremst wird oder ein reifenähnliche Reibfläche 9 intermittiernd auf die Fahrbahn gedrückt wird, wobei aus den auftretenden Kräften die Reibungseigenschaften berechnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalkraft des zusätzlichen Rades oder der Reibfläche 9 in Abhängigkeit von den Reibungseigenschaften bei guten Reibungseigen­ schaften klein und bei schlechten Reibungseigenschaften entsprechend größer aufgeprägt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Rad 9 im angehobenen Zustand an seiner Unterseite vom Fahrtwind angeströmt und dadurch in Rotation versetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Sender und Sensor durch eine für die elektromagnetischen Wellen durchlässige Scheibe geschützt wird und daß diese Scheibe durch eine Einrichtung analog zu einer Scheinwerferwaschanlage oder durch schnelle Eigenrotation gereinigt wird und daß bei Erkennung von Eiskristallen eine der anderen Maßnahmen ausgelöst werden kann.
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