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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren des Fahrzustandes eines allradgetriebenen Fahrzeugs mit mindestens zwei Rädern und/oder einer Achse.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm für eine Momenten-Regelungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So ist es in der jüngeren Vergangenheit gängige Praxis geworden, insbesondere in Fahrzeuge mit hochgelegenem Schwerpunkt eine elektronische Stabilitätsregelung in Form eines elektronischen Stabilitätsprogramms ESP einzubauen. Bei einer derartigen Stabilitätsregelung wird der aktuelle Fahrzeugzustand mit einem theoretisch idealen Fahrzeugmodell verglichen. Im Laufe eines Fahrzeuglebens verändert sich jedoch das Fahrwerk, insbesondere die Reifen des Fahrzeugs. Bei einer Regelung mit ideal abgestimmten Eingriffsgrenzen, wie sie das ideale Fahrzeug vorsieht, ergeben sich dann bei der Regelung veränderte Steuertendenzen des Fahrzeugs. Diese führen zwar zu keinem kritischen Fahrverhalten, die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Stabilitätsregelung leiden jedoch darunter.
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Weiterhin sind im Stand der Technik Schlupfregelungen zur Stabilisierung des Fahrverhaltens bekannt. Eine derartige Schlupfregelung ist beispielsweise aus der
DE 39 31 210 C2 bekannt. Die dort offenbarte Einrichtung zur Schlupfregelung an einem vierrädrigen allradgetriebenen Kraftfahrzeug weist auf: Eine Stelleinrichtung zum Einstellen des Antriebsmomentes einer Antriebsmaschine des Fahrzeugs, um den Schlupf eines jeden Rades einem zweiten Sollschlupfbetrag anzunähern, eine Bremsanlage für jedes Rad, um den Schlupf eines jeden Rades an einen ersten Sollschlupfbetrag anzunähern, einen Geschwindigkeitssensor für jedes Rad und eine elektronische Regelungseinrichtung, um den Schlupf für jedes einzelne Rad zu berechnen und abhängig davon das auf das jeweilige Rad übertragene Antriebsmoment zu erniedrigen, um übermäßigen Treibschlupf zu vermeiden. Bei einer derartigen traditionellen Schlupfregelung kann sich während eines Antriebs des Fahrzeugs ein Eingriff an einem Rad negativ auf die anderen Räder auswirken und es können – bedingt durch den Regelprozess der Schlupferhöhung und -erniedrigung – an einem Rad beim Abbremsen des Fahrzeugs Drehzahlunterschiede zwischen den Rädern entstehen, wodurch die Stabilität des Fahrzeugs negativ beeinflusst wird.
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Die
DE 198 34 167 A1 beschreibt ein Verfahren zur Anpassung der Bremsleistung eines Fahrzeugs an momentane Rad-Fahrbahn-Kraftschluss-Bedingungen. Zum Erkennen der momentanen Kraftschlussbedingungen wird die Steigung eines Antriebsmoments-Schlupf-Verlaufs ermittelt. Hierbei wird mittels eines Drehzahlsensors die Drehzahldifferenz zwischen einem angetriebenen Rad und einem nicht angetriebenen Rad eine Erkennungseinheit bestimmt. Je nach ermitteltem Kraftschluss enthält eine Schalteinheit ein Ventil, und ein Arbeitsfluid kann aus einem Reservoir auf einem Bremszylinder strömen und somit ein entsprechenden Druck auf die Bremse ausüben.
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Die
DE 198 34 167 A1 wird als nächstliegender Stand der Technik angesehen, da hier eine Bremsleistung in Abhängigkeit von einer Antriebsmoment-Schlupf-Kennlinie eingestellt wird.
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Die
DE 100 50 420 A1 beschreibt ein Fahrdynamik-Regelsystem eines Kraftfahrzeugs, bei welchem das zwischen Rädern und Fahrbahn zur Verfügung stehende Kraftschlusspotenzial berechnet wird. Die Berechnung basiert hierbei auf Radlast und dem Reibwert der Fahrbahn.
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Die
DE 198 55 332 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen des Kraftschluss eines Reifens eines Fahrzeugs, welchen sowohl die Daten vom Fahrdynamiksensoren ausgewertet werden als auch die Daten von Fahrbahnsensoren. Zudem werden die Kennlinien berücksichtigt, die im Laufe der Betriebszeit eines aktuellen Reifenverhaltens angepasst werden. Die Fahrbahnsensoren liefern z. B. Daten über die Fahrbahntemperatur oder den Fahrbahnzustand.
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Die
DE 195 27 840 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Steuern des über die Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs auf die Fahrbahn übertragenen Motordrehmoments. Mittels Drehzahlsensoren werden die Raddrehzahlen aller vier Räder des Kraftfahrzeugs erfasst. Aus den radselektiv erfassten Drehzahlen werden radselektive Schlupfwerte ermittelt, und zur Bildung eines repräsentativen Radschlupfwertes herangezogen. Aufgrund einer Regelabweichung des tatsächlichen, repräsentativen Schlupfwertes und einem Sollschlupfwert wird das Motordrehmoment modifiziert. Um festzustellen, ob eine Veränderung des Motordrehmoments notwendig ist, wird der repräsentative Schlupfwert mit Schwellenwerten des Schlupfwertes verglichen. Liegt der repräsentative Schlupfwert im durch die Schwellenwerte abgegrenzten Bereich, so erfolgt eine Antriebsschlupfregelung oder eine schlupfabhängige Motorschleppmomentregelung. Es wird also eine Schlupfregelung durchgeführt, d. h. eine Regelung, bei welcher die Regelgröße der Radschlupf ist.
