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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung
eines Kraftfahrzeugs.
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Aus
der
DE 102 15 465
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung
der Fahrdynamik bekannt. Diese weist mindestens ein Stellglied zum Aufbringen
von Stelleingriffen sowie Sensor- und Recheneinheiten auf. Dabei
wird der mindestens durch den Schwimmwinkel und die Gierrate beschriebene Fahrzustand
durch einen beliebigen Stelleingriff, wie z.B. einen Lenkeingriff,
reguliert.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Kraftfahrzeugs,
bei dem das Vorliegen eines, insbesondere bzgl. der Hochachse, instabilen Fahrzustandes
des Kraftfahrzeugs erfasst wird.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass abhängig vom Vorliegen des instabilen
Fahrzustands ein fahrerunabhängiges
Lenkradmoment bzw. Drehmoment auf das Lenkrad aufgebracht wird,
welches das Lenkrad in diejenige Drehrichtung, in welche eine Lenkbewegung
zu einer Abschwächung
oder Behebung des instabilen Fahrzustands führt, leichtgängiger,
d.h. für
den Fahrer mit weniger Kraftaufwand drehbar, als in die entgegengesetzte
Drehrichtung macht. Damit wird dem Fahrer ein haptischer Hinweis geliefert,
bei welcher Drehrichtung des Lenkrads eine Stabilisierung des Kraftfahrzeugs
erfolgt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem instabilen Fahrzustand um einen übersteuernden
Fahrzustand handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass ein übersteuernder
Fahrzustand dann als vorliegend erkannt wird, wenn die Abweichung
zwischen der Soll-Gierrate und der Ist-Gierrate des Kraftfahrzeugs
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Diese Größe werden
bereits im Rahmen der üblichen
Fahrdynamikregelungssysteme ermittelt und ausgewertet und damit
ist im Rahmen der Erfindung kein zusätzlicher Sensoraufwand zur
Erkennung des übersteuernden
Fahrzustands notwendig.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – abhängig vom
Vorliegen des instabilen Fahrzustands ein dem durch den Fahrer eingestellten Lenkwinkel
zu überlagernder
Zusatzlenkwinkel ermittelt wird und
- – abhängig vom
Zusatzlenkwinkel das fahrerunabhängiges
Lenkradmoment ermittelt wird. Der Zusatzlenkwinkel ist die einzustellende
Zielgröße und es
wird angestrebt, dass durch eine haptische Lenkführung über ein fahrerunabhängiges Lenkradmoment
der Fahrer diese Zielgröße einstellt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass für
den Fall, das der ermittelte Zusatzlenkwinkel einen vorgegebenen
Schwellenwert unterschreitet, kein fahrerunabhängiges Lenkmoment ermittelt
wird oder dem fahrerunabhängigen
Lenkradmoment der Wert Null zugewiesen wird. Dies kann beispielsweise
mit Hilfe einer toten Zone erreicht werden. Damit wird ein Differenzlenkwinkelband
und damit auch ein für
den Fahrer fühlbares
Lenkradwinkelband geschaffen, in dem kleine Ungenauigkeiten bei
dem Lenken eines Fahrzeugs in einer beginnenden Übersteuersituation toleriert
werden, ohne dass Lenkmomenteingriffe stattfinden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das fahrerunabhängige
Lenkradmoment auf einen Maximalwert begrenzt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das fahrerunabhängige
Lenkradmoment zusätzlich
von der Querbeschleunigung abhängt.
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Dadurch
wird das Lenkgefühl
für den
Fahrer beim Übergang
auf andere Fahrbahnreibwerte verbessert.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das fahrerunabhängige
Lenkradmoment über
eine Kennlinie von der Querbeschleunigung abhängt, wobei die Kennlinie wenigstens
einen Bereich aufweist, in dem mit wachsender Querbeschleunigung
das fahrerunabhängige
Lenkradmoment ebenfalls anwächst.
Eine Kennlinie ist in einem Steuergerät besonders einfach zu hinterlegen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das fahrerunabhängige
Lenkradmoment weggenommen wird, wenn der Fahrer eine Lenkbewegung
in die schwergängigere
Richtung des Lenkrads durchführt
und diese Lenkbewegung vorgegebene Wegnahmebedingungen erfüllt. Dadurch
wird eine Bevormundung des Fahrers durch das Zusatzlenkmoment vermieden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Wegnahmebedingungen umfassen, dass das aus der Überlagerung
des fahrerunabhängigen
Lenkradmoments und des vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachten Lenkradmoments
bzw. Handmoments resultierende Lenkradmoment einen vorgegebenen
Schwellenwert unterschreitet.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
das der Schwellenwert während
eines Zeitintervalls vorgegebener Länge durch das resultierende
Lenkradmoment unterschritten sein muss. Damit können kurzzeitige Unterschreitungen
ausgeblendet werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das fahrerunabhängige
Lenkradmoment abgeschwächt
oder zurückgenommen
wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet.
Dadurch wird vermieden, dass der Fahrer mit nur noch schwer beherrschbaren Lenkradwinkelgeschwindigkeiten
konfrontiert wird.
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Weiter
umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines
Kraftfahrzeugs, enthaltend Erfassungsmittel zur Erfassung des Vorliegens eines,
insbesondere bzgl. der Hochachse, instabilen Fahrzustandes des Kraftfahrzeugs.
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Der
Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass weiterhin Aktuatormittel zur Aufbringung eines
fahrerunabhängigen
Lenkradmoments auf das Lenkrad vorhanden sind, mit denen abhängig vom
Vorliegen des instabilen Fahrzustands ein fahrerunabhängiges Lenkradmoment
aufgebracht wird, welches das Lenkrad in diejenige Drehrichtung,
in welche eine Lenkbewegung zu einer Abschwächung oder Behebung des instabilen
Fahrzustands führt,
leichtgängiger
als in die entgegengesetzte Drehrichtung macht.
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Die
vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich
auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und umgekehrt.
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Zeichnung
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Die
Zeichnung besteht aus den 1 bis 4.
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1 zeigt
ein mögliche
Kennlinie, anhand derer das Zusatzlenkmoment in Abhängigkeit
der Querbeschleunigung modifiziert werden kann.
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2 zeigt
eine mögliche
Kennlinie, welche den Zusammenhang zwischen dem abgeschwächten Differenzlenkwinkel
und dem Differenzlenkwinkel angibt.
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3 zeigt
den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt
den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsbeispiele
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Basierend
auf einem Vergleich von Soll- und Ist-Gierrate sowie der Auswertung
weiterer Signale kann die Fahrzeugbewegung um die Hochachse mit Hilfe
einer Übersteuerlenkassistenzfunktion
beschrieben werden. Mit Hilfe einer solchen Funktion kann ein Übersteuern
des Fahrzeugs selbst auf unterschiedlichen Fahrbahnbeschaffenheiten
erkannt werden.
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Weiterhin
können
mit Hilfe elektrischer Servolenkungen zur Fahrerunterstützung dem
vom Fahrer vorgegebenen Lenkmoment oder Lenkwinkel aktiv zusätzliche
fahrerunabhängige
Lenkwinkel oder Lenkmomente überlagert
werden. Das feste Lenkübersetzungsverhältnis bei
Lenkmomentüberlagerungslenkungen
sorgt dafür,
dass neben der für
den Fahrer spürbaren
Lenkgefühlveränderung über aktive
Zusatzmomente ebenfalls aktiv Zusatzlenkwinkel realisiert werden.
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Da
bei Lenkmomentüberlagerungslenkungen
der Zusatzlenkwinkel bzw. Differenzlenkwinkel Δδ nicht entkoppelt von dem Fahrerlenkwinkel
eingestellt werden kann, muss dieser zunächst in ein Zusatzlenkmoment
Mzus umgewandelt werden, welches dem Fahrerlenkmoment über den
EPS-Aktuator überlagert
wird (EPS = „Electric
Power Steering").
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Für die Umwandlung
des Differenzlenkwinkels in ein Zusatzlenkmoment für eine Übersteuerfunktion
eignen sich die folgenden Ausgestaltungen:
- 1.
Kleine Differenzlenkwinkel sollten nicht in Zusatzlenkmomente umgewandelt
werden, da sonst kleinste Lenkradwinkelabweichungen des Fahrers
sofort zu störenden
Zusatzlenkmomenten seitens des EPS-Systems führen. Dies kann beispielsweise
mit Hilfe einer toten Zone erreicht werden. Damit wird ein Differenzlenkwinkelband und
damit auch ein für
den Fahrer fühlbares
Lenkradwinkelband geschaffen, in dem kleine Ungenauigkeiten bei
dem Lenken eines Fahrzeugs in einer beginnenden Übersteuersituation toleriert werden,
ohne dass Lenkmomenteingriffe stattfinden.