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Die
DE 34 27 725 A1 beschreibt eine Anordnung zum Durchführen einer Schlupfregelung für ein vierradgetriebenes Kraftfahrzeug. Auch hier dienen Drehzahlsensoren zum Erfassen von Winkelgeschwindigkeiten der Räder, welche einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Auswertung zugeführt werden. Über die Winkelgeschwindigkeiten der Räder wird in Verbindung mit der Fahrgeschwindigkeit mittels der Steuer- und Regeleinrichtung der Schlupf der Vorderräder und Hinterräder ermittelt und für die Schlupfregelung verwertet. Zum Übertragen unterschiedlich großer Drehmomente auf die Räder der Vorderachse und der Hinterachse ist eine Rutschkupplung mit variablem Kupplungseingriff vorgesehen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren des Fahrzustandes eines allradgetriebenen Fahrzeugs bereitzustellen, welche eine verbesserte Stabilität des Fahrzeugs gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
Feststellen einer Regelabweichung zwischen einem an dem Rad oder der Achse aktuell anliegenden Ist-Moment und einem für das Rad oder die Achse ursprünglich vorgegebenen Soll-Moment, auf der Basis eines zuvor ermittelten Zusammenhangs von Moment und Kraftschluss zwischen einem dem Rad oder der Achse zugeordneten Reifen und einer Fahrbahn, auf welcher der Reifen aktuell abrollt: Ermitteln eines bei der Regelabweichung maximal möglichen Kraftschlusses zwischen dem Reifen und der Fahrbahn, Ändern des ursprünglich vorgegebenen Soll-Momentes für das Rad oder die Achse auf einen durch den ermittelten maximalen Kraftschluss repräsentierten geänderten Wert und Regeln des Ist-Momentes auf das geänderte Soll-Moment.
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Hierbei wird der in einer bestimmten Fahrsituation maximal mögliche Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn in einfacher Weise dadurch erkannt, dass bei einer Beobachtung des Radmomentes in Abhängigkeit des Radschlupfes der Gradient des Radmomentes von einem positiven auf einen negativen Wert übergeht.
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Im Rahmen der Beschreibung kann der Begriff ”Moment” sowohl die Bedeutung eines positiven Drehmomentes im Sinne eines Antriebsmomentes wie auch die Bedeutung eines negativen Drehmomentes im Sinne eines Bremsmomentes haben.
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Die bei der Durchführung des beanspruchten Verfahrens festgestellte Regelabweichung repräsentiert einen instabilen Zustand eines Reifens des Fahrzeugs. Dieser instabile Zustand ist dadurch gegeben, dass die an dem Reifen angreifende Gesamtkraft einen maximalen Grenzwert überschritten hat, wodurch der Reifen nicht mehr kontrollierbar ist. Das beanspruchte Verfahren zum Stabilisieren des Fahrzustandes eines Fahrzeugs gewährleistet vorteilhafterweise, dass derartige instabile Zustände bei einzelnen Reifen des Fahrzeugs frühzeitig erkannt werden und gewährleistet dann eine Rückführung des jeweils betroffenen Reifens in einen stabilen Kraftschlussbereich. Dies wird durch eine Momentregelung realisiert, welche den Kraftschluss an den einzelnen Rädern misst und regelt. Anders ausgedrückt: Die Momentenregelung stellt sicher, dass einer Achse oder einem Rad jeweils nur soviel Drehmoment zugeteilt wird, dass sich dieses stets in dem stabilen Kraftschlussbereich befindet.
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Eine beanspruchte Änderung eines ursprünglich vorgegebenen Soll-Momentes für ein Rad oder eine Achse führt zu einem Ungleichgewicht in der Gesamt-Momentenbilanz für das Fahrzeug. Es ist vorteilhaft, wenn dieses Ungleichgewicht entweder durch eine Änderung der Verteilung der einzelnen Momente auf die Räder oder durch eine Verminderung des Gesamt-Momentes ausgeglichen wird. Dieser Ausgleich beugt einem instabilen Fahrzustand des gesamten Fahrzeugs vor.
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Durch das beanspruchte Einstellen des Soll-Momentes auf einen durch den maximalen Kraftschluss repräsentierten geänderten Wert, wird das Soll-Moment typischerweise verringert gegenüber einem ursprünglich für den Reifen vorgesehenen Soll-Moment. Diese Verringerung kann jedoch zum Beispiel nur aufgrund einer temporär gegebenen Situation erforderlich gewesen sein; es ist also keineswegs zwingend, dass dieser verringerte Wert dauerhaft beibehalten werden muss. Wenn diese Verringerung nicht dauerhaft hingenommen werden soll, ist es deshalb vorteilhaft, das Soll-Moment nach einer erfolgtem Verringerung sukzessive wieder auf das ursprünglich für den Reifen vorgesehene Soll-Moment zu erhöhen und bei jeder dieser sukzessiven Erhöhungen die beanspruchten Regelschritte erneut durchzuführen. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, nach einer gewissen Zeit wieder das ursprünglich für den Reifen vorgesehene Soll-Moment einzustellen.