- 2. Aus Sicherheitsgründen
kann das vom EPS-System erzeugte Zusatzlenkmoment bei großen Werten
auf einen Maximalwert Mzusmax begrenzt werden. In Versuchen erwies
sich ein Maximalwert zwischen 5 Nm und 7 Nm als geeignet.
- 3. Ein von der Querbeschleunigung ay abhängiges Zusatzlenkmoment Mzus
verbessert das Lenkgefühl
beim Übergang
auf andere Reibwerte. Beispielsweise kann dies über eine Kennlinie erfolgen,
welche bei ansteigenden Querbeschleunigungen das Zusatzlenkmoment
anhebt. Eine solche Kennlinie ist in 1 dargestellt.
Dabei ist in Abszissenrichtung die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung
ay (in Einheiten m/s–) und in Ordinatenrichtung
ein Multiplikationsfaktor MULT aufgetragen. Mit diesem Multiplikationsfaktor
wird das ermittelte Zusatzlenkmoment multipliziert.
- 4. Um das Zusatzlenkmoment zu glätten, kann eine Mittelwertbildung über zwei
oder mehrere Rechenzyklen eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich
ein weicheres, d.h. zeitlich gleichmäßigeres, Zusatzlenkmoment mit
einer nur geringen Phasenverschiebung, d.h. es ergibt sich ein nur
geringer zeitlicher Verzug zwischen dem theoretisch idealen Zeitpunkt
der Wirkung und der tatsächlichen
Wirkung. Bei einer zu großen
Phasenverschiebung könnte
sich die Wirkung sogar ins Gegenteil verkehren, d.h. das Systems
schwingt instabil.
- 5. Falls der Fahrer während
einer Übersteuersituation
das zusätzlich
aufgeschaltete Lenkmoment abzublocken versucht, d.h. bewusst dagegenlenkt,
wird dieses Zusatzlenkmoment abgeschwächt oder weggenommen. Dies
soll einer eventuellen Bevormundung des Fahrers entgegenwirken.
Diese Fahrerreaktion wird nur in erkannten Übersteuersituationen überwacht.
Dazu wird ein Fahrerblockiermoment aus der Addition des zusätzlich aufgeschalteten
Zusatzlenkmoments mit einem gemessenen oder ermittelten Fahrerhandmoment
berechnet. Das Fahrerblockiermoment ist aufgrund der Vorzeichenkonvention
seiner Berechnungsgrößen dann
gleich Null, falls der Fahrer versucht, das zusätzlich aufgeschaltete Zusatzlenkmoment
vollständig
zu kompensieren. Dabei weisen das Fahrerhandmoment und das Zusatzmoment
entgegengesetzte Vorzeichen auf, falls der Fahrer mit seiner Lenkbewegung
der vom Zusatzmoment vorgegebenen leichtgängigen Lenkrichtung nicht folgt.
Ein unterer Grenzwert für
das Sperrhandmoment wird über
die Multiplikation des Zusatzlenkmoments mit einem Faktor zwischen
0 und 1 ausgerechnet. Ist der Betrag des Fahrerblockiermoments kleiner als
der untere Grenzwert, dann blockiert der Fahrer die Bewegung des
zusätzlich
aufgeschalteten Lenkmoments und ein Zähler zählt die Anzahl der Rechenschritte
hoch solange diese Fahrerlenkreaktion andauert. Im anderen Falle
zählt der
Zähler nach
unten. Bei Erreichen eines maximal zulässigen Zählerstandes wird ein Blockier-Bit
gesetzt. Das bedeutet anschaulich, dass der Fahrer während eines
Zeitintervalls vorgegebener Länge stets
gegen die vom EPS-System vorgeschlagene, d.h. leichtgängige, Lenkrichtung
lenkt. Falls das Blockier-Bit gesetzt ist, wird das zusätzlich aufgeschaltete
Lenkmoment mit einem Faktor multipliziert, der für eine Abschwächung des Lenkmoments
kleiner als 1 ist bzw. für
eine vollständige
Wegnahme des Lenkmoments gleich Null ist.
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Durch
die beschriebene Übersteuerlenkassistenzfunktion
wird der Fahrer motiviert, rechtzeitig und angemessen gegenzulenken.
Außerdem
kann der Fahrer eine sich aufbauende, durch seine Lenkvorgabe jedoch
nicht gewollte, Gierbewegung des Fahrzeugs beherrschen und kontrolliert
reduzieren, so dass das Fahrzeug stets gierstabil bleibt. Damit bleibt
das Fahrzeug selbst bei dynamischen Übersteuersituationen stets
lenk- und beherrschbar.