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Bei der Durchführung der beanspruchten Regelung des Ist-Momentes auf das Soll-Moment erfolgt durch das Verringern des Soll-Momentes eine Verringerung der Längskraft zu Gunsten einer Vergrößerung der Querkraft am Reifen. Die Längskraft kann allerdings nur bis auf Null reduziert werden; in diesem Fall ist die zugehörige Querkraft durch den maximalen Kraftschluss begrenzt. Sollte diese dann wirkende maximale Querkraft für eine Stabilisierung des Fahrzeugs allerdings immer noch nicht ausreichen, was durch einen Vergleich eines insbesondere durch eine aktuelle Gierrate repräsentierten Ist-Fahrzustand des Fahrzeugs mit einem für ein Ein- oder Zweispurfahrzeugmodell berechneten Soll-Fahrzustand erkannt werden kann, dann ist eine zusätzliche Maßnahme zum Stabilisieren des Fahrzeugs erforderlich. Diese Maßnahme besteht in einer vorzugsweise individuell für die einzelnen Räder des Fahrzeugs durchgeführten Abbremsung, woraufhin sich der Fahrzustand des Fahrzeugs wieder stabilisiert.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Computerprogramm und eine Vorrichtung jeweils zum Durchführen des beanspruchten Verfahrens gelöst. Die Vorteile dieser beiden Lösungen entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
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Drei besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Realisierung des beanspruchten Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Beschreibung sind insgesamt sieben Figuren beigefügt, wobei
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Stabilisieren des Fahrzeugszustandes eines allradgetriebenen Fahrzeugs;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung;
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4 einen Kamm'schen Kreis;
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5 eine Radmoment-Radschlupf-Kurve;
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6 ein Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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7 den Kamm'schen Kreis mit einer ergänzenden Darstellung;
veranschaulicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die genannten Figuren detailliert beschrieben.
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Die Erfindung betrifft zwar primär ein Verfahren, nämlich ein Verfahren zum Stabilisieren des Fahrzustandes eines allradgetriebenen Fahrzeugs; zur Veranschaulichung der Thematik werden jedoch zunächst unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung beschrieben, mit welcher das Verfahren realisiert werden kann. Nachfolgend werden dann unter Bezugnahme auf die 4 und 5 die theoretischen Grundlagen erläutert, auf welchen das Verfahren basiert, bevor dann in 6 das eigentliche erfindungsgemäße Verfahren diskutiert wird. 7 veranschaulicht schließlich eine optionale Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Stabilisieren des Fahrzustandes eines allradgetriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeug umfasst Räder 210-1...-4 und Achsen in Form von Seitenwellen 220-1...-4. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Antriebsstrang 110 umfassend ein mit einer Antriebsmaschine 230 des Fahrzeugs gekoppeltes Getriebe 112 und ein dem Getriebe 112 nachgeschaltetes Verteilergetriebe 114 zum Verteilen des von der Antriebsmaschine 230 bereitgestellten Gesamtdrehmomentes auf die Räder 210-1...-4. Zur Realisierung dieser Verteilung umfasst der Antriebsstrang 110 weiterhin eine erste Kardanwelle 116-1 zum Übertragen des Drehmoments von dem Verteilergetriebe 114 an ein erstes Achsgetriebe 118-1. Erfindungsgemäß sind zwischen das Achsgetriebe 118-1 und die Seitenwellen 220-1 und 220-3 jeweils hydrostatische Kupplungen 119-1 und 119-3 geschaltet. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 110 eine zweite Kardanwelle 116-2 zum Übertragen eines Drehmoments von dem Verteilergetriebe 114 an ein zweites Achsgetriebe 118-2, zum Beispiel ein Hinterachsgetriebe. Zwischen dieses zweite Achsgetriebe und die ihm zugeordneten Seitenwellen 220-2 und 220-4 sind ebenfalls wiederum hydrostatische Kupplungen 119-2 und 119-4 geschaltet. Diese hydrostatischen Kupplungen 119-1...-4 spielen eine zentrale Rolle bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere deswegen, weil sie eine individuelle Einstellung bzw. Regelung des an die einzelnen Räder übertragenen Drehmomentes ermöglichen. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weiterhin eine Momenten-Regelungseinrichtung 120 zum Ansteuern dieser hydrostatischen Kupplungen 119-1...4 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Es entspricht im Wesentlichen dem in 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Übertragung eines Drehmomentes im starren Durchtrieb. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel zwischen die Achsgetriebe 118-1, 118-2 und die hydrostatischen Kupplungen 119-1...-4 jeweils eine Umschaltvorrichtung 117-1...-4 geschaltet. Über diese Umschaltvorrichtungen 117-1...-4 stellen die jeweils zugeordneten hydrostatischen Kupplungen 118-1, 118-2 bei einem Antriebszustand des Fahrzeugs einen Kraftschluss des Rades 210 mit dem Antriebsstrang 110 her. Zum Abbremsen des Rades ermöglicht die hydrostatische Kupplung über die Umschaltvorrichtung jeweils eine Verkoppelung des Rades mit der Karosserie oder dem Fahrwerk. Im Unterschied zu dem soeben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel gestattet die hydrostatische Kupplung 118-1 und 118-2 aufgrund des Zusammenwirkens mit der Umschaltvorrichtung die beschriebene Unterstützung beim Abbremsen des Rades bzw. Fahrzeugs, was bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nicht möglich ist.
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Diese Unterstützung beim Abbremsen ist auch bei dem nachfolgend in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht möglich. Auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel gibt eine Antriebsmaschine (hier nicht gezeigt) über ein Getriebe (hier auch nicht gezeigt) ihr Drehmoment an ein Verteilergetriebe 114 ab. In dem Verteilergetriebe wird dieses Drehmoment über je eine hydrostatische Kupplung 119-1, 119-2 und zugeordnete erste und zweite Kardanwellen 116-1, 116-2 an das Vorderachs- oder Hinterachsgetriebe mit Differential (hier nicht gezeigt) weitergeleitet. Auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel werden die hydrostatischen Kupplungen 119-1 und 119-2 über die erfindungsgemäße Momenten-Regelungseinrichtung 120 angesteuert.
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Die in allen drei soeben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 100 verwendeten hydrostatischen Kupplungen 119 sind jeweils gleichermaßen aufgebaut und funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Dieses Prinzip wird nachfolgend kurz erläutert:
Eine hydrostatische Kupplung besteht aus einem Umlaufgetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad und mehreren Planetenrädern. Zur Übertragung eines Drehmomentes über zwei Wellen ist das Sonnenrad mit der Antriebsseite, das Hohlrad mit der Abtriebseite bzw. umgekehrt verbunden. Zum Abbremsen einer Welle wird das Sonnenrad mit der abzubremsenden Welle verbunden und das Hohlrad fest eingespannt bzw. umgekehrt.
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Ein Planetenträger des Umlaufgetriebes ist so ausgebildet, dass er zusammen mit Verzahnungen des Hohlrades, des Sonnenrades und der einzelnen Planetenräder die geometrische Anordnung von Zahnradpumpen begrenzt. Es entstehen dabei je Planetenrad zwei Saug- und Druckseiten. Diese Anordnung ist mit Flüssigkeit gefüllt, so dass bei einer Rotation des Sonnenrades relativ zum Hohlrad ein Flüssigkeitsfluss von den Saug- zu den Druckseiten der Zahnradpumpen entsteht. Die Druck- und Saugseiten der einzelnen Flüssigkeitspumpen bzw. Zahnradpumpen laufen in dem Planetenträger in je einem gemeinsamen radialen Druck- bzw. Saugraum zusammen. Eine variable Blende, die von einer Aktuatorik bewegt werden kann, trennt die beiden Räume. Der Flüssigkeitsdurchfluss zwischen Saug- und Druckraum wird je nach Position der Blende begrenzt. Eine geeignete Sensorik misst den vorherrschenden Flüssigkeitsdruck auf der Druckseite und die Blende regelt den Durchfluss von der Druck- zur Saugseite. Zur Übertragung eines Drehmomentes von der Antriebs- auf die Abtriebsseite bzw. zur Abbremsung der Welle wird der Durchfluss von der Saug- zur Druckseite begrenzt bzw. gesperrt. Der Flüssigkeitsdruck ist proportional zu einer auf die Welle übertragenen Kraft bzw. einem Drehmoment; ein gemessener Druck repräsentiert deshalb ein auf die Welle bzw. ein Rad übertragenes Drehmoment und kann als Basis für eine Regelung dieses Drehmomentes verwendet werden. Der Flüssigkeitsausgleich aufgrund von Leckageverlusten in den Zahnradpumpen erfolgt in geeigneter Weise auf der Saugraum-Seite.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert ganz wesentlich auf der Überwachung und Kontrolle des Kraftschlusses zwischen einem Reifen und der Fahrbahn, auf welcher der Reifen aktuell abrollt. Voraussetzung für das Verständnis der vorliegenden Erfindung sind deshalb Grundkenntnisse auf diesem Gebiet, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 kurz erläutert werden.
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4 zeigt einen sogenannten Kamm'schen Kreis. Bei ihm ist in der Vertikalen die Längsbeschleunigung bzw. eine Reifenlängskraft gegenüber einer Querbeschleunigung bzw. einer Reifenquerkraft in der Horizontalen aufgezeigt. Die Bezugszeichen a, b, c und d haben in der genannten Reihenfolge die Bedeutung Rechtskurve, Antreiben, Linkskurve und Bremsen.
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Die gesamte, an einem Reifen angreifende Kraft setzt sich aus einer Längs- und einer Querkraft zusammen, welche in dem Kamm'schen Kreis, wie erwähnt, auf der Ordinate und der Abszisse aufgetragen sind. Die Längs- und Querkraft repräsentieren gemäß dem Kamm'schen Kreis jeweils eine vektorielle Komponente der an dem Reifen angreifenden Gesamtkraft. Der Betrag der Gesamtkraft ist durch den Kamm'schen Kreis e begrenzt. So ist es zu verstehen, dass, wenn entweder die Längs- oder die Querkraft betraglich gleich der Gesamtkraft ist, die jeweils andere Kraftkomponente nicht mehr übertragen werden kann. Genauer gesagt bedeutet dies, dass bei Übertragung der maximalen Querkraft keine Längskraft mehr übertragbar ist und umgekehrt. Solange sich die vektorielle Summe der beiden Kraftkomponenten innerhalb des Kamm'schen Kreises e befindet, herrscht zwischen dem jeweils betrachteten Reifen und der Fahrbahn, auf der der Reifen abrollt, ein stabiler Reifen-Kraftschluss. Überschreitet die an dem Reifen angreifende Gesamtkraft jedoch den durch den Kamm'schen Kreis e definierten Grenzwert, so befindet sich der Reifen in einem instabilen Bereich und ist nicht mehr kontrollierbar. Der Kamm'sche Kreis e definiert deswegen einen maximal zulässigen Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn.