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Im
folgenden wird auf die Ermittlung des Differenzlenkwinkels bzw.
Zusatzlenkwinkels eingegangen. Aus diesem Differenzlenkwinkel wird
das zuvor beschriebene Zusatzlenkmoment ermittelt.
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Hohe
ermittelte Differenzlenkwinkel können beispielsweise über eine
nichtlineare Kennlinie abgeschwächt
werden, bevor diese in ein Zusatzlenkmoment umgerechnet werden.
Damit kann der Fahrer mit seiner Lenkbewegung dem vom EPS vorgegebenen
Zusatzmoment folgen, ohne mehrmals am Lenkrad umgreifen zu müssen. Das
vorgegebene Zusatzmoment bleibt damit für den Fahrer beherrschbar,
indem es auf beherrschbare Werte abgeschwächt wird. Die Verwendung einer
anpassbaren nichtlinearen Kennlinie ermöglicht eine flexible Applikation
des Lenkgefühls
in Übersteuersituationen.
Eine für
diesen Verwendungszweck ausreichende nichtlineare Kennlinie kann
durch zwei Geraden realisiert werden, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt
ist. Dort ist in Abszissenrichtung der noch nicht abgeschwächte, normierte
Differenzlenkwinkel eingetragen. Dabei handelt es sich um eine normierte
Größe, d.h.
der Differenzlenkwinkel wird durch den maximal möglichen Differenzlenkwinkel
dividiert und damit ergeben sich Werte für die normierte Größe zwischen
0 und 1. In Ordinatenrichtung ist der abgeschwächte normierte Differenzlenkwinkel
aufgetragen. Auch dort handelt es sich um eine auf den maximal möglichen
Differenzlenkwinkel normierte Größe. In 2 ist
erkennbar, dass bis zu einem Wert von 0.08 keine Anschwächung stattfindet,
denn dort ist die in Ordinatenrichtung aufgetragene Ausgangsgröße (= abgeschwächter Differenzlenkwinkel)
gleich der in Abszissenrichtung aufgetragenen Eingangsgröße. Für Abszissenwerte,
welche größer als
0.08 sind, findet jedoch eine starke Abschwächung statt, beispielsweise wird
der maximal mögliche
normierte Differenzlenkwinkel mit dem Wert 1 auf den Wert 0.116
abgeschwächt.
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Der
maximal mögliche
Differenzlenkwinkel ist vor allem abhängig von der Lenkgetriebeübersetzung.
Bei einer Lenkgetriebeübersetzung
von 16 wird ein Übersteuerkonekturlenkradwinkel
von bis zu ca. 110° linear
weitergegeben. Größere Übersteuerkonekturlenkradwinkel
werden auf maximal 110° begrenzt,
so dass der Fahrer dem EPS-Übersteuerlenkeingriff
ohne am Lenkrad Umzugreifen folgen kann.
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Abhängig von
dem Quotient von Lenkwinkelgeschwindigkeit und Lenkwinkel kann ebenfalls
eine Verstärkung
bzw. Abschwächung
des berechneten Differenzlenkwinkels erfolgen. Bei einem positiven Quotienten
wird der Differenzlenkwinkel abgeschwächt, bei einem negativen Quotienten
verstärkt. Dadurch
wird erreicht, dass der daraus resultierende Lenkmomenteingriff
der Übersteuerassistenzfunktion rechtzeitige
und deutliche Hinweise liefert.
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Das
bedeutet anschaulich folgendes: Weisen der Differenzlenkwinkel und
die Lenkwinkelgeschwindigkeit gleiche Vorzeichen auf, d.h. es liegt
ein positiver Quotient vor, dann kann der Differenzlenkwinkel leicht
abgeschwächt
werden, da die gelenkten Räder
sich schon in die richtige Richtung bewegen. Bei unterschiedlichen
Vorzeichen, d.h. bei einem negativen Quotienten, kann der Differenzlenkwinkel
(in Abhängigkeit
von der Gierratenabweichung) angehoben werden, damit die Gegenlenkbewegung
rascher eingeleitet wird.
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Außerdem wird
das Zusatzlenkmoment abgeschwächt,
falls ein schnell reagierender Fahrer schon selbsttätig sowohl
in die richtige Richtung als auch schnell gegenlenkt. Damit keine
Unstetigkeiten im Differenzlenkwinkelverlauf auftreten, können diese
Anpassungen kontinuierlich durchgeführt werden.