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Insbesondere die an einem Reifen aktuell angreifende Längskraftkomponente kann mit Hilfe der oben erwähnten hydrostatischen Kupplung ermittelt werden. Diese Kraft ist proportional zu dem Flüssigkeitsdruck in der hydrostatischen Kupplung, der von einem geeigneten Sensor gemessen werden kann. Aus der so ermittelten, an dem Rad angreifenden Kraft kann weiterhin das an dem jeweiligen Rad anliegende aktuelle Achs- oder Radmoment ermittelt werden.
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Die Möglichkeit zur kontinuierlichen Ermittlung des Rad- bzw. Achs-Momentes ermöglicht in Verbindung mit der Kenntnis des qualitativen Verlaufes einer Radmoment-Schlupf-Kurve die Möglichkeit, ein Kraftschlussmaximum zwischen Reifen und Fahrbahn zu ermitteln.
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Der qualitative Verlauf der Radmoment-Schlupf-Kurve ist grundsätzlich bekannt und in 5 dargestellt. In dem in 5 gezeigten Diagramm ist auf der Y-Achse das Radmoment und auf der X-Achse der Radschlupf aufgetragen. Für diese Kurve ist es charakteristisch, dass das Radmoment bei einem bestimmten Schlupf ein Maximum aufweist. Das Maximum des Radmomentes repräsentiert das gesuchte Kraftschlussmaximum. Bei der Beobachtung des Radmomentes in Abhängigkeit des Schlupfes kann dieses Kraftschlussmaximum deshalb sehr einfach in Form eines Übergangs von einem positiven auf einen negativen Radmoment-Gradienten ermittelt werden. Der schraffierte Bereich S1 in der Umgebung rechts und links des Radmoment- bzw. Kraftschluss-Maximums in der Radmoment-Schlupf-Kurve stellt den Regelbereich heutiger Anti-Schlupf-Regelsysteme ASR dar. Demgegenüber repräsentiert der Bereich S2 zwischen der y-Achse und dem Kraftschlussmaximum einen Bereich, in welchem stabiler Kraftschluß herrscht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun auf Basis der zuvor beschriebenen theoretischen Grundlagen und unter Bezugnahme auf 6 allgemein beschrieben.
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6 veranschaulicht schematisch die Kupplungsmoment-Regelung als ersten Teil der erfindungsgemäßen Stabilitätsregelung. Nach einem Startschritt S1 erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt S2 ein Vergleich zwischen einem von einer Fahrzeug-Gesamtmoment-Regelung vorgegebenen Soll-Moment und einem aktuell an einem Rad oder einer Achse anliegenden Ist-Moment. Dieser Vergleich wird in Verfahrensschritt S2 solange wiederholt, bis eine Regelabweichung zwischen dem Soll- und dem Ist-Moment festgestellt wird.
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Im Falle einer festgestellten Regelabweichung wird in Verfahrensschritt S3 ein bei der festgestellten Regelabweichung maximal möglicher Kraftschluss zwischen einem dem Rad oder der Achse zugeordneten Reifen und einer Fahrbahn, auf welcher der Reifen aktuell abrollt, ermittelt. Der maximal möglicher Kraftschluss wird typischerweise dadurch ermittelt, dass der Verlauf des Radmomentes ermittelt und ein Wechsel im Vorzeichen des Gradienten diese Radmomentes festgestellt wird. Der maximal mögliche Kraftschluss liegt dann bei demjenigen Wert des Radmomentes, welches sich bei einem Vorzeichenwechsel des Gradienten einstellt. Der bisherige vorgegebene Wert für das Soll-Moment wird dann auf den ermittelten maximalen Kraftschlusswert des Ist-Momentes geändert bzw. korrigiert und an die Fahrzeug-Momentregelung übertragen.
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Im Verfahrensschritt S4 erfolgt dann das Regeln des Ist-Momentes auf das wie beschrieben geänderte Soll-Moment für das jeweils betrachtete Rad.
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Der geänderte und an die Fahrzeug-Momentenregelung übertragene geänderte Wert für das Soll-Moment erzeugt zumindest temporär ein Ungleichgewicht in der Fahrzeug-Momenten-Bilanz, das heißt in der von der Fahrzeug-Momenten-Regelung für alle angetriebenen Räder des Fahrzeugs vorgesehenen Soll-Momente, welche zusammen ein Gesamtmoment des Fahrzeugs bilden. Zum Ausgleichen dieses Ungleichgewichtes bzw. der Gesamt-Momenten-Bilanz für das Fahrzeug wird deshalb in Verfahrensschritt S5 entweder das verfügbare Gesamtmoment des Fahrzeugs geändert, das heißt in der Regel reduziert, oder es wird eine durch die Änderung des Soll-Wertes entstandene Momenten-Differenz zwischen dem ursprünglich vorgegebenen und dem geänderten Soll-Moment auf alle anderen angetriebenen Räder oder Achsen des Fahrzeugs verteilt.