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Auch
bei höheren
Lenkwinkelgeschwindigkeiten bzw. Lenkradwinkelgeschwindigkeiten
kann der stabilisierende Lenkeingriff abgeschwächt werden. Damit wird ein
Aufschwingen des Fahrzeugs bei losgelassener Lenkung durch die aktiven
Differenzlenkwinkel und somit auch die Lenkmomente abgeschwächt. Beim
Loslassen des Lenkrads fehlt die Sollvorgabe durch den Fahrer. Falls
eine große
Differenz zwischen der Soll- und Ist-Gierrate vorhanden ist (d.h.
das Fahrzeug übersteuert
hinreichend stark), wirkt sich dies auf den Differenzlenkwinkel
aus, so dass ein Zusatzlenkmoment entstehen würde, das bei losgelassener
Lenkung die Fahrsituation verschlechtern könnte. Als Folge könnte sich
ein ungewolltes Aufschwingen einstellen oder ein scheinbarer, sich
ständig ändernder
Sollgierratenzustand, da dieser eine Funktion des EPS-Moments ist.
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Falls
der Fahrer die Lenkung während
dem Übersteuermanöver loslässt, kann
die Lenkradwinkelgeschwindigkeit sehr hoch werden, wenn ein hohes
stabilisierendes Zusatzlenkmoment am Lenkrad wirkt. Durch Erkennung
dieses Zustandes und der rechtzeitigen Wegnahme des Zusatzlenkmoments kann
erreicht werden, dass der Fahrer stets mit beherrschbaren Lenkradgeschwindigkeiten
konfrontiert wird, so dass er in diesem Fall wieder in die Lenkung eingreifen
kann, ohne sich zu verletzen. Eine Möglichkeit der Realisierung
besteht darin, die aktuelle Lenkradwinkelgeschwindigkeit mit einer
unteren und einer oberen Lenkradwinkelgeschwindigkeitsgrenze zu
vergleichen. Eine Reduzierung des Zusatzlenkmoments erfolgt dann,
wenn dieses höher
als die untere Lenkradwinkelgeschwindigkeitsgrenze ist. Liegt die
Lenkradwinkelgeschwindigkeit zwischen der unteren und der oberen
Lenkradwinkelgeschwindigkeitsgrenze, dann wird der bisher errechnete
Differenzlenkwinkel mit einem insbesondere zwischen 0 und 1 liegenden
Faktor multipliziert. Für
Lenkradwinkelgeschwindigkeiten oberhalb der oberen Lenkradwinkelgeschwindigkeitsgrenze
wird das Zusatzlenkmoment vollständig
unterdrückt.
Es kann für
diesen Fall auch erforderlich sein, den Faktor auf negative Werte
zu erweitern, um im Extremfall ein lenkradbewegungshemmendes Zusatzlenkmoment
zu erzeugen.
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Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 3 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens in
Block 300 wird in Block 301 abgefragt, ob ein
bzgl. der Hochachse des Fahrzeugs instabiler Fahrzustand, insbesondere
ein übersteuernder
Fahrzustand, vorliegt. Lautet die Antwort „Nein" (in 3 stets
mit „n" gekennzeichnet),
dann wird zu Block 300 zurückverzweigt. Lautet die Antwort
dagegen „Ja" (in 3 stets
mit „y" gekennzeichnet),
dann wird in Block ein Zusatzlenkwinkel Δδ ermittelt und daraus wird in
Block 303 ein fahrerunabhängiges Zusatzlenkmoment Mzus
ermittelt, welches dem vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachten
Handmoment überlagert
wird.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 4 dargestellt. Dabei kennzeichnet Block 400 Sensormittel.
Dieser Block beinhaltet beispielsweise einen Gierratensensor zur
Erfassung der Ist-Gierrate. Die Ausgangssignale von Block 400 werden
an die Erfassungsmittel 401 weitergeleitet, in denen die
Erfassung des Vorliegens eines bzgl. der Hochachse instabilen Fahrzustandes
des Kraftfahrzeugs erfolgt. In Block 401 erfolgt auch die
Ermittlung fahrerunabhängiges
Lenkradmoments, welches das Lenkrad in diejenige Drehrichtung, in
welche eine Lenkbewegung zu einer Abschwächung oder Behebung des instabilen
Fahrzustands führt,
leichtgängiger
als in die entgegengesetzte Drehrichtung macht. Dieses Lenkradmoment
wird in den Aktuatormitteln 402 auf das Lenkrad 403 aufgebracht.