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Die beschriebene Änderung des Soll-Momentes, das daraus resultierende Ungleichgewicht und der dann erforderliche Ausgleich des Ungleichgewichtes sind jedoch nur suboptimal und werden nur vorgenommen, um der möglicherweise nur temporären Regelabweichung zu begegnen. Dauerhaft angestrebt wird stattdessen ein Wiederherstellen der ursprünglich vorgesehenen und vorgegebenen Momenten-Verteilung. Zu diesem Zweck wird in Verfahrensschritt S6 nach der Änderung des Soll-Momentes auf den maximalen Kraftschlusswert versucht, das Soll-Moment wieder sukzessive auf den ursprünglich vorgegebenen Wert rückzuändern. In Verfahrensschritt S6 erfolgt deshalb eine Prüfung, ob das aktuelle Soll-Moment bereits wieder mit dem ursprünglich vorgegebenen Soll-Moment übereinstimmt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in Verfahrensschritt S7 das aktuelle Soll-Moment in einer vorgegebenen Schrittweite geändert, typischerweise erhöht, um den Regelvorgang mit einer durch die Änderung des Soll-Moments künstlich erzeugten Regelabweichung entsprechend der Verfahrensschritte S2 bis S6 erneut zu starten. Wird dagegen in Verfahrensschritt S6 festgestellt, dass das aktuelle Soll-Moment wieder auf dem Niveau des ursprünglich vorgegebenen Momentes angelangt ist, dann ist die Regelung vorläufig beendet; das heißt, das Verfahren springt dann zurück an den Beginn von Verfahrensschritt S2 und wartet bis erneut eine Regelabweichung festgestellt wird.
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Das soeben allgemein beschriebene Verfahren der erfindungsgemäßen Stabilitätsregelung wird nun für unterschiedliche Fahrzustände des Fahrzeugs beispielhaft erläutert.
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Während eines Fahrzustandes „Zug” oder „Schub” lässt sich die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung mit allen drei, oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung realisieren.
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An den Antriebsseiten der oben erwähnten hydrostatischen Kupplungen liegt bei dem genannten Fahrzustand insgesamt folgendes Drehmoment an (Fahrzeug-Momentenbilanz): ΣMd_KU = MD_Mot·i_Gesamt·η_Gesamt
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Dabei ist:
- Md_KU
- das Drehmoment an der Antriebsseite der hydrostatischen Kupplung;
- Md_Mot
- das Motormoment;
- i_Gesamt
- die Gesamtübersetzung von der Motor-Kurbelwelle bis zu der Antriebsseite der hydrostatischen Kupplung; und
- η_Gesamt
- der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs.
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Das Motormoment Md_Mot ist aus theoretischen Berechnungen in der Motorelektronik bekannt und lässt sich in definierten Fahrzuständen über Messungen des Flüssigkeitsdruckes in den oben unter Bezugnahme auf die
1 bis
3 beschriebenen hydrostatischen Kupplungen ermitteln bzw. verifizieren. Das Gesamtdrehmoment Md_KU an der Antriebsseite der hydrostatischen Kupplung wird zwischen den angetriebenen Achsen bzw. Rädern des Fahrzeugs je nach dessen Fahrzustand in individuelle Soll-Momente (Md_Soll_Kuk mit k = 1...4) gemäß folgender Formel aufgeteilt:
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Die Einstellung der individuellen Soll-Momente Md_Soll_KUk mit k = 1...4 erfolgt dabei über die Einstellung eines entsprechend geeigneten Flüssigkeitsdruckes über Stellglieder in den hydrostatischen Kupplungen.
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Die oben unter Bezugnahme auf 6 im Verfahrensschritt S2 erwähnte Regelabweichung kann bei einem angetriebenen Fahrzeug beispielsweise dadurch entstehen, dass das für ein Rad oder eine Achse individuell vorgegebene Soll-Moment Md_Soll_KUk zum Beispiel beim Anfahren oder aufgrund eines Lastwechsels sprungartig ansteigt. Ein Stellglied der hydrostatischen Kupplung wird dann entsprechend dem neuen Sollwert eingestellt. Folgt das Ist-Moment dieser neuen Sollwert-Vorgabe, so kann das geforderte Moment übertragen werden. Die erwähnte Regelabweichung bildet sich dann automatisch sehr schnell wieder zurück, weil ein stabiler Kraftschluss vorherrscht; das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilitätsregelung findet in diesem Fall keine Anwendung.
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Kann jedoch das Ist-Moment dem gestiegenen Soll-Moment nicht folgen, so bleibt die oben erwähnte Regelabweichung zunächst im Wesentlichen bestehen. Die Regelung zur Stabilisierung des Fahrzustandes des Kraftfahrzeuges findet dann wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben statt.
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Alternativ zu der soeben beschriebenen Möglichkeit eines sprungartig gestiegenen Soll-Momentes aufgrund einer Anfahrsituation oder eines Lastwechsels kann sich insbesondere bei einem Fahrzustand „Schub” eine Regelabweichung als Voraussetzung für die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung auch dann einstellen, wenn das von der Fahrzeug-Gesamt-Momentenregelung für die Kupplung eines individuellen Rades vorgegebene Soll-Moment Md_Soll_KUk konstant bleibt. Die Regelabweichung kann in diesem Fall dadurch entstehen, dass der Kraftschluss und damit das Ist-Moment Md_Ist_KUk plötzlich einbricht, wie dies zum Beispiel bei Überfahren einer Radmoment-Sprung-Fahrbahn, passieren kann. Eine derartige Regelabweichung wird dann ebenfalls in Verfahrensschritt S2 erkannt und es wird dann in Verfahrensschritt S3, wie oben erwähnt, der Wert für das rad- oder achsspezifische Soll-Moment Md_Soll_KUk am Verlauf des Ist-Momentes Md_Ist_KU verringert, bis die Regelabweichung eliminiert und das maximal übertragbare Kupplungsmoment erreicht ist. Dieses maximal übertragbare Kupplungsmoment repräsentiert den erwähnten Einbruch des Kraftschlusses, wobei dieser eingebrochene Kraftschluss den bei der Regelabweichung maximal möglichen Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn repräsentiert. Mit dem neubesetzten Soll-Moment findet dann auch in diesem Fall die bereits oben beschriebene erfindungsgemäße Stabilitätsregelung statt.
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Die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung bietet beim Antreiben des Fahrzeugs folgende Vorteile:
Das Antreiben aller Räder unabhängig voneinander erlaubt eine Maximierung des Kraftschlusspotentials an den Reifen. Damit lässt sich eine maximale Traktion des Fahrzeugs realisieren. Durch die Aufteilung des Antriebsmomentes auf die Räder (Fahrzeug-Momentenbilanz) können Gierreaktionen des Fahrzeugs erzeugt werden, welche die Dynamik des Fahrzeugs verbessern (z. B. Einlenkspontanität oder Handling). Durch die individuelle Momentenregelung der angetriebenen Räder oder Achsen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich gezielt auf einer Seite des Fahrzeugs Antriebsmomente und auf der anderen Seite des Fahrzeugs Bremsmomente in gewünschter Höhe erzeugen, wodurch eine Verstärkung der erwähnten Gierreaktionen erfolgt. Die Folge ist ein kontrolliertes ”Lenkbremsen”. Durch die Fahrzeug-Momentenbilanz kann bei Bedarf das Drehmoment der Antriebsmaschine exakt auf den Wert eingestellt werden, welcher für eine aktuelle Fahrsituation gerade noch einen kontrollierten Vortrieb garantiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf diese Weise ein totales Momenten-Management vom Motor bis zu den Rädern bzw. Achsen.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung angewandt auf einen Bremszustand des Fahrzeugs beschrieben.
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Diese Möglichkeit der Stabilitätsregelung ist nicht mit den oben unter Bezugnahme auf die 1 und 3, sondern nur mit dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar. Der Grund ist darin zu sehen, dass lediglich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Verbindung der Antriebsseite der hydrostatischen Kupplung mit dem Fahrwerk bzw. der Karosserie, wie dies zum Abbremsen des Fahrzeugs vorgesehen ist, möglich ist.
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Bei einem Bremsen des Fahrzeugs gelten die oben bei der Beschreibung von 6 gemachten Ausführungen zum allgemeinen Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Stabilitätsregelung gleichermaßen, wobei der Begriff Moment dann allerdings im Sinne eines negativen Drehmomentes bzw. Bremsmomentes zu verstehen ist. Auch beim Bremsen besteht die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung aus zwei voneinander abhängigen Momenten-Regelungen, nämlich zum einen einer Regelung des Fahrzeug-Gesamt-Bremsmomentes und zum anderen einer Regelung für das Kupplungs-Bremsmoment.
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Analog zu der oben für eine Antriebsituation beschriebenen Fahrzeug-Gesamtmoment-Regelung wird auch bei einer Bremssituation ein von einer Fahrzeug-Gesamtmoment-Regelung, hier Fahrzeug-Gesamtbremsmoment-Regelung genannt, ein vorgegebenes Gesamtmoment, hier Gesamt-Bremsmoment genannt, auf alle angetriebenen Räder des Fahrzeugs je nach Bremssituation aufgeteilt, wobei diese Aufteilung eine Fahrzeug-Bremsmomentbilanz repräsentiert. Das Gesamt-Bremsmoment des Fahrzeugs wird dabei jeweils über das Bremspedal des Fahrzeugs von dessen Fahrer vorgegeben. Mathematisch ausgedrückt lässt sich die Fahrzeug-Bremsmomentbilanz wie folgt beschreiben:
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Dabei ist:
- Md_Brems
- das gewünschte Fahrzeug-Bremsmoment (Fahrervorgabe); und
- Md_Soll_KU1...4
- das Soll-Bremsmoment an der Antriebsseite der hydrostatischen Kupplung 1 bis 4.
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Zur Einstellung der aufgrund der Fahrzeug-Bremsmomentbilanz für die einzelnen Räder bzw. Achsen vorgesehenen individuellen Soll-Bremsmomente Md_Soll_KUk auf die einzelnen Räder bzw. Achsen des Fahrzeugs wird, wie bereits oben erwähnt, über den hydrostatischen Kupplungen zugeordnete Stellglieder der Flüssigkeitsdruck in diesen Kupplungen entsprechend eingestellt.
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Die oben unter Bezugnahme auf 6 allgemein beschriebene erfindungsgemäße Stabilitätsregelung erfolgt bei einer Bremsung des Fahrzeugs analog. Auch in diesem Fall kann die Regelabweichung durch eine sprungartige Änderung des Sollmomentes erfolgen; dies tritt zum Beispiel bei Einleitung einer Vollbremsung auf. Die Übergabe des geänderten, an den verringerten Kraftschluss angepassten Werts für das Soll-Moment erfolgt an eine Gesamt-Bremsmoment-Regelung. Ansonsten erfolgt die Stabilitätsregelung wie oben beschrieben. Besondere Fahrzustände, wie zum Beispiel eine Radmoment-Bremsung, erfordern je nach Rückmeldung des Kraftschlusspotentials eine Korrektur der Fahrzeug-Bremsmomentbilanz, so dass kein Eindrehen des Fahrzeugs entsteht.
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Alternativ zu der beschriebenen sprungartigen Änderung des Soll-Momentes kann eine Regelabweichung auch bei konstant vorgegebenem Brems-Soll-Moment dadurch entstehen, dass der Kraftschluss zum Beispiel durch das Überfahren einer Radmoment-Sprung-Fahrbahn einbricht. Die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung erfolgt dann auch für eine Bremssituation des Fahrzeugs analog zu der oben beschriebenen Stabilitätsregelung für den Fall einer Antriebssituation des Fahrzeugs.
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Die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung bringt beim Bremsen des Fahrzeugs folgende Vorteile:
Die Momenten-Regelung ist unabhängig von Reifen- und Fahrbahn-Zustandsgrößen. Es wird der aktuelle Kraftschluss am Rad erfasst, bei dem die Reifen-Parameter und der Reibwert der Fahrbahn bereits eingehen. Über die Regelung des Radmomentes kann sehr schnell ein drohender Kraftschlussverlust erfasst werden. Es wird ein Messsignal zur Regelung verwendet, welches den Kraftschluss der Reifenkontaktfläche direkt wiedergibt. Durch die Regelung des Bremsmoments wird der Reifen stets im stabilen Bereich betrieben. Das Fahrzeug bleibt deshalb kontrollier- und lenkbar. Durch die Maximierung des Kraftschlusses an den angetriebenen Rädern bzw. Achsen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bremsweg des Fahrzeugs minimiert. Über die Kupplungs-Bremsmoment-Regelung kann der kürzeste Bremsweg des Fahrzeugs erzielt werden. Durch Aufteilung des gewünschten Fahrzeug-Bremsmomentes auf alle Räder des Fahrzeugs können Gierreaktionen desselben erzeugt werden, welche das Fahrzeug zum Beispiel beim Bremsen in der Kurve stabilisieren. Durch die Entkoppelung der Räder vom Antriebsstrang entfällt das Abbremsen des Antriebsstrangs, wodurch weniger Bremsenergie aufgewandt werden muss. Eine Beeinflussung der Bremsregelungen über den Antriebsstrang existiert nicht. Wird eine elektrische/elektronische Aktuatorik in den hydrostatischen Kupplungen verwendet, so lässt sich ein Break-By-Wire-System darstellen. Durch Sperren der hydrostatischen Kupplungen lässt sich eine Parkbremse realisieren.
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Wie bereits oben insbesondere unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erwähnt, dient die bisher beschriebene erfindungsgemäße Stabilitätsregelung primär dazu, die Querkraft an einem Reifen zu Lasten der Längskraft zu erhöhen, um auf diese Weise eine Stabilisierung des Fahrzeugs zu erreichen. Die Längskraft kann dabei jedoch maximal bis auf Null reduziert werden. Bei Schleudersituationen hilft die auf diese Weise ermöglichte Maximierung der Querkraft jedoch nur in bedingtem Maße, so dass zusätzlich eine weitere Stabilitätskontrolle, vorzugsweise in Form einer zusätzlichen Giermoment-Stabilitätsregelung, sinnvoll erscheint. Diese Regelung greift dann ein, wenn die Längskraft beim Antreiben oder Bremsen des Fahrzeugs durch die erfindungsgemäße Stabilitätsregelung bereits auf Null reduziert wurde.
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Bei dieser zusätzlichen Giermoment-Stabilitätsregelung wird der aktuelle Fahrzustand des Fahrzeugs mit einem Ein- oder Zweispurmodell verglichen. Dabei gehen die Messgrößen Lenkwinkel, Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Gierrate in die Berechnung des aktuellen Fahrzeugzustandes ein. Weicht der so berechnete aktuelle Fahrzustand des Fahrzeugs von dem durch das Spurmodell repräsentierten Zustand ab, so sieht die zusätzliche Giermoment-Stabilitätsregelung vor, dass ein Bremsmoment gezielt auf die Räder bzw. die Achse ausgeübt wird. Das Fahrzeug wird dadurch stabilisiert und wieder von der Fahrzeug-Gesamtmoment- und der Kupplungs-Moment-Regelung kontrollierbar. In 7 ist wiederum der bereits aus 4 bekannte Kamm'sche Kreis gezeichnet, wobei die Beschreibung dieses Kreises gemäß 4 hier gleichermaßen gilt. Ergänzend zu 4 sind allerdings in 7 noch überkritische Bereiche f1, f2 schraffiert eingezeichnet, in welchen die zusätzliche Giermoment-Stabilitätsregelung greift.
